Organokatalytiska reaktioner främjas av ultraljudsbehandling

Inom organisk kemi är organokatalys en form av katalys där hastigheten för en kemisk reaktion ökas av en organisk katalysator. Denna “organokatalysator” består av kol, väte, svavel och andra icke-metalliska grundämnen som finns i organiska föreningar. Tillämpningen av ultraljud med hög effekt på kemiska system är känd som sonokemi och en väletablerad teknik för att öka utbytet, förbättra reaktionshastigheterna och påskynda reaktionshastigheten. Under ultraljudsbehandling blir det ofta möjligt att byta kemiska vägar för att undvika oönskade biprodukter. Sonokemi kan främja organokatalytiska reaktioner, vilket gör dem mer effektiva och miljövänliga.

Asymmetrisk organokatalys – Förbättrad av ultraljudsbehandling

Sonokemi, tillämpningen av högpresterande ultraljud i kemiska system, kan förbättra organokatalytiska reaktioner avsevärt. Asymmetrisk organokatalys i kombination med ultraljud gör det ofta möjligt att omvandla organokatalys till en miljövänligare väg och därmed faller under terminologin för grön kemi. Ultraljudsbehandling påskyndar (asymmetrisk) organokatalytisk reaktion och leder till högre utbyten, snabbare omvandlingsfrekvenser, enklare produktisolering/rening, och förbättrad selektivitet och reaktivitet. Förutom att bidra till förbättringen av reaktionskinetiken och utbytet, kan ultraljud ofta kombineras med hållbara reaktionslösningsmedel, såsom joniska vätskor, djupa eutektiska lösningsmedel, milda, giftfria lösningsmedel och vatten. Därmed förbättrar sonokemin inte bara den (asymmetriska) organokatalytiska reaktionen i sig, utan hjälper också till med hållbarheten hos organokatalytiska reaktioner.

Forskning har visat många exempel på sonokemiskt intensifierade oragnokatalytiska reaktioner. Till exempel används dubbelsträngade DNA-molekyler som en kiral ställning för att sätta ihop metall-biomakromolekylhybridkatalysatorer för asymmetriska syntesreaktioner. G-quadruplex DNA-baserade katalysatorer har tillämpats i asymmetriska Michael-additions-, Diels-Alder- och Friedel-Crafts-reaktioner. (jfr Zhao och Shen, 2018)
För inidium-främjas reaktion, ultraljudsbehandling visar positiva effekter eftersom den sonokemiskt drivna reaktionen körs under mildare förhållanden, vilket bevarar höga nivåer av diasteroselektion. Genom att använda den sonokemiska vägen uppnåddes goda resultat på den organokatalytiska syntesen av β-laktamkolhydrater, β-aminosyra och spirodiketopiperaziner från sockerlaktoner samt allylering och Reformatsky-reaktioner på oximater.

Ultraljudsfrämjad organokatalytisk läkemedelssyntes

Rogozińska-Szymczak och Mlynarski (2014) rapporterar den asymmetriska Mikael-tillsatsen av 4-hydroxikumarin till α β-omättade ketoner på vatten utan organiska medlösningsmedel – katalyserad av organiska primära aminer och ultraljudsbehandling. Appliceringen av enantiomeriskt ren (S,S)-difenyletylendiamin ger en rad viktiga farmaceutiskt aktiva föreningar i god till utmärkt avkastning (73–98 %) och med god enantioselektivitet (upp till 76 % ee) via reaktioner som påskyndas av ultraljud. Forskarna presenterar ett effektivt sonokemiskt protokoll för bildandet av "fasta ämnen på vatten" av antikoagulantia warfarin i båda enantiomera formerna. Denna miljövänliga organokatalytiska reaktion är inte bara skalbar, utan ger också målläkemedelsmolekylen i enantiomeriskt ren form.

Sonokemisk epoxidation av terpener

Charbonneau et al. (2018) demonstrerade 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 intermediär för utvecklingen av biobaserade polykarbonater eller icke-isocyanatpolyuretaner. Ultraljudsbehandling tillåter katalysatorn fri epoxidation av terpener inom en mycket kort reaktionstid – samtidigt som det ger mycket bra avkastning. För att demonstrera effektiviteten av ultraljud epoxidation jämförde forskargruppen epoxidationen av limonen med limonendioxid med hjälp av in-situ-genererad dimetyldioxiran som oxidationsmedel under både konventionell omrörning och ultraljud. För alla ultraljudsbehandling försök Hielscher UP50H (50W, 30kHz) lab ultraljud användes.

Den tid som krävs för att helt omvandla limonen till limonendioxid med 100% utbyte under ultraljudsbehandling var bara 4,5 minuter vid rumstemperatur. Som jämförelse, när konventionell omrörning med hjälp av en magnetisk omrörare används, var den tid som krävdes för att nå ett 97-procentigt utbyte av limonendioxid 1,5 timmar. Epoxidationen av α-pinen har också studerats med hjälp av båda omrörningsteknikerna. Epoxidation av α-pinen till α-pinenoxid under ultraljudsbehandling krävde endast 4 minuter med ett erhållet utbyte på 100%, medan reaktionstiden i jämförelse med den konventionella metoden var 60 min. När det gäller andra terpener omvandlades β-pinen till β-pinenoxid på bara 4 minuter medan farnesol gav 100 % av triepoxiden på 8 minuter. Carveol, ett limonenderivat, omvandlades till karveoldioxid med en avkastning på 98 %. I epoxidationsreaktionen av karvon med användning av dimetyldioxiran var omvandlingen 100 % på 5 minuter och producerade 7,8-karvonoxid.
De främsta fördelarna med den sonokemiska terpenepoxidationen är den miljövänliga karaktären hos oxidationsmedlet (grön kemi) samt den avsevärt minskade reaktionstiden som utför denna oxidation under ultraljudsomrörning. Denna epoxidationsmetod gjorde det möjligt att uppnå 100 % omvandling av limonen med ett 100 % utbyte av limonendioxid på bara 4,5 minuter jämfört med 90 minuter när traditionell omrörning används. Dessutom hittades inga oxidationsprodukter av limonen, såsom karvon, karveol och perrilylalkohol, i reaktionsmediet. Epoxidationen av α-pinen under ultraljud krävde endast 4 minuter, vilket gav 100 % av α-pinenoxid utan oxidation av ringen. Andra terpener som β-pinen, farnesol och karveol har också oxiderats, vilket leder till mycket höga epoxidutbyten.

Sonokemiska effekter

Som ett alternativ till klassiska metoder har sonokemiskt baserade protokoll använts för att öka hastigheten för en mängd olika reaktioner, vilket resulterat i produkter som genereras under mildare förhållanden med en signifikant minskning av reaktionstiderna. Dessa metoder har beskrivits som mer miljövänliga och hållbara och är förknippade med större selektivitet och lägre energiförbrukning för de önskade omvandlingarna. Mekanismen för sådana metoder är baserad på fenomenet akustisk kavitation, som inducerar unika tryck- och temperaturförhållanden genom bildning, tillväxt 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 minskade reaktionstider med höga utbyten och renhet. Sådana egenskaper har ökat antalet föreningar som utvärderas i farmakologiska modeller, vilket bidrar till att påskynda optimeringsprocessen från träff till lead.
Denna högenergitillförsel kan inte bara förbättra mekaniska effekter i heterogena processer, utan den är också känd för att inducera nya rereaktioner som leder till bildandet av oväntade kemiska arter. Det som gör sonokemi unikt är det anmärkningsvärda fenomenet kavitation, som genererar extraordinära effekter i ett lokalt begränsat utrymme i mikrobubbelmiljön på grund av växlande högtrycks- och lågtryckscykler, mycket höga temperaturskillnader, höga skjuvkrafter och vätskeströmning.

Fördelarna med sonokemiskt främjade organokatalytiska reaktioner

Ultraljudsbehandling används i allt högre grad i organisk syntes och katalys eftersom sonokemiska effekter visar en betydande intensifiering av kemiska reaktioner. Speciellt jämfört med traditionella metoder (t.ex. uppvärmning, omrörning) är sonokemi mer effektiv, bekväm och exakt kontrollerbar. Ultraljudsbehandling och sonokemi erbjuder flera stora fördelar såsom högre utbyten, ökad renhet av föreningarna och selektivitet, kortare reaktionstider, lägre kostnader, samt enkelheten i drift och hantering av den sonokemiska proceduren. Dessa fördelaktiga faktorer gör ultraljudsassisterade kemiska reaktioner inte bara mer effektiva och räddare, utan också miljövänligare.
Många organiska reaktioner har visat sig ge högre utbyten i kortare reaktionstid och / eller under mildare förhållanden när de utförs med hjälp av ultraljudsbehandling.

Ultraljud möjliggör enkla one-pot reaktioner

Ultraljudsbehandling gör det möjligt att initiera flerkomponentreaktioner som one-pot reaktioner som ger syntesen av strukturellt olika föreningar. Sådana one-pot-reaktioner värderas för en hög total effektivitet och deras enkelhet eftersom isolering och rening av intermediärer inte krävs.

Effekterna av ultraljudsvågor på asymmetriska organokatalytiska reaktioner har framgångsrikt tillämpats i olika reaktionstyper, inklusive fasöverföringskatalyser, Heck-reaktioner, hydrogenering, Mannich-reaktioner, Barbier och Barbier-liknande reaktioner, Diels-Alder-reaktioner, Suzuki-kopplingsreaktion och Micheal-addition.

Hitta den perfekta ultraljudsapparaten för din organokatalytiska reaktion!

Hielscher Ultrasonics är din pålitliga partner när det gäller högpresterande, högkvalitativ ultraljudsutrustning. Hielscher designar, tillverkar och distribuerar toppmoderna ultraljudssonder, reaktorer och cup-horn för sonokemiska tillämpningar. All utrustning tillverkas enligt ISO-certifierade procedurer och med tysk precision för överlägsen kvalitet på vårt huvudkontor i Teltow (nära Berlin), Tyskland.
Portföljen av Hielscher ultraljudsapparater sträcker sig från kompakta laboratorium ultraljudsapparater till fullt industriella ultraljudsreaktorer för storskalig kemisk tillverkning. Sonder (även kända som sonotroder, ultraljudshorn eller spetsar), boosterhorn och reaktorer är lätt tillgängliga i många storlekar och geometrier. Anpassade versioner kan också tillverkas för dina behov.
Eftersom Hielscher Ultrasonics’ Ultraljudsprocessorer finns i alla storlekar från små laboratorieenheter till stora industriella processorer för batch- och flödeskemiapplikationer, högpresterande ultraljudsbehandling kan enkelt implementeras i alla reaktionsinställningar. Exakt justering av ultraljudsamplituden – Den viktigaste parametern för sonokemiska tillämpningar – gör det möjligt att använda Hielscher ultraljudsapparater vid låga till mycket höga amplituder och att finjustera amplituden exakt till de nödvändiga ultraljudsprocessförhållandena för 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 slås på.
Processövervakning och dataregistrering är viktiga för kontinuerlig processstandardisering och produktkvalitet. Genom att komma åt automatiskt inspelade processdata kan du revidera tidigare ultraljudsbehandling körningar och utvärdera resultatet.
En annan användarvänlig funktion är webbläsarens fjärrkontroll till våra digitala ultraljudssystem. Via fjärrkontrollen 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 ultraljudshomogenisatorer kan förbättra din oragnocatalytiska syntesreaktion!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: