Reações organocatalíticas promovidas pela sonicação

Em química orgânica, organocatálise é uma forma de catálise na qual a taxa de uma reação química é aumentada por um catalisador orgânico. Este “organocatalisador” 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 da reação. Sob sonicação, muitas vezes torna-se possível mudar as vias químicas evitando subprodutos indesejados. A sonoquímica pode promover reações organocatalíticas, tornando-as mais eficientes e ecológicas.

Organocatálise assimétrica – Melhorado por Sonication

A sonoquímica, a aplicação de ultrassom de alto desempenho em sistemas químicos, pode melhorar significativamente as reações organocatalíticas. A organocatálise assimétrica combinada com a ultrassonografia geralmente permite transformar a organocatálise em uma rota mais ecológica, caindo assim na terminologia da química verde. A sonicação acelera a reação organocatlítica (assimétrica) e leva a rendimentos mais altos, taxas de conversão mais rápidas, isolamento/purificação mais fácil do produto e melhor seletividade e reatividade. Além de contribuir para a melhoria da cinética e do rendimento da reação, a ultrassonografia pode ser frequentemente combinada com solventes de reação sustentáveis, como líquidos iônicos, solventes eutéticos profundos, solventes suaves e não tóxicos e água. Assim, a sonoquímica não apenas melhora a reação organocatlítica (assimétrica) em si, mas também auxilia na sustentabilidade das reações organocatalíticas.

A pesquisa mostrou vários exemplos de reações oragnocatalíticas intensificadas sonoquimicamente. Por exemplo, moléculas de DNA de fita dupla como um andaime quiral são usadas para montar catalisadores híbridos de metal-biomacromolécula para reações de síntese assimétricas. Catalisadores baseados em DNA G-quadruplex têm sido aplicados em reações 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 conduzida sonoquimicamente ocorre em condições mais brandas, preservando assim altos níveis de diasterosseleção. Utilizando a via sonoquímica, foram alcançados bons resultados na síntese organocatalítica de carboidratos β-lactâmicos, β-aminoácidos e espirodicetopiperazinas a partir de lactonas de açúcar, bem como reações de alilação e Reformatsky em éteres de oxima.

Síntese de drogas organocatalíticas promovida por ultrassom

Rogozińska-Szymczak e Mlynarski (2014) relatam a adição assimétrica de Michael de 4-hidroxicumarina a cetonas α,β-insaturadas em água sem cossolventes orgânicos – catalisado por aminas primárias orgânicas e sonicação. A aplicação de (S,S)-difenilenodiamina enantiomericamente pura proporciona uma série de importantes compostos farmacologicamente ativos em rendimentos bons a excelentes (73–98%) e com boas enantiosseletividades (até 76% ee) por meio de reações aceleradas por ultrassom. Os pesquisadores apresentam um protocolo sonoquímico eficiente para a formação de 'sólidos na água' do anticoagulante varfarina em ambas as formas enantioméricas. Essa reação organocatalítica ecologicamente correta não é apenas escalável, mas também produz a molécula do medicamento alvo na 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 a sonicação a epoxidação funciona como reação livre de catalisador.
O dióxido de limoneno é uma molécula intermediária chave para o desenvolvimento de policarbonatos de base biológica ou poliuretanos não isocianatos. A sonicação permite a epoxidação livre de catalisadores de terpenos em um tempo de reação muito curto – ao mesmo tempo, dando rendimentos muito bons. A fim de demonstrar a eficácia da epoxidação ultrassônica, a equipe de pesquisa comparou a epoxidação de limoneno com dióxido de limoneno usando dimetil dioxirano gerado in-situ como agente oxidante sob agitação convencional e ultrassom. Para todos os ensaios de sonicação, o Ultrassônico de laboratório Hielscher UP50H (50W, 30kHz) foi usado.

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 do α-pineno também foi estudada usando ambas as técnicas de agitação. A epoxidação do óxido de α-pineno a α-pineno 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 aos outros terpenos, o β-pineno foi convertido em óxido de β-pineno em apenas 4 min, enquanto o farnesol produziu 100% do triepóxido em 8 min. O carveol, um derivado do limoneno, foi convertido em dióxido de carveol com um rendimento de 98%. Na reação de epoxidação da carvona usando dimetil dioxirano, a conversão foi de 100% em 5 min, produzindo óxido de 7,8-carvona.
As principais vantagens da epoxidação sonoquímica do terpeno são a natureza ecológica do agente oxidante (química verde), bem como o tempo de reação significativamente reduzido realizando essa oxidação sob agitação ultrassônica. 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, nenhum produto de oxidação do limoneno, como carvona, carveol e álcool perrilílico, foi encontrado no meio de reação. 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 β-pineno, farnesol e carveol, também foram oxidados, levando a rendimentos de epóxi muito altos.

efeitos sonoquímicos

Como alternativa aos métodos clássicos, protocolos baseados em sonoquímica têm sido usados para aumentar as taxas de uma ampla 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 de tais métodos é baseado 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. Este efeito melhora a transferência de massa e aumenta o fluxo turbulento no líquido, facilitando as transformações químicas. Em nossos estudos, o uso do ultrassom levou à produção de compostos em tempos de reação reduzidos com alto rendimento e pureza. Tais características têm aumentado o número de compostos avaliados em modelos farmacológicos, contribuindo para acelerar o processo de otimização do hit to lead.
Essa entrada de alta energia não apenas pode aumentar os efeitos mecânicos em processos heterogêneos, mas também é conhecida por induzir novas reatividades que levam 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 microbolhas efeitos extraordinários devido a ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, diferenciais de temperatura muito altos, forças de alto cisalhamento e fluxo de líquido.

As vantagens das reações organocatalíticas promovidas sonoquimicamente

A sonicação é cada vez mais utilizada em síntese orgânica e 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 controlável com precisão. A sonicação e a sonoquímica oferecem várias vantagens importantes, 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 sonoquímico. Esses fatores benéficos tornam as reações químicas assistidas por ultrassom não apenas mais eficazes e econômicas, mas também mais ecológicas.
Inúmeras reações orgânicas comprovadamente proporcionam maiores rendimentos em menor tempo de reação e / ou em condições mais brandas quando realizadas usando sonicação.

A ultrassonografia 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. Essas reações de um pote são valorizadas por uma alta eficiência geral e sua simplicidade, uma vez que o isolamento e a purificação de intermediários não são necessários.

Os efeitos das ondas de ultrassom em reações organocatalíticas assimétricas foram aplicados com sucesso em vários tipos de reação, incluindo catalisações de transferência de fase, reações de Heck, hidrogenação, reações de Mannich, reações de Barbier e Barbier-like, reações de Diels-Alder, reação de acoplamento de Suzuki e adição de Micheal.

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