Органокаталитичке реакције подстакнуте соникацијом

У органској хемији, органокатализа је облик катализе у којем органски катализатор повећава брзину хемијске реакције. Овај „органокатализатор“ састоји се од угљеника, водоника, сумпора и других неметалних елемената који се налазе у органским једињењима. Примена ултразвука велике снаге на хемијске системе позната је као сонохемија и представља добро утврђену технику за повећање приноса, побољшање брзине реакција и убрзавање њиховог одвијања. При соникацији често постаје могуће променити реакционе путеве и избећи нежељене споредне производе. Сонохемија може подстаћи органокаталитичке реакције, чинећи их ефикаснијим и повољнијим по животну средину.

Асиметрична органокатализа – побољшана соникацијом

Сонохемија, примена ултразвука високих перформанси у хемијским системима, може значајно побољшати органокаталитичке реакције. Асиметрична органокатализа у комбинацији са ултразвучном обрадом често омогућава да се органокатализа одвија путем који је повољнији по животну средину, чиме се сврстава у област зелене хемије. Соникација убрзава (асиметричну) органокаталитичку реакцију и доводи до већих приноса, брже конверзије, лакшег издвајања/пречишћавања производа и побољшане селективности и реактивности. Осим што доприноси побољшању кинетике реакције и приноса, ултразвучна обрада се често може комбиновати са одрживим реакционим растварачима, као што су јонске течности, дубоки еутектички растварачи, благи, нетоксични растварачи и вода. Тиме сонохемија не само да побољшава саму (асиметричну) органокаталитичку реакцију већ и доприноси одрживости органокаталитичких реакција.

Истраживања су показала бројне примере сонохемијски интензивираних органокаталитичких реакција. На пример, дволанчани молекули ДНК користе се као хирални скелет за формирање хибридних катализатора метал–биомакромолекул за реакције асиметричне синтезе. Катализатори засновани на Г-квадруплексној ДНК примењени су у асиметричној Мајкловој адицији, Дилс–Алдеровим и Фридел–Крафтсовим реакцијама. (уп. Zhao and Shen, 2018)
Код реакције подстакнуте индијумом, соникација показује повољне ефекте јер се сонохемијски покренута реакција одвија под блажим условима, чиме се очувава висок степен дијастереоселективности. Применом сонохемијског поступка постигнути су добри резултати у органокаталитичкој синтези β-лактамских угљених хидрата, β-аминокиселине и спиродикетопиперазина из лактона шећера, као и у алиловању и Реформатскијевим реакцијама оксимских етара.

Ултразвучно подстакнута органокаталитичка синтеза лекова

Rogozińska-Szymczak и Mlynarski (2014) извештавају о асиметричној Мајкловој адицији 4-хидроксикумарина на α,β-незасићене кетоне на води, без органских корастварача – катализованој органским примарним аминима и соникацијом. Примена енантиомерно чистог (S,S)-дифенилетилендиамина омогућава добијање низа важних фармацеутски активних једињења у добрим до одличним приносима (73–98%) и са добром енантиоселективношћу (до 76% ee), путем реакција убрзаних ултразвуком. Истраживачи представљају ефикасан сонохемијски протокол за добијање антикоагуланса варфарина у оба енантиомерна облика, поступком „чврсте супстанце на води“. Ова органокаталитичка реакција, повољна по животну средину, не само да се може пренети на већи обим већ и даје циљни молекул лека у енантиомерно чистом облику.

Сонохемијска епоксидација терпена

Charbonneau и сар. (2018) показали су успешну епоксидацију терпена под дејством соникације. Конвенционална епоксидација захтева употребу катализатора, али се уз соникацију епоксидација одвија као реакција без катализатора.
Лимонен-диоксид је кључни интермедијерни молекул за развој поликарбоната на биолошкој основи или неизоцијанатних полиуретана. Соникација омогућава епоксидацију терпена без катализатора за веома кратко време реакције – уз истовремено постизање веома добрих приноса. Да би показао ефикасност ултразвучне епоксидације, истраживачки тим је упоредио епоксидацију лимонена у лимонен-диоксид, користећи диметилдиоксиран генерисан in situ као оксидационо средство, при конвенционалном мешању и при ултразвучној обради. У свим испитивањима соникације лабораторијски ултразвучни уређај Hielscher UP50H (50W, 30kHz) је коришћен.

Време потребно за потпуно претварање лимонена у лимонен-диоксид са приносом од 100% под дејством соникације износило је само 4,5 min на собној температури. Поређења ради, при конвенционалном мешању помоћу магнетне мешалице, време потребно за постизање приноса лимонен-диоксида од 97% износило је 1,5 h. Епоксидација α-пинена такође је испитивана применом обе технике мешања. Епоксидација α-пинена у α-пинен-оксид под дејством соникације захтевала је само 4 min уз остварени принос од 100%, док је при конвенционалној методи време реакције износило 60 min. Што се тиче других терпена, β-пинен је претворен у β-пинен-оксид за само 4 min, док је фарнезол дао триепоксид са приносом од 100% за 8 min. Карвеол, дериват лимонена, претворен је у карвеол-диоксид са приносом од 98%. У реакцији епоксидације карвона помоћу диметилдиоксирана конверзија је износила 100% за 5 min, при чему је настао 7,8-карвон-оксид.
Главне предности сонохемијске епоксидације терпена јесу еколошка прихватљивост оксидационог средства (зелена хемија), као и знатно скраћено време реакције када се ова оксидација изводи уз ултразвучно мешање. Ова метода епоксидације омогућила је постизање конверзије лимонена од 100% са приносом лимонен-диоксида од 100% за само 4,5 min, у поређењу са 90 min при традиционалном мешању. Поред тога, у реакционој средини нису пронађени производи оксидације лимонена, као што су карвон, карвеол и перилил алкохол. Епоксидација α-пинена под дејством ултразвука захтевала је само 4 min, дајући α-пинен-оксид са приносом од 100%, без оксидације прстена. Други терпени, као што су β-пинен, фарнезол и карвеол, такође су оксидовани, уз веома високе приносе епоксида.

Сонохемијски ефекти

Као алтернатива класичним методама, протоколи засновани на сонохемији коришћени су за повећање брзине најразличитијих реакција, чиме су производи добијени под блажим условима уз значајно скраћење времена реакције. Ове методе описане су као еколошки прихватљивије и одрживије и повезују се са већом селективношћу и мањом потрошњом енергије за жељене трансформације. Механизам ових метода заснива се на појави акустичне кавитације, која ствара јединствене услове притиска и температуре кроз настанак, раст и адијабатски колапс мехурића у течној средини. Овај ефекат побољшава пренос масе и појачава турбулентно струјање у течности, олакшавајући хемијске трансформације. У нашим истраживањима, примена ултразвука довела је до добијања једињења за краће време реакције, уз високе приносе и чистоћу. Такве карактеристике повећале су број једињења испитаних у фармаколошким моделима, доприносећи убрзавању процеса оптимизације почетних активних једињења у водећа једињења за развој лекова.
Овај велики унос енергије може не само да појача механичке ефекте у хетерогеним процесима, већ је познато и да изазива нове облике реактивности који доводе до настанка неочекиваних хемијских врста. Оно што сонохемију чини јединственом јесте изузетна појава кавитације, која у локално ограниченом простору окружења микромехурића ствара изванредне ефекте услед наизменичних циклуса високог / ниског притиска, веома великих температурних разлика, јаких сила смицања и струјања течности.

Предности органокаталитичких реакција потпомогнутих сонохемијом

Соникација се све више користи у органској синтези и катализи јер сонохемијски ефекти доводе до значајног интензивирања хемијских реакција. Посебно у поређењу са традиционалним методама (нпр. загревањем, мешањем), сонохемија је ефикаснија, практичнија и омогућава прецизнију контролу. Соникација и сонохемија нуде неколико значајних предности, као што су већи приноси, повећана чистоћа једињења и селективност, краће време реакције, нижи трошкови, као и једноставност извођења сонохемијског поступка и руковања опремом. Ови повољни фактори чине хемијске реакције потпомогнуте ултразвуком не само делотворнијим и безбеднијим, већ и еколошки прихватљивијим.
Доказано је да бројне органске реакције дају веће приносе за краће време реакције и / или под блажим условима када се изводе уз соникацију.

Ултразвучна обрада омогућава једноставне реакције у једној посуди

Соникација омогућава покретање вишекомпонентних реакција као реакција у једној посуди, којима се синтетишу структурно разноврсна једињења. Такве реакције у једној посуди цењене су због високе укупне ефикасности и једноставности, јер није потребно изоловати и пречишћавати интермедијере.

Ефекти ултразвучних таласа на асиметричне органокаталитичке реакције успешно су примењени у различитим типовима реакција, укључујући катализу фазног преноса, Хекове реакције, хидрогенизацију, Манихове реакције, Барбијеове реакције и реакције сличне њима, Дилс–Алдерове реакције, Сузукијеву реакцију купловања и Михаелову адицију.

Пронађите идеалан ултразвучни уређај за своју органокаталитичку реакцију!

Hielscher Ultrasonics је ваш поуздан партнер када је реч о високоефикасној ултразвучној опреми високог квалитета. Hielscher пројектује, производи и дистрибуира најсавременије ултразвучне сонде, реакторе и чашасте сонотроде за сонохемијске примене. Сва опрема се производи према поступцима сертификованим по ISO стандардима и са немачком прецизношћу ради постизања врхунског квалитета, у нашем седишту у Телтову (близу Берлина), у Немачкој.
Асортиман Hielscher ултразвучних уређаја обухвата све од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до потпуно индустријских ултразвучних реактора за хемијску производњу великих размера. Сонде (познате и као сонотроде, ултразвучни рогови или врхови), рогови за појачавање амплитуде и реактори лако су доступни у бројним величинама и геометријским облицима. Могу се произвести и верзије прилагођене вашим захтевима.
Пошто су ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics доступни у свим величинама, од малих лабораторијских уређаја до великих индустријских процесора за примене у шаржној и проточној хемији, високоефикасна соникација се лако може применити у било којој реакционој поставци. Прецизно подешавање ултразвучне амплитуде – најважнијег параметра за сонохемијске примене – омогућава рад Hielscher ултразвучних уређаја при ниским до веома високим амплитудама и фино подешавање амплитуде тачно према потребним условима ултразвучног процеса у датом хемијском реакционом систему.
Hielscher ултразвучни генератори имају паметан софтвер са аутоматским бележењем података. Сви важни параметри обраде, као што су ултразвучна енергија, температура, притисак и време, аутоматски се чувају на уграђеној SD картици чим се уређај укључи.
Праћење процеса и бележење података важни су за континуирану стандардизацију процеса и квалитет производа. Приступом аутоматски забележеним процесним подацима можете прегледати претходне циклусе соникације и проценити резултат.
Још једна функција која олакшава употребу јесте даљинско управљање нашим дигиталним ултразвучним системима путем веб-прегледача. Путем даљинског управљања преко веб-прегледача можете са било ког места да покренете, зауставите, подесите и надгледате свој ултразвучни процесор.
Контактирајте нас сада да бисте сазнали више о томе како наши високоефикасни ултразвучни хомогенизатори могу да побољшају вашу реакцију органокаталитичке синтезе!

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: