Teknologi ultrasound Hielscher

Ultrasonikasi Menyebabkan dan Meningkatkan Tahap Transfer Katalis

Ultrasound dengan daya yang tinggi terkenal untuk kontribusinya untuk berbagai reaksi kimia. Ini yang disebut Sonochemistry. Reaksi heterogen- dan terutama fasa reaksi transfer-yang berpotensi tinggi di bidang aplikasi untuk kekuatan ultrasound. Karena energi mekanik dan sonochemical yang diterapkan pada reagen, reaksi dapat dimulai, kecepatan reaksi dapat tingkat secara signifikan, serta tingkat konversi yang lebih tinggi, hasil yang lebih tinggi, dan produk yang lebih baik dapat dicapai. Skalabilitas linier ultrasound dan ketersediaan peralatan ultrasonik Industri membuat teknik ini menjadi solusi menarik untuk produksi kimia.
Glass reactor for targeted and reliable sonication processes

Ultrasonic Glass Flow Cell

fasa katalis transfer

Phase Transfer Catalysis (PTC) adalah bentuk khusus dari katalis heterogen dan dikenal sebagai metodologi praktis untuk sintesis organik. Dengan menggunakan fasa katalis transfer, menjadi mungkin untuk melarutkan reaktan ionik, yang sering larut dalam fasa air tetapi tidak larut dalam fasa organik. Ini berarti PTC solusi alternatif untuk mengatasi masalah heterogenitas dalam reaksi di mana interaksi antara dua zat yang berada pada fase campuran yang berbeda dihambat karena ketidakmampuan reagen untuk bersatu. (Esen et al. 2010) Keuntungan umum dari fasa katalis transfer adalah sedikit usaha untuk persiapan, prosedur percobaan yang sederhana, kondisi reaksi yang ringan, laju reaksi yang tinggi , selektifitas yang tinggi, dan menggunakan reagen yang murah dan ramah lingkungan, seperti garam amonium kuarter, dan pelarut, dan kemungkinan untuk melakukan persiapan dalam skala yang besar (Ooi et al. 2007).
Berbagai reaksi liquid–liquid dan liquid–solid telah ditingkatkan dan dilakukan secara selektif dengan menggunakan phase transfer (PT) katalis seperti quats, polyethylene glycol-400, dll, yang memungkinkan jenis ionik untuk diangkut dari fasa air ke fasa organik. Dengan demikian, masalah yang terkait dengan sangat rendah kelarutan reaktan organik dalam fasa air dapat diatasi. Dalam pestisida dan industri farmasi, PTC digunakan secara ekstensif dan telah mengubah dasar-dasar bisnis. (Sharma 2002)

Kekuatan Ultrasound

Penerapan kekuatan ultrasound adalah alat yang tekenal untuk mebuat Emulsi. Dalam kimia, emulsi ukuran sangat halus seperti itu digunakan untuk meningkatkan reaksi kimia. Ini berarti bahwa daerah kontak interfacial antara dua atau lebih cairan yang tidak bisa bercampur menjadi sangat besar dan memberikan jalan reaksi yang lebih baik, lebih lengkap dan / atau lebih cepat.
Untuk katalis fasa transfer – sama seperti reaksi kimia lainnya- energi kinetik yang cukup diperlukan untuk memulai reaksi.
Ini memiliki berbagai efek positif mengenai reaksi kimia:

  • Reaksi kimia yang biasanya tidak terjadi karena energi kinetik yang rendah dapat dimulai dengan ultrasonikasi
  • Reaksi kimia dapat dipercepat oleh PTC dibantu ultrasonik
  • Penghindaran lengkap katalis fasa transfer
  • Penggunaan bahan baku yang ebih efisien
  • Produk sampingan dapat dikurangi
  • Penggantian biaya-intensif basis berbahaya yang kuat dengan basis anorganik murah.

Oleh efek-efek, PTC adalah metodologi kimia yang berharga untuk sintesis organik dari dua dan lebih immiscible reaktan: fasa transfer katalis (PTC) memungkinkan untuk menggunakan bahan baku proses kimia yang lebih efisien dan menghasilkan biaya lebih efektif. Peningkatan reaksi kimia oleh PTC mere-akan alat penting untuk produksi kimia yang dapat ditingkatkan dengan penggunaan ultrasound secara dramatis.

Ultrasonic cavitation in a glass column

Kavitasi dalam cairan

Contoh untuk Ultrasonikasi yang Mendorong Reaksi PTC

  • Sintesis baru N'-(4,6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl) derivatif dengan menggunakan PEEG-400 di bawah ultrasonikasi. (Ken et al. 2005)
  • Ultrasonikasi membantu sintesis untuk medelic acid oleh PTC dalam cairan ion menunjukkan peningkatan yang significant dalam hasil reaksi pada kondisi sekitar (Hua et al. 2011)
  • Kubo et al. (2008) melaporkan ultrasonically membantu C-alkilasi dari phenylacetonitrile di lingkungan bebas pelarut. Efek ultrasound untuk mendorong reaksi yang diatribusikan kepada kawasan interfacial yang sangat besar antara dua fase cair. Ultrasonikasi menghasilkan tingkat reaksi yang jauh lebih cepat daripada pencampuran mekanis.
  • Sonikasi selama reaksi karbon tetraklorida dengan magnesium untuk menghasilkan dichlorocarbene yang lebih tinggi gem-dichlorocyclopropane dengan kehadiran olefins. (Lin et al. 2003)
  • Ultrasound menyediakan percepatan reaksi Cannizzaro P-chlorobenzaldehyde pada kondisi fase transfer. Dari tiga fasa katalis transfer – benzyltriethylammonium chloride(TEBA), Aliquat dan 18-crown-6-, yang telah diuji oleh Polácková et al. (1996) TEBA ditemukan paling efektif. Ferrocenecarbaldehyde dan P-dimethylaminobenzaldehyde memberi, dalam kondisi yang sama, 1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-ones sebagai produk utama.
  • Lin-Xiao et al. (1987) telah menunjukkan bahwa kombinasi dari ultrasonikasi dan PTC mempromosikan secara efektif pembuatan dichlorocarbene dari kloroform dalam waktu yang lebih singkat dengan hasil yang lebih baik dan jumlah katalis yang lebih sedikit.
  • Yang et al. (2012) telah menyelidiki sintesis benzil 4-hydroxybenzoate yang ramah lingkungan dengan menggunakan 4,4'-bis (tributylammoniomethyl) -1,1'-biphenyl dichloride (QCl2) sebagai katalis. Dengan menggunakan QCl2, mereka telah mengembangkan sebuah dual-site phase-transfer katalis yang baru. Solid-liquid phase-transfer catalysis (SLPTC) ini telah dilakukan sebagai proses batch dengan ultrasonikasi. Di bawah intensitas sonikasi, 33% Q2 + mengandung 45,2% dari Q(Ph(OH)COO)2 telah ditransfer ke dalam fasa organik bereaksi dengan benzyl bromide, sehingga laju reaksi keseluruhan ditingkatkan. Laju peningkatan reaksi ini diperoleh 0.106 menit-1 di bawah 300W iradiasi ultrasonik, sementara tanpa tingkat sonikasi 0.0563 min-1 diamati. Dengan demikian, efek sinergis dari katalis transfer fasa dua lokasi dengan ultrasound dalam katalisis transfer fasa telah ditunjukkan.
The ultrasonic lab device UP200Ht provides powerful sonication in laboratories.

Gambar 1: UP200Ht adalah homogenizer ultrasonik 200 watt yang kuat

Peningkatan Ultrasonik dari Reaksi Transfer Fasa Asimetris

Dengan tujuan untuk membangun metode praktis untuk sintesis asimetris a-amino asam dan turunannya Maruoka dan Ooi (2007) menyelidiki "Apakah reaktivitas N-spiro chiral quaternary ammonium salts dapat ditingkatkan dan strukturnya disederhanakan. Karena iradiasi ultrasonik menghasilkan Homogenisasi, yaitu, emulsi halus Emulsi, ini sangat meningkatkan daerah interfacial atas yang reaksi dapat terjadi, yang dapat memberikan tingkat substansial percepatan dalam liquid–liquid fase transfer reaksi. Memang, sonikasi campuran reaksi 2, metil iodida, dan (S, S) -naphtyl subunit (1 mol%) pada KOH berair toluene / 50% pada 0 degC selama 1 jam menghasilkan produk alkilasi yang sesuai pada 63% Hasil dengan 88% ee; ; Hasil kimia dan enantioselektivitas sebanding dengan reaksi yang dilakukan dengan pengadukan sederhana campuran selama delapan jam (0 degC, 64%, 90% ee). "(Maruoka et al 2007; p 4229)

Improved phase transfer reactions by sonication

Skema 1: Ultrasonikasi meningkatkan laju reaksi selama sintesis asimetris asam α-amino [Maruoka et al. 2007]

Jenis reaksi lain dari asimetris katalis adalah reaksi Michael. Penambahan Michael dietil n-asetil-aminomalonate ke chalcone secara positif dipengaruhi oleh ultrasonikasi yang menghasilkan peningkatan 12% dari hasil (dari 72% yang diperoleh selama reaksi diam hingga 82% di bawah ultrasonkasi). Waktu reaksi enam kali lebih cepat di bawah daya ultrasound dibandingkan dengan reaksi tanpa ultrasound. Kelebihan enansiomerik (ee) tidak berubah dan untuk kedua reaksi - dengan dan tanpa ultrasound - pada 40% ee. (Mirza-Aghayan et al 1995)
Li et al. (2003) menunjukkan bahwa reaksi Michael chalcones sebagai partisipan dengan berbagai macam senyawa aktif metilena seperti diethyl malonate, nitromethane, cyclohexanone, ethyl acetoacetate dan acetylacetone sebagai donor yang dikatalisis oleh KF/ alumina dasar menghasilkan hasil tambahan dalam hasil tinggi dalam waktu yang lebih singkat di bawah iradiasi ultrasound. Dalam studi lain, Li et al. (2002) telah menunjukkan ultrasonicakasi membantu sintesis dari chalcones dikatalisis oleh KF-Al2O3.
Reaksi PTC di atas menunjukkan hanya sedikit potensial dan kemungkinan radiasi ultrasonik.
Pengujian dan evaluasi ultrasound mengenai kemungkinan perbaikan/ peningkatan di PTC sangat sederhana. Perangkat lab ultrasonik seperti Hielscher UP200Ht (200 watt) dan bench-top sistem seperti Hielscher UIP1000hd (1000 watt) mengizinkan untuk uni coba pertama. (Lihat gambar 1 dan 2)
Ultrasonic meningkatkan penambahan asimetris Michael (Klik untuk memperbesar!)

Skema 2: Ultrasonically membantu asimetris Michael penambahan dietil N-asetil-aminomalonate untuk chalcone [Török et al. 2001]

Produksi Efisien yang Bersaing di Pasar Kimia

Menggunakan katalis transfer fasa ultrasonik Anda akan mendapatkan keuntungan dari satu atau berbagai keunggulan yang bermanfaat:

  • inisialisasi reaksi yang dinyatakan tidak layak dilakukan
  • meningkatkan hasil
  • mengurangi biaya yang mahal, anhydrous, aprotic solvents
  • pengurangan waktu reaksi
  • reaksi temperatur yang rendah
  • persiapan sederhana
  • menggunakan larutan alkali logam bukan logam alkali alkoxides, sodium amide, sodium hydride atau metallic sodium
  • menggunakan bahan baku lebih murah, terutama oksidan
  • pergeseran selektivitas
  • perubahan rasio produk (misalnya O- / C-alkilasi)
  • isolasi disederhanakan dan pemurnian
  • meningkatkan hasil dengan menekan reaksi samping
  • sederhana, linier skala-up hingga tingkat produksi industri, bahkan dengan throughput yang sangat tinggi
UIP1000hd Bench-Top Ultrasonic Homogenizer

Setup dengan 1000W ultrasonik prosesor, flow cell, tangki dan pompa

Pengujian Sederhana dan Bebas Risiko dari Efek Ultrasonik dalam Kimia

Untuk melihat bagaimana ultrasound mempengaruhi bahan dan reaksi spesifik, uji kelayakan pertama dapat dilakukan dalam skala kecil. Perangkat laboratorium yang digengam atau terpasang di kisaran 50 sampai 400 watt memungkinkan sonikasi sampel berukuran kecil dan menengah di dalam beaker. Jika hasil pertama menunjukkan potensi pencapaian, proses dapat dikembangkan dan dioptimalkan di bench-top dengan prosesor ultrasonik industri, mis. UIP1000hd (1000W, 20kHz). Hielscher's ultrasonik bench-top sistem dengan 500 watt untuk 2000 watt adalah perangkat ideal untuk R&D dan optimasi. Sistem ini ultrasonik-dirancang untuk sonikasi beaker dan inline – memberikan kontrol penuh atas parameter proses yang paling penting: Amplitudo, Tekanan, Temperatur, Viskositas, dan Konsentrasi.
Akurat kontrol atas parameter memungkinkan untuk reproduktibilitas tepat dan linier skalabilitas dari hasil yang diperoleh. Setelah menguji berbagai setup, konfigurasi yang ditemukan paling baik dapat digunakan untuk berjalan terus menerus (24h / 7d) dalam kondisi produksi. PC-Control opsional (software interface) juga memfasilitasi pencatatan percobaan individual. Untuk sonikasi cairan atau pelarut yang mudah terbakar di lingkungan yang berbahaya (ATEX, FM) UIP1000hd ini tersedia dalam versi bersertifikat ATEX: UIP1000-Exd.

Manfaat umum dari ultrasonication dalam kimia:

  • Reaksi dapat dipercepat atau kurang kondisi memaksa yang mungkin diperlukan jika sonikasi diterapkan.
  • Periode induksi sering dikurangi secara signifikan seperti juga eksoterm yang biasanya terkait dengan reaksi semacam itu.
  • Reaksi sonokimia sering dimulai dengan ultrasound tanpa kebutuhan aditif.
  • Jumlah langkah-langkah yang biasanya diperlukan dalam rute sintetis yang terkadjang dapat dikurangi.
  • Dalam beberapa situasi reaksi dapat diarahkan ke jalur alternatif.

Hubungi kami / informasi lebih lanjut

Hubungi kami mengenai kebutuhan pengolahan Anda. Kami akan merekomendasikan parameter setup dan pengolahan yang paling cocok untuk proyek Anda.





Harap dicatat bahwa Kebijakan pribadi.


Literatur / Referensi

  1. Esen, Ilker et al. (2010): Panjang Rantai Dicationic Tahap transfer Katalis dalam Reaksi Kondensasi Aromatic Aldehyde di Air bawah Ultrasonic Effect. Buletin Korea Chemical Society 31/8 2010; pp. 2289-2292.
  2. Hua, T. et al. (2011): sintesis asam mandelic oleh transfer fase katalisis Ultrasonically-dipromosikan dalam cairan ionik. Dalam: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 18/5, 2011; pp. 1035-1037.
  3. Li, J.-T. et al. (2003): Reaksi Michael dikatalisasi oleh KF / alumina dasar di bawah iradiasi ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry 10, 2003. pp. 115-118.
  4. Lin, Haixa et al. (2003): Sebuah Prosedur Facile untuk Generasi diklorokarbena dari Reaksi Karbon Tetrachlorida dan Magnesium menggunakan Ultrasonic Iradiasi. Dalam: Molekul 8, 2003; pp. 608 -613.
  5. Lin-Xiao, Xu et al. (1987): Sebuah metode praktis baru untuk generasi dichlorocebene oleh iradiasi ultrasonik dan transfer fase katalis. Dalam: Acta Chimica Sinica, Vol. 5/4, 1987; pp. 294-298.
  6. Ken, Shao-Yong et al. (2005): Pergantian Fase katalis sintesis bawah iradiasi ultrasonik dan bioaktivitas N’- (4,6-Disubstituted-pirimidin-2-yl) -N- (5-aril-2-furoyl) turunan tiourea. In: India Journal of Chemistry Vol. 44B, 2005; pp. 1957-1960.
  7. Kubo, Masaki et al. (2008): Kinetika Solvent-Free C-Alkilasi dari Phenylacetonitrile Menggunakan Ultrasonic Iradiasi. Teknik Kimia Jurnal Jepang, Vol. 41, 2008; pp. 1031-1036.
  8. Maruoka, Keiji et al. (2007): Kemajuan terbaru dalam Asymmetric Katalisis Tahap-Transfer. Dalam: Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; pp. 4222-4266.
  9. Mason, Timothy et al. (2002): sonochemistry Terapan: penggunaan kekuasaan USG dalam kimia dan pengolahan. Wiley-VCH, Weinheim 2002.
  10. Mirza-Aghayan, M. et al (1995): USG Efek Radiasi pada Reaksi Asymmetric Michael. Tetrahedron: Asimetri 6/11, 1995; pp. 2643-2646.
  11. Polácková, Viera et al. (1996): USG-dipromosikan Cannizzaro reaksi di bawah kondisi fase-transfer. Dalam: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 3/1, 1996; pp. 15-17.
  12. Sharma, M. M. (2002): Strategi melakukan reaksi pada skala kecil. rekayasa selektivitas dan proses intensifikasi. In: Murni dan Terapan Kimia, Vol. 74/12, 2002; pp. 2265-2269.
  13. Török, B. et al. (2001): Reaksi Asymmetric di sonochemistry. Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001; pp. 191-200.
  14. Wang, Maw-Ling et al. (2007): USG dibantu fase transfer epoksidasi katalitik dari 1,7-oktadiena - Sebuah studi kinetik. Dalam: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 14/1, 2007; pp. 46-54.
  15. Yang, H.-M .; Chu, W.-M. (2012): USG-Assisted Tahap-Transfer Katalisis: Hijau Sintesis disubtitusi Benzoat dengan Catalyst Novel Dual-Site Tahap-Transfer di Solid-Liquid System. Dalam: Prosiding s dari 14Th Asia Pacific Konfederasi Teknik Kimia Kongres APCChE 2012.


Fakta-fakta yang Patut Diketahui

Perangkat ultrasonik sering dirujuk sebagai alat penguji sonikasi untuk, ultrasound homogenizer, sonic lyser, ultrasound disruptor, ultrasonic grinder, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, cell disrupter, ultrasonic disperser atau dissolver. Dimana istilah yang berbeda ini muncul dari berbagai hasil aplikasi yang dapat dipenuhi oleh sonikator.