Organokatalytiska reaktioner som främjas av ultraljudsbehandling

Inom organisk kemi är organokatalys en form av katalys där hastigheten hos en kemisk reaktion ökas med hjälp av en organisk katalysator. Denna ”organokatalysator” består av kol, väte, svavel och andra icke-metalliska grundämnen som förekommer i organiska föreningar. Användningen av högeffektultraljud i kemiska system kallas sonokemi och är en väletablerad teknik för att öka utbyten, förbättra reaktionshastigheter och påskynda reaktioner. Vid ultraljudsbehandling blir det ofta möjligt att ändra reaktionsvägar och undvika oönskade biprodukter. Sonokemi kan främja organokatalytiska reaktioner och göra dem effektivare och miljövänligare.

Asymmetrisk organokatalys – förbättrad genom ultraljudsbehandling

Sonokemi, användningen av högpresterande ultraljud i kemiska system, kan förbättra organokatalytiska reaktioner avsevärt. Asymmetrisk organokatalys i kombination med ultraljudsbehandling gör det ofta möjligt att ge organokatalysen en miljövänligare reaktionsväg och därmed föra in den under begreppet grön kemi. Ultraljudsbehandling påskyndar den (asymmetriska) organokatalytiska reaktionen och leder till högre utbyten, snabbare omsättningshastigheter, enklare isolering/rening av produkten samt förbättrad selektivitet och reaktivitet. Förutom att bidra till förbättrad reaktionskinetik och högre utbyte kan ultraljudsbehandling ofta kombineras med hållbara reaktionslösningsmedel, såsom jonvätskor, djupt eutektiska lösningsmedel, milda, ogiftiga lösningsmedel och vatten. Därigenom förbättrar sonokemi inte bara själva den (asymmetriska) organokatalytiska reaktionen, utan bidrar också till organokatalytiska reaktioners hållbarhet.

Forskning har visat många exempel på sonokemiskt intensifierade organokatalytiska reaktioner. Exempelvis används dubbelsträngade DNA-molekyler som kirala stommar för att sätta samman hybridkatalysatorer av metall och biomakromolekyler för asymmetriska syntesreaktioner. G-kvadruplex-DNA-baserade katalysatorer har använts vid asymmetrisk Michaeladdition samt Diels–Alder- och Friedel–Crafts-reaktioner. (jfr Zhao och Shen, 2018)
Vid reaktioner som främjas av inidium har ultraljudsbehandling gynnsamma effekter, eftersom den sonokemiskt drivna reaktionen sker under mildare betingelser och därmed bibehåller hög diastereoselektivitet. Med den sonokemiska reaktionsvägen uppnåddes goda resultat vid organokatalytisk syntes av β-laktamkolhydrater, β-aminosyra och spirodiketopiperaziner från sockerlaktoner samt vid allylering och Reformatsky-reaktioner med oximetrar.

Organokatalytisk läkemedelssyntes som främjas av ultraljud

Rogozińska-Szymczak och Mlynarski (2014) rapporterar asymmetrisk Michaeladdition av 4-hydroxikumarin till α,β-omättade ketoner på vatten utan organiska hjälplösningsmedel – katalyserad av organiska primära aminer och ultraljudsbehandling. Användningen av enantiomerrent (S,S)-difenyletylendiamin ger en rad viktiga farmaceutiskt aktiva föreningar med goda till utmärkta utbyten (73–98%) och god enantioselektivitet (upp till 76% ee) genom reaktioner som påskyndas av ultraljud. Forskarna presenterar ett effektivt sonokemiskt protokoll för bildning av det antikoagulerande läkemedlet warfarin i båda enantiomerformerna enligt principen ”fasta ämnen på vatten”. Denna miljövänliga organokatalytiska reaktion är inte bara skalbar, utan ger också den avsedda läkemedelsmolekylen i enantiomerren form.

Sonokemisk epoxidering av terpener

Charbonneau et al. (2018) demonstrerade framgångsrik epoxidering av terpener under ultraljudsbehandling. Konventionell epoxidering kräver användning av en katalysator, men med ultraljudsbehandling sker epoxideringen som en katalysatorfri reaktion.
Limonendioxid är en viktig intermediär molekyl för utvecklingen av biobaserade polykarbonater eller isocyanatfria polyuretaner. Ultraljudsbehandling möjliggör katalysatorfri epoxidering av terpener med mycket kort reaktionstid – och ger samtidigt mycket goda utbyten. För att visa hur effektiv ultraljudsepoxidering är jämförde forskargruppen epoxideringen av limonen till limonendioxid med dimetyldioxiran genererat in situ som oxidationsmedel vid både konventionell omrörning och ultraljudsbehandling. Vid samtliga ultraljudsförsök användes laboratorieultraljudsapparaten Hielscher UP50H (50W, 30kHz) .

Tiden som krävdes för att fullständigt omvandla limonen till limonendioxid med 100% utbyte under ultraljudsbehandling var endast 4,5 min vid rumstemperatur. Vid konventionell omrörning med en magnetomrörare krävdes däremot 1,5 h för att uppnå ett utbyte av limonendioxid på 97%. Epoxideringen av α-pinen har också studerats med båda omrörningsteknikerna. Epoxidering av α-pinen till α-pinenoxid under ultraljudsbehandling krävde endast 4 min och gav ett utbyte på 100%, medan reaktionstiden med den konventionella metoden var 60 min. När det gäller andra terpener omvandlades β-pinen till β-pinenoxid på endast 4 min, medan farnesol gav 100% utbyte av triepoxiden på 8 min. Karveol, ett limonenderivat, omvandlades till karveoldioxid med ett utbyte på 98%. Vid epoxideringsreaktionen av karvon med dimetyldioxiran var omsättningen 100% på 5 min och 7,8-karvonoxid bildades.
De främsta fördelarna med sonokemisk epoxidering av terpener är oxidationsmedlets miljövänliga egenskaper (grön kemi) samt den avsevärt kortare reaktionstiden när denna oxidation utförs under ultraljudsomrörning. Denna epoxideringsmetod gjorde det möjligt att uppnå 100% omsättning av limonen med 100% utbyte av limonendioxid på endast 4,5 min, jämfört med 90 min vid traditionell omrörning. Dessutom hittades inga oxidationsprodukter av limonen, såsom karvon, karveol och perrilylalkohol, i reaktionsmediet. Epoxideringen av α-pinen under ultraljud krävde endast 4 min och gav 100% utbyte av α-pinenoxid utan oxidation av ringen. Även andra terpener, såsom β-pinen, farnesol och karveol, har oxiderats, vilket har gett mycket höga epoxidutbyten.

Sonokemiska effekter

Som ett alternativ till klassiska metoder har sonokemiska protokoll använts för att öka hastigheten hos en mängd olika reaktioner, vilket resulterar i produkter som framställs under mildare betingelser med en betydande minskning av reaktionstiderna. Dessa metoder har beskrivits som miljövänligare och mer hållbara och förknippas med högre selektivitet och lägre energiförbrukning för de önskade omvandlingarna. Mekanismen bakom sådana metoder bygger på fenomenet akustisk kavitation, som skapar unika tryck- och temperaturförhållanden genom att bubblor bildas, växer och kollapsar adiabatiskt i vätskemediet. 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 framställning av föreningar med kortare reaktionstider, höga utbyten och hög renhet. Sådana egenskaper har ökat antalet föreningar som utvärderas i farmakologiska modeller och bidragit till att påskynda optimeringsprocessen från träffsubstans till ledsubstans.
Denna höga energitillförsel kan inte bara förstärka mekaniska effekter i heterogena processer, utan är också känd för att framkalla ny reaktivitet som leder till bildning av oväntade kemiska species. Det som gör sonokemin unik är det anmärkningsvärda fenomenet kavitation, som inom ett lokalt avgränsat utrymme i mikrobubblornas omgivning skapar extraordinära effekter genom växlande högtrycks- och lågtryckscykler, mycket stora temperaturskillnader, höga skjuvkrafter och vätskeströmning.

Fördelarna med sonokemiskt främjade organokatalytiska reaktioner

Ultraljudsbehandling används i allt större utsträckning inom organisk syntes och katalys eftersom sonokemiska effekter ger en avsevärd intensifiering av kemiska reaktioner. Särskilt jämfört med traditionella metoder (t.ex. uppvärmning och omrörning) är sonokemi effektivare, smidigare och möjlig att styra med hög precision. Ultraljudsbehandling och sonokemi erbjuder flera stora fördelar, såsom högre utbyten, högre renhet hos föreningarna och högre selektivitet, kortare reaktionstider, lägre kostnader samt enkel drift och hantering av det sonokemiska förfarandet. Dessa gynnsamma faktorer gör ultraljudsassisterade kemiska reaktioner inte bara effektivare och säkrare, utan också miljövänligare.
Många organiska reaktioner har visats ge högre utbyten på kortare reaktionstid och / eller under mildare betingelser när de utförs med ultraljudsbehandling.

Ultraljudsbehandling möjliggör enkla enreaktionskärlsreaktioner

Ultraljudsbehandling gör det möjligt att initiera flerkomponentsreaktioner som enreaktionskärlsreaktioner för syntes av strukturellt varierade föreningar. Sådana enreaktionskärlsreaktioner uppskattas för sin höga totala effektivitet och sin enkelhet, eftersom mellanprodukter inte behöver isoleras och renas.

Ultraljudsvågornas effekter på asymmetriska organokatalytiska reaktioner har framgångsrikt utnyttjats i olika reaktionstyper, däribland fasöverföringskatalys, Heckreaktioner, hydrogenering, Mannichreaktioner, Barbierreaktioner och Barbierliknande reaktioner, Diels–Alder-reaktioner, Suzukikoppling och Michaeladdition.

Hitta den idealiska ultraljudsapparaten för din organokatalytiska reaktion!

Hielscher Ultrasonics är din pålitliga partner när det gäller högpresterande ultraljudsutrustning av hög kvalitet. Hielscher utvecklar, tillverkar och distribuerar toppmoderna ultraljudssonder, reaktorer och kopphorn för sonokemiska tillämpningar. All utrustning tillverkas enligt ISO-certifierade förfaranden och med tysk precision för överlägsen kvalitet vid vårt huvudkontor i Teltow (nära Berlin), Tyskland.
Hielschers sortiment av ultraljudsapparater sträcker sig från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier till ultraljudsreaktorer för storskalig industriell kemikalietillverkning. Sonder (även kallade sonotroder, ultraljudshorn eller spetsar), förstärkningshorn och reaktorer finns lätt tillgängliga i många storlekar och geometrier. Även kundanpassade versioner kan tillverkas för dina behov.
Eftersom ultraljudsprocessorer från Hielscher Ultrasonics finns i alla storlekar, från små laboratorieapparater till stora industriella processorer för sats- och flödeskemi, kan högpresterande ultraljudsbehandling enkelt införas i vilken reaktionsuppställning som helst. Exakt inställning av ultraljudsamplituden – den viktigaste parametern för sonokemiska tillämpningar – gör det möjligt att använda Hielschers ultraljudsapparater vid låga till mycket höga amplituder och att finjustera amplituden exakt efter de ultraljudsprocessbetingelser som krävs för det specifika kemiska reaktionssystemet.
Hielschers ultraljudsgenerator har en smart programvara med automatisk dataloggning. Alla viktiga processparametrar, såsom ultraljudsenergi, temperatur, tryck och tid, lagras automatiskt på ett inbyggt SD-kort så snart apparaten slås på.
Processövervakning och dataregistrering är viktiga för fortlöpande processtandardisering och produktkvalitet. Genom att öppna de automatiskt registrerade processdata kan du granska tidigare ultraljudsbehandlingar och utvärdera resultatet.
En annan användarvänlig funktion är fjärrstyrningen av våra digitala ultraljudssystem via webbläsare. Med fjärrstyrning via webbläsare kan du starta, stoppa, justera och övervaka din ultraljudsprocessor på distans, var du än befinner dig.
Kontakta oss nu för att få veta mer om hur våra högpresterande ultraljudshomogenisatorer kan förbättra din organokatalytiska syntesreaktion!

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: