Органокаталітичні реакції, стимульовані ультразвуковою обробкою

В органічній хімії органокаталіз – це форма каталізу, за якої швидкість хімічної реакції підвищується завдяки органічному каталізатору. Цей «органокаталізатор» складається з вуглецю, водню, сірки та інших неметалічних елементів, що входять до складу органічних сполук. Застосування ультразвуку високої потужності до хімічних систем відоме як сонохімія і є добре відпрацьованим методом підвищення виходу продуктів та прискорення реакцій. За ультразвукової обробки часто стає можливим змінити шляхи перебігу хімічних реакцій, уникаючи небажаних побічних продуктів. Сонохімія може стимулювати органокаталітичні реакції, роблячи їх ефективнішими та екологічнішими.

Асиметричний органокаталіз – удосконалення завдяки ультразвуковій обробці

Сонохімія, тобто застосування високоефективного ультразвуку до хімічних систем, може значно поліпшити органокаталітичні реакції. Поєднання асиметричного органокаталізу з ультразвуковою обробкою часто дає змогу зробити органокаталіз екологічнішим і таким чином віднести його до зеленої хімії. Ультразвукова обробка прискорює (асиметричну) органокаталітичну реакцію та забезпечує вищий вихід, вищу швидкість перетворення, легше виділення/очищення продукту, а також поліпшену селективність і реакційну здатність. Крім поліпшення кінетики реакції та підвищення виходу, ультразвукову обробку часто можна поєднувати із застосуванням екологічно сталих реакційних розчинників, таких як іонні рідини, глибокі евтектичні розчинники, м’які нетоксичні розчинники та вода. Таким чином, сонохімія не лише поліпшує саму (асиметричну) органокаталітичну реакцію, а й сприяє екологічній сталості органокаталітичних реакцій.

Дослідження продемонстрували численні приклади органокаталітичних реакцій, інтенсифікованих сонохімічним методом. Наприклад, дволанцюгові молекули ДНК використовують як хіральний каркас для формування гібридних каталізаторів на основі металу та біомакромолекули для реакцій асиметричного синтезу. Каталізатори на основі G-квадруплексної ДНК застосовували в асиметричному приєднанні Міхаеля, реакціях Дільса–Альдера та Фріделя–Крафтса. (див. Zhao and Shen, 2018)
Для реакції, стимульованої inidium, ультразвукова обробка має сприятливий вплив, оскільки сонохімічна реакція відбувається за м’якших умов зі збереженням високої діастереоселективності. Сонохімічний підхід дав змогу досягти добрих результатів в органокаталітичному синтезі β-лактамних вуглеводів, β-амінокислоти та спіродикетопіперазинів із лактонів цукрів, а також в алілюванні та реакціях Реформатського з етерами оксимів.

Органокаталітичний синтез лікарських засобів, стимульований ультразвуком

Rogozińska-Szymczak і Mlynarski (2014) повідомляють про асиметричне приєднання Міхаеля 4-гідроксикумарину до α,β-ненасичених кетонів на воді без органічних співрозчинників – із каталізом органічними первинними амінами та ультразвуковою обробкою. Застосування енантіомерно чистого (S,S)-дифенілетилендіаміну дає змогу одержати низку важливих фармацевтично активних сполук із виходами від добрих до відмінних (73–98%) та доброю енантіоселективністю (до 76% ee) у реакціях, прискорених ультразвуком. Дослідники представляють ефективний сонохімічний протокол утворення антикоагулянту варфарину в обох енантіомерних формах у системі «тверді речовини на воді». Ця екологічна органокаталітична реакція не лише піддається масштабуванню, а й дає цільову молекулу лікарського засобу в енантіомерно чистій формі.

Сонохімічне епоксидування терпенів

Charbonneau та співавт. (2018) продемонстрували успішне епоксидування терпенів під дією ультразвукової обробки. Традиційне епоксидування потребує використання каталізатора, проте під дією ультразвукової обробки епоксидування відбувається як безкаталітична реакція.
Діоксид лімонену є ключовою проміжною молекулою для розроблення полікарбонатів на біологічній основі або неізоціанатних поліуретанів. Ультразвукова обробка дає змогу проводити безкаталітичне епоксидування терпенів за дуже короткий час реакції – водночас забезпечуючи дуже високі виходи. Щоб продемонструвати ефективність ультразвукового епоксидування, дослідницька група порівняла епоксидування лімонену до діоксиду лімонену з використанням диметилдіоксирану, утвореного in situ, як окисника за умов як традиційного перемішування, так і ультразвукової обробки. У всіх дослідах з ультразвуковою обробкою лабораторний ультразвуковий апарат Hielscher UP50H (50W, 30kHz) використовували.

Час, необхідний для повного перетворення лімонену на діоксид лімонену з виходом 100% під дією ультразвукової обробки, становив лише 4,5 min за кімнатної температури. Для порівняння, за традиційного перемішування магнітною мішалкою час, необхідний для досягнення виходу діоксиду лімонену 97%, становив 1,5 h. Епоксидування α-пінену також досліджували з використанням обох способів перемішування. Епоксидування α-пінену до оксиду α-пінену під дією ультразвукової обробки потребувало лише 4 min із досягнутим виходом 100%, тоді як за традиційного методу час реакції становив 60 min. Щодо інших терпенів, β-пінен перетворювався на оксид β-пінену лише за 4 min, тоді як фарнезол давав 100% вихід триепоксиду за 8 min. Карвеол, похідну лімонену, було перетворено на діоксид карвеолу з виходом 98%. У реакції епоксидування карвону з використанням диметилдіоксирану конверсія становила 100% за 5 min з утворенням 7,8-оксиду карвону.
Основними перевагами сонохімічного епоксидування терпенів є екологічність окисника (зелена хімія), а також значне скорочення часу реакції під час проведення цього окиснення за ультразвукового перемішування. Цей метод епоксидування дав змогу досягти 100% конверсії лімонену зі 100% виходом діоксиду лімонену лише за 4,5 min порівняно з 90 min за традиційного перемішування. Крім того, у реакційному середовищі не було виявлено таких продуктів окиснення лімонену, як карвон, карвеол і спирт perrilyl. Епоксидування α-пінену під дією ультразвуку потребувало лише 4 min, забезпечуючи 100% вихід оксиду α-пінену без окиснення кільця. Інші терпени, такі як β-пінен, фарнезол і карвеол, також були окиснені з дуже високими виходами епоксидів.

Сонохімічні ефекти

Як альтернативу класичним методам використовують сонохімічні протоколи для підвищення швидкості найрізноманітніших реакцій, що дає змогу отримувати продукти за м’якших умов зі значним скороченням тривалості реакцій. Ці методи описують як екологічніші та сталіші; вони забезпечують вищу селективність і менше споживання енергії для здійснення бажаних перетворень. Механізм таких методів ґрунтується на явищі акустичної кавітації, яка створює унікальні умови тиску й температури завдяки утворенню, росту та адіабатичному колапсу бульбашок у рідкому середовищі. Цей ефект поліпшує масоперенесення та посилює турбулентну течію в рідині, сприяючи хімічним перетворенням. У наших дослідженнях застосування ультразвуку дало змогу отримувати сполуки з високими виходами та високою чистотою за коротший час реакції. Такі характеристики дали змогу збільшити кількість сполук, оцінених на фармакологічних моделях, сприяючи прискоренню процесу оптимізації сполук-хітів до сполук-лідерів.
Підведення такої великої кількості енергії може не лише посилювати механічні ефекти в гетерогенних процесах: відомо також, що воно спричиняє нові прояви реакційної здатності, які ведуть до утворення неочікуваних хімічних частинок. Унікальність сонохімії зумовлена визначним явищем кавітації, яке в локально обмеженому просторі навколо мікробульбашок створює надзвичайні ефекти завдяки чергуванню циклів високого / низького тиску, дуже великим перепадам температури, високим зсувним силам і потокам рідини.

Переваги органокаталітичних реакцій, інтенсифікованих сонохімічним способом

Ультразвукову обробку дедалі частіше застосовують в органічному синтезі та каталізі, оскільки сонохімічні ефекти забезпечують суттєву інтенсифікацію хімічних реакцій. Особливо порівняно з традиційними методами (наприклад, нагріванням, перемішуванням) сонохімія є ефективнішою, зручнішою та піддається точнішому контролю. Ультразвукова обробка та сонохімія мають низку вагомих переваг, зокрема вищі виходи, підвищену чистоту сполук і селективність, коротшу тривалість реакцій, нижчі витрати, а також простоту проведення сонохімічної процедури та керування нею. Ці сприятливі чинники роблять хімічні реакції за сприяння ультразвуку не лише ефективнішими й безпечнішими, а й екологічнішими.
Доведено, що численні органічні реакції забезпечують вищі виходи за коротший час реакції та / або за м’якших умов, якщо їх проводять із застосуванням ультразвукової обробки.

Ультразвукова обробка дає змогу легко проводити реакції в одній посудині

Ультразвукова обробка дає змогу ініціювати багатокомпонентні реакції в одній посудині, забезпечуючи синтез структурно різноманітних сполук. Такі реакції в одній посудині цінують за високу загальну ефективність і простоту, оскільки виділення та очищення проміжних продуктів не потрібні.

Вплив ультразвукових хвиль на асиметричні органокаталітичні реакції успішно застосовано в різних типах реакцій, зокрема в міжфазному каталізі, реакціях Гека, гідруванні, реакціях Манніха, реакціях Барб’є та подібних до них реакціях, реакціях Дільса–Альдера, реакції крос-сполучення Судзукі та приєднанні Міхаеля.

Знайдіть ідеальний ультразвуковий пристрій для вашої органокаталітичної реакції!

Hielscher Ultrasonics – ваш надійний партнер у сфері високопродуктивного та високоякісного ультразвукового обладнання. Hielscher розробляє, виробляє та постачає найсучасніші ультразвукові зонди, реактори й чашкові сонотроди для сонохімічних застосувань. Усе обладнання виготовляється за сертифікованими ISO процедурами та з німецькою точністю для забезпечення виняткової якості в нашому головному офісі в Тельтові (поблизу Берліна), Німеччина.
Асортимент ультразвукових апаратів Hielscher охоплює як компактні лабораторні ультразвукові апарати, так і повністю промислові ультразвукові реактори для великомасштабного хімічного виробництва. Зонди (також відомі як сонотроди, ультразвукові рупори або наконечники), підсилювальні рупори та реактори доступні в численних розмірах і геометричних формах. Також можна виготовити індивідуальні версії відповідно до ваших вимог.
Оскільки ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics доступні в будь-яких розмірах – від невеликих лабораторних пристроїв до великих промислових процесорів для періодичних і проточних хімічних процесів, високопродуктивну ультразвукову обробку можна легко впровадити в будь-яку реакційну установку. Точне регулювання амплітуди ультразвуку – найважливішого параметра для сонохімічних застосувань – дає змогу експлуатувати ультразвукові апарати Hielscher за амплітуд від низьких до дуже високих і точно налаштовувати амплітуду відповідно до необхідних умов ультразвукового процесу для конкретної хімічної реакційної системи.
Ультразвукові генератори Hielscher оснащені інтелектуальним програмним забезпеченням з автоматичним протоколюванням даних. Усі важливі параметри обробки, як-от ультразвукова енергія, температура, тиск і час, автоматично зберігаються на вбудованій SD-картці відразу після ввімкнення пристрою.
Моніторинг процесу та реєстрація даних важливі для постійної стандартизації процесу й забезпечення якості продукції. Завдяки доступу до автоматично зареєстрованих даних процесу ви можете переглядати попередні цикли ультразвукової обробки та оцінювати їхні результати.
Ще одна зручна для користувача функція – дистанційне керування нашими цифровими ультразвуковими системами через браузер. За допомогою дистанційного керування через браузер ви можете з будь-якого місця запускати, зупиняти, налаштовувати свій ультразвуковий процесор і контролювати його роботу.
Зв’яжіться з нами зараз, щоб дізнатися більше про те, як наші високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори можуть поліпшити вашу реакцію органокаталітичного синтезу!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових апаратів: