Органокаталитические реакции, протекающие с помощью ультразвука

В органической химии органокатализ — это форма катализа, при которой скорость химической реакции увеличивается с помощью органического катализатора. Этот “Органокатализатор” состоит из углерода, водорода, серы и других неметаллических элементов, содержащихся в органических соединениях. Применение мощного ультразвука в химических системах известно как сонохимия и является хорошо зарекомендовавшим себя методом для увеличения выхода, улучшения скорости реакции и ускорения реакции. При ультразвуковой обработке часто становится возможным переключать химические пути, избегая нежелательных побочных продуктов. Сонохимия может способствовать развитию органокаталитических реакций, делая их более эффективными и экологически чистыми.

Асимметричный органокатализ – Улучшено с помощью ультразвука

Сонохимия, применение высокоэффективного ультразвука в химических системах, может значительно улучшить органокаталитические реакции. Асимметричный органокатализ в сочетании с ультразвуком часто позволяет трансформировать органокатализ в более экологичный путь, тем самым попадая под терминологию зеленой химии. Ультразвуковая обработка ускоряет (асимметричную) органокатлитическую реакцию и приводит к более высокому выходу, более высокой скорости конверсии, более легкому выделению/очистке продукта, а также улучшению селективности и реакционной способности. Помимо улучшения кинетики реакции и выхода, ультразвук часто можно сочетать с устойчивыми реакционными растворителями, такими как ионные жидкости, глубокоэвтектические растворители, мягкие, нетоксичные растворители и вода. Таким образом, сонохимия не только улучшает саму (асимметричную) органокаталитическую реакцию, но и способствует устойчивости органокаталитических реакций.

Исследования показали множество примеров сонохимически интенсифицированных орагнокаталитических реакций. Например, двухцепочечные молекулы ДНК в качестве хирального каркаса используются для сборки гибридных катализаторов металл-биомакромолекула для реакций асимметричного синтеза. Катализаторы на основе G-квадруплекса ДНК применялись в асимметричных реакциях присоединения Майкла, Дильса-Альдера и Фриделя-Крафтса. (ср. Чжао и Шэнь, 2018)
Для реакции, вызванной инидием, ультразвуковая обработка оказывает положительное воздействие, поскольку сонохимически обусловленная реакция протекает в более мягких условиях, тем самым сохраняя высокий уровень диастероотбора. Используя сонохимический путь, были достигнуты хорошие результаты по органокаталитическому синтезу β-лактамных углеводов, β-аминокислот и спиродикетоперазинов из сахарных лактонов, а также по реакциям аллилирования и Реформатского на оксимных эфирах.

Ультразвуковой синтез органокаталитических лекарственных средств

Rogozinska-Szymczak и Mlynarski (2014) сообщают об асимметричном добавлении Майклом 4-гидроксикумарина к α,β-ненасыщенным кетонам в воде без органических сорастворителей – катализируется органическими первичными аминами и ультразвуком. Применение энантиомерно чистого (S,S)-дифенилэтилендимина позволяет получить ряд важных фармацевтически активных соединений с хорошим или отличным выходом (73–98%) и с хорошей энантиоселективностью (до 76% ee) в результате реакций, ускоренных ультразвуком. Исследователи представили эффективный сонохимический протокол для образования «твердых веществ на воде» антикоагулянта варфарина в обеих энантиомерных формах. Эта экологически безопасная органокаталитическая реакция не только масштабируема, но и позволяет получить молекулу-мишень лекарственного препарата в энантиомерно чистой форме.

Сонохимическое эпоксидирование терпенов

Charbonneau et al. (2018) продемонстрировали успешное эпоксидирование терпенов под действием ультразвука. Традиционное эпоксидирование требует использования катализатора, но при ультразвуковой обработке эпоксидирование протекает как реакция без катализатора.
Диоксид лимонена является ключевой промежуточной молекулой для разработки поликарбонатов на биологической основе или ноноизоцианатных полиуретанов. Ультразвуковая обработка позволяет эпоксидировать терпены без катализатора в течение очень короткого времени реакции – В то же время дает очень хорошие урожаи. Чтобы продемонстрировать эффективность ультразвукового эпоксидирования, исследовательская группа сравнила эпоксидирование лимонена с диоксидом лимонена с использованием диметилдиоксирана, сгенерированного in situ, в качестве окислителя как при обычном перемешивании, так и при ультразвуковой обработке. Для всех ультразвуковых испытаний Лабораторный ультразвуковой аппарат Hielscher UP50H (50 Вт, 30 кГц) был использован.

Время, необходимое для полного превращения лимонена в диоксид лимонена со 100% выходом при ультразвуковой обработке, составило всего 4,5 минуты при комнатной температуре. Для сравнения, при использовании обычного перемешивания с помощью магнитной мешалки необходимое время для достижения 97% выхода диоксида лимонена составляло 1,5 ч. Эпоксидирование α-пинена также изучалось с использованием обоих методов перемешивания. Эпоксидирование α-пинена до оксида α-пинена под ультразвуковой обработкой требовало всего 4 мин при полученном выходе 100%, в то время как по сравнению с традиционным методом время реакции составляло 60 мин. Что касается других терпенов, то β-пинен превращался в оксид β-пинена всего за 4 мин, тогда как фарнезол получал 100% триэпоксида за 8 мин. Карвеол, производное лимонена, был преобразован в диоксид карвеола с выходом 98%. В реакции эпоксидирования карвона с использованием диметилдиоксирана конверсия составила 100% за 5 мин с образованием оксида 7,8-карвона.
Основными преимуществами сонохимического эпоксидирования терпенов являются экологичность окислителя (зеленая химия), а также значительно сокращенное время реакции, осуществляющей это окисление при ультразвуковом перемешивании. Этот метод эпоксидирования позволил достичь 100% конверсии лимонена со 100% выходом диоксида лимонена всего за 4,5 мин по сравнению с 90 мин при традиционном перемешивании. Кроме того, в реакционной среде не было обнаружено продуктов окисления лимонена, таких как карвон, карвеол и перрилиловый спирт. Эпоксидирование α-пинена под ультразвуковым контролем занимало всего 4 мин, в результате чего получалось 100% оксида α-пинена без окисления кольца. Другие терпены, такие как β-пинен, фарнезол и карвеол, также окисляются, что приводит к очень высокому выходу эпоксида.

Сонохимические эффекты

В качестве альтернативы классическим методам были использованы сонохимические протоколы для увеличения скорости широкого спектра реакций, в результате чего продукты получались в более мягких условиях со значительным сокращением времени реакции. Эти методы были описаны как более экологичные и устойчивые и связаны с большей избирательностью и меньшим потреблением энергии для желаемых преобразований. Механизм таких методов основан на явлении акустической кавитации, которое индуцирует уникальные условия давления и температуры путем образования, роста и адиабатического схлопывания пузырьков в жидкой среде. Этот эффект улучшает массоперенос и увеличивает турбулентный поток в жидкости, способствуя химическим превращениям. В наших исследованиях использование ультразвука привело к получению соединений с сокращенным временем реакции с высоким выходом и чистотой. Такие характеристики увеличили количество соединений, оцениваемых в фармакологических моделях, способствуя ускорению процесса оптимизации удара по свинцу.
Мало того, что эта высокая энергия может усиливать механические эффекты в гетерогенных процессах, но и, как известно, вызывать новые реакции, приводящие к образованию неожиданных химических веществ. Уникальность сонохимии заключается в замечательном явлении кавитации, которое создает в локально ограниченном пространстве микропузырьковой среды экстраординарные эффекты за счет чередования циклов высокого и низкого давления, очень высоких перепадов температур, высоких сил сдвига и потока жидкости.

Преимущества сонохимически продуцируемых органокаталитических реакций

Ультразвук все чаще используется в органическом синтезе и катализе, так как сонохимические эффекты показывают значительную интенсификацию химических реакций. Сонохимия, особенно по сравнению с традиционными методами (например, нагреванием, перемешиванием), более эффективна, удобна и точно контролируется. Ультразвуковая обработка и сонохимия имеют ряд основных преимуществ, таких как более высокий выход, повышенная чистота соединений и селективность, более короткое время реакции, более низкие затраты, а также простота в эксплуатации и обращении с сонохимическим процессом. Эти полезные факторы делают химические реакции с ультразвуковой поддержкой не только более эффективными и безопасными, но и более экологичными.
Было доказано, что многочисленные органические реакции дают более высокие выходы при более коротком времени реакции и/или в более мягких условиях при использовании ультразвука.

Ультразвуковое излучение позволяет проводить простые однокамерные реакции

Ультразвуковая обработка позволяет инициировать многокомпонентные реакции в виде однокомпонентных реакций, обеспечивающих синтез структурно разнообразных соединений. Такие одногорочные реакции ценятся за высокую общую эффективность и простоту, так как не требуется выделение и очистка промежуточных продуктов.

Воздействие ультразвуковых волн на асимметричные органокаталитические реакции было успешно применено в различных типах реакций, включая фазовый катализ, реакции Хека, гидрирование, реакции Манниха, реакции Барбье и реакции Барбье, реакции Дильса-Альдера, реакцию связывания Сузуки и добавление Майкла.

Найдите идеальный ультразвуковой аппарат для вашей органокаталитической реакции!

Hielscher Ultrasonics - ваш надежный партнер, когда речь идет о высокопроизводительном и высококачественном ультразвуковом оборудовании. Hielscher разрабатывает, производит и продает самые современные ультразвуковые зонды, реакторы и чашечные рожки для применения в сонохимии. Все оборудование производится в соответствии с сертифицированными ISO процедурами и с немецкой точностью для обеспечения превосходного качества в нашем головном офисе в Тельтове (недалеко от Берлина), Германия.
Ассортимент ультразвуковых аппаратов Hielscher варьируется от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов до полностью промышленных ультразвуковых реакторов для крупномасштабного химического производства. Зонды (также известные как сонотроды, ультразвуковые рупоры или наконечники), бустерные рупоры и реакторы легко доступны в различных размерах и геометриях. Индивидуальные версии также могут быть изготовлены в соответствии с вашими требованиями.
Начиная с Hielscher Ultrasonics’ Ультразвуковые процессоры доступны любого размера, от небольших лабораторных устройств до крупных промышленных процессоров для периодической и проточной химии, высокопроизводительная ультразвук может быть легко внедрена в любую реакционную установку. Точная регулировка амплитуды ультразвука – Важнейший параметр для применения в сонохимии – позволяет работать с ультразвуковыми аппаратами Хильшера с низкой и очень высокой амплитудой и точно настраивать амплитуду под требуемые ультразвуковые условия процесса конкретной системы химической реакции.
Ультразвуковой генератор Hielscher оснащен интеллектуальным программным обеспечением с автоматическим протоколированием данных. Все важные параметры обработки, такие как ультразвуковая энергия, температура, давление и время, автоматически сохраняются на встроенной SD-карте сразу после включения устройства.
Мониторинг процесса и запись данных важны для непрерывной стандартизации процессов и качества продукции. Получив доступ к автоматически записанным данным процесса, вы можете пересмотреть предыдущие прогоны ультразвука и оценить результат.
Еще одной удобной функцией является дистанционное управление нашими цифровыми ультразвуковыми системами через браузер. С помощью удаленного управления через браузер вы можете запускать, останавливать, настраивать и контролировать ультразвуковой процессор удаленно из любого места.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше о наших высокопроизводительных ультразвуковых гомогенизаторах, которые могут улучшить вашу реакцию орагнокаталитического синтеза!

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: