Sonokemiskt förbättrade Diels-Alder reaktioner

Diels-Alder-reaktioner används ofta för kemiska synteser, där atomiska kol-kolbindningar måste bildas. Ultraljud och dess sonochemical effekter är mycket effektiva i att driva och främja Diels-Alder reaktioner som resulterar i högre avkastning, avsevärt minskad reaktionstid och samtidigt vara en del av miljövänlig grön kemi.

Sonokemiskt förbättrad Diels-Alder reaktion för grön kemi

Diels-Alder-reaktionerna är kemiska reaktioner, där bindningar mellan kolatomer bildas. Diels-Alder-reaktionen klassificeras som en termiskt tillåten [4+2] cycloaddition [_π4_S + _π2_S]. Eftersom ultraljudsassisterad organisk syntes är en grön och effektiv syntetisk väg, vilket förbättrar reaktionshastigheter, utbyten och selektiviteten hos reaktioner, är ultraljudsbehandling en enkel och pålitlig teknik som används i stor utsträckning i laboratorier och industriell produktion. Ofta underlättar den sonokemiskt främjade rutten organisk omvandling vid omgivningsförhållanden som annars kräver drastiska förhållanden för temperatur och tryck, vilket hjälper till att spara energikostnader och förvandlar den kemiska syntesen till ett sparförfarande.

Ultraljud Diels-Alder Reaktion med djupa eutectic lösningsmedel

Djupa eutekta lösningsmedel (DES) är lösningar av Lewis eller Brønsted syror och baser som bildar en eutectic blandning. Eftersom djupa eutectic lösningsmedel är icke-brandfarliga, har låga ångtryck och toxicitet, och ofta är gjorda av naturliga föreningar, är de en sparare, mer miljövänlig lösningsmedel alternativ. Ultraljud och djupa eutectic lösningsmedel är kända för att fungera synergistiskt tillsammans och används därför för kemisk syntes samt i ultraljud utvinning. Användningen av djupa eutectic lösningsmedel är fördelaktigt i ultraljud främjas Diels-Alder reaktioner också. Till exempel används ultraljudsbehandling för att främja Diels-Alder reaktionen med N-etylmaleimid som dienophile, ändra naturen av diene i djupa eutectic lösningsmedel (DES) under både konventionell uppvärmning och ultraljud aktivering.
Att använda ultraljud aktivering i kombination med djupa eutectic lösningsmedel visat sig fördelaktigt ge goda utbyten i drastiskt minskade reaktionstider.

Ultraljud förbättrade Diels−Alder reaktion.
system anpassat från Marullo m.fl., 2020

Allmänt förfarande för Diels-Alder Reaktion med HJÄLP AV DES och ultraljudsbehandling

Ultraljud-främjade Diels-Alder reaktioner utfördes genom att sätta ultraljud sonden (sonotrode / horn) i reaktion fartyget. Med hjälp av en ultraljud sond med 0,5 cm diameter spets, den nominella uteffekten var 70 W. Reaktioner utfördes vid 40°C tillämpa ultraljudsbehandling inpulse läge med 5 sek ON och 20 sek OFF cykler. Ultraljud intensifierade Diels-Alder reaktion gav goda utbyten på en mycket kortare tid än under tysta förhållanden (70 min och 24 h för sonochemical respektive tysta reaktioner).
För att utvärdera energieffektiviteten av sonochemically-intensifierade Diels-Alder reaktion, energiförbrukning för tyst och ultraljud-främjade Diels-Alder reaktion jämfördes. Beräkningarna gav en förbrukning på 35 094 kJ/g för den tysta reaktionen och 28,4 kJ/g för ultraljudsassisterad reaktion (ultraljudshorn med en effekt på 70 W nettoenergi). Detta resulterar i en 99% av energin sparad för den sonokemiskt drivna Diels-Alder reaktionen. Alla dessa observationer tyder starkt på att kombinerad användning av djupa eutectic lösningsmedel (DES) och ultraljud bestrålning är en effektiv och energibesparande metod för viktiga syntetiska processer som Diels-Alder reaktion. (Marullo m.fl., 2020)

Effekten av olika djupa eutectic lösningsmedel i kombination med ultraljudsbehandling

Bästa resultat för ultraljud-främjade Diels-Alder reaktion uppnåddes, när de djupa eutectic lösningsmedel [ChCl]:[Fru] och [TBACl]:[EG] används som lösningsmedel. Användning av [ChCl]:[Fru] och [TBACl]:[EG] som lösningsmedel gav betydande minskningar av reaktionstiden samt betydande förbättringar av avkastningen (för [TBACl]:[EG] 73% respektive 87%, och för [ChCl]:[Fru] 23 respektive 75% under tysta respektive sonokemiska förhållanden).
I vissa fall, nämligen när [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], och [AcChCl]:[EG] används som lösningsmedel, är avkastningen jämförbar med dem som erhålls under tysta förhållanden, men den kemiska processens hastighet förbättras fortfarande drastiskt genom ultraljudsbehandling.
Ultraljudsbehandling fungerar mycket bra med lågt ångtryck och trögflytande lösningsmedel som joniska vätskor (ILs) eftersom dessa villkor underlättar generering av mer inetnse kavitation effekter. Eftersom djupa eutectic lösningsmedel har liknande fysiska egenskaper som joniska vätskor, de kan användas lämpligt i samband med ultraljud. Det kombinerade samspelet mellan djupa eutectic lösningsmedel (DES) och ultraljudsbehandling minskar avsevärt den energiska efterfrågan på Diels-Alder reaktion. Betydande minskningar av reaktionstiden från 24 h till 70 min kan observeras samtidigt som mycket bra avkastning ges. När det gäller processeffektivitet innebär detta att kombinerad användning av djupa eutectic lösningsmedel (DES) och ultraljud gör det möjligt att bearbeta en mängd material 10 gånger högre än under tysta förhållanden. (Marullo m.fl., 2020)

Ultraljud Diels-Alder reaktion av oxabicyclic Alkenes

Wei och kollegor (2004) visade att ultraljud främjade Diels-Alder reaktionen av ersatt furans med reaktiva dienophiles såsom dimetyl acetylendikarboxylat (DMAD) och dimetyl malet ges funktionella oxabicyclic alkenes i god avkastning. Ultraljud-främjade reaktionen av regiospecific furano Diels-Alder cycloaddition av 2-vinylic furans med DMAD möblerade funktionella oxabicyclic alkenes i god avkastning.

Sonokemiskt förbättrade cycloadditionreaktioner

Bravo och kollegor (2006) beskrev en serie sonokemiska cycloadditions som omfattar antingen cyclopentadiene eller 1,3-cyclohexadiene med karbonyl dienophiles i en imidazolium-baserad jonisk vätska som reaktionsmedium. De visade att ultraljud förbättrar effektivt dessa cycloaddition reaktioner som resulterar i högre utbyten och/eller minskade reaktionstider jämfört med motsvarande tysta reaktioner. Till exempel, för α β- omättade dienophiles som metyl vinyl keton eller acrolein effekterna av ultraljud aktivering är uppenbara. Till exempel ger metyl vinylketon upphov till 89% utbyte inom 1 h mild ultraljudsbehandling, medan den tysta reaktionen gav endast 52% inom samma reaktionstid.

Ultraljud i alla storlekar för sonokemiskt främjade Diels-Alder reaktioner

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högpresterande ultraljud sond-typ homogenisatorer och sonokemisk utrustning för integration i kemiska system såsom syntes och katalys reaktioner. Hielscher ultrasonicators används över hela världen som pålitliga verktyg för att främja, intensifiera, påskynda och förbättra kemiska reaktioner.
Hielscher Ultrasonics’ ultraljud processorer är tillgängliga i alla storlekar från små labb enheter till stora industriella processorer för batch och flöde kemi applikationer. 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 organiska syntes reaktion såsom Diels-Alder reaktioner, Mannich reaktioner eller Michael tillägg bland många andra!

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