Sonikasyonla Desteklenen Organokatalitik Reaksiyonlar

Organik kimyada organokataliz, bir kimyasal reaksiyonun hızının organik bir katalizör tarafından artırıldığı bir kataliz türüdür. Bu “organokatalizör”, organik bileşiklerde bulunan karbon, hidrojen, kükürt ve diğer ametal elementlerden oluşur. Yüksek güçlü ultrasonun kimyasal sistemlere uygulanması sonokimya olarak bilinir ve verimleri artırmak, reaksiyon hızlarını iyileştirmek ve reaksiyonu hızlandırmak için yerleşik bir tekniktir. Sonikasyon altında, istenmeyen yan ürünlerden kaçınmak için kimyasal reaksiyon yollarını değiştirmek çoğu zaman mümkün olur. Sonokimya, organokatalitik reaksiyonları destekleyerek onları daha verimli ve çevre dostu hâle getirebilir.

Asimetrik Organokataliz – Sonikasyonla İyileştirilmiş

Yüksek performanslı ultrasonun kimyasal sistemlere uygulanması olan sonokimya, organokatalitik reaksiyonları önemli ölçüde iyileştirebilir. Ultrasonikasyonla birleştirilen asimetrik organokataliz, çoğu zaman organokatalizin daha çevre dostu bir reaksiyon yoluna dönüştürülmesini mümkün kılar ve böylece yeşil kimya kapsamına girer. Sonikasyon, (asimetrik) organokatalitik reaksiyonu hızlandırır ve daha yüksek verimler, daha hızlı dönüşüm, daha kolay ürün izolasyonu/saflaştırılması ve iyileştirilmiş seçicilik ve reaktivite sağlar. Ultrasonikasyon, reaksiyon kinetiğinin ve verimin iyileştirilmesine katkıda bulunmanın yanı sıra çoğu zaman iyonik sıvılar, derin ötektik çözücüler, ılımlı, toksik olmayan çözücüler ve su gibi sürdürülebilir reaksiyon çözücüleriyle birleştirilebilir. Böylece sonokimya, (asimetrik) organokatalitik reaksiyonun kendisini iyileştirmenin yanı sıra organokatalitik reaksiyonların sürdürülebilirliğini de destekler.

Araştırmalar, sonokimyasal olarak yoğunlaştırılmış organokatalitik reaksiyonlara ilişkin çok çeşitli örnekler ortaya koymuştur. Örneğin, asimetrik sentez reaksiyonları için metal-biyomakromolekül hibrit katalizörlerini oluşturmak amacıyla çift sarmallı DNA molekülleri kiral bir iskelet olarak kullanılır. G-kuadrupleks DNA tabanlı katalizörler, asimetrik Michael katılması, Diels-Alder ve Friedel-Crafts reaksiyonlarında uygulanmıştır. (bkz. Zhao ve Shen, 2018)
inidium ile desteklenen reaksiyonda sonikasyon yararlı etkiler gösterir; çünkü sonokimyasal olarak yürütülen reaksiyon daha ılımlı koşullarda gerçekleşir ve böylece yüksek düzeyde diastereoseçicilik korunur. Sonokimyasal yol kullanılarak şeker laktonlarından β-laktam karbonhidratların, β-amino asidin ve spirodiketopiperazinlerin organokatalitik sentezinde ve ayrıca oksim eterlerinin alilasyon ve Reformatsky reaksiyonlarında iyi sonuçlar elde edilmiştir.

Ultrasonla Desteklenen Organokatalitik İlaç Sentezi

Rogozińska-Szymczak ve Mlynarski (2014), organik yardımcı çözücüler olmadan su üzerinde 4-hidroksikumarinin α,β-doymamış ketonlara asimetrik Michael katılmasını bildirmektedir – reaksiyon, organik birincil aminler ve sonikasyonla katalizlenir. Enantiyomerik olarak saf (S,S)-difeniletilendiamin kullanımı, ultrasonla hızlandırılan reaksiyonlar yoluyla farmasötik açıdan aktif bir dizi önemli bileşiğin iyi ile mükemmel arasında değişen verimlerle (%73–98) ve iyi enantiyoseçiciliklerle (%76 ee’ye kadar) elde edilmesini sağlar. Araştırmacılar, antikoagülan varfarinin her iki enantiyomerik formunun da ‘su üzerindeki katılar’ yaklaşımıyla oluşumu için verimli bir sonokimyasal protokol sunmaktadır. Bu çevre dostu organokatalitik reaksiyon, ölçeklenebilir olmasının yanı sıra hedef ilaç molekülünü enantiyomerik olarak saf formda da verir.

Terpenlerin Sonokimyasal Epoksidasyonu

Charbonneau ve ark. (2018), sonikasyon altında terpenlerin başarılı epoksidasyonunu göstermiştir. Geleneksel epoksidasyon bir katalizör kullanımını gerektirir; ancak sonikasyonla epoksidasyon, katalizörsüz bir reaksiyon olarak gerçekleşir.
Limonen dioksit, biyobazlı polikarbonatların veya izosiyanat içermeyen poliüretanların geliştirilmesi için temel bir ara moleküldür. Sonikasyon, terpenlerin çok kısa bir reaksiyon süresinde katalizörsüz epoksidasyonunu mümkün kılar – aynı zamanda çok iyi verimler verir. Ultrasonik epoksidasyonun etkinliğini göstermek amacıyla araştırma ekibi, yerinde üretilen dimetil dioksiranı oksitleyici ajan olarak kullanarak limonenin limonen dioksite epoksidasyonunu hem geleneksel karıştırma hem de ultrasonikasyon altında karşılaştırmıştır. Tüm sonikasyon denemelerinde Hielscher UP50H (50W, 30kHz) laboratuvar sonikatörü kullanılmıştır.

Sonikasyon altında limonenin %100 verimle tamamen limonen dioksite dönüştürülmesi için gereken süre, oda sıcaklığında yalnızca 4,5 min olmuştur. Buna karşılık, manyetik karıştırıcıyla geleneksel karıştırma kullanıldığında %97 limonen dioksit verimine ulaşmak için gereken süre 1,5 h olmuştur. α-Pinenin epoksidasyonu da her iki karıştırma tekniği kullanılarak incelenmiştir. Sonikasyon altında α-pinenin α-pinen okside epoksidasyonu, %100 verim elde edilerek yalnızca 4 min sürerken, geleneksel yöntemde reaksiyon süresi 60 min olmuştur. Diğer terpenlere gelince, β-pinen yalnızca 4 min içinde β-pinen okside dönüştürülmüş, farnesol ise 8 min içinde %100 triepoksit verimi vermiştir. Bir limonen türevi olan karveol, %98 verimle karveol dioksite dönüştürülmüştür. Dimetil dioksiran kullanılan karvon epoksidasyonu reaksiyonunda, 5 min içinde %100 dönüşüm gerçekleşmiş ve 7,8-karvon oksit üretilmiştir.
Sonokimyasal terpen epoksidasyonunun başlıca avantajları, oksitleyici ajanın çevre dostu niteliği (yeşil kimya) ve bu oksidasyonun ultrasonik karıştırma altında gerçekleştirilmesiyle reaksiyon süresinin önemli ölçüde azalmasıdır. Bu epoksidasyon yöntemi, geleneksel karıştırma kullanıldığında gereken 90 min ile karşılaştırıldığında, yalnızca 4,5 min içinde limonenin %100 dönüşümüne ve %100 limonen dioksit verimine ulaşılmasını mümkün kılmıştır. Ayrıca reaksiyon ortamında karvon, karveol ve perrilyl alkol gibi limonen oksidasyon ürünlerine rastlanmamıştır. Ultrason altında α-pinenin epoksidasyonu yalnızca 4 min sürmüş ve halka oksidasyonu olmadan %100 α-pinen oksit verimi vermiştir. β-Pinen, farnesol ve karveol gibi diğer terpenler de oksitlenmiş ve çok yüksek epoksit verimleri elde edilmiştir.

Sonokimyasal Etkiler

Klasik yöntemlere alternatif olarak sonokimyaya dayalı protokoller, çok çeşitli reaksiyonların hızlarını artırmak için kullanılmış ve reaksiyon sürelerinde önemli bir azalmayla daha ılımlı koşullarda ürünler elde edilmiştir. Bu yöntemler daha çevre dostu ve sürdürülebilir olarak tanımlanmış olup istenen dönüşümler için daha yüksek seçicilik ve daha düşük enerji tüketimiyle ilişkilendirilir. Bu tür yöntemlerin mekanizması, sıvı ortamda kabarcıkların oluşumu, büyümesi ve adyabatik çökmesi yoluyla benzersiz basınç ve sıcaklık koşulları oluşturan akustik kavitasyon olgusuna dayanır. Bu etki, kütle aktarımını iyileştirir ve sıvıdaki türbülanslı akışı artırarak kimyasal dönüşümleri kolaylaştırır. Çalışmalarımızda ultrason kullanımı, bileşiklerin daha kısa reaksiyon sürelerinde yüksek verim ve saflıkla üretilmesini sağlamıştır. Bu özellikler, farmakolojik modellerde değerlendirilen bileşiklerin sayısını artırarak başlangıç etkinliği gösteren bileşiklerden öncü bileşiklere geçişte optimizasyon sürecinin hızlandırılmasına katkıda bulunmuştur.
Bu yüksek enerji girdisi, heterojen süreçlerde mekanik etkileri artırabilmesinin yanı sıra beklenmedik kimyasal türlerin oluşumuna yol açan yeni reaktiviteler oluşturmasıyla da bilinir. Sonokimyayı benzersiz kılan, mikro kabarcık ortamının yerel olarak sınırlı bir alanında dönüşümlü yüksek basınç / düşük basınç döngüleri, çok yüksek sıcaklık farkları, yüksek kesme kuvvetleri ve sıvı akışı nedeniyle olağanüstü etkiler oluşturan dikkat çekici kavitasyon olgusudur.

Sonokimyasal Olarak Desteklenen Organokatalitik Reaksiyonların Avantajları

Sonokimyasal etkiler kimyasal reaksiyonlarda önemli bir yoğunlaşma sağladığı için sonikasyon, organik sentez ve katalizde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Özellikle geleneksel yöntemlerle (ör. ısıtma, karıştırma) karşılaştırıldığında sonokimya daha verimli, kullanışlı ve hassas biçimde kontrol edilebilirdir. Sonikasyon ve sonokimya; daha yüksek verimler, bileşiklerin saflığında ve seçicilikte artış, daha kısa reaksiyon süreleri, daha düşük maliyetler ve sonokimyasal işlemin yürütülmesi ve uygulanmasındaki basitlik gibi birçok önemli avantaj sunar. Bu yararlı faktörler, ultrason destekli kimyasal reaksiyonları daha etkili ve daha güvenli kılmanın yanı sıra daha çevre dostu hâle de getirir.
Çok sayıda organik reaksiyonun, sonikasyon kullanılarak gerçekleştirildiğinde daha kısa reaksiyon süresinde ve / veya daha ılımlı koşullarda daha yüksek verimler verdiği kanıtlanmıştır.

Ultrasonikasyon Basit Tek Kap Reaksiyonlarını Mümkün Kılar

Sonikasyon, yapısal açıdan çeşitli bileşiklerin sentezini sağlayan çok bileşenli reaksiyonların tek kap reaksiyonları olarak başlatılmasını mümkün kılar. Bu tür tek kap reaksiyonları, ara ürünlerin izolasyonu ve saflaştırılması gerekmediği için yüksek genel verimlilikleri ve basitlikleri açısından değer görür.

Ultrason dalgalarının asimetrik organokatalitik reaksiyonlar üzerindeki etkileri; faz transfer katalizi, Heck reaksiyonları, hidrojenasyon, Mannich reaksiyonları, Barbier ve Barbier benzeri reaksiyonlar, Diels-Alder reaksiyonları, Suzuki eşleşme reaksiyonu ve Michael katılması dâhil çeşitli reaksiyon türlerinde başarıyla uygulanmıştır.

Organokatalitik Reaksiyonunuz İçin İdeal Sonikatörü Bulun!

Hielscher Ultrasonics, yüksek performanslı, yüksek kaliteli ultrasonik ekipman konusunda güvenilir ortağınızdır. Hielscher, sonokimyasal uygulamalar için en son teknolojiye sahip ultrasonik problar, reaktörler ve kap tipi hornlar tasarlar, üretir ve dağıtır. Tüm ekipmanlar, üstün kalite için ISO sertifikalı prosedürler altında ve Alman hassasiyetiyle Almanya’nın Teltow kentindeki (Berlin yakınlarında) merkezimizde üretilir.
Hielscher sonikatörlerinin ürün portföyü, kompakt laboratuvar sonikatörlerinden büyük ölçekli kimyasal üretim için tamamen endüstriyel ultrasonik reaktörlere kadar uzanır. Problar (sonotrotlar, ultrasonik hornlar veya uçlar olarak da bilinir), yükseltici hornlar ve reaktörler çok sayıda boyut ve geometride hazır olarak mevcuttur. Gereksinimlerinize göre özelleştirilmiş versiyonlar da üretilebilir.
Hielscher Ultrasonics ultrasonik işlemcileri, kesikli ve akış kimyası uygulamaları için küçük laboratuvar cihazlarından büyük endüstriyel işlemcilere kadar her boyutta mevcut olduğundan, yüksek performanslı sonikasyon her türlü reaksiyon düzeneğine kolayca uygulanabilir. Ultrasonik genliğin – sonokimyasal uygulamalar için en önemli parametrenin – hassas biçimde ayarlanması, Hielscher sonikatörlerinin düşük genliklerden çok yüksek genliklere kadar çalıştırılmasını ve genliğin belirli kimyasal reaksiyon sisteminin gerektirdiği ultrasonik işlem koşullarına tam olarak uyacak şekilde ince ayarının yapılmasını mümkün kılar.
Hielscher ultrasonik jeneratörü, otomatik veri kaydı yapan akıllı bir yazılıma sahiptir. Ultrasonik enerji, sıcaklık, basınç ve süre gibi tüm önemli işlem parametreleri, cihaz açılır açılmaz yerleşik bir SD karta otomatik olarak kaydedilir.
Süreç izleme ve veri kaydı, sürekli süreç standardizasyonu ve ürün kalitesi için önemlidir. Otomatik olarak kaydedilen süreç verilerine erişerek önceki sonikasyon işlemlerini gözden geçirebilir ve sonucu değerlendirebilirsiniz.
Bir diğer kullanıcı dostu özellik, dijital ultrasonik sistemlerimizin tarayıcı üzerinden uzaktan kontrolüdür. Tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol ile ultrasonik işlemcinizi her yerden uzaktan başlatabilir, durdurabilir, ayarlayabilir ve izleyebilirsiniz.
Yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörlerimizin organokatalitik sentez reaksiyonunuzu nasıl iyileştirebileceği hakkında daha fazla bilgi edinmek için hemen bizimle iletişime geçin!

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bir fikir verir: