Reacții organocatalitice promovate prin sonicare

În chimia organică, organocataliza este o formă de cataliză în care viteza unei reacții chimice este mărită de un catalizator organic. Acest „organocatalizator” este alcătuit din carbon, hidrogen, sulf și alte elemente nemetalice prezente în compușii organici. Aplicarea ultrasunetelor de mare putere în sistemele chimice este cunoscută sub numele de sonochimie și reprezintă o tehnică bine stabilită pentru a crește randamentele, a îmbunătăți vitezele de reacție și a accelera desfășurarea reacției. Sub sonicare devine adesea posibilă comutarea căilor chimice, evitându-se produșii secundari nedoriți. Sonochimia poate promova reacțiile organocatalitice, făcându-le mai eficiente și mai ecologice.

Organocataliza asimetrică – îmbunătățită prin sonicare

Sonochimia, adică aplicarea ultrasunetelor de înaltă performanță în sistemele chimice, poate îmbunătăți semnificativ reacțiile organocatalitice. Organocataliza asimetrică combinată cu ultrasonicarea permite adesea transformarea organocatalizei într-o cale mai ecologică, încadrându-se astfel în terminologia chimiei verzi. Sonicarea accelerează reacția organocatalitică (asimetrică) și conduce la randamente mai mari, rate de conversie mai rapide, izolare/purificare mai ușoară a produsului, precum și la selectivitate și reactivitate îmbunătățite. Pe lângă contribuția la îmbunătățirea cineticii și a randamentului reacției, ultrasonicarea poate fi adesea combinată cu solvenți de reacție sustenabili, cum ar fi lichidele ionice, solvenții eutectici profunzi, solvenții blânzi, netoxici, și apa. Astfel, sonochimia nu numai că îmbunătățește reacția organocatalitică (asimetrică) în sine, ci sprijină și sustenabilitatea reacțiilor organocatalitice.

Cercetările au evidențiat numeroase exemple de reacții organocatalitice intensificate sonochimic. De exemplu, moleculele de ADN dublu catenar sunt utilizate ca schelet chiral pentru asamblarea catalizatorilor hibrizi metal-biomacromoleculă destinați reacțiilor de sinteză asimetrică. Catalizatorii pe bază de ADN G-cvadruplex au fost aplicați în adiția Michael asimetrică, în reacțiile Diels-Alder și Friedel-Crafts. (cf. Zhao și Shen, 2018)
Pentru reacția promovată de inidium, sonicarea are efecte benefice, deoarece reacția condusă sonochimic se desfășoară în condiții mai blânde, păstrând astfel niveluri ridicate de diastereoselecție. Utilizând calea sonochimică, s-au obținut rezultate bune în sinteza organocatalitică a carbohidraților β-lactamici, a β-aminoacidului și a spirodicetopiperazinelor din lactone de zahăr, precum și în reacțiile de alilare și Reformatsky pe eteri de oximă.

Sinteza organocatalitică a medicamentelor promovată cu ultrasunete

Rogozińska-Szymczak și Mlynarski (2014) raportează adiția Michael asimetrică a 4-hidroxicumarinei la cetone α,β-nesaturate pe apă, fără co-solvenți organici – catalizată de amine primare organice și de sonicare. Utilizarea (S,S)-difeniletilendiaminei enantiomeric pure furnizează o serie de compuși importanți, activi farmaceutic, cu 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 de tip „solide pe apă” a anticoagulantului warfarină în ambele forme enantiomerice. Această reacție organocatalitică ecologică nu este doar scalabilă, ci furnizează și molecula medicamentului țintă în formă enantiomeric pură.

Epoxidarea sonochimică a terpenelor

Charbonneau et al. (2018) au demonstrat epoxidarea cu succes a terpenelor sub sonicare. Epoxidarea convențională necesită utilizarea unui catalizator, însă cu sonicare epoxidarea se desfășoară ca reacție fără catalizator.
Dioxidul de limonen este o moleculă intermediară cheie pentru dezvoltarea policarbonaților de origine biologică sau a poliuretanilor fără izocianați. Sonicarea permite epoxidarea fără catalizator a terpenelor într-un timp de reacție foarte scurt – oferind în același timp randamente foarte bune. Pentru a demonstra eficacitatea epoxidării cu ultrasunete, echipa de cercetare a comparat epoxidarea limonenului la dioxid de limonen, folosind dimetil dioxiran generat in situ ca agent oxidant, atât sub agitare convențională, cât și sub ultrasonicare. Pentru toate încercările de sonicare, ultrasonicatorul de laborator Hielscher UP50H (50W, 30kHz) a fost cel utilizat.

Timpul necesar pentru conversia completă a limonenului în dioxid de limonen, cu un randament de 100%, sub sonicare a fost de doar 4,5 min la temperatura camerei. În comparație, atunci când se utilizează agitarea convențională cu un agitator magnetic, timpul necesar pentru a atinge un randament de 97% de dioxid de limonen a fost de 1,5 h. Epoxidarea α-pinenului a fost, de asemenea, studiată folosind ambele tehnici de agitare. Epoxidarea α-pinenului la oxid de α-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 min, în timp ce farnesolul a dat 100% triepoxid în 8 min. Carveolul, un derivat al limonenului, 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 min, producând oxid de 7,8-carvonă.
Principalele avantaje ale epoxidării sonochimice a terpenelor sunt natura ecologică a agentului oxidant (chimie verde), precum și timpul de reacție semnificativ redus atunci când această oxidare se realizează sub agitare ultrasonică. 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 min, comparativ cu 90 min atunci când se utilizează agitarea tradițională. Mai mult, în mediul de reacție nu au fost găsiți produși de oxidare ai limonenului, cum ar fi carvona, carveolul și alcoolul perrilyl. Epoxidarea α-pinenului sub ultrasunete a necesitat doar 4 min, obținându-se 100% oxid de α-pinen fără oxidarea inelului. Alte terpene, precum β-pinenul, farnesolul și carveolul, au fost de asemenea oxidate, conducând la randamente foarte mari de epoxid.

Efecte sonochimice

Ca alternativă la metodele clasice, protocoalele bazate pe sonochimie au fost utilizate pentru a crește vitezele unei game largi de reacții, rezultând produse obținute în condiții mai blânde, cu o reducere semnificativă a timpilor de reacție. Aceste metode au fost descrise ca fiind mai ecologice și mai sustenabile și sunt asociate cu o selectivitate mai mare și un consum de energie mai redus pentru transformările dorite. Mecanismul acestor metode se bazează pe fenomenul cavitației acustice, 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 intensifică curgerea turbulentă în lichid, facilitând transformările chimice. În studiile noastre, utilizarea ultrasunetelor a condus la obținerea compușilor în timpi de reacție reduși, cu randamente și puritate ridicate. Astfel de caracteristici au crescut numărul de compuși evaluați în modele farmacologice, contribuind la accelerarea procesului de optimizare de la hit la lead.
Nu numai că acest aport ridicat de energie poate amplifica efectele mecanice în procesele eterogene, dar se știe și că induce noi reactivități, care conduc la formarea unor specii chimice neașteptate. Ceea ce face sonochimia unică este fenomenul remarcabil al cavitației, care generează, într-un spațiu limitat local al mediului microbulelor, efecte extraordinare datorită ciclurilor alternante de presiune înaltă / presiune joasă, diferențelor de temperatură foarte mari, forțelor de forfecare ridicate și curenților de lichid.

Avantajele reacțiilor organocatalitice promovate sonochimic

Sonicarea este tot mai utilizată în sinteza organică și în cataliză, deoarece efectele sonochimice determină o intensificare substanțială a reacțiilor chimice. Mai ales în comparație cu metodele tradiționale (de ex., încălzire, agitare), sonochimia este mai eficientă, mai convenabilă și precis controlabilă. Sonicarea și sonochimia oferă mai multe avantaje majore, cum ar fi randamente mai mari, puritate crescută a compușilor și selectivitate crescută, timpi de reacție mai scurți, costuri mai mici, precum și simplitatea operării și manipulării procedurii sonochimice. Acești factori benefici fac reacțiile chimice asistate cu ultrasunete nu numai mai eficace și mai sigure, ci și mai ecologice.
S-a demonstrat că numeroase reacții organice dau randamente mai mari într-un timp de reacție mai scurt și / sau în condiții mai blânde atunci când sunt efectuate prin sonicare.

Ultrasonicarea permite reacții simple într-un singur vas (one-pot)

Sonicarea permite inițierea reacțiilor multicomponente ca reacții one-pot, care asigură sinteza unor compuși diverși din punct de vedere structural. Astfel de reacții one-pot sunt apreciate pentru eficiența lor globală ridicată și pentru simplitatea lor, deoarece izolarea și purificarea intermediarilor nu sunt necesare.

Efectele undelor ultrasonice asupra reacțiilor organocatalitice asimetrice au fost aplicate cu succes în diverse tipuri de reacții, inclusiv catalize prin transfer de fază, reacții Heck, hidrogenare, reacții Mannich, reacții Barbier și de tip Barbier, reacții Diels-Alder, reacția de cuplare Suzuki și adiția Michael.

Găsiți ultrasonicatorul ideal pentru reacția dumneavoastră organocatalitică!

Hielscher Ultrasonics este partenerul dumneavoastră de încredere atunci când vine vorba de echipamente ultrasonice de înaltă performanță și de înaltă calitate. Hielscher proiectează, fabrică și distribuie sonde ultrasonice, reactoare și dispozitive CupHorn de ultimă generație pentru aplicații sonochimice. Toate echipamentele sunt fabricate conform unor proceduri certificate ISO și cu precizie germană, pentru o calitate superioară, la sediul nostru din Teltow (lângă Berlin), Germania.
Portofoliul de ultrasonicatoare Hielscher variază de la ultrasonicatoare compacte de laborator până la reactoare ultrasonice complet industriale pentru producția chimică la scară largă. Sondele (cunoscute și sub denumirea de sonotrode, sonotrode ultrasonice sau vârfuri), boosterele de amplitudine și reactoarele sunt disponibile imediat într-o multitudine de dimensiuni și geometrii. Pot fi fabricate, de asemenea, versiuni personalizate conform cerințelor dumneavoastră.
Deoarece procesoarele ultrasonice Hielscher Ultrasonics sunt disponibile în orice dimensiune, de la dispozitive mici de laborator până la procesoare industriale mari pentru aplicații de chimie în regim batch și în flux, sonicarea de înaltă performanță poate fi implementată cu ușurință în orice configurație de reacție. Reglarea precisă a amplitudinii ultrasonice – cel mai important parametru pentru aplicațiile sonochimice – permite operarea ultrasonicatoarelor Hielscher la amplitudini de la scăzute la foarte ridicate și ajustarea fină a amplitudinii exact la condițiile de proces ultrasonic necesare ale sistemului de reacție chimică specific.
Generatorul ultrasonic Hielscher dispune de un software inteligent cu protocolare automată a datelor. Toți parametrii importanți de procesare, precum energia ultrasonică, temperatura, presiunea și timpul, sunt stocați automat pe un card SD încorporat imediat ce dispozitivul este pornit.
Monitorizarea procesului și înregistrarea datelor sunt importante pentru standardizarea continuă a procesului și pentru calitatea produsului. Accesând datele de proces înregistrate automat, puteți revizui rulările anterioare de sonicare și evalua rezultatul.
O altă caracteristică ușor de utilizat este controlul de la distanță prin browser al sistemelor noastre ultrasonice digitale. Prin controlul de la distanță prin browser, puteți porni, opri, regla și monitoriza procesorul dumneavoastră ultrasonic de la distanță, de oriunde.
Contactați-ne acum pentru a afla mai multe despre modul în care omogenizatoarele noastre cu ultrasunete de înaltă performanță pot îmbunătăți reacția dumneavoastră de sinteză organocatalitică!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: