Hielscher 초음파 기술

초음파 유도 및 상 전이 촉매

고출력 초음파는 다양한 화학 반응에 기여하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이것은 소위입니다 sonochemistry. 이기종 반응 - 특히 상 이동 반응 -은 초음파 초음파의 잠재적 응용 분야입니다. 시약에 적용되는 기계적 및 초음파 화학적 에너지로 인해 반응이 시작될 수 있고 반응 속도가 크게 향상 될 수있을뿐만 아니라 높은 전환율, 높은 수율 및 우수한 제품을 얻을 수 있습니다. 초음파의 선형 확장 성 및 신뢰할 수있는 초음파의 가용성 산업 장비는이 기술을 화학 생산을위한 흥미로운 솔루션으로 만듭니다.
Glass reactor for targeted and reliable sonication processes

초음파 유리 유동 셀

상 이동 촉매 작용

상전이 촉매 (PTC)는 이질 촉매 반응의 특수한 형태로 유기 합성을위한 실용적인 방법론으로 알려져 있습니다. 상 이동 촉매를 사용함으로써, 종종 수성 상에 용해되지만 유기 상에 불용성 인 이온 성 반응물을 용해시키는 것이 가능해진다. 즉, PTC는 시약을 함께 사용할 수 없기 때문에 혼합물의 서로 다른 단계에있는 두 물질 간의 상호 작용을 저해하는 반응에서 이질성 문제를 극복하기위한 대안 솔루션입니다. (Esen et al. 2010) 상 전이 촉매 작용의 일반적인 이점은 준비, 간단한 실험 절차, 온화한 반응 조건, 높은 반응 속도, 높은 선택성 및 4 급 암모늄과 같은 값 싸고 환경 적으로 우수한 시약의 사용에 대한 작은 노력이다 염 및 용제의 사용 가능성, 그리고 대규모 조제를 할 가능성 (Ooi et al., 2007)을 포함한다.
다양한 액체 - 액체 및 액체 - 고체 반응이 강화되었고, quat, polyethylene glycol-400 등과 같은 단순한 상 이동 (PT) 촉매를 사용하여 선택성을 갖게되었습니다.이 촉매는 이온 종을 수 성상에서 유기상. 따라서, 수성 상에 유기 반응물의 극히 낮은 용해도와 관련된 문제점을 극복 할 수있다. 살충제 및 제약 산업에서 PTC는 광범위하게 사용되고 있으며 사업의 기본을 변화 시켰습니다. (Sharma 2002)

힘 초음파

힘 초음파의 응용 프로그램은 매우 잘 만들려면 잘 알려진 도구입니다 유제. 화학에서 매우 미세한 크기의 유제는 화학 반응을 향상시키는 데 사용됩니다. 이것은 두 개 이상의 비혼 화성 액체 사이의 계면 접촉 영역이 극적으로 확대되어 더 좋고,보다 완전하고 그리고 / 또는 더 빠른 반응 과정을 제공한다는 것을 의미합니다.
상 이동 촉매 반응 – 다른 화학 반응과 마찬가지로 - 반응을 시작하려면 충분한 운동 에너지가 필요합니다.
이것은 화학 반응에 대해 여러 가지 긍정적 인 효과가 있습니다.

  • 일반적으로 낮은 운동 에너지로 인해 발생하지 않는 화학 반응은 초음파로 시작될 수 있습니다.
  • 화학 반응은 초음파 보조 PTC에 의해 가속 될 수 있습니다.
  • 상 전이 촉매의 완전한 회피.
  • 원자재를보다 효율적으로 사용할 수 있습니다.
  • 부산물을 줄일 수 있습니다.
  • 비용이 많이 드는 유해한 강염기를 염가의 무기 염기로 대체.

PTC (phase transfer catalysis)는 화학 공정의 원료를보다 효율적으로 사용하고보다 비용 효율적으로 생산할 수있게 해줍니다. PTC에 의한 화학 반응의 향상은 초음파를 극적으로 사용함으로써 개선 될 수있는 화학 생산을위한 중요한 도구입니다.

Ultrasonic cavitation in a glass column

액체에서의 캐비테이션

초음파로 촉진 된 PTC 반응의 예

  • 초음파 하에서 PEG-400을 이용한 새로운 N '- (4,6-disubstituted-pyrimidin-2-yl) -N- (5- 아릴 -2- 푸로 일) 티오 유도체의 합성 (Ken et al. 2005)
  • 이온 성 액체에서 PTC에 의한 만델 릭산의 초음파 보조 합성은 주위 조건 하에서 반응 수율의 유의 한 향상을 나타낸다. (Hua et al., 2011)
  • Kubo et al. (2008)은 용매가없는 환경에서 페닐 아세토 니트릴의 초음파 보조 C- 알킬화를보고했다. 반응을 촉진시키는 초음파의 효과는 두 액상 사이의 매우 큰 계면 영역에 기인한다. Ultrasonication은 기계적 혼합보다 훨씬 빠른 반응 속도를 제공합니다.
  • dichlorocarbene의 생성을위한 사염화탄소와 마그네슘의 반응 동안의 초음파 처리는 올레핀의 존재 하에서 보석 - 디클로로 사이클로 프로판의보다 높은 수율을 가져온다. (Lin et al., 2003)
  • 초음파는 Cannizzaro 반응의 가속화를 제공합니다. 상전이 조건 하에서 4- 클로로 벤즈 알데하이드를 수득 하였다. 3 상 전이 촉매 – (TEBA), 알리 쿼트 (Aliquat) 및 18- 크라운 -6- (Polácková et al. (1996) TEBA가 가장 효과적이었다. 페로센 카르 알데히드 및 - 디메틸 아미노 벤즈알데히드는 유사한 조건하에 1,5- 디아 릴 -1,4- 펜타 디엔 -3- 온을 주요 생성물로서 제공 하였다.
  • Lin-Xiao 외. (1987)은 초음파와 PTC의 결합이 더 짧은 시간 내에 클로로포름으로부터 디클로로 카르 벤의 생성을 효과적으로 촉진시키고 촉매의 양을 줄임으로써 우수한 효과를 나타냄을 보였다.
  • Yang et al. (2012)는 4,4'- 비스 (트리 부틸 암모니 오 메틸) -1,1'- 비 페닐 디 클로라이드 (QCl)를 사용하여 벤질 4- 히드 록시 벤조 에이트의 초록 보조 초음파 합성을 연구했다2)을 촉매로 사용한다. QCl의 사용2, 그들은 새로운 이중 부위 상 전이 촉매를 개발했다. 이 고체 - 액체 상 이동 촉매 (SLPTC)는 초음파 처리로 배치 공정으로 수행되었습니다. 강렬한 초음파 처리 하에서, Q (Ph (OH) COO)의 45.2 %를 함유하는 부가 된 Q2 +의 33 %2 유기상으로 옮겨 벤질 브로마이드와 반응하므로 전체 반응 속도가 빨라진다. 이 향상된 반응 속도는 0.106 분-1 초음파 조사 300W 이하, 초음파 처리를하지 않은 상태에서 0.0563 분-1 관찰되었다. 따라서, 상 이동 촉매에서 초음파와 이중 부위 상 전이 촉매의 상승 효과가 증명되었다.
The ultrasonic lab device UP200Ht provides powerful sonication in laboratories.

사진 1 : UP200Ht는 200 와트의 강력한 초음파 균질 기

비대칭 상 이동 반응의 초음파 강화

Maruoka and Ooi (2007)는 N- 아미노산과 그 유도체의 비대칭 합성에 대한 실용적인 방법을 확립하기 위해 "N- 스피로 키랄 4 차 암모늄염의 반응성을 향상시키고 구조를 단순화 할 수 있는지 조사했다. 초음파 조사는 균질화, 즉 매우 미세한 유제반응이 일어날 수있는 계면 영역을 크게 증가시켜 액상 - 액상 - 전이 반응에서 상당한 속도의 가속도를 제공 할 수있다. 실제로, 0 ℃에서 1 시간 동안 톨루엔 / 50 % 수성 KOH 중의 2, 메틸 요오다 이드 및 (S, S) - 나프 틸 서브 유닛 (1 몰 %)의 반응 혼합물의 초음파 처리는 상응하는 알킬화 생성물을 63 % 88 % ee의 수율; 화학적 수율 및 거울상 이성질체 선택성은 8 시간 동안 혼합물을 간단히 교반하여 수행 한 반응 (0 ℃, 64 %, 90 % ee)과 비교할 만하다 "(Maruoka et al., 2007; 4229)

Improved phase transfer reactions by sonication

Scheme 1 : Ultrasonication은 α- 아미노산의 비대칭 합성 동안 반응 속도를 향상시킨다 [Maruoka et al. 2007]

비대칭 촉매 작용의 또 다른 반응 유형은 마이클 반응이다. 디 에틸의 마이클 첨가 - acetyl-aminomalonate는 chalcone에 긍정적 인 영향을 끼치며 수율의 12 % 증가를 가져옵니다 (침묵 반응 중에 72 %에서부터 초음파로 82 %까지 증가). 반응 시간은 초음파가없는 반응에 비해 전력 초음파에서 6 배 빠릅니다. 거울상 이성질체 과량 (ee)은 변화가 없었으며 40 % ee에서 두 가지 반응 (초음파가있는 경우와없는 경우)이었습니다. (Mirza-Aghayan et al., 1995)
Li et al. (2003)은 수용체로서 칼 코콘과 KF / 염기성 알루미나에 의해 촉매 된 공여체 인 디 에틸 말로 네이트, 니트로 메탄, 시클로 헥사 논, 에틸 아세토 아세테이트 및 아세틸 아세톤과 같은 다양한 활성 메틸렌 화합물과의 마이클 반응이 초음파 하에서 더 짧은 시간 내에 높은 수율로 부가 물을 생성한다는 것을 증명했다 조사. 다른 연구에서 Li et al. (2002)은 KF-Al에 의해 촉매 화 된 칼콘의 초음파 합성이 성공적으로 합성되었음을 보여 주었다2영형.
위의 이러한 PTC 반응은 초음파 조사의 가능성과 가능성의 작은 범위만을 보여줍니다.
PTC의 향상된 기능에 관한 초음파 테스트 및 평가는 매우 간단합니다. Hielscher 's와 같은 초음파 실험 장치 UP200Ht (200 와트) 및 Hielscher 's와 같은 벤치 탑 시스템 UIP1000hd (1000 와트)는 첫 번째 시도가 가능합니다. (그림 1과 그림 2 참조)
초음파 비대칭 마이클 추가 개선 (클릭하면 확대됩니다!)

반응식 2 : 켈콘에 디 에틸 N- 아세틸 - 아미노 말로 네이트의 초음파 보조 된 비대칭 마이클 첨가 [문헌 [Török et al. 2001]

화학 시장에서 경쟁하는 효율적인 생산

초음파 상 이동 촉매를 사용하면 하나 이상의 다양한 유익한 이점으로부터 이익을 얻을 수 있습니다.

  • 달리 가능하지 않은 반응의 초기화
  • 생산량 증가
  • 비싸고 무수 비 양성 자성 용매를 줄인다.
  • 반응 시간 감소
  • 낮은 반응 온도
  • 단순화 된 준비
  • 알칼리 금속 알콕사이드, 나트륨 아미드, 수소화 나트륨 또는 금속 나트륨 대신 수성 알칼리 금속의 사용
  • 더 싼 원료, 특히 산화제의 사용
  • 선택도의 변화
  • 생성물 비율의 변화 (예 : O- / C- 알킬화)
  • 단순화 된 분리 및 정제
  • 부반응 억제에 의한 수율 증가
  • 매우 높은 처리량으로도 산업 생산 수준까지 간단하고 선형으로 스케일 업
UIP1000hd 벤치 탑 초음파 균질 기

1000W 초음파 프로세서, 플로우 셀, 탱크 및 펌프로 설치

화학에서의 초음파 효과의 간단하고 위험없는 시험

초음파가 특정 물질과 반응에 어떻게 영향을 주는지 알아 보려면 먼저 작은 실행 가능성 테스트를 수행 할 수 있습니다. 50 ~ 400 와트 범위의 휴대용 또는 스탠드 장착 실험실 장치는 비커에서 소형 및 중형 샘플을 초음파 처리 할 수 ​​있습니다. 첫 번째 결과가 잠재적 인 성과를 나타내면이 프로세스는 산업용 초음파 프로세서를 사용하여 벤치 탑에서 개발되고 최적화 될 수 있습니다. UIP1000hd (1000W, 20kHz). Hielscher의 초음파 벤치 탑 시스템 (500) 와트 2000 년 와트는 R에 이상적인 장치입니다.&D 및 최적화. 비이커 및 인라인 초음파 처리를 위해 설계된 이러한 초음파 시스템 – 진폭, 압력, 온도, 점도 및 농도와 같은 가장 중요한 프로세스 매개 변수를 완벽하게 제어 할 수 있습니다.
매개 변수를 정확하게 제어하면 정확한 재현성 및 선형 확장 성 얻은 결과 중 다양한 설정을 테스트 한 후, 최상의 상태로 발견 된 구성을 사용하여 생산 조건에서 지속적으로 (24 시간 / 7 일) 실행할 수 있습니다. 선택 사양 인 PC-Control (소프트웨어 인터페이스)을 사용하면 개별 시험을 쉽게 기록 할 수 있습니다. 위험한 환경 (ATEX, FM)에서 인화성 액체 또는 용제의 초음파 처리를 위해 UIP1000hd ATEX 인증 버전으로 제공됩니다. UIP1000-Exd.

화학에서의 초음파 처리의 일반적인 이점 :

  • 초음파 처리가 적용되면 반응이 가속화되거나 강제력 조건이 더 필요할 수 있습니다.
  • 유도 기간은 종종 그러한 반응과 관련된 발열과 같이 상당히 감소된다.
  • 초음파 화학 반응은 흔히 첨가물을 필요로하지 않고 초음파로 시작됩니다.
  • 일반적으로 합성 경로에서 필요한 단계 수를 줄일 수 있습니다.
  • 어떤 상황에서는 반응을 다른 경로로 유도 할 수 있습니다.

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문학 / 참고 문헌

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알만한 가치가있는 사실

초음파 조직 균질 기는 종종 프로브 초음파기, 초음파 용해기, 초음파 분쇄기, 초음파 분쇄기, 초음파 분쇄기, 초음파 분쇄기, 초음파 분쇄기, 세포 분쇄기, 초음파 분 산기 또는 용해기로 불립니다. 서로 다른 용어는 초음파 처리로 수행 할 수있는 다양한 애플리케이션의 결과입니다.