În chimia organică, organocataliza este o formă de cataliza în care rata unei reacții chimice este crescută de un catalizator organic. Acest “organocatalyst” constă din carbon, hidrogen, sulf și alte elemente nemetale găsite în compuși organici. Aplicarea ultrasunetelor de mare putere la sistemele chimice este cunoscută sub numele de sonochimie și o tehnică bine stabilită pentru a crește randamentele, a îmbunătăți ratele de reacție și a accelera viteza de reacție. Sub sonicare, devine adesea posibil să se schimbe căile chimice evitând subprodusele nedorite. Sonochemistry poate promova reacții organocatalitice făcându-le mai eficiente și mai ecologice.

Organocataliză asimetrică – Îmbunătățită prin Sonicare

Sonochemistry, aplicarea ultrasunetelor de înaltă performanță în sistemele chimice, poate îmbunătăți semnificativ reacțiile organocatalitice. Organocataliza asimetrică combinată cu ultrasonication permite adesea să transforme organocataliza într-o cale mai prietenoasă cu mediul, căzând astfel sub terminologia chimiei verzi. Sonicare accelerează reacția organocatlitică (asimetrică) și duce la randamente mai mari, rate de conversie mai rapide, izolarea / purificarea mai ușoară a produsului și selectivitate și reactivitate îmbunătățite. Pe lângă contribuția la îmbunătățirea cineticii reacției și a randamentului, Ultrasonication poate fi adesea combinat cu solvenți de reacție durabilă, cum ar fi lichide ionice, solvenți eutectici adânci, solvenți ușoare, non-toxici, și apă. Astfel, sonochimia nu numai că îmbunătățește reacția organocatlitică (asimetrică) în sine, ci ajută și la durabilitatea reacțiilor organocatalitice.

Cercetările au arătat exemple multiple pentru reacții oragnocatalitic 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 reacții asimetrice Michael plus, Diels-Alder și Friedel-Crafts. (cf. Zhao și Shen, 2018)
Pentru reacția promovată de inidiu, Sonicare arată efecte benefice, deoarece reacția condusă sonochimic se execută în condiții mai blânde, păstrând astfel un nivel ridicat de diasteroselecție. Folosind calea sonochimică, s-au obținut rezultate bune privind sinteza organocatalitică a carbohidraților β-lactamici, a β-aminoacidului și spirodiketopiperazinelor din lactonele de zahăr, precum și reacțiile de allylare și Reformatsky asupra eterilor oximi.

Ultrasonically promovat sinteza de droguri organocatalitic

Rogozińska-Szymczak și Mlynarski (2014) raportează adăugarea asimetrică a lui Michael de 4-hidroxicumarină la cetone α,β-nesaturate pe apă fără co-solvenți organici – catalizat de amine primare organice și sonicare. Aplicarea enantiomeric pur (S,S)-difeniletilenediamină oferă o serie de compuși activi farmaceutic importante 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 de medicament țintă în formă enantiomerică pură.

Epoxidarea sonochimică a terpenelor

Charbonneau et al. (2018) a demostrat 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 biobați sau a poliuretanilor neizocianați. Sonicare permite epoxidarea fără catalizator de terpene într-un timp de reacție foarte scurt – în același timp, oferind randamente foarte bune. Pentru a demonstra effectivenele epoxidării cu ultrasunete, echipa de cercetare a comparat epoxidarea limonenului cu dioxidul de limonen folosind dimetil dioxirană generată in situ ca agent oxidant atât sub agitație convențională, cât și sub ultrasonication. Pentru toate încercările 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 min la temperatura camerei. În comparație, atunci când se utilizează agitația 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 agitație. Epoxidarea α-pinen 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-pinen a fost transformat în oxid de β-pinen în doar 4 minute, în timp ce farnesolul a produs 100% din triepoxid în 8 min. Carveol, un derivat de limonen, a fost transformat în dioxid de carveol cu un randament de 98%. În reacția de eoxidare a carvonei folosind dimetil dioxirană conversia a fost de 100% în 5 min producând oxid de 7,8-carvonă.
Principalele avantaje ale epoxidării terpenice 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 conversiei 100% a limonenului cu un randament de 100% de dioxid de limonen în doar 4,5 minute, comparativ cu 90 min atunci când se utilizează agitația tradițională. În plus, în mediul de reacție nu s-au găsit produse de oxidare din limonen, cum ar fi carvona, carveolul și alcoolul perirililic. Epoxidarea α-pinenului sub ultrasunete a necesitat doar 4 min, rezultând 100% din oxidul de α-pinen fără oxidarea inelului. Alte terpene, cum ar fi β-pinen, farnesol, și carveol au fost, de asemenea, oxidate, ceea ce duce la randamente foarte mari epoxid.

efecte sonochimice

Ca alternativă la metodele clasice, protocoalele bazate pe sonochimice au fost utilizate pentru a crește ratele unei mari varietăți 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 mai mare selectivitate 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 loviturii de plumb.
Nu numai că acest aport de mare energie poate spori efectele mecanice în procesele eterogene, dar este, de asemenea, cunoscut pentru a induce noi reactivități care să conducă la formarea de specii chimice neașteptate. Ceea ce face sonochimia unică este fenomenul remarcabil de cavitație, care generează într-un spațiu închis local al mediului micro-bule efecte extraordinare datorită ciclurilor alternative de înaltă presiune / joasă presiune, diferențiale de temperatură foarte ridicate, forțe de forfecare ridicate și streaming lichid.

Avantajele reacțiilor organocatalitice promovate sonochimic

Sonicare este din ce în ce mai utilizat în sinteza organică și cataliza, 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 controlabilă cu precizie. Sonicare și sonochemistry oferă mai multe avantaje majore, cum ar fi randamente mai mari, puritatea 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 reacții chimice ultrasonically asistată nu numai mai eficace și economizor, dar, de asemenea, mai prietenos cu mediul.
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 se efectuează folosind sonicare.

Ultrasonication permite reacții simple one-pot

Sonicare permite să inițieze reacții multicomponente ca reacții oală care oferă sinteza compușilor structural diverse. Astfel de reacții într-o oală sunt evaluate pentru o eficiență generală ridicată și simplitatea lor, deoarece izolarea și purificarea intermediarilor nu este necesară.

Efectele undelor cu ultrasunete asupra reacțiilor organocatalitice asimetrice au fost aplicate cu succes în diferite tipuri de reacții, inclusiv catalizări de transfer de fază, reacții Heck, hidrogenare, reacții Mannich, reacții asemănătoare Barbier și Barbier, reacții diels-Alder, reacție de cuplare Suzuki și adăugare micheală.

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 proceduri certificate ISO și cu precizie germană pentru o calitate superioară în sediul nostru din Teltow (lângă Berlin), Germania.
Portofoliul ultrasonicators Hielscher variază de la ultrasonicators de laborator compacte la reactoare cu ultrasunete complet industriale pentru fabricarea chimică la scară largă. Sonde (de asemenea, cunoscut sub numele de sonotrodes, coarne cu ultrasunete sau sfaturi), coarne de rapel, și reactoare sunt disponibile în numeroase dimensiuni și geometrii. Versiunile personalizate pot fi fabricate și pentru cerințele dvs.
Deoarece Hielscher Ultrasonics’ procesoare cu ultrasunete sunt disponibile la orice dimensiune de la dispozitive de laborator mici la procesoare industriale mari pentru aplicații de chimie lot și flux, sonicare de înaltă performanță pot fi ușor puse în aplicare în orice configurație de reacție. Ajustarea precisă a amplitudinii cu ultrasunete – cel mai important parametru pentru aplicații sonochimice – permite să opereze ultrasonicators Hielscher la amplitudini mici până la foarte mari și pentru a regla fin amplitudinea exact la condițiile necesare procesului cu ultrasunete a 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 de îndată 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 executarea sonicare anterioară și evaluarea rezultatului.
O altă caracteristică ușor de utilizat este controlul de la distanță al browser-ului sistemelor noastre cu ultrasunete digitale. Prin intermediul controlului de la distanță browser-ul puteți porni, opri, ajusta 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 de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre: