Reacções Organocatalíticas Promovidas por Sonicação

Em química orgânica, a organocatálise é uma forma de catálise em que a velocidade de uma reação química é aumentada por um catalisador orgânico. Esta “organocatalisador” consiste em carbono, hidrogénio, enxofre e outros elementos não metálicos encontrados em compostos orgânicos. A aplicação de ultra-sons de alta potência a sistemas químicos é conhecida como sonoquímica e é uma técnica bem estabelecida para aumentar os rendimentos, melhorar as taxas de reação e acelerar a velocidade de reação. Sob sonicação, torna-se frequentemente possível mudar as vias químicas evitando subprodutos indesejados. A sonoquímica pode promover reacções organocatalíticas, tornando-as mais eficientes e respeitadoras do ambiente.

Organocatálise assimétrica – Melhorado por Sonicação

A sonoquímica, a aplicação de ultra-sons de alto desempenho em sistemas químicos, pode melhorar significativamente as reacções organocatalíticas. A organocatálise assimétrica combinada com a ultrassonografia permite frequentemente transformar a organocatálise numa via mais amiga do ambiente, caindo assim sob a terminologia da química verde. A sonicação acelera a reação organocatalítica (assimétrica) e conduz a rendimentos mais elevados, a taxas de conversão mais rápidas, a um isolamento/purificação mais fácil do produto e a uma melhor seletividade e reatividade. Além de contribuir para a melhoria da cinética de reação e rendimento, ultra-sons pode ser muitas vezes combinada com solventes de reação sustentáveis, tais como líquidos iónicos, solventes eutécticos profundas, suaves, solventes não tóxicos, e água. Deste modo, a sonoquímica não só melhora a reação organocatlítica (assimétrica) em si, mas também auxilia a sustentabilidade das reacções organocatalíticas.

A investigação tem mostrado múltiplos exemplos de reacções oragnocatalíticas intensificadas por sonoquímica. Por exemplo, moléculas de ADN de cadeia dupla como suporte quiral são utilizadas para montar catalisadores híbridos metal-biomacromolécula para reacções de síntese assimétrica. Os catalisadores baseados em ADN G-quadruplex foram aplicados em reacções assimétricas de adição de Michael, Diels-Alder e Friedel-Crafts. (cf. Zhao e Shen, 2018)
Para a reação promovida pelo inídio, a sonicação mostra efeitos benéficos, uma vez que a reação sonoquímica decorre em condições mais suaves, preservando assim elevados níveis de diasteroselecção. Utilizando a via sonoquímica, foram obtidos bons resultados na síntese organocatalítica de hidratos de carbono β-lactâmicos, β-aminoácidos e espirodiketopiperazinas a partir de lactonas de açúcar, bem como reacções de alilação e Reformatsky em éteres de oxima.

Síntese organocatalítica de fármacos promovida por ultra-sons

Rogozińska-Szymczak e Mlynarski (2014) relatam a adição assimétrica de Michael de 4-hidroxicumarina a cetonas α,β-insaturadas em água sem co-solventes orgânicos – catalisada por aminas primárias orgânicas e sonicação. A aplicação de (S,S)-difeniletilenodiamina enantiomericamente pura permite obter uma série de importantes compostos farmaceuticamente activos com rendimentos bons a excelentes (73-98%) e com boas enantioselectividades (até 76% ee) através de reacções aceleradas por ultra-sons. Os investigadores apresentam um protocolo sonoquímico eficiente para a formação de "sólidos em água" do anticoagulante varfarina em ambas as formas enantioméricas. Esta reação organocatalítica amiga do ambiente não só é escalável, como também produz a molécula do medicamento alvo numa forma enantiomericamente pura.

Epoxidação sonoquímica de terpenos

Charbonneau et al. (2018) demonstraram a epoxidação bem-sucedida de terpenos sob sonicação. A epoxidação convencional requer o uso de um catalisador, mas com sonicação a epoxidação funciona como reação livre de catalisador.
O dióxido de limoneno é uma molécula intermédia fundamental para o desenvolvimento de policarbonatos de base biológica ou de poliuretanos não isocianatos. A sonicação permite a epoxidação sem catalisador de terpenos num tempo de reação muito curto – ao mesmo tempo, dando rendimentos muito bons. A fim de demonstrar os effectivenes de epoxidação ultra-sônica, a equipe de pesquisa comparou a epoxidação de limoneno ao dióxido de limoneno usando dimetil dioxirano gerado in-situ como o agente oxidante sob agitação convencional e ultrassom. Para todos os ensaios de sonicação, o Ultrassons de laboratório Hielscher UP50H (50W, 30kHz) foi utilizado.

O tempo necessário para converter completamente o limoneno em dióxido de limoneno com 100% de rendimento sob sonicação foi de apenas 4,5 min à temperatura ambiente. Em comparação, quando a agitação convencional usando um agitador magnético é usada, o tempo necessário para atingir um rendimento de 97% de dióxido de limoneno foi de 1,5 h. A epoxidação de α-pineno também foi estudada usando ambas as técnicas de agitação. A epoxidação do α-pineno em óxido de α-pineno sob sonicação exigiu apenas 4 minutos com um rendimento obtido de 100%, enquanto que, em comparação com o método convencional, o tempo de reação foi de 60 minutos. Quanto a outros terpenos, o β-pineno foi convertido em óxido de β-pineno em apenas 4 minutos, enquanto o farnesol produziu 100% do triepóxido em 8 minutos. O carveol, um derivado do limoneno, foi convertido em dióxido de carveol com um rendimento de 98%. Na reação de epoxidação da carvona utilizando dimetil dioxirano, a conversão foi de 100% em 5 minutos, produzindo óxido de 7,8-carvona.
As principais vantagens da epoxidação terpeno sonoquímica são a natureza amiga do ambiente do agente oxidante (química verde), bem como o tempo de reação significativamente reduzido que realiza esta oxidação sob agitação ultra-sónica. Este método de epoxidação permitiu atingir 100% de conversão de limoneno com um rendimento de 100% de dióxido de limoneno em apenas 4,5 min em comparação com 90 min quando a agitação tradicional é usada. Além disso, não foram encontrados no meio de reação produtos de oxidação do limoneno, como a carvona, o carveol e o álcool perrilílico. A epoxidação do α-pineno sob ultrassom exigiu apenas 4 min, produzindo 100% de óxido de α-pineno sem oxidação do anel. Outros terpenos, como o β-pineno, o farnesol e o carveol, também foram oxidados, conduzindo a rendimentos muito elevados de epóxido.

efeitos sonoquímicos

Como alternativa aos métodos clássicos, os protocolos baseados em sonoquímica têm sido utilizados para aumentar as taxas de uma grande variedade de reacções, resultando em produtos gerados em condições mais suaves com uma redução significativa dos tempos de reação. Estes métodos têm sido descritos como mais amigos do ambiente e sustentáveis e estão associados a uma maior seletividade e a um menor consumo de energia para as transformações desejadas. O mecanismo destes métodos baseia-se no fenómeno da cavitação acústica, que induz condições únicas de pressão e temperatura através da formação, crescimento e colapso adiabático de bolhas no meio líquido. Esse efeito melhora a transferência de massa e aumenta o fluxo turbulento no líquido, facilitando as transformações químicas. Nos nossos estudos, a utilização de ultra-sons conduziu à produção de compostos em tempos de reação reduzidos, com rendimentos e pureza elevados. Tais caraterísticas aumentaram o número de compostos avaliados em modelos farmacológicos, contribuindo para acelerar o processo de otimização do hit to lead.
Esta entrada de alta energia não só pode aumentar os efeitos mecânicos em processos heterogéneos, como também é conhecida por induzir novas reactividades que levam à formação de espécies químicas inesperadas. O que torna a sonoquímica única é o fenómeno notável da cavitação, que gera, num espaço localmente confinado do ambiente de micro-bolhas, efeitos extraordinários devido à alternância de ciclos de alta pressão/baixa pressão, diferenciais de temperatura muito elevados, forças de corte elevadas e fluxo de líquido.

As Vantagens das Reacções Organocatalíticas Promovidas por Sonoquímica

A sonicação é cada vez mais utilizada na síntese orgânica e na catálise, uma vez que os efeitos sonoquímicos mostram uma intensificação substancial das reacções químicas. Especialmente quando comparada com os métodos tradicionais (por exemplo, aquecimento, agitação), a sonoquímica é mais eficiente, conveniente e controlável com precisão. A sonicação e a sonoquímica oferecem várias vantagens importantes, tais como rendimentos mais elevados, maior pureza dos compostos e seletividade, tempos de reação mais curtos, custos mais baixos, bem como a simplicidade de funcionamento e manuseamento do procedimento sonoquímico. Estes factores benéficos tornam as reacções químicas assistidas por ultra-sons não só mais eficazes e mais seguras, mas também mais amigas do ambiente.
Está provado que numerosas reacções orgânicas produzem rendimentos mais elevados em tempos de reação mais curtos e/ou em condições mais suaves quando realizadas com recurso à sonicação.

Ultrasonication permite reações simples de um pote

A sonicação permite iniciar reacções multicomponentes como reacções one-pot que proporcionam a síntese de compostos estruturalmente diversos. Estas reacções "one-pot" são valorizadas por uma elevada eficiência global e pela sua simplicidade, uma vez que não é necessário isolar e purificar os intermediários.

Os efeitos das ondas de ultra-sons nas reacções organocatalíticas assimétricas foram aplicados com êxito em vários tipos de reacções, incluindo catálises de transferência de fase, reacções Heck, hidrogenação, reacções de Mannich, reacções de Barbier e reacções do tipo Barbier, reacções de Diels-Alder, reacções de acoplamento de Suzuki e adição de Micheal.

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