Ar ultraskaņas apstrādi veicinātas organokatalītiskās reakcijas

Organiskajā ķīmijā organokatalīze ir katalīzes veids, kurā ķīmiskās reakcijas ātrumu palielina organisks katalizators. Šis “organokatalizators” sastāv no oglekļa, ūdeņraža, sēra un citiem nemetāliskiem elementiem, kas sastopami organiskajos savienojumos. Lieljaudas ultraskaņas izmantošana ķīmiskajās sistēmās ir pazīstama kā sonoķīmija un ir plaši atzīta metode iznākuma palielināšanai un reakciju paātrināšanai. Apstrāde ar ultraskaņu bieži ļauj mainīt ķīmisko reakciju norises ceļus, izvairoties no nevēlamiem blakusproduktiem. Sonoķīmija var veicināt organokatalītiskās reakcijas, padarot tās efektīvākas un videi draudzīgākas.

Asimetriskā organokatalīze – uzlabota ar ultraskaņas apstrādi

Sonoķīmija, kurā ķīmiskajās sistēmās izmanto augstas veiktspējas ultraskaņu, var būtiski uzlabot organokatalītiskās reakcijas. Asimetriskās organokatalīzes apvienošana ar apstrādi ar ultraskaņu bieži ļauj organokatalīzi padarīt videi draudzīgāku, tādējādi iekļaujot to zaļās ķīmijas jēdzienā. Apstrāde ar ultraskaņu paātrina (asimetrisko) organokatalītisko reakciju un nodrošina lielāku iznākumu, ātrāku pārvēršanos, vieglāku produkta izdalīšanu/attīrīšanu un uzlabotu selektivitāti un reaģētspēju. Papildus reakcijas kinētikas un iznākuma uzlabošanai apstrādi ar ultraskaņu bieži var apvienot ar ilgtspējīgu reakcijas šķīdinātāju, piemēram, jonu šķidrumu, dziļo eitektisko šķīdinātāju, saudzīgu, netoksisku šķīdinātāju un ūdens, izmantošanu. Tādējādi sonoķīmija ne tikai uzlabo pašu (asimetrisko) organokatalītisko reakciju, bet arī veicina organokatalītisko reakciju ilgtspēju.

Pētījumos ir parādīti daudzi sonoķīmiski intensificētu organokatalītisko reakciju piemēri. Piemēram, divpavedienu DNS molekulas izmanto kā hirālu karkasu, lai veidotu metālu un biomakromolekulu hibrīdkatalizatorus asimetriskās sintēzes reakcijām. Katalizatori uz G-kvadrupleksa DNS bāzes ir izmantoti asimetriskās Maikla pievienošanās, Dīlsa–Aldera un Frīdela–Kraftsa reakcijās. (sk. Zhao and Shen, 2018)
Indija veicinātā reakcijā apstrādei ar ultraskaņu ir labvēlīga ietekme, jo sonoķīmiski virzītā reakcija noris maigākos apstākļos, tādējādi saglabājot augstu diastereoselektivitāti. Izmantojot sonoķīmisko pieeju, tika sasniegti labi rezultāti β-laktāma ogļhidrātu, β-aminoskābes un spirodiketopiperazīnu organokatalītiskajā sintēzē no cukuru laktoniem, kā arī oksīmu ēteru alilēšanas un Reformatska reakcijās.

Ar ultraskaņu veicināta organokatalītiskā zāļu sintēze

Rogozińska-Szymczak un Mlynarski (2014) apraksta 4-hidroksikumarīna asimetrisko Maikla pievienošanos α,β-nepiesātinātiem ketoniem uz ūdens virsmas bez organiskiem līdzšķīdinātājiem – šo reakciju katalizē organiskie primārie amīni un apstrāde ar ultraskaņu. Enantiomēriski tīra (S,S)-difeniletilēndiamīna izmantošana ar ultraskaņu paātrinātās reakcijās ļauj iegūt virkni nozīmīgu farmaceitiski aktīvu savienojumu ar labu līdz izcilu iznākumu (73–98%) un labu enantioselektivitāti (līdz 76% ee). Pētnieki piedāvā efektīvu sonoķīmisku protokolu antikoagulanta varfarīna iegūšanai abās enantiomērajās formās, izmantojot pieeju ‘cietvielas uz ūdens virsmas’. Šī videi draudzīgā organokatalītiskā reakcija ir ne tikai mērogojama, bet arī ļauj iegūt mērķa zāļu molekulu enantiomēriski tīrā formā.

Terpēnu sonoķīmiskā epoksidēšana

Charbonneau et al. (2018) demonstrēja veiksmīgu terpēnu epoksidēšanu, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu. Tradicionālai epoksidēšanai ir nepieciešams katalizators, savukārt apstrāde ar ultraskaņu ļauj epoksidēšanas reakcijai noritēt bez katalizatora.
Limonēna dioksīds ir būtiska starpprodukta molekula biobāzētu polikarbonātu vai neizocianātu poliuretānu izstrādē. Apstrāde ar ultraskaņu ļauj epoksidēt terpēnus bez katalizatora ļoti īsā reakcijas laikā – vienlaikus nodrošinot ļoti labus iznākumus. Lai demonstrētu ultraskaņas epoksidēšanas efektivitāti, pētnieku grupa salīdzināja limonēna epoksidēšanu par limonēna dioksīdu gan tradicionālas maisīšanas apstākļos, gan apstrādājot ar ultraskaņu, kā oksidētāju izmantojot in situ ģenerētu dimetildioksirānu. Visos apstrādes ar ultraskaņu izmēģinājumos Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorijas ultraskaņas ierīce tika izmantota.

Laiks, kas bija nepieciešams limonēna pilnīgai pārvēršanai par limonēna dioksīdu ar 100% iznākumu, apstrādājot ar ultraskaņu istabas temperatūrā, bija tikai 4,5 min. Salīdzinājumam, izmantojot tradicionālu maisīšanu ar magnētisko maisītāju, laiks, kas bija nepieciešams, lai sasniegtu 97% limonēna dioksīda iznākumu, bija 1,5 h. Izmantojot abas maisīšanas metodes, tika pētīta arī α-pinēna epoksidēšana. α-pinēna epoksidēšanai par α-pinēna oksīdu, apstrādājot ar ultraskaņu, bija nepieciešamas tikai 4 min, un iegūtais iznākums bija 100%, savukārt ar tradicionālo metodi reakcijas laiks bija 60 min. No citiem terpēniem β-pinēns tika pārvērsts par β-pinēna oksīdu tikai 4 min laikā, savukārt no farnezola 8 min laikā tika iegūts triepoksīds ar 100% iznākumu. Karveols, limonēna atvasinājums, tika pārvērsts par karveola dioksīdu ar 98% iznākumu. Karvona epoksidēšanas reakcijā, izmantojot dimetildioksirānu, 5 min laikā tika sasniegta 100% konversija, iegūstot 7,8-karvona oksīdu.
Galvenās terpēnu sonoķīmiskās epoksidēšanas priekšrocības ir oksidētāja videi draudzīgais raksturs (zaļā ķīmija), kā arī ievērojami saīsinātais reakcijas laiks, veicot šo oksidēšanu ar ultraskaņas maisīšanu. Šī epoksidēšanas metode ļāva sasniegt 100% limonēna konversiju ar 100% limonēna dioksīda iznākumu tikai 4,5 min laikā salīdzinājumā ar 90 min, izmantojot tradicionālu maisīšanu. Turklāt reakcijas vidē netika konstatēti tādi limonēna oksidēšanas produkti kā karvons, karveols un perililspirts. α-pinēna epoksidēšanai ultraskaņas iedarbībā bija nepieciešamas tikai 4 min, iegūstot α-pinēna oksīdu ar 100% iznākumu bez gredzena oksidēšanas. Tika oksidēti arī citi terpēni, piemēram, β-pinēns, farnezols un karveols, iegūstot ļoti augstus epoksīdu iznākumus.

Sonoķīmiskie efekti

Kā alternatīva klasiskajām metodēm ir izmantoti uz sonoķīmiju balstīti protokoli, lai palielinātu visdažādāko reakciju ātrumu, iegūstot produktus maigākos apstākļos un ievērojami saīsinot reakciju laiku. Šīs metodes ir raksturotas kā videi draudzīgākas un ilgtspējīgākas, un tās ir saistītas ar augstāku selektivitāti un mazāku enerģijas patēriņu vēlamo pārvērtību veikšanai. Šādu metožu mehānisma pamatā ir akustiskās kavitācijas parādība, kas, burbuļiem veidojoties, augot un adiabātiski sabrūkot šķidrā vidē, rada unikālus spiediena un temperatūras apstākļus. Šī iedarbība uzlabo masas pārnesi un pastiprina turbulento plūsmu šķidrumā, veicinot ķīmiskās pārvērtības. Mūsu pētījumos ultraskaņas izmantošana ir ļāvusi iegūt savienojumus īsākā reakcijas laikā ar augstu iznākumu un tīrību. Šādas īpašības ir palielinājušas farmakoloģiskajos modeļos izvērtēto savienojumu skaitu, palīdzot paātrināt sākotnēji aktīvo savienojumu optimizēšanu līdz līdersavienojumiem.
Šāda liela enerģijas daudzuma pievadīšana var ne tikai pastiprināt mehānisko iedarbību heterogēnos procesos, bet ir arī zināms, ka tā izraisa jaunus reaģētspējas veidus, kas noved pie negaidītu ķīmisko sugu veidošanās. Sonoķīmiju padara unikālu ievērojamā kavitācijas parādība, kas mik burbuļa vides lokāli ierobežotajā telpā rada ārkārtējus efektus mainīgu augsta spiediena / zema spiediena ciklu, ļoti lielu temperatūras starpību, lielu bīdes spēku un šķidruma plūsmas dēļ.

