Organokatalitske reakcije, spodbujene s sonikacijo

V organski kemiji je organokataliza oblika katalize, pri kateri organski katalizator poveča hitrost kemijske reakcije. Ta »organokatalizator« sestavljajo ogljik, vodik, žveplo in drugi nekovinski elementi, ki jih najdemo v organskih spojinah. Uporaba ultrazvoka visoke moči v kemijskih sistemih je znana kot sonokemija in je dobro uveljavljena tehnika za povečanje izkoristkov, izboljšanje hitrosti reakcij in pospeševanje njihovega poteka. S sonikacijo je pogosto mogoče spremeniti reakcijske poti in se tako izogniti neželenim stranskim produktom. Sonokemija lahko spodbuja organokatalitske reakcije, tako da postanejo učinkovitejše in okolju prijaznejše.

Asimetrična organokataliza – izboljšana s sonikacijo

Sonokemija, uporaba visokozmogljivega ultrazvoka v kemijskih sistemih, lahko znatno izboljša organokatalitske reakcije. Asimetrična organokataliza v kombinaciji z ultrazvočno obdelavo pogosto omogoča preoblikovanje organokatalize v okolju prijaznejšo reakcijsko pot, ki tako spada v okvir zelene kemije. Sonikacija pospešuje (asimetrično) organokatalitsko reakcijo ter omogoča višje izkoristke, hitrejšo pretvorbo, lažjo izolacijo/čiščenje produktov ter izboljšano selektivnost in reaktivnost. Poleg izboljšanja reakcijske kinetike in izkoristka je ultrazvočno obdelavo pogosto mogoče kombinirati s trajnostnimi reakcijskimi topili, kot so ionske tekočine, globoka evtektična topila, blaga, nestrupena topila in voda. Sonokemija tako ne izboljšuje le same (asimetrične) organokatalitske reakcije, temveč prispeva tudi k trajnostnosti organokatalitskih reakcij.

Raziskave so pokazale številne primere sonokemijsko intenziviranih organokatalitskih reakcij. Dvoverižne molekule DNA se na primer uporabljajo kot kiralno ogrodje za sestavljanje hibridnih katalizatorjev iz kovin in biomakromolekul za reakcije asimetrične sinteze. Katalizatorji na osnovi G-kvadrupleksne DNA so bili uporabljeni pri asimetrični Michaelovi adiciji ter Diels-Alderjevih in Friedel-Craftsovih reakcijah. (prim. Zhao in Shen, 2018)
Pri reakciji, ki jo spodbuja inidium, ima sonikacija ugodne učinke, saj sonokemijsko vodena reakcija poteka v blažjih pogojih in pri tem ohranja visoko stopnjo diastereoselektivnosti. Z uporabo sonokemijske poti so bili doseženi dobri rezultati pri organokatalitski sintezi β-laktamskih ogljikovih hidratov, β-aminokisline in spirodiketopiperazinov iz sladkornih laktonov ter pri alilaciji in Reformatskyjevih reakcijah oksimskih etrov.

Organokatalitska sinteza zdravil, spodbujena z ultrazvokom

Rogozińska-Szymczak in Mlynarski (2014) poročata o asimetrični Michaelovi adiciji 4-hidroksikumarina na α,β-nenasičene ketone na vodi brez organskih sotopil – katalizirani z organskimi primarnimi amini in sonikacijo. Uporaba enantiomerno čistega (S,S)-difeniletilendiamina omogoča pridobivanje vrste pomembnih farmacevtsko aktivnih spojin z dobrimi do odličnimi izkoristki (73–98%) in dobro enantioselektivnostjo (do 76% ee) z reakcijami, pospešenimi z ultrazvokom. Raziskovalca predstavljata učinkovit sonokemijski protokol za nastanek antikoagulanta varfarina v obeh enantiomernih oblikah po postopku »trdne snovi na vodi«. Ta okolju prijazna organokatalitska reakcija ne omogoča le povečanja obsega, temveč daje tudi ciljno molekulo zdravila v enantiomerno čisti obliki.

Sonokemijska epoksidacija terpenov

Charbonneau in sod. (2018) so dokazali uspešno epoksidacijo terpenov s sonikacijo. Običajna epoksidacija zahteva uporabo katalizatorja, s sonikacijo pa epoksidacija poteka kot reakcija brez katalizatorja.
Limonen dioksid je ključna vmesna molekula za razvoj polikarbonatov na biološki osnovi ali neizocianatnih poliuretanov. Sonikacija omogoča epoksidacijo terpenov brez katalizatorja v zelo kratkem reakcijskem času – ob tem pa zagotavlja zelo dobre izkoristke. Da bi dokazala učinkovitost ultrazvočne epoksidacije, je raziskovalna skupina primerjala epoksidacijo limonena v limonen dioksid z uporabo dimetildioksirana, nastalega in situ, kot oksidacijskega sredstva pri običajnem mešanju in ultrazvočni obdelavi. Pri vseh poskusih sonikacije so laboratorijski ultrazvočni procesor Hielscher UP50H (50W, 30kHz) uporabili.

Čas, potreben za popolno pretvorbo limonena v limonen dioksid s 100% izkoristkom pri sonikaciji, je bil pri sobni temperaturi le 4,5 min. Za primerjavo: pri običajnem mešanju z magnetnim mešalom je bil čas, potreben za doseganje 97% izkoristka limonen dioksida, 1,5 h. Z obema tehnikama mešanja so proučevali tudi epoksidacijo α-pinena. Epoksidacija α-pinena v α-pinen oksid je pri sonikaciji zahtevala le 4 min, doseženi izkoristek pa je bil 100%, medtem ko je bil pri običajni metodi reakcijski čas 60 min. Pri drugih terpenih je bil β-pinen pretvorjen v β-pinen oksid v le 4 min, farnesol pa je v 8 min dal triepoksid s 100% izkoristkom. Karveol, derivat limonena, je bil pretvorjen v karveol dioksid z 98% izkoristkom. Pri reakciji epoksidacije karvona z dimetildioksiranom je bila pretvorba v 5 min 100%, nastal pa je 7,8-karvon oksid.
Glavni prednosti sonokemijske epoksidacije terpenov sta okolju prijazna narava oksidacijskega sredstva (zelena kemija) in znatno skrajšan reakcijski čas pri izvajanju te oksidacije z ultrazvočnim mešanjem. Ta metoda epoksidacije je omogočila doseganje 100% pretvorbe limonena s 100% izkoristkom limonen dioksida v le 4,5 min v primerjavi z 90 min pri tradicionalnem mešanju. Poleg tega v reakcijskem mediju niso našli nobenih oksidacijskih produktov limonena, kot so karvon, karveol in alkohol perrilyl. Epoksidacija α-pinena z ultrazvokom je zahtevala le 4 min in dala α-pinen oksid s 100% izkoristkom brez oksidacije obroča. Oksidirani so bili tudi drugi terpeni, kot so β-pinen, farnesol in karveol, pri čemer so bili doseženi zelo visoki izkoristki epoksidov.

Sonokemijski učinki

Kot alternativa klasičnim metodam so bili protokoli na osnovi sonokemije uporabljeni za povečanje hitrosti številnih različnih reakcij, pri čemer so produkti nastali v blažjih pogojih ob znatnem skrajšanju reakcijskih časov. Te metode so bile opisane kot okolju prijaznejše in bolj trajnostne ter so povezane z večjo selektivnostjo in manjšo porabo energije za želene pretvorbe. Mehanizem teh metod temelji na pojavu akustične kavitacije, ki z nastajanjem, rastjo in adiabatnim sesedanjem mehurčkov v tekočem mediju ustvarja edinstvene tlačne in temperaturne pogoje. Ta učinek izboljšuje prenos snovi in povečuje turbulentni tok v tekočini, kar olajša kemijske pretvorbe. V naših študijah je uporaba ultrazvoka omogočila pridobivanje spojin v krajših reakcijskih časih z visokimi izkoristki in visoko čistostjo. Takšne značilnosti so povečale število spojin, ovrednotenih v farmakoloških modelih, in prispevale k pospešitvi procesa optimizacije zadetkov v vodilne spojine.
Ta visoki energijski vnos lahko okrepi mehanske učinke v heterogenih procesih, znano pa je tudi, da sproža nove reaktivnosti, ki vodijo do nastanka nepričakovanih kemijskih zvrsti. Sonokemijo odlikuje izjemen pojav kavitacije, ki v lokalno omejenem prostoru okolja mikromehurčkov ustvarja izredne učinke zaradi izmenjujočih se visokotlačnih/nizkotlačnih ciklov, zelo velikih temperaturnih razlik, velikih strižnih sil in toka tekočine.

Prednosti sonokemijsko spodbujenih organokatalitskih reakcij

Sonikacija se vse pogosteje uporablja v organski sintezi in katalizi, saj sonokemijski učinki omogočajo znatno intenziviranje kemijskih reakcij. Zlasti v primerjavi s tradicionalnimi metodami (npr. segrevanjem, mešanjem) je sonokemija učinkovitejša, priročnejša in omogoča natančen nadzor. Sonikacija in sonokemija ponujata več pomembnih prednosti, kot so višji izkoristki, večja čistost spojin in selektivnost, krajši reakcijski časi, nižji stroški ter preprosto izvajanje sonokemijskega postopka in ravnanje z njim. Zaradi teh ugodnih dejavnikov so kemijske reakcije ob pomoči ultrazvoka učinkovitejše, varnejše in okolju prijaznejše.
Za številne organske reakcije je bilo dokazano, da pri izvajanju s sonikacijo dajejo višje izkoristke v krajšem reakcijskem času in/ali v blažjih pogojih.

Ultrazvočna obdelava omogoča preproste reakcije v eni posodi

Sonikacija omogoča sprožitev večkomponentnih reakcij kot reakcij v eni posodi, ki omogočajo sintezo strukturno raznolikih spojin. Takšne reakcije v eni posodi so cenjene zaradi visoke skupne učinkovitosti in preprostosti, saj izolacija in čiščenje vmesnih produktov nista potrebna.

Učinki ultrazvočnih valov na asimetrične organokatalitske reakcije so bili uspešno uporabljeni pri različnih vrstah reakcij, vključno s katalizo s prenosom med fazami, Heckovimi reakcijami, hidrogeniranjem, Mannichovimi reakcijami, Barbierjevimi in Barbierjevim podobnimi reakcijami, Diels-Alderjevimi reakcijami, Suzukijevo reakcijo spajanja in Michaelovo adicijo.

Poiščite idealen ultrazvočni procesor za svojo organokatalitsko reakcijo!

Hielscher Ultrasonics je vaš zaupanja vreden partner za visokozmogljivo in visokokakovostno ultrazvočno opremo. Hielscher načrtuje, izdeluje in distribuira najsodobnejše ultrazvočne sonde, reaktorje in čašaste sonotrode za sonokemijske aplikacije. Vsa oprema je izdelana po postopkih, certificiranih po ISO, in z nemško natančnostjo za vrhunsko kakovost na našem sedežu v Teltowu (blizu Berlina) v Nemčiji.
Ponudba ultrazvočnih procesorjev Hielscher sega od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih procesorjev do povsem industrijskih ultrazvočnih reaktorjev za kemijsko proizvodnjo v velikem obsegu. Sonde (znane tudi kot sonotrode, ultrazvočni rogovi ali konice), ojačevalni rogovi in reaktorji so na voljo v številnih velikostih in geometrijah. Izdelamo lahko tudi izvedbe, prilagojene vašim zahtevam.
Ker so ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics na voljo v vseh velikostih, od majhnih laboratorijskih naprav do velikih industrijskih procesorjev za šaržne in pretočne kemijske aplikacije, je visokozmogljivo sonikacijo mogoče preprosto vključiti v katero koli reakcijsko postavitev. Natančno nastavljanje ultrazvočne amplitude – najpomembnejšega parametra za sonokemijske aplikacije – omogoča delovanje ultrazvočnih procesorjev Hielscher pri nizkih do zelo visokih amplitudah ter natančno prilagajanje amplitude zahtevanim pogojem ultrazvočnega procesa v posameznem kemijskem reakcijskem sistemu.
Ultrazvočni generator Hielscher ima pametno programsko opremo s samodejnim beleženjem podatkov. Vsi pomembni procesni parametri, kot so ultrazvočna energija, temperatura, tlak in čas, se takoj po vklopu naprave samodejno shranjujejo na vgrajeno kartico SD.
Spremljanje procesa in beleženje podatkov sta pomembna za stalno standardizacijo procesa in kakovost izdelkov. Z dostopom do samodejno zabeleženih procesnih podatkov lahko pregledate pretekle izvedbe sonikacije in ovrednotite rezultate.
Druga uporabniku prijazna funkcija je daljinsko upravljanje naših digitalnih ultrazvočnih sistemov prek brskalnika. Z daljinskim upravljanjem prek brskalnika lahko svoj ultrazvočni procesor od koder koli na daljavo zaženete, ustavite, nastavite in spremljate.
Stopite v stik z nami še danes in izvedite več o tem, kako lahko naši visokozmogljivi ultrazvočni homogenizatorji izboljšajo vašo organokatalitsko sintezno reakcijo!

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev: