ปฏิกิริยา Diels-Alder ที่ปรับปรุงด้วยโซโนเคมี

ปฏิกิริยา Diels-Alder ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์ทางเคมีที่ต้องสร้างพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอนกับคาร์บอน การใช้คลื่นอัลตราโซนิกและผลทางโซโนเคมีของคลื่นมีประสิทธิผลสูงในการขับเคลื่อนและส่งเสริมปฏิกิริยา Diels-Alder ทำให้ได้ผลได้สูงขึ้น ลดเวลาปฏิกิริยาลงอย่างมีนัยสำคัญ และในขณะเดียวกันก็เป็นส่วนหนึ่งของเคมีสีเขียวที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ปฏิกิริยา Diels-Alder ที่เสริมประสิทธิภาพด้วยโซโนเคมีสำหรับเคมีสีเขียว

ปฏิกิริยา Diels-Alder เป็นปฏิกิริยาเคมีที่สร้างพันธะระหว่างอะตอมคาร์บอน ปฏิกิริยา Diels-Alder จัดเป็นปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน [4+2] ที่เกิดได้ตามกฎการอนุรักษ์สมมาตรของออร์บิทัลภายใต้การกระตุ้นด้วยความร้อน [_π4_s + _π2_s]. เนื่องจากการสังเคราะห์สารอินทรีย์โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยเป็นแนวทางการสังเคราะห์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพ ซึ่งเพิ่มอัตราปฏิกิริยา ผลได้ และความเลือกจำเพาะของปฏิกิริยา การใช้คลื่นอัลตราโซนิกจึงเป็นเทคนิคที่เรียบง่ายและเชื่อถือได้ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการและการผลิตระดับอุตสาหกรรม บ่อยครั้งที่แนวทางซึ่งส่งเสริมด้วยโซโนเคมีช่วยให้การเปลี่ยนแปลงสารอินทรีย์เกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะแวดล้อมทั่วไป ทั้งที่หากไม่ใช้แนวทางนี้จะต้องอาศัยสภาวะอุณหภูมิและความดันที่รุนแรง จึงช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานและทำให้การสังเคราะห์ทางเคมีเป็นกระบวนการที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น

ปฏิกิริยา Diels-Alder ด้วยคลื่นอัลตราโซนิกโดยใช้ตัวทำละลายดีปยูเทกติก

ตัวทำละลายดีปยูเทกติก (DES) เป็นสารละลายของกรดและเบสแบบ Lewis หรือ Brønsted ที่ก่อให้เกิดของผสมยูเทกติก เนื่องจากตัวทำละลายดีปยูเทกติกไม่ติดไฟ มีความดันไอและความเป็นพิษต่ำ และมักผลิตจากสารประกอบธรรมชาติ จึงเป็นตัวทำละลายทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า เป็นที่ทราบกันว่าการใช้คลื่นอัลตราโซนิกและตัวทำละลายดีปยูเทกติกทำงานร่วมกันแบบเสริมฤทธิ์ จึงนำมาใช้ทั้งในการสังเคราะห์ทางเคมีและการสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิก การใช้ตัวทำละลายดีปยูเทกติกยังเป็นประโยชน์ต่อปฏิกิริยา Diels-Alder ที่ส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกด้วย ตัวอย่างเช่น มีการใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยา Diels-Alder โดยใช้ N-ethylmaleimide เป็นไดอีโนไฟล์ และเปลี่ยนชนิดของไดอีนในตัวทำละลายดีปยูเทกติก (DES) ภายใต้ทั้งการให้ความร้อนแบบทั่วไปและการกระตุ้นด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
การใช้การกระตุ้นด้วยคลื่นอัลตราโซนิกร่วมกับตัวทำละลายดีปยูเทกติกพิสูจน์แล้วว่าเป็นประโยชน์ โดยให้ผลได้ดีและลดเวลาปฏิกิริยาลงอย่างมาก

ปฏิกิริยา Diels−Alder ที่ปรับปรุงด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
แผนผังปฏิกิริยาดัดแปลงจาก Marullo et al., 2020

ขั้นตอนทั่วไปสำหรับปฏิกิริยา Diels-Alder โดยใช้ DES และคลื่นอัลตราโซนิก

ดำเนินปฏิกิริยา Diels-Alder ที่ส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกโดยสอดโพรบอัลตราโซนิก (โซโนโทรด / ฮอร์น) ลงในภาชนะปฏิกิริยา เมื่อใช้โพรบอัลตราโซนิกที่มีปลายเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 cm กำลังขาออกพิกัดเท่ากับ 70 W ดำเนินปฏิกิริยาที่ 40°C โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิกในโหมดพัลส์เป็นรอบเปิด 5 วินาทีและปิด 20 วินาที ปฏิกิริยา Diels-Alder ที่เพิ่มความเข้มข้นด้วยคลื่นอัลตราโซนิกให้ผลได้ดีในเวลาที่สั้นกว่าสภาวะที่ไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกมาก (70 min และ 24 h สำหรับปฏิกิริยาโซโนเคมีและปฏิกิริยาที่ไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิก ตามลำดับ)
เพื่อประเมินประสิทธิภาพการใช้พลังงานของปฏิกิริยา Diels-Alder ที่เพิ่มความเข้มข้นด้วยโซโนเคมี จึงเปรียบเทียบการใช้พลังงานของปฏิกิริยา Diels-Alder ที่ไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกกับปฏิกิริยาที่ส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราโซนิก การคำนวณได้ค่าการใช้พลังงาน 35,094 kJ/g สำหรับปฏิกิริยาที่ไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิก และ 28.4 kJ/g สำหรับปฏิกิริยาที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วย (ฮอร์นอัลตราโซนิกที่มีกำลังขาออก 70 W ของพลังงานสุทธิ) ตามลำดับ ซึ่งทำให้ปฏิกิริยา Diels-Alder ที่ขับเคลื่อนด้วยโซโนเคมีประหยัดพลังงานได้ 99% ข้อสังเกตทั้งหมดนี้บ่งชี้อย่างชัดเจนว่าการใช้ตัวทำละลายดีปยูเทกติก (DES) ร่วมกับการฉายคลื่นอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพและประหยัดพลังงานสำหรับกระบวนการสังเคราะห์ที่สำคัญ เช่น ปฏิกิริยา Diels-Alder (Marullo et al., 2020)

ผลของตัวทำละลายดีปยูเทกติกชนิดต่าง ๆ เมื่อใช้ร่วมกับคลื่นอัลตราโซนิก

ปฏิกิริยา Diels-Alder ที่ส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกให้ผลดีที่สุดเมื่อใช้ตัวทำละลายดีปยูเทกติก [ChCl]:[Fru] และ [TBACl]:[EG] เป็นตัวทำละลาย การใช้ [ChCl]:[Fru] และ [TBACl]:[EG] เป็นตัวทำละลายช่วยลดเวลาปฏิกิริยาลงอย่างมีนัยสำคัญ และเพิ่มผลได้อย่างมีนัยสำคัญด้วย (สำหรับ [TBACl]:[EG] ได้ 73% และ 87% และสำหรับ [ChCl]:[Fru] ได้ 23 และ 75% ภายใต้สภาวะที่ไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกและสภาวะโซโนเคมี ตามลำดับ)
ในบางกรณี ได้แก่ เมื่อใช้ [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly] และ [AcChCl]:[EG] เป็นตัวทำละลาย ผลได้ใกล้เคียงกับที่ได้ภายใต้สภาวะที่ไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิก แต่การใช้คลื่นอัลตราโซนิกยังคงเพิ่มอัตราของกระบวนการทางเคมีได้อย่างมาก
การใช้คลื่นอัลตราโซนิกทำงานได้ดีมากกับตัวทำละลายที่มีความดันไอต่ำและมีความหนืด เช่น ของเหลวไอออนิก (ILs) เนื่องจากสภาวะเหล่านี้เอื้อต่อการเกิดผลของคาวิเทชันที่รุนแรงยิ่งขึ้น เนื่องจากตัวทำละลายดีปยูเทกติกมีสมบัติทางกายภาพคล้ายกับของเหลวไอออนิก จึงสามารถใช้ร่วมกับคลื่นอัลตราโซนิกได้อย่างเหมาะสม การทำงานร่วมกันของตัวทำละลายดีปยูเทกติก (DES) และคลื่นอัลตราโซนิกช่วยลดความต้องการพลังงานของปฏิกิริยา Diels-Alder ลงอย่างมีนัยสำคัญ สามารถสังเกตได้ว่าเวลาปฏิกิริยาลดลงอย่างมีนัยสำคัญจาก 24 h เหลือ 70 min พร้อมทั้งให้ผลได้ดีมาก ในด้านประสิทธิภาพของกระบวนการ หมายความว่าการใช้ตัวทำละลายดีปยูเทกติก (DES) ร่วมกับคลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้แปรรูปวัสดุได้ในปริมาณ 10 เท่าของปริมาณที่แปรรูปได้ภายใต้สภาวะที่ไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิก (Marullo et al., 2020)

ปฏิกิริยา Diels-Alder ของแอลคีนออกซาไบไซคลิกด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

Wei และคณะ (2004) แสดงให้เห็นว่าการใช้คลื่นอัลตราโซนิกส่งเสริมปฏิกิริยา Diels–Alder ของฟิวแรนที่มีหมู่แทนที่กับไดอีโนไฟล์ที่มีความว่องไวต่อปฏิกิริยา เช่น dimethyl acetylenedicarboxylate (DMAD) และ dimethyl maleate ให้แอลคีนออกซาไบไซคลิกที่มีหมู่ฟังก์ชันด้วยผลได้ดี ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันแบบ furano Diels-Alder ที่จำเพาะต่อตำแหน่งของ 2-vinylic furans กับ DMAD ซึ่งส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ให้แอลคีนออกซาไบไซคลิกที่มีหมู่ฟังก์ชันด้วยผลได้ดี

ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันที่ปรับปรุงด้วยโซโนเคมี

Bravo และคณะ (2006) อธิบายชุดปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันทางโซโนเคมีที่เกี่ยวข้องกับ cyclopentadiene หรือ 1,3-cyclohexadiene กับไดอีโนไฟล์ที่มีหมู่คาร์บอนิล โดยใช้ของเหลวไอออนิกที่มีอิมิดาโซเลียมเป็นองค์ประกอบหลักเป็นตัวกลางปฏิกิริยา พวกเขาแสดงให้เห็นว่าการใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยปรับปรุงปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิผล ทำให้ได้ผลได้สูงขึ้นและ/หรือใช้เวลาปฏิกิริยาสั้นลงเมื่อเทียบกับปฏิกิริยาที่สอดคล้องกันซึ่งไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิก ตัวอย่างเช่น สำหรับไดอีโนไฟล์ไม่อิ่มตัวที่ตำแหน่ง α,β แบบง่าย เช่น methyl vinyl ketone หรือ acrolein ผลของการกระตุ้นด้วยคลื่นอัลตราโซนิกปรากฏอย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น methyl vinyl ketone ให้ผลได้ 89% ภายใน 1 h ของการใช้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างอ่อน ขณะที่ปฏิกิริยาที่ไม่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกให้ผลได้เพียง 52% ภายในเวลาปฏิกิริยาเท่ากัน

เครื่องอัลตราโซนิกทุกขนาดสำหรับปฏิกิริยา Diels-Alder ที่ส่งเสริมด้วยโซโนเคมี

Hielscher Ultrasonics ออกแบบ ผลิต และจัดจำหน่ายเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกชนิดโพรบสมรรถนะสูงและอุปกรณ์โซโนเคมีสำหรับผสานเข้ากับระบบทางเคมี เช่น ปฏิกิริยาการสังเคราะห์และการเร่งปฏิกิริยา เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher ใช้กันทั่วโลกในฐานะเครื่องมือที่เชื่อถือได้สำหรับส่งเสริม เพิ่มความเข้มข้น เร่ง และปรับปรุงปฏิกิริยาเคมี
เครื่องประมวลผลด้วยคลื่นอัลตราโซนิกของ Hielscher Ultrasonics มีให้เลือกทุกขนาด ตั้งแต่อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการขนาดเล็กไปจนถึงเครื่องประมวลผลระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ สำหรับงานเคมีแบบแบตช์และแบบไหล การปรับแอมพลิจูดของคลื่นอัลตราโซนิกอย่างแม่นยำ – ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดสำหรับงานโซโนเคมี – ช่วยให้เครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher ทำงานได้ที่แอมพลิจูดตั้งแต่ต่ำจนถึงสูงมาก และปรับแอมพลิจูดอย่างละเอียดให้ตรงกับสภาวะกระบวนการอัลตราโซนิกที่ระบบปฏิกิริยาเคมีเฉพาะนั้นต้องการได้อย่างแม่นยำ
เครื่องกำเนิดคลื่นอัลตราโซนิกของ Hielscher มีซอฟต์แวร์อัจฉริยะพร้อมระบบบันทึกข้อมูลอัตโนมัติ พารามิเตอร์สำคัญทั้งหมดของกระบวนการ เช่น พลังงานอัลตราโซนิก อุณหภูมิ ความดัน และเวลา จะถูกจัดเก็บโดยอัตโนมัติลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งในตัวทันทีที่เปิดอุปกรณ์
การติดตามกระบวนการและการบันทึกข้อมูลมีความสำคัญต่อการรักษามาตรฐานกระบวนการอย่างต่อเนื่องและคุณภาพผลิตภัณฑ์ เมื่อเข้าถึงข้อมูลกระบวนการที่บันทึกโดยอัตโนมัติ คุณสามารถทบทวนการใช้คลื่นอัลตราโซนิกครั้งก่อน ๆ และประเมินผลลัพธ์ได้
อีกคุณสมบัติหนึ่งที่ใช้งานสะดวกคือการควบคุมระบบอัลตราโซนิกดิจิทัลของเราจากระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ คุณสามารถเริ่ม หยุด ปรับ และติดตามเครื่องประมวลผลด้วยคลื่นอัลตราโซนิกจากระยะไกลได้จากทุกที่ผ่านการควบคุมด้วยเบราว์เซอร์
ติดต่อเราตอนนี้เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมว่าเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงของเราสามารถปรับปรุงปฏิกิริยาการสังเคราะห์สารอินทรีย์ของคุณ เช่น ปฏิกิริยา Diels-Alder ปฏิกิริยา Mannich หรือปฏิกิริยาการเติมแบบ Michael รวมถึงปฏิกิริยาอื่น ๆ อีกมากมายได้อย่างไร!

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: