Organokatalytické reakcie podporované sonikáciou

V organickej chémii je organokatálýza formou katalýzy, pri ktorej sa rýchlosť chemickej reakcie zvyšuje organickým katalyzátorom. Toto “Organický katalyzátor” pozostáva z uhlíka, vodíka, síry a iných nekovových prvkov nachádzajúcich sa v organických zlúčeninách. Aplikácia vysokovýkonného ultrazvuku na chemické systémy je známa ako sonochémia a dobre zavedená technika na zvýšenie výťažkov, zlepšenie rýchlosti reakcií a urýchlenie rýchlosti reakcie. Pri sonikácii je často možné zmeniť chemické cesty a vyhnúť sa nežiaducim vedľajším produktom. Sonochémia môže podporovať organokatalytické reakcie, vďaka čomu sú efektívnejšie a šetrnejšie k životnému prostrediu.

Asymetrická organokatálýza – Vylepšené sonikáciou

Sonochémia, aplikácia vysokovýkonného ultrazvuku do chemických systémov, môže výrazne zlepšiť organokatalytické reakcie. Asymetrická organokatalýza v kombinácii s ultrazvukom často umožňuje transformovať organokatalýzu na ekologickejšiu cestu, čím spadá pod terminológiu zelenej chémie. Sonikácia urýchľuje (asymetrickú) organokalytickú reakciu a vedie k vyšším výťažkom, rýchlejšej miere konverzie, jednoduchšej izolácii/čisteniu produktu a zlepšenej selektivite a reaktivite. Okrem toho, že ultrazvuk prispieva k zlepšeniu reakčnej kinetiky a výťažku, môže sa často kombinovať s udržateľnými reakčnými rozpúšťadlami, ako sú iónové kvapaliny, hlboké eutektické rozpúšťadlá, mierne, netoxické rozpúšťadlá a voda. Sonochémia tak nielen zlepšuje samotnú (asymetrickú) organokatylytickú reakciu, ale tiež pomáha udržateľnosti organokatalytických reakcií.

Výskum ukázal množstvo príkladov sonochemicky zosilnených oragnocatalytických reakcií. Napríklad dvojvláknové molekuly DNA ako chirálne lešenie sa používajú na zostavenie hybridných katalyzátorov kov-biomakromolekula pre asymetrické syntézne reakcie. Katalyzátory na báze G-kvadruplexnej DNA boli aplikované v asymetrických reakciách Michaelovej, Diels-Alderovej a Friedel-Craftsovej. (porovnaj Zhao a Shen, 2018)
Pri reakcii podporovanej inídiom vykazuje sonikácia priaznivé účinky, pretože sonochemicky riadená reakcia prebieha za miernejších podmienok, čím sa zachováva vysoká úroveň diasteroselekcie. Použitím sonochemickej cesty sa dosiahli dobré výsledky v organokatalytickej syntéze β-laktamových sacharidov, β-aminokyselín a spirodiketopiperazínov z cukrových laktónov, ako aj allylačných a Reformatského reakcií na oximických éteroch.

Ultrazvukom podporovaná syntéza organokatalytických liečiv

Rogozińska-Szymczak a Mlynarski (2014) uvádzajú asymetrickú Michaelovu adíciu 4-hydroxykumarínu do α β-nenasýtených ketónov vo vode bez organických korozpúšťadiel – katalyzované organickými primárnymi amínmi a sonikáciou. Aplikácia enantiomérne čistého (S,S)-difenyletylénédiamínu poskytuje sériu dôležitých farmaceuticky aktívnych zlúčenín s dobrými až vynikajúcimi výťažkami (73–98 %) a s dobrou enantioselektivitou (až 76 % ee) prostredníctvom reakcií urýchlených ultrazvukom. Vedci predstavujú účinný sonochemický protokol pre tvorbu antikoagulačného warfarínu v oboch enantiomérnych formách "pevných látok na vode". Táto organokatalytická reakcia šetrná k životnému prostrediu je nielen škálovateľná, ale poskytuje aj cieľovú molekulu liečiva v enantiomérne čistej forme.

Sonochemická epoxidácia terpénov

Charbonneau et al. (2018) demonštrovali úspešnú epoxidáciu terpénov pri sonikácii. Konvenčná epoxidácia vyžaduje použitie katalyzátora, ale pri sonikácii prebieha epoxidácia ako reakcia bez katalyzátora.
Limonéndioxid je kľúčovou medzimolekulou pre vývoj polykarbonátov na biologickej báze alebo neizokyanátových polyuretánov. Sonikacia umožňuje eoxidáciu terpénov bez katalyzátora vo veľmi krátkom reakčnom čase – zároveň poskytuje veľmi dobré výnosy. S cieľom demonštrovať účinnosť ultrazvukovej epoxidácie výskumný tím porovnal epoxidáciu limonénu s oxidom limonénoxidom pomocou dimetyldioxiranu generovaného in-situ ako oxidačného činidla pri konvenčnom miešaní aj ultrazvuku. Pri všetkých skúškach sonikácie Laboratórny ultrazvuk Hielscher UP50H (50 W, 30 kHz) bol použitý.

Čas potrebný na úplnú premenu limonénu na oxid limonéndičitýn so 100% výťažkom pri sonikácii bol iba 4,5 minúty pri izbovej teplote. Na porovnanie, pri použití konvenčného miešadla pomocou magnetického miešadla bol čas potrebný na dosiahnutie 97% výťažku oxidu limonénového 1,5 hodiny. Epoxidácia α-pinénu bola tiež študovaná pomocou oboch miešacích techník. Epoxidácia α-pinénu na α-pinénoxid pri sonikácii si vyžiadala iba 4 minúty so získaným výťažkom 100%, pričom v porovnaní s konvenčnou metódou bol reakčný čas 60 min. Pokiaľ ide o iné terpény, β-pinén sa premenil na β-pinénoxid len za 4 minúty, zatiaľ čo farnesol poskytol 100 % triepoxidu za 8 minút. Karveol, derivát limonénu, bol premenený na karveol dioxid s výťažkom 98%. Pri epoxidačnej reakcii karvónu s použitím dimetyldioxiranu bola konverzia 100% za 5 minút, čím sa vytvoril 7,8-karvónový oxid.
Hlavnými výhodami sonochemickej terpénovej epoxidácie sú ekologická povaha oxidačného činidla (zelená chémia), ako aj výrazne skrátený reakčný čas vykonávajúci túto oxidáciu pri ultrazvukovom miešaní. Táto epoxidačná metóda umožnila dosiahnuť 100 % premenu limonénu so 100 % výťažkom oxidu limonéndioxidu len za 4,5 minúty v porovnaní s 90 minútami pri použití tradičného miešania. Okrem toho sa v reakčnom médiu nenašli žiadne oxidačné produkty limonénu, ako je karvón, karveol a perrilylalkohol. Epoxidácia α-pinénu pod ultrazvukom si vyžadovala iba 4 minúty, čím sa získalo 100 % oxidu α-pinénu bez oxidácie kruhu. Iné terpény, ako je β-pinén, farnesol a karveol, boli tiež oxidované, čo viedlo k veľmi vysokým výťažkom epoxidov.

sonochemické účinky

Ako alternatíva ku klasickým metódam sa používajú sonochemické protokoly na zvýšenie rýchlosti širokej škály reakcií, čo vedie k produktom generovaným za miernejších podmienok s výrazným skrátením reakčných časov. Tieto metódy boli opísané ako ekologickejšie a udržateľnejšie a sú spojené s väčšou selektivitou a nižšou spotrebou energie pre požadované transformácie. Mechanizmus takýchto metód je založený na fenoméne akustickej kavitácie, ktorá vyvoláva jedinečné podmienky tlaku a teploty prostredníctvom tvorby, rastu a adiabatického kolapsu bublín v kvapalnom médiu. Tento efekt zlepšuje prenos hmoty a zvyšuje turbulentné prúdenie v kvapaline, čím uľahčuje chemické premeny. V našich štúdiách viedlo použitie ultrazvuku k produkcii zlúčenín v skrátených reakčných časoch s vysokými výťažkami a čistotou. Takéto vlastnosti zvýšili počet zlúčenín hodnotených vo farmakologických modeloch, čo prispelo k urýchleniu procesu optimalizácie zásahu do olova.
Nielenže tento vysokoenergetický vstup môže zvýšiť mechanické účinky v heterogénnych procesoch, ale je tiež známe, že vyvoláva nové reaktivity vedúce k tvorbe neočakávaných chemických zložiek. To, čo robí sonochémiu jedinečnou, je pozoruhodný fenomén kavitácie, ktorá v lokálne obmedzenom priestore prostredia mikrobublín vytvára mimoriadne účinky v dôsledku striedavých vysokotlakových / nízkotlakových cyklov, veľmi vysokých teplotných rozdielov, vysokých šmykových síl a prúdenia kvapaliny.

Výhody sonochemicky podporovaných organokatalytických reakcií

Sonikácia sa čoraz viac používa v organickej syntéze a katalýze, pretože sonochemické účinky vykazujú podstatné zintenzívnenie chemických reakcií. Najmä v porovnaní s tradičnými metódami (napr. zahrievanie, miešanie) je sonochémia efektívnejšia, pohodlnejšia a presne kontrolovateľná. Sonikácia a sonochémia ponúkajú niekoľko hlavných výhod, ako sú vyššie výťažky, zvýšená čistota zlúčenín a selektivita, kratšie reakčné časy, nižšie náklady, ako aj jednoduchosť obsluhy a manipulácie so sonochemickým postupom. Vďaka týmto priaznivým faktorom sú ultrazvukom asistované chemické reakcie nielen účinnejšie a úspornejšie, ale aj šetrnejšie k životnému prostrediu.
Bolo dokázané, že početné organické reakcie poskytujú vyššie výnosy pri kratšom reakčnom čase a / alebo za miernejších podmienok, ak sa vykonávajú pomocou sonikácie.

Ultrazvuk umožňuje jednoduché reakcie v jednom hrnci

Sonikácia umožňuje iniciovať viaczložkové reakcie ako reakcie v jednom hrnci, ktoré zabezpečujú syntézu štrukturálne rôznorodých zlúčenín. Takéto reakcie v jednom hrnci sa oceňujú pre vysokú celkovú účinnosť a jednoduchosť, pretože nie je potrebná izolácia a čistenie medziproduktov.

Účinky ultrazvukových vĺn na asymetrické organokatalytické reakcie boli úspešne aplikované v rôznych typoch reakcií vrátane fázových prenosových katalýz, Heckových reakcií, hydrogenácie, Mannichových reakcií, Barbierových a Barbierových reakcií, Diels-Alderových reakcií, Suzukiho väzbovej reakcie a Michealovej adiancie.

Nájdite ideálny ultrazvuk pre svoju organokatalytickú reakciu!

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics je vaším dôveryhodným partnerom, pokiaľ ide o vysokovýkonné a vysokokvalitné ultrazvukové zariadenia. Spoločnosť Hielscher navrhuje, vyrába a distribuuje najmodernejšie ultrazvukové sondy, reaktory a pohárové rohy pre sonochemické aplikácie. Všetky zariadenia sú vyrábané podľa certifikovaných postupov ISO a s nemeckou presnosťou pre najvyššiu kvalitu v našom sídle v Teltowe (neďaleko Berlína), Nemecko.
Portfólio ultrazvukových prístrojov Hielscher siaha od kompaktných laboratórnych ultrazvukov až po plne priemyselné ultrazvukové reaktory pre chemickú výrobu vo veľkom meradle. Sondy (tiež známe ako sonotrody, ultrazvukové klaksóny alebo hroty), pomocné klaksóny a reaktory sú ľahko dostupné v mnohých veľkostiach a geometriách. Pre vaše požiadavky je možné vyrobiť aj verzie na mieru.
Od spoločnosti Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvukové procesory sú k dispozícii v akejkoľvek veľkosti od malých laboratórnych zariadení až po veľké priemyselné procesory pre dávkové a prietokové chémie. Presné nastavenie ultrazvukovej amplitúdy – Najdôležitejší parameter pre sonochemické aplikácie – umožňuje prevádzkovať ultrazvukové prístroje Hielscher pri nízkych až veľmi vysokých amplitúdach a jemne doladiť amplitúdu presne na požadované podmienky ultrazvukového procesu špecifického chemického reakčného systému.
Ultrazvukový generátor Hielscher je vybavený inteligentným softvérom s automatickým protokolovaním údajov. Všetky dôležité parametre spracovania, ako je ultrazvuková energia, teplota, tlak a čas, sa automaticky ukladajú na vstavanú SD kartu hneď po zapnutí zariadenia.
Monitorovanie procesov a zaznamenávanie údajov sú dôležité pre nepretržitú štandardizáciu procesov a kvalitu produktov. Prístupom k automaticky zaznamenaným procesným údajom môžete revidovať predchádzajúce ultrazvukové spustenia a vyhodnotiť výsledok.
Ďalšou užívateľsky prívetivou funkciou je diaľkové ovládanie prehliadača našich digitálnych ultrazvukových systémov. Pomocou diaľkového ovládania prehliadača môžete spustiť, zastaviť, nastaviť a monitorovať ultrazvukový procesor na diaľku odkiaľkoľvek.
Kontaktujte nás teraz a dozviete sa viac o našich vysokovýkonných ultrazvukových homogenizátoroch, ktoré môžu zlepšiť vašu reakciu oragnocatalytickej syntézy!

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: