Reações de Diels-Alder melhoradas por sonoquímica

As reações de Diels-Alder são amplamente utilizadas em sínteses químicas nas quais é necessário formar ligações entre átomos de carbono. A aplicação de ultrassons e os seus efeitos sonoquímicos são altamente eficazes na indução e promoção de reações de Diels-Alder, proporcionando rendimentos mais elevados, tempos de reação significativamente reduzidos e, simultaneamente, integrando-se numa química verde respeitadora do ambiente.

Reação de Diels-Alder intensificada por sonoquímica para a química verde

As reações de Diels-Alder são reações químicas nas quais se formam ligações entre átomos de carbono. A reação de Diels-Alder é classificada como uma cicloadição [4+2] termicamente permitida [_π4_s + _π2_s]. Uma vez que a síntese orgânica assistida por ultrassons é uma via de síntese verde e eficiente que aumenta as velocidades de reação, os rendimentos e a seletividade das reações, a sonicação é uma técnica simples e fiável, amplamente utilizada em laboratórios e na produção industrial. Frequentemente, a via promovida por sonoquímica facilita transformações orgânicas em condições ambientes que, de outro modo, exigiriam condições drásticas de temperatura e pressão, o que ajuda a reduzir os custos energéticos e torna a síntese química um procedimento mais seguro.

Reação de Diels-Alder por ultrassons utilizando solventes eutéticos profundos

Os solventes eutéticos profundos (DES) são soluções de ácidos e bases de Lewis ou de Brønsted que formam uma mistura eutética. Uma vez que os solventes eutéticos profundos não são inflamáveis, apresentam baixas pressões de vapor e baixa toxicidade e são frequentemente produzidos a partir de compostos naturais, constituem uma alternativa de solvente mais segura e mais respeitadora do ambiente. Sabe-se que a aplicação de ultrassons e os solventes eutéticos profundos atuam em sinergia, sendo, por isso, utilizados na síntese química e na extração por ultrassons. A utilização de solventes eutéticos profundos também é benéfica nas reações de Diels-Alder promovidas por ultrassons. Por exemplo, utiliza-se a sonicação para promover a reação de Diels-Alder com N-etilmaleimida como dienófilo, variando a natureza do dieno em solventes eutéticos profundos (DES), tanto sob aquecimento convencional como sob ativação ultrassónica.
A utilização de ativação ultrassónica em combinação com solventes eutéticos profundos revelou-se benéfica, proporcionando bons rendimentos em tempos de reação drasticamente reduzidos.

Reação de Diels−Alder melhorada por ultrassons.
esquema adaptado de Marullo et al., 2020

Procedimento geral para a reação de Diels-Alder utilizando DES e sonicação

As reações de Diels-Alder promovidas por ultrassons foram realizadas inserindo a sonda ultrassónica (sonotrodo / corneta) no recipiente de reação. Utilizando uma sonda ultrassónica com uma ponta de 0,5 cm de diâmetro, a potência nominal de saída foi de 70 W. As reações foram realizadas a 40°C, aplicando sonicação em modo pulsado com ciclos de 5 sec LIGADO e 20 sec DESLIGADO. A reação de Diels-Alder intensificada por ultrassons proporcionou bons rendimentos num tempo muito mais curto do que em condições sem sonicação (70 min e 24 h para as reações sonoquímicas e sem sonicação, respetivamente).
Para avaliar a eficiência energética da reação de Diels-Alder intensificada por sonoquímica, comparou-se o consumo energético da reação de Diels-Alder sem sonicação com o da reação promovida por ultrassons. Os cálculos indicaram um consumo de 35 094 kJ/g para a reação sem sonicação e de 28,4 kJ/g para a reação assistida por ultrassons (corneta ultrassónica com uma potência de saída de 70 W de energia líquida), respetivamente. Isto resulta numa poupança de energia de 99% para a reação de Diels-Alder induzida por sonoquímica. Todas estas observações sugerem fortemente que a utilização combinada de solventes eutéticos profundos (DES) e irradiação ultrassónica é uma metodologia eficiente e economizadora de energia para processos de síntese importantes, como a reação de Diels-Alder. (Marullo et al., 2020)

O efeito de vários solventes eutéticos profundos em combinação com a sonicação

Os melhores resultados para a reação de Diels-Alder promovida por ultrassons foram obtidos quando os solventes eutéticos profundos [ChCl]:[Fru] e [TBACl]:[EG] são utilizados como solventes. A utilização de [ChCl]:[Fru] e [TBACl]:[EG] como solventes proporcionou reduções significativas no tempo de reação, bem como melhorias significativas no rendimento (para [TBACl]:[EG] 73% e 87%, e para [ChCl]:[Fru] 23 e 75% em condições sem sonicação e sonoquímicas, respetivamente).
Em alguns casos, nomeadamente quando [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], e [AcChCl]:[EG] são utilizados como solventes, os rendimentos são comparáveis aos obtidos em condições sem sonicação, mas a velocidade do processo químico continua a aumentar drasticamente com a sonicação.
A sonicação funciona muito bem com solventes viscosos e com baixa pressão de vapor, como os líquidos iónicos (ILs), uma vez que estas condições facilitam a geração de efeitos de cavitação mais intensos. Como os solventes eutéticos profundos possuem propriedades físicas semelhantes às dos líquidos iónicos, podem ser utilizados adequadamente em conjunto com a aplicação de ultrassons. A ação combinada dos solventes eutéticos profundos (DES) e da sonicação diminui significativamente as necessidades energéticas da reação de Diels-Alder. Podem observar-se reduções significativas no tempo de reação de 24 h para 70 min, obtendo-se simultaneamente rendimentos muito bons. No que respeita à eficiência do processo, isto significa que a utilização combinada de solventes eutéticos profundos (DES) e da aplicação de ultrassons permite processar uma quantidade de materiais 10 vezes superior à processada em condições sem sonicação. (Marullo et al., 2020)

Reação de Diels-Alder de alcenos oxabicíclicos por ultrassons

Wei e colegas (2004) demonstraram que a reação de Diels–Alder de furanos substituídos com dienófilos reativos, como o acetilenodicarboxilato de dimetilo (DMAD) e o maleato de dimetilo, promovida por ultrassons, proporcionou alcenos oxabicíclicos funcionalizados com bons rendimentos. A reação de cicloadição de Diels-Alder furânica regiospecífica de furanos 2-vinílicos com DMAD, promovida por ultrassons, proporcionou alcenos oxabicíclicos funcionalizados com bom rendimento.

Reações de cicloadição melhoradas por sonoquímica

Bravo e colegas (2006) descreveram uma série de cicloadições sonoquímicas envolvendo ciclopentadieno ou 1,3-ciclo-hexadieno com dienófilos carbonílicos, num líquido iónico à base de imidazólio como meio de reação. Demonstraram que a aplicação de ultrassons melhora efetivamente estas reações de cicloadição, proporcionando rendimentos mais elevados e/ou tempos de reação reduzidos em comparação com as reações correspondentes sem sonicação. Por exemplo, para dienófilos α,β-insaturados simples, como a metil vinil cetona ou a acroleína, os efeitos da ativação ultrassónica são evidentes. Por exemplo, a metil vinil cetona proporciona um rendimento de 89% em 1 h de sonicação suave, enquanto a reação sem sonicação proporcionou apenas 52% no mesmo tempo de reação.

Sonicadores de todas as dimensões para reações de Diels-Alder promovidas por sonoquímica

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui homogeneizadores ultrassónicos de sonda de elevado desempenho e equipamento sonoquímico para integração em sistemas químicos, como reações de síntese e de catálise. Os sonicadores Hielscher são utilizados em todo o mundo como ferramenta fiável para promover, intensificar, acelerar e melhorar reações químicas.
Os processadores ultrassónicos da Hielscher Ultrasonics estão disponíveis em todas as dimensões, desde pequenos dispositivos laboratoriais até grandes processadores industriais, para aplicações de química em descontínuo e em fluxo. O ajuste preciso da amplitude ultrassónica – o parâmetro mais importante para aplicações sonoquímicas – permite operar os sonicadores Hielscher com amplitudes baixas a muito elevadas e ajustar com precisão a amplitude às condições do processo ultrassónico exigidas pelo sistema de reação química específico.
O gerador ultrassónico da Hielscher inclui software inteligente com registo automático de dados. Todos os parâmetros de processamento importantes, como a energia ultrassónica, a temperatura, a pressão e o tempo, são automaticamente guardados num cartão SD integrado assim que o dispositivo é ligado.
A monitorização do processo e o registo de dados são importantes para a normalização contínua do processo e para a qualidade do produto. Ao aceder aos dados do processo registados automaticamente, pode rever operações de sonicação anteriores e avaliar os resultados.
Outra funcionalidade de fácil utilização é o controlo remoto dos nossos sistemas ultrassónicos digitais através do navegador. Através deste controlo remoto, pode iniciar, parar, ajustar e monitorizar o seu processador ultrassónico remotamente, a partir de qualquer lugar.
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A tabela abaixo apresenta uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores: