I organisk kemi är organocatalys en form av katalys där frekvensen av en kemisk reaktion ökas av en organisk katalysator. Denna “organocatalyst” består av kol, väte, svavel och andra icke-småämnen som finns i organiska föreningar. Tillämpningen av hög effekt ultraljud på kemiska system är känd som sonochemistry och en väletablerad teknik för att öka avkastningen, förbättra reaktionsfrekvensen och påskynda reaktionshastigheten. Under ultraljudsbehandling blir det ofta möjligt att byta kemiska vägar undvika oönskade biprodukter. Sonochemistry kan främja organocatalytiska reaktioner som gör dem mer effektiva och miljövänliga.

Asymmetrisk organocatalys – Förbättrad genom ultraljudsbehandling

Sonochemistry, tillämpningen av högpresterande ultraljud i kemiska system, kan förbättra organocatalytiska reaktioner avsevärt. Asymmetrisk organocatalys i kombination med ultraljud gör det ofta möjligt att omvandla organocatalys till en miljövänligare väg och därmed falla under terminologin för grön kemi. Ultraljudsbehandling accelererar (asymmetrisk) organocatlytisk reaktion och leder till högre utbyten, snabbare konverteringshastigheter, enklare produktisolering /rening och förbättrad selektivitet och reaktivitet. Förutom att bidra till förbättringen av reaktionskinetik och utbyte, ultraljud kan ofta kombineras med hållbara reaktion lösningsmedel, såsom joniska vätskor, djupa eutectic lösningsmedel, milda, giftfria lösningsmedel, och vatten. Därmed förbättrar sonochemistry inte bara den (asymmetriska) organocatlytiska reaktionen i sig, men hjälper också hållbarheten hos organocatalytiska reaktioner.

Forskning har visat många exempel för sonokemiskt intensifierade oragnokatalytiska reaktioner. Till exempel används dubbla strandade DNA-molekyler som en kiralställning för att montera metall-biomacromolecule hybridkatalysatorer för asymmetriska syntesreaktioner. G-quadruplex DNA-baserade katalysatorer har tillämpats i asymmetriska Michael tillägg, Diels-Alder och Friedel-Crafts reaktioner. (se Zhao och Shen, 2018)
För inidium-främjad reaktion visar ultraljudsbehandling fördelaktiga effekter eftersom sonochemically driven reaktion löper under mildare förhållanden, vilket bevarar höga nivåer av diasteroselection. Med hjälp av den sonokemiska vägen uppnåddes goda resultat på den organocatalytiska syntesen av β-laktamskolhydrater, β-aminosyra och spirodiketopiperaziner från sockerlaktoner samt allylering och Reformatsky reaktioner på oxime eter.

Ultraljud främjas organocatalytic drogsyntes

Rogozińska-Szymczak och Mlynarski (2014) rapporterar den asymmetriska Michael-tillsatsen av 4-hydroxycoumarin till α β-omättade ketoner på vatten utan organiska medlösningsmedel – katalyserad av organiska primära aminer och ultraljudsbehandling. Tillämpningen av enantiomerically ren (S,S)-diphenylethylelenediamine ger en serie viktiga farmaceutiskt aktiva föreningar i gott till utmärkta utbyten (73-98%) och med goda enantioselectivities (upp till 76% ee) via reaktioner accelereras av ultraljud. Forskarna presenterar ett effektivt sonokemiskt protokoll för "fasta ämnen på vatten" bildandet av antikoagulantiaant warfarin i båda enantiomeriska former. Denna miljövänliga organocatalytiska reaktion är inte bara skalbar, utan ger också målläkemedelsmolekylen i enantiomeriskt ren form.

Sonokemisk epoxidation av Terpener

(2018) degraderade den framgångsrika epoxidationen av terpener under ultraljudsbehandling. Den konventionella epoxidationen kräver användning av en katalysator, men med ultraljudsbehandling går epoxidationen som katalysatorfri reaktion.
Limonendioxid är en viktig mellanmolekyl för utveckling av biobaserade polykarbonater eller nonisocyanatpolyuretaner. Ultraljudsbehandling gör det möjligt att katalysatorfri epoxidation av terpener inom en mycket kort reaktionstid – samtidigt ger mycket bra avkastning. För att demonstrera effektiviteten av ultraljud epoxidation jämförde forskargruppen epoxidationen av limonen med limonendioxid med hjälp av in situ-genererad dimetyl dioxiran som oxiderande medel under både konventionell agitation och ultraljud. För alla ultraljudsbehandlingsförsök Hielscher UP50H (50W, 30kHz) lab ultrasonicator användes.

Den tid som krävdes för att helt omvandla limonen till limonendioxid med 100% utbyte under ultraljudsbehandling var bara 4,5 min vid rumstemperatur. I jämförelse, när konventionell agitation med hjälp av en magnetisk omrörare används, var den tid som krävs för att nå en 97% avkastning av limonendioxid 1,5 h. Epoxidationen av α-pinene har också studerats med hjälp av båda agitationsteknikerna. Epoxidation av α-pinene till α-pinene oxid under ultraljudsbehandling krävs endast 4 min med en erhållna avkastning på 100%, medan i jämförelse med den konventionella metoden reaktionstiden var 60 min. När det gäller andra terpener omvandlades β-tallen till β-talloxid på endast 4 minuter medan farnesol gav 100% av triepoxiden på 8 min. Carveol, ett limonenderivat, omvandlades till carveoldioxid med en avkastning på 98%. I epoxidationsreaktionen av karvone med dimetyl dioxirane var omvandlingen 100% i 5 min producerar 7,8-karvoneoxid.
De främsta fördelarna med den sonokemiska terpene epoxidationen är den miljövänliga karaktären hos oxiderande agenten (grön kemi) samt den betydligt minskade reaktionstiden som utför denna oxidation under ultraljud agitation. Denna epoxidationsmetod tillät att nå 100% omvandling av limonen med en 100% avkastning av limonendioxid på endast 4,5 min jämfört med 90 min när traditionell agitation används. Dessutom hittades inga oxidationsprodukter av limonen, såsom karvone, carveol och perrilylalkohol, i reaktionsmediet. Epoxidationen av α-pinene under ultraljud krävs endast 4 min, vilket ger 100% av α-tallkottoxid utan oxidation av ringen. Andra terpener som β tall, farnesol och carveol har också oxiderats, vilket leder till mycket höga epoxidutbyten.

sonochemical effekter

Som ett alternativ till klassiska metoder har sonokemiska protokoll använts för att öka frekvensen av en mängd olika reaktioner, vilket resulterar i produkter som genereras under mildare förhållanden med en betydande minskning av reaktionstiderna. Dessa metoder har beskrivits som mer miljövänliga och hållbara och är förknippade med större selektivitet och lägre energiförbrukning för önskade omvandlingar. Mekanismen för sådana metoder är baserad på fenomenet akustisk kavitation, som inducerar unika tryck- och temperaturförhållanden genom bildandet, tillväxten och adiabatisk kollaps av bubblor i det flytande mediet. Denna effekt förbättrar massöverföringen och ökar det turbulenta flödet i vätskan, vilket underlättar de kemiska omvandlingarna. I våra studier har användningen av ultraljud lett till produktion av föreningar i reducerade reaktionstider med hög avkastning och renhet. Sådana egenskaper har ökat antalet föreningar som utvärderats i farmakologiska modeller, vilket bidrar till att påskynda träffen till blyoptimeringsprocessen.
Denna höga energitillförsel kan inte bara förbättra mekaniska effekter i heterogena processer, utan det är också känt att inducera nya reaktiviteter som leder till bildandet av oväntade kemiska arter. Det som gör sonochemistry unikt är det anmärkningsvärda fenomenet kavitation, som genererar extraordinära effekter i ett lokalt begränsat utrymme i mikrobubblamiljön på grund av alternerande högtrycks- / lågtryckscykler, mycket höga temperaturskillnader, högsjuvkrafter och vätskeströmning.

Fördelarna med sonokemiskt främjade organocatalytiska reaktioner

Ultraljudsbehandling används alltmer i organisk syntes och katalys eftersom sonokemiska effekter visar en betydande intensifiering av kemiska reaktioner. Särskilt jämfört med traditionella metoder (t.ex. uppvärmning, omrörning) är sonochemistry effektivare, bekvämare och exakt kontrollerbar. Ultraljudsbehandling och sonochemistry erbjuder flera stora fördelar såsom högre utbyten, ökad renhet av föreningar och selektivitet, kortare reaktionstider, lägre kostnader, liksom enkelheten i drift och hantering av sonochemical förfarandet. Dessa fördelaktiga faktorer gör ultraljud-assisterade kemiska reaktioner inte bara mer effektiva och sparare, men också miljö-vänligare.
Många organiska reaktioner har visat sig ge högre utbyten under kortare reaktionstid och / eller under mildare förhållanden när de utförs med ultraljudsbehandling.

Ultraljud möjliggör enkla enpottreaktioner

Ultraljudsbehandling gör det möjligt att initiera multikomponent reaktioner som en-pott reaktioner som ger syntesen av strukturellt olika föreningar. Sådana enpottreaktioner värderas för en hög övergripande effektivitet och deras enkelhet eftersom isolering och rening av intermediärer inte krävs.

Effekterna av ultraljud vågor på asymmetriska organocatalytic reaktioner har framgångsrikt tillämpats i olika reaktionstyper inklusive fas överföring katalyser, Heck reaktioner, hydrogenering, Mannich reaktioner, Barbier och Barbier-liknande reaktioner, Diels-Alder reaktioner, Suzuki koppling reaktion och Micheal tillägg.

Hitta den perfekta ultraljudsatorn för din organocatalytiska reaktion!

Hielscher Ultrasonics är din betrodda partner när det gäller högpresterande ultraljudsutrustning av hög kvalitet. Hielscher designar, tillverkar och distribuerar toppmoderna ultraljudssonder, reaktorer och kopphorn för sonokemiska applikationer. All utrustning tillverkas enligt ISO-certifierade procedurer och med tysk precision för överlägsen kvalitet i vårt huvudkontor i Teltow (nära Berlin), Tyskland.
Portföljen av Hielscher ultrasonicators sträcker sig från kompakta lab ultrasonicators till helt industriella ultraljud reaktorer för storskalig kemisk tillverkning. Sonder (även kända som sonotrodes, ultraljud horn eller tips), booster horn och reaktorer är lätt tillgängliga i många storlekar och geometrier. Anpassade versioner kan också tillverkas för dina krav.
Sedan Hielscher Ultraljud’ ultraljud processorer är tillgängliga i alla storlekar från små labb enheter till stora industriella processorer för batch och flöde kemi applikationer, högpresterande ultraljudsbehandling kan enkelt implementeras i alla reaktion setup. Exakt justering av ultraljud amplitud – den viktigaste parametern för sonokemiska tillämpningar – gör det möjligt att använda Hielscher ultrasonicators vid låga till mycket höga amplituder och finjustera amplituden exakt till de nödvändiga ultraljud process villkoren i det specifika kemiska reaktionssystemet.
Hielschers ultraljudsgenerator har en smart programvara med automatisk dataprotokollering. Alla viktiga bearbetningsparametrar som ultraljudsenergi, temperatur, tryck och tid lagras automatiskt på ett inbyggt SD-kort så snart enheten är påslagen.
Processövervakning och dataregistrering är viktiga för kontinuerlig processstandardisering och produktkvalitet. Genom att komma åt automatiskt inspelade processdata kan du ändra tidigare ultraljudsbehandlings körningar och utvärdera resultatet.
En annan användarvänlig funktion är webbläsarens fjärrkontroll av våra digitala ultraljudssystem. Via fjärrkontroll kan du starta, stoppa, justera och övervaka din ultraljudsprocessor på distans var som helst.
Kontakta oss nu för att lära dig mer om våra högpresterande ultraljud homogenisatorer kan förbättra din oragnocatalytiska syntes reaktion!

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: