Органокаталітичні реакції, що стимулюються ультразвуковим випромінюванням

В органічній хімії органокаталіз - це форма каталізу, при якій швидкість хімічної реакції збільшується органічним каталізатором. Цей “органокаталізатор” складається з вуглецю, водню, сірки та інших неметалевих елементів, що містяться в органічних сполуках. Застосування високопотужного ультразвуку в хімічних системах відоме як сонохімія і добре зарекомендувала себе техніка для збільшення врожайності, поліпшення швидкості реакції і прискорення швидкості реакції. При ультразвуковому дослідженні часто стає можливим змінити хімічні шляхи, уникаючи небажаних побічних продуктів. Сонохімія може сприяти органокаталітичним реакціям, роблячи їх більш ефективними та екологічно чистими.

Асиметричний органокаталіз – Удосконалено за допомогою ультразвукового апарату

Сонохімія, застосування високоефективного ультразвуку в хімічних системах, може значно покращити органокаталітичні реакції. Асиметричний органокаталіз у поєднанні з ультразвуком часто дозволяє трансформувати органокаталіз на більш екологічний шлях, тим самим підпадаючи під термінологію зеленої хімії. Ультразвук прискорює (асиметричну) органокатлітичну реакцію та призводить до вищих врожаїв, швидших коефіцієнтів конверсії, легшого виділення продукту/очищення, а також покращення селективності та реактивності. Крім того, що ультразвук сприяє поліпшенню кінетики реакції і виходу продукції, його часто можна поєднувати з екологічно чистими реакційними розчинниками, такими як іонні рідини, глибокі евтектичні розчинники, м'які, нетоксичні розчинники і вода. Таким чином, сонохімія не тільки покращує (асиметричну) органокатлітичну реакцію як таку, але й сприяє сталості органокаталітичних реакцій.

Дослідження показали безліч прикладів сонохімічно інтенсифікованих орагнокаталітичних реакцій. Наприклад, дволанцюгові молекули ДНК як хіральний каркас використовуються для складання гібридних каталізаторів метал-біомакромолекула для асиметричних реакцій синтезу. Каталізатори на основі G-квадруплексної ДНК були застосовані в асиметричних реакціях додавання Майкла, Дільса-Альдера і Фріделя-Крафтса. (пор. Чжао і Шень, 2018)
Для реакції, що стимулюється інідієм, ультразвук демонструє сприятливий ефект, оскільки реакція з сонохімічним керуванням проходить у більш м'яких умовах, тим самим зберігаючи високий рівень діастероселекції. Використовуючи сонохимический шлях, були отримані хороші результати по органокаталітичному синтезу β-лактамних вуглеводів, β-амінокислот і спіродікетопіперазинів з лактонів цукру, а також реакцій алиляції і Реформатського на оксимових ефірах.

Ультразвуковий синтез органокаталітичних препаратів

Rogozińska-Szymczak and Mlynarski (2014) повідомляють про асиметричне додавання Міхаелем 4-гідроксикумарину до α,β-ненасичених кетонів на воді без органічних співрозчинників – каталізується органічними первинними амінами і ультразвуком. Застосування енантіомерно чистого (S,S)-дифенілетилендіаміну дозволяє отримати ряд важливих фармацевтично активних сполук з хорошими або відмінними виходами (73–98%) та з хорошою енантіоселективністю (до 76% ее) за допомогою реакцій, прискорених ультразвуком. Дослідники представили ефективний сонохімічний протокол для утворення антикоагулянту варфарину «твердих речовин на воді» в обох енантіомерних формах. Ця екологічно чиста органокаталітична реакція не тільки масштабується, але й дає цільову молекулу лікарського засобу в енантіомерно чистій формі.

Сонохимическое епоксидування терпенів

Charbonneau et al. (2018) продемонстрували успішну епоксидацію терпенів при ультразвуковому дослідженні. Звичайне епоксидування вимагає використання каталізатора, але при ультразвуковому дослідженні епоксидування проходить як реакція без каталізатора.
Діоксид лімонену є ключовою проміжною молекулою для розробки полікарбонатів на біологічній основі або нонісоціанатних поліуретанів. Звуковий звук дозволяє каталізатору вільно епоксидувати терпени за дуже короткий час реакції – При цьому дають дуже хороші врожаї. Щоб продемонструвати ефективність ультразвукового епоксидування, дослідницька група порівняла епоксидування лімонену з діоксидом лімонену з використанням диметилдіоксірану, отриманого на місці, як окислювача як при звичайному перемішуванні, так і при ультразвуковому дослідженні. Для всіх спроб ультразвукового випромінювання Лабораторний ультразвуковий апарат Hielscher UP50H (50 Вт, 30 кГц) було використано.

Час, необхідний для повного перетворення лімонену в діоксид лімонену зі 100% виходом при ультразвуковому дослідженні, становив всього 4,5 хв при кімнатній температурі. Для порівняння, коли використовується звичайне перемішування за допомогою магнітної мішалки, необхідний час для досягнення 97% виходу діоксиду лімонену становив 1,5 год. Епоксидування α-пінену також вивчалося за допомогою обох методів перемішування. Епоксидування α-пінену до оксиду α-пінену при ультразвуковому дослідженні зайняло всього 4 хв при отриманому виході 100%, при цьому в порівнянні зі звичайним методом час реакції становив 60 хв. Що стосується інших терпенів, то β-пінен перетворювався в оксид β-пінену всього за 4 хв, тоді як фарнезол давав 100% триепоксиду за 8 хв. Карвеол, похідне лімонену, був перетворений в діоксид карвеолу з виходом 98%. У реакції епоксидування карвона з використанням диметилдіоксірану перетворення становило 100% за 5 хв з утворенням 7,8-карвон-оксиду.
Основними перевагами сонохимического терпенового епоксидування є екологічно чистий характер окислювача (зелена хімія), а також значно скорочений час реакції при виконанні цього окислення при ультразвуковому перемішуванні. Цей метод епоксидування дозволив досягти 100% перетворення лімонену зі 100% виходом діоксиду лімонену всього за 4,5 хв в порівнянні з 90 хв при використанні традиційного перемішування. Крім того, в реакційному середовищі не виявлено продуктів окислення лімонену, таких як карвон, карвеол і перриловий спирт. Епоксидування α-пінену під ультразвуком зайняло всього 4 хв, з отриманням 100% оксиду α-пінену без окислення кільця. Інші терпени, такі як β-пінен, фарнезол і карвеол, також були окислені, що призвело до дуже високого виходу епоксиду.

сонохімічні ефекти

Як альтернатива класичним методам, протоколи на основі сонохімічних речовин були використані для збільшення частоти різноманітних реакцій, в результаті чого продукти утворюються в більш м'яких умовах зі значним скороченням часу реакції. Ці методи були описані як більш екологічні та стійкі та пов'язані з більшою вибірковістю та меншим споживанням енергії для бажаних перетворень. Механізм таких методів заснований на явищі акустичної кавітації, яка індукує унікальні умови тиску і температури шляхом утворення, росту і адіабатичного колапсу бульбашок в рідкому середовищі. Цей ефект покращує масообмін і збільшує турбулентний потік в рідині, полегшуючи хімічні перетворення. У наших дослідженнях використання ультразвуку призвело до отримання сполук зі скороченим часом реакції з високим виходом і чистотою. Такі характеристики збільшили кількість сполук, що оцінюються у фармакологічних моделях, сприяючи прискоренню процесу оптимізації «хіт до свинцю».
Цей високоенергетичний вхід не тільки може посилювати механічні ефекти в гетерогенних процесах, але також, як відомо, викликає нові реакційні здатності, що призводять до утворення несподіваних хімічних видів. Унікальність сонохімії полягає в чудовому явищі кавітації, яке генерує в локально обмеженому просторі мікропухирчастого середовища надзвичайні ефекти завдяки чергуванню циклів високого / низького тиску, дуже високих перепадів температур, високих сил зсуву та потоку рідини.

Переваги сонохімічно стимульованих органокаталітичних реакцій

Ультразвук все частіше використовується в органічному синтезі і каталізі, так як сонохімічні ефекти свідчать про істотну інтенсифікацію хімічних реакцій. Особливо в порівнянні з традиційними методами (наприклад, нагріванням, перемішуванням), сонохімія є більш ефективною, зручною та точно контрольованою. Ультразвук і сонохімія мають кілька основних переваг, таких як вищі виходи, підвищена чистота сполук і селективність, коротший час реакції, нижчі витрати, а також простота в експлуатації та обробці сонохімічної процедури. Ці корисні фактори роблять хімічні реакції за допомогою ультразвуку не тільки більш ефективними та економічними, але й більш екологічними.
Доведено, що численні органічні реакції дають більш високі врожаї при більш короткому часі реакції і / або в більш м'яких умовах при виконанні з використанням ультразвуку.

Ультразвукове дослідження дозволяє проводити прості реакції в одному горщику

Ультразвук дозволяє ініціювати багатокомпонентні реакції у вигляді однокомпонентних реакцій, що забезпечують синтез структурно різноманітних сполук. Такі одноразові реакції цінуються за високу загальну ефективність і їх простоту, так як не потрібно виділення і очищення проміжних продуктів.

Вплив ультразвукових хвиль на асиметричні органокаталітичні реакції був успішно застосований у різних типах реакцій, включаючи каталізи з фазовим переносом, реакції Хека, гідрування, реакції Манніха, реакції Барб'є та Барб'є, реакції Дільса-Альдера, реакцію зчеплення Сузукі та доповнення Майкла.

Знайдіть ідеальний ультразвуковий засіб для вашої органокаталітичної реакції!

Hielscher Ultrasonics - ваш надійний партнер, коли мова йде про високопродуктивне, якісне ультразвукове обладнання. Компанія Hielscher розробляє, виробляє та розповсюджує найсучасніші ультразвукові зонди, реактори та чашкові ріжки для сонохімічних застосувань. Все обладнання виготовляється за процедурами, сертифікованими ISO, і з німецькою точністю для найвищої якості в нашій штаб-квартирі в Тельтові (поблизу Берліна), Німеччина.
Портфоліо ультразвукових апаратів Hielscher варіюється від компактних лабораторних ультразвукових реакторів до повністю промислових ультразвукових реакторів для великомасштабного хімічного виробництва. Зонди (також відомі як сонотроди, ультразвукові ріжки або наконечники), роги прискорювачів і реактори легко доступні в численних розмірах і геометрії. Індивідуальні версії також можуть бути виготовлені відповідно до ваших вимог.
З часів Hielscher Ultrasonics’ Ультразвукові процесори доступні в будь-якому розмірі від невеликих лабораторних пристроїв до великих промислових процесорів для пакетних і потокових хімічних застосувань, високопродуктивний ультразвук можна легко впровадити в будь-яку реакційну установку. Точне регулювання амплітуди ультразвуку – Найважливіший параметр для сонохімічних застосувань – дозволяє експлуатувати ультразвукові апарати Hielscher при малих і дуже високих амплітудах і точно налаштовувати амплітуду під необхідні умови ультразвукового процесу конкретної системи хімічної реакції.
Ультразвуковий генератор Hielscher оснащений розумним програмним забезпеченням з автоматичним протоколюванням даних. Всі важливі параметри обробки, такі як ультразвукова енергія, температура, тиск і час, автоматично зберігаються на вбудованій SD-карті, як тільки пристрій включається.
Моніторинг процесів і запис даних важливі для безперервної стандартизації процесів і якості продукції. Отримавши доступ до автоматично записаних даних процесу, ви можете переглянути попередні прогони ультразвуку та оцінити результат.
Ще однією зручною функцією є дистанційне керування нашими цифровими ультразвуковими системами через браузер. За допомогою віддаленого керування браузером ви можете запускати, зупиняти, налаштовувати та контролювати свій ультразвуковий процесор віддалено з будь-якого місця.
Зв'яжіться з нами зараз, щоб дізнатися більше про наші високоефективні ультразвукові гомогенізатори, які можуть покращити вашу реакцію орагнокаталітичного синтезу!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: