Organokatalytické reakcie podporované sonikáciou

V organickej chémii je organokatalýza formou katalýzy, pri ktorej sa rýchlosť chemickej reakcie zvyšuje pôsobením organického katalyzátora. Tento „organokatalyzátor“ pozostáva z uhlíka, vodíka, síry a ďalších nekovových prvkov nachádzajúcich sa v organických zlúčeninách. Aplikácia vysokovýkonného ultrazvuku na chemické systémy je známa ako sonochémia a predstavuje osvedčenú techniku na zvyšovanie výťažkov, zlepšovanie reakčných rýchlostí a urýchľovanie priebehu reakcií. Pri sonikácii je často možné zmeniť reakčné dráhy a vyhnúť sa tak nežiaducim vedľajším produktom. Sonochémia môže podporovať organokatalytické reakcie, čím ich robí účinnejšími a šetrnejšími k životnému prostrediu.

Asymetrická organokatalýza – zlepšená sonikáciou

Sonochémia, aplikácia vysokovýkonného ultrazvuku na chemické systémy, môže výrazne zlepšiť organokatalytické reakcie. Asymetrická organokatalýza v kombinácii s pôsobením ultrazvuku často umožňuje premeniť organokatalýzu na postup šetrnejší k životnému prostrediu, ktorý tak spadá pod pojem zelená chémia. Sonikácia urýchľuje (asymetrickú) organokatalytickú reakciu a vedie k vyšším výťažkom, rýchlejšej konverzii, jednoduchšej izolácii a čisteniu produktu a lepšej selektivite a reaktivite. Okrem toho, že pôsobenie ultrazvuku prispieva k zlepšeniu reakčnej kinetiky a výťažku, možno ho často kombinovať s udržateľnými reakčnými rozpúšťadlami, ako sú iónové kvapaliny, hlboko eutektické rozpúšťadlá, šetrné netoxické rozpúšťadlá a voda. Sonochémia tak nielen zlepšuje samotnú (asymetrickú) organokatalytickú reakciu, ale podporuje aj udržateľnosť organokatalytických reakcií.

Výskum priniesol množstvo príkladov sonochemicky intenzifikovaných organokatalytických reakcií. Napríklad dvojvláknové molekuly DNA sa používajú ako chirálna kostra na zostavenie hybridných katalyzátorov typu kov–biomakromolekula pre reakcie asymetrickej syntézy. Katalyzátory na báze G-kvadruplexovej DNA sa použili pri asymetrickej Michaelovej adícii, Dielsových–Alderových a Friedelových–Craftsových reakciách. (porov. Zhao a Shen, 2018)
Pri reakcii podporovanej indiom má sonikácia priaznivé účinky, pretože sonochemicky vyvolaná reakcia prebieha za miernejších podmienok, pričom sa zachováva vysoká úroveň diastereoselektivity. Sonochemickým postupom sa dosiahli dobré výsledky pri organokatalytickej syntéze β-laktámových sacharidov, β-aminokyseliny a spirodiketopiperazínov z laktónov cukrov, ako aj pri alylácii a Reformatského reakciách oximéterov.

Organokatalytická syntéza liečiv podporovaná ultrazvukom

Rogozińska-Szymczak a Mlynarski (2014) opisujú asymetrickú Michaelovu adíciu 4-hydroxykumarínu na α,β-nenasýtené ketóny na vode bez organických korozpúšťadiel – katalyzovanú organickými primárnymi amínmi a sonikáciou. Použitie enantiomérne čistého (S,S)-difenyletyléndiamínu poskytuje sériu významných farmaceuticky účinných zlúčenín v dobrých až vynikajúcich výťažkoch (73–98%) a s dobrou enantioselektivitou (až do 76% ee) prostredníctvom reakcií urýchľovaných ultrazvukom. Výskumníci predstavujú účinný sonochemický postup tvorby antikoagulancia warfarínu v oboch enantiomérnych formách v systéme „tuhé látky na vode“. Táto organokatalytická reakcia šetrná k životnému prostrediu umožňuje nielen zväčšenie meradla, ale poskytuje aj cieľovú molekulu liečiva v enantiomérne čistej forme.

Sonochemická epoxidácia terpénov

Charbonneau a kol. (2018) preukázali úspešnú epoxidáciu terpénov pri sonikácii. Konvenčná epoxidácia si vyžaduje použitie katalyzátora, pri sonikácii však epoxidácia prebieha ako reakcia bez katalyzátora.
Limonéndioxid je kľúčovou intermediárnou molekulou pri vývoji polykarbonátov na biologickej báze alebo neizokyanátových polyuretánov. Sonikácia umožňuje epoxidáciu terpénov bez katalyzátora za veľmi krátky reakčný čas – a zároveň poskytuje veľmi dobré výťažky. Na preukázanie účinnosti ultrazvukovej epoxidácie výskumný tím porovnal epoxidáciu limonénu na limonéndioxid s použitím dimetyldioxiránu vytvoreného in situ ako oxidačného činidla pri konvenčnom miešaní aj pri pôsobení ultrazvuku. Pri všetkých sonikačných skúškach bol laboratórny ultrazvukový prístroj Hielscher UP50H (50W, 30kHz) použitý.

Čas potrebný na úplnú premenu limonénu na limonéndioxid so 100% výťažkom pri sonikácii bol pri izbovej teplote iba 4,5 min. Na porovnanie, pri konvenčnom miešaní pomocou magnetického miešadla bol čas potrebný na dosiahnutie 97% výťažku limonéndioxidu 1,5 h. Pri oboch technikách miešania sa skúmala aj epoxidácia α-pinénu. Epoxidácia α-pinénu na α-pinénoxid pri sonikácii si vyžadovala iba 4 min a dosiahol sa výťažok 100%, zatiaľ čo pri konvenčnej metóde bol reakčný čas 60 min. Pokiaľ ide o ďalšie terpény, β-pinén sa premenil na β-pinénoxid iba za 4 min, zatiaľ čo farnezol poskytol 100% výťažok triepoxidu za 8 min. Karveol, derivát limonénu, sa premenil na karveoldioxid s výťažkom 98%. Pri epoxidácii karvónu pomocou dimetyldioxiránu bola konverzia za 5 min 100%, pričom vznikol 7,8-karvónoxid.
Hlavnými výhodami sonochemickej epoxidácie terpénov sú environmentálna šetrnosť oxidačného činidla (zelená chémia), ako aj výrazne skrátený reakčný čas pri vykonávaní tejto oxidácie za ultrazvukového miešania. Táto metóda epoxidácie umožnila dosiahnuť 100% konverziu limonénu so 100% výťažkom limonéndioxidu iba za 4,5 min v porovnaní s 90 min pri tradičnom miešaní. Okrem toho sa v reakčnom prostredí nezistili žiadne produkty oxidácie limonénu, ako sú karvón, karveol a perrilylalkohol. Epoxidácia α-pinénu pri pôsobení ultrazvuku si vyžadovala iba 4 min, pričom poskytla 100% výťažok α-pinénoxidu bez oxidácie kruhu. Oxidovali sa aj ďalšie terpény, ako sú β-pinén, farnezol a karveol, čo viedlo k veľmi vysokým výťažkom epoxidov.

Sonochemické účinky

Ako alternatíva ku klasickým metódam sa používajú sonochemické postupy na zvýšenie rýchlosti širokej škály reakcií, čo vedie k získavaniu produktov za miernejších podmienok pri výraznom skrátení reakčných časov. Tieto metódy sa opisujú ako šetrnejšie k životnému prostrediu a udržateľnejšie a spájajú sa s vyššou selektivitou a nižšou spotrebou energie pri požadovaných premenách. Mechanizmus týchto metód je založený na jave akustickej kavitácie, ktorý prostredníctvom vzniku, rastu a adiabatického kolapsu bublín v kvapalnom prostredí vytvára jedinečné tlakové a teplotné podmienky. Tento účinok zlepšuje prenos hmoty a zintenzívňuje turbulentné prúdenie v kvapaline, čím uľahčuje chemické premeny. V našich štúdiách viedlo použitie ultrazvuku k získavaniu zlúčenín za kratšie reakčné časy s vysokými výťažkami a čistotou. Tieto vlastnosti zvýšili počet zlúčenín hodnotených vo farmakologických modeloch, čím prispeli k urýchleniu procesu optimalizácie pri prechode od počiatočných aktívnych zlúčenín k vedúcim zlúčeninám.
Tento vysoký prívod energie môže nielen zosilňovať mechanické účinky v heterogénnych procesoch, ale je tiež známe, že vyvoláva nové prejavy reaktivity vedúce k tvorbe neočakávaných chemických častíc. Jedinečnosť sonochémie spočíva v pozoruhodnom jave kavitácie, ktorý v lokálne ohraničenom priestore prostredia mikrobublín vytvára mimoriadne účinky v dôsledku striedania vysokotlakových / nízkotlakových cyklov, veľmi veľkých teplotných rozdielov, vysokých šmykových síl a prúdenia kvapaliny.

Výhody sonochemicky podporovaných organokatalytických reakcií

Sonikácia sa čoraz častejšie používa v organickej syntéze a katalýze, pretože sonochemické účinky výrazne zintenzívňujú chemické reakcie. Najmä v porovnaní s tradičnými metódami (napr. zahrievaním, miešaním) je sonochémia účinnejšia, praktickejšia a presne regulovateľná. Sonikácia a sonochémia ponúkajú niekoľko významných výhod, ako sú vyššie výťažky, vyššia čistota zlúčenín a selektivita, kratšie reakčné časy, nižšie náklady, ako aj jednoduchá obsluha a vykonávanie sonochemického postupu. Vďaka týmto priaznivým faktorom sú chemické reakcie podporované ultrazvukom nielen účinnejšie a bezpečnejšie, ale aj šetrnejšie k životnému prostrediu.
Pri mnohých organických reakciách sa preukázalo, že pri použití sonikácie poskytujú vyššie výťažky za kratší reakčný čas a / alebo za miernejších podmienok.

Pôsobenie ultrazvuku umožňuje jednoduché reakcie v jednej reakčnej nádobe

Sonikácia umožňuje iniciovať viaczložkové reakcie ako reakcie v jednej reakčnej nádobe, ktoré umožňujú syntézu štruktúrne rozmanitých zlúčenín. Takéto reakcie v jednej reakčnej nádobe sa cenia pre vysokú celkovú účinnosť a jednoduchosť, pretože nevyžadujú izoláciu a čistenie medziproduktov.

Účinky ultrazvukových vĺn na asymetrické organokatalytické reakcie sa úspešne využili pri rôznych typoch reakcií vrátane katalýzy fázovým prenosom, Heckových reakcií, hydrogenácie, Mannichových reakcií, Barbierových reakcií a reakcií podobných Barbierovým reakciám, Dielsových-Alderových reakcií, Suzukiho kopulačnej reakcie a Michaelovej adície.

Nájdite ideálny ultrazvukový prístroj pre svoju organokatalytickú reakciu!

Hielscher Ultrasonics je vaším dôveryhodným partnerom v oblasti vysokovýkonných a vysokokvalitných ultrazvukových zariadení. Hielscher navrhuje, vyrába a distribuuje najmodernejšie ultrazvukové sondy, reaktory a pohárové sonotródy na sonochemické aplikácie. Všetky zariadenia sa vyrábajú podľa postupov certifikovaných podľa noriem ISO a s nemeckou precíznosťou na dosiahnutie špičkovej kvality v našom sídle v nemeckom Teltowe (pri Berlíne).
Portfólio ultrazvukových prístrojov Hielscher siaha od kompaktných laboratórnych ultrazvukových prístrojov až po plne priemyselné ultrazvukové reaktory na veľkokapacitnú chemickú výrobu. Sondy (známe aj ako sonotródy, ultrazvukové rohy alebo hroty), zosilňovacie rohy a reaktory sú bežne dostupné v mnohých veľkostiach a geometrických vyhotoveniach. Možno vyrobiť aj verzie prispôsobené vašim požiadavkám.
Keďže ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics sú dostupné v akejkoľvek veľkosti od malých laboratórnych zariadení až po veľké priemyselné procesory na aplikácie vo vsádzkovej a prietokovej chémii, vysokovýkonnú sonikáciu možno ľahko zaviesť do akejkoľvek reakčnej zostavy. Presné nastavenie amplitúdy ultrazvuku – najdôležitejšieho parametra pre sonochemické aplikácie – umožňuje prevádzkovať ultrazvukové prístroje Hielscher pri nízkych až veľmi vysokých amplitúdach a presne doladiť amplitúdu podľa požadovaných podmienok ultrazvukového procesu v konkrétnom chemickom reakčnom systéme.
Ultrazvukový generátor Hielscher je vybavený inteligentným softvérom s automatickým zaznamenávaním údajov. Všetky dôležité parametre spracovania, ako sú ultrazvuková energia, teplota, tlak a čas, sa automaticky ukladajú na vstavanú kartu SD hneď po zapnutí zariadenia.
Monitorovanie procesu a zaznamenávanie údajov sú dôležité pre priebežnú štandardizáciu procesu a kvalitu produktu. Prístup k automaticky zaznamenaným procesným údajom vám umožňuje preskúmať predchádzajúce cykly sonikácie a vyhodnotiť výsledok.
Ďalšou používateľsky prívetivou funkciou je diaľkové ovládanie našich digitálnych ultrazvukových systémov prostredníctvom prehliadača. Pomocou diaľkového ovládania cez prehliadač môžete svoj ultrazvukový procesor odkiaľkoľvek na diaľku spustiť, zastaviť, nastavovať a monitorovať.
Kontaktujte nás a zistite viac o tom, ako môžu naše vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory zlepšiť vašu organokatalytickú syntetickú reakciu!

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových prístrojov: