ปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์และส่งเสริมด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิก

ในเคมีอินทรีย์ การเร่งปฏิกิริยาด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์เป็นรูปแบบหนึ่งของการเร่งปฏิกิริยาที่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ “ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์” นี้ประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน กำมะถัน และธาตุอโลหะอื่น ๆ ที่พบในสารประกอบอินทรีย์ การประยุกต์ใช้คลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูงกับระบบเคมีเรียกว่าโซโนเคมี และเป็นเทคนิคที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในการเพิ่มผลได้ ปรับปรุงอัตราการเกิดปฏิกิริยา และเร่งความเร็วของปฏิกิริยา การใช้คลื่นอัลตราโซนิกมักช่วยให้สามารถเปลี่ยนวิถีปฏิกิริยาเคมีเพื่อหลีกเลี่ยงผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่ไม่ต้องการ โซโนเคมีสามารถส่งเสริมปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ให้มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

การเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตรด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ – ปรับปรุงด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิก

โซโนเคมี ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้คลื่นอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงกับระบบเคมี สามารถปรับปรุงปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ได้อย่างมีนัยสำคัญ การเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตรด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ร่วมกับการใช้คลื่นอัลตราโซนิกมักช่วยเปลี่ยนการเร่งปฏิกิริยาด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ให้เป็นวิถีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น จึงจัดอยู่ในขอบเขตของเคมีสีเขียว การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ (แบบอสมมาตร) และทำให้ได้ผลได้สูงขึ้น อัตราการเปลี่ยนสารเร็วขึ้น การแยก/การทำผลิตภัณฑ์ให้บริสุทธิ์ง่ายขึ้น รวมถึงความเลือกจำเพาะและความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาที่ดีขึ้น นอกจากช่วยปรับปรุงจลนพลศาสตร์และผลได้ของปฏิกิริยาแล้ว การใช้คลื่นอัลตราโซนิกยังมักสามารถใช้ร่วมกับตัวทำละลายสำหรับปฏิกิริยาที่ส่งเสริมความยั่งยืน เช่น ของเหลวไอออนิก ตัวทำละลายยูเทกติกเชิงลึก ตัวทำละลายที่อ่อนโยนและไม่เป็นพิษ และน้ำ ดังนั้น โซโนเคมีจึงไม่เพียงปรับปรุงตัวปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ (แบบอสมมาตร) เท่านั้น แต่ยังช่วยส่งเสริมความยั่งยืนของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ด้วย

งานวิจัยแสดงให้เห็นตัวอย่างมากมายของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ซึ่งได้รับการเพิ่มความเข้มข้นด้วยโซโนเคมี ตัวอย่างเช่น มีการใช้โมเลกุล DNA สายคู่เป็นโครงไครัลเพื่อประกอบตัวเร่งปฏิกิริยาลูกผสมระหว่างโลหะกับชีวโมเลกุลขนาดใหญ่สำหรับปฏิกิริยาสังเคราะห์แบบอสมมาตร ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ G-quadruplex DNA เป็นฐานได้รับการประยุกต์ใช้ในปฏิกิริยาการเติมแบบ Michael แบบอสมมาตร ปฏิกิริยา Diels-Alder และปฏิกิริยา Friedel-Crafts (เทียบกับ Zhao และ Shen, 2018)
สำหรับปฏิกิริยาที่ส่งเสริมด้วย inidium การใช้คลื่นอัลตราโซนิกให้ผลดี เนื่องจากปฏิกิริยาที่ขับเคลื่อนด้วยโซโนเคมีดำเนินไปภายใต้สภาวะที่อ่อนโยนกว่า จึงยังคงรักษาความเลือกจำเพาะต่อไดแอสเทอริโอเมอร์ในระดับสูงได้ การใช้วิถีโซโนเคมีให้ผลลัพธ์ที่ดีในการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรต β-lactam, กรด β-amino และ spirodiketopiperazines จากแลกโทนของน้ำตาลด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ รวมถึงปฏิกิริยาการเติมหมู่แอลลิลและปฏิกิริยา Reformatsky กับ oxime ethers

การสังเคราะห์ยาด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ที่ส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

Rogozińska-Szymczak และ Mlynarski (2014) รายงานปฏิกิริยาการเติมแบบ Michael แบบอสมมาตรของ 4-hydroxycoumarin กับคีโตนไม่อิ่มตัวที่ตำแหน่ง α,β บนผิวน้ำโดยไม่ใช้ตัวทำละลายร่วมอินทรีย์ – เร่งปฏิกิริยาด้วยเอมีนปฐมภูมิอินทรีย์และการใช้คลื่นอัลตราโซนิก การใช้ (S,S)-diphenylethylenediamine ที่บริสุทธิ์เชิงเอนแอนทิโอเมอร์ให้สารประกอบสำคัญที่มีฤทธิ์ทางเภสัชกรรมหลายชนิด โดยมีผลได้ในระดับดีถึงดีเยี่ยม (73–98%) และมีความเลือกจำเพาะต่อเอนแอนทิโอเมอร์ที่ดี (สูงถึง 76% ee) ผ่านปฏิกิริยาที่เร่งด้วยคลื่นอัลตราโซนิก นักวิจัยนำเสนอขั้นตอนโซโนเคมีที่มีประสิทธิภาพสำหรับการสร้าง warfarin ซึ่งเป็นสารต้านการแข็งตัวของเลือด ในเอนแอนทิโอเมอร์ทั้งสองรูปแบบ โดยใช้ระบบ ‘ของแข็งบนผิวน้ำ’ ปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมนี้ไม่เพียงสามารถขยายขนาดได้ แต่ยังให้โมเลกุลยาเป้าหมายในรูปแบบที่บริสุทธิ์เชิงเอนแอนทิโอเมอร์ด้วย

การเกิดอีพอกไซด์ของเทอร์พีนด้วยโซโนเคมี

Charbonneau และคณะ (2018) แสดงให้เห็นการเกิดอีพอกไซด์ของเทอร์พีนที่ประสบความสำเร็จภายใต้การใช้คลื่นอัลตราโซนิก การเกิดอีพอกไซด์แบบดั้งเดิมจำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา แต่เมื่อใช้คลื่นอัลตราโซนิก การเกิดอีพอกไซด์จะดำเนินไปเป็นปฏิกิริยาที่ปราศจากตัวเร่งปฏิกิริยา
Limonene dioxide เป็นโมเลกุลสารมัธยันตร์สำคัญสำหรับการพัฒนาพอลิคาร์บอเนตชีวฐานหรือพอลิยูรีเทนที่ไม่ใช้ไอโซไซยาเนต การใช้คลื่นอัลตราโซนิกทำให้เทอร์พีนเกิดอีพอกไซด์ได้โดยไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาภายในเวลาปฏิกิริยาที่สั้นมาก – พร้อมให้ผลได้ดีมาก เพื่อแสดงประสิทธิผลของการเกิดอีพอกไซด์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ทีมวิจัยได้เปรียบเทียบการเกิดอีพอกไซด์ของ limonene เป็น limonene dioxide โดยใช้ dimethyl dioxirane ที่สร้างขึ้นในระบบปฏิกิริยาเป็นสารออกซิไดซ์ ทั้งภายใต้การกวนแบบดั้งเดิมและการใช้คลื่นอัลตราโซนิก ในการทดลองใช้คลื่นอัลตราโซนิกทั้งหมด ได้ใช้ เครื่องอัลตราโซนิกสำหรับห้องปฏิบัติการ Hielscher UP50H (50W, 30kHz) เป็นอุปกรณ์ในการทดลอง

เวลาที่ใช้ในการเปลี่ยน limonene เป็น limonene dioxide อย่างสมบูรณ์โดยมีผลได้ 100% ภายใต้การใช้คลื่นอัลตราโซนิกมีเพียง 4.5 min ที่อุณหภูมิห้อง เมื่อเปรียบเทียบกัน การกวนแบบดั้งเดิมด้วยเครื่องกวนแม่เหล็กต้องใช้เวลา 1.5 h เพื่อให้ได้ limonene dioxide ที่ผลได้ 97% นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาการเกิดอีพอกไซด์ของ α-pinene โดยใช้เทคนิคการกวนทั้งสองแบบ การเกิดอีพอกไซด์ของ α-pinene เป็น α-pinene oxide ภายใต้การใช้คลื่นอัลตราโซนิกใช้เวลาเพียง 4 min โดยได้ผลได้ 100% ขณะที่วิธีดั้งเดิมใช้เวลาปฏิกิริยา 60 min สำหรับเทอร์พีนชนิดอื่น β-pinene ถูกเปลี่ยนเป็น β-pinene oxide ภายในเวลาเพียง 4 min ขณะที่ farnesol ให้ triepoxide ที่ผลได้ 100% ภายใน 8 min ส่วน carveol ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของ limonene ถูกเปลี่ยนเป็น carveol dioxide ที่ผลได้ 98% ในปฏิกิริยาการเกิดอีพอกไซด์ของ carvone โดยใช้ dimethyl dioxirane อัตราการเปลี่ยนสารเท่ากับ 100% ภายใน 5 min โดยผลิต 7,8-carvone oxide
ข้อได้เปรียบหลักของการเกิดอีพอกไซด์ของเทอร์พีนด้วยโซโนเคมีคือคุณสมบัติที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมของสารออกซิไดซ์ (เคมีสีเขียว) รวมถึงเวลาปฏิกิริยาที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อดำเนินการออกซิเดชันนี้ภายใต้การกวนด้วยคลื่นอัลตราโซนิก วิธีการเกิดอีพอกไซด์นี้ทำให้เปลี่ยน limonene ได้ 100% โดยมีผลได้ของ limonene dioxide 100% ภายในเวลาเพียง 4.5 min เทียบกับ 90 min เมื่อใช้การกวนแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ ไม่พบผลิตภัณฑ์ออกซิเดชันของ limonene เช่น carvone, carveol และ perrilyl alcohol ในตัวกลางปฏิกิริยา การเกิดอีพอกไซด์ของ α-pinene ภายใต้คลื่นอัลตราโซนิกใช้เวลาเพียง 4 min โดยให้ α-pinene oxide ที่ผลได้ 100% โดยไม่มีการออกซิเดชันของวงแหวน เทอร์พีนชนิดอื่น เช่น β-pinene, farnesol และ carveol ก็ได้รับการออกซิไดซ์เช่นกัน โดยให้ผลได้ของอีพอกไซด์สูงมาก

ผลของโซโนเคมี

มีการใช้ขั้นตอนที่อาศัยโซโนเคมีเป็นทางเลือกแทนวิธีดั้งเดิม เพื่อเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาหลากหลายชนิด ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ภายใต้สภาวะที่อ่อนโยนกว่าและลดเวลาปฏิกิริยาได้อย่างมีนัยสำคัญ วิธีเหล่านี้ได้รับการอธิบายว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีความยั่งยืนมากกว่า ทั้งยังสัมพันธ์กับความเลือกจำเพาะที่สูงขึ้นและการใช้พลังงานที่ต่ำลงสำหรับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ต้องการ กลไกของวิธีเหล่านี้อาศัยปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง ซึ่งก่อให้เกิดสภาวะความดันและอุณหภูมิที่มีลักษณะเฉพาะผ่านการก่อตัว การเติบโต และการยุบตัวแบบแอเดียแบติกของฟองในตัวกลางของเหลว ผลนี้ช่วยปรับปรุงการถ่ายเทมวลและเพิ่มการไหลแบบปั่นป่วนในของเหลว จึงเอื้อต่อการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ในการศึกษาของเรา การใช้คลื่นอัลตราโซนิกทำให้ผลิตสารประกอบได้โดยใช้เวลาปฏิกิริยาน้อยลง พร้อมให้ผลได้และความบริสุทธิ์สูง คุณลักษณะดังกล่าวทำให้จำนวนสารประกอบที่ได้รับการประเมินในแบบจำลองทางเภสัชวิทยาเพิ่มขึ้น จึงช่วยเร่งกระบวนการปรับสารที่แสดงฤทธิ์เบื้องต้นให้เป็นสารนำในการพัฒนายา
การป้อนพลังงานสูงนี้ไม่เพียงสามารถเพิ่มผลทางกลในกระบวนการวิวิธพันธุ์ได้เท่านั้น แต่ยังเป็นที่ทราบกันว่าสามารถกระตุ้นความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาแบบใหม่ ซึ่งนำไปสู่การเกิดชนิดสารเคมีที่ไม่คาดคิด สิ่งที่ทำให้โซโนเคมีมีลักษณะเฉพาะคือปรากฏการณ์คาวิเทชันอันโดดเด่น ซึ่งก่อให้เกิดผลพิเศษภายในพื้นที่จำกัดเฉพาะจุดของสภาพแวดล้อมฟองขนาดไมโคร อันเนื่องมาจากวัฏจักรความดันสูง / ความดันต่ำที่สลับกัน ความแตกต่างของอุณหภูมิที่สูงมาก แรงเฉือนสูง และการไหลของของเหลว

ข้อได้เปรียบของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์และส่งเสริมด้วยโซโนเคมี

มีการใช้คลื่นอัลตราโซนิกในการสังเคราะห์สารอินทรีย์และการเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากผลของโซโนเคมีแสดงให้เห็นการเพิ่มความเข้มข้นของปฏิกิริยาเคมีอย่างมาก โดยเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีดั้งเดิม (เช่น การให้ความร้อน การกวน) โซโนเคมีมีประสิทธิภาพสูงกว่า สะดวกกว่า และควบคุมได้อย่างแม่นยำ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกและโซโนเคมีให้ข้อได้เปรียบสำคัญหลายประการ เช่น ผลได้สูงขึ้น ความบริสุทธิ์ของสารประกอบและความเลือกจำเพาะเพิ่มขึ้น เวลาปฏิกิริยาสั้นลง ต้นทุนต่ำลง รวมถึงความเรียบง่ายในการดำเนินการและจัดการขั้นตอนโซโนเคมี ปัจจัยที่เป็นประโยชน์เหล่านี้ทำให้ปฏิกิริยาเคมีที่มีคลื่นอัลตราโซนิกช่วยไม่เพียงมีประสิทธิผลและปลอดภัยมากขึ้น แต่ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นด้วย
ปฏิกิริยาอินทรีย์จำนวนมากได้รับการพิสูจน์แล้วว่าให้ผลได้สูงขึ้นในเวลาปฏิกิริยาที่สั้นลง และ / หรือภายใต้สภาวะที่อ่อนโยนกว่าเมื่อดำเนินการโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิก

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้ทำปฏิกิริยาในภาชนะเดียวได้อย่างง่ายดาย

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้เริ่มปฏิกิริยาหลายองค์ประกอบในรูปแบบปฏิกิริยาในภาชนะเดียว เพื่อสังเคราะห์สารประกอบที่มีโครงสร้างหลากหลาย ปฏิกิริยาในภาชนะเดียวเช่นนี้ได้รับการยอมรับว่ามีประสิทธิภาพโดยรวมสูงและเรียบง่าย เนื่องจากไม่จำเป็นต้องแยกและทำสารมัธยันตร์ให้บริสุทธิ์

ผลของคลื่นอัลตราโซนิกต่อปฏิกิริยาแบบอสมมาตรที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ได้รับการประยุกต์ใช้อย่างประสบความสำเร็จในปฏิกิริยาหลายประเภท รวมถึงการเร่งปฏิกิริยาแบบถ่ายโอนเฟส ปฏิกิริยา Heck การเติมไฮโดรเจน ปฏิกิริยา Mannich ปฏิกิริยา Barbier และปฏิกิริยาที่คล้าย Barbier ปฏิกิริยา Diels-Alder ปฏิกิริยาควบคู่ Suzuki และปฏิกิริยาการเติมแบบ Michael

ค้นหาเครื่องอัลตราโซนิกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยาที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ของคุณ!

Hielscher Ultrasonics คือพันธมิตรที่คุณไว้วางใจได้ในด้านอุปกรณ์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงและคุณภาพสูง Hielscher ออกแบบ ผลิต และจัดจำหน่ายหัวโพรบอัลตราโซนิก เครื่องปฏิกรณ์ และฮอร์นแบบถ้วยที่ทันสมัยสำหรับการประยุกต์ใช้งานโซโนเคมี อุปกรณ์ทั้งหมดผลิตภายใต้ขั้นตอนที่ได้รับการรับรอง ISO และด้วยความแม่นยำแบบเยอรมันเพื่อคุณภาพที่เหนือกว่า ณ สำนักงานใหญ่ของเราใน Teltow (ใกล้เบอร์ลิน) ประเทศเยอรมนี
กลุ่มผลิตภัณฑ์เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher ครอบคลุมตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกขนาดกะทัดรัดสำหรับห้องปฏิบัติการไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสำหรับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบเพื่อการผลิตสารเคมีขนาดใหญ่ หัวโพรบ (หรือที่เรียกว่าโซโนโทรด ฮอร์นอัลตราโซนิก หรือหัวทิป) ฮอร์นเพิ่มแอมพลิจูด และเครื่องปฏิกรณ์มีพร้อมให้เลือกในหลากหลายขนาดและรูปทรง อีกทั้งยังสามารถผลิตรุ่นเฉพาะตามความต้องการของคุณได้ด้วย
เนื่องจากเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของ Hielscher Ultrasonics มีให้เลือกทุกขนาด ตั้งแต่อุปกรณ์ขนาดเล็กสำหรับห้องปฏิบัติการไปจนถึงเครื่องประมวลผลขนาดใหญ่สำหรับอุตสาหกรรมเพื่อการประยุกต์ใช้งานเคมีแบบแบตช์และแบบไหล จึงสามารถนำการใช้คลื่นอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงมาใช้กับชุดอุปกรณ์ปฏิกิริยาใด ๆ ได้อย่างง่ายดาย การปรับแอมพลิจูดของคลื่นอัลตราโซนิกอย่างแม่นยำ – ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดสำหรับการประยุกต์ใช้งานโซโนเคมี – ช่วยให้ใช้งานเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher ได้ตั้งแต่แอมพลิจูดต่ำไปจนถึงสูงมาก และปรับแอมพลิจูดอย่างละเอียดให้ตรงกับสภาวะกระบวนการอัลตราโซนิกที่จำเป็นสำหรับระบบปฏิกิริยาเคมีเฉพาะได้อย่างแม่นยำ
เครื่องกำเนิดอัลตราโซนิกของ Hielscher มีซอฟต์แวร์อัจฉริยะที่บันทึกข้อมูลโดยอัตโนมัติ พารามิเตอร์สำคัญทั้งหมดของกระบวนการ เช่น พลังงานอัลตราโซนิก อุณหภูมิ ความดัน และเวลา จะได้รับการบันทึกลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งอยู่ภายในโดยอัตโนมัติทันทีที่เปิดอุปกรณ์
การติดตามกระบวนการและการบันทึกข้อมูลมีความสำคัญต่อการรักษามาตรฐานกระบวนการอย่างต่อเนื่องและคุณภาพผลิตภัณฑ์ การเข้าถึงข้อมูลกระบวนการที่บันทึกโดยอัตโนมัติช่วยให้คุณสามารถทบทวนการใช้คลื่นอัลตราโซนิกครั้งก่อน ๆ และประเมินผลลัพธ์ได้
อีกคุณสมบัติหนึ่งที่ใช้งานง่ายคือการควบคุมระบบอัลตราโซนิกดิจิทัลของเราจากระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ การควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ช่วยให้คุณเริ่ม หยุด ปรับ และติดตามเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของคุณจากระยะไกลได้จากทุกที่
ติดต่อเราตอนนี้เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมว่าเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงของเราสามารถปรับปรุงปฏิกิริยาสังเคราะห์ที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ของคุณได้อย่างไร!

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: