U organskoj hemiji, organokataliza je oblik katalize u kojoj se stopa hemijske reakcije povećava organskim katalizatorom. Ovo “organokatalist” sastoji se od ugljenika, vodonika, sumpora i drugih nemetalnih elemenata koji se nalaze u organskim jedinjenjima. Primena ultrazvuka visoke snage na hemijske sisteme poznata je kao sonohemija i dobro utvrđena tehnika za povećanje prinosa, poboljšanje stope reakcije i ubrzavanje brzine reakcije. Pod sonikacijom, često postaje moguće zameniti hemijske puteve izbegavajući neželjene nusproizvode. Sonohemija može da promoviše organokatalitičke reakcije čineći ih efikasnijim i ekološkim.

Asimetrična organokataliza – Poboljšano sonikacijom

Sonohemija, primena ultrazvuka visokih performansi u hemijske sisteme, može značajno da poboljša organokatalitičke reakcije. Asimetrična organokataliza u kombinaciji sa ultrazvukom često omogućava transformaciju organokatalize u ekološki prihvatljiviji put, čime spada pod terminologiju zelene hemije. Sonication ubrzava (asimetričnu) organokatlitičku reakciju i dovodi do većih prinosa, brže stope konverzije, lakše izolacije/pročišćenja proizvoda i poboljšane selektivnosti i reaktivnosti. Pored toga što doprinosi poboljšanju reakcije kinetike i prinosa, ultrazvučnost se često može kombinovati sa rastvaračima održive reakcije, kao što su ionska tečnost, duboki eutektični rastvarači, blagi, neotrovni rastvarači i voda. Time, sonohemija ne samo da poboljšava (asimetričnu) organokatlitičku reakciju samu sebe, već pomaže i u održivosti organokatalitičkih reakcija.

Istraživanja su pokazala manifoldne primere za sonohemijski intenzivirane oragnokatalitičke reakcije. Na primer, dvostruki nasukani DNK molekuli kao čiralna skela se koriste za sklapanje hibridnih katalizatora metal-biomacromolecule za reakcije asimetrične sinteze. Katalizatori zasnovani na G-četvorostrukom DNK primenjeni su u asimetričnim Majklovima, Diels-Alder i Friedel-Crafts reakcijama. (cf. Zhao and Shen, 2018)
Za reakciju promovisanu u podmuklosti, sonicija pokazuje blagotvorne efekte s obzirom da sonohemijska reakcija teče pod blažim uslovima, čime se očuva visok nivo dijasteroselekcije. Koristeći sonohemičnu rutu, dobri rezultati na organokatalitičkoj sintezi β-laktamskih ugljenih hidrata, β-aminokiseline i spirodiketopazina iz šećernih laktona kao i allylation i Reformatsky reakcije na oksime etre.

Ultrasonično promovisana organokatalitička sinteza leka

Rogoziska-Szymczak and Mlynarski (2014) report the asymmetric Michael addition of 4-hydroxycoumarin to α,β-unsaturated ketones on water without organic co-solvents – katalisan organskim primarnim aminama i sonikacijom. Primena enantiomerički čistog (S,S)-difenilethylenediamina priušti niz važnih farmaceutski aktivnih jedinjenja u dobrim do odličnim prinosima (73–98%) i sa dobrim enantioselektivnostima (do 76% ee) putem reakcija ubrzanih ultrazvukom. Istraživači predstavljaju efikasan sonohemijski protokol za formiranje 'čvrstina na vodi' antikoagulantnog varfarina u oba enantiomerijska oblika. Ova ekološki prihvatljiva organokatalitička reakcija ne samo da je skalabilna, već daje i ciljani molekul droge u enantiomerijsko čistom obliku.

Sonohemijska epoksidacija Terpena

Charbonneau et al. (2018) demostrated the successful epoxidation of terpenes under sonication. Konvencionalna epoksidacija zahteva upotrebu katalizatora, ali sa sonikacijom epoksidacija teče kao reakcija bez katalizatora.
Limonene dioksid je ključni srednji molekul za razvoj biobasiranih polikarbonata ili nonisocianate poliuretana. Sonication allows the catalyst free epoxidation of terpenes within a very short reaction time – istovremeno dajući veoma dobre prinose. U cilju demonstracije delotvornosti ultrazvučne epoksidacije, istraživački tim je uporedio epoksidaciju limonezida sa limone-dioksidom koristeći dimetil dioksiran kao oksidacioni agens pod konvencionalnom agitacijom i ultrazvučnošću. Za sva soniиna ispitivanja, Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratorijski ultrazvuk je korišćen.

Vreme potrebno za potpuno pretvaranje limone u limone-dioksid sa 100% prinosa pod sonikacijom bilo je samo 4,5 min na sobnoj temperaturi. Poređenja radi, kada se koristi konvencionalna agitacija pomoću magnetnog stirera, potrebno vreme da se dostigne prinos od 97% limonene dioksida bilo je 1,5 h. Epoksidacija α-pinena takođe je proučavana korišćenjem obe tehnike agitacije. Epoksidacija α-pinena na α-pinene oksid pod sonikacijom zahtevala je samo 4 min sa dobijenim prinosom od 100%, dok je u poređenju sa konvencionalnim metodom vreme reakcije bilo 60 min. Što se tiče ostalih terpena, β-pinen je pretvoren u β-pinene oksid za samo 4 min, dok je farnesol dao 100% triepoksida za 8 min. Karvel, derivat limonena, pretvoren je u karvel-dioksid sa prinosom od 98 odsto. U epoksidacionoj reakciji karvona koristeći dimetil dioksiran konverzija je bila 100% u 5 min proizvodeći 7,8-karvone oksid.
Glavne prednosti sonohemične terpene epoksidacije su ekološka priroda oksidirajuće agensa (zelena hemija) kao i znatno smanjeno vreme reakcije koje izvodi ovu oksidaciju pod ultrazvučnom agitacijom. Ovaj metod epoksidacije omogućio je dostizanje 100% konverzije limonena sa 100% prinosom limonenih dioksida za samo 4,5 min u poređenju sa 90 min kada se koristi tradicionalna agitacija. Osim toga, u medijumu reakcije nisu pronađeni oksidacioni proizvodi limonena, kao što su karvon, karvel i perrilil alkohol. Epoksidacija α-pinena pod ultrazvukom zahtevala je samo 4 min, što daje 100% α-pinenih oksida bez oksidacije prstena. Drugi terpeni kao što su β-pinene, farnesol i karvel takođe su oksidirani, što je dovelo do veoma visokih prinosa epoksida.

sonohemijski efekti

Kao alternativa klasičnim metodama, sonohemijski protokoli korišćeni su za povećanje stope najrazličitije reakcije, što je rezultiralo proizvodima generisanim pod blažim uslovima uz značajno smanjenje vremena reakcije. Ove metode su opisane kao ekološki prihvatljivije i održivije i povezane su sa većom selektivnošću i manjom potrošnjom energije za željene transformacije. Mehanizam takvih metoda zasniva se na fenomenu akustične kavitacije, koja izaziva jedinstvene uslove pritiska i temperature kroz formiranje, rast i adiabatičko urušavanje mehurića u tečnom medijumu. Ovaj efekat poboljšava masovni prenos i povećava turbulentan protok tečnosti, olakšavajući hemijske transformacije. U našim studijama, upotreba ultrazvuka dovela je do proizvodnje jedinjenja u smanjenom vremenu reakcije sa visokim prinosima i čistoćom. Takve karakteristike povećale su broj jedinjenja koja se procenjuju u farmakološkim modelima, doprinoseći ubrzavanju hita u procesu optimizacije olova.
Ne samo da ovaj visokoenergetni unos može da poboljša mehaničke efekte u heterogenim procesima, već je poznato i da izaziva nove reaktivnosti koje vode ka formiranju neočekivanih hemijskih vrsta. Ono što sonohemiju čini jedinstvenom je izuzetan fenomen kavitacije, koji generiše u lokalno ograničenom prostoru mikro-mehur okruženja izvanredne efekte usled naizmeničnog ciklusa visokog pritiska / niskog pritiska, veoma visokih temperaturnih različnika, visoko-škarti i tečnog protoka.

The Advantages of Sonochemically Promoted Organocatalytic Reactions

Sonication se sve više koristi u organskoj sintezi i katalizi pošto sonohemijski efekti pokazuju znatno intenziju hemijskih reakcija. Naročito kada se uporedi sa tradicionalnim metodama (npr. grejanje, mešanje), sonohemija je efikasnija, pogodnija i precizno kontrolisana. Sonikacija i sonohemija nude nekoliko velikih prednosti kao što su veći prinosi, povećana čistoća jedinjenja i selektornost, kraća vremena reakcije, niži troškovi, kao i jednostavnost u funkcionisanju i rukovanju sonohemijskim postupkom. Ovi korisni faktori čine ultrasonično potpomognute hemijske reakcije ne samo efikasnijim i štedišom, već i ekološki prihvatljivijim.
Dokazano je da brojne organske reakcije daju veće prinose u kraćem vremenu reakcije i / ili u blažim uslovima kada se izvode pomoću sonicationa.

Ultrazvučnost omogućava jednostavne reakcije sa jednim potom

Sonication omogućava da se pokrenu višestruke kompomponentne reakcije kao reakcije sa jednim loncem koje obezbeđuju sintezu strukturno raznovrsnih jedinjenja. Takve reakcije sa jednim loncem vrednuju se zbog visoke ukupne efikasnosti i njihova jednostavnost od izolacije i pročišćavanja posrednika nije potrebna.

Efekti ultrazvučnih talasa na asimetrične organokatalne reakcije uspešno su primenjeni kod različitih tipova reakcija, uključujući katalize faznog prenosa, Hek reakcije, hidrogenaciju, reakcije Maniča, reakcije nalik Barbijeru i Barbieru, Diels-Alder reakcije, Suzuki prevratnu reakciju i Micheal dodatak.

Pronađite Idealan ultrazvučnik za Vašu organokatalitičku reakciju!

Hielscher Ultrasonics je vaš pouzdan partner kada je u pitanju visokokvalitetna ultrazvučna oprema visokog kvaliteta. Hielscher dizajnira, proizvodi i distribuira najmodernije ultrazvučne sonsonične sonsonske sonsonije, reaktore i rogove šolja za sonohemijsku primenu. Sva oprema je proizvedena po ISO sertifikovanim procedurama i sa nemačkom preciznošću za vrhunski kvalitet u našem sedištu u Teltou (blizu Berlina), Nemačka.
Portfolio Hielscher ultrazvučnih se kreće od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih do potpuno industrijskih ultrazvučnih reaktora za hemijsku proizvodnju velikih razmera. Sonotrode (poznate i kao sonotrodi, ultrazvučni rogovi ili saveti), pojačani rogovi i reaktori dostupni su u brojnim veličinama i geometrijama. Prilagođene verzije takođe mogu biti proizvedene za vaše zahteve.
Od Hielscher ultrazvuka’ ultrazvučni procesori su dostupni u bilo kojoj veličini, od malih laboratorijskih uređaja do velikih industrijskih procesora za aplikacije za grupnu i protočnu hemiju, sonicija visokih performansi se može lako implementirati u bilo koje podešavanje reakcije. Precizno podešavanje ultrazvučne amplitude – najvažniji parametar za sonohemijske primene – omogućava upravljanje Hielscher ultrazvučnicima na niskim do veoma visokim amplitude i precizno podešavanje amplitude tačno na potrebne ultrazvučne procesne uslove specifičnog sistema hemijske reakcije.
Hielscherov ultrazvučni generator sadrži pametni softver sa automatskim protokolanjem podataka. Svi važni parametri obrade kao što su ultrazvučna energija, temperatura, pritisak i vreme automatski se skladište na ugrađenu SD-karticu čim se uređaj uključi.
Praćenje procesa i snimanje podataka su važni za kontinuiranu standardizaciju procesa i kvalitet proizvoda. Pristupom automatski zapisanom podatku procesa možete da korigujete prethodne sonication runs i procenite ishod.
Još jedna funkcija prilagođena korisniku je daljinsko upravljanje pregledačem naših digitalnih ultrazvučnih sistema. Putem daljinskog upravljača pregledačem možete da pokrenete, zaustavite, podesite i nadgledate ultrazvučni procesor daljinski sa bilo kog mesta.
Kontaktirajte nas odmah da biste saznali više o našim ultrazvučnim homogenizatorima visokih performansi koji mogu poboljšati vašu reakciju na oragnokatalitičku sintezu!

Табела испод показује приближни капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: