Межфазный катализ, инициируемый и усиливаемый ультразвуком

Ультразвук высокой мощности хорошо известен своим воздействием на различные химические реакции. Это так называемая сонохимия. Гетерогенные реакции – и особенно межфазные реакции – являются весьма перспективными областями применения мощного ультразвука. Благодаря механической и сонохимической энергии, передаваемой реагентам, можно инициировать реакции, значительно повысить их скорость, а также достичь более высокой степени превращения, более высокого выхода и получить более качественные продукты. Линейная масштабируемость ультразвуковой обработки и доступность надёжного ультразвукового промышленного оборудования делают эту технологию интересным решением для химического производства.

Межфазный катализ

Межфазный катализ (PTC) является особой формой гетерогенного катализа и известен как практический метод органического синтеза. Использование катализатора межфазного переноса позволяет солюбилизировать ионные реагенты, которые часто растворимы в водной фазе, но нерастворимы в органической фазе. Это означает, что PTC представляет собой альтернативное решение для преодоления проблемы гетерогенности в реакции, в которой взаимодействие двух веществ, находящихся в разных фазах смеси, затруднено из-за невозможности контакта реагентов. (Esen et al. 2010) Общими преимуществами межфазного катализа являются небольшие затраты на подготовку, простые экспериментальные процедуры, мягкие условия реакции, высокая скорость реакций, высокая селективность, использование недорогих и экологически безопасных реагентов, таких как четвертичные аммониевые соли, и растворителей, а также возможность проведения синтеза в больших масштабах (Ooi et al. 2007).
Различные реакции в системах жидкость–жидкость и жидкость–твёрдое вещество были интенсифицированы и стали селективными благодаря применению простых катализаторов межфазного переноса (PT), таких как четвертичные аммониевые соединения, polyethylene glycol-400 и т. д., которые позволяют переносить ионные частицы из водной фазы в органическую. Таким образом можно преодолеть проблемы, связанные с чрезвычайно низкой растворимостью органических реагентов в водной фазе. В производстве пестицидов и фармацевтической промышленности PTC применяется широко и изменил основы ведения бизнеса. (Sharma 2002)

Мощный ультразвук

Применение мощного ультразвука является хорошо известным способом получения чрезвычайно тонкодисперсных эмульсий. В химии такие чрезвычайно тонкодисперсные эмульсии используются для интенсификации химических реакций. Это означает, что площадь межфазного контакта между двумя или более несмешивающимися жидкостями резко увеличивается, обеспечивая тем самым более эффективное, более полное и/или более быстрое протекание реакции.
Для межфазного катализа – как и для других химических реакций – необходима достаточная кинетическая энергия для запуска реакции.
Это оказывает различные положительные воздействия на химическую реакцию:

• Химическую реакцию, которая обычно не протекает из-за низкой кинетической энергии, можно инициировать обработкой ультразвуком.
• Химические реакции можно ускорить с помощью PTC при содействии ультразвука.
• Полный отказ от катализатора межфазного переноса.
• Сырьё можно использовать более эффективно.
• Количество побочных продуктов можно уменьшить.
• Замена дорогостоящего опасного сильного основания недорогим неорганическим основанием.

Благодаря этим эффектам PTC является неоценимым химическим методом органического синтеза из двух и более несмешивающихся реагентов: межфазный катализ (PTC) позволяет эффективнее использовать сырьё в химических процессах и снизить затраты на производство. Интенсификация химических реакций с помощью PTC является важным инструментом химического производства, эффективность которого можно существенно повысить применением ультразвука.

Примеры реакций PTC, интенсифицируемых ультразвуком

• Синтез новых производных N’-(4,6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thiourea с использованием PEG-400 при обработке ультразвуком. (Ken et al. 2005)
• Синтез миндальной кислоты с помощью PTC в ионной жидкости при содействии ультразвука демонстрирует значительное увеличение выхода реакции в условиях окружающей среды. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) сообщают о C-алкилировании фенилацетонитрила при содействии ультразвука в среде без растворителя. Интенсифицирующее воздействие ультразвука на реакцию объяснялось чрезвычайно большой площадью межфазной поверхности между двумя жидкими фазами. Обработка ультразвуком обеспечивает гораздо более высокую скорость реакции, чем механическое перемешивание.
• Обработка ультразвуком во время реакции тетрахлорида углерода с магнием для получения дихлоркарбена приводит к более высокому выходу гем-дихлорциклопропана в присутствии олефинов. (Lin et al. 2003)
• Ультразвук обеспечивает ускорение реакции Канниццаро для  p-хлорбензальдегида в условиях межфазного переноса. Из трёх катализаторов межфазного переноса – хлорида бензилтриэтиламмония (TEBA), Aliquat и 18-crown-6, – испытанных Polácková et al. (1996), наиболее эффективным оказался TEBA. Ферроценкарбальдегид и  p-диметиламинобензальдегид в аналогичных условиях давали 1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-ones в качестве основного продукта.
• Lin-Xiao et al. (1987) показали, что сочетание обработки ультразвуком и PTC эффективно способствует получению дихлоркарбена из хлороформа за более короткое время, с более высоким выходом и меньшим количеством катализатора.
• Yang et al. (2012) исследовали экологичный синтез benzyl 4-hydroxybenzoate при содействии ультразвука с использованием 4,4′-bis(tributylammoniomethyl)-1,1′-biphenyl dichloride (QCl₂) в качестве катализатора. Используя QCl₂, они разработали новый двухцентровый межфазный катализ. Этот межфазный катализ в системе твёрдое вещество–жидкость (SLPTC) проводился как периодический процесс с обработкой ультразвуком. При интенсивной обработке ультразвуком 33% добавленного Q2+, содержащего 45,2% Q(Ph(OH)COO)₂ , перешло в органическую фазу для реакции с бензилбромидом, вследствие чего общая скорость реакции повысилась. Эта повышенная скорость реакции составила 0,106 min^-1 при ультразвуковом воздействии мощностью 300W, тогда как без обработки ультразвуком наблюдалась скорость 0,0563 min^-1 . Таким образом был продемонстрирован синергетический эффект двухцентрового катализатора межфазного переноса и ультразвука в межфазном катализе.

Ультразвуковая интенсификация асимметричной реакции межфазного переноса

С целью разработки практического метода асимметричного синтеза a-аминокислот и их производных Maruoka и Ooi (2007) исследовали, «можно ли повысить реакционную способность N-спиро-хиральных четвертичных аммониевых солей и упростить их структуры. Поскольку ультразвуковое воздействие обеспечивает гомогенизацию, то есть получение очень тонкодисперсных эмульсий, оно значительно увеличивает площадь межфазной поверхности, на которой может протекать реакция, что могло бы существенно ускорить реакции межфазного переноса в системе жидкость–жидкость. Действительно, обработка ультразвуком реакционной смеси соединения 2, йодистого метила и (S,S)-нафтильной субъединицы (1 mol%) в толуоле/50% водном растворе KOH при 0 degC в течение 1 h приводила к получению соответствующего продукта алкилирования с выходом 63% и 88%ee; химический выход и энантиоселективность были сопоставимы с результатами реакции, проводившейся при простом перемешивании смеси в течение восьми часов (0 degC, 64%, 90%ee)». (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

Другим типом реакции асимметричного катализа является реакция Михаэля. На присоединение диэтилового эфира N-ацетиламиномалоновой кислоты к халкону по Михаэлю положительно влияет обработка ультразвуком, которая приводит к увеличению выхода на 12% (с 72%, полученных при реакции без ультразвука, до 82% при обработке ультразвуком). При воздействии мощного ультразвука реакция протекает в шесть раз быстрее по сравнению с реакцией без ультразвука. Энантиомерный избыток (ee) не изменился и для обеих реакций – с ультразвуком и без него – составлял 40%ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) продемонстрировали, что реакция Михаэля между халконами в качестве акцепторов и различными активными метиленовыми соединениями, такими как диэтилмалонат, нитрометан, циклогексанон, этилацетоацетат и ацетилацетон, в качестве доноров, катализируемая KF/основным оксидом алюминия, при ультразвуковом воздействии приводит к получению аддуктов с высоким выходом за более короткое время. В другом исследовании Li et al. (2002) показали успешный синтез халконов при содействии ультразвука, катализируемый KF-Al₂O₃.
Приведённые выше реакции PTC демонстрируют лишь небольшую часть потенциала и возможностей ультразвукового воздействия.
Испытание и оценка ультразвука с точки зрения возможной интенсификации PTC очень просты. Лабораторные ультразвуковые устройства, такие как выпускаемый компанией Hielscher UP200Ht (200 ватт), и настольные системы, такие как выпускаемый компанией Hielscher UIP1000hd (1000 ватт), позволяют проводить первые испытания. (См. рисунки 1 и 2)

Эффективное производство, конкурентоспособное на химическом рынке

Используя ультразвуковой межфазный катализ, вы получите одно или несколько различных преимуществ:

• инициирование реакций, которые иначе неосуществимы
• увеличение выхода
• сокращение использования дорогостоящих безводных апротонных растворителей
• сокращение времени реакции
• более низкие температуры реакции
• упрощённая подготовка
• использование щелочного металла в водной среде вместо алкоголятов щелочных металлов, амида натрия, гидрида натрия или металлического натрия
• использование более дешёвого сырья, особенно окислителей
• изменение селективности
• изменение соотношения продуктов (например, O-/C-алкилирования)
• упрощённое выделение и очистка
• увеличение выхода за счёт подавления побочных реакций
• простое линейное масштабирование до уровня промышленного производства даже при очень высокой производительности