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 die in organische verbindingen voorkomen. De toepassing van ultrageluid met hoog vermogen op chemische systemen staat bekend als sonochemie en is een gevestigde techniek om opbrengsten te verhogen, reactiesnelheden te verbeteren en reacties te versnellen. Met sonicatie is het vaak mogelijk om andere chemische reactieroutes te volgen en zo ongewenste bijproducten te vermijden. Sonochemie kan organokatalytische reacties bevorderen, waardoor ze efficiënter en milieuvriendelijker worden.

Asymmetrische organokatalyse – verbeterd door sonicatie

Sonochemie, de toepassing van ultrageluid met hoge prestaties in chemische systemen, kan organokatalytische reacties aanzienlijk verbeteren. Asymmetrische organokatalyse in combinatie met ultrasone behandeling maakt het vaak mogelijk om organokatalyse om te vormen tot een milieuvriendelijkere reactieroute, die daarmee onder de noemer groene chemie valt. Sonicatie versnelt (asymmetrische) organokatalytische reacties en leidt tot hogere opbrengsten, snellere omzetting, eenvoudigere productisolatie en -zuivering en een verbeterde selectiviteit en reactiviteit. Ultrasone behandeling draagt bij aan de verbetering van de reactiekinetiek en de opbrengst en kan bovendien vaak worden gecombineerd met duurzame reactieoplosmiddelen, zoals ionische vloeistoffen, diep-eutectische oplosmiddelen, milde, niet-toxische oplosmiddelen en water. Daarmee verbetert sonochemie niet alleen de (asymmetrische) organokatalytische reactie zelf, maar draagt ze ook bij aan de duurzaamheid van organokatalytische reacties.

Onderzoek heeft talrijke voorbeelden aangetoond van sonochemisch geïntensiveerde organokatalytische reacties. Zo worden dubbelstrengs DNA-moleculen als chiraal raamwerk gebruikt om hybride katalysatoren van metalen en biomacromoleculen samen te stellen voor asymmetrische synthesereacties. Katalysatoren op basis van G-quadruplex-DNA zijn toegepast bij asymmetrische Michael-additie, Diels-Alder-reacties en Friedel-Crafts-reacties. (vgl. Zhao en Shen, 2018)
Bij door inidium bevorderde reacties heeft sonicatie gunstige effecten, omdat de sonochemisch aangedreven reactie onder mildere omstandigheden verloopt, waarbij een hoge diastereoselectiviteit behouden blijft. Via de sonochemische route werden goede resultaten behaald bij de organokatalytische synthese van β-lactamkoolhydraten, β-aminozuur en spirodiketopiperazines uit suikerlactonen, evenals bij allylering en Reformatsky-reacties van oxime-ethers.

Ultrasoon bevorderde organokatalytische geneesmiddelsynthese

Rogozińska-Szymczak en Mlynarski (2014) beschrijven de asymmetrische Michael-additie van 4-hydroxycoumarine aan α,β-onverzadigde ketonen op water zonder organische co-oplosmiddelen – gekatalyseerd door organische primaire aminen en sonicatie. De toepassing van enantiomeerzuiver (S,S)-difenylethyleendiamine levert via door ultrageluid versnelde reacties een reeks belangrijke farmaceutisch actieve verbindingen op met goede tot uitstekende opbrengsten (73–98%) en een goede enantioselectiviteit (tot 76% ee). De onderzoekers presenteren een efficiënt sonochemisch protocol voor de vorming van het antistollingsmiddel warfarine in beide enantiomere vormen, met vaste stoffen op water. Deze milieuvriendelijke organokatalytische reactie is niet alleen schaalbaar, maar levert het beoogde geneesmiddelmolecuul ook in enantiomeerzuivere vorm op.

Sonochemische epoxidatie van terpenen

Charbonneau et al. (2018) toonden de succesvolle epoxidatie van terpenen met sonicatie aan. Conventionele epoxidatie vereist het gebruik van een katalysator, maar met sonicatie verloopt de epoxidatie als een katalysatorvrije reactie.
Limoneendioxide is een belangrijk intermediair molecuul voor de ontwikkeling van biogebaseerde polycarbonaten of isocyanaatvrije polyurethanen. Sonicatie maakt katalysatorvrije epoxidatie van terpenen binnen een zeer korte reactietijd mogelijk – met tegelijkertijd zeer goede opbrengsten. Om de doeltreffendheid van ultrasone epoxidatie aan te tonen, vergeleek het onderzoeksteam de epoxidatie van limoneen tot limoneendioxide met in situ gegenereerd dimethyldioxiraan als oxidatiemiddel bij zowel conventioneel roeren als ultrasone behandeling. Voor alle sonicatieproeven werd de Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratoriumsonicator gebruikt.

De tijd die nodig was om limoneen met sonicatie volledig om te zetten in limoneendioxide met een opbrengst van 100% bedroeg slechts 4,5 min bij kamertemperatuur. Ter vergelijking: bij conventioneel roeren met een magneetroerder was 1,5 h nodig om een opbrengst van 97% limoneendioxide te bereiken. De epoxidatie van α-pineen is eveneens met beide roertechnieken onderzocht. De epoxidatie van α-pineen tot α-pineenoxide met sonicatie vergde slechts 4 min en leverde een opbrengst van 100% op, terwijl de reactietijd bij de conventionele methode ter vergelijking 60 min bedroeg. Wat andere terpenen betreft, werd β-pineen in slechts 4 min omgezet in β-pineenoxide, terwijl farnesol in 8 min een opbrengst van 100% tri-epoxide 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 gevormd.
De belangrijkste voordelen van sonochemische epoxidatie van terpenen zijn het milieuvriendelijke karakter van het oxidatiemiddel (groene chemie) en de aanzienlijk kortere reactietijd wanneer deze oxidatie onder ultrasoon roeren wordt uitgevoerd. Met deze epoxidatiemethode werd een omzetting van 100% limoneen bereikt met een opbrengst van 100% limoneendioxide in slechts 4,5 min, tegenover 90 min bij traditioneel roeren. Bovendien werden in het reactiemedium geen oxidatieproducten van limoneen aangetroffen, zoals carvon, carveol en perrilyl-alcohol. De epoxidatie van α-pineen met ultrageluid vergde slechts 4 min en leverde 100% α-pineenoxide op zonder oxidatie van de ring. Ook andere terpenen, zoals β-pineen, farnesol en carveol, zijn geoxideerd, wat tot zeer hoge epoxideopbrengsten leidde.

Sonochemische effecten

Als alternatief voor klassieke methoden zijn sonochemische protocollen gebruikt om de snelheid van een grote verscheidenheid aan reacties te verhogen, waardoor producten onder mildere omstandigheden worden gevormd met een aanzienlijke verkorting van de reactietijden. Deze methoden zijn beschreven als milieuvriendelijker en duurzamer en worden in verband gebracht met een hogere selectiviteit en een lager energieverbruik voor de gewenste omzettingen. Het mechanisme van dergelijke methoden is gebaseerd op het verschijnsel akoestische cavitatie, dat door de vorming, groei en adiabatische implosie van bellen in het vloeibare medium unieke druk- en temperatuuromstandigheden veroorzaakt. Dit effect verbetert de massaoverdracht en versterkt de turbulente stroming in de vloeistof, waardoor chemische omzettingen worden bevorderd. In onze onderzoeken heeft het gebruik van ultrageluid geleid tot de productie van verbindingen in kortere reactietijden, met hoge opbrengsten en een hoge zuiverheid. Door deze kenmerken is het aantal verbindingen dat in farmacologische modellen wordt geëvalueerd toegenomen, wat bijdraagt aan de versnelling van het optimalisatieproces van hit naar lead.
Deze hoge energietoevoer kan niet alleen mechanische effecten in heterogene processen versterken, maar staat er ook om bekend nieuwe reactiviteit te veroorzaken die leidt tot de vorming van onverwachte chemische species. Wat sonochemie uniek maakt, is het opmerkelijke verschijnsel cavitatie, dat binnen een plaatselijk begrensde ruimte in de omgeving van microbellen buitengewone effecten veroorzaakt door afwisselende hogedruk- en lagedrukcycli, zeer grote temperatuurverschillen, hoge afschuifkrachten en vloeistofstroming.

De voordelen van sonochemisch bevorderde organokatalytische reacties

Sonicatie wordt steeds vaker gebruikt bij organische synthese en katalyse, omdat sonochemische effecten chemische reacties aanzienlijk intensiveren. Vooral in vergelijking met traditionele methoden (bijv. verwarmen en roeren) is sonochemie efficiënter, gemakkelijker en nauwkeurig regelbaar. Sonicatie en sonochemie bieden verschillende belangrijke voordelen, zoals hogere opbrengsten, een hogere zuiverheid van de verbindingen en een hogere selectiviteit, kortere reactietijden, lagere kosten en een eenvoudige uitvoering en hantering van de sonochemische procedure. Deze gunstige factoren maken ultrasoon ondersteunde chemische reacties niet alleen doeltreffender en veiliger, maar ook milieuvriendelijker.
Van talrijke organische reacties is aangetoond dat ze hogere opbrengsten opleveren in een kortere reactietijd en/of onder mildere omstandigheden wanneer ze met sonicatie worden uitgevoerd.

Ultrasone behandeling maakt eenvoudige eenpotsreacties mogelijk

Sonicatie maakt het mogelijk om multicomponentreacties te initiëren als eenpotsreacties waarmee structureel uiteenlopende verbindingen kunnen worden gesynthetiseerd. Dergelijke eenpotsreacties worden gewaardeerd om hun hoge totale efficiëntie en hun eenvoud, omdat isolatie en zuivering van tussenproducten niet nodig zijn.

De effecten van ultrasone golven op asymmetrische organokatalytische reacties zijn succesvol toegepast bij verschillende reactietypen, waaronder fasetransferkatalyse, Heck-reacties, hydrogenering, Mannich-reacties, Barbier-reacties en vergelijkbare reacties, Diels-Alder-reacties, Suzuki-koppeling en Michael-additie.

Vind de ideale sonicator voor uw organokatalytische reactie!

Hielscher Ultrasonics is uw betrouwbare partner voor hoogwaardige ultrasone apparatuur met hoge prestaties. Hielscher ontwerpt, produceert en distribueert geavanceerde ultrasone sondes, reactoren en cup-horns voor sonochemische toepassingen. Alle apparatuur wordt volgens ISO-gecertificeerde procedures en met Duitse precisie vervaardigd voor superieure kwaliteit in ons hoofdkantoor in Teltow (nabij Berlijn), Duitsland.
Het assortiment sonicators van Hielscher loopt uiteen van compacte laboratoriumsonicators tot volledig industriële ultrasone reactoren voor grootschalige chemische productie. Sondes (ook bekend als sonotroden, ultrasone hoorns of tips), boosterhoorns en reactoren zijn direct verkrijgbaar in talrijke afmetingen en geometrieën. Ook kunnen uitvoeringen op maat voor uw eisen worden vervaardigd.
Omdat de ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics in elk formaat beschikbaar zijn, van kleine laboratoriumapparaten tot grote industriële processoren voor toepassingen in batchchemie en doorstroomchemie, kan sonicatie met hoge prestaties eenvoudig in elke reactieopstelling worden geïntegreerd. Nauwkeurige instelling van de ultrasone amplitude – de belangrijkste parameter voor sonochemische toepassingen – maakt het mogelijk om sonicators van Hielscher bij lage tot zeer hoge amplitudes te gebruiken en de amplitude exact af te stemmen op de vereiste ultrasone procesomstandigheden van het specifieke chemische reactiesysteem.
De ultrasone generator van Hielscher beschikt over slimme software met automatische gegevensregistratie. 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 voortdurende processtandaardisatie en productkwaliteit. Door de automatisch geregistreerde procesgegevens te raadplegen, kunt u eerdere sonicatiebehandelingen opnieuw bekijken en het resultaat beoordelen.
Een andere gebruiksvriendelijke functie is de afstandsbediening via een browser van onze digitale ultrasone systemen. Via afstandsbediening met een browser kunt u uw ultrasone processor overal op afstand starten, stoppen, instellen en bewaken.
Neem nu contact met ons op om meer te weten te komen over hoe onze ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties uw organokatalytische synthesereactie kunnen verbeteren!

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators: