Ультразвуково індукований та посилений фазовий переносний каталіз

Потужний ультразвук добре відомий своїм внеском у різноманітні хімічні реакції. Це так звана сонохімія. Гетерогенні реакції – і особливо реакції фазового переносу – є дуже перспективними сферами застосування потужного ультразвуку. Завдяки механічній та сонохімічній енергії, що прикладається до реагентів, реакції можуть бути ініційовані, швидкість реакції може бути суттєво підвищена, а також можуть бути досягнуті вищі ступені перетворення, вищі виходи та кращі продукти. Лінійна масштабованість ультразвуку та наявність надійного ультразвукового промислового обладнання роблять цю техніку цікавим рішенням для хімічного виробництва.

Скляний реактор для цільових і надійних процесів ультразвукової обробки

Ультразвукова скляна проточна комірка

Фазовий переносний каталіз

Фазовий переносний каталіз (PTC) є спеціальною формою гетерогенного каталізу та відомий як практична методологія для органічного синтезу. Використовуючи каталізатор фазового переносу, стає можливим розчиняти іонні реагенти, які часто розчинні у водній фазі, але нерозчинні в органічній фазі. Це означає, що PTC є альтернативним рішенням для подолання проблеми гетерогенності в реакції, в якій взаємодія між двома речовинами, розташованими в різних фазах суміші, пригнічується через неможливість реагентів зійтися. (Esen et al. 2010) Загальними перевагами фазового переносного каталізу є невеликі зусилля для підготовки, прості експериментальні процедури, м’які умови реакції, високі швидкості реакції, високі селективності та використання недорогих та екологічно безпечних реагентів, таких як четвертинні амонієві солі, і розчинників, а також можливість проведення препаративних робіт у великих масштабах (Ooi et al. 2007).
Різноманітні реакції рідина–рідина та рідина–тверде тіло були інтенсифіковані та зроблені селективними за допомогою простих каталізаторів фазового переносу (PT), таких як чотирикомпонентні амонієві солі, поліетиленгліколь-400 тощо, які дозволяють переносити іонні частинки з водної фази в органічну фазу. Таким чином, проблеми, пов’язані з надзвичайно низькою розчинністю органічних реагентів у водній фазі, можуть бути подолані. У промисловості пестицидів та фармацевтичній промисловості PTC використовується широко і змінив основи бізнесу. (Sharma 2002)

Потужний ультразвук

Застосування потужного ультразвуку є добре відомим інструментом для створення надзвичайно дрібних емульсій. У хімії такі надзвичайно дрібні емульсії використовуються для посилення хімічних реакцій. Це означає, що міжфазна контактна площа між двома або більше незмішуваними рідинами стає драматично збільшеною і тим самим забезпечує кращий, більш повний та/або швидший перебіг реакції.
Для фазового переносного каталізу – так само як і для інших хімічних реакцій – потрібна достатня кінетична енергія для початку реакції.
Це має різноманітні позитивні ефекти щодо хімічної реакції:

Хімічна реакція, яка зазвичай не відбувається через її низьку кінетичну енергію, може бути запущена за допомогою ультразвукової обробки.
Хімічні реакції можуть бути прискорені за допомогою PTC, посилений ультразвуком.
Повне уникнення каталізатора фазового переносу.
Сировина може використовуватися ефективніше.
Побічні продукти можуть бути зменшені.
Заміна коштовної небезпечної сильної основи недорогою неорганічною основою.

Завдяки цим ефектам PTC є безцінною хімічною методологією для органічного синтезу з двох і більше незмішуваних реагентів: фазовий переносний каталіз (PTC) дозволяє використовувати сировину хімічних процесів ефективніше та виробляти більш економічно. Посилення хімічних реакцій за допомогою PTC є важливим інструментом для хімічного виробництва, який може бути драматично покращений за допомогою використання ультразвуку.

Кавітація в рідині

Приклади реакцій PTC, посилених ультразвуком

Синтез нових похідних N’-(4,6-дизаміщених-піримідин-2-іл)-N-(5-аріл-2-фуроїл)тіосечовини з використанням PEG-400 за ультразвукової обробки. (Ken et al. 2005)
Ультразвуково каталізований синтез мандельової кислоти за допомогою ФПК в іонній рідині демонструє значне підвищення виходу реакції за кімнатних умов. (Hua et al. 2011)
Kubo et al. (2008) повідомляють про ультразвуково каталізоване C-алкілування фенілацетонітрилу в безрозчинниковому середовищі. Ефект ультразвуку щодо прискорення реакції було пов’язано з надзвичайно великою міжфазною площею між двома рідкими фазами. Ультразвукова обробка забезпечує значно вищу швидкість реакції порівняно з механічним перемішуванням.
Ультразвукова обробка під час реакції чотирихлористого вуглецю з магнієм для генерації дихлоркарбену призводить до вищого виходу гем-дихлорциклопропану в присутності олефінів. (Lin et al. 2003)
Ультразвук прискорює реакцію Канніццаро p-хлорбензальдегіду за умов фазового перенесення. З трьох каталізаторів фазового перенесення – бензилтріетиламоній хлориду (TEBA), Алікуату та 18-краун-6 – які були випробувані Polácková et al. (1996), TEBA виявився найбільш ефективним. Ферроценкарбоксальдегід та p-диметиламінобензальдегід за подібних умов давали 1,5-діарил-1,4-пентадіен-3-они як основний продукт.
Lin-Xiao et al. (1987) показали, що поєднання ультразвукової обробки та ФПК ефективно сприяє генерації дихлоркарбену з хлороформу за коротший час з кращим виходом та меншою кількістю каталізатора.
Yang et al. (2012) досліджували «зелений» ультразвуково каталізований синтез бензил-4-гідроксибензоату з використанням 4,4′-біс(трибутиламоніометил)-1,1′-біфеніл дихлориду (QCl₂) як каталізатора. Використовуючи QCl₂, вони розробили новий подвійно-сайтовий каталіз фазового перенесення. Цей твердо-рідкий каталіз фазового перенесення (SLPTC) здійснювався як періодичний процес з ультразвуковою обробкою. За інтенсивної ультразвукової обробки 33% доданого Q2+, що містить 45,2% Q(Ph(OH)COO)₂ , перенеслося в органічну фазу для реакції з бензилбромідом, отже, загальна швидкість реакції підвищилася. Цю покращену швидкість реакції було отримано 0,106 min^-1 за ультразвукового опромінення потужністю 300W, тоді як без ультразвукової обробки спостерігалася швидкість 0,0563 min^-1 . Таким чином, було продемонстровано синергічний ефект подвійно-сайтового каталізатора фазового перенесення з ультразвуком у каталізі фазового перенесення.

Ультразвуковий лабораторний прилад UP200Ht забезпечує потужну ультразвукову обробку в лабораторіях.

Зображення 1: UP200Ht – потужний ультразвуковий гомогенізатор на 200 watts

Ультразвукове посилення асиметричної реакції фазового перенесення

З метою встановлення практичного методу асиметричного синтезу a-амінокислот та їхніх похідних Maruoka та Ooi (2007) досліджували «чи можна підвищити реакційну здатність N-спіро хіральних четвертинних амонієвих солей та спростити їхні структури. Оскільки ультразвукове опромінення забезпечує гомогенізацію, тобто дуже дрібні емульсії, воно значно збільшує міжфазну площу, на якій може відбуватися реакція, що може забезпечити суттєве прискорення швидкості в рідко-рідких реакціях фазового перенесення. Справді, ультразвукова обробка реакційної суміші 2, метилйодиду та (S,S)-нафтильної субодиниці (1 mol%) у толуолі/50% водному KOH при 0 degC протягом 1 h дала відповідний продукт алкілування з виходом 63% та 88%ee; хімічний вихід та енантиоселективність були порівнянними з тими, що отримані в реакції, проведеної простим перемішуванням суміші протягом восьми годин (0 degC, 64%, 90%ee).» (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

Покращені реакції перенесення фази за допомогою ультразвукової обробки

Схема 1: Ультразвукова обробка підвищує швидкість реакції під час асиметричного синтезу α-амінокислот [Maruoka et al. 2007]

Іншим типом реакції асиметричного каталізу є реакція Міхаеля. Приєднання за Міхаелем діетилового N-ацетил-аміномалонату до халкону позитивно впливає ультразвукова обробка, що призводить до збільшення виходу на 12% (з 72%, отриманих під час реакції без ультразвуку, до 82% за умов ультразвукової обробки). Час реакції в шість разів коротший під дією потужного ультразвуку порівняно з реакцією без ультразвуку. Енантіомерний надлишок (ee) не змінився і становив для обох реакцій – з ультразвуком і без нього – 40% ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) продемонстрували, що реакція Міхаеля халконів як акцепторів з різними активними метиленовими сполуками, такими як діетилмалонат, нітрометан, циклогексанон, етилацетоацетат та ацетилацетон як донори, каталізована KF/основним оксидом алюмінію, призводить до утворення аддуктів з високим виходом за коротший час під дією ультразвукового опромінення. В іншому дослідженні Li et al. (2002) показали успішний синтез халконів, каталізований KF-Al₂O₃.
Ці реакції фазового перенесення, описані вище, демонструють лише невелику частину потенціалу та можливостей ультразвукового опромінення.
Тестування та оцінка впливу ультразвуку на можливе покращення реакцій фазового перенесення є дуже простими. Лабораторні ультразвукові пристрої, такі як Hielscher UP200Ht (200 watts) та настільні системи, такі як Hielscher UIP1000hd (1000 watts), дозволяють провести перші випробування. (див. малюнки 1 і 2)

Покращене ультразвуком асиметричне приєднання Міхаеля (Натисніть, щоб збільшити!)

Схема 2: Асиметричне приєднання за Міхаелем діетил-N-ацетил-аміномалонату до халкону, активоване ультразвуком [Török et al. 2001]

Ефективне виробництво, конкурентоспроможне на хімічному ринку

Використовуючи ультразвуковий каталіз фазового перенесення, ви отримаєте одну або кілька корисних переваг:

ініціація реакцій, які інакше неможливі
збільшення виходу
скорочення використання дорогих безводних апротонних розчинників
зменшення часу реакції
нижчі температури реакції
спрощена підготовка
використання водного лужного металу замість алкоксидів лужних металів, амід натрію, гідрид натрію або металевого натрію
використання дешевшої сировини, особливо окисників
зміна селективності
зміна співвідношення продуктів (наприклад, O-/C-алкілування)
спрощена ізоляція та очищення
збільшення виходу за рахунок придушення побічних реакцій
просте лінійне масштабування до промислового рівня виробництва, навіть з дуже високою продуктивністю

UIP1000hd Настільний ультразвуковий гомогенізатор

Установка з 1000W ультразвуковим процесором, проточною коміркою, баком і насосом

Просте та безризикове тестування впливу ультразвуку в хімії

Щоб побачити, як ультразвук впливає на конкретні матеріали та реакції, спочатку можна провести випробування на можливість застосування в малих масштабах. Ручні або стаціонарні лабораторні пристрої потужністю від 50 до 400 watts дозволяють проводити ультразвукову обробку малих і середніх зразків у склянці. Якщо перші результати демонструють потенціал, процес можна розробити та оптимізувати на настільній установці з промисловим ультразвуковим процесором, наприклад UIP1000hd (1000W, 20kHz). Настільні ультразвукові системи Hielscher з потужністю від 500 watts до 2000 watts є ідеальними пристроями для R&D та оптимізації. Ці ультразвукові системи – розроблені для ультразвукової обробки в склянці та в потоці – забезпечують повний контроль над найважливішими параметрами процесу: амплітудою, тиском, температурою, в’язкістю та концентрацією.
Точний контроль параметрів дозволяє досягти точної відтворюваності та лінійної масштабованості отриманих результатів. Після тестування різних конфігурацій найкращу можна використовувати для безперервної роботи (24h/7d) в умовах виробництва. Опціональне PC-Control (програмний інтерфейс) також полегшує запис окремих випробувань. Для ультразвукової обробки горючих рідин або розчинників у небезпечних середовищах (ATEX, FM) доступний UIP1000hd у версії з сертифікатом ATEX: UIP1000-Exd.

Загальні переваги ультразвукової обробки в хімії:

Реакція може прискоритися або можуть знадобитися менш жорсткі умови, якщо застосовується ультразвукова обробка.
Періоди індукції часто значно скорочуються, як і екзотермічні ефекти, зазвичай пов’язані з такими реакціями.
Сонохімічні реакції часто ініціюються ультразвуком без потреби в добавках.
Кількість етапів, які зазвичай необхідні в синтетичному маршруті, іноді можна зменшити.
У деяких випадках реакцію можна спрямувати альтернативним шляхом.

Література / Посилання

Esen, Ilker et al. (2010): Каталізатори довголанцюгового дикатіонного фазового перенесення в реакціях конденсації ароматичних альдегідів у воді під ультразвуковим ефектом. Бюлетень Корейського хімічного товариства 31/8, 2010; Р. 2289-2292.
Hua, Q. et al. (2011): Синтез мигдальної кислоти, що стимулюється ультразвуком, шляхом каталізу фазового переносу в іонній рідині. В: Ультразвукова сонохімія Т. 18/5, 2011; Р. 1035-1037.
Лі, Ж.-Т. та ін (2003): Реакція Майкла, каталізована KF/основним оксидом алюмінію під ультразвуковим опроміненням. Ультразвукова сонохімія 10, 2003. Р. 115-118.
Lin, Haixa et al. (2003): Спрощена процедура отримання дихлорбену в результаті реакції чотирихлористого вуглецю та магнію за допомогою ультразвукового опромінення. В: Молекули 8, 2003; Р. 608 -613.
Lin-Xiao, Xu et al. (1987): Новий практичний метод отримання дихлорцебену шляхом ультразвукового опромінення та каталізу з фазовим переносом. В: Acta Chimica Sinica, т. 5/4, 1987; Р. 294-298.
Ken, Shao-Yong et al. (2005): Синтез похідних N’-(4,6-дизаміщеного піримідин-2-іл)-N-(5-арил-2-фуроїл)тіосечовини за умов міжфазного каталізу та ультразвукового опромінення і їхня біологічна активність. У: Indian Journal of Chemistry Vol. 44B, 2005; pp. 1957-1960.
Kubo, Masaki et al. (2008): Кінетика С-алкілування фенілацетонітрилу без розчинників за допомогою ультразвукового опромінення. Журнал хімічної інженерії Японії, том 41, 2008; Р. 1031-1036.
Maruoka, Keiji et al. (2007): Recent Advances in Asymmetric Phase-Transfer Catalysis. In: Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; pp. 4222-4266.
Mason, Timothy et al. (2002): Прикладна сонохімія: використання енергетичного ультразвуку в хімії та обробці. Вайлі-ВЧ, Вайнхайм, 2002.
Мірза-Агаян, М. та ін (1995): Вплив ультразвукового опромінення на асиметричну реакцію Майкла. Тетраедр: Асиметрія 6/11, 1995; Пп. 2643-2646.
Polácková, Viera et al. (1996): Ultrasound-promoted Cannizzaro reaction under phase-transfer conditions. In: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 3/1, 1996; pp. 15-17.
Шарма, М. М. (2002): Стратегії проведення реакцій у малому масштабі. Селективність інженерії та інтенсифікація процесів. В: Чиста і прикладна хімія, т. 74/12, 2002; Р. 2265-2269.
Török, B. et al. (2001): Asymmetric reactions in sonochemistry. Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001; pp. 191-200.
Wang, Maw-Ling et al. (2007): Каталітична епоксидація 1,7-октадієну з фазовим перенесенням за допомогою ультразвуку – кінетичне дослідження. В: Ультразвукова сонохімія Т. 14/1, 2007; Р. 46-54.
Ян, Х.-М.; Чу, В.-М. (2012): Каталіз фазового переносу за допомогою ультразвуку: зелений синтез заміщеного бензоату з новим двосайтовим каталізатором фазового перенесення в системі тверда рідина. В: Провадження з 14^th Конгрес Азіатсько-Тихоокеанської конфедерації хімічної інженерії APCChE 2012.

Пов’язані теми

Факти, які варто знати

Ультразвукові гомогенізатори тканин часто називають зондовими соникаторами, сонічними лізерами, ультразвуковими руйнівниками, ультразвуковими подрібнювачами, сонорупторами, сонифікаторами, сонічними демембраторами, руйнівниками клітин, ультразвуковими диспергаторами або розчинниками. Різні терміни зумовлені різноманітними застосуваннями, які можна реалізувати за допомогою ультразвукової обробки.