Reazioni organocatalitiche promosse dalla sonicazione

In chimica organica, l'organocatalisi è una forma di catalisi in cui il tasso di una reazione chimica è aumentato da un catalizzatore organico. Questo “organocatalizzatore” consiste di carbonio, idrogeno, zolfo e altri elementi non metallici che si trovano nei composti organici. L'applicazione di ultrasuoni ad alta potenza ai sistemi chimici è nota come sonochimica ed è una tecnica ben consolidata per aumentare le rese, migliorare i tassi di reazione e accelerare la velocità di reazione. Sotto sonicazione, diventa spesso possibile cambiare i percorsi chimici evitando sottoprodotti indesiderati. La sonochimica può promuovere reazioni organocatalitiche rendendole più efficienti e rispettose dell'ambiente.

Organocatalisi asimmetrica – Migliorato dalla sonicazione

La sonochimica, l'applicazione di ultrasuoni ad alte prestazioni nei sistemi chimici, può migliorare significativamente le reazioni organocatalitiche. L'organocatalisi asimmetrica combinata con l'ultrasuonazione permette spesso di trasformare l'organocatalisi in una via più amica dell'ambiente, rientrando così nella terminologia della chimica verde. La sonicazione accelera la reazione organocatalitica (asimmetrica) e porta a rendimenti più elevati, tassi di conversione più veloci, isolamento/purificazione del prodotto più facile, e migliore selettività e reattività. Oltre a contribuire al miglioramento della cinetica di reazione e della resa, la sonicazione può essere spesso combinata con solventi di reazione sostenibili, come liquidi ionici, solventi eutettici profondi, solventi delicati e non tossici e acqua. In questo modo, la sonochimica non solo migliora la reazione organocatalitica (asimmetrica) stessa, ma aiuta anche la sostenibilità delle reazioni organocatalitiche.

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Ultrasonic probe for sonochemical initiation and acceleration of organocatalytic reaction with higher yields

L'ultrasuoni promuove le reazioni organocatalitiche con conseguente miglioramento dei tassi di conversione, rendimenti più elevati e selettività.

La ricerca ha mostrato molteplici esempi di reazioni oragnocatalitiche intensificate dal punto di vista sonochemico. Per esempio, le molecole di DNA a doppio filamento come impalcatura chirale sono usate per assemblare catalizzatori ibridi metallo-biomacromolecole per reazioni di sintesi asimmetriche. Catalizzatori basati sul DNA G-quadruplex sono stati applicati in reazioni asimmetriche di addizione di Michael, Diels-Alder e Friedel-Crafts. (cfr. Zhao e Shen, 2018)
Per la reazione promossa dall'inidio, la sonicazione mostra effetti benefici poiché la reazione guidata dal sonochemico viene eseguita in condizioni più blande, conservando così alti livelli di diasteroselezione. Utilizzando la via sonochemica, sono stati raggiunti buoni risultati nella sintesi organocatalitica di carboidrati β-lattamici, β-amminoacidi e spirodiketopiperazine da lattoni di zucchero, nonché reazioni di allilazione e Reformatsky su eteri di ossima.

Sintesi organocatalitica della droga promossa dagli ultrasuoni

Rogozińska-Szymczak e Mlynarski (2014) riportano l'aggiunta asimmetrica Michael di 4-idrossicumarina a chetoni α,β-insaturi su acqua senza co-solventi organici – catalizzata da ammine primarie organiche e sonicazione. L'applicazione di (S,S)-difeniletilendiammina enantiomericamente pura permette una serie di importanti composti farmaceuticamente attivi in buone o eccellenti rese (73-98%) e con buone enantioselettività (fino al 76% ee) attraverso reazioni accelerate dagli ultrasuoni. I ricercatori presentano un efficiente protocollo sonochemical per la formazione "solidi su acqua" dell'anticoagulante warfarin in entrambe le forme enantiomeriche. Questa reazione organocatalitica rispettosa dell'ambiente non solo è scalabile, ma produce anche la molecola del farmaco target in forma enantiomerica pura.

Ultrasonically promoted asymmetric Michael addition of 4-hydroxycoumarin to α,β-unsaturated ketones

La sonicazione promuove l'aggiunta asimmetrica di Michael di 4-idrossicumarina a chetoni α,β-insaturi su acqua senza co-solventi organici.
Immagine e studio: ©Rogozińska-Szymczak e Mlynarski; 2014.

Epossidazione sonochemica dei terpeni

Charbonneau et al. (2018) hanno dimostrato il successo dell'epossidazione dei terpeni sotto sonicazione. L'epossidazione convenzionale richiede l'uso di un catalizzatore, ma con la sonicazione l'epossidazione funziona come reazione senza catalizzatore.
Il biossido di limonene è una molecola intermedia chiave per lo sviluppo di policarbonati biobased o poliuretani non isocianati. La sonicazione permette l'epossidazione senza catalizzatore dei terpeni in un tempo di reazione molto breve – allo stesso tempo dando rese molto buone. Per dimostrare l'efficacia dell'epossidazione ad ultrasuoni, il team di ricerca ha confrontato l'epossidazione del limonene a diossido di limonene utilizzando dimetil diossirano generato in situ come agente ossidante sia sotto agitazione convenzionale che sotto ultrasuoni. Per tutte le prove di sonicazione il Hielscher UP50H (50W, 30kHz), ultrasuoni da laboratorio è stato usato.

Terpene epoxidation is significantly faster and highly efficient when sonication is applied. Using ultrasound enables to runthe epoxidation reaction of terpenes as catalyst-free reaction.

Epossidazione sonochemica altamente efficiente dei terpeni (ad esempio, diossido di limonene, ossido di α-pinene, ossido di β-pinene, triepossido ecc.) con l'ultrasuoni UP50H
immagine e studio: © Charbonneau et al., 2018

Il tempo necessario per convertire completamente il limonene in diossido di limonene con una resa del 100% sotto sonicazione era solo 4,5 min a temperatura ambiente. In confronto, quando viene utilizzata l'agitazione convenzionale con un agitatore magnetico, il tempo necessario per raggiungere una resa del 97% di diossido di limonene era di 1,5 ore. L'epossidazione di α-pinene è stata studiata anche utilizzando entrambe le tecniche di agitazione. L'epossidazione dell'α-pinene ad α-pinene ossido sotto sonicazione ha richiesto solo 4 min con una resa ottenuta del 100%, mentre rispetto al metodo convenzionale il tempo di reazione era di 60 min. Come per altri terpeni, il β-pinene è stato convertito in ossido di β-pinene in soli 4 minuti, mentre il farnesolo ha prodotto il 100% del triepossido in 8 minuti. Il carveolo, un derivato del limonene, è stato convertito in diossido di carveolo con una resa del 98%. Nella reazione di epossidazione del carvone usando il dimetil diossirano la conversione è stata del 100% in 5 minuti producendo 7,8-carvone ossido.
I principali vantaggi dell'epossidazione sonochemica dei terpeni sono la natura ecologica dell'agente ossidante (chimica verde) e il tempo di reazione significativamente ridotto per eseguire questa ossidazione sotto agitazione ultrasonica. Questo metodo di epossidazione ha permesso di raggiungere il 100% di conversione del limonene con una resa del 100% di diossido di limonene in soli 4,5 minuti rispetto ai 90 minuti in cui viene utilizzata l'agitazione tradizionale. Inoltre, nessun prodotto di ossidazione del limonene, come il carvone, il carveolo e l'alcol perrilico, sono stati trovati nel mezzo di reazione. L'epossidazione dell'α-pinene sotto ultrasuoni ha richiesto solo 4 minuti, producendo il 100% di ossido di α-pinene senza ossidazione dell'anello. Anche altri terpeni come il β-pinene, il farnesolo e il carveolo sono stati ossidati, portando a rese di epossidi molto elevate.

Ultrasonically stirred reactor for sonochemical applications including organocatalysis, asymmetric reactions and many other.

Reattore agitato ad ultrasuoni con il ultrasuoni UP200St per reazioni organocatalitiche intensificate.

effetti sono-chimici

Acoustic cavitation as shown here at the Hielscher ultrasonicator UIP1500hdT is used to initiate and promote chemical reactions. Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1500hdT (1500W) ultrasonicator for sonochemical reactions.Come alternativa ai metodi classici, i protocolli basati sulla sonochimica sono stati utilizzati per aumentare i tassi di un'ampia varietà di reazioni, ottenendo prodotti generati in condizioni più blande con una significativa riduzione dei tempi di reazione. Questi metodi sono stati descritti come più ecologici e sostenibili e sono associati a una maggiore selettività e a un minore consumo di energia per le trasformazioni desiderate. Il meccanismo di tali metodi si basa sul fenomeno della cavitazione acustica, che induce condizioni uniche di pressione e temperatura attraverso la formazione, la crescita e il collasso adiabatico di bolle nel mezzo liquido. Questo effetto migliora il trasferimento di massa e aumenta il flusso turbolento nel liquido, facilitando le trasformazioni chimiche. Nei nostri studi, l'uso degli ultrasuoni ha portato alla produzione di composti in tempi di reazione ridotti con alte rese e purezza. Tali caratteristiche hanno aumentato il numero di composti valutati in modelli farmacologici, contribuendo ad accelerare il processo di ottimizzazione da hit a lead.
Non solo questo input ad alta energia può migliorare gli effetti meccanici nei processi eterogenei, ma è anche noto per indurre nuove reattività che portano alla formazione di specie chimiche inaspettate. Ciò che rende unica la sonochimica è il notevole fenomeno della cavitazione, che genera in uno spazio localmente confinato dell'ambiente delle microbolle effetti straordinari dovuti a cicli alternati di alta pressione/bassa pressione, differenziali di temperatura molto elevati, forze di taglio elevate e flusso di liquido.

Esempi di reazioni asimmetriche che coinvolgono gli organocatalizzatori sono:

  • Reazioni Diels-Alder asimmetriche
  • Reazioni asimmetriche di Michael
  • Reazioni asimmetriche di Mannich
  • Shi epossidazione
  • Idrogenazione a trasferimento organocatalitico

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Ultrasonic reactors can significantly improve organocatalytic reactions such as the Mannich reaction.

Sistema ultrasonico in linea con UIP2000hdT (2000W, 20kHz) per le reazioni sonochemiche, ad esempio per migliorare le reazioni organocatalitiche

I vantaggi delle reazioni organocatalitiche promosse dal sonochem

La sonicazione è sempre più utilizzata nella sintesi organica e nella catalisi poiché gli effetti sonochimici mostrano una sostanziale intensificazione delle reazioni chimiche. Specialmente se paragonata ai metodi tradizionali (per esempio, riscaldamento, agitazione), la sonochimica è più efficiente, conveniente e precisamente controllabile. La sonicazione e la sonochimica offrono diversi vantaggi importanti come rendimenti più elevati, maggiore purezza dei composti e selettività, tempi di reazione più brevi, costi inferiori, così come la semplicità nel funzionamento e nella gestione della procedura sonochemica. Questi fattori benefici rendono le reazioni chimiche assistite dagli ultrasuoni non solo più efficaci e sicure, ma anche più rispettose dell'ambiente.
È stato dimostrato che numerose reazioni organiche danno rendimenti più elevati in tempi di reazione più brevi e/o in condizioni più miti quando vengono eseguite utilizzando la sonicazione.

L'ultrasuoni permette semplici reazioni one-pot

La sonicazione permette di avviare reazioni multicomponente come reazioni one-pot che forniscono la sintesi di composti strutturalmente diversi. Tali reazioni one-pot sono apprezzate per un'alta efficienza complessiva e per la loro semplicità, dato che l'isolamento e la purificazione degli intermedi non sono richiesti.

Gli effetti delle onde ad ultrasuoni sulle reazioni organocatalitiche asimmetriche sono stati applicati con successo in vari tipi di reazione tra cui catalizzatori di trasferimento di fase, reazioni Heck, idrogenazione, reazioni Mannich, reazioni Barbier e Barbier-like, reazioni Diels-Alder, reazione di accoppiamento Suzuki e aggiunta Micheal.

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Hielscher Ultrasonics è il vostro partner di fiducia quando si tratta di apparecchiature a ultrasuoni di alta qualità e ad alte prestazioni. Hielscher progetta, produce e distribuisce sonde a ultrasuoni, reattori e corni a coppa all'avanguardia per applicazioni di tipo ecochimico. Tutte le apparecchiature sono prodotte secondo procedure certificate ISO e con precisione tedesca per una qualità superiore nella nostra sede di Teltow (vicino a Berlino), in Germania.
La gamma di ultrasuonatori Hielscher va dagli ultrasuonatori compatti da laboratorio ai reattori a ultrasuoni completamente industriali per la produzione chimica su larga scala. Le sonde (note anche come sonotrodi, corni ultrasonici o punte), i booster e i reattori sono disponibili in numerose dimensioni e geometrie. Anche le versioni personalizzate possono essere prodotte per le vostre esigenze.
Da Hielscher Ultrasonics’ I processori a ultrasuoni sono disponibili in qualsiasi dimensione, dai piccoli dispositivi da laboratorio ai grandi processori industriali per applicazioni di chimica batch e di flusso, la sonicazione ad alte prestazioni può essere facilmente implementata in qualsiasi configurazione di reazione. Regolazione precisa dell'ampiezza degli ultrasuoni – il parametro più importante per le applicazioni sonochemical – permette di far funzionare gli ultrasuoni Hielscher ad ampiezze da basse a molto alte e di sintonizzare esattamente l'ampiezza alle condizioni di processo ultrasonico richieste dallo specifico sistema di reazione chimica.
Il generatore di ultrasuoni della Hielscher è dotato di un software intelligente con protocollatura automatica dei dati. Tutti i parametri di elaborazione importanti come l'energia ultrasonica, la temperatura, la pressione e il tempo vengono automaticamente memorizzati su una scheda SD integrata non appena il dispositivo viene acceso.
Il monitoraggio del processo e la registrazione dei dati sono importanti per la standardizzazione continua del processo e la qualità del prodotto. Accedendo ai dati di processo registrati automaticamente, è possibile rivedere i cicli di sonicazione precedenti e valutare il risultato.
Un'altra caratteristica facile da usare è il controllo remoto via browser dei nostri sistemi a ultrasuoni digitali. Tramite il controllo remoto del browser è possibile avviare, fermare, regolare e monitorare il processore a ultrasuoni a distanza da qualsiasi luogo.
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Perché Hielscher Ultrasonics?

  • alta efficienza
  • Tecnologia all'avanguardia
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  • lotto & in linea
  • per qualsiasi volume
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  • caratteristiche intelligenti (per esempio, protocollatura dei dati)
  • elevata facilità d'uso e comfort
  • CIP (clean-in-place)

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Si prega di utilizzare il modulo sottostante per richiedere ulteriori informazioni sui processori ad ultrasuoni, le applicazioni e il prezzo. Saremo lieti di discutere il vostro processo con voi e di offrirvi un sistema ad ultrasuoni che soddisfi le vostre esigenze!









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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



Letteratura / Referenze

Particolarità / Cose da sapere

Cos'è l'organocatalisi?

L'organocatalisi è un tipo di catalisi in cui il tasso di una reazione chimica è aumentato dall'uso di un catalizzatore organico. Questo organocatalizzatore può essere composto da carbonio, idrogeno, zolfo e altri elementi non metallici che si trovano nei composti organici. L'organocatalisi offre diversi vantaggi. Poiché le reazioni organocatalitiche non richiedono catalizzatori a base di metalli, sono più rispettose dell'ambiente e contribuiscono quindi alla chimica verde. Gli organocatalizzatori possono essere spesso prodotti in modo economico e facile, e permettono percorsi sintetici più verdi.

Organocatalisi asimmetrica

L'organocatalisi asimmetrica è la reazione asimmetrica o enantioselettiva, che produce solo enantiomeri di molecole manipolate. Gli enantiomeri sono coppie di stereoisomeri che sono chirali. Una molecola chirale non è sovrapponibile alla sua immagine speculare, per cui l'immagine speculare è in realtà una molecola diversa. Per esempio, la produzione di enantiomeri specifici è particolarmente importante nella produzione di farmaci, dove spesso solo un enantiomero di una molecola di farmaco offre un certo effetto positivo, mentre l'altro enantiomero non mostra alcun effetto o è addirittura dannoso.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.