In de organische scheikunde is organokatalyse een vorm van katalyse waarbij de snelheid van een chemische reactie wordt verhoogd door een organische katalysator. Deze “organokatalysator” bestaat uit koolstof, waterstof, zwavel en andere niet-metaalelementen die in organische verbindingen voorkomen. De toepassing van ultrasoon geluid met hoog vermogen op chemische systemen staat bekend als sonochemie en is een gevestigde techniek om het rendement te verhogen, de reactiesnelheid te verbeteren en de reactiesnelheid te versnellen. Onder sonicatie wordt het vaak mogelijk om chemische routes om te schakelen waarbij ongewenste bijproducten worden vermeden. Sonochemie kan organokatalytische reacties bevorderen waardoor deze efficiënter en milieuvriendelijker worden.

Asymmetrische Organokatalyse – Verbeterd door Sonication

Sonochemie, de toepassing van krachtig ultrageluid in chemische systemen, kan organokatalytische reacties aanzienlijk verbeteren. Asymmetrische organokatalyse in combinatie met ultrasoonbehandeling maakt het vaak mogelijk om organokatalyse om te zetten naar een milieuvriendelijker route, waardoor het onder de terminologie van groene chemie valt. Sonificatie versnelt de (asymmetrische) organokatalytische reactie en leidt tot hogere opbrengsten, snellere omzettingspercentages, gemakkelijkere productisolatie/zuivering, en verbeterde selectiviteit en reactiviteit. Naast de bijdrage aan de verbetering van de reactiekinetiek en -opbrengst, kan ultrasoonbehandeling vaak worden gecombineerd met duurzame reactie-oplosmiddelen, zoals ionische vloeistoffen, diepe eutectische oplosmiddelen, milde, niet-toxische oplosmiddelen en water. Daarbij verbetert de sonochemie niet alleen de (asymmetrische) organokatalytische reactie zelf, maar bevordert zij ook de duurzaamheid van organokatalytische reacties.

Onderzoek heeft tal van voorbeelden opgeleverd voor sonochemisch versterkte oragnokatalytische reacties. Zo worden dubbelstrengs DNA-moleculen als chirale scaffold gebruikt om metaal-biomacromolecule-hybride katalysatoren te assembleren voor asymmetrische synthesereacties. G-quadruplex DNA-gebaseerde katalysatoren zijn toegepast in asymmetrische Michael additie, Diels-Alder en Friedel-Crafts reacties. (cf. Zhao en Shen, 2018)
Voor inidium-gestuurde reactie vertoont sonicatie gunstige effecten aangezien de sonochemisch gestuurde reactie onder mildere omstandigheden verloopt, waardoor een hoge mate van diasteroselectie behouden blijft. Met de sonochemische route werden goede resultaten bereikt bij de organokatalytische synthese van β-lactamkoolhydraten, β-aminozuur en spirodiketopiperazines uit suikerlactonen, alsmede allylatie- en reformatsky-reacties op oxime-ethers.

Ultrasonisch gestimuleerde organokatalytische synthese van geneesmiddelen

Rogozińska-Szymczak en Mlynarski (2014) melden de asymmetrische Michael-additie van 4-hydroxycumarine aan α,β-onverzadigde ketonen op water zonder organische co-oplosmiddelen – gekatalyseerd door organische primaire aminen en sonicatie. De toepassing van enantiomerisch zuiver (S,S)-difenylethyleendiamine levert een reeks belangrijke farmaceutisch actieve verbindingen op in goede tot uitstekende opbrengsten (73-98%) en met goede enantioselectiviteiten (tot 76% ee) via reacties die door ultrageluid worden versneld. De onderzoekers presenteren een efficiënt sonochemisch protocol voor de 'vaste stof op water' vorming van het anticoagulans warfarine in beide enantiomere vormen. Deze milieuvriendelijke organokatalytische reactie is niet alleen schaalbaar, maar levert ook het doelmolecuul in enantiomerisch zuivere vorm op.

Sonochemische epoxidatie van terpenen

Charbonneau et al. (2018) demostreerden de succesvolle epoxidatie van terpenen onder sonicatie. De conventionele epoxidatie vereist het gebruik van een katalysator, maar met sonicatie verloopt de epoxidatie als katalysatorloze reactie.
Limoneendioxide is een belangrijk intermediair molecuul voor de ontwikkeling van biogebaseerde polycarbonaten of niet-isocyanaat polyurethanen. Sonificatie maakt de katalysatorvrije epoxidatie van terpenen mogelijk binnen een zeer korte reactietijd – met een zeer goed rendement. Om de effecten van ultrasone epoxidatie aan te tonen, vergeleek het onderzoeksteam de epoxidatie van limoneen tot limoneendioxide met in-situ-gegenereerd dimethyldioxiraan als oxidatiemiddel onder zowel conventionele agitatie als ultrasone toeren. Voor alle sonicatieproeven werd de Hielscher UP50H (50W, 30kHz) ultrasoon laboratoriumapparaat was gebruikt.

De tijd die nodig was om limoneen volledig om te zetten in limoneendioxide met 100% opbrengst onder sonicatie was slechts 4,5 min bij kamertemperatuur. Ter vergelijking: bij conventionele agitatie met een magneetroerder was 1,5 uur nodig om een opbrengst van 97% limoneendioxide te bereiken. De epoxidatie van α-pineen is ook bestudeerd met beide agitatietechnieken. Epoxidatie van α-pineen tot α-pineenoxide onder sonicatie vergde slechts 4 min met een verkregen opbrengst van 100%, terwijl in vergelijking met de conventionele methode de reactietijd 60 min bedroeg. Wat de andere terpenen betreft, werd β-pineen in slechts 4 min. omgezet in β-pineenoxide, terwijl farnesol in 8 min. 100% van de triepoxide opleverde. Carveol, een limoneenderivaat, werd omgezet in carveoldioxide met een opbrengst van 98%. Bij de epoxidatiereactie van carvon met dimethyldioxiraan bedroeg de omzetting 100% in 5 min. waarbij 7,8-carvonoxide werd geproduceerd.
De belangrijkste voordelen van de sonochemische terpeenexidatie zijn de milieuvriendelijkheid van het oxidatiemiddel (groene chemie) en de aanzienlijk verkorte reactietijd bij het uitvoeren van deze oxidatie onder ultrasone agitatie. Met deze epoxidatiemethode kon 100% conversie van limoneen worden bereikt met een opbrengst van 100% limoneendioxide in slechts 4,5 min. vergeleken met 90 min. wanneer traditionele agitatie wordt gebruikt. Bovendien werden er geen oxidatieproducten van limoneen, zoals carvon, carveol en perrilylalcohol, in het reactiemedium aangetroffen. De epoxidatie van α-pineen onder ultrageluid duurde slechts 4 minuten, waarbij 100% α-pineenoxide werd verkregen zonder oxidatie van de ring. Andere terpenen zoals β-pineen, farnesol en carveol zijn ook geoxideerd, wat tot zeer hoge epoxide-opbrengsten heeft geleid.

sonochemische effecten

Als alternatief voor klassieke methoden zijn op sonochemie gebaseerde protocollen gebruikt om de snelheid van een grote verscheidenheid van reacties te verhogen, wat resulteert in producten die onder mildere omstandigheden worden gegenereerd met een aanzienlijke verkorting van de reactietijd. Deze methoden zijn beschreven als milieuvriendelijker en duurzamer en worden geassocieerd met een grotere selectiviteit en een lager energieverbruik voor de gewenste omzettingen. Het mechanisme van dergelijke methoden is gebaseerd op het verschijnsel van akoestische cavitatie, dat unieke druk- en temperatuuromstandigheden induceert door de vorming, groei en adiabatische ineenstorting van bellen in het vloeibare medium. Dit effect verbetert de massaoverdracht en verhoogt de turbulente stroming in de vloeistof, waardoor de chemische transformaties worden vergemakkelijkt. In onze studies heeft het gebruik van ultrageluid geleid tot de productie van verbindingen in kortere reactietijden met een hoge opbrengst en zuiverheid. Dergelijke eigenschappen hebben het aantal verbindingen doen toenemen dat in farmacologische modellen wordt geëvalueerd, wat bijdraagt tot een versnelling van het optimalisatieproces van hit tot lead.
Niet alleen kan deze hoge-energie-input mechanische effecten in heterogene processen versterken, maar het is ook bekend dat het nieuwe reactiviteiten induceert die leiden tot de vorming van onverwachte chemische species. Wat sonochemie uniek maakt is het opmerkelijke fenomeen van cavitatie, dat in een plaatselijk begrensde ruimte van de microbubbelomgeving buitengewone effecten genereert als gevolg van wisselende hoge-druk/lage-druk cycli, zeer hoge temperatuursverschillen, hoge afschuifkrachten en vloeistofstroming.

De voordelen van sonochemisch gestimuleerde organokatalytische reacties

Sonificatie wordt steeds meer gebruikt bij organische synthese en katalyse omdat sonochemische effecten een aanzienlijke intensivering van chemische reacties teweegbrengen. Vooral in vergelijking met traditionele methoden (b.v. verhitten, roeren) is sonochemie efficiënter, handiger en nauwkeuriger controleerbaar. Sonificatie en sonochemie bieden verscheidene belangrijke voordelen zoals hogere opbrengsten, grotere zuiverheid van de verbindingen en selectiviteit, kortere reactietijden, lagere kosten, alsmede de eenvoud van bediening en hantering van de sonochemische procedure. Deze gunstige factoren maken de ultrasonisch ondersteunde chemische reacties niet alleen efficiënter en zuiniger, maar ook milieuvriendelijker.
Van tal van organische reacties is aangetoond dat zij een hoger rendement opleveren bij een kortere reactietijd en/of onder mildere omstandigheden wanneer zij met sonicatie worden uitgevoerd.

Ultrasoonbehandeling maakt eenvoudige éénpotreacties mogelijk

Sonicatie maakt het mogelijk multicomponentreacties te initiëren als éénpotsreacties die de synthese van structureel diverse verbindingen mogelijk maken. Dergelijke éénpotreacties worden gewaardeerd om hun hoge algemene efficiëntie en hun eenvoud, aangezien isolatie en zuivering van tussenproducten niet nodig is.

De effecten van ultrasone golven op asymmetrische organokatalytische reacties zijn met succes toegepast in verschillende reactietypes, waaronder fase-overdrachtskatalyses, Heck-reacties, hydrogenering, Mannich-reacties, Barbier- en Barbier-achtige reacties, Diels-Alder-reacties, Suzuki koppelingsreactie en Micheal-additie.

Vind de ideale ultrasoonmachine voor uw organokatalytische reactie!

Hielscher Ultrasonics is uw vertrouwde partner als het gaat om hoogwaardige ultrasoonapparatuur van hoge kwaliteit. Hielscher ontwerpt, fabriceert en distribueert ultramoderne ultrasone sondes, reactoren en koperen koppen voor sonochemische toepassingen. Alle apparatuur wordt vervaardigd onder ISO-gecertificeerde procedures en met Duitse precisie voor superieure kwaliteit in ons hoofdkantoor in Teltow (bij Berlijn), Duitsland.
Het Hielscher ultrasoonapparatuurassortiment varieert van compacte ultrasoonapparatuur voor laboratoria tot volledig industriële ultrasoonreactoren voor grootschalige chemische productie. Sondes (ook bekend als sonotrodes, ultrasone hoorns of tips), booster hoorns, en reactoren zijn direct beschikbaar in tal van maten en geometrieën. De aangepaste versies kunnen voor uw vereisten, ook worden vervaardigd.
Sinds Hielscher Ultrasonics’ ultrasone processoren zijn verkrijgbaar in alle maten, van kleine laboratoriumapparaten tot grote industriële processoren voor batch- en flowchemietoepassingen, ultrasone sonificatie kan gemakkelijk in elke reactieopstelling worden geïmplementeerd. Nauwkeurige instelling van de ultrasone amplitude – de belangrijkste parameter voor sonochemische toepassingen – maakt het mogelijk Hielscher ultrasooninstallaties te gebruiken bij lage tot zeer hoge amplitudes en de amplitude precies af te stemmen op de vereiste ultrasone procesomstandigheden van het specifieke chemische reactiesysteem.
Hielscher's ultrasoongenerator is voorzien van een slimme software met automatische dataprotocollering. Alle belangrijke verwerkingsparameters zoals ultrasoon energie, temperatuur, druk en tijd worden automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart zodra het apparaat wordt ingeschakeld.
Procesbewaking en gegevensregistratie zijn belangrijk voor continue processtandaardisatie en productkwaliteit. Door toegang te krijgen tot de automatisch geregistreerde procesgegevens, kunt u eerdere sonicatieruns herzien en het resultaat evalueren.
Een andere gebruiksvriendelijke functie is de browser-afstandsbediening van onze digitale ultrasoon systemen. Via browserbesturing op afstand kunt u uw ultrasoonprocessor overal vandaan starten, stoppen, instellen en controleren.
Neem nu contact met ons op om meer te weten te komen over onze ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties die uw oragnocatalytische synthesereactie kunnen verbeteren!

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: