Ultraljudsinducerad och ultraljudsförstärkt fasöverföringskatalys

Ultraljud med hög effekt är välkänt för sitt bidrag till olika kemiska reaktioner. Detta kallas sonokemi. Heterogena reaktioner – och särskilt fasöverföringsreaktioner – är mycket lovande tillämpningsområden för högeffektsultraljud. Den mekaniska och sonokemiska energi som tillförs reagenserna kan initiera reaktioner, öka reaktionshastigheten avsevärt och möjliggöra högre omsättningsgrader, högre utbyten och bättre produkter. Ultraljudets linjära skalbarhet och tillgången till tillförlitlig industriell ultraljudsutrustning gör denna teknik till en intressant lösning för kemisk produktion.

Fasöverföringskatalys

Fasöverföringskatalys (PTC) är en särskild form av heterogen katalys och är känd som en praktisk metod för organisk syntes. Genom att använda en fasöverföringskatalysator blir det möjligt att lösa upp joniska reaktanter, som ofta är lösliga i en vattenfas men olösliga i en organisk fas. Detta innebär att PTC är en alternativ lösning för att övervinna heterogenitetsproblemet i en reaktion där växelverkan mellan två ämnen i olika faser av en blandning hindras av att reagenserna inte kan komma i kontakt med varandra. (Esen et al. 2010) Allmänna fördelar med fasöverföringskatalys är det begränsade förberedelsearbetet, enkla experimentella förfaranden, milda reaktionsbetingelser, höga reaktionshastigheter, hög selektivitet samt användningen av billiga och miljömässigt skonsamma reagenser, såsom kvartära ammoniumsalter, och lösningsmedel, liksom möjligheten att genomföra storskaliga synteser (Ooi et al. 2007).
En rad vätska–vätska- och vätska–fastfasreaktioner har intensifierats och gjorts selektiva med hjälp av enkla fasöverföringskatalysatorer (PT), såsom kvartära ammoniumföreningar, polyetylenglykol-400 osv., som gör det möjligt att transportera joniska species från vattenfasen till den organiska fasen. Därmed kan problemen med de organiska reaktanternas extremt låga löslighet i vattenfasen övervinnas. Inom bekämpningsmedels- och läkemedelsindustrin används PTC i stor utsträckning och har förändrat verksamhetens grundförutsättningar. (Sharma 2002)

Högeffektsultraljud

Användning av högeffektsultraljud är en välkänd metod för att skapa extremt finfördelade emulsioner. Inom kemin används sådana extremt finfördelade emulsioner för att förstärka kemiska reaktioner. Detta innebär att kontaktytan vid fasgränsen mellan två eller flera oblandbara vätskor ökar dramatiskt och därmed ger ett bättre, mer fullständigt och/eller snabbare reaktionsförlopp.
För fasöverföringskatalys – liksom för andra kemiska reaktioner – behövs tillräcklig kinetisk energi för att starta reaktionen.
Detta har flera positiva effekter på den kemiska reaktionen:

• En kemisk reaktion som normalt inte sker på grund av sin låga kinetiska energi kan startas genom ultraljudsbehandling.
• Kemiska reaktioner kan påskyndas genom ultraljudsassisterad PTC.
• Fullständigt undvikande av fasöverföringskatalysator.
• Råvaror kan användas effektivare.
• Biprodukter kan minskas.
• Ersättning av en kostsam, farlig stark bas med en billig oorganisk bas.

Genom dessa effekter är PTC en ovärderlig kemisk metod för organisk syntes med två eller flera oblandbara reaktanter: Fasöverföringskatalys (PTC) gör det möjligt att använda råvaror i kemiska processer effektivare och att producera mer kostnadseffektivt. Förstärkning av kemiska reaktioner genom PTC är ett viktigt verktyg för kemisk produktion som kan förbättras dramatiskt genom användning av ultraljud.

Exempel på ultraljudsfrämjade PTC-reaktioner

• Syntes av nya N’-(4,6-disubstituerad-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)tioureaderivat med PEG-400 under ultraljudsbehandling. (Ken et al. 2005)
• Den ultraljudsassisterade syntesen av mandelsyra genom PTC i jonvätska visar en betydande ökning av reaktionsutbytet under omgivningsbetingelser. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) rapporterar om ultraljudsassisterad C-alkylering av fenylacetonitril i en lösningsmedelsfri miljö. Ultraljudets reaktionsfrämjande effekt tillskrevs den extremt stora gränsytan mellan de två vätskefaserna. Ultraljudsbehandling ger en mycket högre reaktionshastighet än mekanisk blandning.
• Ultraljudsbehandling under reaktionen mellan koltetraklorid och magnesium för framställning av diklorkarben ger ett högre utbyte av gem-diklorcyklopropan i närvaro av olefiner. (Lin et al. 2003)
• Ultraljud accelererar Cannizzaro-reaktionen för p-klorbensaldehyd under fasöverföringsbetingelser. Av tre fasöverföringskatalysatorer – bensyltrietylammoniumklorid (TEBA), Aliquat och 18-krona-6 – som testades av Polácková et al. (1996) visade sig TEBA vara den mest effektiva. Ferrocenkarbaldehyd och p-dimetylaminobensaldehyd gav under liknande betingelser 1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-oner som huvudprodukt.
• Lin-Xiao et al. (1987) har visat att kombinationen av ultraljudsbehandling och PTC effektivt främjar bildningen av diklorkarben från kloroform på kortare tid med bättre utbyte och mindre mängd katalysator.
• Yang et al. (2012) har undersökt den gröna, ultraljudsassisterade syntesen av bensyl-4-hydroxibensoat med 4,4′-bis(tributylammoniometyl)-1,1′-bifenyldiklorid (QCl₂) som katalysator. Genom att använda QCl₂ har de utvecklat en ny fasöverföringskatalys med två aktiva centra. Denna fasöverföringskatalys mellan fast fas och vätskefas (SLPTC) har genomförts som en satsvis process med ultraljudsbehandling. Under intensiv ultraljudsbehandling har 33% av det tillsatta Q2+ som innehåller 45,2% Q(Ph(OH)COO)₂ överförts till den organiska fasen för att reagera med bensylbromid, vilket ökade den totala reaktionshastigheten. Denna förbättrade reaktionshastighet uppgick till 0,106 min^-1 vid ultraljudsbestrålning med 300W, medan en hastighet på 0,0563 min^-1 observerades utan ultraljudsbehandling. Därmed har den synergistiska effekten av en fasöverföringskatalysator med två aktiva centra i kombination med ultraljud vid fasöverföringskatalys påvisats.

Ultraljudsförstärkning av asymmetrisk fasöverföringsreaktion

I syfte att etablera en praktisk metod för asymmetrisk syntes av a-aminosyror och deras derivat undersökte Maruoka och Ooi (2007) ”om reaktiviteten hos N-spirokirala kvartära ammoniumsalter kunde ökas och deras strukturer förenklas. Eftersom ultraljudsbestrålning ger homogenisering, det vill säga mycket fina emulsioner, ökar den kraftigt den gränsyta där reaktionen kan ske, vilket skulle kunna ge en avsevärd ökning av hastigheten hos fasöverföringsreaktioner mellan vätskefaser. Ultraljudsbehandling av reaktionsblandningen av 2, metyljodid och (S,S)-naftylunderenheten (1 mol%) i toluen/50% vattenlösning av KOH vid 0 degC under 1 h gav faktiskt motsvarande alkyleringsprodukt med 63% utbyte och 88%ee; det kemiska utbytet och enantioselektiviteten var jämförbara med dem från en reaktion som genomfördes med enkel omrörning av blandningen under åtta timmar (0 degC, 64%, 90%ee).” (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

En annan reaktionstyp inom asymmetrisk katalys är Michael-reaktionen. Michael-additionen av dietyl N-acetylaminomalonat till chalkon påverkas positivt av ultraljudsbehandling, vilket ger ett ökat utbyte med 12% (från 72% vid reaktionen utan ultraljud upp till 82% vid ultraljudsbehandling). Reaktionen går sex gånger snabbare med högeffektsultraljud jämfört med reaktionen utan ultraljud. Enantiomeröverskottet (ee) har inte förändrats och var för båda reaktionerna – med och utan ultraljud – 40%ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) visade att Michaelreaktionen mellan chalkoner som acceptorer och olika aktiva metylenföreningar som dietylmalonat, nitrometan, cyklohexanon, etylacetoacetat och acetylaceton som donatorer, katalyserad av KF/basisk aluminiumoxid, ger addukter med högt utbyte på kortare tid vid ultraljudsbestrålning. I en annan studie har Li et al. (2002) visat framgångsrik ultraljudsassisterad syntes av chalkoner katalyserad av KF-Al₂O₃.
Dessa PTC-reaktioner ovan visar endast en liten del av ultraljudsbestrålningens potential och möjligheter.
Det är mycket enkelt att testa och utvärdera ultraljud med avseende på möjliga förbättringar av PTC. Ultraljudsapparater för laboratorier som Hielschers UP200Ht (200 watt) och bänksystem som Hielschers UIP1000hd (1000 watt) möjliggör inledande försök. (se bild 1 och 2)

Effektiv produktion som konkurrerar på kemikaliemarknaden

Med ultraljudsassisterad fasöverföringskatalys får du en eller flera av följande fördelar:

• initiering av reaktioner som annars inte är genomförbara
• ökat utbyte
• minskad användning av dyra, vattenfria, aprotiska lösningsmedel
• kortare reaktionstid
• lägre reaktionstemperaturer
• förenklad beredning
• användning av alkalimetall i vattenlösning i stället för alkalimetallalkoxider, natriumamid, natriumhydrid eller metalliskt natrium
• användning av billigare råvaror, särskilt oxidationsmedel
• förskjutning av selektiviteten
• förändring av produktförhållanden (t.ex. O-/C-alkylering)
• förenklad isolering och rening
• ökat utbyte genom att undertrycka sidoreaktioner
• enkel, linjär uppskalning till industriell produktionsnivå, även vid mycket hög genomströmning