Organokatalytische reacties bevorderd door sonificatie

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.

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Ultrasonic probe for sonochemical initiation and acceleration of organocatalytic reaction with higher yields

Ultrasoonbehandeling bevordert organokatalytische reacties die resulteren in verbeterde omzettingssnelheden, hogere opbrengsten en selectiviteit.

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.

Ultrasonically promoted asymmetric Michael addition of 4-hydroxycoumarin to α,β-unsaturated ketones

Sonificatie bevordert de asymmetrische Michael-additie van 4-hydroxycumarine aan α,β-onverzadigde ketonen op water zonder organische co-oplosmiddelen.
Foto en studie: ©Rogozińska-Szymczak en Mlynarski; 2014.

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.

Terpene epoxidation is significantly faster and highly efficient when sonication is applied. Using ultrasound enables to runthe epoxidation reaction of terpenes as catalyst-free reaction.

Zeer efficiënte sonochemische epoxidatie van terpenen (bv. limoneendioxide, α-pineenoxide, β-pineenoxide, triepoxide enz.) met de ultrasoonapparaat UP50H
foto en studie: © Charbonneau et al., 2018

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.

Ultrasonically stirred reactor for sonochemical applications including organocatalysis, asymmetric reactions and many other.

Ultrasonisch geagiteerde reactor met de ultrasoonapparaat UP200St voor intensievere organokatalytische reacties.

sonochemische effecten

Acoustic cavitation as shown here at the Hielscher ultrasonicator UIP1500hdT is used to initiate and promote chemical reactions. Ultrasonic cavitation at Hielscher's UIP1500hdT (1500W) ultrasonicator for sonochemical reactions.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.

Voorbeelden van asymmetrische reacties waarbij organokatalysatoren betrokken zijn, zijn:

  • Asymmetrische Diels-Alder-reacties
  • Asymmetrische Michael-reacties
  • Asymmetrische Mannich-reacties
  • Shi epoxidatie
  • Organokatalytische transfer-hydrogenering

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Ultrasonic reactors can significantly improve organocatalytic reactions such as the Mannich reaction.

Ultrasoon inline systeem met UIP2000hdT (2000 W, 20 kHz) voor sonochemische reacties, b.v. voor verbeterde organokatalytische reacties

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!

Waarom Hielscher Ultrasonics?

  • hoge efficiëntie
  • State-of-the-art technologie
  • betrouwbaarheid & robuustheid
  • partij & in lijn
  • voor elk volume
  • intelligente software
  • slimme functies (b.v. gegevensprotocollering)
  • hoge gebruiksvriendelijkheid en comfort
  • CIP (clean-in-place)

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

batch Volume Stroomsnelheid Aanbevolen apparaten
1 tot 500 ml 10 tot 200 ml / min UP100H
10 tot 2000 ml 20 tot 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 tot 20L 0.2 tot 4L / min UIP2000hdT
10 tot 100L 2 tot 10 l / min UIP4000hdT
na 10 tot 100 l / min UIP16000
na grotere cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Vraag ons!

Vraag voor meer informatie

Gebruik het onderstaande formulier om aanvullende informatie aan te vragen over ultrasone processoren, toepassingen en prijs. Wij bespreken graag uw proces met u en bieden u een ultrasoon systeem aan dat aan uw eisen voldoet!









Let op onze Privacybeleid.


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.



Literatuur / Referenties

Feiten die de moeite waard zijn om te weten

Wat is Organokatalyse?

Organokatalyse is een vorm van katalyse waarbij de snelheid van een chemische reactie wordt verhoogd door het gebruik van een organische katalysator. Deze organokatalysator kan bestaan uit koolstof, waterstof, zwavel en andere niet-metaalelementen die in organische verbindingen voorkomen. Organokatalyse biedt verschillende voordelen. Aangezien voor organokatalytische reacties geen katalysatoren op basis van metalen nodig zijn, zijn ze milieuvriendelijker en dragen ze zo bij tot groene chemie. Organokatalysatoren kunnen vaak goedkoop en gemakkelijk worden geproduceerd, en maken groenere syntheseroutes mogelijk.

Asymmetrische Organokatalyse

Asymmetrische organokatalyse is de asymmetrische of enantioselectieve reactie, waarbij slechts een enantiomeer van de overgeleverde moleculen wordt verkregen. Enantiomeren zijn paren van stereoisomeren die chiraal zijn. Een chiraal molecuul is niet superponeerbaar op zijn spiegelbeeld, zodat het spiegelbeeld in feite een ander molecuul is. De productie van specifieke enantiomeren is bijvoorbeeld bijzonder belangrijk bij de productie van geneesmiddelen, waar vaak slechts één enantiomeer van een geneesmiddelmolecule een bepaald positief effect heeft, terwijl het andere enantiomeer geen effect heeft of zelfs schadelijk is.


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.