Reaksione organokatalitike të nxitura nga sonikimi

Në kiminë organike, organokataliza është një formë katalize në të cilën shpejtësia e një reaksioni kimik rritet nga një katalizator organik. Ky “organokatalizator” përbëhet nga karboni, hidrogjeni, squfuri dhe elemente të tjera jometalike që gjenden në përbërjet organike. Zbatimi i ultratingujve me fuqi të lartë në sistemet kimike njihet si sonokimi dhe është një teknikë e konsoliduar për të rritur rendimentet, për të përmirësuar shpejtësitë e reaksioneve dhe për të përshpejtuar reaksionet. Gjatë sonikimit, shpesh bëhet i mundur ndryshimi i rrugëve të reaksioneve kimike duke shmangur nënproduktet e padëshiruara. Sonokimia mund të nxitë reaksionet organokatalitike, duke i bërë ato më efikase dhe më miqësore ndaj mjedisit.

Organokataliza asimetrike – e përmirësuar nga sonikimi

Sonokimia, zbatimi i ultratingujve me performancë të lartë në sistemet kimike, mund t’i përmirësojë ndjeshëm reaksionet organokatalitike. Organokataliza asimetrike e kombinuar me trajtimin me ultratinguj shpesh mundëson shndërrimin e organokatalizës në një rrugë më miqësore ndaj mjedisit, duke e përfshirë kështu në kuadrin e kimisë së gjelbër. Sonikimi përshpejton reaksionin organokatalitik (asimetrik) dhe çon në rendimente më të larta, shpejtësi më të mëdha konvertimi, izolim/pastrim më të lehtë të produktit dhe selektivitet e reaktivitet të përmirësuar. Përveç kontributit në përmirësimin e kinetikës dhe rendimentit të reaksionit, trajtimi me ultratinguj shpesh mund të kombinohet me tretës të qëndrueshëm për reaksionet, si lëngjet jonike, tretësit eutektikë të thellë, tretësit e butë e jotoksikë dhe uji. Kështu, sonokimia jo vetëm përmirëson vetë reaksionin organokatalitik (asimetrik), por ndihmon edhe qëndrueshmërinë e reaksioneve organokatalitike.

Kërkimet kanë treguar shembuj të shumtë të reaksioneve organokatalitike të intensifikuara nëpërmjet sonokimisë. Për shembull, molekulat e ADN-së me dy vargje përdoren si skelet kiral për të bashkuar katalizatorë hibridë metal–biomakromolekulë për reaksione të sintezës asimetrike. Katalizatorët me bazë ADN-je G-kuadrupleks janë përdorur në adicionin asimetrik të Michael-it dhe në reaksionet Diels-Alder dhe Friedel-Crafts. (shih Zhao dhe Shen, 2018)
Për reaksionin e nxitur nga inidiumi, sonikimi shfaq efekte të dobishme, pasi reaksioni i nxitur nëpërmjet sonokimisë zhvillohet në kushte më të buta, duke ruajtur kështu nivele të larta të diastereoselektivitetit. Duke përdorur rrugën sonokimike, u arritën rezultate të mira në sintezën organokatalitike të karbohidrateve β-laktamike, acidit β-amino dhe spirodiketopiperazinave nga laktonet e sheqernave, si dhe në alilimin dhe reaksionet Reformatsky të etereve të oksimave.

Sinteza organokatalitike e barnave e nxitur nga ultratingujt

Rogozińska-Szymczak dhe Mlynarski (2014) raportojnë adicionin asimetrik të Michael-it të 4-hidroksikumarinës te ketonet α,β-të pangopura mbi ujë, pa bashkëtretës organikë – të katalizuar nga aminat primare organike dhe sonikimi. Përdorimi i (S,S)-difeniletilendiaminës enantiomerikisht të pastër jep një sërë përbërjesh të rëndësishme farmaceutikisht aktive me rendimente nga të mira deri në të shkëlqyera (73–98%) dhe me enantioselektivitete të mira (deri në 76% ee), nëpërmjet reaksioneve të përshpejtuara nga ultratingujt. Studiuesit paraqesin një protokoll sonokimik efikas për formimin e antikoagulantit varfarinë në të dyja format enantiomerike, me metodën ‘lëndë të ngurta mbi ujë’. Ky reaksion organokatalitik miqësor ndaj mjedisit jo vetëm që mund të zbatohet në shkallë më të madhe, por jep edhe molekulën e synuar të barit në formë enantiomerikisht të pastër.

Epoksidimi sonokimik i terpeneve

Charbonneau et al. (2018) demonstruan epoksidimin e suksesshëm të terpeneve nën trajtim me ultratinguj. Epoksidimi konvencional kërkon përdorimin e një katalizatori, por me trajtimin me ultratinguj epoksidimi zhvillohet si reaksion pa katalizator.
Dioksidi i limonenit është një molekulë ndërmjetëse kyçe për zhvillimin e polikarbonateve me bazë biologjike ose poliuretaneve pa izocianate. Trajtimi me ultratinguj mundëson epoksidimin e terpeneve pa katalizator brenda një kohe shumë të shkurtër reaksioni – duke dhënë njëkohësisht rendimente shumë të mira. Për të demonstruar efektshmërinë e epoksidimit me ultratinguj, ekipi kërkimor krahasoi epoksidimin e limonenit në dioksid limoneni duke përdorur dimetildioksiran të gjeneruar in situ si agjent oksidues, si me përzierje konvencionale, ashtu edhe me trajtim me ultratinguj. Në të gjitha provat e trajtimit me ultratinguj, ultrasonikatori laboratorik Hielscher UP50H (50W, 30kHz) u përdor.

Koha e nevojshme për ta shndërruar plotësisht limonenin në dioksid limoneni me rendiment 100% nën trajtim me ultratinguj ishte vetëm 4,5 min në temperaturën e dhomës. Për krahasim, kur përdoret përzierja konvencionale me një përzierës magnetik, koha e nevojshme për të arritur një rendiment prej 97% të dioksidit të limonenit ishte 1,5 h. Epoksidimi i α-pinenit është studiuar gjithashtu duke përdorur të dyja teknikat e përzierjes. Epoksidimi i α-pinenit në oksid α-pineni nën trajtim me ultratinguj kërkoi vetëm 4 min, me një rendiment të arritur prej 100%, ndërsa, për krahasim, me metodën konvencionale koha e reaksionit ishte 60 min. Sa u përket terpeneve të tjera, β-pineni u shndërrua në oksid β-pineni në vetëm 4 min, ndërsa farnezoli dha trie张ცpoksidin me rendiment 100% në 8 min. Karveoli, një derivat i limonenit, u shndërrua në dioksid karveoli me rendiment 98%. Në reaksionin e epoksidimit të karvonit duke përdorur dimetildioksiran, shndërrimi ishte 100% në 5 min, duke prodhuar oksid 7,8-karvoni.
Përparësitë kryesore të epoksidimit sonokimik të terpeneve janë natyra miqësore ndaj mjedisit e agjentit oksidues (kimia e gjelbër), si dhe koha e reduktuar ndjeshëm e reaksionit kur ky oksidim kryhet me përzierje me ultratinguj. Kjo metodë epoksidimi mundësoi arritjen e shndërrimit 100% të limonenit me rendiment 100% të dioksidit të limonenit në vetëm 4,5 min, krahasuar me 90 min kur përdoret përzierja tradicionale. Për më tepër, në mjedisin e reaksionit nuk u gjetën produkte oksidimi të limonenit, si karvoni, karveoli dhe alkooli perrilyl. Epoksidimi i α-pinenit nën ultratinguj kërkoi vetëm 4 min, duke dhënë oksid α-pineni me rendiment 100% pa oksidim të unazës. Edhe terpene të tjera, si β-pineni, farnezoli dhe karveoli, janë oksiduar, duke dhënë rendimente shumë të larta të epoksideve.

Efektet sonokimike

Si alternativë ndaj metodave klasike, protokollet e bazuara në sonokimi janë përdorur për të rritur shpejtësinë e një game të gjerë reaksionesh, duke dhënë produkte të përftuara në kushte më të buta dhe me një shkurtim të ndjeshëm të kohës së reaksionit. Këto metoda janë përshkruar si më miqësore ndaj mjedisit dhe më të qëndrueshme dhe lidhen me selektivitet më të lartë dhe konsum më të ulët energjie për shndërrimet e dëshiruara. Mekanizmi i këtyre metodave bazohet në dukurinë e kavitacionit akustik, i cili krijon kushte unike presioni dhe temperature përmes formimit, rritjes dhe kolapsit adiabatik të flluskave në mjedisin e lëngshëm. Ky efekt përmirëson transferimin e masës dhe shton rrjedhjen turbulente në lëng, duke lehtësuar shndërrimet kimike. Në studimet tona, përdorimi i ultratingujve ka çuar në prodhimin e përbërjeve në kohë më të shkurtra reaksioni, me rendimente dhe pastërti të lartë. Këto karakteristika kanë rritur numrin e përbërjeve të vlerësuara në modele farmakologjike, duke kontribuar në përshpejtimin e procesit të optimizimit nga përbërësi fillestar aktiv te përbërësi udhëheqës.
Kjo hyrje e lartë energjie jo vetëm që mund të përforcojë efektet mekanike në proceset heterogjene, por dihet gjithashtu se nxit forma të reja reaktiviteti që çojnë në formimin e specieve kimike të papritura. Ajo që e bën sonokiminë unike është dukuria e jashtëzakonshme e kavitacionit, e cila krijon, në një hapësirë të kufizuar lokalisht brenda mjedisit të mikroflluskave, efekte të jashtëzakonshme për shkak të cikleve të alternuara të presionit të lartë / presionit të ulët, diferencave shumë të mëdha të temperaturës, forcave të larta të prerjes dhe rrjedhjes së lëngut.

