Ultrasoon geïnduceerde en versterkte fasetransferkatalyse

Ultrasoon geluid met hoog vermogen staat bekend om zijn bijdrage aan verschillende chemische reacties. Dit is de zogenoemde sonochemie. Heterogene reacties – en vooral fasetransferreacties – zijn toepassingsgebieden met een groot potentieel voor ultrasoon geluid met hoog vermogen. Door de mechanische en sonochemische energie die aan de reagentia wordt toegevoerd, kunnen reacties worden geïnitieerd, kan de reactiesnelheid aanzienlijk worden verhoogd en kunnen hogere omzettingsgraden, hogere opbrengsten en betere producten worden bereikt. De lineaire schaalbaarheid van ultrasoon geluid en de beschikbaarheid van betrouwbare ultrasone industriële apparatuur maken deze techniek tot een interessante oplossing voor de chemische productie.

Fasetransferkatalyse

Fasetransferkatalyse (PTC) is een bijzondere vorm van heterogene katalyse en staat bekend als een praktische methode voor organische synthese. Door een fasetransferkatalysator te gebruiken, wordt het mogelijk om ionische reactanten in oplossing te brengen die vaak oplosbaar zijn in een waterige fase, maar onoplosbaar in een organische fase. Dit betekent dat PTC een alternatieve oplossing biedt voor het heterogeniteitsprobleem in een reactie waarbij de interactie tussen twee stoffen die zich in verschillende fasen van een mengsel bevinden, wordt belemmerd doordat de reagentia niet met elkaar in contact kunnen komen. (Esen et al. 2010) Algemene voordelen van fasetransferkatalyse zijn de geringe inspanning voor de voorbereiding, eenvoudige experimentele procedures, milde reactieomstandigheden, hoge reactiesnelheden, hoge selectiviteiten, het gebruik van goedkope en milieuvriendelijke reagentia, zoals quaternaire ammoniumzouten, en oplosmiddelen, en de mogelijkheid om preparatieve syntheses op grote schaal uit te voeren (Ooi et al. 2007).
Diverse vloeistof–vloeistof- en vloeistof–vastestofreacties zijn geïntensiveerd en selectief gemaakt door eenvoudige fasetransferkatalysatoren (PT), zoals quaternaire ammoniumverbindingen, polyethyleenglycol-400 enz., te gebruiken. Deze maken het mogelijk ionische deeltjes van de waterige fase naar de organische fase over te brengen. Zo kunnen de problemen worden overwonnen die samenhangen met de extreem lage oplosbaarheid van de organische reactanten in de waterige fase. In de pesticidenindustrie en de farmaceutische industrie wordt PTC op grote schaal gebruikt en heeft deze de grondslagen van de bedrijfsvoering veranderd. (Sharma 2002)

Ultrasoon geluid met hoog vermogen

De toepassing van ultrasoon geluid met hoog vermogen is een bekend hulpmiddel om uiterst fijne emulsies te maken. In de chemie worden dergelijke uiterst fijne emulsies gebruikt om chemische reacties te bevorderen. Dit betekent dat het contactoppervlak aan het grensvlak tussen twee of meer niet-mengbare vloeistoffen drastisch wordt vergroot, waardoor de reactie beter, vollediger en/of sneller verloopt.
Voor fasetransferkatalyse is – net als voor andere chemische reacties – voldoende kinetische energie nodig om de reactie te starten.
Dit heeft verschillende positieve effecten op de chemische reactie:

• Een chemische reactie die normaal gesproken niet optreedt vanwege de lage kinetische energie, kan door sonicatie op gang worden gebracht.
• Chemische reacties kunnen worden versneld door ultrasoon ondersteunde PTC.
• Volledig vermijden van een fasetransferkatalysator.
• Grondstoffen kunnen efficiënter worden gebruikt.
• Bijproducten kunnen worden verminderd.
• Vervanging van een dure, gevaarlijke sterke base door een goedkope anorganische base.

Door deze effecten is PTC een chemische methode van onschatbare waarde voor organische synthese uit twee of meer niet-mengbare reactanten: fasetransferkatalyse (PTC) maakt het mogelijk om grondstoffen in chemische processen efficiënter te gebruiken en kosteneffectiever te produceren. Het bevorderen van chemische reacties door PTC is een belangrijk hulpmiddel voor de chemische productie dat door het gebruik van ultrasoon geluid drastisch kan worden verbeterd.