Sonoķīmiski veicinātu organokatalītisku reakciju priekšrocības

Apstrādi ar ultraskaņu arvien vairāk izmanto organiskajā sintēzē un katalīzē, jo sonoķīmiskā iedarbība būtiski intensificē ķīmiskās reakcijas. Jo īpaši salīdzinājumā ar tradicionālajām metodēm (piemēram, karsēšanu, maisīšanu) sonoķīmija ir efektīvāka, ērtāka un precīzi kontrolējama. Apstrāde ar ultraskaņu un sonoķīmija piedāvā vairākas būtiskas priekšrocības, piemēram, augstāku iznākumu, lielāku savienojumu tīrību un selektivitāti, īsāku reakcijas laiku, zemākas izmaksas, kā arī sonoķīmiskās procedūras veikšanas un pārvaldības vienkāršību. Šie labvēlīgie faktori padara ar ultraskaņu veicinātas ķīmiskās reakcijas ne tikai efektīvākas un drošākas, bet arī videi draudzīgākas.
Ir pierādīts, ka daudzas organiskās reakcijas nodrošina augstāku iznākumu īsākā reakcijas laikā un / vai maigākos apstākļos, ja tās veic, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu.

Apstrāde ar ultraskaņu ļauj veikt vienkāršas reakcijas vienā traukā

Apstrāde ar ultraskaņu ļauj ierosināt daudzkomponentu reakcijas vienā traukā, nodrošinot strukturāli daudzveidīgu savienojumu sintēzi. Šādas reakcijas vienā traukā tiek augstu vērtētas to augstās kopējās efektivitātes un vienkāršības dēļ, jo nav nepieciešama starpproduktu izdalīšana un attīrīšana.

Ultraskaņas viļņu iedarbība uz asimetriskām organokatalītiskām reakcijām ir veiksmīgi izmantota dažādu veidu reakcijās, tostarp fāžu pārneses katalīzē, Heka reakcijās, hidrogenēšanā, Maniha reakcijās, Barbjē un Barbjē tipa reakcijās, Dīlsa–Aldera reakcijās, Suzuki savienošanas reakcijā un Maikla pievienošanās reakcijā.

Atrodiet ideālo ultraskaņas ierīci savai organokatalītiskajai reakcijai!

Hielscher Ultrasonics ir jūsu uzticamais partneris augstas veiktspējas un augstas kvalitātes ultraskaņas iekārtu jomā. Hielscher projektē, ražo un izplata mūsdienīgas ultraskaņas zondes, reaktorus un kausveida sonotrodes sonoķīmiskiem lietojumiem. Visas iekārtas tiek ražotas mūsu galvenajā mītnē Teltovā (netālu no Berlīnes), Vācijā, saskaņā ar ISO sertificētām procedūrām un ar vācu precizitāti, nodrošinot izcilu kvalitāti.
Hielscher ultraskaņas iekārtu klāsts aptver gan kompaktas laboratorijas ultraskaņas iekārtas, gan pilnībā rūpnieciskus ultraskaņas reaktorus ķīmisko vielu ražošanai lielā mērogā. Zondes (pazīstamas arī kā sonotrodes, ultraskaņas viļņvadi vai uzgaļi), amplitūdas pastiprinātāji un reaktori ir viegli pieejami daudzos izmēros un ar dažādu ģeometriju. Var izgatavot arī jūsu prasībām pielāgotas versijas.
Tā kā Hielscher Ultrasonics ultraskaņas procesori ir pieejami jebkurā izmērā – no mazām laboratorijas ierīcēm līdz lieliem rūpnieciskiem procesoriem periodiskās un plūsmas ķīmijas lietojumiem –, augstas veiktspējas apstrādi ar ultraskaņu var viegli ieviest jebkurā reakcijas iekārtu konfigurācijā. Precīza ultraskaņas amplitūdas – vissvarīgākā parametra sonoķīmiskajos lietojumos – regulēšana ļauj darbināt Hielscher ultraskaņas iekārtas ar zemu līdz ļoti augstu amplitūdu un precīzi pielāgot amplitūdu konkrētās ķīmiskās reakcijas sistēmas nepieciešamajiem ultraskaņas procesa apstākļiem.
Hielscher ultraskaņas ģenerators ir aprīkots ar viedu programmatūru, kas automātiski reģistrē datus. Visi svarīgie apstrādes parametri, piemēram, ultraskaņas enerģija, temperatūra, spiediens un laiks, tiek automātiski saglabāti iebūvētā SD kartē, tiklīdz ierīce tiek ieslēgta.
Procesa uzraudzība un datu reģistrēšana ir svarīga pastāvīgai procesa standartizācijai un produktu kvalitātei. Piekļūstot automātiski reģistrētajiem procesa datiem, varat pārskatīt iepriekšējos apstrādes ar ultraskaņu ciklus un novērtēt rezultātu.
Vēl viena lietotājam draudzīga funkcija ir mūsu digitālo ultraskaņas sistēmu tālvadība pārlūkprogrammā. Izmantojot tālvadību pārlūkprogrammā, varat no jebkuras vietas attālināti iedarbināt, apturēt, regulēt un uzraudzīt savu ultraskaņas procesoru.
Sazinieties ar mums jau tagad, lai uzzinātu vairāk par to, kā mūsu augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatori var uzlabot jūsu organokatalītiskās sintēzes reakciju!

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: