Reakcje organokatalityczne promowane przez sonikację

W chemii organicznej organokataliza jest formą katalizy, w której szybkość reakcji chemicznej jest zwiększana przez katalizator organiczny. To “organokatalizator” składa się z węgla, wodoru, siarki i innych niemetalicznych pierwiastków występujących w związkach organicznych. Zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy do układów chemicznych jest znane jako sonochemia i dobrze ugruntowana technika zwiększania wydajności, poprawy szybkości reakcji i przyspieszenia szybkości reakcji. Pod wpływem sonikacji często możliwe staje się przełączanie ścieżek chemicznych, unikając niepożądanych produktów ubocznych. Sonochemia może promować reakcje organokatalityczne, czyniąc je bardziej wydajnymi i przyjaznymi dla środowiska.

Asymetryczna organokataliza – Ulepszony przez sonikację

Sonochemia, zastosowanie wysokowydajnych ultradźwięków w układach chemicznych, może znacznie poprawić reakcje organokatalityczne. Asymetryczna organokataliza w połączeniu z ultradźwiękami często pozwala przekształcić organokatalizę w bardziej przyjazną dla środowiska drogę, tym samym mieszcząc się w terminologii zielonej chemii. Sonikacja przyspiesza (asymetryczną) reakcję organokatalityczną i prowadzi do wyższych wydajności, szybszych współczynników konwersji, łatwiejszej izolacji / oczyszczania produktu oraz lepszej selektywności i reaktywności. Oprócz przyczyniania się do poprawy kinetyki reakcji i wydajności, ultradźwięki mogą być często łączone ze zrównoważonymi rozpuszczalnikami reakcyjnymi, takimi jak ciecze jonowe, głębokie rozpuszczalniki eutektyczne, łagodne, nietoksyczne rozpuszczalniki i woda. W ten sposób sonochemia nie tylko poprawia samą (asymetryczną) reakcję organokatalityczną, ale także wspomaga trwałość reakcji organokatalitycznych.

Badania wykazały wiele przykładów sonochemicznie zintensyfikowanych reakcji oragnokatalitycznych. Na przykład, dwuniciowe cząsteczki DNA jako chiralne rusztowanie są wykorzystywane do montażu hybrydowych katalizatorów metal-biomakromolekuła do asymetrycznych reakcji syntezy. Katalizatory oparte na G-kwadrupleksowym DNA zostały zastosowane w asymetrycznych reakcjach addycji Michaela, Dielsa-Aldera i Friedela-Craftsa. (por. Zhao i Shen, 2018)
W przypadku reakcji promowanej inidium, sonikacja wykazuje korzystne efekty, ponieważ reakcja napędzana sonochemicznie przebiega w łagodniejszych warunkach, zachowując w ten sposób wysoki poziom diastereoselekcji. Wykorzystując drogę sonochemiczną, osiągnięto dobre wyniki w organokatalitycznej syntezie węglowodanów β-laktamowych, β-aminokwasów i spirodiketopiperazyn z laktonów cukrowych, a także w reakcjach allilowania i reformatowania eterów oksymowych.

Ultradźwiękowo promowana organokatalityczna synteza leków

Rogozińska-Szymczak i Młynarski (2014) opisali asymetryczną addycję Michaela 4-hydroksykumaryny do α,β-nienasyconych ketonów na wodzie bez współrozpuszczalników organicznych – katalizowany przez organiczne aminy pierwszorzędowe i sonikację. Zastosowanie enancjomerycznie czystej (S,S)-difenyloetylenodiaminy pozwala uzyskać szereg ważnych farmaceutycznie aktywnych związków z dobrą do doskonałej wydajnością (73-98%) i dobrą enancjoselektywnością (do 76% ee) poprzez reakcje przyspieszane ultradźwiękami. Naukowcy przedstawiają skuteczny protokół sonochemiczny do tworzenia "ciał stałych na wodzie" antykoagulantu warfaryny w obu postaciach enancjomerycznych. Ta przyjazna dla środowiska reakcja organokatalityczna jest nie tylko skalowalna, ale także daje docelową cząsteczkę leku w enancjomerycznie czystej postaci.

Sonochemiczne epoksydowanie terpenów

Charbonneau et al. (2018) wykazali udaną epoksydację terpenów pod wpływem sonikacji. Konwencjonalna epoksydacja wymaga użycia katalizatora, ale przy sonikacji epoksydacja przebiega jako reakcja bez katalizatora.
Dwutlenek limonenu jest kluczową cząsteczką pośrednią dla rozwoju biopochodnych poliwęglanów lub poliuretanów nieizocyjanianowych. Sonikacja umożliwia epoksydację terpenów bez katalizatora w bardzo krótkim czasie reakcji – jednocześnie dając bardzo dobre wydajności. W celu wykazania skuteczności epoksydacji ultradźwiękowej, zespół badawczy porównał epoksydację limonenu do ditlenku limonenu przy użyciu generowanego in situ dimetylodioksiranu jako środka utleniającego zarówno pod konwencjonalnym mieszaniem, jak i ultradźwiękami. Dla wszystkich prób sonikacji Ultradźwiękowy ultrasonograf laboratoryjny Hielscher UP50H (50W, 30kHz) został użyty.

Czas wymagany do całkowitego przekształcenia limonenu w ditlenek limonenu ze 100% wydajnością w sonikacji wynosił tylko 4,5 min w temperaturze pokojowej. Dla porównania, w przypadku konwencjonalnego mieszania przy użyciu mieszadła magnetycznego, wymagany czas do osiągnięcia 97% wydajności ditlenku limonenu wynosił 1,5 h. Epoksydacja α-pinenu była również badana przy użyciu obu technik mieszania. Epoksydacja α-pinenu do tlenku α-pinenu pod wpływem sonikacji wymagała zaledwie 4 minut z uzyskaną wydajnością 100%, podczas gdy w porównaniu z metodą konwencjonalną czas reakcji wynosił 60 minut. Jeśli chodzi o inne terpeny, β-pinen został przekształcony w tlenek β-pinenu w zaledwie 4 minuty, podczas gdy farnezol dał 100% triepoksydu w 8 minut. Karweol, pochodna limonenu, został przekształcony w dwutlenek karweolu z wydajnością 98%. W reakcji epoksydacji karwonu przy użyciu dimetylodioksiranu konwersja wyniosła 100% w ciągu 5 minut, dając tlenek 7,8-karwonu.
Głównymi zaletami sonochemicznego epoksydowania terpenów są przyjazny dla środowiska charakter utleniacza (zielona chemia), a także znacznie skrócony czas reakcji przeprowadzania tego utleniania pod wpływem mieszania ultradźwiękowego. Ta metoda epoksydacji pozwoliła na osiągnięcie 100% konwersji limonenu ze 100% wydajnością ditlenku limonenu w zaledwie 4,5 minuty w porównaniu do 90 minut, gdy stosuje się tradycyjne mieszanie. Co więcej, w medium reakcyjnym nie znaleziono żadnych produktów utleniania limonenu, takich jak karwon, karweol i alkohol perrilylowy. Epoksydacja α-pinenu pod wpływem ultradźwięków trwała tylko 4 minuty, dając 100% tlenku α-pinenu bez utleniania pierścienia. Inne terpeny, takie jak β-pinen, farnezol i karweol, również zostały utlenione, co prowadzi do bardzo wysokiej wydajności epoksydów.

efekty sonochemiczne

Jako alternatywa dla klasycznych metod, protokoły oparte na sonochemii zostały wykorzystane do zwiększenia szybkości wielu różnych reakcji, co skutkuje produktami wytwarzanymi w łagodniejszych warunkach przy znacznym skróceniu czasu reakcji. Metody te zostały opisane jako bardziej przyjazne dla środowiska i zrównoważone oraz wiążą się z większą selektywnością i niższym zużyciem energii dla pożądanych transformacji. Mechanizm takich metod opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej, która indukuje unikalne warunki ciśnienia i temperatury poprzez tworzenie, wzrost i adiabatyczne zapadanie się pęcherzyków w ciekłym medium. Efekt ten poprawia transfer masy i zwiększa przepływ turbulentny w cieczy, ułatwiając przemiany chemiczne. W naszych badaniach zastosowanie ultradźwięków doprowadziło do produkcji związków w skróconych czasach reakcji z wysoką wydajnością i czystością. Takie cechy zwiększyły liczbę związków ocenianych w modelach farmakologicznych, przyczyniając się do przyspieszenia procesu optymalizacji trafień.
Ten wysokoenergetyczny wkład może nie tylko wzmocnić efekty mechaniczne w procesach heterogenicznych, ale także indukować nowe reaktywności prowadzące do powstawania nieoczekiwanych gatunków chemicznych. To, co sprawia, że sonochemia jest wyjątkowa, to niezwykłe zjawisko kawitacji, które generuje w lokalnie ograniczonej przestrzeni środowiska mikropęcherzyków niezwykłe efekty spowodowane naprzemiennymi cyklami wysokiego / niskiego ciśnienia, bardzo wysokimi różnicami temperatur, siłami ścinającymi i strumieniem cieczy.

Zalety promowanych sonochemicznie reakcji organokatalitycznych

Sonikacja jest coraz częściej stosowana w syntezie organicznej i katalizie, ponieważ efekty sonochemiczne wykazują znaczną intensyfikację reakcji chemicznych. Szczególnie w porównaniu z tradycyjnymi metodami (np. ogrzewanie, mieszanie), sonochemia jest bardziej wydajna, wygodna i precyzyjnie kontrolowana. Sonikacja i sonochemia oferują kilka głównych zalet, takich jak wyższa wydajność, zwiększona czystość związków i selektywność, krótsze czasy reakcji, niższe koszty, a także prostota obsługi i obsługi procedury sonochemicznej. Te korzystne czynniki sprawiają, że reakcje chemiczne wspomagane ultradźwiękami są nie tylko bardziej wydajne i oszczędne, ale także bardziej przyjazne dla środowiska.
Udowodniono, że liczne reakcje organiczne dają wyższe wydajności w krótszym czasie reakcji i / lub w łagodniejszych warunkach, gdy są przeprowadzane przy użyciu sonikacji.

Ultradźwięki pozwalają na proste reakcje jednogarnkowe

Sonikacja umożliwia inicjowanie reakcji wieloskładnikowych jako reakcji typu one-pot, które zapewniają syntezę zróżnicowanych strukturalnie związków. Takie reakcje typu one-pot są cenione za wysoką ogólną wydajność i ich prostotę, ponieważ izolacja i oczyszczanie półproduktów nie jest wymagane.

Wpływ fal ultradźwiękowych na asymetryczne reakcje organokatalityczne został z powodzeniem zastosowany w różnych typach reakcji, w tym w katalizie przeniesienia fazowego, reakcjach Hecka, uwodornieniu, reakcjach Mannicha, reakcjach Barbiera i podobnych do Barbiera, reakcjach Dielsa-Aldera, reakcji sprzęgania Suzuki i addycji Micheala.

Znajdź idealny ultradźwięk dla swojej reakcji organokatalitycznej!

Firma Hielscher Ultrasonics jest zaufanym partnerem w zakresie wysokowydajnego sprzętu ultradźwiękowego wysokiej jakości. Hielscher projektuje, produkuje i dystrybuuje najnowocześniejsze sondy ultradźwiękowe, reaktory i rogi kielichowe do zastosowań sonochemicznych. Wszystkie urządzenia są produkowane zgodnie z procedurami certyfikowanymi przez ISO i z niemiecką precyzją, aby zapewnić najwyższą jakość w naszej siedzibie w Teltow (niedaleko Berlina) w Niemczech.
Portfolio ultrasonografów Hielscher obejmuje zarówno kompaktowe ultrasonografy laboratoryjne, jak i w pełni przemysłowe reaktory ultradźwiękowe do produkcji chemicznej na dużą skalę. Sondy (znane również jako sonotrody, rogi ultradźwiękowe lub końcówki), rogi wspomagające i reaktory są łatwo dostępne w wielu rozmiarach i geometriach. Dostosowane wersje mogą być również produkowane zgodnie z Twoimi wymaganiami.
Od Hielscher Ultrasonics’ Procesory ultradźwiękowe są dostępne w dowolnym rozmiarze, od małych urządzeń laboratoryjnych po duże procesory przemysłowe do zastosowań w chemii wsadowej i przepływowej, a wysokowydajną sonikację można łatwo wdrożyć w dowolnej konfiguracji reakcji. Precyzyjna regulacja amplitudy ultradźwięków – najważniejszy parametr dla zastosowań sonochemicznych – Umożliwia obsługę ultradźwiękowców Hielscher przy niskich i bardzo wysokich amplitudach oraz precyzyjne dostrojenie amplitudy dokładnie do wymaganych warunków procesu ultradźwiękowego określonego systemu reakcji chemicznej.
Generatory ultradźwiękowe firmy Hielscher są wyposażone w inteligentne oprogramowanie z automatycznym protokołowaniem danych. Wszystkie ważne parametry przetwarzania, takie jak energia ultradźwiękowa, temperatura, ciśnienie i czas są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD, gdy tylko urządzenie zostanie włączone.
Monitorowanie procesu i rejestracja danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Uzyskując dostęp do automatycznie rejestrowanych danych procesowych, można zrewidować poprzednie przebiegi sonikacji i ocenić ich wyniki.
Kolejną przyjazną dla użytkownika funkcją jest zdalne sterowanie przez przeglądarkę naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi. Za pomocą zdalnego sterowania przez przeglądarkę można uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować procesor ultradźwiękowy zdalnie z dowolnego miejsca.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o naszych wysokowydajnych homogenizatorach ultradźwiękowych, które mogą usprawnić reakcję syntezy oragnokatalitycznej!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: