초음파로 유도하고 향상시키는 상전이 촉매 반응

고출력 초음파는 다양한 화학 반응에 기여하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이를 이른바 초음파화학이라고 합니다. 불균일 반응 – 특히 상전이 반응 – 은 고출력 초음파의 활용 잠재력이 매우 큰 응용 분야입니다. 반응물에 가해지는 기계적 에너지와 초음파화학적 에너지로 반응을 개시하고 반응 속도를 크게 높일 수 있으며, 더 높은 전환율과 수율, 더 나은 생성물을 얻을 수 있습니다. 초음파의 선형적인 규모 확장 가능성과 신뢰할 수 있는 초음파 산업용 장비의 가용성 덕분에 이 기술은 화학 제품 생산을 위한 매력적인 솔루션입니다.

상전이 촉매 반응

상전이 촉매 반응(PTC)은 불균일 촉매 반응의 특수한 형태이며, 유기 합성을 위한 실용적인 방법으로 알려져 있습니다. 상전이 촉매를 사용하면 수상에는 용해되지만 유기상에는 용해되지 않는 경우가 많은 이온성 반응물을 가용화할 수 있습니다. 즉, PTC는 반응물들이 서로 접촉하지 못하여 혼합물의 서로 다른 상에 있는 두 물질 간 상호작용이 억제되는 반응에서 불균일성 문제를 극복하기 위한 대안적 해결책입니다. (Esen et al. 2010) 상전이 촉매 반응의 일반적인 장점은 준비에 드는 노력이 적고, 실험 절차가 간단하며, 반응 조건이 온화하고, 반응 속도와 선택성이 높으며, 사차 암모늄염과 같은 저렴하고 환경에 무해한 시약 및 용매를 사용할 수 있고, 대규모 제조가 가능하다는 것입니다(Ooi et al. 2007).
사차 암모늄염, 폴리에틸렌글리콜-400 등과 같은 간단한 상전이(PT) 촉매를 사용하면 이온성 화학종을 수상에서 유기상으로 이동시킬 수 있어 다양한 액체–액체 및 액체–고체 반응이 강화되고 선택적으로 진행됩니다. 따라서 수상에서 유기 반응물의 용해도가 극히 낮아 발생하는 문제를 극복할 수 있습니다. 농약 및 제약 산업에서는 PTC가 광범위하게 사용되며 사업의 근간을 바꾸어 놓았습니다. (Sharma 2002)

고출력 초음파

고출력 초음파는 매우 미세한 에멀전을 생성하는 잘 알려진 수단입니다. 화학에서는 이처럼 매우 미세한 에멀전을 화학 반응을 향상시키는 데 사용합니다. 즉, 서로 섞이지 않는 두 가지 이상의 액체 사이의 계면 접촉 면적이 크게 늘어나므로 반응이 더 원활하게, 더 완전하게 그리고/또는 더 빠르게 진행됩니다.
상전이 촉매 반응에서는 – 다른 화학 반응과 마찬가지로 – 반응을 시작하기 위해 충분한 운동 에너지가 필요합니다.
이는 화학 반응에 다음과 같은 다양한 긍정적 효과를 가져옵니다.

• 운동 에너지가 낮아 일반적으로 일어나지 않는 화학 반응도 초음파 처리로 시작될 수 있습니다.
• 초음파 보조 PTC로 화학 반응을 가속할 수 있습니다.
• 상전이 촉매의 사용을 완전히 피할 수 있습니다.
• 원료를 더 효율적으로 사용할 수 있습니다.
• 부산물을 줄일 수 있습니다.
• 비용이 많이 들고 위험한 강염기를 저렴한 무기 염기로 대체할 수 있습니다.

이러한 효과 덕분에 PTC는 서로 섞이지 않는 두 가지 이상의 반응물로부터 유기 합성을 수행하는 데 매우 유용한 화학적 방법입니다. 상전이 촉매 반응(PTC)을 통해 화학 공정의 원료를 더 효율적으로 사용하고 더 경제적으로 생산할 수 있습니다. PTC를 통한 화학 반응의 향상은 화학 제품 생산을 위한 중요한 수단이며, 초음파를 사용하면 이를 크게 개선할 수 있습니다.

초음파로 촉진되는 PTC 반응의 예

• 초음파 처리하에서 PEG-400을 사용한 새로운 N’-(4,6-이치환-피리미딘-2-일)-N-(5-아릴-2-푸로일)티오우레아 유도체의 합성. (Ken et al. 2005)
• 이온성 액체에서 PTC를 이용한 만델산의 초음파 보조 합성은 상온·상압 조건에서 반응 수율이 크게 향상됨을 보여준다. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008)은 무용매 환경에서 페닐아세토니트릴의 초음파 보조 C-알킬화를 보고했다. 초음파가 반응을 촉진하는 효과는 두 액상 사이의 극히 넓은 계면적에 기인하는 것으로 설명되었다. 초음파 처리는 기계적 혼합보다 훨씬 빠른 반응 속도를 제공한다.
• 디클로로카르벤을 생성하기 위한 사염화탄소와 마그네슘의 반응 중 초음파 처리를 하면 올레핀이 존재할 때 gem-디클로로시클로프로판의 수율이 더 높아진다. (Lin et al. 2003)
• 초음파는 상전이 조건에서  p-클로로벤즈알데히드의 칸니차로 반응을 가속한다. Polácková et al. (1996)이 시험한 세 가지 상전이 촉매 – 벤질트리에틸암모늄 클로라이드(TEBA), Aliquat 및 18-crown-6 – 중 TEBA가 가장 효과적인 것으로 나타났다. 페로센카르브알데히드와  p-디메틸아미노벤즈알데히드는 유사한 조건에서 1,5-디아릴-1,4-펜타디엔-3-온을 주생성물로 생성했다.
• Lin-Xiao et al. (1987)은 초음파 처리와 PTC의 조합이 더 적은 양의 촉매로 더 짧은 시간에 더 높은 수율을 얻으면서 클로로포름으로부터 디클로로카르벤의 생성을 효과적으로 촉진한다는 것을 보여주었다.
• Yang et al. (2012)은 벤질 4-히드록시벤조에이트의 친환경 초음파 보조 합성을 4,4′-비스(트리부틸암모니오메틸)-1,1′-비페닐 디클로라이드(QCl₂)를 촉매로 사용하여 연구했다. QCl₂를 사용하여 새로운 이중 부위 상전이 촉매 반응을 개발했다. 이 고체–액체 상전이 촉매 반응(SLPTC)은 초음파 처리를 적용한 회분식 공정으로 수행되었다. 강한 초음파 처리하에서 첨가된 Q2+ 중 33%는 45.2%의 Q(Ph(OH)COO)₂ 함유 상태로 유기상으로 이동하여 벤질 브로마이드와 반응했으며, 이에 따라 전체 반응 속도가 향상되었다. 0.106 min^-1 수준의 향상된 반응 속도는 300W의 초음파 조사하에서 얻어졌으며, 초음파 처리를 하지 않았을 때는 0.0563 min^-1 수준의 속도가 관찰되었다. 이로써 상전이 촉매 반응에서 이중 부위 상전이 촉매와 초음파의 상승효과가 입증되었다.

초음파를 통한 비대칭 상전이 반응의 향상

a-아미노산과 그 유도체의 비대칭 합성을 위한 실용적인 방법을 확립하고자 Maruoka와 Ooi(2007)는 “N-스피로 키랄 사차 암모늄염의 반응성을 높이고 그 구조를 단순화할 수 있는지”를 연구했다. “초음파 조사는 균질화를 일으키며, 이는 매우 미세한 에멀전을 형성한다는 뜻이므로, 반응이 일어날 수 있는 계면적을 크게 증가시켜 액체–액체 상전이 반응에서 상당한 속도 증가를 가져올 수 있다. 실제로 톨루엔/50% KOH 수용액에서 2, 요오드화메틸 및 (S,S)-나프틸 소단위체(1 mol%)의 반응 혼합물을 0 degC에서 1 h 동안 초음파 처리한 결과, 해당 알킬화 생성물이 63%의 수율과 88%ee로 얻어졌다. 화학적 수율과 거울상 선택성은 혼합물을 여덟 시간 동안 단순 교반하여 수행한 반응의 결과(0 degC, 64%, 90%ee)와 비슷했다.” (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

비대칭 촉매 반응의 또 다른 유형은 마이클 반응이다. 디에틸 N-아세틸아미노말로네이트를 칼콘에 첨가하는 반응은 초음파 처리의 긍정적인 영향을 받아 수율이 12% 증가합니다(초음파를 가하지 않은 반응에서 얻은 72%에서 초음파 처리 시 최대 82%로 증가). 고출력 초음파를 사용하면 초음파를 사용하지 않은 반응에 비해 반응이 여섯 배 빠르게 진행됩니다. 거울상 이성질체 과잉률(ee)은 변하지 않았으며, 초음파를 사용한 반응과 사용하지 않은 반응 모두에서 40%ee였습니다. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003)은 칼콘을 수용체로, 말론산 디에틸, 니트로메탄, 시클로헥사논, 아세토아세트산 에틸, 아세틸아세톤 등의 다양한 활성 메틸렌 화합물을 공여체로 사용하는 마이클 반응에서 KF/염기성 알루미나를 촉매로 사용하면 초음파 조사하에서 더 짧은 시간 내에 높은 수율로 부가 생성물을 얻을 수 있음을 입증했습니다. 또 다른 연구에서 Li et al. (2002)은 KF-Al₂O₃를 촉매로 사용하여 초음파의 도움으로 칼콘을 성공적으로 합성했음을 보여주었습니다.
위의 PTC 반응들은 초음파 조사의 잠재력과 가능성 중 극히 일부만을 보여줍니다.
PTC의 개선 가능성과 관련하여 초음파를 시험하고 평가하는 것은 매우 간단합니다. Hielscher의 초음파 실험실 장치인 UP200Ht (200 와트)와 Hielscher의 탁상형 시스템인 UIP1000hd (1000 와트)를 사용하면 초기 시험을 수행할 수 있습니다. (그림 1 및 2 참조)

화학 시장에서 경쟁력을 갖춘 효율적인 생산

초음파 상전이 촉매 반응을 사용하면 다음과 같은 다양한 이점 중 하나 이상을 얻을 수 있습니다:

• 다른 방법으로는 불가능한 반응의 개시
• 수율 증가
• 고가의 무수 비양성자성 용매 사용량 절감
• 반응 시간 단축
• 반응 온도 저감
• 준비 과정 간소화
• 알칼리 금속 알콕사이드, 나트륨 아미드, 수소화 나트륨 또는 금속 나트륨 대신 알칼리 금속 수용액 사용
• 더 저렴한 원료, 특히 산화제 사용
• 선택성 변화
• 생성물 비율 변화(예: O-/C-알킬화)
• 분리 및 정제 간소화
• 부반응 억제를 통한 수율 증가
• 처리량이 매우 높은 경우에도 산업 생산 규모로 간단하게 선형 확장 가능