Hielscher ultralydteknologi

Ultralyd Induced og Enhanced Phase Transfer Katalyse

Ultralyd med høy effekt er kjent for sitt bidrag til ulike kjemiske reaksjoner. Dette er den såkalte sonochemistry. Heterogene reaksjoner - og spesielt faseoverføringsreaksjoner - er svært potensielle applikasjonsfelt for ultralyd. På grunn av den mekaniske og sonokemiske energien som påføres reagensene, kan reaksjonene bli initiert, reaksjonshastigheten kan økes betydelig, samt høyere konverteringshastigheter, høyere utbytt og bedre produkter kan oppnås. Den lineære skalerbarheten til ultralyd og tilgjengeligheten av pålitelig ultralyd Industriell utstyr gjør denne teknikken til en interessant løsning for kjemisk produksjon.
Glass reactor for targeted and reliable sonication processes

Ultralyd Glass Flow Cell

faseoverføringskatalyse

Faseoverføringskatalyse (PTC) er en spesiell form for heterogen katalyse og kjent som en praktisk metodikk for organisk syntese. Ved å benytte en faseoverføringskatalysator blir det mulig å solubilisere ionreaktanter, som ofte er oppløselige i en vandig fase, men uoppløselig i en organisk fase. Dette betyr at PTC er en alternativ løsning for å overvinne heterogenitetsproblemet i en reaksjon der samspillet mellom to stoffer som befinner seg i forskjellige faser av en blanding, er inhibert på grunn av manglende evne til å reagere sammen. (Esen et al. 2010) Generelle fordeler ved faseoverføringskatalyse er den lille innsatsen for fremstilling, enkle eksperimentelle prosedyrer, milde reaksjonsbetingelser, høyreaksjonshastigheter, høye selektiviteter og bruk av billige og miljøvennlige reagenser, så som kvaternær ammonium salter og oppløsningsmidler, og muligheten for å utføre store preparater (Ooi et al. 2007).
En rekke væske-væske- og væske-faste reaksjoner har blitt intensivert og gjort selektive ved bruk av enkle faseoverførings-(PT) -katalysatorer, så som kvater, polyetylenglykol-400 osv. Som tillater at ioniske arter ferreres fra vandig fase til organisk fase. Dermed kan problemene forbundet med ekstremt lavoppløselighet av de organiske reaktantene i den vandige fase overvinnes. I plantevernmidler og farmasøytisk industri er PTC brukt mye og har endret grunnleggende for virksomheten. (Sharma 2002)

Strøm ultralyd

Bruken av effekt ultralyd er et velkjent verktøy for å skape ekstremt fin emulsjoner. I kjemi brukes slike ekstremt fine størrelsesemulsjoner for å forbedre kjemiske reaksjoner. Dette betyr at grensesnittkontaktområdet mellom to eller flere ublandbare væsker blir dramatisk forstørret og derved gir et bedre, mer komplett og / eller raskere løpet av reaksjonen.
For faseoverføringskatalyse – det samme som for andre kjemiske reaksjoner - nok kinetisk energi er nødvendig for å starte reaksjonen.
Dette har forskjellige positive effekter på kjemisk reaksjon:

  • En kjemisk reaksjon som normalt ikke vil oppstå på grunn av sin lave kinetiske energi, kan komme i gang ved ultralydbehandling.
  • Kjemiske reaksjoner kan akselereres med ultralyd-assistert PTC.
  • Fullstendig unngåelse av faseoverføringskatalysator.
  • Råvarer kan brukes mer effektivt.
  • Biprodukter kan reduseres.
  • Erstatning av kostnadskrevende farlig sterk base med billig uorganisk base.

Ved disse effektene er PTC en uvurderlig kjemisk metodikk for organisk syntese fra to og flere ublandbare reaktanter: Faseoverføringskatalysen (PTC) gjør det mulig å bruke råmaterialer av kjemiske prosesser mer effektivt og å produsere mer kostnadseffektivt. Forbedringen av kjemiske reaksjoner ved PTC er et viktig verktøy for kjemisk produksjon som kan forbedres ved bruk av ultralyd dramatisk.

Ultrasonic cavitation in a glass column

Kavitasjon i væske

Eksempler på ultralydsfremmende PTC-reaksjoner

  • Syntese av nye N '- (4,6-disubstituerte-pyrimidin-2-yl) -N- (5-aryl-2-furoyl) tiourea-derivater ved anvendelse av PEG-400 under ultralydbehandling. (Ken et al., 2005)
  • Den ultrasonisk assisterte syntesen av mandelsyre ved PTC i ionisk væske viser en signifikant forbedring i reaksjonsutbyttet under omgivelsesbetingelser. (Hua et al., 2011)
  • Kubo et al. (2008) rapporterer ultrasonisk assistert C-alkylering av fenylacetonitril i et løsningsmiddelfritt miljø. Effekten av ultralydet for å fremme reaksjonen ble tilskrevet det ekstremt store grensesnittet mellom de to væskefasene. Ultralyding resulterer i en mye raskere reaksjonshastighet enn mekanisk blanding.
  • Sonikering under reaksjonen av karbontetraklorid med magnesium for dannelse av diklorkarben resulterer i et høyere utbytte av perle-diklorcyklopropan i nærvær av olefiner. (Lin et al., 2003)
  • Ultralyd gir akselerasjonen av Cannizzaro reaksjonen av P-klorbenzaldehyd under faseoverføringsbetingelser. Av tre fase overføringskatalysatorer – benzyltrietylammoniumklorid (TEBA), Aliquat og 18-crown-6 -, som er blitt testet av Polácková et al. (1996) ble TEBA funnet å være den mest effektive. Ferrocenecarbaldehyd og P-dimetylaminobenzaldehyd ga under lignende betingelser 1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-on som hovedproduktet.
  • Lin-Xiao et al. (1987) har vist at kombinasjonen av ultralyd og PTC effektivt fremmer dannelsen av diklorkarben fra kloroform i kortere tid med bedre utbytte og mindre mengde katalysator.
  • Yang et al. (2012) har undersøkt den grønne, ultrasonisk assisterte syntesen av benzyl 4-hydroksybenzoat ved anvendelse av 4,4'-bis (tributylammoniometyl) -1,1'-bifenyl diklorid (QCl2) som katalysator. Ved bruk av QCl2, har de utviklet en roman-fase-overføringskatalyse med to steder. Denne fast-flytende faseoverføringskatalysen (SLPTC) har blitt utført som batchprosess med ultralydbehandling. Under intens lydbehandling ble 33% av den tilsatte Q2 + inneholdende 45,2% Q (Ph (OH) COO)2 har overført til den organiske fase for å reagere med benzylbromid, derfor ble den totale reaksjonshastigheten forbedret. Denne forbedrede reaksjonshastigheten ble oppnådd 0,106 min-1 under 300W med ultralydbestråling, mens uten sonikering en hastighet på 0,0563 min-1 var observert. Derved har den synergistiske effekten av dobbelt-sted-faseoverføringskatalysator med ultralyd i faseoverføringskatalyse blitt påvist.
The ultrasonic lab device UP200Ht provides powerful sonication in laboratories.

Bilde 1: UP200Ht er en 200 watt kraftig ultralyd homogenisator

Ultralydforbedring av asymmetrisk faseoverføringsreaksjon

Med sikte på å etablere en praktisk metode for asymmetrisk syntese av a-aminosyrer og deres derivater Maruoka og Ooi (2007) undersøkte "om reaktiviteten til N-spirochiral kvaternære ammoniumsalter kunne forbedres og deres strukturer forenklet. Siden ultralydbestråling produserer homogenisering, det er veldig bra emulsjoner, det øker det grensesnittsområdet over hvilket reaksjonen kan oppstå, noe som kan levere betydelig hastighetsakselerasjon i væske-væske-faseoverføringsreaksjonene. Faktisk resulterte sonikering av reaksjonsblandingen av 2, metyljodid og (S, S) -naphtyl-underenhet (1 mol%) i toluen / 50% vandig KOH ved 0 ° C i 1 time opp til det tilsvarende alkyleringsprodukt i 63% utbytte med 88% ee; kjemisk utbytte og enantioselektivitet var sammenlignbare med de fra en reaksjon utført ved enkel omrøring av blandingen i åtte timer (0 ° C, 64%, 90% ee). "(Maruoka et al., 2007, s. 4229)

Improved phase transfer reactions by sonication

Skjema 1: Ultralyding øker reaksjonshastigheten under den asymmetriske syntese av a-aminosyrer [Maruoka et al. 2007]

En annen reaksjonstype av en asymmetrisk katalyse er Michael-reaksjonen. Michael-tillegget av dietyl N-acetylaminomalonat til kalkon påvirkes positivt av ultralydbehandling, noe som resulterer i en økning på 12% av utbyttet (fra 72% oppnådd under den stille reaksjonen opp til 82% under ultralydbehandling). Reaksjonstiden er seks ganger raskere under effekten ultralyd sammenlignet med reaksjonen uten ultralyd. Det enantiomeriske overskudd (ee) har ikke endret seg og var for begge reaksjoner - med og uten ultralyd - ved 40% ee. (Mirza-Aghayan et al., 1995)
Li et al. (2003) viste at Michael-reaksjonen av kalkoner som akseptorer med forskjellige aktive metylenforbindelser som dietylmalonat, nitrometan, cykloheksanon, etylaketoacetat og acetylaceton som donorer katalysert av KF / basisk aluminiumoksyd, resulterer i addukter med høyt utbytte innen kortere tid under ultralyd bestråling. I en annen studie, Li et al. (2002) har vist den vellykkede ultrasonisk assisterte syntesen av kalkoner katalysert av KF-Al2O3.
Disse PTC-reaksjonene ovenfor viser kun et lite utvalg av potensialet og mulighetene for ultralydbestråling.
Testing og evaluering av ultralyd om mulige forbedringer i PTC er veldig enkelt. Ultralydlaboratorier som Hielscher's Uf200 ः t (200 watt) og benk-systemer som Hielscher's UIP1000hd (1000 watt) tillate første forsøk. (se bilde 1 og 2)
Ultralyd forbedret asymmetrisk Michael tillegg (Klikk for å forstørre!)

Skjema 2: Ultrasonisk assistert asymmetrisk Michael-tilsetning av dietyl-N-acetylaminomalonat til kalkon [Török et al. 2001]

Effektiv produksjon konkurrerer på kjemisk marked

Ved hjelp av ultralydfaseoverføringskatalysen vil du dra nytte av en eller flere forskjellige fordelaktige fordeler:

  • initialisering av reaksjoner som ellers ikke er mulig
  • økning i utbyttet
  • kutt av dyre, vannfrie, aprotiske løsningsmidler
  • reduksjon av reaksjonstid
  • lavere reaksjonstemperaturer
  • forenklet forberedelse
  • bruk av vandig alkalimetall i stedet for alkalimetallalkoksider, natriumamid, natriumhydrid eller metallisk natrium
  • bruk av billigere råvarer, spesielt oksidanter
  • skift av selektiviteten
  • endring av produktforhold (f.eks. O- / C-alkylering)
  • forenklet isolasjon og rensing
  • økning i utbyttet ved å undertrykke sidereaksjoner
  • Enkel, lineær skala opp til industriell produksjonsnivå, selv med svært høy gjennomstrømning
UIP1000hd benk-Top ultralyd Homogenisator

Oppsett med 1000W ultralydsprosessor, flytcelle, tank og pumpe

Enkel og risikofri testing av ultralydseffekter i kjemi

For å se hvordan ultralyd påvirker spesifikke materialer og reaksjoner, kan første feasibility tests utføres i liten skala. Håndholdte eller monterte laboratorieinnretninger i området 50 til 400 watt gir lydbehandling av små- og mellomstore prøver i begeret. Hvis de første resultatene viser potensielle prestasjoner, kan prosessen utvikles og optimaliseres i benken med en industriell ultralydsprosessor, f.eks UIP1000hd (1000W, 20kHz). Hielscher's ultralyd benk-topp systemer med 500 for alle watt til 2000 for alle Watt er de ideelle enhetene for R&D og optimalisering. Disse ultralydsystemene - designet for beger og inline sonication – gi full kontroll over den viktigste prosessparameteren: amplitud, trykk, temperatur, viskositet og konsentrasjon.
Den nøyaktige kontrollen over parametrene tillater det eksakt reproduserbarhet og lineær skalerbarhet av de oppnådde resultatene. Etter å ha testet ulike oppsett, kan konfigurasjonen som er funnet best, brukes til å kjøre kontinuerlig (24h / 7d) under produksjonsforhold. Den valgfrie PC-Control (programvare grensesnitt) letter også opptaket av de enkelte forsøkene. For sonikering av brannfarlige væsker eller løsemidler i farlige miljøer (ATEX, FM) UIP1000hd er tilgjengelig i en ATEX-sertifisert versjon: UIP1000-EXD.

Generelle fordeler ved ultralydbehandling i kjemi:

  • En reaksjon kan akselerere eller mindre tvinge forhold kan være påkrevd dersom sonikering påføres.
  • Induksjonsperioder blir ofte betydelig redusert som eksotermene normalt er forbundet med slike reaksjoner.
  • Sonokemiske reaksjoner er ofte initiert av ultralyd uten behov for tilsetningsstoffer.
  • Antall trinn som normalt kreves i en syntetisk rute kan noen ganger reduseres.
  • I noen situasjoner kan en reaksjon rettes mot en alternativ vei.

Kontakt oss / be om mer informasjon

Snakk med oss ​​om dine krav til behandling. Vi vil anbefale de mest egnede oppsett- og behandlingsparametrene for prosjektet ditt.





Vær oppmerksom på at Personvernregler.


Litteratur / Referanser

  1. Esen, Ilker et al. (2010): Katalysatorer med lang kjede-diktisk faseoverføring i kondensasjonsreaksjonene av aromatiske aldehyder i vann under ultralydseffekt. Bulletin of the Korean Chemical Society 31/8, 2010; pp. 2289-2292.
  2. Hua, Q. et al. (2011): Ultralydfremmende syntese av mandelsyre ved faseoverføringskatalyse i en ionisk væske. I: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 18/5, 2011; pp. 1035-1037.
  3. Li, J.-T. et al. (2003): Michael-reaksjonen katalysert av KF / basisk alumina under ultralydbestråling. Ultrasonics Sonochemistry 10, 2003. s. 115-118.
  4. Lin, Haixa et al. (2003): En ansiktsprosedyre for generering av diklorkarben fra reaksjonen av karbontetraklorid og magnesium ved bruk av ultralydbestråling. I: Molekyler 8, 2003; pp. 608-613.
  5. Lin-Xiao, Xu et al. (1987): En ny praktisk metode for generering av diklorceen ved ultralydbestråling og faseoverføringskatalyse. I: Acta Chimica Sinica, Vol. 5/4, 1987; s. 294-298.
  6. Ken, Shao-Yong et al. (2005): Faseoverføringskatalysert syntese under ultralydbestråling og bioaktivitet av N '- (4,6-disubstituert-pyrimidin-2-yl) -N- (5-aryl-2-furoyl) tiourea-derivater. I: Indian Journal of Chemistry Vol. 44B, 2005; pp. 1957-1960.
  7. Kubo, Masaki et al. (2008): Kinetikk for løsemiddelfri C-alkylering av fenylacetonitril ved bruk av ultralydbestråling. Chemical Engineering Journal Japan, Vol. 41, 2008; s. 1031-1036.
  8. Maruoka, Keiji et al. (2007): Nylige fremskritt i asymmetrisk faseoverføringskatalyse. I: Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; pp. 4222-4266.
  9. Mason, Timothy et al. (2002): Anvendt sonokemi: bruken av effekt ultralyd i kjemi og prosessering. Wiley-VCH, Weinheim, 2002.
  10. Mirza-Aghayan, M. et al. (1995): Ultralydbestrålingseffekter på den asymmetriske Michael Reaction. Tetrahedron: Asymmetri 6/11, 1995; pp. 2643-2646.
  11. Polácková, Viera et al. (1996): Ultralydfremmende Cannizzaro-reaksjon under faseoverføringsbetingelser. I: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 3/1, 1996; s. 15-17.
  12. Sharma, MM (2002): Strategier for gjennomføring av reaksjoner i liten skala. Selektivitetsteknikk og prosessintensivering. I: Ren og anvendt kjemi, vol. 74/12, 2002; pp. 2265-2269.
  13. Török, B. et al. (2001): Asymmetriske reaksjoner i sonokemi. Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001; pp. 191-200.
  14. Wang, Maw-Ling et al. (2007): Ultralyd assistert faseoverføring katalytisk epoksydasjon av 1,7-oktadien - En kinetisk studie. I: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 14/1, 2007; pp. 46-54.
  15. Yang, H.-M .; Chu, W.-M. (2012): Ultralydassistert faseoverføringskatalyse: Grønn syntese av substituert benzoat med ny fase-overføringskatalysator i tosidige fase i fast-væskesystem. I: Fremgang s av 14Th Asia Pacific Confederation of Chemical Engineering Kongress APCChE 2012.


Fakta Verdt å vite

Ultrasoniske vevshomogenisatorer blir ofte referert til som sonde sonicator, sonic lyser, ultralyd disruptor, ultralydslibber, sono-ruptor, sonifier, sonic dismembrator, celleforstyrrende, ultralyd dispergerer eller oppløsningsmiddel. De forskjellige betingelsene er resultatet av de forskjellige programmene som kan oppfylles av lydbehandling.