초음파 처리로 촉진되는 유기촉매 반응

유기화학에서 유기촉매 작용은 유기촉매에 의해 화학 반응의 속도가 증가하는 촉매 작용의 한 형태입니다. 이 “유기촉매”는 탄소, 수소, 황 및 유기 화합물에서 발견되는 기타 비금속 원소로 구성됩니다. 화학계에 고출력 초음파를 적용하는 것은 초음파화학으로 알려져 있으며, 수율을 높이고 반응 속도를 개선하며 반응을 가속하는 확립된 기법입니다. 초음파 처리를 통해 화학 반응 경로를 바꾸어 원치 않는 부산물을 피할 수 있는 경우가 많습니다. 초음파화학은 유기촉매 반응을 촉진하여 효율성과 친환경성을 높일 수 있습니다.

비대칭 유기촉매 작용 – 초음파 처리로 개선

화학계에 고성능 초음파를 적용하는 초음파화학은 유기촉매 반응을 크게 개선할 수 있습니다. 비대칭 유기촉매 작용에 초음파 처리를 결합하면 유기촉매 반응을 더 친환경적인 경로로 전환할 수 있는 경우가 많아, 녹색화학의 범주에 속하게 됩니다. 초음파 처리는 (비대칭) 유기촉매 반응을 가속하여 더 높은 수율, 더 빠른 전환 속도, 더 쉬운 생성물 분리/정제, 향상된 선택성과 반응성을 제공합니다. 초음파 처리는 반응 속도론적 특성과 수율 개선에 기여할 뿐만 아니라, 이온성 액체, 심층 공융 용매, 온화한 무독성 용매 및 물과 같은 지속 가능한 반응 용매와 함께 사용할 수 있는 경우가 많습니다. 따라서 초음파화학은 (비대칭) 유기촉매 반응 자체를 개선할 뿐만 아니라 유기촉매 반응의 지속 가능성도 높입니다.

연구를 통해 초음파화학적으로 강화된 유기촉매 반응의 다양한 사례가 확인되었습니다. 예를 들어, 비대칭 합성 반응을 위한 금속–생체고분자 하이브리드 촉매를 조립하기 위해 이중 가닥 DNA 분자를 키랄 지지체로 사용합니다. G-사중체 DNA 기반 촉매는 비대칭 Michael 첨가 반응, Diels-Alder 반응 및 Friedel-Crafts 반응에 적용되었습니다. (참조: Zhao 및 Shen, 2018)
인듐으로 촉진되는 반응에서는 초음파화학적으로 구동되는 반응이 더 온화한 조건에서 진행되어 높은 부분입체선택성을 유지하므로 초음파 처리가 유익한 효과를 나타냅니다. 초음파화학적 경로를 이용하여 당 락톤으로부터 β-락탐 탄수화물, β-아미노산 및 스피로디케토피페라진을 유기촉매로 합성하는 반응과 옥심 에테르의 알릴화 및 Reformatsky 반응에서 좋은 결과를 얻었습니다.

초음파로 촉진되는 유기촉매 의약품 합성

Rogozińska-Szymczak 및 Mlynarski (2014)는 유기 보조용매 없이 물 표면에서 유기 일차 아민과 초음파 처리로 촉진되는, α,β-불포화 케톤에 대한 4-히드록시쿠마린의 비대칭 Michael 첨가 반응을 보고했습니다. 거울상 이성질체적으로 순수한 (S,S)-디페닐에틸렌디아민을 사용하면 초음파로 가속된 반응을 통해 일련의 중요한 약리 활성 화합물을 양호한 수준에서 우수한 수준의 수율(73–98%)과 양호한 거울상 선택성(최대 76% ee)으로 얻을 수 있습니다. 연구진은 ‘물 표면의 고체’ 조건에서 항응고제 와파린의 두 거울상 이성질체 형태를 각각 생성하는 효율적인 초음파화학 프로토콜을 제시합니다. 이 친환경적인 유기촉매 반응은 규모 확대가 가능할 뿐만 아니라 목표 약물 분자를 거울상 이성질체적으로 순수한 형태로 생성합니다.

테르펜의 초음파화학적 에폭시화

Charbonneau 등(2018)은 초음파 처리 조건에서 테르펜의 에폭시화가 성공적으로 이루어짐을 입증했다. 기존 에폭시화에는 촉매를 사용해야 하지만, 초음파 처리를 적용하면 에폭시화가 무촉매 반응으로 진행된다.
리모넨 디옥사이드는 바이오 기반 폴리카보네이트 또는 비이소시아네이트 폴리우레탄 개발에 핵심적인 중간체 분자이다. 초음파 처리는 매우 짧은 반응 시간 내에 테르펜의 무촉매 에폭시화를 가능하게 하면서 매우 우수한 수율도 제공한다. 초음파 에폭시화의 효과를 입증하기 위해 연구팀은 반응계 내에서 생성한 디메틸디옥시란을 산화제로 사용하여 리모넨을 리모넨 디옥사이드로 에폭시화하는 반응을 기존 교반 조건과 초음파 처리 조건에서 비교했다. 모든 초음파 처리 시험에는 Hielscher UP50H (50W, 30kHz) 실험실용 초음파 처리기가 사용되었다.

초음파 처리 조건에서 리모넨을 리모넨 디옥사이드로 완전히 전환하여 100% 수율을 얻는 데 필요한 시간은 실온에서 단 4.5 min이었다. 이와 비교하여, 자석 교반기를 이용한 기존 교반 방식에서는 리모넨 디옥사이드 수율 97%에 도달하는 데 1.5 h가 필요했다. 두 교반 기법을 이용한 α-피넨의 에폭시화도 연구되었다. 초음파 처리 조건에서 α-피넨을 α-피넨 옥사이드로 에폭시화하는 데는 단 4 min이 필요했고 100% 수율을 얻었으며, 이와 비교하여 기존 방법의 반응 시간은 60 min이었다. 다른 테르펜의 경우, β-피넨은 단 4 min 만에 β-피넨 옥사이드로 전환되었고, 파르네솔은 8 min 만에 트리에폭사이드를 100% 수율로 생성했다. 리모넨 유도체인 카르베올은 98% 수율로 카르베올 디옥사이드로 전환되었다. 디메틸디옥시란을 이용한 카르본의 에폭시화 반응에서는 5 min 만에 전환율이 100%에 도달하여 7,8-카르본 옥사이드가 생성되었다.
테르펜의 초음파화학적 에폭시화의 주요 장점은 산화제의 친환경적 특성(녹색화학)과 초음파 교반 조건에서 이 산화를 수행할 때 반응 시간이 크게 단축된다는 점이다. 이 에폭시화 방법을 사용하면 리모넨 전환율 100%와 리모넨 디옥사이드 수율 100%에 도달하는 데 단 4.5 min이 걸렸으며, 기존 교반 방식을 사용하면 90 min이 걸렸다. 또한 반응 매질에서는 카르본, 카르베올, 페릴릴 알코올과 같은 리모넨 산화 생성물이 발견되지 않았다. 초음파 조건에서 α-피넨의 에폭시화에는 단 4 min이 필요했으며, 고리의 산화 없이 α-피넨 옥사이드를 100% 수율로 얻었다. β-피넨, 파르네솔, 카르베올과 같은 다른 테르펜도 산화되어 매우 높은 에폭사이드 수율을 나타냈다.

초음파화학적 효과

기존 방법의 대안으로 초음파 화학 기반 프로토콜이 매우 다양한 반응의 속도를 높이는 데 사용되어 왔으며, 이를 통해 반응 시간을 크게 단축하면서 더 온화한 조건에서 생성물을 얻을 수 있었습니다. 이러한 방법은 더 친환경적이고 지속 가능한 것으로 기술되어 왔으며, 원하는 변환에서 더 높은 선택성과 더 낮은 에너지 소비를 보이는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 방법의 메커니즘은 음향 캐비테이션 현상에 기반하며, 이 현상은 액체 매질에서 기포의 형성, 성장 및 단열 붕괴를 통해 독특한 압력 및 온도 조건을 유도합니다. 이러한 효과는 물질 전달을 개선하고 액체 내 난류를 증가시켜 화학적 변환을 촉진합니다. 당사의 연구에서는 초음파를 사용하여 단축된 반응 시간에 높은 수율과 순도로 화합물을 생성할 수 있었습니다. 이러한 특성은 약리학적 모델에서 평가되는 화합물의 수를 늘려, 히트 화합물을 선도물질로 최적화하는 과정을 가속하는 데 기여했습니다.
이러한 고에너지 투입은 불균일 공정에서 기계적 효과를 강화할 수 있을 뿐만 아니라, 예상치 못한 화학종의 형성으로 이어지는 새로운 반응성을 유도하는 것으로도 알려져 있습니다. 초음파 화학을 독특하게 만드는 것은 캐비테이션이라는 놀라운 현상입니다. 이 현상은 미세 기포 환경의 국소적으로 제한된 공간에서 고압 / 저압 주기의 교대, 매우 큰 온도 차이, 높은 전단력 및 액체 유동으로 인해 특별한 효과를 발생시킵니다.

초음파 화학적으로 촉진되는 유기촉매 반응의 장점

초음파 화학적 효과가 화학 반응을 상당히 강화하므로 유기 합성 및 촉매 반응에서 초음파 처리가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 특히 기존 방법(예: 가열, 교반)과 비교하면 초음파 화학은 더 효율적이고 편리하며 정밀하게 제어할 수 있습니다. 초음파 처리와 초음파 화학은 더 높은 수율, 향상된 화합물 순도와 선택성, 더 짧은 반응 시간, 더 낮은 비용뿐만 아니라 초음파 화학적 절차의 간편한 운용 및 취급 등 여러 주요 장점을 제공합니다. 이러한 유익한 요인 덕분에 초음파 보조 화학 반응은 더 효과적이고 안전할 뿐만 아니라 더 친환경적입니다.
수많은 유기 반응에서 초음파 처리를 사용하면 더 짧은 반응 시간 및 / 또는 더 온화한 조건에서 더 높은 수율을 얻을 수 있음이 입증되었습니다.

초음파 처리를 통해 간단한 원포트 반응이 가능합니다

초음파 처리를 통해 구조적으로 다양한 화합물을 합성할 수 있는 다성분 반응을 원포트 반응으로 개시할 수 있습니다. 이러한 원포트 반응은 중간체의 분리 및 정제가 필요하지 않아 전반적인 효율이 높고 간단하다는 점에서 높이 평가됩니다.

비대칭 유기촉매 반응에 대한 초음파의 효과는 상전이 촉매 반응, Heck 반응, 수소화, Mannich 반응, Barbier 및 Barbier 유사 반응, Diels-Alder 반응, Suzuki 커플링 반응 및 Michael 첨가를 비롯한 다양한 반응 유형에 성공적으로 적용되었습니다.

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