Сонохимическое улучшение реакций Дильса–Альдера

Реакции Дильса–Альдера широко используются в химическом синтезе, когда необходимо сформировать связи между атомами углерода. Обработка ультразвуком и вызываемые ею сонохимические эффекты высокоэффективны для инициирования и стимулирования реакций Дильса–Альдера, обеспечивая более высокие выходы и значительное сокращение времени реакции и одновременно являясь частью экологически безопасной зелёной химии.

Сонохимическая интенсификация реакции Дильса–Альдера для зелёной химии

Реакции Дильса–Альдера – это химические реакции, в которых образуются связи между атомами углерода. Реакция Дильса–Альдера классифицируется как термически разрешённое [4+2]-циклоприсоединение [_π4_s + _π2_s]. Поскольку органический синтез с использованием ультразвука представляет собой экологически безопасный и эффективный способ синтеза, повышающий скорость, выход и селективность реакций, обработка ультразвуком является простым и надёжным методом, широко применяемым в лабораториях и промышленном производстве. Зачастую сонохимическое стимулирование облегчает органические превращения при условиях окружающей среды, тогда как без него требуются жёсткие температурные условия и высокое давление. Это помогает снизить затраты на энергию и делает химический синтез более безопасной процедурой.

Ультразвуковая реакция Дильса–Альдера с использованием глубоких эвтектических растворителей

Глубокие эвтектические растворители (DES) представляют собой растворы кислот и оснований Льюиса или Бренстеда, образующие эвтектическую смесь. Поскольку глубокие эвтектические растворители негорючи, имеют низкое давление паров и низкую токсичность и часто изготавливаются из природных соединений, они являются более безопасной и экологичной альтернативой другим растворителям. Известно, что обработка ультразвуком и глубокие эвтектические растворители действуют синергически, поэтому их используют как для химического синтеза, так и для ультразвуковой экстракции. Применение глубоких эвтектических растворителей также полезно в реакциях Дильса–Альдера, стимулируемых ультразвуком. Например, обработку ультразвуком используют для стимулирования реакции Дильса–Альдера с N-этилмалеимидом в качестве диенофила, варьируя природу диена в глубоких эвтектических растворителях (DES) как при обычном нагревании, так и при ультразвуковой активации.
Применение ультразвуковой активации в сочетании с глубокими эвтектическими растворителями оказалось полезным, обеспечивая хорошие выходы при резком сокращении времени реакции.

Реакция Дильса–Альдера, улучшенная с помощью ультразвука.
схема адаптирована по Marullo et al., 2020

Общая методика проведения реакции Дильса–Альдера с использованием DES и обработки ультразвуком

Реакции Дильса–Альдера, стимулируемые ультразвуком, проводили, вводя ультразвуковой зонд (сонотрод / рупор) в реакционный сосуд. При использовании ультразвукового зонда с наконечником диаметром 0,5 cm номинальная выходная мощность составляла 70 W. Реакции проводили при 40°C, применяя обработку ультразвуком в импульсном режиме с циклами включения на 5 sec и выключения на 20 sec. Интенсифицированная ультразвуком реакция Дильса–Альдера обеспечивала хорошие выходы за значительно меньшее время, чем в условиях без ультразвука (70 min и 24 h для сонохимической реакции и реакции без ультразвука соответственно).
Для оценки энергоэффективности сонохимически интенсифицированной реакции Дильса–Альдера сравнили энергопотребление реакции без ультразвука и реакции, стимулируемой ультразвуком. Расчёты показали потребление 35 094 kJ/g для реакции без ультразвука и 28,4 kJ/g для реакции с использованием ультразвука (ультразвуковой рупор с выходной мощностью 70 W чистой энергии) соответственно. Это обеспечивает экономию энергии на 99% для сонохимически стимулируемой реакции Дильса–Альдера. Все эти наблюдения убедительно свидетельствуют о том, что совместное использование глубоких эвтектических растворителей (DES) и ультразвукового облучения является эффективной и энергосберегающей методикой для таких важных процессов синтеза, как реакция Дильса–Альдера. (Marullo et al., 2020)

Влияние различных глубоких эвтектических растворителей в сочетании с обработкой ультразвуком

Наилучшие результаты для реакции Дильса–Альдера, стимулируемой ультразвуком, были достигнуты при использовании глубоких эвтектических растворителей [ChCl]:[Fru] и [TBACl]:[EG] в качестве растворителей. Использование [ChCl]:[Fru] и [TBACl]:[EG] в качестве растворителей обеспечило значительное сокращение времени реакции, а также существенное повышение выхода (для [TBACl]:[EG] 73% и 87%, а для [ChCl]:[Fru] 23 и 75% в условиях без ультразвука и в сонохимических условиях соответственно).
В некоторых случаях, а именно при использовании [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly] и [AcChCl]:[EG] в качестве растворителей, выходы сопоставимы с полученными в условиях без ультразвука, однако скорость химического процесса всё же резко повышается благодаря обработке ультразвуком.
Обработка ультразвуком очень хорошо работает с вязкими растворителями с низким давлением паров, такими как ионные жидкости (ILs), поскольку эти условия способствуют возникновению более интенсивных кавитационных эффектов. Поскольку глубокие эвтектические растворители обладают физическими свойствами, сходными со свойствами ионных жидкостей, они подходят для применения совместно с обработкой ультразвуком. Совместное действие глубоких эвтектических растворителей (DES) и обработки ультразвуком значительно снижает потребность реакции Дильса–Альдера в энергии. Наблюдается значительное сокращение времени реакции с 24 h до 70 min при сохранении очень хороших выходов. С точки зрения эффективности процесса это означает, что совместное использование глубоких эвтектических растворителей (DES) и обработки ультразвуком позволяет обрабатывать в 10 раз больше материала, чем в условиях без ультразвука. (Marullo et al., 2020)

Ультразвуковая реакция Дильса–Альдера оксабициклических алкенов

Wei и коллеги (2004) показали, что стимулируемая ультразвуком реакция Дильса–Альдера замещённых фуранов с реакционноспособными диенофилами, такими как диметилацетилендикарбоксилат (DMAD) и диметилмалеат, позволяла получать функционализированные оксабициклические алкены с хорошими выходами. Стимулируемое ультразвуком региоспецифическое фурановое циклоприсоединение Дильса–Альдера 2-винильных фуранов с DMAD обеспечивало получение функционализированных оксабициклических алкенов с хорошим выходом.

Сонохимическое улучшение реакций циклоприсоединения

Bravo и коллеги (2006) описали серию сонохимических реакций циклоприсоединения с участием циклопентадиена или 1,3-cyclohexadiene и карбонильных диенофилов в ионной жидкости на основе имидазолия в качестве реакционной среды. Они продемонстрировали, что обработка ультразвуком действительно улучшает эти реакции циклоприсоединения, обеспечивая более высокие выходы и/или сокращение времени реакции по сравнению с соответствующими реакциями без ультразвука. Например, для простых α,β-ненасыщенных диенофилов, таких как метилвинилкетон или акролеин, эффекты ультразвуковой активации очевидны. Так, метилвинилкетон обеспечивает выход 89% за 1 h мягкой обработки ультразвуком, тогда как реакция без ультразвука за то же время обеспечивала лишь 52%.

Ультразвуковые аппараты любых размеров для сонохимически стимулируемых реакций Дильса–Альдера

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы зондового типа и сонохимическое оборудование для интеграции в химические системы, например для реакций синтеза и катализа. Ультразвуковые аппараты Hielscher используются во всём мире как надёжный инструмент для стимулирования, интенсификации, ускорения и улучшения химических реакций.
Ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics доступны в любых размерах – от небольших лабораторных приборов до крупных промышленных процессоров для периодических и проточных химических процессов. Точная регулировка амплитуды ультразвука – важнейшего параметра для сонохимических применений – позволяет эксплуатировать ультразвуковые аппараты Hielscher при амплитудах от низких до очень высоких и точно настраивать амплитуду в соответствии с требуемыми условиями ультразвукового процесса для конкретной системы химических реакций.
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 с момента включения прибора.
Контроль процесса и регистрация данных важны для постоянной стандартизации процесса и обеспечения качества продукции. Получив доступ к автоматически записанным данным процесса, вы можете просмотреть предыдущие циклы обработки ультразвуком и оценить результат.
Ещё одна удобная функция – дистанционное управление нашими цифровыми ультразвуковыми системами через браузер. С помощью дистанционного управления через браузер вы можете из любого места запускать, останавливать, настраивать и контролировать свой ультразвуковой процессор.
Свяжитесь с нами сейчас, чтобы узнать больше о том, как наши высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы могут улучшить ваши реакции органического синтеза, такие как реакции Дильса–Альдера, реакции Манниха, присоединение Михаэля и многие другие!

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов: