Organokatalitne reakcije, ki jih spodbuja ultrazvočno razbijanje
V organski kemiji je organokataliza oblika katalize, pri kateri se hitrost kemične reakcije poveča z organskim katalizatorjem. Ta “Organokatalizator” Sestavljen je iz ogljika, vodika, žvepla in drugih nekovinskih elementov, ki jih najdemo v organskih spojinah. Uporaba ultrazvoka visoke moči v kemičnih sistemih je znana kot sonokemija in dobro uveljavljena tehnika za povečanje donosa, izboljšanje hitrosti reakcije in pospešitev hitrosti reakcije. Pri ultrazvočni obdelavi je pogosto mogoče zamenjati kemične poti, pri čemer se je treba izogniti neželenim stranskim produktom. Sonokemija lahko spodbuja organokatalitne reakcije, zaradi česar so učinkovitejše in okolju prijaznejše.
Asimetrična organokataliza – Izboljšano s sonication
Sonokemija, uporaba visoko zmogljivega ultrazvoka v kemijskih sistemih, lahko bistveno izboljša organokatalitske reakcije. Asimetrična organokataliza v kombinaciji z ultrazvokom pogosto omogoča preoblikovanje organokatalize v okolju prijaznejšo pot, s čimer spada v terminologijo zelene kemije. Sonication pospešuje (asimetrično) organokalitično reakcijo in vodi do višjih donosov, hitrejše stopnje pretvorbe, lažje izolacije/čiščenja izdelka ter izboljšane selektivnosti in reaktivnosti. Poleg tega, da prispeva k izboljšanju reakcijske kinetike in donosa, se ultrazvok pogosto lahko kombinira s trajnostnimi reakcijskimi topili, kot so ionske tekočine, globoka evtektična topila, blaga, nestrupena topila in voda. S tem sonokemija ne le izboljša (asimetrično) organokalitično reakcijo, temveč tudi pomaga pri vzdržnosti organokatalitičnih reakcij.
Za reakcijo, ki jo spodbuja inidij, ultrazvočna razbijanje kaže ugodne učinke, saj sonokemično vodena reakcija poteka v blažjih pogojih, s čimer se ohrani visoka raven diasteroselekcije. Z uporabo sonokemične poti so bili doseženi dobri rezultati pri organokatalitni sintezi β-laktamskih ogljikovih hidratov, β-aminokislin in spirodiketopiperazinov iz sladkornih laktonov, kot tudi alilacijske in Reformatske reakcije na oksimskih etrih.
Ultrazvočno spodbujana sinteza organokatalitnih zdravil
Rogozińska-Szymczak in Mlynarski (2014) poročata o asimetričnem Michaelovem dodajanju 4-hidroksikumarina α.β-nenasičenim ketonom na vodi brez organskih sotopil – katalizirajo organski primarni amini in ultrazvočna obdelava. Uporaba enantiomerno čistega (S, S)-difeniletilendiamina omogoča vrsto pomembnih farmacevtsko aktivnih spojin z dobrimi do odličnimi izkoristki (73–98 %) in z dobrimi enantioselektivnostmi (do 76 % ee) z reakcijami, pospešenimi z ultrazvokom. Raziskovalci predstavljajo učinkovit sonokemični protokol za tvorbo antikoagulantnega varfarina v obeh enantiomernih oblikah "trdne snovi na vodi". Ta okolju prijazna organokatalitna reakcija ni le razširljiva, temveč daje tudi ciljno molekulo zdravila v enantiomerno čisti obliki.

Sonication spodbuja asimetrično Michaelovo dodajanje 4-hidroksikumarina α,β-nenasičenim ketonom na vodi brez organskih topil.
Slika in študija: ©Rogozińska-Szymczak in Mlynarski; 2014.
Sonokemična epoksidacija terpenov
Charbonneau et al. (2018) so demonstrirali uspešno epoksidacijo terpenov pod ultrazvočnim razbijanjem. Konvencionalna epoksidacija zahteva uporabo katalizatorja, vendar z ultrazvočno razbijanjem epoksidacija poteka kot reakcija brez katalizatorja.
Limonen dioksid je ključna vmesna molekula za razvoj polikarbonatov na biološki osnovi ali neizocianatnih poliuretanov. Sonication omogoča eoksidacijo terpenov brez katalizatorja v zelo kratkem reakcijskem času – hkrati daje zelo dobre pridelke. Da bi dokazali učinkovitost ultrazvočne epoksidacije, je raziskovalna skupina primerjala epoksidacijo limonena z limonen dioksidom z uporabo dimetil dioksirana, ki ga je ustvaril in-situ, kot oksidacijsko sredstvo pri običajnem mešanju in ultrazvočni obdelavi. Za vse poskuse ultrazvočnega razbijanja Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorijski ultrazvočni aparat je bila uporabljena.

Visoko učinkovita sonokemična epoksidacija terpenov (npr. limonen dioksida, α-pinen oksida, β-pinen oksida, triepoksida itd.) z ultrazvočnim aparatom UP50H
slika in študija: © Charbonneau et al., 2018
Čas, potreben za popolno pretvorbo limonena v limonen dioksid s 100-odstotnim donosom pri ultrazvočni obdelavi, je bil le 4,5 minute pri sobni temperaturi. Za primerjavo, pri uporabi običajnega mešanja z magnetnim mešalom je bil potreben čas, da se doseže 97-odstotni donos limonen dioksida, 1,5 ure. Epoksidacijo α-pinena so proučevali tudi z obema tehnikama mešanja. Epoksidacija α-pinena v α-pinen oksid pri ultrazvočnem razbijanju je zahtevala le 4 minute z dobljenim izkoristkom 100%, medtem ko je bil v primerjavi s konvencionalno metodo reakcijski čas 60 min. Kar se tiče drugih terpenov, se je β-pinen pretvoril v β-pinen oksid v samo 4 minutah, medtem ko je farnesol dal 100% triepoksida v 8 minutah. Karveol, derivat limonena, je bil pretvorjen v karveol dioksid z donosom 98%. V epoksidacijski reakciji karvona z uporabo dimetil dioksirana je bila pretvorba 100% v 5 minutah, pri čemer je nastal 7,8-karvon oksid.
Glavne prednosti sonokemične terpenske epoksidacije so okolju prijazna narava oksidacijskega sredstva (zelena kemija) in znatno skrajšan reakcijski čas, ki izvaja to oksidacijo pod ultrazvočnim mešanjem. Ta metoda epoksidacije je omogočila doseganje 100% pretvorbe limonena s 100% donosom limonen dioksida v samo 4,5 min v primerjavi z 90 minutami, ko se uporablja tradicionalno mešanje. Poleg tega v reakcijskem mediju niso našli oksidacijskih produktov limonena, kot so karvon, karveol in perrilil alkohol. Epoksidacija α-pinena pod ultrazvokom je zahtevala le 4 minute, pri čemer je bilo 100% α-pinen oksida brez oksidacije obroča. Drugi terpeni, kot so β-pinen, farnesol in karveol, so bili prav tako oksidirani, kar je privedlo do zelo visokih izkoristkov epoksida.

Ultrazvočno vznemirjen reaktor z ultrazvočni aparat UP200St za okrepljene organokatalitične reakcije.
sonokemični učinki
Kot alternativa klasičnim metodam so bili uporabljeni sonokemični protokoli za povečanje hitrosti najrazličnejših reakcij, kar ima za posledico produkte, ki nastanejo v blažjih pogojih z znatnim zmanjšanjem reakcijskega časa. Te metode so bile opisane kot okolju prijaznejše in bolj trajnostne ter so povezane z večjo selektivnostjo in manjšo porabo energije za želene transformacije. Mehanizem takšnih metod temelji na pojavu akustične kavitacije, ki povzroča edinstvene pogoje tlaka in temperature z nastajanjem, rastjo in adiabatnim kolapsom mehurčkov v tekočem mediju. Ta učinek izboljša prenos mase in poveča turbulentni pretok v tekočini, kar olajša kemične transformacije. V naših študijah je uporaba ultrazvoka privedla do proizvodnje spojin v skrajšanih reakcijskih časih z visokimi donosi in čistostjo. Takšne lastnosti so povečale število spojin, ocenjenih v farmakoloških modelih, kar je prispevalo k pospešitvi procesa optimizacije udarca do svinca.
Ne samo, da lahko ta visokoenergijski vnos poveča mehanske učinke v heterogenih procesih, ampak je znano tudi, da povzroča nove reaktivnosti, ki vodijo do nastanka nepričakovanih kemičnih vrst. Sonokemija je edinstvena zaradi izjemnega pojava kavitacije, ki v lokalno zaprtem prostoru okolja mikro mehurčkov ustvarja izredne učinke zaradi izmeničnih visokotlačnih / nizkotlačnih ciklov, zelo visokih temperaturnih razlik, visokih strižnih sil in pretoka tekočine.
- Asimetrične Diels-Alderjeve reakcije
- Asimetrične reakcije Michaela
- Asimetrične Mannichove reakcije
- Shi epoksidacija
- Organokatalitna prenosna hidrogenacija

Ultrazvočni inline sistem z UIP2000hdT (2000 W, 20 kHz) za sonokemične reakcije, npr. za izboljšane organokatalitične reakcije
Prednosti sonokemično spodbujanih organokatalitnih reakcij
Sonication se vse bolj uporablja v organski sintezi in katalizi, saj sonokemični učinki kažejo znatno intenziviranje kemijskih reakcij. Še posebej v primerjavi s tradicionalnimi metodami (npr. Segrevanje, mešanje) je sonokemija bolj učinkovita, priročna in natančno nadzorovana. Sonikacija in sonokemija ponujata več pomembnih prednosti, kot so višji izkoristki, povečana čistost spojin in selektivnost, krajši reakcijski časi, nižji stroški ter enostavnost pri upravljanju in ravnanju s sonokemičnim postopkom. Ti koristni dejavniki naredijo ultrazvočno podprte kemične reakcije ne le učinkovitejše in varčnejše, ampak tudi okolju prijaznejše.
Dokazano je, da številne organske reakcije dajejo višje donose v krajšem reakcijskem času in / ali v blažjih pogojih, kadar se izvajajo z ultrazvočnim razbijanjem.
Ultrasonication omogoča preproste reakcije v enem loncu
Sonication omogoča sprožitev večkomponentnih reakcij kot reakcije v enem loncu, ki zagotavljajo sintezo strukturno raznolikih spojin. Takšne reakcije v enem loncu so cenjene zaradi visoke splošne učinkovitosti in enostavnosti, saj izolacija in čiščenje intermediatov nista potrebna.
Učinki ultrazvočnih valov na asimetrične organokatalitne reakcije so bili uspešno uporabljeni v različnih vrstah reakcij, vključno s katalizami faznega prenosa, Heckovimi reakcijami, hidrogeniranjem, Mannichevimi reakcijami, Barbierjevimi in Barbierjevimi reakcijami, Diels-Alderjevimi reakcijami, Suzukijevo spojno reakcijo in Michealovim dodatkom.
Poiščite idealen ultrazvočni aparat za vašo organokatalitično reakcijo!
Hielscher Ultrasonics je vaš zaupanja vreden partner, ko gre za visoko zmogljivi, visoko kakovostno ultrazvočno opremo. Hielscher načrtuje, proizvaja in distribuira najsodobnejše ultrazvočne sonde, reaktorje in skodelice za sonokemične aplikacije. Vsa oprema je izdelana po ISO certificiranih postopkih in z nemško natančnostjo za vrhunsko kakovost na našem sedežu v Teltowu (blizu Berlina), Nemčija.
Portfelj Hielscher ultrazvočnih aparatov sega od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih aparatov do popolnoma industrijskih ultrazvočnih reaktorjev za obsežno kemično proizvodnjo. Sonde (znane tudi kot sonotrode, ultrazvočni rogovi ali konice), pospeševalni rogovi in reaktorji so na voljo v številnih velikostih in geometrijah. Prilagojene različice lahko izdelamo tudi za vaše zahteve.
Ker Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvočni procesorji so na voljo v vseh velikostih od majhnih laboratorijskih naprav do velikih industrijskih procesorjev za shemo šarže in pretoka, visoko zmogljivo ultrazvočno razbijanje pa je mogoče enostavno izvajati v katero koli reakcijsko nastavitev. Natančna nastavitev ultrazvočne amplitude – Najpomembnejši parameter za sonokemične aplikacije – omogoča delovanje Hielscherjevih ultrazvočnih aparatov pri nizkih do zelo visokih amplitudah in natančno prilagoditev amplitude zahtevanim ultrazvočnim procesnim pogojem specifičnega kemijskega reakcijskega sistema.
Hielscherjev ultrazvočni generator ima pametno programsko opremo s samodejnim protokoliranjem podatkov. Vsi pomembni parametri obdelave, kot so ultrazvočna energija, temperatura, tlak in čas, se samodejno shranijo na vgrajeno SD kartico takoj, ko je naprava vklopljena.
Spremljanje procesov in beleženje podatkov sta pomembna za stalno standardizacijo procesov in kakovost izdelkov. Z dostopom do samodejno zabeleženih procesnih podatkov lahko pregledate prejšnje ultrazvočne teke in ocenite rezultat.
Druga uporabniku prijazna funkcija je daljinski upravljalnik brskalnika naših digitalnih ultrazvočnih sistemov. Z oddaljenim upravljanjem brskalnika lahko zaženete, ustavite, prilagodite in spremljate ultrazvočni procesor na daljavo od koder koli.
Kontaktirajte nas zdaj, če želite izvedeti več o naših visoko zmogljivih ultrazvočnih homogenizatorjih, ki lahko izboljšajo vašo reakcijo oragnocatalitične sinteze!
- visoka učinkovitost
- Najsodobnejša tehnologija
- Zanesljivost & Robustnosti
- Serije & Inline
- za poljubno količino
- Inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podatkov)
- visoka prijaznost do uporabnika in udobje
- CIP (čiščenje na mestu)
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
---|---|---|
1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura / Reference
- Domini, Claudia; Alvarez, Mónica; Silbestri, Gustavo; Cravotto, Giancarlo; Cintas, Pedro (2017): Merging Metallic Catalysts and Sonication: A Periodic Table Overview. Catalysts 7, 2017.
- Rogozińska-Szymczak, Maria; Mlynarski, Jacek (2014): Asymmetric synthesis of warfarin and its analogues on water. Tetrahedron: Asymmetry, Volume 25, Issues 10–11, 2014. 813-820.
- Charbonneau, Luc; Foster, Xavier; Kaliaguine, Serge (2018): Ultrasonic and Catalyst-Free Epoxidation of Limonene and Other Terpenes Using Dimethyl Dioxirane in Semibatch Conditions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 2018.
- Zhao, H.; Shen, K. (2016): G-quadruplex DNA-based asymmetric catalysis of michael addition: Effects of sonication, ligands, and co-solvents. Biotechnology Progress 8;32(4), 2016. 891-898.
- Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
- Martín-Aranda, Rosa; Ortega-Cantero, E.; Rojas-Cervantes, M.; Vicente, Miguel Angel; Bañares-Muñoz, M.A. (2002): Sonocatalysis and Basic Clays. Michael Addition Between Imidazole and Ethyl Acrylate. Catalysis Letters. 84, 2002. 201-204.
- Ji-Tai Li; Hong-Guang Dai; Wen-Zhi Xu; Tong-Shuang Li (2006): Michael addition of indole to α,β-unsaturated ketones catalysed by silica sulfuric acid under ultrasonic irradiation. Journal of Chemical Research 2006. 41-42.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Kaj je organokataliza?
Organokataliza je vrsta katalize, pri kateri se hitrost kemične reakcije poveča z uporabo organskega katalizatorja. Ta organokatalizator je lahko sestavljen iz ogljika, vodika, žvepla in drugih nekovinskih elementov, ki jih najdemo v organskih spojinah. Organokataliza ponuja več prednosti. Ker organokatalitne reakcije ne zahtevajo katalizatorjev na osnovi kovin, so okolju prijaznejše in s tem prispevajo k zeleni kemiji. Organokatalizatorji so pogosto lahko poceni in enostavno izdelani ter omogočajo bolj zelene sintetične poti.
Asimetrična organokataliza
Asimetrična organokataliza je asimetrična ali enantioselektivna reakcija, ki proizvaja samo enantiomer ročnih molekul. Enantiomeri so pari stereoizomerov, ki so kiralni. Kiralna molekula se ne prekriva z zrcalno sliko, tako da je zrcalna slika dejansko drugačna molekula. Na primer, proizvodnja specifičnih enantiomerov je še posebej pomembna pri proizvodnji farmacevtskih izdelkov, kjer pogosto samo en enantiomer molekule zdravila ponuja določen pozitiven učinek, medtem ko drugi enantiomer ne kaže nobenega učinka ali je celo škodljiv.

Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.