Voorbeelden van ultrasoon bevorderde PTC-reacties

• Synthese van nieuwe N’-(4,6-digesubstitueerde-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thioureumderivaten met PEG-400 onder sonicatie. (Ken et al. 2005)
• De ultrasoon ondersteunde synthese van amandelzuur door PTC in een ionische vloeistof laat een aanzienlijke verbetering van de reactieopbrengsten onder omgevingsomstandigheden zien. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) beschrijven de ultrasoon ondersteunde C-alkylering van fenylacetonitril in een oplosmiddelvrije omgeving. Het reactiebevorderende effect van ultrasoon geluid werd toegeschreven aan het uiterst grote grensvlakoppervlak tussen de twee vloeistoffasen. Sonicatie leidt tot een veel hogere reactiesnelheid dan mechanisch mengen.
• Sonicatie tijdens de reactie van tetrachloormethaan met magnesium voor de vorming van dichloorcarbeen leidt in aanwezigheid van olefinen tot een hogere opbrengst aan gem-dichloorcyclopropaan. (Lin et al. 2003)
• Ultrasoon geluid versnelt de Cannizzaro-reactie van  p-chloorbenzaldehyde onder fasetransferomstandigheden. Van drie fasetransferkatalysatoren – benzyltriethylammoniumchloride (TEBA), Aliquat en 18-kroon-6 – die door Polácková et al. (1996) werden getest, bleek TEBA het effectiefst te zijn. Ferroceencarbaldehyde en  p-dimethylaminobenzaldehyde leverden onder vergelijkbare omstandigheden 1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-onen als hoofdproduct op.
• Lin-Xiao et al. (1987) hebben aangetoond dat de combinatie van sonicatie en PTC de vorming van dichloorcarbeen uit chloroform effectief bevordert, in kortere tijd, met een betere opbrengst en met minder katalysator.
• Yang et al. (2012) hebben de groene, ultrasoon ondersteunde synthese van benzyl-4-hydroxybenzoaat onderzocht met 4,4′-bis(tributylammoniomethyl)-1,1′-bifenyldichloride (QCl₂) als katalysator. Met QCl₂ hebben zij een nieuwe fasetransferkatalyse met twee actieve plaatsen ontwikkeld. Deze vaste stof–vloeistoffasetransferkatalyse (SLPTC) werd uitgevoerd als batchproces met sonicatie. Onder intense sonicatie is 33% van het toegevoegde Q2+ dat 45,2% Q(Ph(OH)COO)₂ bevat, naar de organische fase overgegaan om met benzylbromide te reageren, waardoor de totale reactiesnelheid werd verhoogd. Deze verbeterde reactiesnelheid bedroeg 0,106 min^-1 bij 300W ultrasone bestraling, terwijl zonder sonicatie een snelheid van 0,0563 min^-1 werd waargenomen. Daarmee is het synergetische effect van een fasetransferkatalysator met twee actieve plaatsen en ultrasoon geluid bij fasetransferkatalyse aangetoond.

Ultrasone versterking van asymmetrische fasetransferreacties

Met als doel een praktische methode voor de asymmetrische synthese van a-aminozuren en hun derivaten te ontwikkelen, onderzochten Maruoka en Ooi (2007) “of de reactiviteit van N-spiro-chirale quaternaire ammoniumzouten kon worden verhoogd en hun structuren konden worden vereenvoudigd. Ultrasone bestraling zorgt voor homogenisatie, dat wil zeggen voor zeer fijne emulsies, en vergroot daardoor het grensvlakoppervlak waarop de reactie kan plaatsvinden aanzienlijk. Dit zou een aanzienlijke versnelling van de vloeistof–vloeistoffasetransferreacties kunnen opleveren. Sonicatie van het reactiemengsel van 2, methyljodide en de (S,S)-naftylsubeenheid (1 mol%) in tolueen/50% waterige KOH bij 0 degC gedurende 1 h leverde inderdaad het overeenkomstige alkyleringsproduct op met een opbrengst van 63% en 88%ee; de chemische opbrengst en enantioselectiviteit waren vergelijkbaar met die van een reactie waarbij het mengsel eenvoudigweg acht uur werd geroerd (0 degC, 64%, 90%ee).” (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

Een ander reactietype bij asymmetrische katalyse is de Michael-reactie. De Michael-additie van diethyl- N-acetylaminomalonaat aan chalcon wordt positief beïnvloed door sonicatie, wat leidt tot een verhoging van de opbrengst met 12% (van 72% bij de reactie zonder ultrasoon geluid tot 82% onder sonicatie). De reactie verloopt wat de reactietijd betreft zes keer sneller met ultrasoon geluid met hoog vermogen dan zonder ultrasoon geluid. De enantiomere overmaat (ee) is niet veranderd en bedroeg voor beide reacties – met en zonder ultrasoon geluid – 40%ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) toonden aan dat de Michael-reactie van chalconen als acceptoren met verschillende actieve methyleenverbindingen, zoals diethylmalonaat, nitromethaan, cyclohexanon, ethylacetoacetaat en acetylaceton, als donoren, gekatalyseerd door KF/basisch aluminiumoxide, onder ultrasone bestraling in kortere tijd adducten met een hoge opbrengst oplevert. In een andere studie hebben Li et al. (2002) de succesvolle ultrasoon ondersteunde synthese van chalconen aangetoond, gekatalyseerd door KF-Al₂O₃.
De bovenstaande PTC-reacties tonen slechts een klein deel van het potentieel en de mogelijkheden van ultrasone bestraling.
Het testen en evalueren van ultrasoon geluid met betrekking tot mogelijke verbeteringen bij PTC is zeer eenvoudig. Ultrasone laboratoriumapparaten zoals de apparaten van Hielscher UP200Ht (200 watt) en tafelmodellen van Hielscher zoals de UIP1000hd (1000 watt) maken eerste proeven mogelijk. (zie afbeelding 1 en 2)

Efficiënte productie om te concurreren op de chemische markt

Met ultrasone fasetransferkatalyse profiteert u van een of meer van de volgende voordelen:

• initiatie van reacties die anders niet uitvoerbaar zijn
• verhoging van de opbrengst
• vermindering van het gebruik van dure, watervrije, aprotische oplosmiddelen
• verkorting van de reactietijd
• lagere reactietemperaturen
• vereenvoudigde voorbereiding
• gebruik van alkalimetaal in een waterig medium in plaats van alkalimetaalalkoxiden, natriumamide, natriumhydride of metallisch natrium
• gebruik van goedkopere grondstoffen, vooral oxidatiemiddelen
• verschuiving van de selectiviteit
• verandering van productverhoudingen (bijv. O-/C-alkylering)
• vereenvoudigde isolatie en zuivering
• verhoging van de opbrengst door nevenreacties te onderdrukken
• eenvoudige, lineaire opschaling naar industrieel productieniveau, zelfs bij een zeer hoge verwerkingscapaciteit