Reacții organocatalitice promovate de sonicare

În chimia organică, organocataliza este o formă de cataliză în care rata unei reacții chimice este mărită de un catalizator organic. Acest “organocatalizator” constă din carbon, hidrogen, sulf și alte elemente nemetalice găsite în compuși organici. Aplicarea ultrasunetelor de mare putere la sistemele chimice este cunoscută sub numele de sonochimia și o tehnică bine stabilită pentru creșterea randamentelor, îmbunătățirea ratelor de reacție și accelerarea vitezei de reacție. Sub sonicare, devine adesea posibilă comutarea căilor chimice evitând produsele secundare nedorite. Sonochimia poate promova reacțiile organocatalitice, făcându-le mai eficiente și mai ecologice.

Organocataliză asimetrică – Îmbunătățit de sonicare

Sonochemistry, aplicarea ultrasunetelor de înaltă performanță în sistemele chimice, poate îmbunătăți semnificativ reacțiile organocatalitice. Organocataliza asimetrică combinată cu ultrasonication permite adesea transformarea organocatalizei într-un traseu mai prietenos cu mediul, încadrându-se astfel în terminologia chimiei verzi. Sonicare accelerează (asimetric) reacția organocatolitică și duce la randamente mai mari, rate de conversie mai rapide, izolare / purificare mai ușoară a produsului și selectivitate și reactivitate îmbunătățite. Pe lângă contribuția la îmbunătățirea cineticii reacției și a randamentului, ultrasonication poate fi adesea combinată cu solvenți de reacție durabilă, ar fi lichide ionice, solvenți eutectici adânci, solvenți ușori, netoxici și apă. Astfel, sonochimia nu numai că îmbunătățește reacția organocatolitică (asimetrică) în sine, dar ajută și la durabilitatea reacțiilor organocatalitice.

Cercetările au arătat exemple multiple pentru reacțiile oragnocatalitice intensificate sonochimic. De exemplu, moleculele de ADN dublu catenar, ca schelă chirală, sunt utilizate pentru a asambla catalizatori hibrizi metal-biomacromolecule pentru reacții de sinteză asimetrice. Catalizatorii pe bază de ADN G-quadruplex au fost aplicați în reacțiile asimetrice Michael addition, Diels-Alder și Friedel-Crafts. (cf. Zhao și Shen, 2018)
Pentru reacția promovată de inidiu, sonicare prezintă efecte benefice, deoarece reacția condusă sonochimic se desfășoară în condiții mai blânde, păstrând astfel niveluri ridicate de diasteroselecție. Folosind calea sonochimică, s-au obținut rezultate bune privind sinteza organocatalitică a carbohidraților β-lactamici, β-aminoacizi și spirodiketopiperazine din lactone de zahăr, precum și reacții de alilare și Reformatsky asupra eterilor oximi.

Ultrasonically promovat sinteza medicamentului organocatalitic

Rogozińska-Szymczak și Mlynarski (2014) raportează adăugarea asimetrică Michael de 4-hidroxicumarină la α,β-cetone nesaturate pe apă fără co-solvenți organici – catalizat de amine organice primare și sonicare. Aplicarea enantiomerică pură (S,S)-difeniletilendiamină oferă o serie de compuși farmaceutici activi importanți în randamente bune până la excelente (73-98%) și cu enantioselectivități bune (până la 76% ee) prin reacții accelerate de ultrasunete. Cercetătorii prezintă un protocol sonochimic eficient pentru formarea "solidelor pe apă" a warfarinei anticoagulante în ambele forme enantiomerice. Această reacție organocatalitică ecologică nu este doar scalabilă, ci produce și molecula țintă a medicamentului în formă enantiomerică pură.

Epoxidarea sonochimică a terpenelor

Charbonneau și colab. (2018) au demonstrat epoxidarea cu succes a terpenelor sub sonicare. Epoxidarea convențională necesită utilizarea unui catalizator, dar cu sonicare epoxidarea rulează ca reacție fără catalizator.
Dioxidul de limonen este o moleculă intermediară cheie pentru dezvoltarea policarbonaților biobazați sau a poliuretanilor nonizocianați. Sonicare permite epoxidarea fără catalizator a terpenelor într-un timp de reacție foarte scurt – în același timp, oferind randamente foarte bune. Pentru a demonstra eficacitatea epoxidării cu ultrasunete, echipa de cercetare a comparat epoxidarea limonenului cu dioxidul de limonen folosind dimetil dioxiran generat in situ ca agent de oxidare atât sub agitație convențională, cât și ultrasonication. Pentru toate studiile sonicare Hielscher UP50H (50W, 30kHz) ultrasonicator de laborator a fost folosit.

Timpul necesar pentru a converti complet limonenul în dioxid de limonen cu randament de 100% sub sonicare a fost de numai 4,5 minute la temperatura camerei. În comparație, atunci când se utilizează agitarea convențională folosind un agitator magnetic, timpul necesar pentru a ajunge la un randament de 97% de dioxid de limonen a fost de 1,5 ore. Epoxidarea α-pinenului a fost, de asemenea, studiată folosind ambele tehnici de agitare. Epoxidarea α-pinen la α-oxid de pinen sub sonicare a necesitat doar 4 min cu un randament obținut de 100%, în timp ce în comparație cu metoda convențională timpul de reacție a fost de 60 min. În ceea ce privește alte terpene, β-pinenul a fost transformat în oxid de β-pinen în doar 4 minute, în timp ce farnesolul a produs 100% din triepoxid în 8 minute. Carveolul, un derivat de limonen, a fost transformat în dioxid de carveol cu un randament de 98%. În reacția de epoxidare a carvonei folosind dimetil dioxiran, conversia a fost de 100% în 5 minute, producând oxid de 7,8-carvonă.
Principalele avantaje ale epoxidării terpenei sonochimice sunt natura ecologică a agentului oxidant (chimia verde), precum și timpul de reacție semnificativ redus care efectuează această oxidare sub agitație cu ultrasunete. Această metodă de epoxidare a permis atingerea unei conversii de 100% a limonenului cu un randament de 100% de dioxid de limonen în doar 4,5 minute, comparativ cu 90 de minute când se utilizează agitarea tradițională. În plus, în mediul de reacție nu au fost găsiți produși de oxidare ai limonenului, cum ar fi carvona, carveolul și alcoolul perrilil. Epoxidarea α-pinenului sub ultrasunete a necesitat doar 4 minute, producând 100% oxid de α-pinen fără oxidarea inelului. Alte terpene, cum ar fi β-pinenul, farnesolul și carveolul, au fost, de asemenea, oxidate, ducând la randamente foarte mari de epoxid.

Efecte sonochimice

Ca alternativă la metodele clasice, protocoalele bazate pe sonochimică au fost utilizate pentru a crește ratele unei game largi de reacții, rezultând produse generate în condiții mai blânde, cu o reducere semnificativă a timpilor de reacție. Aceste metode au fost descrise ca fiind mai ecologice și mai durabile și sunt asociate cu o selectivitate mai mare și un consum mai mic de energie pentru transformările dorite. Mecanismul acestor metode se bazează pe fenomenul de cavitație acustică, care induce condiții unice de presiune și temperatură prin formarea, creșterea și colapsul adiabatic al bulelor în mediul lichid. Acest efect îmbunătățește transferul de masă și crește fluxul turbulent în lichid, facilitând transformările chimice. În studiile noastre, utilizarea ultrasunetelor a dus la producerea de compuși în timpi de reacție reduse, cu randamente și puritate ridicate. Astfel de caracteristici au crescut numărul de compuși evaluați în modelele farmacologice, contribuind la accelerarea procesului de optimizare a hit-to-lead-ului.
Nu numai că acest aport de energie ridicată poate spori efectele mecanice în procesele eterogene, dar este, de asemenea, cunoscut faptul că induce noi reactivități care duc la formarea de specii chimice neașteptate. Ceea ce face sonochimia unică este fenomenul remarcabil de cavitație, care generează într-un spațiu limitat local al mediului micro-bule efecte extraordinare datorită ciclurilor alternative de înaltă presiune / joasă presiune, diferențelor de temperatură foarte ridicate, forțelor de forfecare ridicate și fluxului de lichid.

Avantajele reacțiilor organocatalitice promovate sonochimic

Sonicare este din ce în ce mai utilizat în sinteza organică și cataliză, deoarece efectele sonochimice arată o intensificare substanțială a reacțiilor chimice. Mai ales în comparație cu metodele tradiționale (de exemplu, încălzire, agitare), sonochimia este mai eficientă, mai convenabilă și mai precis controlabilă. Sonicare și sonochimie oferă mai multe avantaje majore, ar fi randamente mai mari, puritate crescută a compușilor și selectivitate, timpi de reacție mai scurți, costuri mai mici, precum și simplitatea în operarea și manipularea procedurii sonochimice. Acești factori benefici fac reacțiile chimice asistate ultrasonically nu numai mai eficace și mai economice, dar, de asemenea, mai ecologice.
Numeroase reacții organice s-au dovedit a da randamente mai mari în timp de reacție mai scurt și / sau în condiții mai blânde atunci când sunt efectuate folosind sonicare.

Ultrasonication permite reacții simple cu un singur vas

Sonicare permite inițierea reacțiilor multicomponente ca reacții cu un singur vas care asigură sinteza compușilor diferiți din punct de vedere structural. Astfel de reacții cu un singur vas sunt evaluate pentru o eficiență globală ridicată și simplitatea lor, deoarece nu este necesară izolarea și purificarea intermediarilor.

Efectele undelor cu ultrasunete asupra reacțiilor organocatalitice asimetrice au fost aplicate cu succes în diferite tipuri de reacții, inclusiv catalize de transfer de fază, reacții Heck, hidrogenare, reacții Mannich, reacții Barbier și Barbier-like, reacții Diels-Alder, reacție de cuplare Suzuki și adiție Micheal.

Găsiți ultrasonicator ideal pentru reacția organocatalitică!

Hielscher Ultrasonics este partenerul tău de încredere atunci când vine vorba de echipamente cu ultrasunete de înaltă performanță, de înaltă calitate. Hielscher proiectează, produce și distribuie sonde cu ultrasunete de ultimă generație, reactoare și coarne de cupă pentru aplicații sonochimice. Toate echipamentele sunt fabricate în conformitate cu procedurile certificate ISO și cu precizie germană pentru o calitate superioară în sediul nostru din Teltow (lângă Berlin), Germania.
Portofoliul de ultrasonicators Hielscher variază de la ultrasonicators de laborator compact la reactoare cu ultrasunete complet industriale pentru fabricarea chimică la scară largă. Sonde (de asemenea, cunoscut sub numele de sonotrodes, coarne cu ultrasunete sau vârfuri), coarne de rapel, și reactoare sunt disponibile în numeroase dimensiuni și geometrii. Versiunile personalizate pot fi fabricate și pentru cerințele dvs.
Din moment ce Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele cu ultrasunete sunt disponibile la orice dimensiune, de la dispozitive mici de laborator la procesoare industriale mari pentru aplicații chimice lot și flux, sonicare de înaltă performanță poate fi ușor implementată în orice configurație de reacție. Reglarea precisă a amplitudinii ultrasonice – Cel mai important parametru pentru aplicațiile sonochimice – permite operarea ultrasonicators Hielscher la amplitudini mici până la foarte mari și pentru a regla fin amplitudinea exact la condițiile de proces cu ultrasunete necesare ale sistemului de reacție chimică specifică.
Generatorul cu ultrasunete Hielscher dispune de un software inteligent cu protocolare automată a datelor. Toți parametrii importanți de procesare, ar fi energia cu ultrasunete, temperatura, presiunea și timpul sunt stocate automat pe un card SD încorporat imediat ce dispozitivul este pornit.
Monitorizarea proceselor și înregistrarea datelor sunt importante pentru standardizarea continuă a proceselor și calitatea produselor. Prin accesarea datelor de proces înregistrate automat, puteți revizui rulările sonicare anterioare și puteți evalua rezultatul.
O altă caracteristică ușor de utilizat este controlul de la distanță al browserului sistemelor noastre digitale cu ultrasunete. Prin intermediul controlului de la distanță al browserului puteți porni, opri, regla și monitoriza procesorul cu ultrasunete de la distanță de oriunde.
Contactați-ne acum pentru a afla mai multe despre omogenizatoarele noastre cu ultrasunete de înaltă performanță vă pot îmbunătăți reacția de sinteză oragnocatalitică!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: