Reakcje organokatalityczne wspomagane sonikacją

W chemii organicznej organokataliza jest formą katalizy, w której szybkość reakcji chemicznej zwiększa się dzięki katalizatorowi organicznemu. Ten „organokatalizator” składa się z węgla, wodoru, siarki i innych pierwiastków niemetalicznych występujących w związkach organicznych. Stosowanie ultradźwięków o dużej mocy w układach chemicznych jest znane jako sonochemia i stanowi ugruntowaną technikę zwiększania wydajności oraz przyspieszania reakcji chemicznych. Podczas sonikacji często możliwa staje się zmiana ścieżek reakcji pozwalająca uniknąć niepożądanych produktów ubocznych. Sonochemia może wspomagać reakcje organokatalityczne, zwiększając ich efektywność i przyjazność dla środowiska.

Asymetryczna organokataliza – usprawniona dzięki sonikacji

Sonochemia, czyli stosowanie ultradźwięków o wysokiej wydajności w układach chemicznych, może znacząco usprawniać reakcje organokatalityczne. Asymetryczna organokataliza połączona z sonikacją często pozwala przekształcić proces organokatalityczny w bardziej przyjazną dla środowiska ścieżkę, wpisującą się tym samym w pojęcie zielonej chemii. Sonikacja przyspiesza (asymetryczną) reakcję organokatalityczną i prowadzi do wyższych wydajności, szybszej konwersji, łatwiejszego wyodrębniania/oczyszczania produktu oraz lepszej selektywności i reaktywności. Oprócz poprawy kinetyki i wydajności reakcji sonikację można często łączyć ze stosowaniem zrównoważonych rozpuszczalników reakcyjnych, takich jak ciecze jonowe, rozpuszczalniki głęboko eutektyczne, łagodne, nietoksyczne rozpuszczalniki i woda. W ten sposób sonochemia nie tylko usprawnia samą (asymetryczną) reakcję organokatalityczną, lecz także wspiera zrównoważony charakter reakcji organokatalitycznych.

Badania wykazały liczne przykłady reakcji organokatalitycznych intensyfikowanych sonochemicznie. Na przykład dwuniciowe cząsteczki DNA są wykorzystywane jako chiralne rusztowanie do tworzenia hybrydowych katalizatorów metal–biomakrocząsteczka do reakcji syntezy asymetrycznej. Katalizatory oparte na G-kwadrupleksach DNA zastosowano w asymetrycznej addycji Michaela oraz reakcjach Dielsa–Aldera i Friedla–Craftsa. (por. Zhao i Shen, 2018)
W przypadku reakcji wspomaganej przez inidium sonikacja wykazuje korzystne działanie, ponieważ reakcja prowadzona sonochemicznie przebiega w łagodniejszych warunkach, co pozwala zachować wysoki poziom diastereoselektywności. Przy zastosowaniu ścieżki sonochemicznej uzyskano dobre wyniki w organokatalitycznej syntezie węglowodanów β-laktamowych, β-aminokwasu i spirodiketopiperazyn z laktonów cukrowych, a także w reakcjach allilowania i Reformatskiego eterów oksymowych.

Organokatalityczna synteza leków wspomagana ultradźwiękami

Rogozińska-Szymczak i Mlynarski (2014) opisują asymetryczną addycję Michaela 4-hydroksykumaryny do α,β-nienasyconych ketonów na powierzchni wody bez organicznych współrozpuszczalników – katalizowaną przez organiczne aminy pierwszorzędowe i sonikację. Zastosowanie enancjomerycznie czystej (S,S)-difenyloetylenodiaminy pozwala uzyskać szereg ważnych związków o aktywności farmaceutycznej z dobrymi do doskonałych wydajnościami (73–98%) i z dobrą enancjoselektywnością (do 76% ee) w reakcjach przyspieszanych ultradźwiękami. Badacze przedstawiają wydajną procedurę sonochemiczną otrzymywania przeciwzakrzepowej warfaryny w obu postaciach enancjomerycznych w układzie „ciała stałe na powierzchni wody”. Ta przyjazna dla środowiska reakcja organokatalityczna nie tylko nadaje się do skalowania, lecz także pozwala uzyskać docelową cząsteczkę leku w postaci enancjomerycznie czystej.

Sonochemiczne epoksydowanie terpenów

Charbonneau i in. (2018) wykazali skuteczne epoksydowanie terpenów podczas sonikacji. Konwencjonalne epoksydowanie wymaga zastosowania katalizatora, natomiast przy sonikacji epoksydowanie przebiega jako reakcja bezkatalityczna.
Diepoksyd limonenu jest kluczową cząsteczką pośrednią w opracowywaniu poliwęglanów pochodzenia biologicznego lub poliuretanów nieizocyjanianowych. Sonikacja umożliwia bezkatalityczne epoksydowanie terpenów w bardzo krótkim czasie reakcji – jednocześnie zapewniając bardzo dobre wydajności. Aby wykazać skuteczność epoksydowania ultradźwiękowego, zespół badawczy porównał epoksydowanie limonenu do diepoksydu limonenu z użyciem dimetylodioksiranu wytwarzanego in situ jako utleniacza, zarówno przy konwencjonalnym mieszaniu, jak i sonikacji. We wszystkich próbach sonikacji laboratoryjny sonikator Hielscher UP50H (50W, 30kHz) był wykorzystywany.

Czas potrzebny do całkowitej konwersji limonenu do diepoksydu limonenu z wydajnością 100% podczas sonikacji wynosił tylko 4,5 min w temperaturze pokojowej. Dla porównania, przy konwencjonalnym mieszaniu za pomocą mieszadła magnetycznego czas potrzebny do uzyskania diepoksydu limonenu z wydajnością 97% wynosił 1,5 h. Epoksydowanie α-pinenu również badano przy użyciu obu technik mieszania. Epoksydowanie α-pinenu do tlenku α-pinenu podczas sonikacji wymagało tylko 4 min i zapewniało wydajność 100%, podczas gdy w metodzie konwencjonalnej czas reakcji wynosił 60 min. W przypadku innych terpenów β-pinen przekształcono w tlenek β-pinenu w zaledwie 4 min, natomiast z farnezolu uzyskano triepoksyd z wydajnością 100% w ciągu 8 min. Karweol, pochodną limonenu, przekształcono w diepoksyd karweolu z wydajnością 98%. W reakcji epoksydowania karwonu przy użyciu dimetylodioksiranu konwersja wyniosła 100% w ciągu 5 min, a produktem był tlenek 7,8-karwonu.
Główne zalety sonochemicznego epoksydowania terpenów to przyjazny dla środowiska charakter utleniacza (zielona chemia) oraz znacznie skrócony czas reakcji przy prowadzeniu tego utleniania z mieszaniem ultradźwiękowym. Ta metoda epoksydowania pozwoliła osiągnąć 100% konwersji limonenu z wydajnością diepoksydu limonenu wynoszącą 100% w zaledwie 4,5 min, w porównaniu z 90 min przy tradycyjnym mieszaniu. Ponadto w środowisku reakcyjnym nie stwierdzono produktów utleniania limonenu, takich jak karwon, karweol i alkohol perrilyl. Epoksydowanie α-pinenu pod wpływem ultradźwięków wymagało tylko 4 min, zapewniając wydajność tlenku α-pinenu wynoszącą 100% bez utleniania pierścienia. Utleniono również inne terpeny, takie jak β-pinen, farnezol i karweol, uzyskując bardzo wysokie wydajności epoksydów.

Efekty sonochemiczne

Jako alternatywę dla metod klasycznych stosowano procedury oparte na sonochemii w celu zwiększenia szybkości wielu różnych reakcji, uzyskując produkty w łagodniejszych warunkach przy znacznym skróceniu czasu reakcji. Metody te opisywano jako bardziej przyjazne dla środowiska i zrównoważone; wiążą się one z większą selektywnością i mniejszym zużyciem energii podczas pożądanych przemian. Mechanizm takich metod opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej, które poprzez powstawanie, wzrost i adiabatyczne zapadanie się pęcherzyków w ośrodku ciekłym wytwarza wyjątkowe warunki ciśnienia i temperatury. Efekt ten poprawia transport masy i zwiększa przepływ turbulentny w cieczy, ułatwiając przemiany chemiczne. W naszych badaniach zastosowanie ultradźwięków pozwoliło otrzymywać związki w krótszym czasie reakcji, z wysoką wydajnością i czystością. Takie cechy zwiększyły liczbę związków ocenianych w modelach farmakologicznych, przyczyniając się do przyspieszenia procesu optymalizacji od związku trafionego do związku wiodącego.
Doprowadzenie tak dużej ilości energii może nie tylko nasilać efekty mechaniczne w procesach heterogenicznych, lecz także, jak wiadomo, wywoływać nowe rodzaje reaktywności prowadzące do powstawania nieoczekiwanych indywiduów chemicznych. Wyjątkowość sonochemii wynika z niezwykłego zjawiska kawitacji, które w lokalnie ograniczonej przestrzeni otoczenia mikropęcherzyka wywołuje nadzwyczajne efekty wskutek naprzemiennych cykli wysokiego / niskiego ciśnienia, bardzo dużych różnic temperatury, dużych sił ścinania i strumieniowania cieczy.

Zalety reakcji organokatalitycznych wspomaganych sonochemicznie

Sonikacja jest coraz częściej stosowana w syntezie organicznej i katalizie, ponieważ efekty sonochemiczne znacznie intensyfikują reakcje chemiczne. Szczególnie w porównaniu z tradycyjnymi metodami (np. ogrzewaniem, mieszaniem) sonochemia jest bardziej wydajna, wygodna i umożliwia precyzyjne sterowanie. Sonikacja i sonochemia oferują szereg istotnych zalet, takich jak wyższe wydajności, większa czystość związków i selektywność, krótszy czas reakcji, niższe koszty oraz prostota prowadzenia i obsługi procesu sonochemicznego. Te korzystne czynniki sprawiają, że reakcje chemiczne wspomagane ultradźwiękami są nie tylko skuteczniejsze i bezpieczniejsze, lecz także bardziej przyjazne dla środowiska.
Wykazano, że liczne reakcje organiczne prowadzone z zastosowaniem sonikacji zapewniają wyższe wydajności w krótszym czasie reakcji i / lub w łagodniejszych warunkach.

Sonikacja umożliwia proste reakcje w jednym naczyniu

Sonikacja pozwala inicjować reakcje wieloskładnikowe jako reakcje w jednym naczyniu, umożliwiające syntezę związków o zróżnicowanej strukturze. Takie reakcje w jednym naczyniu są cenione za wysoką ogólną wydajność i prostotę, ponieważ nie wymagają wyodrębniania ani oczyszczania produktów pośrednich.

Oddziaływanie fal ultradźwiękowych na asymetryczne reakcje organokatalityczne z powodzeniem wykorzystano w różnych typach reakcji, obejmujących katalizę przeniesienia fazowego, reakcje Hecka, uwodornienie, reakcje Mannicha, reakcje Barbiera i reakcje podobne do reakcji Barbiera, reakcje Dielsa–Aldera, reakcję sprzęgania Suzukiego i addycję Michaela.

Znajdź idealny sonikator do swojej reakcji organokatalitycznej!

Hielscher Ultrasonics jest Twoim zaufanym partnerem w zakresie wydajnych urządzeń ultradźwiękowych wysokiej jakości. Hielscher projektuje, produkuje i dystrybuuje najnowocześniejsze sonotrody, reaktory i sonotrody kubkowe do zastosowań sonochemicznych. Wszystkie urządzenia są produkowane zgodnie z procedurami certyfikowanymi według ISO i z niemiecką precyzją, zapewniającą najwyższą jakość, w naszej siedzibie w Teltow (w pobliżu Berlina) w Niemczech.
Oferta sonikatorów Hielscher obejmuje urządzenia od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych po w pełni przemysłowe reaktory ultradźwiękowe do produkcji chemicznej na dużą skalę. Sondy (znane również jako sonotrody lub końcówki ultradźwiękowe), wzmacniacze amplitudy i reaktory są łatwo dostępne w licznych rozmiarach i geometriach. Możliwe jest również wykonanie wersji dostosowanych do Twoich wymagań.
Ponieważ procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics są dostępne w dowolnej wielkości, od małych urządzeń laboratoryjnych po duże procesory przemysłowe do chemii w układach okresowych i przepływowych, wydajną sonikację można łatwo wdrożyć w dowolnym układzie reakcyjnym. Precyzyjna regulacja amplitudy ultradźwięków – najważniejszego parametru w zastosowaniach sonochemicznych – pozwala obsługiwać sonikatory Hielscher przy amplitudach od niskich do bardzo wysokich oraz dokładnie dostrajać amplitudę do wymaganych warunków procesu ultradźwiękowego w danym układzie reakcji chemicznej.
Generatory ultradźwiękowe Hielscher są wyposażone w inteligentne oprogramowanie z automatycznym rejestrowaniem danych. Wszystkie ważne parametry procesu, takie jak energia ultradźwiękowa, temperatura, ciśnienie i czas, są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD od momentu włączenia urządzenia.
Monitorowanie procesu i rejestrowanie danych są ważne dla ciągłej standaryzacji procesu i jakości produktu. Dostęp do automatycznie rejestrowanych danych procesu pozwala przeglądać wcześniejsze przebiegi sonikacji i oceniać wyniki.
Kolejną przyjazną dla użytkownika funkcją jest zdalne sterowanie naszymi cyfrowymi systemami ultradźwiękowymi przez przeglądarkę. Dzięki zdalnemu sterowaniu przez przeglądarkę możesz z dowolnego miejsca uruchamiać, zatrzymywać, regulować i monitorować swój procesor ultradźwiękowy.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak nasze wydajne homogenizatory ultradźwiękowe mogą usprawnić Twoją reakcję syntezy organokatalitycznej!

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: