Reazioni di Diels-Alder migliorate mediante sonochimica

Le reazioni di Diels-Alder sono ampiamente utilizzate nelle sintesi chimiche che richiedono la formazione di legami tra atomi di carbonio. Il trattamento a ultrasuoni e i suoi effetti sonochimici sono altamente efficaci nell’indurre e favorire le reazioni di Diels-Alder, consentendo di ottenere rese più elevate e tempi di reazione significativamente ridotti e rientrando al contempo nell’ambito della chimica verde rispettosa dell’ambiente.

Reazione di Diels-Alder potenziata mediante sonochimica per la chimica verde

Le reazioni di Diels-Alder sono reazioni chimiche nelle quali si formano legami tra atomi di carbonio. La reazione di Diels-Alder è classificata come una cicloaddizione [4+2] termicamente consentita [_π4_s + _π2_s]. Poiché la sintesi organica assistita da ultrasuoni è una via sintetica verde ed efficiente che aumenta le velocità 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 favorita dalla sonochimica facilita trasformazioni organiche in condizioni ambientali che altrimenti richiederebbero condizioni drastiche di temperatura e pressione, contribuendo a risparmiare sui costi energetici e rendendo la sintesi chimica una procedura più sicura.

Reazione di Diels-Alder con ultrasuoni utilizzando solventi eutettici profondi

I solventi eutettici profondi (DES) sono soluzioni di acidi e basi di Lewis o di Brønsted che formano una miscela eutettica. Poiché i solventi eutettici profondi non sono infiammabili, presentano basse pressioni di vapore e bassa tossicità e sono spesso ottenuti da composti naturali, rappresentano un’alternativa più sicura e più rispettosa dell’ambiente ai solventi. È noto che il trattamento a ultrasuoni e i solventi eutettici profondi agiscono in sinergia e vengono pertanto utilizzati sia nella sintesi chimica sia nell’estrazione a ultrasuoni. L’impiego di solventi eutettici profondi è vantaggioso anche nelle reazioni di Diels-Alder favorite dagli ultrasuoni. Ad esempio, la sonicazione viene utilizzata per favorire la reazione di Diels-Alder impiegando N-etilmaleimmide come dienofilo e variando la natura del diene nei solventi eutettici profondi (DES), sia con riscaldamento convenzionale sia con attivazione ultrasonica.
L’impiego dell’attivazione ultrasonica in combinazione con solventi eutettici profondi si è dimostrato vantaggioso, consentendo di ottenere buone rese con tempi di reazione drasticamente ridotti.

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

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

Le reazioni di Diels-Alder favorite dagli ultrasuoni sono state condotte inserendo la sonda ultrasonica (sonotrodo / corno ultrasonico) nel recipiente di reazione. Utilizzando una sonda ultrasonica con una punta di 0,5 cm di diametro, la potenza nominale in uscita era di 70 W. Le reazioni sono state eseguite a 40°C applicando la sonicazione in modalità pulsata, con cicli di 5 sec di attivazione e 20 sec di disattivazione. La reazione di Diels-Alder intensificata dagli ultrasuoni ha fornito buone rese in un tempo molto più breve rispetto alle condizioni senza ultrasuoni (rispettivamente 70 min e 24 h per le reazioni sonochimiche e quelle senza ultrasuoni).
Per valutare l’efficienza energetica della reazione di Diels-Alder intensificata mediante sonochimica, sono stati confrontati i consumi energetici della reazione di Diels-Alder senza ultrasuoni e di quella favorita dagli ultrasuoni. I calcoli hanno indicato un consumo rispettivamente di 35.094 kJ/g per la reazione senza ultrasuoni e di 28,4 kJ/g per la reazione assistita da ultrasuoni (corno ultrasonico con una potenza netta in uscita di 70 W). Ciò corrisponde a un risparmio energetico del 99% per la reazione di Diels-Alder indotta mediante sonochimica. Tutte queste osservazioni suggeriscono con forza che l’impiego combinato di solventi eutettici profondi (DES) e irradiazione ultrasonica costituisce una metodologia efficiente e a risparmio energetico per importanti processi sintetici come la reazione di Diels-Alder. (Marullo et al., 2020)

L’effetto di diversi solventi eutettici profondi in combinazione con la sonicazione

I risultati migliori per la reazione di Diels-Alder favorita dagli ultrasuoni sono stati ottenuti quando i solventi eutettici profondi [ChCl]:[Fru] e [TBACl]:[EG] vengono utilizzati come solventi. L’impiego di [ChCl]:[Fru] e [TBACl]:[EG] come solventi ha consentito di ridurre significativamente il tempo di reazione e di migliorare significativamente la resa (per [TBACl]:[EG] 73% e 87%, e per [ChCl]:[Fru] 23 e 75% rispettivamente in condizioni senza ultrasuoni e sonochimiche).
In alcuni casi, ossia quando [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], e [AcChCl]:[EG] vengono utilizzati come solventi, le rese sono comparabili a quelle ottenute in condizioni senza ultrasuoni, ma la velocità del processo chimico viene comunque drasticamente aumentata dalla sonicazione.
La sonicazione funziona molto bene con solventi viscosi e a bassa pressione di vapore, come i liquidi ionici (IL), poiché queste condizioni facilitano la generazione di effetti di cavitazione più intensi. Poiché i solventi eutettici profondi possiedono proprietà fisiche simili a quelle dei liquidi ionici, possono essere impiegati efficacemente insieme al trattamento a ultrasuoni. L’azione combinata dei solventi eutettici profondi (DES) e della sonicazione riduce significativamente il fabbisogno energetico della reazione di Diels-Alder. Si possono osservare riduzioni significative del tempo di reazione da 24 h a 70 min, ottenendo al contempo rese molto buone. In termini di efficienza del processo, ciò significa che l’impiego combinato di solventi eutettici profondi (DES) e trattamento a ultrasuoni consente di trattare una quantità di materiali 10 volte maggiore rispetto alle condizioni senza ultrasuoni. (Marullo et al., 2020)

Reazione di Diels-Alder con ultrasuoni per ottenere alcheni ossabiciclici

Wei e colleghi (2004) hanno dimostrato che la reazione di Diels–Alder di furani sostituiti con dienofili reattivi, come l’acetilendicarbossilato di dimetile (DMAD) e il maleato di dimetile, favorita dal trattamento a ultrasuoni, ha fornito alcheni ossabiciclici funzionalizzati con buone rese. La cicloaddizione di Diels-Alder furanica regiospecifica di furani 2-vinilici con DMAD, favorita dagli ultrasuoni, ha fornito alcheni ossabiciclici funzionalizzati con buona resa.

Reazioni di cicloaddizione migliorate mediante sonochimica

Bravo e colleghi (2006) hanno descritto una serie di cicloaddizioni sonochimiche 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 il trattamento a ultrasuoni migliora efficacemente queste reazioni di cicloaddizione, consentendo di ottenere rese più elevate e/o tempi di reazione ridotti rispetto alle corrispondenti reazioni senza ultrasuoni. Ad esempio, per dienofili semplici α,β-insaturi, come il metilvinilchetone o l’acroleina, gli effetti dell’attivazione ultrasonica sono evidenti. Il metilvinilchetone, ad esempio, fornisce una resa dell’89% entro 1 h di sonicazione blanda, mentre la reazione senza ultrasuoni ha fornito soltanto il 52% nello stesso tempo di reazione.

Sonicatori di ogni dimensione per reazioni di Diels-Alder favorite dalla sonochimica

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce omogeneizzatori a ultrasuoni a sonda ad alte prestazioni e apparecchiature sonochimiche da integrare in sistemi chimici, come quelli per reazioni di sintesi e catalisi. I sonicatori Hielscher vengono utilizzati in tutto il mondo come strumenti affidabili per favorire, intensificare, accelerare e migliorare le reazioni chimiche.
I processori a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics sono disponibili in ogni dimensione, dai piccoli dispositivi da laboratorio ai grandi processori industriali per applicazioni di chimica in modalità batch e in flusso. La regolazione precisa dell’ampiezza ultrasonica – il parametro più importante per le applicazioni sonochimiche – consente di utilizzare i sonicatori Hielscher ad ampiezze da basse a molto elevate e di regolare finemente l’ampiezza in modo da soddisfare esattamente le condizioni di processo ultrasonico richieste dallo specifico sistema di reazione chimica.
I generatori a ultrasuoni Hielscher sono dotati di un software intelligente con registrazione automatica dei dati. Tutti i parametri di processo importanti, come energia ultrasonica, temperatura, pressione e 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 riesaminare i precedenti cicli di sonicazione e valutarne i risultati.
Un’altra funzionalità intuitiva è il controllo remoto tramite browser dei nostri sistemi a ultrasuoni digitali. Attraverso il controllo remoto tramite browser è possibile avviare, arrestare, regolare e monitorare il processore a ultrasuoni a distanza, da qualsiasi luogo.
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La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità approssimativa di trattamento dei nostri sonicatori: