Hielscher ультразвукова технологія

Ультразвуково-індукований і посилений фазопереносний каталіз

Ультразвук високої потужності добре відомий своїм внеском у різні хімічні реакції. Це так званий Сонохімія. Гетерогенні реакції - і особливо реакції переносу фази - є високо потенційними полями застосування для енергетичного ультразвуку. Через механічну та синхрохімічну енергію, що застосовується до реагентів, можна починати реакцію, швидкість реакції може бути значно покращена, а також більш високі показники переходів, більш високі врожаї, а кращі продукти можуть бути досягнуті. Лінійна масштабованість ультразвуку та наявність надійного ультразвукового Промисловий обладнання робить цю техніку цікавим рішенням для хімічного виробництва.
Glass reactor for targeted and reliable sonication processes

Ультразвукова стекловарна клітка

фазовий трансляційний каталіз

Каталіз фазового переносу (ПТК) - це особлива форма гетерогенного каталізу і відома як практична методика органічного синтезу. За допомогою каталізатора фазового переносу стає можливим розчинення іонних реагентів, які часто розчиняються у водній фазі, але нерозчинні у органічній фазі. Це означає, що ПТК є альтернативним рішенням для подолання проблеми неоднорідності в реакції, в якій взаємодія між двома речовинами, розташованими в різних фазах суміші, інгібується через неможливість об'єднання реагентів. (Esen et al., 2010). Загальними перевагами каталізу фазового перенесення є незначні зусилля для підготовки, прості експериментальні процедури, помірковані реакційні умови, висока швидкість реакції, висока селективність та використання недорогих і екологічно доброякісних реагентів, таких як четвертинний амоній солі та розчинники, а також можливість проведення великомасштабних препаратів (Ooi et al., 2007).
Різновиди рідинно-рідких та рідко-твердих реакцій інтенсифікувалися і робили вибірковими, використовуючи прості фазові (PT) каталізатори, такі як кваси, поліетиленгліколь-400 і т. Д., Що дозволяють перевести іонні види з водної фази на органічна фаза. Таким чином, можна подолати проблеми, пов'язані з надзвичайно низькою розчинністю органічних реагентів у водній фазі. У пестицидній та фармацевтичній галузях PTC широко використовується і змінило основи бізнесу. (Sharma 2002)

Ультразвук потужності

Застосування енергетичного ультразвуку є відомим інструментом для створення надзвичайно чудової емульсії. У хімії для поліпшення хімічних реакцій застосовують такі надзвичайно тонкорозмірні емульсії. Це означає, що міжфазна частина контакту між двома або більше несмішливими рідинами різко збільшується і, таким чином, забезпечує кращий, більш повний та / або більш швидкий хід реакції.
Для каталізу фазового перенесення – так само, як для інших хімічних реакцій - достатня кінетична енергія необхідна для початку реакції.
Це має різні позитивні ефекти щодо хімічної реакції:

  • Хімічна реакція, яка, як правило, не відбувається через низьку кінетичну енергію, може розпочатись ультразвуком.
  • Хімічні реакції можуть бути прискорені за допомогою ультразвукового ПТК.
  • Повне уникнення каталізатора фазового перенесення.
  • Сировина може бути використана більш ефективно.
  • Побічні продукти можуть бути зменшені.
  • Заміна витратної інтенсивної небезпечної сильної основи з недорогою неорганічною основою.

За цими ефектами ПТК є безцінною хімічною методологією для органічного синтезу з двох і більше несмішуваних реагентів: каталізатор фазового перенесення (ПТК) дозволяє більш ефективно використовувати сировину хімічних процесів та підвищити рентабельність. Поліпшення хімічних реакцій за допомогою ПТК є важливим інструментом хімічного виробництва, який можна покращити завдяки застосуванню ультразвуку.

Ultrasonic cavitation in a glass column

Кавітація в рідині

Приклади для ультразвукового підвищення ПТК-реакцій

  • Синтез нових похідних N '- (4,6-дизаміщеного піримідін-2-іл) -N- (5-арил-2-фуроіл) тіомочевини за допомогою ПЕГ-400 за допомогою ультразвуку. (Ken et al., 2005)
  • Ультразвуковий синтез мандолевої кислоти шляхом ПТК в іонній рідині свідчить про значне посилення при виході реакції при навколишніх умовах. (Hua et al., 2011)
  • Кубо та ін. (2008) повідомляє про ультразвуковому сприянні С-алкілування фенілацетонітрилу в середовищі без розчинників. Ефект ультразвуку для просування реакції пояснюється надзвичайно великою міжфазною зоною між двома рідкими фазами. Ультразвукова реакція призводить до набагато швидшої реакції, ніж механічне змішування.
  • Усунення при реакції тетрахлориду вуглецю з магнием для утворення дихлоркарбану призводить до більш високої врожайності гем-дихлороциклопропану в присутності олефінів. (Lin et al., 2003)
  • Ультразвук забезпечує прискорення реакції Каннідзаро Р.-хлорбензальдегід у умовах фазового переходу. З трифазних каталізаторів переносу – бензилтриетиламоній хлорид (ТЕБА), Алікват і 18-крона-6 -, які були випробувані Polakcká та ін. (1996 р.) Було визнано найбільш ефективним. Феррокенескарбальдегід та Р.-диметиламинобензальдегід давали, в аналогічних умовах, основний продукт як 1,5-діарил-1,4-пентадієн-3-одини.
  • Лінь-Сяо та співавт. (1987) показали, що комбінація ультразвуку і ПТК ефективно сприяє генерації дихлоркарбена з хлороформу у коротший час з кращим виходом і меншою кількістю каталізатора.
  • Ян та ін. (2012 р.) Досліджували зелений ультразвуковий синтез бензил-4-гідроксибензоат, використовуючи 4,4'-біс (трибутиламмоніометил) -1,1'-біфенілдихлорид (QCl2) як каталізатор. За допомогою QCl2, вони розробили новий двоетапний фазопереносний каталіз. Цей твердо-рідкий фазопереносний каталіз (SLPTC) проводився як пакетний процес із ультразвуком. Під інтенсивної ультразвукової обробкою 33% доданого Q2 +, що містить 45,2% Q (Ph (OH) COO)2 перейшов у органічну фазу, щоб реагувати з бензилбромідом, отже, загальна швидкість реакції була підвищена. Ця покращена швидкість реакції була отримана 0,106 хв-1 під 300 Вт ультразвукового опромінення, в той час як без ультразвукової обробки швидкість 0,0636 хв-1 спостерігався. Тим самим було продемонстровано синергетичний ефект каталізатора фазового переносу з двома ділянками з ультразвуковим методом при каталітичному фазовому переносі.
The ultrasonic lab device UP200Ht provides powerful sonication in laboratories.

Малюнок 1: UP200Ht - потужний ультразвуковий гомогенізатор потужністю 200 Вт

Ультразвукове поліпшення реакції асиметричного фазового перенесення

З метою встановлення практичного методу асиметричного синтезу а-амінокислот та їх похідних Маруока та Оой (2007) досліджували "чи можна підвищити ефективність реакції N-спіро-хіральних четвертинних амонієвих солей та спростити їх структури. Оскільки виробляється ультразвукове опромінення гомогенізація, тобто дуже добре емульсії, це значно збільшує міжфазну область, над якою може відбуватися реакція, що може забезпечити істотне прискорення швидкості в реакціях переносу рідинно-рідкої фази. Дійсно, ультразвуком реакційної суміші 2, метилйодиду та (S, S) -нафтілевої субодиниці (1 мол.%) У толуолі та 50% водному КОН при 0 ° С протягом 1 години давали відповідний продукт алкілування в 63% виграш з 88% ee; хімічний вихід і енантіоселективність були порівнянними з тими, що проводилися за реакції, проведеної шляхом простого перемішування суміші протягом восьми годин (0 ° С, 64%, 90% е). "(Maruoka et al., 2007, p. 4229)

Improved phase transfer reactions by sonication

Схема 1: Ультразвукова реакція підвищує швидкість реакції при асиметричному синтезі α-амінокислот [Maruoka et al. 2007]

Іншим типом реакцій асиметричного каталізу є реакція Майкла. Міхаель додавання діетилу н-ацетил-аміномалонат до халькону позитивно впливає на ультразвукове дослідження, що призводить до збільшення виходу до 12% (з 72%, отриманого під час тихої реакції до 82% при ультразвуку). Час реакції у шість разів швидше при енергетичному ультразвуку в порівнянні з реакцією без ультразвуку. Енантіомерний надлишок (ee) не змінився і був для обох реакцій - з і без ультразвуку - при 40% е. (Mirza-Aghayan et al., 1995)
Лі та ін. (2003) продемонстрував, що реакція Майкла на реакцію халконів як акцепторів з різними активними метиленовими сполуками, такими як діетилмалонат, нітрометан, циклогексанон, етилцетоацетат та ацетилацетон в якості донорів, що каталізуються KF / основним оксидом алюмінію, призводить до високої врожайності в короткі терміни при ультразвуку опромінення В іншому дослідженні Li et al. (2002) показали успішний ультразвуковий синтез хальконів, каталізованих KF-Al2О.3.
Наведені вище реакції ПТК показують лише невеликий діапазон потенціалу та можливостей ультразвукового випромінювання.
Тестування та оцінка ультразвуку щодо можливих покращень у ПТК дуже просто. Ультразвукові лабораторні пристрої, такі як Hielscher's UP200Ht (200 Вт) і система стендових систем, таких як Hielscher's UIP1000hd (1000 Вт) дозволяють перші випробування. (див. малюнки 1 і 2)
Ультразвукова поліпшена асиметрична добавка Майкла (натисніть, щоб збільшити!)

Схема 2: Ультразвукова асиметрична мікробна добавка діетил-N-ацетил-аміномалонату до халькони [Török et al. 2001]

Ефективне виробництво, що конкурує на хімічному ринку

Використовуючи каталізатор перетворення фаз ультразвуку, ви отримаєте прибуток від одного або декількох різних корисних переваг:

  • ініціалізація реакцій, які інакше неможливі
  • збільшення врожайності
  • відрізати дорогі, безводні, апротонні розчинники
  • зменшення часу реакції
  • нижчі температури реакції
  • спрощена підготовка
  • використання водного лужного металу замість алкоксидів лужних металів, аміду натрію, гідриду натрію або металевого натрію
  • використання дешевшої сировини, особливо окислювачів
  • зміна селективності
  • зміна співвідношення продуктів (наприклад, O- / C-алкилювання)
  • спрощена ізоляція та очищення
  • збільшення врожайності шляхом придушення побічних реакцій
  • простий, лінійний масштаб до рівня промислового виробництва, навіть при дуже високій пропускній здатності
Ультразвуковий гомогенізатор UIP1000hd

Налаштування з 1000 Вт ультразвуковим процесором, потік клітин, резервуар і насос

Просте та безризикове тестування ультразвукових ефектів в хімії

Щоб побачити, як ультразвук впливає на конкретні матеріали та реакції, перші техніко-економічні випробування можуть проводитися у невеликих масштабах. Ручні або стоячі лабораторні пристрої в діапазоні від 50 до 400 Вт дозволяють обробляти ультразвуком зразки малого та середнього розміру в склянці. Якщо перші результати показують потенційні досягнення, процес може бути розроблений та оптимізований у стенді з використанням промислового ультразвукового процесора, наприклад UIP1000hd (1000 Вт, 20 КГц). Ультразвукові системи стендових систем Hielscher 500 ват до 2000 Вт є ідеальними пристроями для R&D та оптимізація. Ці ультразвукові системи - призначені для скляної та внутрішньої обробки ультразвуком – дати повний контроль над найважливішим параметром процесу: амплітуда, тиск, температура, в'язкість і концентрація.
Точний контроль за параметрами дозволяє для точна відтворюваність і лінійна масштабованість отриманих результатів. Після тестування різних налаштувань конфігурація, яка вважається найкращою, може використовуватися для безперервної роботи (24h / 7d) у виробничих умовах. Додатковий ПК-контроль (програмний інтерфейс) також полегшує запис окремих випробувань. Для ультразвукової обробки легкозаймистих рідин або розчинників у небезпечних середовищах (ATEX, FM) UIP1000hd доступний у ATEX-сертифікованій версії: UIP1000-Exd.

Загальні переваги ультразвукового дослідження в хімії:

  • Реакція може бути прискорена або менш примушувати умови можуть бути необхідні, якщо застосовується ультразвукова обробка.
  • Індукційні періоди часто суттєво зменшуються, як і екзотермія, яка зазвичай пов'язана з такими реакціями.
  • Сонохімічні реакції часто ініціюються ультразвуком без необхідності додавання.
  • Часто кількість кроків, які зазвичай потрібна синтетичному маршруту, може бути зменшена.
  • У деяких ситуаціях реакція може бути спрямована на альтернативний шлях.

Зв'яжіться з нами / Запитуйте додаткову інформацію

Розкажіть нам про ваших вимогах до обробки. Ми будемо рекомендувати найбільш підходящі налаштування та параметри обробки для вашого проекту.





Будь ласка, зверніть увагу на наші Політика конфіденційності.


Література / Довідники

  1. Esen, Ilker et al. (2010): Каталізатори фазового перенесення з довгими ланцюгами у реакціях конденсації ароматичних альдегідів у воді під ультразвуковим ефектом. Бюлетень Корейського хімічного товариства, 31/8, 2010; Стор. 2289-2292.
  2. Хуа, Q. et al. (2011 р.): Ультразвуковий синтез мандолкової кислоти шляхом каталізу фазового переходу в іонній рідині. В: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 18/5, 2011; Стор. 1035-1037.
  3. Li, J.-T. та ін. (2003): Реакція Майкла, каталізувана KF / основним оксидом алюмінію при опроміненні ультразвуком. Ультрасоніка Sonochemistry 10, 2003. pp. 115-118.
  4. Лінь, Хайша та ін. (2003): Процедурна схема генерації діхлоркокарбену з реакції тетрахлориду вуглецю та магнію за допомогою ультразвукового випромінювання. В: Молекули 8, 2003; с. 608 -613.
  5. Лінь-Сяо, Сюй та ін. (1987): новітній практичний спосіб створення дихлорцебену за допомогою ультразвукового опромінення та каталізу фазового переносу. В: Acta Chimica Sinica, Vol. 5/4, 1987; Стор. 294-298.
  6. Кен, Шао-Юн та ін. (2005): Каталізований синтез фазового переносу при ультразвуковому опроміненні та біоактивності похідних N '- (4,6-дизаміщеного піримідін-2-іл) -N- (5-арил-2-фуроіл) тіомочевини. В: Індійський журнал з хімії Vol. 44B, 2005; с. 1957-1960.
  7. Кубо, Масакі та ін. (2008 р.): Кінетика без СО-алкилювання фенілацетонітрилу без розчинників за допомогою ультразвукового опромінення. Journal of Chemical Engineering, Японія, Vol. 41, 2008; Стор. 1031-1036.
  8. Маруока, Кейджі та співавт. (2007): Останні досягнення в асиметричному каталітичному переносі фаз. В: Angew. Хімія Інт. Ред., Том. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; С. 4222-4266.
  9. Мейсон, Тімоті та співавт. (2002): Прикладна сонохімія: використання ультразвукового утилізації в хімії та обробці. Вілей-ВЧ, Вайнхайм, 2002.
  10. Мірза-Агаян, М. та ін (1995): Вплив ультразвукового випромінювання на асиметричну реакцію Майкла. Тетраедр: асиметрія 6/11, 1995; Стор. 2643-2646.
  11. Поляцкова, Вієра та ін. (1996 р.): Ультразвукова реакція Каннідзаро в умовах фазового переміщення. В: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 3/1, 1996; с. 15-17.
  12. Шарма М.М. (2002): Стратегії проведення реакцій у малому масштабі. Інженерність селективності та інтенсифікація процесу. In: Pure and Applied Chemistry, Vol. 74/12, 2002; Стор. 2265-2269.
  13. Török, B. et al. (2001): асиметричні реакції в сонохімії. Ультрасоніка Sonochemistry 8, 2001; Стор. 191-200.
  14. Ван, Ма-Лінг та ін. (2007): Каталітична епоксидація фазового переносу з ультразвуковим методом кінетичного дослідження 1,7-октадієну-А. В: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 14/1, 2007; С. 46-54.
  15. Ян Х.-М .; Чу, У.-М. (2012): Каталізатор фазового перенесення з ультразвуком: зелений синтез заміщеного бензоатного матеріалу з новим каталізатором фазового переносу з двома ділянками в твердотільних системах. В: Праці з 14го Азіатсько-Тихоокеанський Конфедерація Конгресу хімічних технологій APCChE 2012.


Факти варті знати

Гомогенізатори ультразвукових тканин часто називаються звукоізоляторами зонду, звуковими лаймерами, ультразвуковими руйнівниками, ультразвуковими шліфувальними машинами, соногруппою, синусонікою, звуковим дисемб'юстатором, розсіювачем клітин, ультразвуковим розсіювачем або розчинником. Різні умови обумовлені різними додатками, які можуть бути виконані при обробці ультразвуком.