Përparësitë e reaksioneve organokatalitike të nxitura nga sonokimia

Trajtimi me ultratinguj përdoret gjithnjë e më shumë në sintezën organike dhe në katalizë, pasi efektet sonokimike tregojnë një intensifikim të konsiderueshëm të reaksioneve kimike. Veçanërisht në krahasim me metodat tradicionale (p.sh., ngrohjen, përzierjen), sonokimia është më efikase, më praktike dhe e kontrollueshme me saktësi. Trajtimi me ultratinguj dhe sonokimia ofrojnë disa përparësi kryesore, si rendimente më të larta, pastërti më të lartë të përbërjeve dhe selektivitet më të lartë, kohë më të shkurtra reaksioni, kosto më të ulëta, si dhe thjeshtësi në zbatimin dhe kryerjen e procedurës sonokimike. Këta faktorë të dobishëm i bëjnë reaksionet kimike të asistuara nga ultratingujt jo vetëm më të efektshme dhe më të sigurta, por edhe më miqësore ndaj mjedisit.
Është provuar se shumë reaksione organike japin rendimente më të larta në kohë më të shkurtër reaksioni dhe / ose në kushte më të buta kur kryhen duke përdorur trajtimin me ultratinguj.

Trajtimi me ultratinguj mundëson reaksione të thjeshta në një enë të vetme

Trajtimi me ultratinguj mundëson nisjen e reaksioneve me shumë përbërës si reaksione në një enë të vetme, të cilat mundësojnë sintezën e përbërjeve me struktura të larmishme. Këto reaksione në një enë të vetme vlerësohen për efikasitetin e lartë të përgjithshëm dhe thjeshtësinë e tyre, pasi nuk kërkohet izolimi dhe pastrimi i përbërjeve të ndërmjetme.

Efektet e valëve ultrasonike në reaksionet organokatalitike asimetrike janë zbatuar me sukses në lloje të ndryshme reaksionesh, përfshirë katalizën me transferim fazor, reaksionet Heck, hidrogjenimin, reaksionet Mannich, reaksionet Barbier dhe ato të ngjashme me Barbier, reaksionet Diels-Alder, reaksionin e çiftimit Suzuki dhe adicionin Michael.

Gjeni pajisjen ideale me ultratinguj për reaksionin tuaj organokatalitik!

Hielscher Ultrasonics është partneri juaj i besuar për pajisje ultrasonike me performancë dhe cilësi të lartë. Hielscher projekton, prodhon dhe shpërndan sonda ultrasonike, reaktorë dhe brirë ultrasonikë në formë kupe të teknologjisë më të fundit për aplikime sonokimike. Të gjitha pajisjet prodhohen sipas procedurave të certifikuara ISO dhe me përpikëri gjermane për cilësi superiore në selinë tonë në Teltow (pranë Berlinit), Gjermani.
Gama e aparateve ultrasonike Hielscher shtrihet nga aparatet kompakte ultrasonike laboratorike deri te reaktorët ultrasonikë plotësisht industrialë për prodhimin kimik në shkallë të gjerë. Sondat (të njohura edhe si sonotroda, brirë ultrasonikë ose maja), brirët përforcues të amplitudës dhe reaktorët janë lehtësisht të disponueshëm në përmasa dhe gjeometri të shumta. Mund të prodhohen edhe versione të përshtatura sipas kërkesave tuaja.
Meqenëse procesorët ultrasonikë të Hielscher Ultrasonics janë të disponueshëm në çdo përmasë, nga pajisjet e vogla laboratorike deri te procesorët e mëdhenj industrialë për aplikime kimike me seri dhe me rrjedhje, sonikimi me performancë të lartë mund të zbatohet lehtësisht në çdo konfigurim reaksioni. Rregullimi i saktë i amplitudës ultrasonike – parametri më i rëndësishëm për aplikimet sonokimike – mundëson funksionimin e aparateve ultrasonike Hielscher në amplituda nga të ulëta deri në shumë të larta dhe rregullimin e imët të amplitudës saktësisht sipas kushteve të kërkuara të procesit ultrasonik për sistemin specifik të reaksionit kimik.
Gjeneratori ultrasonik i Hielscher përmban softuer inteligjent me regjistrim automatik të të dhënave. Të gjithë parametrat e rëndësishëm të përpunimit, si energjia ultrasonike, temperatura, presioni dhe koha, ruhen automatikisht në një kartë SD të integruar sapo pajisja të ndizet.
Monitorimi i procesit dhe regjistrimi i të dhënave janë të rëndësishëm për standardizimin e vazhdueshëm të procesit dhe cilësinë e produktit. Duke hyrë në të dhënat e procesit të regjistruara automatikisht, mund të rishikoni ciklet e mëparshme të sonikimit dhe të vlerësoni rezultatin.
Një tjetër veçori që lehtëson përdorimin është kontrolli në distancë përmes shfletuesit i sistemeve tona dixhitale ultrasonike. Përmes kontrollit në distancë nga shfletuesi, mund ta nisni, ndaloni, rregulloni dhe monitoroni procesorin tuaj ultrasonik në distancë nga kudo.
Na kontaktoni tani për të mësuar më shumë se si homogjenizuesit tanë ultrasonikë me performancë të lartë mund të përmirësojnë reaksionin tuaj të sintezës organokatalitike!

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të aparateve tona ultrasonike: