Em química orgânica, organocatálise é uma forma de catálise na qual a taxa de reação química é aumentada por um catalisador orgânico. Este “organocatátlyst” consiste em carbono, hidrogênio, enxofre e outros elementos não metálicos encontrados em compostos orgânicos. A aplicação de ultrassom de alta potência a sistemas químicos é conhecida como sonoquímica e uma técnica bem estabelecida para aumentar os rendimentos, melhorar as taxas de reação e acelerar a velocidade de reação. Sob sônica, torna-se muitas vezes possível trocar vias químicas evitando subprodutos indesejados. A sonoquímica pode promover reações organocáticas tornando-as mais eficientes e ecológicas.

Organocatálise assimétrica – Melhorado pela Sonication

A sonoquímica, a aplicação de ultrassom de alto desempenho em sistemas químicos, pode melhorar significativamente as reações organocatálticas. Organocatálise assimétrica combinada com ultrassônica muitas vezes permite transformar organocatálise em uma rota ambiental-amigável, caindo assim sob a terminologia da química verde. A sonicação acelera a reação organocatlínica (assimétrica) e leva a maiores rendimentos, taxas de conversão mais rápidas, isolamento/purificação do produto mais fácil e melhor seletividade e reatividade. Além de contribuir para a melhoria da cinética e do rendimento da reação, a ultrassonização pode ser frequentemente combinada com solventes de reação sustentáveis, como líquidos iônicos, solventes eutéticos profundos, solventes leves, não tóxicos e água. Assim, a sonoquímica não só melhora a reação organocatlítica (assimétrica) em si, mas também auxilia na sustentabilidade das reações organocatálticas.

Pesquisas mostraram múltiplos exemplos de reações oragnocatalíticas sonoquimicamente intensificadas. Por exemplo, moléculas de DNA duplamente encalhadas como um andaime quiral são usadas para montar catalisadores híbridos metal-biomacromolécula para reações de síntese assimétrica. Catalisadores baseados em DNA G-quadruplex foram aplicados nas reações assimétricas de Michael, Diels-Alder e Friedel-Crafts. (cf. Zhao e Shen, 2018)
Para a reação promovida por inidium, a sonicação mostra efeitos benéficos, uma vez que a reação sonoquimicamente impulsionada corre em condições mais brandas, preservando assim altos níveis de diáterosegia. Utilizando a rota sonoquíica, foram obtidos bons resultados na síntese organocatática de carboidratos β-lactam, β-aminoácidos e espirodiketopiperazinas de lactonas de açúcar, bem como alitilação e reações reformatsky em éteres de oxime.

Síntese de Drogas Organotáticas Ultrasonicamente Promovida

Rogozińska-Szymczak e Mlynarski (2014) relatam a adição assimétrica de Michael de 4-hidroxicoumarina a α,β-insaturados cetonas na água sem co-solventes orgânicos – catalisado por aminas primárias orgânicas e sônica. A aplicação de enantiomericamente pura (S,S)-difenilethylenediamina proporciona uma série de compostos farmacêuticos importantes em bom a excelentes rendimentos (73-98%) e com boas eantioselegibilidades (até 76% ee) através de reações aceleradas pelo ultrassom. Os pesquisadores apresentam um protocolo sonoquímico eficiente para a formação de "sólidos na água" da varfarina anticoagulante em ambas as formas eantiomericas. Esta reação organotolítica ambientalmente amigável não é apenas escalável, mas também produz a molécula de droga alvo em forma enantiomericamente pura.

Epóxidação sonora de terpenos

Charbonneau et al. (2018) desmuram a epóxida bem sucedida de terpenos sob sônica. A epóxidação convencional requer o uso de um catalisador, mas com a sônicação a epoxidação funciona como reação livre de catalisadores.
O dióxido de limoneno é uma molécula intermediária chave para o desenvolvimento de policarbonatos biobáseados ou poliuretanos não-ocianatos. A sonicação permite a epoxidação livre de terpenos em um tempo de reação muito curto – ao mesmo tempo dando rendimentos muito bons. A fim de demonstrar os efeitos da epoxidação ultrassônica, a equipe de pesquisa comparou a epóxida de limoneno ao dióxido de limoneno usando dietoxirane dimetil gerada in situ como o agente oxidante sob agitação convencional e ultrassônica. Para todos os ensaios de sônicação o Hielscher UP50H (50W, 30kHz) ultrassônico de laboratório foi usado.

O tempo necessário para converter completamente limoneno em dióxido de limoneno com rendimento de 100% sob sônica 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 epóxidação de α-pinene também tem sido estudada utilizando ambas as técnicas de agitação. Epóxidação de α-pinene para α-pinene óxido sob sonicação exigiu apenas 4 min com um rendimento obtido de 100%, enquanto em comparação com o método convencional o tempo de reação foi de 60 min. Quanto a outros terpenos, β-pinene foi convertido em óxido de β-pinene em apenas 4 min, enquanto farnesol rendeu 100% do triepóxido em 8 min. Carveol, um derivado de limoneno, foi convertido em dióxido de carveol com um rendimento de 98%. Na reação de epóxida de carvone utilizando dietoxirane dimetil a conversão foi de 100% em 5 min produzindo óxido de 7,8 carvone.
As principais vantagens da epoxidação de terpenos sonoquímicos são a natureza ambiental-friendly do agente oxidante (química verde), bem como o tempo de reação significativamente reduzido realizando esta oxidação sob agitação ultrassônica. Este método de epóxida 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 produtos de oxidação de limoneno, como carvone, carveol e álcool perrilyl. A epóxida de α-pinene sob ultrassom exigiu apenas 4 min, produzindo 100% de óxido α-pinene sem oxidação do anel. Outros terpenos como β-pinene, farnesol e carveol também foram oxidados, levando a rendimentos muito altos de epóxi.

efeitos sonoquímicos

Como alternativa aos métodos clássicos, protocolos de base sonoquímica têm sido usados para aumentar as taxas de uma grande variedade de reações, resultando em produtos gerados em condições mais brandas com uma redução significativa nos tempos de reação. Esses métodos têm sido descritos como mais ecológicos e sustentáveis e estão associados a maior seletividade e menor consumo de energia para as transformações desejadas. O mecanismo desses métodos baseia-se no fenômeno 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. Em nossos estudos, o uso de ultrassom levou à produção de compostos em tempos reduzidos de reação com alto rendimento e pureza. Tais características aumentaram o número de compostos avaliados em modelos farmacológicos, contribuindo para acelerar o impacto no processo de otimização de chumbo.
Não só essa entrada de alta energia pode melhorar os efeitos mecânicos em processos heterogêneos, mas também é conhecida por induzir novas reatividades que levem à formação de espécies químicas inesperadas. O que torna a sonoquímica única é o notável fenômeno da cavitação, que gera em um espaço localmente confinado do ambiente de micro-bolhas efeitos extraordinários devido à alternância de ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, diferenciais de temperatura muito altas, forças de alta cisalhamento e streaming líquido.

As vantagens das reações organocáticas sonoramente promovidas

A sônicação é cada vez mais usada na síntese orgânica e na catálise, uma vez que os efeitos sonoquímicos mostram uma intensificação substancial das reações químicas. Especialmente quando comparada com os métodos tradicionais (por exemplo, aquecimento, agitação), a sonoquímica é mais eficiente, conveniente e precisamente controlável. A sônica e a sonoquímica oferecem várias grandes vantagens, como maiores rendimentos, maior pureza dos compostos e seletividade, tempos de reação mais curtos, custos mais baixos, bem como a simplicidade na operação e manuseio do procedimento sonológico. Esses fatores benéficos tornam as reações químicas ultrasonicamente assistidas não apenas mais eficazes e poupadoras, mas também mais amigáveis ao meio ambiente.
Inúmeras reações orgânicas têm sido comprovadas para dar maiores rendimentos em menor tempo de reação e/ou em condições mais brandas quando realizadas usando sônica.

Ultrassonicação permite reações simples de um pote

A sonicação permite iniciar reações multicomponentes como reações de um pote que fornecem a síntese de compostos estruturalmente diversos. Tais reações de um pote são valorizadas por uma alta eficiência global e sua simplicidade, uma vez que o isolamento e purificação de intermediários não é necessário.

Os efeitos das ondas de ultrassom sobre reações organotáticas assimétricas foram aplicados com sucesso em vários tipos de reação, incluindo catalises de transferência de fase, reações heck, hidrogenação, reações mannich, reações barbier e barbier- like, reações Diels-Alder, reação de acoplamento Suzuki, e adição micheal.

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