ソニケーションによって促進される有機触媒反応

有機化学では、有機触媒は化学反応の速度を増加させる触媒作用の一形態である。この “有機触媒” は、有機化合物に含まれる炭素、水素、硫黄、その他の非金属元素から構成される。化学系への高出力超音波の応用はソノケミストリーとして知られ、収率の向上、反応速度の改善、反応速度の加速のために確立された技術である。超音波処理では、不要な副生成物を避けて化学経路を切り替えることがしばしば可能になる。ソノケミストリーは有機触媒反応を促進し、より効率的で環境に優しい反応を実現することができる。

不斉有機触媒反応 – ソニケーションによる改善

ソノケミストリー（高性能超音波を化学システムに応用すること）は、有機触媒反応を大幅に改善することができる。非対称有機触媒反応と超音波処理を組み合わせることで、有機触媒反応を環境に優しいルートに変えることができ、グリーンケミストリーの用語に該当することが多い。超音波照射は（不斉）有機触媒反応を促進し、高い収率、速い転化率、より容易な生成物の単離・精製、選択性と反応性の向上につながる。反応速度論と収率の向上に貢献するほか、超音波処理は、イオン液体、深部共晶溶媒、温和で無毒性の溶媒、水などの持続可能な反応溶媒と組み合わせることができる。それにより、超音波化学は（不斉）有機触媒反応そのものを向上させるだけでなく、有機触媒反応の持続可能性も支援する。

研究により、ソノケミカルで強化された有機分子触媒反応の多様な例が示されている。例えば、不斉合成反応のための金属-生体高分子ハイブリッド触媒を組み立てるために、キラルな足場として二本鎖DNA分子が使用されている。G-四重鎖DNAベースの触媒は、不斉マイケル付加反応、ディールス-アルダー反応、フリーデル-クラフツ反応に応用されている。(参照：Zhao and Shen, 2018）
イニジウムを促進剤とする反応では、超音波照射が有益な効果を示す。ソノケミカルルートを用いると、糖ラクトンからのβ-ラクタム炭水化物、β-アミノ酸およびスピロジケトピペラジンの有機触媒合成、オキシムエーテルのアリル化反応およびレホルマツキー反応において良好な結果が得られた。

超音波により促進される有機触媒的薬物合成

Rogozińska-Szymczak and Mlynarski (2014) は、有機共溶媒を用いない水中での4-ヒドロキシクマリンのα,β-不飽和ケトンへの不斉マイケル付加反応を報告している。 – を、有機第一級アミンと超音波処理で触媒した。エナンチオマー的に純粋な(S,S)-ジフェニルエチレンジアミンを用いると、超音波によって加速される反応によって、一連の重要な薬学的に活性な化合物が、良好～優れた収率（73～98％）で、良好なエナンチオ選択性（ee76％まで）で得られる。研究者らは、両エナンチオマー形態の抗凝固剤ワルファリンの「水上の固体」形成のための効率的な超音波化学プロトコルを発表した。この環境に優しい有機触媒反応は、スケーラブルであるだけでなく、エナンチオマー的に純粋な形態の標的薬物分子を得ることができる。

テルペンのエポキシ化

Charbonneauら（2018）は、超音波処理下でテルペン類のエポキシ化に成功したことを実証した。従来のエポキシ化には触媒の使用が必要であったが、超音波処理では無触媒反応としてエポキシ化が進行する。
二酸化リモネンは、バイオベース・ポリカーボネートや非イソシアネート・ポリウレタンの開発にとって重要な中間分子である。ソニケーションは、非常に短い反応時間でテルペンの無触媒エポキシ化を可能にする。 – 同時に、非常に良好な収率も得られた。超音波エポキシ化の効果を実証するため、研究チームは、通常の攪拌と超音波の両方で、その場で生成したジメチルジオキシランを酸化剤として、リモネンのリモネンジオキシドへのエポキシ化を比較した。すべての超音波処理試験において Hielscher UP50H（50W、30kHz）ラボ用超音波発生装置 が使われた。

超音波処理でリモネンを収率100%の二酸化リモネンに完全に変換するのに要した時間は、室温でわずか4.5分であった。これに対して、マグネチックスターラーを用いた従来の撹拌では、リモネンオキシドの収率が97%に達するまでに要した時間は1.5時間であった。超音波処理によるα-ピネンのα-ピネンオキシドへのエポキシ化反応に要した時間はわずか4分で、収率は100%であった。他のテルペンについては、β-ピネンはわずか4分でβ-ピネンオキシドに変換されたが、ファルネソールは8分で100%のトリエポキシドが得られた。リモネン誘導体であるカルベオールは、98%の収率で二酸化カルベオールに変換された。ジメチルジオキシランを用いたカルボンのエポキシ化反応では、5分間で100%の転化率が得られ、7,8-カルボンオキシドが生成した。
超音波化学的テルペンエポキシ化法の主な利点は、酸化剤の環境に優しい性質（グリーンケミストリー）と、超音波攪拌下でこの酸化を行うことで反応時間が大幅に短縮されることである。このエポキシ化法では、従来の撹拌法では90分かかったのに対し、わずか4.5分でリモネンの100％変換と二酸化リモネンの100％収量を達成することができた。さらに、リモネンの酸化生成物、例えばカルボン、カルベオール、ペリリルアルコールは反応液中に見られなかった。超音波下でのα-ピネンのエポキシ化反応に要した時間はわずか4分で、環を酸化することなく100%のα-ピネンオキシドが得られた。β-ピネン、ファルネソール、カルベオールなどの他のテルペンも酸化され、非常に高いエポキシド収率を示した。

ソノケミカル効果

従来の方法に代わる方法として、ソノケミカルベースのプロトコールは、多種多様な反応の速度を向上させ、反応時間を大幅に短縮し、より穏やかな条件下で生成物を得るために使用されてきた。これらの方法は、より環境にやさしく持続可能であり、より高い選択性と所望の変換のためのより低いエネルギー消費に関連していると言われている。このような方法のメカニズムは、音響キャビテーションという現象に基づいており、この現象は、液体媒体中の気泡の形成、成長、断熱的崩壊を通じて、圧力と温度のユニークな条件を誘導する。この効果により、物質移動が改善され、液体中の乱流が増加し、化学変換が促進される。我々の研究では、超音波の使用により、反応時間を短縮し、高い収率と純度で化合物を製造することができた。このような特性は、薬理学的モデルで評価される化合物の数を増やし、ヒットからリードへの最適化プロセスの加速に貢献している。
この高エネルギー入力は、不均質プロセスにおける力学的効果を高めるだけでなく、予期せぬ化学種の形成につながる新たな反応性を誘発することも知られている。ソノケミストリーをユニークなものにしているのは、キャビテーションという驚くべき現象である。キャビテーションは、マイクロバブル環境という局所的に限定された空間において、交互の高圧／低圧サイクル、非常に高い温度差、高いせん断力、液体ストリーミングによって、驚異的な効果を生み出す。

ソノケミカルで促進される有機触媒反応の利点

ソノケミカルの効果は化学反応の大幅な強化を示すため、有機合成や触媒反応においてソノケミストリーの利用が増加している。特に、従来の方法（加熱、攪拌など）と比較すると、ソノケミストリーはより効率的で、便利で、正確に制御可能である。超音波処理とソノケミストリーは、収率の向上、化合物の純度と選択性の向上、反応時間の短縮、コストの削減、ソノケミカル手順の操作と取り扱いの簡便さなど、いくつかの大きな利点を提供する。これらの有益な要素により、超音波アシスト化学反応は、より効率的で節約的であるだけでなく、環境にも優しいものとなる。
数多くの有機反応において、超音波処理を用いると、より短い反応時間で、より高い収率が得られることが証明されている。

超音波処理によるシンプルなワンポット反応

ソニケーションは、多成分反応をワンポット反応として開始させ、構造的に多様な化合物の合成を可能にする。このようなワンポット反応は、中間体の単離や精製が不要なため、全体的な効率が高く、簡便であることが評価されている。

不斉有機分子触媒反応に対する超音波の効果は、相間移動触媒反応、ヘック反応、水素化反応、マンニッヒ反応、バルビエおよびバルビエ様反応、ディールス-アルダー反応、鈴木カップリング反応、ミシュール付加反応など、さまざまなタイプの反応に応用され、成功を収めている。

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