Sonochemisch verbeterde Diels-Alder-reacties

Diels-Alder-reacties worden veel gebruikt voor chemische syntheses waarbij bindingen tussen koolstofatomen moeten worden gevormd. Ultrasone behandeling en de bijbehorende sonochemische effecten zijn zeer effectief bij het aandrijven en bevorderen van Diels-Alder-reacties, wat resulteert in hogere opbrengsten en een aanzienlijk kortere reactietijd en tegelijkertijd past binnen milieuvriendelijke groene chemie.

Sonochemisch versterkte Diels-Alder-reactie voor groene chemie

Diels-Alder-reacties zijn chemische reacties waarbij bindingen tussen koolstofatomen worden gevormd. De Diels-Alder-reactie wordt geclassificeerd als een thermisch toegestane [4+2]-cycloadditie [_π4_s + _π2_s]. Omdat ultrasoon ondersteunde organische synthese een groene en efficiënte syntheseroute is die de reactiesnelheid, opbrengst en selectiviteit van reacties verhoogt, is sonicatie een eenvoudige en betrouwbare techniek die veel wordt gebruikt in laboratoria en bij industriële productie. Vaak maakt de sonochemisch bevorderde route organische omzettingen onder omgevingscondities mogelijk waarvoor anders extreme temperatuur- en drukomstandigheden nodig zijn. Dit helpt energiekosten te besparen en maakt de chemische synthese tot een veiligere procedure.

Ultrasone Diels-Alder-reactie met diep-eutectische oplosmiddelen

Diep-eutectische oplosmiddelen (DES) zijn oplossingen van Lewis- of Brønsted-zuren en -basen die een eutectisch mengsel vormen. Omdat diep-eutectische oplosmiddelen niet ontvlambaar zijn, een lage dampdruk en toxiciteit hebben en vaak worden gemaakt van natuurlijke verbindingen, vormen ze een veiliger, milieuvriendelijker alternatief voor oplosmiddelen. Het is bekend dat ultrasone behandeling en diep-eutectische oplosmiddelen synergetisch samenwerken. Daarom worden ze gebruikt voor zowel chemische synthese als ultrasone extractie. Het gebruik van diep-eutectische oplosmiddelen is ook gunstig bij ultrasoon bevorderde Diels-Alder-reacties. Zo wordt sonicatie gebruikt om de Diels-Alder-reactie te bevorderen met N-ethylmaleïmide als diënofiel, waarbij de aard van het dieen in diep-eutectische oplosmiddelen (DES) wordt gevarieerd, zowel bij conventionele verwarming als bij ultrasone activering.
Het gebruik van ultrasone activering in combinatie met diep-eutectische oplosmiddelen bleek gunstig en leverde goede opbrengsten bij drastisch verkorte reactietijden.

Ultrasoon verbeterde Diels-Alder-reactie.
schema aangepast naar Marullo et al., 2020

Algemene procedure voor de Diels-Alder-reactie met DES en sonicatie

Ultrasoon bevorderde Diels-Alder-reacties werden uitgevoerd door de ultrasone sonde (sonotrode / hoorn) in het reactievat te plaatsen. Bij gebruik van een ultrasone sonde met een puntdiameter van 0,5 cm bedroeg het nominale uitgangsvermogen 70 W. De reacties werden uitgevoerd bij 40°C met sonicatie in pulsmodus, met cycli van 5 sec AAN en 20 sec UIT. De ultrasoon geïntensiveerde Diels-Alder-reactie leverde goede opbrengsten in een veel kortere tijd dan onder omstandigheden zonder sonicatie (respectievelijk 70 min en 24 h voor sonochemische reacties en reacties zonder sonicatie).
Om de energie-efficiëntie van de sonochemisch geïntensiveerde Diels-Alder-reactie te beoordelen, werd het energieverbruik van de Diels-Alder-reactie zonder sonicatie vergeleken met dat van de ultrasoon bevorderde Diels-Alder-reactie. De berekeningen gaven een verbruik van respectievelijk 35.094 kJ/g voor de reactie zonder sonicatie en 28,4 kJ/g voor de ultrasoon ondersteunde reactie (ultrasone hoorn met een uitgangsvermogen van 70 W netto-energie). Dit resulteert in een energiebesparing van 99% voor de sonochemisch aangedreven Diels-Alder-reactie. Al deze waarnemingen wijzen er sterk op dat het gecombineerde gebruik van diep-eutectische oplosmiddelen (DES) en ultrasone bestraling een efficiënte en energiebesparende methode is voor belangrijke syntheseprocessen zoals de Diels-Alder-reactie. (Marullo et al., 2020)

Het effect van verschillende diep-eutectische oplosmiddelen in combinatie met sonicatie

De beste resultaten voor de ultrasoon bevorderde Diels-Alder-reactie werden bereikt met de diep-eutectische oplosmiddelen [ChCl]:[Fru] en [TBACl]:[EG] als oplosmiddelen. Het gebruik van [ChCl]:[Fru] en [TBACl]:[EG] als oplosmiddelen leidde tot aanzienlijke verkortingen van de reactietijd en aanzienlijke verbeteringen van de opbrengst (voor [TBACl]:[EG] 73% en 87%, en voor [ChCl]:[Fru] 23 en 75% onder respectievelijk omstandigheden zonder sonicatie en sonochemische omstandigheden).
In sommige gevallen, namelijk bij gebruik van [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], en [AcChCl]:[EG] als oplosmiddelen, zijn de opbrengsten vergelijkbaar met die onder omstandigheden zonder sonicatie, maar wordt de snelheid van het chemische proces door sonicatie nog steeds drastisch verhoogd.
Sonicatie werkt zeer goed met viskeuze oplosmiddelen met een lage dampdruk, zoals ionische vloeistoffen (IL’s), omdat deze omstandigheden het ontstaan van intensere cavitatie-effecten bevorderen. Omdat diep-eutectische oplosmiddelen vergelijkbare fysische eigenschappen hebben als ionische vloeistoffen, zijn ze geschikt voor gebruik in combinatie met ultrasone behandeling. Het gecombineerde samenspel van diep-eutectische oplosmiddelen (DES) en sonicatie verlaagt de energiebehoefte van de Diels-Alder-reactie aanzienlijk. Er kunnen aanzienlijke verkortingen van de reactietijd van 24 h tot 70 min worden waargenomen, terwijl zeer goede opbrengsten worden behaald. Wat de procesefficiëntie betreft, betekent dit dat het gecombineerde gebruik van diep-eutectische oplosmiddelen (DES) en ultrasone behandeling het mogelijk maakt een hoeveelheid materiaal te verwerken die 10 keer zo groot is als onder omstandigheden zonder sonicatie. (Marullo et al., 2020)

Ultrasone Diels-Alder-reactie van oxabicyclische alkenen

Wei en collega’s (2004) toonden aan dat de door ultrasone behandeling bevorderde Diels-Alder-reactie van gesubstitueerde furanen met reactieve diënofielen zoals dimethylacetyleendicarboxylaat (DMAD) en dimethylmaleaat gefunctionaliseerde oxabicyclische alkenen met goede opbrengsten opleverde. De ultrasoon bevorderde regiospecifieke furano-Diels-Alder-cycloadditie van 2-vinylfuranen met DMAD leverde gefunctionaliseerde oxabicyclische alkenen met een goede opbrengst op.

Sonochemisch verbeterde cycloadditiereacties

Bravo en collega’s (2006) beschreven een reeks sonochemische cycloaddities van cyclopentadieen of 1,3-cyclohexadieen met carbonyldiënofielen in een ionische vloeistof op basis van imidazolium als reactiemedium. Zij toonden aan dat ultrasone behandeling deze cycloadditiereacties daadwerkelijk verbetert, wat resulteert in hogere opbrengsten en/of kortere reactietijden in vergelijking met de overeenkomstige reacties zonder sonicatie. Zo zijn de effecten van ultrasone activering duidelijk bij eenvoudige α,β-onverzadigde diënofielen zoals methylvinylketon of acroleïne. Methylvinylketon levert bijvoorbeeld binnen 1 h milde sonicatie een opbrengst van 89% op, terwijl de reactie zonder sonicatie binnen dezelfde reactietijd slechts 52% opleverde.

Sonicators in elk formaat voor sonochemisch bevorderde Diels-Alder-reacties

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert ultrasone homogenisatoren van het sondetype met hoge prestaties en sonochemische apparatuur voor integratie in chemische systemen zoals synthese- en katalysereacties. Sonicators van Hielscher worden wereldwijd gebruikt als betrouwbaar hulpmiddel om chemische reacties te bevorderen, te intensiveren, te versnellen en te verbeteren.
De ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics zijn verkrijgbaar in elk formaat, van kleine laboratoriumapparaten tot grote industriële processoren voor toepassingen in batch- en doorstroomchemie. Nauwkeurige instelling van de ultrasone amplitude – de belangrijkste parameter voor sonochemische toepassingen – maakt het mogelijk 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 sonicatieprocessen opnieuw bekijken en het resultaat beoordelen.
Een andere gebruiksvriendelijke functie is de bediening op afstand via een browser van onze digitale ultrasone systemen. Via browserbediening op afstand kunt u uw ultrasone processor vanaf elke locatie 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 organische synthesereacties kunnen verbeteren, zoals Diels-Alder-reacties, Mannich-reacties of Michael-addities, naast vele andere!

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