Catalisi a trasferimento di fase indotta e potenziata dagli ultrasuoni

Gli ultrasuoni ad alta potenza sono ben noti per il loro contributo a diverse reazioni chimiche. Si tratta della cosiddetta sonochimica. Le reazioni eterogenee – e in particolare le reazioni a trasferimento di fase – sono ambiti applicativi con un elevato potenziale per gli ultrasuoni di potenza. Grazie all’energia meccanica e sonochimica applicata ai reagenti, è possibile avviare le reazioni, aumentarne significativamente la velocità e ottenere tassi di conversione più elevati, rese maggiori e prodotti migliori. La scalabilità lineare degli ultrasuoni e la disponibilità di affidabili apparecchiature a ultrasuoni per uso industriale rendono questa tecnica una soluzione interessante per la produzione chimica.

Catalisi a trasferimento di fase

La catalisi a trasferimento di fase (PTC) è una particolare forma di catalisi eterogenea ed è nota come metodologia pratica per la sintesi organica. Utilizzando un catalizzatore a trasferimento di fase, è possibile solubilizzare reagenti ionici, spesso solubili in una fase acquosa ma insolubili in una fase organica. La PTC rappresenta quindi una soluzione alternativa per superare il problema dell’eterogeneità in una reazione in cui l’interazione tra due sostanze presenti in fasi diverse di una miscela è ostacolata dall’impossibilità dei reagenti di entrare in contatto. (Esen et al. 2010) I vantaggi generali della catalisi a trasferimento di fase sono il ridotto impegno richiesto per la preparazione, la semplicità delle procedure sperimentali, le condizioni di reazione blande, le elevate velocità di reazione, l’elevata selettività, l’impiego di reagenti e solventi economici e rispettosi dell’ambiente, come i sali di ammonio quaternario, e la possibilità di effettuare preparazioni su larga scala (Ooi et al. 2007).
Diverse reazioni liquido–liquido e liquido–solido sono state intensificate e rese selettive utilizzando semplici catalizzatori a trasferimento di fase (PT), come i sali di ammonio quaternario, il polietilenglicole-400, ecc., che consentono di trasferire le specie ioniche dalla fase acquosa alla fase organica. In questo modo è possibile superare i problemi associati alla solubilità estremamente bassa dei reagenti organici nella fase acquosa. Nell’industria dei pesticidi e in quella farmaceutica, la PTC è ampiamente utilizzata e ha modificato i fondamenti dell’attività industriale. (Sharma 2002)

Ultrasuoni di potenza

L’applicazione degli ultrasuoni di potenza è uno strumento ben noto per creare emulsioni estremamente fini. In chimica, queste emulsioni con goccioline di dimensioni estremamente ridotte vengono utilizzate per potenziare le reazioni chimiche. Ciò significa che l’area di contatto interfacciale tra due o più liquidi immiscibili aumenta considerevolmente, consentendo così uno svolgimento della reazione migliore, più completo e/o più rapido.
Per la catalisi a trasferimento di fase – come per le altre reazioni chimiche – è necessaria un’energia cinetica sufficiente ad avviare la reazione.
Questo comporta diversi effetti positivi sulla reazione chimica:

• Una reazione chimica che normalmente non avverrebbe a causa della sua bassa energia cinetica può essere avviata mediante sonicazione.
• Le reazioni chimiche possono essere accelerate mediante PTC assistita da ultrasuoni.
• Eliminazione completa del catalizzatore a trasferimento di fase.
• Le materie prime possono essere utilizzate in modo più efficiente.
• È possibile ridurre i sottoprodotti.
• Sostituzione di una base forte pericolosa e costosa con una base inorganica economica.

Grazie a questi effetti, la PTC è una metodologia chimica di grande valore per la sintesi organica a partire da due o più reagenti immiscibili: la catalisi a trasferimento di fase (PTC) consente di utilizzare in modo più efficiente le materie prime dei processi chimici e di produrre a costi inferiori. Il potenziamento delle reazioni chimiche mediante PTC è uno strumento importante per la produzione chimica, che può essere migliorato considerevolmente mediante l’impiego degli ultrasuoni.

Esempi di reazioni PTC promosse dagli ultrasuoni

• Sintesi di nuovi derivati della N’-(4,6-disostituita-pirimidin-2-il)-N-(5-aril-2-furoil)tiourea utilizzando PEG-400 sotto sonicazione. (Ken et al. 2005)
• La sintesi dell’acido mandelico mediante PTC in un liquido ionico, assistita da ultrasuoni, mostra un aumento significativo delle rese di reazione in condizioni ambientali. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) descrivono la C-alchilazione del fenilacetonitrile assistita da ultrasuoni in un ambiente privo di solventi. L’effetto degli ultrasuoni nel promuovere la reazione è stato attribuito all’area interfacciale estremamente ampia tra le due fasi liquide. La sonicazione determina una velocità di reazione molto maggiore rispetto alla miscelazione meccanica.
• La sonicazione durante la reazione del tetracloruro di carbonio con il magnesio per la generazione di diclorocarbene determina una resa maggiore di gem-diclorociclopropano in presenza di olefine. (Lin et al. 2003)
• Gli ultrasuoni accelerano la reazione di Cannizzaro della  p-clorobenzaldeide in condizioni di trasferimento di fase. Dei tre catalizzatori a trasferimento di fase – cloruro di benziltrietilammonio (TEBA), Aliquat e 18-corona-6 – esaminati da Polácková et al. (1996), il TEBA è risultato il più efficace. La ferrocenecarbossaldeide e la  p-dimetilamminobenzaldeide hanno fornito, in condizioni analoghe, 1,5-diaril-1,4-pentadien-3-oni come prodotto principale.
• Lin-Xiao et al. (1987) hanno dimostrato che la combinazione di sonicazione e PTC promuove efficacemente la generazione di diclorocarbene dal cloroformio in tempi più brevi, con una resa migliore e una quantità minore di catalizzatore.
• Yang et al. (2012) hanno studiato la sintesi ecosostenibile del 4-idrossibenzoato di benzile assistita da ultrasuoni, utilizzando dicloruro di 4,4′-bis(tributilammoniometil)-1,1′-bifenile (QCl₂) come catalizzatore. Mediante l’impiego di QCl₂, hanno sviluppato una nuova catalisi a trasferimento di fase a doppio sito. Questa catalisi a trasferimento di fase solido–liquido (SLPTC) è stata condotta come processo discontinuo con sonicazione. Sotto sonicazione intensa, il 33% del Q2+ aggiunto, contenente il 45,2% di Q(Ph(OH)COO)₂ , si è trasferito nella fase organica per reagire con il bromuro di benzile, aumentando così la velocità complessiva di reazione. La velocità di reazione così migliorata è risultata pari a 0,106 min^-1 sotto irradiazione ultrasonica di 300W, mentre senza sonicazione è stata osservata una velocità di 0,0563 min^-1 . È stato quindi dimostrato l’effetto sinergico del catalizzatore a trasferimento di fase a doppio sito con gli ultrasuoni nella catalisi a trasferimento di fase.

Potenziamento mediante ultrasuoni della reazione asimmetrica a trasferimento di fase

Con l’obiettivo di definire un metodo pratico per la sintesi asimmetrica di α-amminoacidi e dei loro derivati, Maruoka e Ooi (2007) hanno studiato «se fosse possibile aumentare la reattività dei sali di ammonio quaternario chirali N-spiro e semplificarne le strutture. Poiché l’irradiazione ultrasonica produce omogeneizzazione, vale a dire emulsioni molto fini, aumenta notevolmente l’area interfacciale sulla quale può avvenire la reazione, il che potrebbe determinare un’accelerazione sostanziale delle reazioni a trasferimento di fase liquido–liquido. Infatti, la sonicazione della miscela di reazione di 2, ioduro di metile e subunità naftilica (S,S) (1 mol%) in toluene/KOH acquoso al 50% a 0 degC per 1 h ha fornito il corrispondente prodotto di alchilazione con una resa del 63% e un 88%ee; la resa chimica e l’enantioselettività erano comparabili a quelle di una reazione condotta mediante semplice agitazione della miscela per otto ore (0 degC, 64%, 90%ee).» (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

Un altro tipo di reazione nella catalisi asimmetrica è la reazione di Michael. L’addizione di Michael del N-acetil-amminomalonato di etile al calcone è influenzata positivamente dalla sonicazione, che determina un aumento della resa del 12% (dal 72% ottenuto durante la reazione senza ultrasuoni fino all’82% sotto sonicazione). Con gli ultrasuoni di potenza, il tempo di reazione è sei volte più breve rispetto alla reazione senza ultrasuoni. L’eccesso enantiomerico (ee) non è cambiato ed è risultato pari al 40%ee per entrambe le reazioni – con e senza ultrasuoni. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) hanno dimostrato che la reazione di Michael dei calconi come accettori con diversi composti a metilene attivo come donatori, quali malonato di etile, nitrometano, cicloesanone, acetoacetato di etile e acetilacetone, catalizzata da KF/allumina basica, produce addotti con resa elevata in tempi più brevi sotto irradiazione ultrasonica. In un altro studio, Li et al. (2002) hanno dimostrato l’efficacia della sintesi dei calconi assistita da ultrasuoni e catalizzata da KF-Al₂O₃.
Le reazioni PTC sopra descritte illustrano solo una piccola parte del potenziale e delle possibilità dell’irradiazione ultrasonica.
La sperimentazione e la valutazione degli ultrasuoni per individuare possibili miglioramenti della PTC sono molto semplici. Dispositivi a ultrasuoni da laboratorio come quelli di Hielscher UP200Ht di Hielscher (200 watt) e sistemi da banco come UIP1000hd (1000 watt) consentono di effettuare le prime prove. (Vedere le figure 1 e 2)

Produzione efficiente e competitiva sul mercato chimico

Utilizzando la catalisi a trasferimento di fase con ultrasuoni, potrete beneficiare di uno o più dei seguenti vantaggi:

• avvio di reazioni altrimenti non realizzabili
• aumento della resa
• riduzione dell’impiego di solventi costosi, anidri e aprotici
• riduzione del tempo di reazione
• temperature di reazione più basse
• preparazione semplificata
• impiego di metallo alcalino in soluzione acquosa al posto di alcossidi di metalli alcalini, ammide di sodio, idruro di sodio o sodio metallico
• impiego di materie prime più economiche, soprattutto ossidanti
• modifica della selettività
• modifica dei rapporti tra i prodotti (ad es. O-/C-alchilazione)
• isolamento e purificazione semplificati
• aumento della resa mediante soppressione delle reazioni secondarie
• passaggio di scala semplice e lineare al livello di produzione industriale, anche con una capacità produttiva molto elevata