Sonokemiskt förbättrade Diels–Alder-reaktioner

Diels–Alder-reaktioner används i stor utsträckning vid kemiska synteser där bindningar mellan kolatomer måste bildas. Ultraljudsbehandling och dess sonokemiska effekter är mycket effektiva för att driva och främja Diels–Alder-reaktioner, vilket ger högre utbyten och avsevärt kortare reaktionstid och samtidigt ingår i miljövänlig grön kemi.

Sonokemiskt förbättrad Diels–Alder-reaktion för grön kemi

Diels–Alder-reaktioner är kemiska reaktioner där bindningar mellan kolatomer bildas. Diels–Alder-reaktionen klassificeras som en termiskt tillåten [4+2]-cykloaddition [_π4_s + _π2_s]. Eftersom ultraljudsassisterad organisk syntes är en grön och effektiv syntesväg som ökar reaktionshastigheter, utbyten och reaktionernas selektivitet, är ultraljudsbehandling en enkel och tillförlitlig teknik som används i stor utsträckning i laboratorier och industriell produktion. Den sonokemiskt främjade syntesvägen underlättar ofta organiska omvandlingar vid omgivningsbetingelser som annars kräver extrema temperatur- och tryckförhållanden, vilket bidrar till att spara energikostnader och gör den kemiska syntesen till ett säkrare förfarande.

Diels–Alder-reaktion med ultraljud och djupa eutektiska lösningsmedel

Djupa eutektiska lösningsmedel (DES) är lösningar av Lewis- eller Brønsted-syror och -baser som bildar en eutektisk blandning. Eftersom djupa eutektiska lösningsmedel inte är brandfarliga, har låga ångtryck och låg toxicitet och ofta framställs av naturliga föreningar, är de ett säkrare och mer miljövänligt lösningsmedelsalternativ. Ultraljudsbehandling och djupa eutektiska lösningsmedel är kända för att samverka synergistiskt och används därför både för kemisk syntes och vid ultraljudsextraktion. Användningen av djupa eutektiska lösningsmedel är även fördelaktig vid ultraljudsfrämjade Diels–Alder-reaktioner. Till exempel används ultraljudsbehandling för att främja Diels–Alder-reaktionen med N-etylmaleimid som dienofil, samtidigt som typen av dien varieras i djupa eutektiska lösningsmedel (DES), både vid konventionell uppvärmning och vid ultraljudsaktivering.
Användningen av ultraljudsaktivering i kombination med djupa eutektiska lösningsmedel visade sig vara fördelaktig och gav goda utbyten vid drastiskt förkortade reaktionstider.

Ultraljudsförbättrad Diels–Alder-reaktion.
reaktionsschema anpassat från Marullo et al., 2020

Allmänt förfarande för Diels–Alder-reaktion med DES och ultraljudsbehandling

Ultraljudsfrämjade Diels–Alder-reaktioner genomfördes genom att föra in ultraljudssonden (sonotroden / hornet) i reaktionskärlet. Vid användning av en ultraljudssond med en spetsdiameter på 0,5 cm var den nominella uteffekten 70 W. Reaktionerna utfördes vid 40°C med ultraljudsbehandling i pulsläge med cykler på 5 sekunder PÅ och 20 sekunder AV. Den ultraljudsintensifierade Diels–Alder-reaktionen gav goda utbyten på mycket kortare tid än utan ultraljud (70 min respektive 24 h för sonokemiska reaktioner och reaktioner utan ultraljud).
För att utvärdera energieffektiviteten hos den sonokemiskt intensifierade Diels–Alder-reaktionen jämfördes energiförbrukningen för Diels–Alder-reaktionen utan ultraljud med den ultraljudsfrämjade reaktionen. Beräkningarna gav en förbrukning på 35 094 kJ/g för reaktionen utan ultraljud respektive 28,4 kJ/g för den ultraljudsassisterade reaktionen (ultraljudshorn med en uteffekt på 70 W nettoenergi). Detta innebär en energibesparing på 99% för den sonokemiskt drivna Diels–Alder-reaktionen. Alla dessa observationer tyder starkt på att den kombinerade användningen av djupa eutektiska lösningsmedel (DES) och ultraljudsbestrålning är en effektiv och energibesparande metod för viktiga syntesprocesser som Diels–Alder-reaktionen. (Marullo et al., 2020)

Effekten av olika djupa eutektiska lösningsmedel i kombination med ultraljudsbehandling

De bästa resultaten för den ultraljudsfrämjade Diels–Alder-reaktionen uppnåddes när de djupa eutektiska lösningsmedlen [ChCl]:[Fru] och [TBACl]:[EG] användes som lösningsmedel. Användningen av [ChCl]:[Fru] och [TBACl]:[EG] som lösningsmedel gav betydande förkortningar av reaktionstiden och betydande förbättringar av utbytet (för [TBACl]:[EG] 73% och 87%, och för [ChCl]:[Fru] 23 och 75% utan ultraljud respektive under sonokemiska betingelser).
I vissa fall, nämligen när [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], och [AcChCl]:[EG] används som lösningsmedel, är utbytena jämförbara med dem som erhålls utan ultraljud, men den kemiska processens hastighet förbättras ändå drastiskt genom ultraljudsbehandling.
Ultraljudsbehandling fungerar mycket väl med viskösa lösningsmedel med lågt ångtryck, såsom jonvätskor (IL), eftersom dessa förhållanden underlättar uppkomsten av intensivare kavitationseffekter. Eftersom djupa eutektiska lösningsmedel har liknande fysikaliska egenskaper som jonvätskor lämpar de sig för användning tillsammans med ultraljudsbehandling. Samverkan mellan djupa eutektiska lösningsmedel (DES) och ultraljudsbehandling minskar Diels–Alder-reaktionens energibehov avsevärt. Betydande förkortningar av reaktionstiden från 24 h till 70 min kan observeras samtidigt som mycket goda utbyten erhålls. När det gäller processeffektivitet innebär detta att den kombinerade användningen av djupa eutektiska lösningsmedel (DES) och ultraljudsbehandling gör det möjligt att bearbeta en 10 gånger större materialmängd än utan ultraljud. (Marullo et al., 2020)

Diels–Alder-reaktion av oxabicykliska alkener med ultraljud

Wei och kollegor (2004) visade att den ultraljudsfrämjade Diels–Alder-reaktionen mellan substituerade furaner och reaktiva dienofiler såsom dimetylacetylendikarboxylat (DMAD) och dimetylmaleat gav funktionaliserade oxabicykliska alkener i goda utbyten. Den ultraljudsfrämjade regiospecifika Diels–Alder-cykloadditionen mellan 2-vinylsubstituerade furaner och DMAD gav funktionaliserade oxabicykliska alkener i gott utbyte.

Sonokemiskt förbättrade cykloadditionsreaktioner

Bravo och kollegor (2006) beskrev en serie sonokemiska cykloadditioner mellan antingen cyklopentadien eller 1,3-cyklohexadien och karbonyldienofiler i en imidazoliumbaserad jonvätska som reaktionsmedium. De visade att ultraljudsbehandling effektivt förbättrar dessa cykloadditionsreaktioner, vilket ger högre utbyten och/eller kortare reaktionstider jämfört med motsvarande reaktioner utan ultraljud. För enkla α,β-omättade dienofiler såsom metylvinylketon eller akrolein är effekterna av ultraljudsaktivering exempelvis tydliga. Metylvinylketon ger till exempel 89% utbyte inom 1 h med mild ultraljudsbehandling, medan reaktionen utan ultraljud endast gav 52% under samma reaktionstid.

Ultraljudsapparater i alla storlekar för sonokemiskt främjade Diels–Alder-reaktioner

Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljudshomogenisatorer av sondtyp och sonokemisk utrustning för integrering i kemiska system såsom syntes- och katalysreaktioner. Hielschers ultraljudsapparater används över hela världen som tillförlitliga verktyg för att främja, intensifiera, påskynda och förbättra kemiska reaktioner.
Hielscher Ultrasonics ultraljudsprocessorer finns i alla storlekar, från små laboratorieapparater till stora industriella processorer för tillämpningar inom satsvis kemi och flödeskemi. 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 processstandardisering och produktkvalitet. Genom att få tillgång till de automatiskt registrerade processdata kan du granska tidigare ultraljudsbehandlingar och utvärdera resultaten.
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 dina organiska syntesreaktioner såsom Diels–Alder-reaktioner, Mannich-reaktioner eller Michael-addition, bland många andra!

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: