ულტრაბგერითი დამუშავებით გააქტიურებული ორგანოკატალიზური რეაქციები

ორგანულ ქიმიაში, ორგანოკატალიზი არის კატალიზის ფორმა, რომლის დროსაც ქიმიური რეაქციის სიჩქარე იზრდება ორგანული კატალიზატორის გამოყენებით. ეს „ორგანოკატალიზატორი“ შედგება ნახშირბადის, წყალბადის, გოგირდის და სხვა არამეტალური ელემენტებისგან, რომლებიც გვხვდება ორგანულ ნაერთებში. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენება ქიმიურ სისტემებში ცნობილია, როგორც სონოქიმია და არის კარგად დამკვიდრებული მეთოდი წარმადობის გასაზრდელად, რეაქციის სიჩქარის გასაუმჯობესებლად და რეაქციის სისწრაფის დასაჩქარებლად. ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში ხშირად ხდება შესაძლებელი ქიმიური გზების შეცვლა არასასურველი გვერდითი პროდუქტების თავიდან ასაცილებლად. სონოქიმია შეუძლია ხელი შეუწყოს ორგანოკატალიზურ რეაქციებს, გახადოს ისინი უფრო ეფექტური და ეკოლოგიურად სუფთა.

ასიმეტრიული ორგანოკატალიზი – გაუმჯობესებული ულტრაბგერითი დამუშავებით

სონოქიმია, მაღალი წარმადობის ულტრაბგერის გამოყენება ქიმიურ სისტემებში, შეუძლია მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს ორგანოკატალიზური რეაქციები. ასიმეტრიული ორგანოკატალიზი, რომელიც კომბინირებულია ულტრაბგერით დამუშავებასთან, ხშირად საშუალებას გვაძლევს გარდავქმნათ ორგანოკატალიზი უფრო ეკოლოგიურად სუფთა გზად, რითაც ის ექვემდებარება მწვანე ქიმიის ტერმინოლოგიას. ულტრაბგერითი დამუშავება აჩქარებს (ასიმეტრიულ) ორგანოკატალიზურ რეაქციას და იწვევს უფრო მაღალ წარმადობას, უფრო სწრაფ კონვერსიის მაჩვენებლებს, პროდუქტის იზოლაციის/გადასამუშავების სიმარტივეს და გაუმჯობესებულ სელექციურობასა და რეაქტიულობას. რეაქციის კინეტიკისა და წარმადობის გაუმჯობესებაში შენატანის გარდა, ულტრაბგერითი დამუშავება ხშირად შეიძლება გაერთიანდეს მდგრად რეაქციის გამხსნელებთან, როგორიცაა იონური სითხეები, ღრმა ევტექტიკური გამხსნელები, რბილი, არატოქსიკური გამხსნელები და წყალი. ამრიგად, სონოქიმია არა მხოლოდ აუმჯობესებს (ასიმეტრიულ) ორგანოკატალიზურ რეაქციას თავად, არამედ ასევე ხელს უწყობს ორგანოკატალიზური რეაქციების მდგრადობას.

კვლევამ აჩვენა მრავალი მაგალითი სონოქიმიურად გაძლიერებული ორგანოკატალიზური რეაქციებისთვის. მაგალითად, ორჯაჭვიანი დნმ-ის მოლეკულები, როგორც ქირალური ჩარჩო, გამოიყენება მეტალ-ბიომაკრომოლეკულური ჰიბრიდული კატალიზატორების ასაწყობად ასიმეტრიული სინთეზის რეაქციებისთვის. G-კვადრუპლექსის დნმ-ზე დაფუძნებული კატალიზატორები გამოყენებული იყო ასიმეტრიულ მიქაელის დამატებაში, დილს-ალდერისა და ფრიდელ-კრაფტსის რეაქციებში. (იხ. Zhao and Shen, 2018)
ინდიუმით ხელშეწყობილი რეაქციისთვის, ულტრაბგერითი დამუშავება აჩვენებს სასარგებლო ეფექტებს, რადგან სონოქიმიურად წარმართული რეაქცია მიმდინარეობს უფრო მსუბუქ პირობებში, რითაც ინარჩუნებს დიასტერეოსელექციის მაღალ დონეს. სონოქიმიური გზის გამოყენებით, მიღწეული იქნა კარგი შედეგები β-ლაქტამის ნახშირწყლების, β-ამინომჟავების და სპიროდიკეტოპიპერაზინების ორგანოკატალიზურ სინთეზში შაქრის ლაქტონებიდან, ასევე ალილირებისა და რეფორმატსკის რეაქციებში ოქსიმის ეთერებზე.

ულტრაბგერითი დამუშავებით ხელშეწყობილი ორგანოკატალიზური წამლის სინთეზი

Rogozińska-Szymczak and Mlynarski (2014) აცნობენ 4-ჰიდროქსიკუმარინის ასიმეტრიულ მიქაელის დამატებას α,β-უჯერებულ კეტონებზე წყალში ორგანული კო-გამხსნელების გარეშე – კატალიზებული ორგანული პირველადი ამინებით და ულტრაბგერითი დამუშავებით. ენანტიომერულად სუფთა (S,S)-დიფენილეთილენდიამინის გამოყენება იძლევა მნიშვნელოვანი ფარმაცევტულად აქტიური ნაერთების სერიას კარგიდან შესანიშნავ წარმადობამდე (73–98%) და კარგი ენანტიოსელექციურობით (76% ee-მდე) ულტრაბგერითი დამუშავებით აჩქარებული რეაქციების მეშვეობით. მკვლევრები წარმოადგენენ ეფექტურ სონოქიმიურ პროტოკოლს ანტიკოაგულანტი ვარფარინის „მყარი ნივთიერებები წყალში“ ფორმირებისთვის ორივე ენანტიომერული ფორმით. ეს ეკოლოგიურად სუფთა ორგანოკატალიზური რეაქცია არა მხოლოდ მასშტაბურია, არამედ ასევე იძლევა სამიზნე წამლის მოლეკულას ენანტიომერულად სუფთა ფორმით.

ტერპენების სონოქიმიური ეპოქსიდირება

Charbonneau et al. (2018) წარმატებით აჩვენეს ტერპენების ეპოქსიდირება ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში. კონვენციური ეპოქსიდირება მოითხოვს კატალიზატორის გამოყენებას, მაგრამ ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში ეპოქსიდირება მიმდინარეობს როგორც კატალიზატორის გარეშე რეაქცია.
ლიმონენის დიოქსიდი არის მთავარი შუალედური მოლეკულა ბიოზე დაფუძნებული პოლიკარბონატების ან არაიზოციანატური პოლიურეთანების შესაქმნელად. ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა ტერპენების კატალიზატორის გარეშე ეპოქსიდირება მოხდეს ძალიან მოკლე რეაქციის დროში – ამავდროულად, ძალიან კარგი გამოსავლიანობის მიღებით. ულტრაბგერითი ეპოქსიდირების ეფექტურობის დასამტკიცებლად, სამეცნიერო ჯგუფმა შეადარა ლიმონენის ეპოქსიდირება ლიმონენის დიოქსიდამდე, ჟანგვის აგენტად in-situ გენერირებული დიმეთილდიოქსირანის გამოყენებით, როგორც კონვენციური აღრევის, ისე ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში. ყველა ულტრაბგერითი დამუშავების ცდაში გამოიყენებოდა Hielscher UP50H (50W, 30kHz) ლაბორატორიული ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი გამოიყენებოდა.

დრო, რომელიც საჭიროა ლიმონენის სრულად ლიმონენის დიოქსიდამდე გარდასაქმნელად 100% გამოსავლიანობით ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში, იყო მხოლოდ 4,5 წთ ოთახის ტემპერატურაზე. შედარებისთვის, როდესაც გამოიყენება კონვენციური აღრევა მაგნიტური სარევის გამოყენებით, დრო, რომელიც საჭიროა ლიმონენის დიოქსიდის 97% გამოსავლიანობის მისაღწევად, იყო 1,5 სთ. α-პინენის ეპოქსიდირებაც შესწავლილია ორივე აღრევის ტექნიკის გამოყენებით. α-პინენის ეპოქსიდირება α-პინენის ოქსიდამდე ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში მოითხოვდა მხოლოდ 4 წთ-ს მიღებული გამოსავლიანობით 100%, ხოლო შედარებით კონვენციურ მეთოდთან რეაქციის დრო იყო 60 წთ. სხვა ტერპენებისთვის, β-პინენი გარდაიქმნა β-პინენის ოქსიდად მხოლოდ 4 წთ-ში, ხოლო ფარნესოლმა მისცა 100% ტრიოქსიდი 8 წთ-ში. კარვეოლი, ლიმონენის წარმოებული, გარდაიქმნა კარვეოლის დიოქსიდად 98% გამოსავლიანობით. კარვონის ეპოქსიდირების რეაქციაში დიმეთილდიოქსირანის გამოყენებით, გარდაქმნა იყო 100% 5 წთ-ში, რის შედეგადაც მიიღებოდა 7,8-კარვონის ოქსიდი.
სონოქიმიური ტერპენების ეპოქსიდირების მთავარი უპირატესობებია ოქსიდატორის აგენტის ეკოლოგიურად სუფთა ბუნება (მწვანე ქიმია), ასევე რეაქციის დროის მნიშვნელოვანი შემცირება ამ ჟანგვის ულტრაბგერითი აღრევის პირობებში შესრულებისას. ამ ეპოქსიდირების მეთოდმა საშუალება მისცა მიაღწიონ ლიმონენის 100% გარდაქმნას ლიმონენის დიოქსიდის 100% გამოსავლიანობით მხოლოდ 4,5 წთ-ში, შედარებით 90 წთ-თან, როდესაც გამოიყენება ტრადიციული აღრევა. გარდა ამისა, რეაქციის გარემოში არ აღმოჩენილა ლიმონენის ჟანგვის პროდუქტები, როგორიცაა კარვონი, კარვეოლი და პერილილის სპირტი. α-პინენის ეპოქსიდირება ულტრაბგერის პირობებში მოითხოვდა მხოლოდ 4 წთ-ს, რის შედეგადაც მიიღებოდა 100% α-პინენის ოქსიდი რგოლის ჟანგვის გარეშე. სხვა ტერპენები, როგორიცაა β-პინენი, ფარნესოლი და კარვეოლი, ასევე დაჟანგეს, რამაც გამოიწვია ძალიან მაღალი ეპოქსიდის გამოსავლიანობა.

სონოქიმიური ეფექტები

კლასიკური მეთოდების ალტერნატივად, ულტრაბგერითი დამუშავების საფუძველზე შემუშავებული პროტოკოლები გამოიყენება რეაქციების ფართო სპექტრის სიჩქარის გასაზრდელად, რაც იწვევს პროდუქტების მიღებას უფრო მსუბუქ პირობებში რეაქციის დროის მნიშვნელოვანი შემცირებით. ეს მეთოდები აღწერილია, როგორც უფრო ეკოლოგიურად სუფთა და მდგრადი, და დაკავშირებულია უფრო მაღალ სელექციურობასთან და დაბალ ენერგომოხმარებასთან სასურველი გარდაქმნებისთვის. ასეთი მეთოდების მექანიზმი ეფუძნება აკუსტიკური კავიტაციის ფენომენს, რომელიც იწვევს უნიკალურ წნევისა და ტემპერატურის პირობებს ბუშტების წარმოქმნის, ზრდისა და ადიაბატური კოლაფსის გზით თხევად გარემოში. ეს ეფექტი აუმჯობესებს მასათა გადატანას და ზრდის ტურბულენტურ ნაკადს სითხეში, რაც ხელს უწყობს ქიმიურ გარდაქმნებს. ჩვენს კვლევებში, ულტრაბგერის გამოყენებამ გამოიწვია ნაერთების მიღება შემცირებულ რეაქციის დროში მაღალი გამოსავლიანობითა და სიწმინდით. მსგავსმა მახასიათებლებმა გაზარდა ფარმაკოლოგიურ მოდელებში შეფასებული ნაერთების რაოდენობა, რაც ხელს უწყობს „hit to lead“ ოპტიმიზაციის პროცესის აჩქარებას.
ეს მაღალენერგეტიკული შეყვანა არა მხოლოდ აძლიერებს მექანიკურ ეფექტებს ჰეტეროგენულ პროცესებში, არამედ ცნობილია, რომ იწვევს ახალ რეაქტიულობას, რაც იწვევს მოულოდნელი ქიმიური სახეობების წარმოქმნას. რაც სონოქიმიას უნიკალურს ხდის, არის კავიტაციის შესანიშნავი ფენომენი, რომელიც ქმნის არაჩვეულებრივ ეფექტებს მიკრობუშტოვანი გარემოს ლოკალურად შეზღუდულ სივრცეში მონაცვლეობითი მაღალი წნევის / დაბალი წნევის ციკლების, ძალიან მაღალი ტემპერატურული სხვაობების, მაღალი ძვრის ძალებისა და სითხის ნაკადის გამო.

ულტრაბგერითი დამუშავებით გააქტიურებული ორგანოკატალიზური რეაქციების უპირატესობები

ულტრაბგერითი დამუშავება სულ უფრო ხშირად გამოიყენება ორგანულ სინთეზსა და კატალიზში, რადგან ულტრაბგერითი ეფექტები აჩვენებს ქიმიური რეაქციების მნიშვნელოვან ინტენსიფიკაციას. განსაკუთრებით ტრადიციულ მეთოდებთან შედარებით (მაგ., გათბობა, მორევა), ულტრაბგერითი ქიმია უფრო ეფექტური, მოსახერხებელი და ზუსტად კონტროლირებადია. ულტრაბგერითი დამუშავება და ულტრაბგერითი ქიმია გვთავაზობს რამდენიმე მთავარ უპირატესობას, როგორიცაა უფრო მაღალი გამოსავლიანობა, ნაერთების სიწმინდისა და სელექციურობის ზრდა, უფრო მოკლე რეაქციის დრო, უფრო დაბალი ღირებულება, ასევე ულტრაბგერითი პროცედურის მართვისა და ექსპლუატაციის სიმარტივე. ეს სასარგებლო ფაქტორები ულტრაბგერითი დამუშავებით გააქტიურებულ ქიმიურ რეაქციებს ხდის არა მხოლოდ უფრო ეფექტურს და უსაფრთხოს, არამედ უფრო ეკოლოგიურად სუფთას.
მრავალი ორგანული რეაქციისთვის დამტკიცდა, რომ ისინი იძლევიან უფრო მაღალ გამოსავლიანობას უფრო მოკლე რეაქციის დროში და / ან უფრო მსუბუქ პირობებში, როდესაც ისინი მიმდინარეობს ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით.

ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა მარტივი ერთ-ქოქოვანი რეაქციების

ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა დაიწყოს მრავალკომპონენტიანი რეაქციები, როგორც ერთ-ქოქოვანი რეაქციები, რომლებიც უზრუნველყოფენ სტრუქტურულად მრავალფეროვანი ნაერთების სინთეზს. ასეთი ერთ-ქოქოვანი რეაქციები ფასდება მაღალი ჯამური ეფექტურობისა და სიმარტივის გამო, რადგან შუალედური პროდუქტების იზოლაცია და გაწმენდა არ არის საჭირო.

ულტრაბგერითი ტალღების ეფექტი ასიმეტრიულ ორგანოკატალიზურ რეაქციებზე წარმატებით იქნა გამოყენებული სხვადასხვა ტიპის რეაქციებში, მათ შორის ფაზური გადატანის კატალიზში, ჰეკის რეაქციებში, ჰიდროგენირებაში, მანიხის რეაქციებში, ბარბიერისა და ბარბიერის მსგავს რეაქციებში, დილს-ალდერის რეაქციებში, სუზუკის შეწყვილების რეაქციასა და მიქაელის შემატებაში.

იპოვეთ იდეალური ულტრაბგერითი დამუშავების აპარატი თქვენი ორგანოკატალიზური რეაქციისთვის!

Hielscher Ultrasonics არის თქვენი სანდო პარტნიორი მაღალი წარმადობის, მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი აპარატურის საკითხში. Hielscher ქმნის დიზაინს, აწარმოებს და ავრცელებს თანამედროვე ულტრაბგერით პრობებს, რეაქტორებს და ჭიქის ფორმის ჰორნებს სონოქიმიური გამოყენებისთვის. მთელი აპარატურა მზადდება ISO სერტიფიცირებული პროცედურების მიხედვით და გერმანული სიზუსტით, ჩვენს მთავარ ოფისში, ტელტოვში (ბერლინის სიახლოვეს), გერმანიაში.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატების პორტფელი მოიცავს მცირე ლაბორატორიულ ულტრაბგერით აპარატებიდან სრულად ინდუსტრიულ ულტრაბგერით რეაქტორებამდე, რომლებიც გამოიყენება ქიმიური წარმოების მასშტაბურ პროცესებში. პრობები (ასევე ცნობილი როგორც სონოტროდები, ულტრაბგერითი ჰორნები ან წვერები), გამაძლიერებელი ჰორნები და რეაქტორები ხელმისაწვდომია მრავალი ზომისა და გეომეტრიის. შესაძლებელია თქვენს მოთხოვნებზე მორგებული ვერსიების დამზადებაც.
რადგან Hielscher Ultrasonics-ის ულტრაბგერითი პროცესორები ხელმისაწვდომია ნებისმიერი ზომის – მცირე ლაბორატორიული მოწყობილობებიდან დიდ ინდუსტრიულ პროცესორებამდე პარტიული და ნაკადის ქიმიის გამოყენებისთვის, მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი დამუშავება მარტივად შეიძლება იქნას დანერგილი ნებისმიერ რეაქციის სქემაში. ულტრაბგერითი ამპლიტუდის – სონოქიმიური გამოყენებისთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი პარამეტრის – ზუსტი რეგულირება საშუალებას იძლევა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები მუშაობდნენ დაბალიდან ძალიან მაღალ ამპლიტუდებამდე და ამპლიტუდა ზუსტად დაიხვეწოს კონკრეტული ქიმიური რეაქციის სისტემისთვის საჭირო ულტრაბგერითი პროცესის პირობების შესაბამისად.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი გენერატორები ფლობენ სმარტ პროგრამულ უზრუნველყოფას ავტომატური მონაცემთა პროტოკოლირებით. ყველა მნიშვნელოვანი დამუშავების პარამეტრი, როგორიცაა ულტრაბგერითი ენერგია, ტემპერატურა, წნევა და დრო, ავტომატურად ინახება ჩაშენებულ SD-კარტაზე მოწყობილობის ჩართვისთანავე.
პროცესის მონიტორინგი და მონაცემთა ჩაწერა მნიშვნელოვანია პროცესის უწყვეტი სტანდარტიზაციისა და პროდუქტის ხარისხისთვის. ავტომატურად ჩაწერილი პროცესის მონაცემებზე წვდომით, შეგიძლიათ გადახედოთ წინა ულტრაბგერითი დამუშავების ციკლებს და შეაფასოთ შედეგები.
მომხმარებლისთვის მოსახერხებელი კიდევ ერთი ფუნქციაა ჩვენი ციფრული ულტრაბგერითი სისტემების ბრაუზერული დისტანციური მართვა. დისტანციური ბრაუზერული მართვის საშუალებით, შეგიძლიათ შორიდან, ნებისმიერი ადგილიდან, დაიწყოთ, შეაჩეროთ, დაარეგულიროთ და მონიტორინგი გაუწიოთ თქვენს ულტრაბგერით პროცესორს.
დაგვიკავშირდით ახლავე, რომ მეტი გაიგოთ იმის შესახებ, თუ როგორ შეუძლია ჩვენს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს გააუმჯობესოს თქვენი ორგანოკატალიზური სინთეზის რეაქცია!

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაწვდით წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების დაახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის შესახებ: