超音波処理によって促進される有機触媒反応

有機化学において、有機触媒作用とは、有機触媒によって化学反応の速度が高まる触媒作用の一形態です。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ます。化学系に高出力超音波を適用することはソノケミストリーと呼ばれ、収率を高め、反応速度を改善し、反応を加速するための十分に確立された技術です。超音波処理によって、望ましくない副生成物を回避するように化学反応経路を変更できることがよくあります。ソノケミストリーは有機触媒反応を促進し、その効率と環境適合性を高めることができます。

不斉有機触媒作用 – 超音波処理による改善

化学系に高性能超音波を適用するソノケミストリーは、有機触媒反応を大幅に改善できます。不斉有機触媒作用と超音波処理を組み合わせることで、有機触媒反応をより環境に優しい経路へと転換できることがよくあり、その結果、グリーンケミストリーの範疇に入ります。超音波処理は（不斉）有機触媒反応を加速し、収率の向上、転化の高速化、生成物の単離・精製の容易化、選択性と反応性の改善につながります。超音波処理は、反応速度論的特性と収率の改善に寄与するだけでなく、イオン液体、深共晶溶媒、穏和で毒性のない溶媒、水などの持続可能な反応溶媒と組み合わせられることもよくあります。このように、ソノケミストリーは（不斉）有機触媒反応そのものを改善するだけでなく、有機触媒反応の持続可能性の向上にも役立ちます。

研究では、ソノケミストリーによって強化される有機触媒反応の多様な例が示されています。例えば、二本鎖DNA分子をキラルな足場として使用し、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構築します。G四重鎖DNAを基盤とする触媒は、不斉Michael付加反応、Diels-Alder反応、Friedel-Crafts反応に適用されています。（Zhao and Shen, 2018参照）
inidiumによって促進される反応では、ソノケミストリーによって駆動される反応がより穏和な条件で進行し、高いジアステレオ選択性が維持されるため、超音波処理は有益な効果を示します。ソノケミストリーによる経路を用いて、糖ラクトンからのβ-ラクタム糖質、β-アミノ酸、スピロジケトピペラジンの有機触媒合成、ならびにオキシムエーテルのアリル化反応とReformatsky反応で良好な結果が得られました。

超音波によって促進される有機触媒による医薬品合成

Rogozińska-Szymczak and Mlynarski (2014)は、有機共溶媒を使用せず、水上で行う4-hydroxycoumarinのα,β-不飽和ケトンへの不斉Michael付加反応について報告しています – この反応は有機第一級アミンと超音波処理によって促進されます。エナンチオマー的に純粋な(S,S)-diphenylethylenediamineを使用すると、超音波によって加速される反応を通じて、一連の重要な薬理活性化合物が良好から優れた収率（73–98%）と良好なエナンチオ選択性（最大76% ee）で得られます。研究者らは、抗凝固薬ワルファリンの両方のエナンチオマーを「水上の固体」方式で生成するための効率的なソノケミストリーの手順を提示しています。この環境に優しい有機触媒反応は、スケールアップが可能であるだけでなく、目的の医薬品分子をエナンチオマー的に純粋な形で生成します。

ソノケミストリーによるテルペンのエポキシ化

Charbonneau et al. (2018)は、超音波処理によるテルペンのエポキシ化の成功を実証しました。従来のエポキシ化では触媒の使用が必要ですが、超音波処理では触媒を使用しない反応としてエポキシ化が進行します。
リモネンジオキシドは、バイオベースのポリカーボネートや非イソシアネート系ポリウレタンの開発における重要な中間体分子です。超音波処理により、触媒を使用せず、非常に短い反応時間でテルペンをエポキシ化でき、同時に非常に良好な収率が得られます。超音波エポキシ化の有効性を実証するため、研究チームは、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使用し、従来の攪拌と超音波処理の両条件で、リモネンからリモネンジオキシドへのエポキシ化を比較しました。すべての超音波処理試験では、 Hielscher UP50H (50W, 30kHz) 研究室用超音波装置 を使用しました。

超音波処理により、リモネンを収率100%でリモネンジオキシドへ完全に転化するのに必要な時間は、室温でわずか4.5 minでした。これに対して、マグネチックスターラーによる従来の攪拌を使用した場合、リモネンジオキシドの収率97%に達するまでに必要な時間は1.5 hでした。α-ピネンのエポキシ化も、両方の攪拌方法を用いて研究されています。超音波処理によるα-ピネンからα-ピネンオキシドへのエポキシ化は、わずか4 minで収率100%を達成したのに対し、従来の方法では反応時間が60 minでした。他のテルペンについては、β-ピネンはわずか4 minでβ-ピネンオキシドに転化し、ファルネソールは8 minでトリエポキシドを収率100%で生成しました。リモネン誘導体であるカルベオールは、収率98%でカルベオールジオキシドに転化しました。ジメチルジオキシランを使用したカルボンのエポキシ化反応では、5 minで転化率100%となり、7,8-carvone oxideが生成しました。
ソノケミストリーによるテルペンのエポキシ化の主な利点は、酸化剤が環境に優しいこと（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により反応時間が大幅に短縮されることです。このエポキシ化法では、リモネンの転化率100%とリモネンジオキシドの収率100%をわずか4.5 minで達成できましたが、従来の攪拌では90 minを要しました。さらに、反応媒体中には、カルボン、カルベオール、perrilyl alcoholなどのリモネンの酸化生成物は認められませんでした。超音波下でのα-ピネンのエポキシ化はわずか4 minを要し、環の酸化を伴わずにα-ピネンオキシドを収率100%で生成しました。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が得られました。

ソノケミストリーの効果

従来の方法に代わるものとして、ソノケミストリーに基づく手順が多種多様な反応の速度を高めるために用いられており、反応時間を大幅に短縮しながら、より穏和な条件で生成物を得ることができます。これらの方法は、より環境に優しく持続可能であるとされ、目的の変換における選択性の向上とエネルギー消費の低減に結び付けられています。こうした方法の機構は音響キャビテーション現象に基づき、液体媒体中の気泡の形成、成長、断熱的な崩壊を通じて、特有の圧力条件と温度条件を生じさせます。この効果は物質移動を改善し、液体中の乱流を増加させることで、化学変換を促進します。私たちの研究では、超音波の使用により、短縮された反応時間で、高い収率と純度の化合物が生成されました。こうした特性により、薬理学的モデルで評価される化合物数が増え、ヒットからリードへの最適化プロセスの加速に寄与しています。
この高エネルギーの投入は、不均一系プロセスにおける機械的効果を高めるだけでなく、予期しない化学種の形成につながる新たな反応性を誘起することも知られています。ソノケミストリーを独特なものにしているのは、注目すべきキャビテーション現象です。この現象は、微小気泡環境の局所的に限定された空間で、高圧・低圧の交互のサイクル、非常に大きな温度差、高いせん断力、液体の流動によって、際立った効果を生じさせます。

ソノケミストリーによって促進される有機触媒反応の利点

ソノケミストリーの効果によって化学反応が大幅に強化されるため、有機合成や触媒反応で超音波処理の使用が増えています。特に従来の方法（例えば加熱、攪拌）と比較すると、ソノケミストリーはより効率的で、使いやすく、精密に制御できます。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、コストの低減、ソノケミストリーの手順の操作と取り扱いの簡便さなど、いくつもの主要な利点を提供します。これらの有益な要因により、超音波を利用した化学反応は、より効果的で安全になるだけでなく、より環境に優しくなります。
多くの有機反応において、超音波処理を使用することで、より短い反応時間や、より穏和な条件、またはその両方で、より高い収率が得られることが実証されています。

超音波処理により簡単なワンポット反応が可能

超音波処理により、多成分反応をワンポット反応として開始し、構造的に多様な化合物を合成できます。このようなワンポット反応は、中間体の単離と精製が不要なため、総合的な効率の高さと簡便さが評価されています。

不斉有機触媒反応に対する超音波の効果は、相間移動触媒反応、Heck反応、水素化、Mannich反応、Barbier反応およびBarbier型反応、Diels-Alder反応、Suzukiカップリング反応、Michael付加反応など、さまざまな反応形式に適用され、成功を収めています。

有機触媒反応に最適な超音波装置を見つけましょう！

Hielscher Ultrasonicsは、高性能で高品質な超音波機器に関する信頼できるパートナーです。Hielscherは、ソノケミストリー用途向けの最先端の超音波プローブ、反応器、カップホーンを設計、製造、販売しています。すべての機器は、ドイツのTeltow（Berlin近郊）にある本社で、ISO認証を受けた手順に従い、優れた品質を実現するドイツの精密さをもって製造されています。
Hielscherの超音波装置の製品群は、コンパクトな研究室用超音波装置から、大規模な化学製造に対応する本格的な産業用超音波反応器までを網羅しています。プローブ（ソノトロード、超音波ホーン、チップとも呼ばれます）、ブースターホーン、反応器は、多数のサイズと形状で容易に入手できます。お客様の要件に合わせたカスタム仕様の製造も可能です。
Hielscher Ultrasonicsの超音波プロセッサーは、バッチ化学およびフロー化学の用途向けに、小型の研究室用装置から大型の産業用プロセッサーまで、あらゆるサイズで提供されているため、高性能な超音波処理をどのような反応構成にも容易に導入できます。超音波振幅 – ソノケミストリー用途で最も重要なパラメータ – を精密に調整することで、Hielscherの超音波装置を低振幅から非常に高い振幅までで運転し、特定の化学反応系に必要な超音波プロセス条件に振幅を正確に微調整できます。
Hielscherの超音波発振器には、自動データ記録機能を備えたスマートなソフトウェアが搭載されています。装置の電源を入れるとすぐに、超音波エネルギー、温度、圧力、時間など、すべての重要な処理パラメータが内蔵のSD-cardに自動保存されます。
プロセスの監視とデータ記録は、継続的なプロセスの標準化と製品品質にとって重要です。自動記録されたプロセスデータにアクセスすることで、過去の超音波処理を見直し、その結果を評価できます。
もう一つの使いやすい機能は、当社のデジタル超音波システムのブラウザーによる遠隔制御です。ブラウザーによる遠隔制御を通じて、どこからでも超音波プロセッサーの開始、停止、調整、監視を遠隔で行えます。
当社の高性能超音波ホモジナイザーがお客様の有機触媒合成反応をどのように改善できるか、詳しくは今すぐお問い合わせください！

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。