V organickej chémii je organokatalýza formou katalýzy, pri ktorej sa rýchlosť chemickej reakcie zvyšuje organickým katalyzátorom. Toto “organokatalyst” pozostáva z uhlíka, vodíka, síry a iných nemrodových prvkov, ktoré sa nachádzajú v organických zlúčeninách. Aplikácia vysokovýkonného ultrazvuku na chemické systémy je známa ako sonochemistry a dobre zavedená technika na zvýšenie výnosov, zlepšenie reakčnej rýchlosti a urýchlenie rýchlosti reakcie. Pod ultrazvukom je často možné prepínať chemické dráhy, aby sa zabránilo nežiaducim vedľajších produktom. Sonochemistry môže podporovať organokatytické reakcie, vďaka čomu sú efektívnejšie a šetrnejšie k životnému prostrediu.

Asymetrická organotalýza – Vylepšené ultrazvukom

Sonochemistry, aplikácia vysokovýkonného ultrazvuku do chemických systémov, môže výrazne zlepšiť organokatalytické reakcie. Asymetrická organokatalýza v kombinácii s ultrazvukom často umožňuje transformovať organokatalýzu na ekologicky priateľskejšiu cestu, čím spadá pod terminológiu zelenej chémie. Ultrazvukom urýchľuje (asymetrickú) organokalytickú reakciu a vedie k vyšším výnosom, rýchlejšej miere konverzie, jednoduchšej izolácii / čisteniu produktu a lepšej selektívnosti a reaktivite. Okrem toho, že prispieva k zlepšeniu reakčnej kinetiky a výnosu, ultrazvukom môže byť často kombinované s udržateľnými reakčnými rozpúšťadlami, ako sú iónové kvapaliny, hlboké eutetické rozpúšťadlá, mierne, netoxické rozpúšťadlá a voda. Sonochemistry tak nielen zlepšuje (asymetrickú) organokalytickú reakciu, ale tiež pomáha udržateľnosti organokatalytických reakcií.

Výskum ukázal mnohoraké príklady sonchemicky zintenzívnených oragnocatalytických reakcií. Napríklad dvojvláknové molekuly DNA ako chirálne lešenie sa používajú na zostavenie hybridných katalyzátorov kovovo-biomacromolekulu pre asymetrické syntézne reakcie. Katalyzátory na báze G-quadruplex DNA boli použité v asymetrických michaelových reakciách Diels-Alder a Friedel-Crafts. (porov. Zhao and Shen, 2018)
Pri reakcii podporovanej inidiom vykazuje ultrazvukom priaznivé účinky, pretože sonchemicky riadená reakcia prebieha v miernejších podmienkach, čím sa zachováva vysoká úroveň diasterozelekcie. Pomocou sonochemiemickej cesty sa dosiahli dobré výsledky organokatalytickej syntézy β-laktámových sacharidov, β-aminokyseliny a spirodiketopiperazínov z laktónov cukru, ako aj alyláciu a reformatské reakcie na étery oximov.

Rozpúšťadle propagované organokatalytické syntézy liekov

Rogozińska-Szymczak a Mlynarski (2014) uvádzajú asymetrický Michaelov pridanie 4-hydroxykumarínu do α β nenasýtených ketónov na vode bez organických spolu rozpúšťadiel – katalyzované organickými primárnymi amínmi a ultrazvukom. Aplikácia enantiomericky čistého (S,S) -difenyletyléndiamínu poskytuje sériu dôležitých farmaceuticky aktívnych zlúčenín v dobrých až vynikajúcich výnosoch (73-98%) a s dobrými enantiozelektivitami (až 76% ee) prostredníctvom reakcií zrýchlených ultrazvukom. Výskumníci predstavujú účinný sonchemický protokol pre tvorbu antikoagulancií warfarínu vo forme "tuhých látok na vode" v oboch enantiomérnych formách. Táto ekologická organokatalytická reakcia je nielen škálovateľná, ale tiež prináša cieľovú molekulu lieku v enantiomericky čistej forme.

Sonchemická epoxidácia terpénov

Charbonneau et al. (2018) demodoval úspešnú epoxidáciu terpénov pod ultrazvukom. Konvenčná epoxidácia vyžaduje použitie katalyzátora, ale so ultrazvukom epoxidácia beží ako reakcia bez katalyzátora.
Oxid limonén je kľúčová stredná molekula pre vývoj bioproduktovaných polykarbonátov alebo nonisokyanátových polyuretánov. Ultrazvukom umožňuje katalyzátoru epoxidáciu terpénov vo veľmi krátkom reakčnom čase – Zároveň dáva veľmi dobré výnosy. S cieľom demonštrovať účinné látky ultrazvukovej epoxidácie výskumný tím porovnal epoxidáciu limonénu s oxidom limonénom pomocou dimetyl dioxinány generovaného in situ ako oxidačného činidla pri konvenčnej agitácii aj ultrazvukom. Pre všetky ultrazvukom skúšky Hielscher UP50H (50W, 30kHz) lab ultrasonicator bola použitá.

Čas potrebný na úplnú premenu limonónu na oxid limonín so 100% výnosom pod ultrazvukom bol len 4,5 minúty pri izbovej teplote. Pre porovnanie, keď sa používa konvenčná miešanie pomocou magnetického miešadla, potrebný čas na dosiahnutie 97% výnosu oxidu limonínu bol 1,5 h. Epoxidácia α-pinénu bola tiež skúmaná pomocou oboch agitačných techník. Epoxidácia α-pinénu na α-epinét pod ultrazvukom vyžadovala len 4 minúty so získaným výnosom 100%, zatiaľ čo v porovnaní s konvenčnou metódou bol reakčný čas 60 min. Pokiaľ ide o ostatné terpény, β-pinén bol premenený na β-epifínový oxid len za 4 min, zatiaľ čo farnesol priniesol 100% oxidu trieptoxidu za 8 minút. Karveol, derivát limonínu, bol premenený na oxid karveol s výnosom 98%. Pri epoxidačnej reakcii karvoneu pomocou dimetyl dioxináru bola konverzia 100% za 5 minút a produkovala 7,8-karvonícoxid.
Hlavnými výhodami sonchemickej epoxidácie terpénu sú ekologická povaha oxidačného činidla (zelená chémia), ako aj výrazne skrátený reakčný čas pri vykonávaní tejto oxidácie pri ultrazvukovom miešaní. Táto metóda epoxidácie umožnila dosiahnuť 100% konverziu limonónu so 100% výnosom oxidu limonínu len za 4,5 minúty v porovnaní s 90 minútami, keď sa používa tradičná agitácia. Okrem toho sa v reakčnom médiu nenašli žiadne oxidačné produkty limonónu, ako je karvone, karveol a perrimlylkohol. Epoxidácia α-pinénu pod ultrazvukom vyžadovala len 4 minúty, čo prinieslo 100% oxidu α borovicového bez oxidácie krúžku. Iné terpény, ako je β-pinén, farnesol a karveol, boli tiež oxidované, čo viedlo k veľmi vysokým výnosom oxidu epoxidu.

sonochemical účinky

Ako alternatíva k klasickým metódam sa sonchemické protokoly používajú na zvýšenie miery širokej škály reakcií, čo vedie k produktom generovaným v miernejších podmienkach s výrazným znížením reakčných časov. Tieto metódy boli opísané ako ekologickejšie a udržateľnejšie a sú spojené s väčšou selektívnosťou a nižšou spotrebou energie pre požadované transformácie. Mechanizmus takýchto metód je založený na fenoméne akustickej kavitácie, ktorá indukuje jedinečné podmienky tlaku a teploty prostredníctvom tvorby, rastu a adiabatického kolapsu bublín v kvapalnom médiu. Tento účinok zlepšuje prenos hmoty a zvyšuje turbulentný tok v kvapaline, čo uľahčuje chemické transformácie. V našich štúdiách použitie ultrazvuku viedlo k produkcii zlúčenín v skrátených reakčných časoch s vysokými výnosmi a čistotou. Takéto vlastnosti zvýšili počet zlúčenín hodnotených vo farmakologických modeloch, čo prispelo k urýchleniu procesu optimalizácie olovo.
Nielenže môže tento vysokoenergetický vstup zvýšiť mechanické účinky v heterogénnych procesoch, ale je tiež známe, že vyvoláva nové reaktivity vedúce k tvorbe neočakávaných chemických druhov. To, čo robí sonochemistry jedinečným, je pozoruhodný fenomén kavitácie, ktorý vytvára v lokálne obmedzenom priestore mikro-bublinového prostredia mimoriadne účinky v dôsledku striedajúcich sa vysokotlakových / nízkotlakových cyklov, veľmi vysokých teplotných diferenciálov, vysokých šmykových síl a streamovania kvapalín.

Výhody sonochemicky podporovaných organokalytických reakcií

Ultrazvukom sa čoraz viac používa v organickej syntéze a katalýze, pretože sonchemické účinky vykazujú podstatné zintenzívnenie chemických reakcií. Najmä v porovnaní s tradičnými metódami (napr. vykurovanie, miešanie) je sonochemistry efektívnejšie, pohodlnejšie a presne kontrolovateľné. Ultrazvukom a sonochemistry ponúkajú niekoľko hlavných výhod, ako sú vyššie výnosy, zvýšená čistota zlúčenín a selektívnosť, kratšie reakčné časy, nižšie náklady, ako aj jednoduchosť pri prevádzke a manipulácii so sonchemickým postupom. Tieto prospešné faktory robia rozpúšťadle-asistované chemické reakcie nielen účinnejšie a šetriace, ale aj šetrnejšie k životnému prostrediu.
Bolo dokázané, že početné organické reakcie poskytujú vyššie výnosy v kratšom reakčnom čase a / alebo v miernejších podmienkach pri použití ultrazvukom.

Ultrazvukom umožňuje jednoduché one-pot reakcie

Ultrazvukom umožňuje iniciovať viaczložkové reakcie ako reakcie jedného hrnca, ktoré poskytujú syntézu štrukturálne rôznorodých zlúčenín. Takéto reakcie jedného hrnca sú cenené pre vysokú celkovú účinnosť a ich jednoduchosť, pretože izolácia a čistenie medziproduktov nie je potrebné.

Účinky ultrazvukových vĺn na asymetrické organokatalytické reakcie boli úspešne aplikované v rôznych typoch reakcií vrátane katalyzy fázového prenosu, Heckových reakcií, hydrogenácie, Mannichových reakcií, reakcií podobného Barbier a Barbier, reakcií Diels-Alder, spojovacej reakcie Suzuki a pridania Michealu.

Nájdite ideálny ultrasonicator pre vašu organokatalytickú reakciu!

Hielscher Ultrasonics je váš dôveryhodný partner, pokiaľ ide o vysoko výkonné, vysoko kvalitné ultrazvukové zariadenia. Hielscher navrhuje, vyrába a distribuuje najmodernejšie ultrazvukové sondy, reaktory a pohárové rohy pre sonchemické aplikácie. Všetky zariadenia sú vyrábané podľa postupov certifikovaných iso a s nemeckou presnosťou pre vynikajúcu kvalitu v našom sídle v Teltowe (neďaleko Berlína), Nemecko.
Portfólio Hielscher ultrasonicators sa pohybuje od kompaktných laboratórnych ultrasonicators až po plne priemyselné ultrazvukové reaktory pre veľkoplošné chemické výroby. Sondy (tiež známe ako sonotródy, ultrazvukové rohy alebo špičky), posilňovacie rohy a reaktory sú ľahko dostupné v mnohých veľkostiach a geometriách. Prispôsobené verzie môžu byť vyrobené aj pre vaše požiadavky.
Od Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvukové procesory sú k dispozícii v akejkoľvek veľkosti od malých laboratórnych zariadení až po veľké priemyselné procesory pre aplikácie dávkovej a prietokovej chémie, vysokovýkonná ultrazvukom môže byť ľahko implementovaná do akéhokoľvek nastavenia reakcie. Presné nastavenie ultrazvukovej amplitúdy – Najdôležitejší parameter pre sonchemické aplikácie – umožňuje prevádzkovať Hielscher ultrasonicators pri nízkych až veľmi vysokých amplitúdach a doladiť amplitúdu presne na požadované ultrazvukové procesné podmienky špecifického systému chemickej reakcie.
Hielscher ultrazvukový generátor funkcie inteligentný softvér s automatickým protokolovanie dát. Všetky dôležité parametre spracovania, ako je ultrazvuková energia, teplota, tlak a čas, sa automaticky uložia na vstavanú SD kartu hneď po zapnutí zariadenia.
Monitorovanie procesov a zaznamenávanie údajov sú dôležité pre nepretržitú štandardizáciu procesov a kvalitu výrobkov. Prístupom k automaticky zaznamenaným procesom údajov, môžete revidovať predchádzajúce ultrazvukom beží a vyhodnotiť výsledok.
Ďalšou užívateľsky prívetivou funkciou je diaľkové ovládanie našich digitálnych ultrazvukových systémov prehliadačom. Pomocou diaľkového ovládania prehliadača môžete spustiť, zastaviť, upraviť a monitorovať ultrazvukový procesor na diaľku odkiaľkoľvek.
Kontaktujte nás teraz a dozviete sa viac o našich vysoko výkonných ultrazvukových homogenizátoroch môže zlepšiť vašu oragnocatalytickú syntézu reakcie!

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: