W chemii organicznej, organokataliza jest formą katalizy, w której szybkość reakcji chemicznej jest zwiększana przez katalizator organiczny. Ten “organokatalizator” składa się z węgla, wodoru, siarki i innych niemetalicznych elementów występujących w związkach organicznych. Zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy w układach chemicznych znane jest jako sonochemia i jest dobrze znaną techniką zwiększania wydajności, poprawy szybkości reakcji i przyspieszania reakcji. Pod wpływem sonikacji często możliwe jest 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, czyli zastosowanie wysokowydajnych ultradźwięków w układach chemicznych, może znacznie usprawnić reakcje organokatalityczne. Asymetryczna organokataliza w połączeniu z ultradźwiękami często pozwala na przekształcenie organokatalizy w szlak bardziej przyjazny dla środowiska, a tym samym mieszczący się w terminologii zielonej chemii. Sonikacja przyspiesza (asymetryczną) reakcję organokatalityczną i prowadzi do wyższych wydajności, szybszej konwersji, łatwiejszej izolacji/oczyszczania produktów oraz poprawy selektywności i reaktywności. Oprócz przyczyniania się do poprawy kinetyki reakcji i wydajności, ultradźwięki mogą być często łączone z trwałymi rozpuszczalnikami reakcyjnymi, takimi jak ciecze jonowe, głębokie rozpuszczalniki eutektyczne, łagodne, nietoksyczne rozpuszczalniki i woda. W ten sposób, sonochemia nie tylko poprawia (asymetryczną) reakcję organokatalityczną, ale także wspomaga trwałość reakcji organokatalitycznych.

Badania wykazały wiele przykładów sonochemicznie wzmocnionych reakcji oragnokatalitycznych. Na przykład, dwuniciowe cząsteczki DNA jako chiralne rusztowanie są wykorzystywane do tworzenia hybrydowych katalizatorów metalowo-biomakromolekularnych dla reakcji syntezy asymetrycznej. Katalizatory oparte na G-kwadrupleksowym DNA zostały zastosowane w asymetrycznej addycji Michaela, reakcjach Dielsa-Aldera i Friedela-Craftsa. (por. Zhao i Shen, 2018)
W przypadku reakcji promowanych inidium sonikacja wykazuje korzystne efekty, ponieważ reakcja napędzana sonochemicznie przebiega w łagodniejszych warunkach, co pozwala na zachowanie wysokiego poziomu diastereoselekcji. Stosując drogę sonochemiczną uzyskano dobre wyniki w organokatalitycznej syntezie węglowodanów β-laktamowych, β-aminokwasów i spirodiketopiperazyn z laktonów cukrowych, a także w reakcjach allilowania i Reformatskiego na eterach oksymów.

Organokatalityczna synteza leków wspomagana ultradźwiękami

Rogozińska-Szymczak i Młynarski (2014) donoszą o asymetrycznej addycji Michaela 4-hydroksykumaryny do α,β-nienasyconych ketonów na wodzie bez współrozpuszczalników organicznych – katalizowanych organicznymi aminami pierwszorzędowymi i sonikacją. Zastosowanie enancjomerycznie czystej (S,S)-difenyloetylenodiaminy pozwala na otrzymanie serii ważnych związków farmaceutycznie czynnych z dobrą lub doskonałą wydajnością (73-98%) i dobrą enancjoselektywnością (do 76% ee) w wyniku reakcji przyspieszanych ultradźwiękami. Badacze przedstawiają wydajny protokół sonochemiczny do tworzenia "ciała stałego na wodzie" antykoagulantu warfaryny w obu formach enancjomerycznych. Ta przyjazna dla środowiska reakcja organokatalityczna jest nie tylko skalowalna, ale również pozwala uzyskać docelową cząsteczkę leku w enancjomerycznie czystej postaci.

Epoksydacja terpenów metodą sonochemiczną

Charbonneau i wsp. (2018) wykazali udaną epoksydację terpenów pod wpływem sonikacji. Konwencjonalna epoksydacja wymaga użycia katalizatora, ale dzięki sonikacji epoksydacja przebiega jako reakcja bezkatalizatorowa.
Dwutlenek limonenu jest kluczową cząsteczką pośrednią w rozwoju biopochodnych poliwęglanów lub poliuretanów bezizocyjanianowych. Sonikacja pozwala na epoksydację terpenów bez użycia katalizatora w bardzo krótkim czasie reakcji. – dając przy tym bardzo dobre wydajności. W celu zademonstrowania skuteczności epoksydacji ultradźwiękowej, zespół badawczy porównał epoksydację limonenu do dwutlenku limonenu przy użyciu generowanego in situ dimetylodioksiranu jako utleniacza, zarówno w warunkach konwencjonalnego mieszania jak i ultradźwięków. Dla wszystkich prób sonikacji Ultradźwiękowiec laboratoryjny Hielscher UP50H (50W, 30kHz) użyto.

Czas potrzebny do całkowitego przekształcenia limonenu w ditlenek limonenu ze 100% wydajnością pod wpływem sonikacji wynosił zaledwie 4,5 min w temperaturze pokojowej. Dla porównania, w przypadku konwencjonalnego mieszania za pomocą mieszadła magnetycznego, czas potrzebny 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 trwała zaledwie 4 min z wydajnością 100%, podczas gdy w porównaniu z metodą konwencjonalną czas reakcji wynosił 60 min. W przypadku innych terpenów, β-pinen przekształcano do tlenku β-pinenu w ciągu zaledwie 4 min, podczas gdy farnezol dawał 100% triepoksydu w ciągu 8 min. Karweol, pochodna limonenu, przekształcany był do ditlenku karweolu z wydajnością 98%. W reakcji epoksydacji karwonu z użyciem dimetylodioksiranu konwersja wynosiła 100% w ciągu 5 min, dając tlenek 7,8-karwonu.
Głównymi zaletami sonochemicznego epoksydowania terpenów są przyjazny dla środowiska charakter utleniacza (zielona chemia) oraz znacznie skrócony czas reakcji, w której utlenianie to przeprowadzono w warunkach mieszania ultradźwiękowego. Ta metoda epoksydacji pozwoliła na osiągnięcie 100% konwersji limonenu z 100% wydajnością ditlenku limonenu w czasie zaledwie 4,5 min w porównaniu do 90 min w przypadku zastosowania tradycyjnego mieszania. Ponadto, w medium reakcyjnym nie stwierdzono obecności produktów utleniania limonenu, takich jak karwon, karweol i alkohol perrililowy. Epoksydacja α-pinenu pod wpływem ultradźwięków trwała tylko 4 min, uzyskując 100% tlenku α-pinenu bez utleniania pierścienia. Inne terpeny, takie jak β-pinen, farnezol i karwedol również zostały utlenione, co prowadziło do bardzo wysokiej wydajności epoksydów.

Efekty sonochemicznych

Alternatywnie do metod klasycznych, protokoły oparte na sonochemii zostały wykorzystane do zwiększenia szybkości wielu różnych reakcji, dając w rezultacie produkty generowane w łagodniejszych warunkach, przy znacznym skróceniu czasu reakcji. Metody te są określane jako bardziej przyjazne dla środowiska i zrównoważone oraz wiążą się z większą selektywnością i mniejszym zużyciem energii do przeprowadzenia pożądanych przemian. Mechanizm takich metod oparty jest na zjawisku kawitacji akustycznej, która wywołuje unikalne warunki ciśnienia i temperatury poprzez tworzenie, wzrost i adiabatyczne zapadanie się pęcherzyków w ciekłym medium. Efekt ten poprawia przenoszenie masy i zwiększa przepływ turbulentny w cieczy, ułatwiając przemiany chemiczne. W naszych badaniach zastosowanie ultradźwięków pozwoliło na otrzymanie związków w skróconym czasie reakcji, z wysoką wydajnością i czystością. Takie właściwości pozwoliły na zwiększenie liczby związków ocenianych w modelach farmakologicznych, przyczyniając się do przyspieszenia procesu optymalizacji "hit to lead".
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 czyni sonochemię wyjątkową, to niezwykłe zjawisko kawitacji, które generuje w lokalnie ograniczonej przestrzeni środowiska mikropęcherzyków niezwykłe efekty dzięki naprzemiennym cyklom wysokie/niskie ciśnienie, bardzo wysokim różnicom temperatur, wysokim siłom ścinającym i strumieniom cieczy.

Zalety reakcji organokatalitycznych wspomaganych sonochemicznie

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 istotnych korzyści, takich jak wyższe wydajności, zwiększona czystość związków i selektywność, krótszy czas reakcji, niższe koszty, a także prostota w obsłudze i obsłudze procedury sonochemicznej. Te korzystne czynniki sprawiają, że reakcje chemiczne wspomagane ultradźwiękami są nie tylko bardziej wydajne i oszczędne, ale również przyjazne dla środowiska.
Udowodniono, że wiele reakcji organicznych przebiega z wyższą wydajnością w krótszym czasie i / lub w łagodniejszych warunkach, gdy przeprowadzane są przy użyciu sonikacji.

Ultrasonikacja pozwala na proste reakcje w jednym garnku

Sonikacja pozwala na inicjowanie reakcji wieloskładnikowych jako reakcji typu one-pot, które umożliwiają syntezę zróżnicowanych strukturalnie związków. Takie reakcje typu one-pot są cenione za wysoką ogólną wydajność i prostotę, ponieważ nie jest wymagana izolacja i oczyszczanie produktów pośrednich.

Wpływ fal ultradźwiękowych na asymetryczne reakcje organokatalityczne został z powodzeniem zastosowany w różnych typach reakcji, takich jak kataliza przeniesienia fazowego, reakcje Hecka, uwodornienie, reakcje Mannicha, reakcje Barbiera i reakcje podobne do reakcji Barbiera, reakcje Dielsa-Aldera, reakcje sprzęgania Suzuki oraz addycja Micheala.

Znajdź idealny ultradźwiękowiec do Twojej reakcji organokatalitycznej!

Firma Hielscher Ultrasonics jest zaufanym partnerem w zakresie wysokowydajnych, wysokiej jakości urządzeń ultradźwiękowych. Firma Hielscher projektuje, produkuje i dystrybuuje najnowocześniejsze sondy ultradźwiękowe, reaktory i rogi kielichowe do zastosowań sonochemicznych. Wszystkie urządzenia są produkowane w naszej siedzibie w Teltow (koło Berlina) w Niemczech, zgodnie z procedurami certyfikowanymi przez ISO i z niemiecką precyzją, co zapewnia najwyższą jakość.
Portfolio ultradźwiękowych urządzeń firmy Hielscher obejmuje zarówno kompaktowe ultradźwięki laboratoryjne, jak i w pełni przemysłowe reaktory ultradźwiękowe do produkcji chemicznej na dużą skalę. Sondy (zwane również sonotrodami, tubami ultradźwiękowymi lub końcówkami), tuby wspomagające i reaktory są dostępne w wielu rozmiarach i geometriach. Wersje niestandardowe mogą być również produkowane zgodnie z wymaganiami klienta.
Od Hielscher Ultrasonics’ Procesory ultradźwiękowe są dostępne w każdym rozmiarze, od małych urządzeń laboratoryjnych do dużych procesorów przemysłowych do zastosowań w chemii wsadowej i przepływowej, wysokowydajna sonikacja może być łatwo zaimplementowana do każdej konfiguracji reakcji. Precyzyjna regulacja amplitudy ultradźwięków – najważniejszy parametr dla zastosowań sonochemicznych – umożliwia pracę ultradźwiękowców Hielschera przy niskich do bardzo wysokich amplitudach oraz dokładne dostrojenie amplitudy do wymaganych warunków procesu ultradźwiękowego w konkretnym układzie reakcji chemicznej.
Generatory ultradźwiękowe firmy Hielscher wyposażone są w inteligentne oprogramowanie z automatycznym protokołowaniem danych. Wszystkie ważne parametry obróbki, takie jak energia ultradźwiękowa, temperatura, ciśnienie i czas, są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD, gdy tylko urządzenie zostanie włączone.
Nadzorowanie procesu i rejestracja danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Dzięki dostępowi do automatycznie zapisanych danych procesowych można skorygować poprzednie przebiegi sonikacji i ocenić ich wynik.
Kolejną przyjazną dla użytkownika funkcją jest zdalne sterowanie naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi przez przeglądarkę. Dzięki zdalnemu sterowaniu przez przeglądarkę można z dowolnego miejsca zdalnie uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować procesor ultradźwiękowy.
Skontaktuj się z nami teraz, aby dowiedzieć się więcej o naszych wysokowydajnych homogenizatorach ultradźwiękowych, które mogą poprawić Twoją reakcję syntezy oragnokatalitycznej!

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: