Reazioni di Diels-Alder migliorate per via sonochemica

Le reazioni di Diels-Alder sono ampiamente utilizzate per le sintesi chimiche, dove è necessario formare legami atomici carbonio-carbonio. L'ultrasuonoterapia e i suoi effetti sonochimici sono molto efficaci nel pilotare e promuovere le reazioni di Diels-Alder, ottenendo rese più elevate, riducendo significativamente i tempi di reazione e, allo stesso tempo, facendo parte della chimica verde rispettosa dell'ambiente.

Reazione diels-alder potenziata per via sonica per la chimica verde

Le reazioni di Diels-Alder sono reazioni chimiche in cui si formano legami tra atomi di carbonio. La reazione di Diels-Alder è classificata come una cicloaddizione [4+2] termicamente ammessa [_π4_s + _π2_s]. Poiché la sintesi organica assistita da ultrasuoni è una via sintetica verde ed efficiente, che aumenta i tassi di reazione, le rese e la selettività delle reazioni, la sonicazione è una tecnica semplice e affidabile ampiamente utilizzata nei laboratori e nella produzione industriale. Spesso, la via promossa dagli ultrasuoni facilita la trasformazione organica a condizioni ambientali che altrimenti richiederebbero condizioni drastiche di temperatura e pressione, il che aiuta a risparmiare sui costi energetici e trasforma la sintesi chimica in una procedura economica.

Reazione Diels-Alder a ultrasuoni con solventi eutettici profondi

I solventi eutettici profondi (DES) sono soluzioni di acidi e basi di Lewis o Brønsted che formano una miscela eutettica. Poiché i solventi eutettici profondi non sono infiammabili, possiedono basse pressioni di vapore e tossicità e sono spesso ottenuti da composti naturali, rappresentano un'alternativa di solvente più economica e rispettosa dell'ambiente. È noto che gli ultrasuoni e i solventi eutettici profondi lavorano insieme in modo sinergico e sono quindi utilizzati sia per la sintesi chimica che per l'estrazione a ultrasuoni. L'uso di solventi eutettici profondi è vantaggioso anche nelle reazioni di Diels-Alder promosse dagli ultrasuoni. Ad esempio, la sonicazione viene utilizzata per promuovere la reazione di Diels-Alder utilizzando l'N-etilmaleimmide come dienofilo, cambiando la natura del diene nei solventi eutettici profondi (DES) sia con il riscaldamento convenzionale che con l'attivazione a ultrasuoni.
L'utilizzo dell'attivazione a ultrasuoni in combinazione con solventi eutettici profondi si è rivelato vantaggioso, fornendo buone rese in tempi di reazione drasticamente ridotti.

Reazione di Diels-Alder migliorata con gli ultrasuoni.
schema adattato da Marullo et al., 2020

Procedura generale per la reazione di Diels-Alder mediante DES e sonicazione

Le reazioni di Diels-Alder promosse dagli ultrasuoni sono state eseguite inserendo la sonda a ultrasuoni (sonotrodo/corno) nel recipiente di reazione. Utilizzando una sonda a ultrasuoni con punta di 0,5 cm di diametro, la potenza nominale di uscita era di 70 W. Le reazioni sono state eseguite a 40°C applicando la modalità di sonicazione a impulsi con cicli di 5 sec ON e 20 sec OFF. La reazione di Diels-Alder intensificata con ultrasuoni ha dato buone rese in un tempo molto più breve rispetto alle condizioni di silenzio (70 min e 24 h per le reazioni soniche e silenziose, rispettivamente).
Per valutare l'efficienza energetica della reazione di Diels-Alder intensificata con gli ultrasuoni, sono stati confrontati i consumi energetici della reazione di Diels-Alder silenziosa e di quella promossa con gli ultrasuoni. I calcoli hanno dato un consumo di 35.094 kJ/g per la reazione silenziosa e di 28,4 kJ/g per la reazione assistita dagli ultrasuoni (tromba a ultrasuoni con una potenza di uscita di 70 W di energia netta), rispettivamente. Ciò si traduce in un risparmio energetico del 99% per la reazione di Diels-Alder guidata dagli ultrasuoni. Tutte queste osservazioni suggeriscono fortemente che l'uso combinato di solventi eutettici profondi (DES) e irradiazione a ultrasuoni è una metodologia efficiente e a risparmio energetico per processi sintetici importanti come la reazione di Diels-Alder. (Marullo et al., 2020)

L'effetto di vari solventi eutettici profondi in combinazione con la sonicazione

I migliori risultati per la reazione di Diels-Alder promossa a ultrasuoni sono stati ottenuti quando sono stati utilizzati come solventi gli eutettici profondi [ChCl]:[Fru] e [TBACl]:[EG]. L'uso di [ChCl]:[Fru] e [TBACl]:[EG] come solventi ha permesso di ridurre notevolmente i tempi di reazione e di migliorare significativamente la resa (per [TBACl]:[EG] 73% e 87%, e per [ChCl]:[Fru] 23 e 75% in condizioni silenziose e soniche, rispettivamente).
In alcuni casi, ovvero quando vengono utilizzati come solventi [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly] e [AcChCl]:[EG], le rese sono paragonabili a quelle ottenute in condizioni di silenzio, ma la velocità del processo chimico viene comunque drasticamente migliorata dalla sonicazione.
La sonicazione funziona molto bene con solventi a bassa pressione di vapore e viscosi come i liquidi ionici (IL), poiché queste condizioni facilitano la generazione di effetti di cavitazione più inetnsi. Poiché i solventi eutettici profondi possiedono proprietà fisiche simili a quelle dei liquidi ionici, possono essere opportunamente utilizzati in combinazione con gli ultrasuoni. L'interazione combinata di solventi eutettici profondi (DES) e sonicazione riduce significativamente la richiesta energetica della reazione di Diels-Alder. Si possono osservare riduzioni significative dei tempi di reazione da 24 ore a 70 minuti, pur ottenendo rese molto buone. Per quanto riguarda l'efficienza del processo, ciò significa che l'uso combinato di solventi eutettici profondi (DES) e ultrasuoni consente di lavorare una quantità di materiali 10 volte superiore rispetto alle condizioni di silenzio. (Marullo et al., 2020)

Reazione Diels-Alder ultrasonica di alcheni ossiciclici

Wei e colleghi (2004) hanno dimostrato che gli ultrasuoni promuovono la reazione di Diels-Alder di furani sostituiti con dienofili reattivi come il dimetil acetilendicarbossilato (DMAD) e il dimetil maleato, fornendo alcheni ossiciclici funzionalizzati in buone rese. La reazione promossa ad ultrasuoni della cicloaddizione diels-alder regiospecifica di furani 2-vinilici con DMAD ha fornito alcheni ossiciclici funzionalizzati in buone rese.

Reazioni di cicloaddizione migliorate dal punto di vista sonochemico

Bravo e colleghi (2006) hanno descritto una serie di cicloaddizioni stereo che coinvolgono ciclopentadiene o 1,3-cicloesadiene con dienofili carbonilici in un liquido ionico a base di imidazolio come mezzo di reazione. Hanno dimostrato che gli ultrasuoni migliorano efficacemente queste reazioni di cicloaddizione, ottenendo rese più elevate e/o tempi di reazione ridotti rispetto alle corrispondenti reazioni silenti. Ad esempio, per semplici dienofili α,β-insaturi come il metilvinilchetone o l'acroleina, gli effetti dell'attivazione ultrasonica sono evidenti. Ad esempio, il metil vinil chetone produce una resa dell'89% in 1 ora di blanda sonicazione, mentre la reazione silenziosa produce solo il 52% nello stesso tempo di reazione.

Ultrasuonatori di qualsiasi dimensione per le reazioni diels-alder promosse per via sonica

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I generatori di ultrasuoni Hielscher sono dotati di un software intelligente con protocollatura automatica dei dati. Tutti i parametri di elaborazione più importanti, come l'energia ultrasonica, la temperatura, la pressione e il tempo, vengono memorizzati automaticamente 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 valutarne i risultati.
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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: