Organokatalytische reacties bevorderd door Sonicatie

In de organische chemie 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-metalen elementen die voorkomen in organische verbindingen. De toepassing van ultrageluid met een hoog vermogen op chemische systemen staat bekend als sonochemie en is een gevestigde techniek om de opbrengst te verhogen, de reactiesnelheid te verbeteren en de reactiesnelheid te versnellen. Bij sonochemie wordt het vaak mogelijk om chemische routes om te schakelen waarbij ongewenste bijproducten worden vermeden. Sonochemie kan organokatalytische reacties bevorderen waardoor ze efficiënter en milieuvriendelijker worden.

Asymmetrische organokatalyse – Verbeterd door Sonicatie

Sonochemie, de toepassing van krachtig ultrageluid in chemische systemen, kan organokatalytische reacties aanzienlijk verbeteren. Asymmetrische organokatalyse in combinatie met ultrasoon geluid maakt het vaak mogelijk om organokatalyse te transformeren naar een milieuvriendelijkere route, waardoor het onder de noemer groene chemie valt. Sonificatie versnelt (asymmetrische) organokatalytische reacties en leidt tot hogere opbrengsten, snellere omzettingssnelheden, eenvoudigere productisolatie/zuivering en verbeterde selectiviteit en reactiviteit. Behalve dat ultrasoonbehandeling bijdraagt aan de verbetering van de reactiekinetiek en -opbrengst, kan het vaak worden gecombineerd met duurzame reactieoplosmiddelen, zoals ionische vloeistoffen, diepe eutectische oplosmiddelen, milde, niet-giftige oplosmiddelen en water. Hierdoor verbetert sonochemie niet alleen de (asymmetrische) organokatalytische reactie zelf, maar draagt ook bij aan de duurzaamheid van organokatalytische reacties.

Onderzoek heeft tal van voorbeelden aangetoond van sonochemisch versterkte oragnokatalytische reacties. Zo worden dubbelstrengs DNA-moleculen als chiraal schavot gebruikt om hybride katalysatoren van metaal-biomacromoleculen samen te stellen voor asymmetrische synthesereacties. G-quadruplex DNA-gebaseerde katalysatoren zijn toegepast in asymmetrische Michael additie, Diels-Alder en Friedel-Crafts reacties. (vgl. Zhao en Shen, 2018)
Voor door inidium gestimuleerde reacties heeft sonicatie gunstige effecten, aangezien de sonochemisch gestuurde reactie onder mildere omstandigheden verloopt, waardoor een hoge mate van diasteroselectie behouden blijft. Met behulp van de sonochemische route werden goede resultaten bereikt voor de organokatalytische synthese van β-lactam koolhydraten, β-aminozuur en spirodiketopiperazines uit suikerlactonen en allylatie- en reformatskyreacties op oxime-ethers.

Ultrasoon bevorderde organokatalytische synthese van geneesmiddelen

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

Sonochemische epoxidatie van terpenen

Charbonneau et al. (2018) demonstreerden de succesvolle epoxidatie van terpenen onder sonicatie. De conventionele epoxidatie vereist het gebruik van een katalysator, maar met sonicatie verloopt de epoxidatie als katalysatorvrije reactie.
Limoneendioxide is een belangrijke tussenmolecule voor de ontwikkeling van biogebaseerde polycarbonaten of niet-isocyanaat polyurethanen. Sonicatie maakt epoxidatie van terpenen zonder katalysator mogelijk binnen een zeer korte reactietijd. – en tegelijkertijd zeer goede rendementen. Om de effectiviteit 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 trilling. Voor alle sonicatieproeven werd de Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorium ultrasoonapparaat werd 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: wanneer conventionele agitatie met een magneetroerder wordt gebruikt, was de benodigde tijd om een opbrengst van 97% limoneendioxide te bereiken 1,5 uur. De epoxidatie van α-pineen is ook bestudeerd met beide agitatietechnieken. Epoxidatie van α-pineen tot α-pineenoxide onder sonicatie vereiste slechts 4 minuten met een verkregen opbrengst van 100%, terwijl in vergelijking met de conventionele methode de reactietijd 60 minuten was. Wat andere terpenen betreft, werd β-pineen in slechts 4 minuten omgezet in β-pineenoxide, terwijl farnesol 100% van het triepoxide opleverde in 8 minuten. Carveol, een limoneenderivaat, werd omgezet in carveoldioxide met een opbrengst van 98%. In de epoxidatiereactie van carvon met dimethyldioxiraan was de conversie 100% in 5 minuten waarbij 7,8-carvonoxide werd geproduceerd.
De belangrijkste voordelen van de sonochemische terpeenepoxidatie zijn de milieuvriendelijke aard van het oxidatiemiddel (groene chemie) en de aanzienlijk kortere reactietijd bij het uitvoeren van deze oxidatie onder ultrasone agitatie. Met deze epoxidatiemethode kon 100% conversie van limoneen worden bereikt met een 100% opbrengst van limoneendioxide in slechts 4,5 minuten vergeleken met 90 minuten bij gebruik van traditionele agitatie. Bovendien werden er geen oxidatieproducten van limoneen, zoals carvon, carveol en perrilylalcohol, gevonden in het reactiemedium. De epoxidatie van α-pineen onder ultrasoon geluid duurde slechts 4 minuten en leverde 100% α-pineenoxide op zonder oxidatie van de ring. Andere terpenen zoals β-pineen, farnesol en carveol werden ook geoxideerd, wat leidde tot zeer hoge epoxideopbrengsten.

sonochemische effecten

Als alternatief voor klassieke methoden zijn op sonochemie gebaseerde protocollen gebruikt om de snelheid van een grote verscheidenheid aan reacties te verhogen, wat resulteert in producten die onder mildere omstandigheden worden gegenereerd met een aanzienlijke verkorting van de reactietijden. Deze methoden zijn beschreven als milieuvriendelijker en duurzamer en worden geassocieerd met een grotere selectiviteit en een lager energieverbruik voor de gewenste transformaties. Het mechanisme van dergelijke methoden is gebaseerd op het fenomeen van akoestische cavitatie, dat unieke druk- en temperatuuromstandigheden induceert door de vorming, groei en adiabatische instorting van bellen in het vloeibare medium. Dit effect verbetert de massaoverdracht en verhoogt de turbulente stroming in de vloeistof, wat de chemische transformaties vergemakkelijkt. In onze onderzoeken 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 dat wordt geëvalueerd in farmacologische modellen verhoogd, wat bijdraagt aan het versnellen van het optimalisatieproces van hit naar lead.
Deze hoogenergetische input kan niet alleen mechanische effecten in heterogene processen versterken, maar het is ook bekend dat het nieuwe reactiviteiten kan induceren die leiden tot de vorming van onverwachte chemische soorten. Wat sonochemie uniek maakt is het opmerkelijke fenomeen cavitatie, dat in een lokaal beperkte ruimte van de microbubbelomgeving buitengewone effecten genereert door afwisselend hoge-druk/lage-druk cycli, zeer hoge temperatuurverschillen, hoge schuifkrachten 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 laten zien. Vooral in vergelijking met traditionele methoden (zoals verwarmen en roeren) is sonochemie efficiënter, handiger en nauwkeurig controleerbaar. Sonificatie en sonochemie bieden verschillende grote voordelen, zoals een hogere opbrengst, een hogere zuiverheid van de verbindingen en selectiviteit, kortere reactietijden, lagere kosten en de eenvoud in het bedienen en hanteren van de sonochemische procedure. Deze gunstige factoren maken ultrasonisch ondersteunde chemische reacties niet alleen efficiënter en zuiniger, maar ook milieuvriendelijker.
Het is bewezen dat veel organische reacties een hogere opbrengst geven in een kortere reactietijd en/of onder mildere omstandigheden wanneer ze worden uitgevoerd met behulp van sonicatie.

Ultrasoon maakt eenvoudige eenpansreacties mogelijk

Sonificatie maakt het mogelijk om multicomponentreacties te initiëren als éénpotreacties die de synthese van structureel diverse verbindingen mogelijk maken. Dergelijke eenpotreacties worden gewaardeerd om hun hoge algehele efficiëntie en hun eenvoud omdat isolatie en zuivering van tussenproducten niet nodig is.

De effecten van ultrageluidsgolven op asymmetrische organokatalytische reacties zijn met succes toegepast in verschillende reactietypes, waaronder faseoverdrachtskatalysatoren, Heckreacties, hydrogenering, Mannichreacties, Barbier- en Barbier-achtige reacties, Diels-Alderreacties, Suzuki-koppelingsreactie en Micheal-additie.

Vind de ideale ultrasoonapparaat voor uw organokatalytische reactie!

Hielscher Ultrasonics is uw vertrouwde partner als het gaat om hoogwaardige ultrasoonapparatuur met hoge prestaties. Hielscher ontwerpt, produceert en distribueert ultramoderne ultrasone sondes, reactoren en cup-horns voor sonochemische toepassingen. Alle apparatuur wordt geproduceerd onder ISO-gecertificeerde procedures en met Duitse precisie voor superieure kwaliteit in ons hoofdkantoor in Teltow (vlakbij Berlijn), Duitsland.
Het assortiment Hielscher ultrasone apparaten varieert van compacte ultrasone apparaten voor laboratoria tot volledig industriële ultrasone reactoren voor grootschalige chemische productie. Sondes (ook bekend als sonotroden, ultrasoon hoorns of tips), booster hoorns en reactoren zijn direct leverbaar in talloze maten en geometrieën. Er kunnen ook aangepaste versies worden gemaakt voor uw vereisten.
Sinds Hielscher Ultrasonics’ Ultrasone processors zijn verkrijgbaar in elk formaat, van kleine laboratoriumapparaten tot grote industriële processors voor batch- en flowchemietoepassingen, waardoor krachtige sonificatie eenvoudig kan worden geïmplementeerd in elke reactieopstelling. Nauwkeurige instelling van de ultrasone amplitude – de belangrijkste parameter voor sonochemische toepassingen – maakt het mogelijk Hielscher ultrasone apparaten te gebruiken met lage tot zeer hoge amplitudes en de amplitude precies af te stemmen op de vereiste ultrasone procescondities van het specifieke chemische reactiesysteem.
Hielscher's ultrasoongenerator is voorzien van slimme software met automatische dataprotocollering. Alle belangrijke procesparameters zoals ultrasone 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 de automatisch geregistreerde procesgegevens te raadplegen, kunt u eerdere sonicatieruns herzien en het resultaat evalueren.
Een andere gebruiksvriendelijke functie is de browserafstandsbediening van onze digitale ultrasone systemen. Via browserbesturing op afstand kunt u uw ultrasone processor overal vandaan starten, stoppen, afstellen en controleren.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over hoe onze hoogwaardige ultrasone homogenisatoren uw oragnokatalytische synthesereactie kunnen verbeteren!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: