Các phản ứng xúc tác hữu cơ được thúc đẩy bằng siêu âm
Trong hóa học hữu cơ, xúc tác hữu cơ là một dạng xúc tác trong đó tốc độ phản ứng hóa học được tăng lên nhờ một chất xúc tác hữu cơ. Chất “xúc tác hữu cơ” này gồm cacbon, hydro, lưu huỳnh và các nguyên tố phi kim khác có trong các hợp chất hữu cơ. Việc ứng dụng siêu âm công suất cao vào các hệ hóa học được gọi là hóa học siêu âm và là một kỹ thuật đã được công nhận rộng rãi để tăng hiệu suất, cải thiện tốc độ phản ứng và đẩy nhanh phản ứng. Khi xử lý bằng siêu âm, thường có thể chuyển đổi con đường phản ứng để tránh các sản phẩm phụ không mong muốn. Hóa học siêu âm có thể thúc đẩy các phản ứng xúc tác hữu cơ, giúp chúng hiệu quả hơn và thân thiện hơn với môi trường.
Xúc tác hữu cơ bất đối xứng – Được cải thiện bằng siêu âm
Hóa học siêu âm, tức việc ứng dụng siêu âm hiệu năng cao vào các hệ hóa học, có thể cải thiện đáng kể các phản ứng xúc tác hữu cơ. Xúc tác hữu cơ bất đối xứng kết hợp với xử lý siêu âm thường cho phép chuyển quá trình xúc tác hữu cơ sang một con đường thân thiện hơn với môi trường, qua đó thuộc phạm vi của hóa học xanh. Xử lý siêu âm đẩy nhanh phản ứng xúc tác hữu cơ (bất đối xứng) và mang lại hiệu suất cao hơn, tốc độ chuyển hóa nhanh hơn, việc tách/tinh chế sản phẩm dễ dàng hơn, cùng độ chọn lọc và khả năng phản ứng được cải thiện. Bên cạnh việc góp phần cải thiện động học và hiệu suất phản ứng, xử lý siêu âm thường còn có thể kết hợp với các dung môi phản ứng bền vững như chất lỏng ion, dung môi eutectic sâu, dung môi có tính ôn hòa, không độc hại và nước. Nhờ đó, hóa học siêu âm không chỉ cải thiện bản thân phản ứng xúc tác hữu cơ (bất đối xứng) mà còn hỗ trợ tính bền vững của các phản ứng xúc tác hữu cơ.
Xử lý siêu âm thúc đẩy các phản ứng xúc tác hữu cơ, giúp cải thiện tốc độ chuyển hóa, tăng hiệu suất và độ chọn lọc.
Đối với phản ứng được thúc đẩy bởi inidium, xử lý siêu âm cho thấy các tác dụng có lợi vì phản ứng được dẫn động bằng hóa học siêu âm diễn ra trong điều kiện ôn hòa hơn, qua đó duy trì độ chọn lọc đồng phân lập thể không đối quang cao. Khi sử dụng con đường hóa học siêu âm, đã đạt được kết quả tốt trong tổng hợp xúc tác hữu cơ các carbohydrat β-lactam, axit β-amino và spirodiketopiperazin từ lacton của đường, cũng như trong các phản ứng allyl hóa và Reformatsky trên ete oxim.
Tổng hợp dược phẩm bằng xúc tác hữu cơ được thúc đẩy bằng siêu âm
Rogozińska-Szymczak và Mlynarski (2014) báo cáo phản ứng cộng Michael bất đối xứng của 4-hydroxycoumarin vào các xeton không no α,β trên nước, không có đồng dung môi hữu cơ – được xúc tác bằng các amin hữu cơ bậc một và siêu âm. Việc sử dụng (S,S)-diphenylethylenediamine tinh khiết đối quang tạo ra một loạt hợp chất quan trọng có hoạt tính dược lý với hiệu suất từ tốt đến xuất sắc (73–98%) và độ chọn lọc đối quang tốt (lên đến 76% ee) thông qua các phản ứng được tăng tốc bằng siêu âm. Các nhà nghiên cứu trình bày một quy trình hóa học siêu âm hiệu quả để tạo thành chất chống đông máu warfarin ở cả hai dạng đối quang theo phương thức ‘chất rắn trên nước’. Phản ứng xúc tác hữu cơ thân thiện với môi trường này không chỉ có thể mở rộng quy mô mà còn tạo ra phân tử dược phẩm mục tiêu ở dạng tinh khiết đối quang.
Xử lý siêu âm thúc đẩy phản ứng cộng Michael bất đối xứng của 4-hydroxycoumarin vào các xeton không no α,β trên nước, không có đồng dung môi hữu cơ.
Hình ảnh và nghiên cứu: ©Rogozińska-Szymczak và Mlynarski; 2014.
Epoxi hóa terpen bằng hóa học siêu âm
Charbonneau và cộng sự (2018) đã chứng minh việc epoxi hóa thành công các terpen dưới tác động của siêu âm. Quá trình epoxi hóa thông thường đòi hỏi sử dụng chất xúc tác, nhưng khi có siêu âm, quá trình epoxi hóa diễn ra mà không cần chất xúc tác.
Limonene dioxide là phân tử trung gian then chốt để phát triển polycarbonate có nguồn gốc sinh học hoặc polyurethane không dùng isocyanate. Xử lý siêu âm cho phép epoxi hóa các terpen mà không cần chất xúc tác trong thời gian phản ứng rất ngắn – đồng thời đạt hiệu suất rất tốt. Để chứng minh hiệu quả của quá trình epoxi hóa bằng siêu âm, nhóm nghiên cứu đã so sánh quá trình epoxi hóa limonene thành limonene dioxide bằng dimethyl dioxirane được tạo ra tại chỗ làm tác nhân oxy hóa, trong cả điều kiện khuấy trộn thông thường và xử lý siêu âm. Trong tất cả các thử nghiệm xử lý siêu âm, thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm Hielscher UP50H (50W, 30kHz) đã được sử dụng.
Epoxi hóa các terpen bằng phương pháp hóa siêu âm với hiệu suất rất cao (ví dụ: limonene dioxide, α-pinene oxide, β-pinene oxide, triepoxide, v.v.) bằng thiết bị siêu âm UP50H
hình ảnh và nghiên cứu: © Charbonneau và cộng sự, 2018
Thời gian cần thiết để chuyển hóa hoàn toàn limonene thành limonene dioxide với hiệu suất 100% dưới tác động của siêu âm chỉ là 4,5 min ở nhiệt độ phòng. Để so sánh, khi khuấy trộn thông thường bằng máy khuấy từ, thời gian cần thiết để đạt hiệu suất limonene dioxide 97% là 1,5 h. Quá trình epoxi hóa α-pinene cũng đã được nghiên cứu bằng cả hai kỹ thuật khuấy trộn. Quá trình epoxi hóa α-pinene thành α-pinene oxide dưới tác động của siêu âm chỉ cần 4 min với hiệu suất thu được là 100%, trong khi thời gian phản ứng theo phương pháp thông thường là 60 min. Đối với các terpen khác, β-pinene được chuyển hóa thành β-pinene oxide chỉ trong 4 min, còn farnesol cho hiệu suất triepoxide 100% trong 8 min. Carveol, một dẫn xuất của limonene, được chuyển hóa thành carveol dioxide với hiệu suất 98%. Trong phản ứng epoxi hóa carvone bằng dimethyl dioxirane, độ chuyển hóa đạt 100% trong 5 min, tạo ra 7,8-carvone oxide.
Những ưu điểm chính của quá trình epoxi hóa terpen bằng phương pháp hóa siêu âm là tính thân thiện với môi trường của tác nhân oxy hóa (hóa học xanh), cũng như thời gian phản ứng giảm đáng kể khi thực hiện quá trình oxy hóa này dưới tác động khuấy trộn bằng siêu âm. Phương pháp epoxi hóa này cho phép đạt độ chuyển hóa limonene 100% với hiệu suất limonene dioxide 100% chỉ trong 4,5 min, so với 90 min khi khuấy trộn theo phương pháp truyền thống. Hơn nữa, không tìm thấy các sản phẩm oxy hóa của limonene như carvone, carveol và ancol perrilyl trong môi trường phản ứng. Quá trình epoxi hóa α-pinene dưới tác động của siêu âm chỉ cần 4 min, cho hiệu suất α-pinene oxide 100% mà không oxy hóa vòng. Các terpen khác như β-pinene, farnesol và carveol cũng đã được oxy hóa, cho hiệu suất epoxide rất cao.
Thiết bị phản ứng được khuấy trộn bằng siêu âm với thiết bị siêu âm UP200St để tăng cường các phản ứng xúc tác hữu cơ.
Các hiệu ứng hóa siêu âm
Là một giải pháp thay thế cho các phương pháp cổ điển, các quy trình dựa trên hóa học siêu âm đã được sử dụng để tăng tốc độ của nhiều loại phản ứng, tạo ra sản phẩm trong điều kiện ôn hòa hơn với thời gian phản ứng giảm đáng kể. Các phương pháp này được mô tả là thân thiện với môi trường và bền vững hơn, đồng thời có độ chọn lọc cao hơn và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn cho các quá trình chuyển hóa mong muốn. Cơ chế của các phương pháp này dựa trên hiện tượng xâm thực âm, tạo ra các điều kiện áp suất và nhiệt độ đặc biệt thông qua sự hình thành, phát triển và sụp đổ đoạn nhiệt của các bọt khí trong môi trường lỏng. Hiệu ứng này cải thiện sự truyền khối và tăng dòng chảy rối trong chất lỏng, tạo thuận lợi cho các quá trình chuyển hóa hóa học. Trong các nghiên cứu của chúng tôi, việc sử dụng siêu âm đã giúp tạo ra các hợp chất với hiệu suất và độ tinh khiết cao trong thời gian phản ứng ngắn hơn. Những đặc điểm này đã làm tăng số lượng hợp chất được đánh giá trên các mô hình dược lý, góp phần đẩy nhanh quá trình tối ưu hóa từ hợp chất sàng lọc ban đầu thành hợp chất dẫn đường.
Nguồn năng lượng đầu vào cao này không chỉ có thể tăng cường các hiệu ứng cơ học trong các quá trình dị thể mà còn được biết là có khả năng tạo ra những kiểu phản ứng mới, dẫn đến sự hình thành các dạng chất hóa học ngoài dự kiến. Điều làm nên tính độc đáo của hóa học siêu âm là hiện tượng xâm thực đáng chú ý, tạo ra những hiệu ứng đặc biệt trong không gian cục bộ giới hạn của môi trường vi bọt nhờ các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp luân phiên, chênh lệch nhiệt độ rất lớn, lực cắt lớn và dòng chảy chất lỏng.
- Phản ứng Diels-Alder bất đối xứng
- Phản ứng Michael bất đối xứng
- Phản ứng Mannich bất đối xứng
- Phản ứng epoxi hóa Shi
- Phản ứng hydro hóa chuyển giao có xúc tác hữu cơ
Hệ thống siêu âm trên đường ống với UIP2000hdT (2000W, 20kHz) cho các phản ứng hóa học siêu âm, ví dụ để cải thiện các phản ứng xúc tác hữu cơ
Ưu điểm của các phản ứng xúc tác hữu cơ được thúc đẩy bằng hóa học siêu âm
Xử lý siêu âm ngày càng được sử dụng nhiều trong tổng hợp hữu cơ và xúc tác vì các hiệu ứng hóa học siêu âm giúp tăng cường đáng kể các phản ứng hóa học. Đặc biệt khi so với các phương pháp truyền thống (ví dụ: gia nhiệt, khuấy), hóa học siêu âm hiệu quả hơn, thuận tiện hơn và có thể được kiểm soát chính xác hơn. Xử lý siêu âm và hóa học siêu âm mang lại một số ưu điểm chính như hiệu suất cao hơn, độ tinh khiết của các hợp chất và độ chọn lọc cao hơn, thời gian phản ứng ngắn hơn, chi phí thấp hơn, cũng như sự đơn giản trong việc vận hành và thực hiện quy trình hóa học siêu âm. Những yếu tố có lợi này giúp các phản ứng hóa học có hỗ trợ siêu âm không chỉ hiệu quả hơn và an toàn hơn mà còn thân thiện với môi trường hơn.
Nhiều phản ứng hữu cơ đã được chứng minh là cho hiệu suất cao hơn trong thời gian phản ứng ngắn hơn và / hoặc trong điều kiện ôn hòa hơn khi được thực hiện bằng xử lý siêu âm.
Xử lý siêu âm cho phép thực hiện các phản ứng một bình đơn giản
Xử lý siêu âm cho phép khởi phát các phản ứng đa thành phần dưới dạng phản ứng một bình để tổng hợp các hợp chất đa dạng về cấu trúc. Các phản ứng một bình như vậy được đánh giá cao nhờ hiệu quả tổng thể cao và tính đơn giản, vì không cần phân lập và tinh chế các chất trung gian.
Tác động của sóng siêu âm đối với các phản ứng xúc tác hữu cơ bất đối xứng đã được ứng dụng thành công trong nhiều loại phản ứng, bao gồm xúc tác chuyển pha, phản ứng Heck, phản ứng hydro hóa, phản ứng Mannich, phản ứng Barbier và các phản ứng tương tự Barbier, phản ứng Diels-Alder, phản ứng ghép cặp Suzuki và phản ứng cộng Michael.
Tìm thiết bị siêu âm lý tưởng cho phản ứng xúc tác hữu cơ của bạn!
Hielscher Ultrasonics là đối tác đáng tin cậy của bạn về thiết bị siêu âm hiệu suất cao, chất lượng cao. Hielscher thiết kế, sản xuất và phân phối các đầu dò siêu âm, thiết bị phản ứng và đầu siêu âm dạng cốc tiên tiến nhất cho các ứng dụng hóa siêu âm. Tất cả thiết bị đều được sản xuất tại trụ sở của chúng tôi ở Teltow (gần Berlin), Đức, theo các quy trình được chứng nhận ISO và với độ chính xác của Đức để đạt chất lượng vượt trội.
Danh mục máy siêu âm Hielscher trải dài từ máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến thiết bị phản ứng siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp dành cho sản xuất hóa chất quy mô lớn. Các đầu dò (còn gọi là sonotrode, đầu khuếch đại siêu âm hoặc mũi siêu âm), đầu khuếch đại tăng cường biên độ và thiết bị phản ứng luôn có sẵn với nhiều kích thước và hình dạng. Các phiên bản tùy chỉnh cũng có thể được sản xuất theo yêu cầu của bạn.
Vì các bộ xử lý siêu âm của Hielscher Ultrasonics có đủ mọi kích thước, từ thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ đến bộ xử lý công nghiệp lớn cho các ứng dụng hóa học theo mẻ và dòng chảy, việc xử lý siêu âm hiệu suất cao có thể dễ dàng được triển khai trong bất kỳ hệ thống phản ứng nào. Khả năng điều chỉnh chính xác biên độ siêu âm – thông số quan trọng nhất đối với các ứng dụng hóa siêu âm – cho phép vận hành máy siêu âm Hielscher ở biên độ từ thấp đến rất cao và tinh chỉnh biên độ để đáp ứng chính xác các điều kiện xử lý siêu âm cần thiết của từng hệ phản ứng hóa học cụ thể.
Bộ phát siêu âm của Hielscher được trang bị phần mềm thông minh có chức năng tự động ghi dữ liệu. Tất cả các thông số xử lý quan trọng như năng lượng siêu âm, nhiệt độ, áp suất và thời gian đều được tự động lưu vào thẻ SD tích hợp ngay khi thiết bị được bật.
Việc giám sát quá trình và ghi dữ liệu có vai trò quan trọng đối với việc chuẩn hóa quá trình liên tục và chất lượng sản phẩm. Bằng cách truy cập dữ liệu quá trình được ghi tự động, bạn có thể xem lại các lần xử lý siêu âm trước đó và đánh giá kết quả.
Một tính năng thân thiện với người dùng khác là khả năng điều khiển từ xa qua trình duyệt của các hệ thống siêu âm kỹ thuật số của chúng tôi. Thông qua chức năng điều khiển từ xa qua trình duyệt, bạn có thể khởi động, dừng, điều chỉnh và giám sát bộ xử lý siêu âm của mình từ xa ở bất kỳ đâu.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để tìm hiểu thêm về cách các máy đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao của chúng tôi có thể cải thiện phản ứng tổng hợp sử dụng xúc tác hữu cơ của bạn!
- hiệu suất cao
- công nghệ tiên tiến nhất
- độ tin cậy và độ bền vững
- theo mẻ và trên dây chuyền
- cho mọi thể tích
- phần mềm thông minh
- các tính năng thông minh (ví dụ: ghi dữ liệu)
- rất dễ sử dụng và tiện lợi
- CIP (vệ sinh tại chỗ)
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| không áp dụng | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| không áp dụng | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Hielscher Ultrasonics sản xuất các máy đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- Domini, Claudia; Alvarez, Mónica; Silbestri, Gustavo; Cravotto, Giancarlo; Cintas, Pedro (2017): Merging Metallic Catalysts and Sonication: A Periodic Table Overview. Catalysts 7, 2017.
- Rogozińska-Szymczak, Maria; Mlynarski, Jacek (2014): Asymmetric synthesis of warfarin and its analogues on water. Tetrahedron: Asymmetry, Volume 25, Issues 10–11, 2014. 813-820.
- Charbonneau, Luc; Foster, Xavier; Kaliaguine, Serge (2018): Ultrasonic and Catalyst-Free Epoxidation of Limonene and Other Terpenes Using Dimethyl Dioxirane in Semibatch Conditions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 2018.
- Zhao, H.; Shen, K. (2016): G-quadruplex DNA-based asymmetric catalysis of michael addition: Effects of sonication, ligands, and co-solvents. Biotechnology Progress 8;32(4), 2016. 891-898.
- Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
- Martín-Aranda, Rosa; Ortega-Cantero, E.; Rojas-Cervantes, M.; Vicente, Miguel Angel; Bañares-Muñoz, M.A. (2002): Sonocatalysis and Basic Clays. Michael Addition Between Imidazole and Ethyl Acrylate. Catalysis Letters. 84, 2002. 201-204.
- Ji-Tai Li; Hong-Guang Dai; Wen-Zhi Xu; Tong-Shuang Li (2006): Michael addition of indole to α,β-unsaturated ketones catalysed by silica sulfuric acid under ultrasonic irradiation. Journal of Chemical Research 2006. 41-42.
Những điều đáng biết
Xúc tác hữu cơ là gì?
Xúc tác hữu cơ là một loại xúc tác trong đó tốc độ phản ứng hóa học được tăng lên nhờ sử dụng chất xúc tác hữu cơ. Chất xúc tác hữu cơ này có thể được cấu thành từ cacbon, hydro, lưu huỳnh và các nguyên tố phi kim khác có trong các hợp chất hữu cơ. Xúc tác hữu cơ mang lại nhiều ưu điểm. Vì các phản ứng xúc tác hữu cơ không cần chất xúc tác gốc kim loại nên chúng thân thiện hơn với môi trường và qua đó góp phần vào hóa học xanh. Các chất xúc tác hữu cơ thường có thể được sản xuất dễ dàng với chi phí thấp và cho phép thực hiện các lộ trình tổng hợp xanh hơn.
Xúc tác hữu cơ bất đối xứng
Xúc tác hữu cơ bất đối xứng là phản ứng bất đối xứng hoặc chọn lọc đối quang, chỉ tạo ra một dạng đối quang của các phân tử có tính thuận tay. Các chất đối quang là các cặp đồng phân lập thể có tính bất đối. Một phân tử có tính bất đối không thể chồng khít lên ảnh gương của nó, do đó ảnh gương thực sự là một phân tử khác. Ví dụ, việc tạo ra các chất đối quang cụ thể đặc biệt quan trọng trong sản xuất dược phẩm, trong đó thường chỉ một dạng đối quang của phân tử thuốc mang lại một tác dụng tích cực nhất định, còn dạng đối quang kia không có tác dụng hoặc thậm chí có hại.
Hielscher Ultrasonics sản xuất máy đồng nhất siêu âm hiệu năng cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.