Органокаталитические реакции, стимулируемые обработкой ультразвуком

В органической химии органокатализ – это форма катализа, при которой скорость химической реакции увеличивается благодаря органическому катализатору. Этот «органокатализатор» состоит из углерода, водорода, серы и других неметаллических элементов, встречающихся в органических соединениях. Применение ультразвука высокой мощности к химическим системам известно как сонохимия и представляет собой хорошо зарекомендовавший себя метод повышения выхода продуктов, улучшения скоростных характеристик реакций и ускорения их протекания. При обработке ультразвуком часто становится возможным изменить пути химических превращений, избегая нежелательных побочных продуктов. Сонохимия может стимулировать органокаталитические реакции, делая их более эффективными и экологичными.

Асимметрический органокатализ – улучшение благодаря обработке ультразвуком

Сонохимия, то есть применение высокоэффективного ультразвука к химическим системам, может значительно улучшить органокаталитические реакции. Сочетание асимметрического органокатализа с обработкой ультразвуком часто позволяет сделать органокатализ более экологичным, тем самым относя его к зелёной химии. Обработка ультразвуком ускоряет (асимметрическую) органокаталитическую реакцию и обеспечивает более высокий выход, более высокую скорость конверсии, более простое выделение и очистку продуктов, а также улучшенную селективность и реакционную способность. Помимо улучшения кинетики реакции и выхода продуктов, обработку ультразвуком часто можно сочетать с использованием экологически устойчивых реакционных растворителей, таких как ионные жидкости, глубокие эвтектические растворители, мягкие нетоксичные растворители и вода. Таким образом, сонохимия не только улучшает саму (асимметрическую) органокаталитическую реакцию, но и способствует экологической устойчивости органокаталитических реакций.

Исследования показали многочисленные примеры органокаталитических реакций, интенсифицированных сонохимическими методами. Например, двухцепочечные молекулы ДНК используются в качестве хирального каркаса для сборки гибридных катализаторов типа «металл–биомакромолекула» для реакций асимметрического синтеза. Катализаторы на основе G-квадруплексной ДНК применялись в асимметрическом присоединении Михаэля, реакциях Дильса–Альдера и Фриделя–Крафтса. (см. Zhao and Shen, 2018)
Для реакции, стимулируемой inidium, обработка ультразвуком оказывает благоприятное воздействие, поскольку сонохимически стимулируемая реакция протекает в более мягких условиях, сохраняя при этом высокий уровень диастереоселективности. При использовании сонохимического пути были достигнуты хорошие результаты в органокаталитическом синтезе β-лактамных углеводов, β-аминокислоты и спиродикетопиперазинов из лактонов сахаров, а также в реакциях аллилирования и Реформатского с эфирами оксимов.

Органокаталитический синтез лекарственных веществ, стимулируемый ультразвуком

Rogozińska-Szymczak и Mlynarski (2014) сообщают об асимметрическом присоединении Михаэля 4-гидроксикумарина к α,β-ненасыщенным кетонам на воде без органических сорастворителей – катализируемом органическими первичными аминами и обработкой ультразвуком. Применение энантиомерно чистого (S,S)-дифенилэтилендиамина позволяет получать ряд важных фармацевтически активных соединений с выходом от хорошего до отличного (73–98%) и хорошей энантиоселективностью (до 76% ee) посредством реакций, ускоряемых ультразвуком. Исследователи представляют эффективную сонохимическую методику получения антикоагулянта варфарина в обеих энантиомерных формах в системе «твёрдые вещества на воде». Эта экологичная органокаталитическая реакция не только поддаётся масштабированию, но и позволяет получать целевую молекулу лекарственного вещества в энантиомерно чистой форме.

Сонохимическое эпоксидирование терпенов

Charbonneau и соавт. (2018) продемонстрировали успешное эпоксидирование терпенов при обработке ультразвуком. Традиционное эпоксидирование требует применения катализатора, однако при обработке ультразвуком эпоксидирование протекает без катализатора.
Диоксид лимонена – ключевая промежуточная молекула для разработки поликарбонатов на основе биосырья или неизоцианатных полиуретанов. Обработка ультразвуком позволяет проводить эпоксидирование терпенов без катализатора за очень короткое время реакции, одновременно обеспечивая очень хороший выход. Чтобы продемонстрировать эффективность ультразвукового эпоксидирования, исследовательская группа сравнила эпоксидирование лимонена до диоксида лимонена с использованием образующегося in situ диметилдиоксирана в качестве окислителя при традиционном перемешивании и при обработке ультразвуком. Во всех опытах по обработке ультразвуком лабораторный ультразвуковой прибор Hielscher UP50H (50W, 30kHz) был использован.

Время, необходимое для полного превращения лимонена в диоксид лимонена с выходом 100% при обработке ультразвуком, составило лишь 4,5 min при комнатной температуре. Для сравнения, при традиционном перемешивании с помощью магнитной мешалки время, необходимое для достижения выхода диоксида лимонена 97%, составило 1,5 h. Эпоксидирование α-пинена также изучалось с использованием обоих способов перемешивания. Эпоксидирование α-пинена до оксида α-пинена при обработке ультразвуком потребовало лишь 4 min с полученным выходом 100%, тогда как при традиционном методе время реакции составило 60 min. Что касается других терпенов, β-пинен был превращён в оксид β-пинена всего за 4 min, а фарнезол дал триэпоксид с выходом 100% за 8 min. Карвеол, производное лимонена, был превращён в диоксид карвеола с выходом 98%. В реакции эпоксидирования карвона с использованием диметилдиоксирана конверсия составила 100% за 5 min с образованием 7,8-carvone oxide.
Основные преимущества сонохимического эпоксидирования терпенов – экологичность окислителя (зелёная химия), а также значительно сокращённое время реакции при проведении этого окисления с ультразвуковым перемешиванием. Этот метод эпоксидирования позволил достичь конверсии лимонена 100% с выходом диоксида лимонена 100% всего за 4,5 min по сравнению с 90 min при традиционном перемешивании. Кроме того, в реакционной среде не были обнаружены продукты окисления лимонена, такие как карвон, карвеол и спирт perrilyl. Эпоксидирование α-пинена под воздействием ультразвука потребовало лишь 4 min, обеспечив выход оксида α-пинена 100% без окисления кольца. Другие терпены, такие как β-пинен, фарнезол и карвеол, также были окислены с получением очень высоких выходов эпоксидов.

Сонохимические эффекты

В качестве альтернативы классическим методам применялись сонохимические методики для повышения скорости самых разнообразных реакций, что позволяло получать продукты в более мягких условиях со значительным сокращением времени реакции. Эти методы описываются как более экологичные и устойчивые и связаны с большей селективностью и меньшим энергопотреблением при осуществлении требуемых превращений. Механизм таких методов основан на явлении акустической кавитации, которая создаёт уникальные условия давления и температуры за счёт образования, роста и адиабатического схлопывания пузырьков в жидкой среде. Этот эффект улучшает массоперенос и усиливает турбулентное течение в жидкости, облегчая химические превращения. В наших исследованиях применение ультразвука позволило получать соединения за сокращённое время реакции с высоким выходом и чистотой. Такие характеристики увеличили число соединений, оцениваемых на фармакологических моделях, способствуя ускорению процесса оптимизации при переходе от первично выявленных активных соединений к соединениям-лидерам.
Этот подвод высокой энергии не только может усиливать механические эффекты в гетерогенных процессах, но и, как известно, способен вызывать новые виды реакционной способности, приводящие к образованию неожиданных химических частиц. Уникальность сонохимии обусловлена примечательным явлением кавитации, которое в локально ограниченном пространстве окружения микропузырька создаёт необычайные эффекты благодаря чередующимся циклам высокого и низкого давления, очень большим перепадам температуры, высоким сдвиговым усилиям и течению жидкости.

Преимущества органокаталитических реакций, стимулируемых сонохимическими методами

Обработка ультразвуком всё чаще применяется в органическом синтезе и катализе, поскольку сонохимические эффекты обеспечивают существенную интенсификацию химических реакций. Особенно по сравнению с традиционными методами (например, нагреванием и перемешиванием) сонохимия более эффективна, удобна и поддаётся точному управлению. Обработка ультразвуком и сонохимия предлагают несколько существенных преимуществ, таких как более высокий выход, повышенная чистота соединений и селективность, более короткое время реакции, меньшие затраты, а также простота выполнения сонохимической процедуры и управления ею. Эти благоприятные факторы делают химические реакции с применением ультразвука не только более результативными и безопасными, но и более экологичными.
Доказано, что многочисленные органические реакции при проведении с обработкой ультразвуком дают более высокий выход за более короткое время реакции и / или в более мягких условиях.

Обработка ультразвуком позволяет проводить простые реакции в одном реакционном сосуде

Обработка ультразвуком позволяет инициировать многокомпонентные реакции в одном реакционном сосуде, обеспечивающие синтез структурно разнообразных соединений. Такие реакции в одном сосуде ценятся за высокую общую эффективность и простоту, поскольку выделение и очистка промежуточных продуктов не требуются.

Воздействие ультразвуковых волн на асимметрические органокаталитические реакции успешно применялось в различных типах реакций, включая межфазный катализ, реакции Хека, гидрирование, реакции Манниха, реакции Барбье и подобные им реакции, реакции Дильса–Альдера, реакцию сочетания Сузуки и присоединение Михаэля.

Найдите идеальный ультразвуковой прибор для вашей органокаталитической реакции!

Hielscher Ultrasonics – ваш надёжный партнёр в области высокоэффективного и высококачественного ультразвукового оборудования. Hielscher разрабатывает, производит и поставляет самые современные ультразвуковые зонды, реакторы и чашечные сонотроды для сонохимических применений. Всё оборудование производится в соответствии с процедурами, сертифицированными по ISO, и с немецкой точностью для обеспечения превосходного качества в нашей штаб-квартире в Тельтове (недалеко от Берлина), Германия.
Ассортимент ультразвуковых приборов Hielscher охватывает диапазон от компактных лабораторных ультразвуковых приборов до полностью промышленных ультразвуковых реакторов для крупномасштабного химического производства. Зонды (также известные как сонотроды, ультразвуковые рупоры или наконечники), усиливающие рупоры и реакторы доступны в многочисленных размерах и геометрических формах. Также возможно изготовление индивидуальных версий в соответствии с вашими требованиями.
Поскольку ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics доступны в любых размерах, от небольших лабораторных устройств до крупных промышленных процессоров для периодических и проточных химических процессов, высокоэффективную обработку ультразвуком можно легко внедрить в любую реакционную установку. Точная регулировка амплитуды ультразвука – важнейшего параметра для сонохимических применений – позволяет эксплуатировать ультразвуковые приборы Hielscher при амплитудах от низких до очень высоких и точно настраивать амплитуду в соответствии с требуемыми условиями ультразвукового процесса для конкретной химической реакционной системы.
Ультразвуковой генератор Hielscher оснащён интеллектуальным программным обеспечением с автоматическим протоколированием данных. Все важные параметры обработки, такие как ультразвуковая энергия, температура, давление и время, автоматически сохраняются на встроенную SD-карту сразу после включения устройства.
Мониторинг процесса и регистрация данных важны для непрерывной стандартизации процесса и качества продукции. Получив доступ к автоматически зарегистрированным данным процесса, вы можете просмотреть предыдущие циклы обработки ультразвуком и оценить результат.
Ещё одна удобная для пользователя функция – дистанционное управление нашими цифровыми ультразвуковыми системами через браузер. С помощью дистанционного управления через браузер вы можете из любого места удалённо запускать, останавливать, настраивать и контролировать свой ультразвуковой процессор.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше о том, как наши высокоэффективные ультразвуковые гомогенизаторы могут улучшить вашу реакцию органокаталитического синтеза!

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых приборов: