Phản ứng xúc tác hữu cơ được thúc đẩy bởi sonication

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 bởi một chất xúc tác hữu cơ. Này “chất xúc tác hữu cơ” bao gồm cacbon, hydro, lưu huỳnh và các nguyên tố phi kim loại khác được tìm thấy trong các hợp chất hữu cơ. Ứng dụng siêu âm công suất cao vào các hệ thống hóa học được gọi là siêu âm và là một kỹ thuật được thiết lập tốt để tăng năng suất, cải thiện tốc độ phản ứng và tăng tốc độ phản ứng. Trong quá trình siêu âm, thường có thể chuyển đổi các con đường hóa học để tránh các sản phẩm phụ không mong muốn. Siêu âm hóa có thể thúc đẩy các phản ứng xúc tác hữu cơ làm cho chúng hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường.

Xúc tác hữu cơ không đối xứng – Cải thiện bởi Sonication

Sonochemistry, ứng dụng siêu âm hiệu suất cao vào các hệ thống 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 siêu âm thường cho phép chuyển đổi xúc tác hữu cơ sang lộ trình thân thiện với môi trường hơn, do đó thuộc thuật ngữ hóa học xanh. Sonication đẩy nhanh phản ứng hữu cơ (không đối xứng) và dẫn đến năng suất cao hơn, tỷ lệ chuyển đổi nhanh hơn, phân lập / tinh chế sản phẩm dễ dàng hơn, cải thiện tính chọn lọc và phản ứng. Bên cạnh việc góp phần cải thiện động học và năng suất phản ứng, siêu âm thường có thể được kết hợp với các dung môi phản ứng bền vững, chẳng hạn như chất lỏng ion, dung môi eutectic sâu, dung môi nhẹ, không độc hại và nước. Qua đó, siêu âm hóa không chỉ cải thiện phản ứng hữu cơ (bất đối xứng) mà còn hỗ trợ tính bền vững của các phản ứng xúc tác hữu cơ.

Nghiên cứu đã chỉ ra nhiều ví dụ khác nhau cho các phản ứng oragnocatalytic tăng cường sonchemical. Ví dụ, các phân tử DNA sợi kép như một giàn giáo chiral được sử dụng để lắp ráp các chất xúc tác lai kim loại-đại phân tử sinh học cho các phản ứng tổng hợp không đối xứng. Chất xúc tác dựa trên DNA G-quadruplex đã được áp dụng trong các phản ứng bổ sung Michael không đối xứng, Diels-Alder và Friedel-Crafts. (xem Zhao và Shen, 2018)
Đối với phản ứng được thúc đẩy bởi initium, sonication cho thấy tác dụng có lợi vì phản ứng điều khiển bằng sonchemical chạy trong điều kiện nhẹ hơn, do đó duy trì mức độ chọn lọc diastero cao. Sử dụng con đường siêu âm, kết quả tốt về tổng hợp xúc tác hữu cơ của carbohydrate β-lactam, axit amin β và spirodiketopiperazines từ đường lactone cũng như phản ứng allylation và Reformatsky trên oxime ethers đã đạt được.

Tổng hợp thuốc xúc tác hữu cơ được thúc đẩy bằng siêu âm

Rogozińska-Szymczak và Mlynarski (2014) báo cáo sự bổ sung bất đối xứng của Michael 4-hydroxycoumarin vào xeton không bão hòa α,β trên nước mà không có đồng dung môi hữu cơ – được xúc tác bởi các amin chính hữu cơ và sonication. Việc áp dụng enantiomeically tinh khiết (S, S) -diphenylethylenediamine tạo ra một loạt các hợp chất hoạt tính dược phẩm quan trọng với năng suất tốt đến tuyệt vời (73-98%) và với tính đối kháng tốt (lên đến 76% ee) thông qua các phản ứng tăng tốc bằng siêu âm. Các nhà nghiên cứu trình bày một giao thức sonochemical hiệu quả cho sự hình thành 'chất rắn trên nước' của warfarin chống đông máu ở cả hai dạng enantiomeric. Phản ứng xúc tác hữu cơ thân thiện với môi trường này không chỉ có thể mở rộng mà còn mang lại phân tử thuốc đích ở dạng tinh khiết đối kháng.

Sonochemical Epoxy hóa của Terpenes

Charbonneau et al. (2018) đã mô tả quá trình epoxy hóa thành công của tecpen dưới quá trình siêu âm. Quá trình epoxy hóa thông thường yêu cầu sử dụng chất xúc tác, nhưng với quá trình siêu âm, quá trình epoxy hóa chạy như phản ứng không có chất xúc tác.
Limonene dioxide là một phân tử trung gian quan trọng để phát triển polycarbonate dựa trên sinh học hoặc polyurethane nonisocyanate. Sonication cho phép epoxy hóa không có chất xúc tác của terpene trong thời gian phản ứng rất ngắn – đồng thời cho năng suất rất tốt. Để chứng minh hiệu quả của quá trình epoxy siêu âm, nhóm nghiên cứu đã so sánh quá trình epoxy hóa của limonene với limonene dioxide bằng cách sử dụng dimethyl dioxirane được tạo ra tại chỗ làm chất oxy hóa trong cả quá trình khuấy động thông thường và siêu âm. Đối với tất cả các thử nghiệm siêu âm, Máy siêu âm phòng thí nghiệm Hielscher UP50H (50W, 30kHz) đã được sử dụng.

Thời gian cần thiết để chuyển đổi hoàn toàn limonene thành limonene dioxide với năng suất 100% dưới sonication chỉ là 4,5 phút ở nhiệt độ phòng. So sánh, khi sử dụng khuấy thông thường bằng máy khuấy từ, thời gian cần thiết để đạt được năng suất limonene dioxide 97% là 1,5 giờ. Sự epoxid hóa của α-pinene cũng đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng cả hai kỹ thuật khuấy trộn. Epoxid hóa α-pinene thành oxit α-pinene dưới sonication chỉ cần 4 phút với năng suất thu được là 100%, trong khi so với phương pháp thông thường, thời gian phản ứng là 60 phút. Đối với các terpen khác, β-pinene được chuyển đổi thành oxit β-pinene chỉ trong 4 phút trong khi farnesol mang lại 100% triepoxide trong 8 phút. Carveol, một dẫn xuất limonene, đã được chuyển đổi thành carveol dioxide với năng suất 98%. Trong phản ứng epoxid hóa của carvone sử dụng dimethyl dioxirane, việc chuyển đổi là 100% trong 5 phút, tạo ra oxit 7,8-carvone.
Ưu điểm chính của quá trình epoxy hóa học terpene sonochemical là bản chất thân thiện với môi trường của tác nhân oxy hóa (hóa học xanh) cũng như giảm đáng kể thời gian phản ứng thực hiện quá trình oxy hóa này dưới sự khuấy trộn siêu âm. Phương pháp epoxid hóa này cho phép đạt được 100% chuyển đổi limonene với năng suất 100% limonene dioxide chỉ trong 4,5 phút so với 90 phút khi sử dụng khuấy truyền thống. Hơn nữa, không có sản phẩm oxy hóa của limonene, chẳng hạn như carvone, carveol và rượu perrilyl, được tìm thấy trong môi trường phản ứng. Quá trình epoxid hóa α-pinene dưới siêu âm chỉ cần 4 phút, mang lại 100% oxit α-pinene mà không bị oxy hóa vòng. Các terpen khác như β-pinene, farnesol và carveol cũng đã bị oxy hóa, dẫn đến năng suất epoxide rất cao.

Hiệu ứng sonochemical

Là một giải pháp thay thế cho các phương pháp cổ điển, các phác đồ dựa trên sonochemical đã được sử dụng để tăng tốc độ của nhiều loại phản ứng, dẫn đến các sản phẩm được tạo ra trong điều kiện nhẹ hơn với thời gian phản ứng giảm đáng kể. Các phương pháp này đã được mô tả là thân thiện với môi trường và bền vững hơn và có liên quan đến tính chọn lọc cao hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn cho các biến đổi mong muốn. Cơ chế của các phương pháp như vậy dựa trên hiện tượng xâm thực âm thanh, tạo ra các điều kiện áp suất và nhiệt độ độc đáo thông qua sự hình thành, tăng trưởng và sụp đổ đoạn nhiệt của các bong bóng trong môi trường lỏng. Hiệu ứng này cải thiện sự truyền khối lượng và tăng dòng chảy hỗn loạn trong chất lỏng, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình biến đổi hóa học. Trong các nghiên cứu của chúng tôi, việc sử dụng siêu âm đã dẫn đến việc sản xuất các hợp chất trong thời gian phản ứng giảm với năng suất và độ tinh khiết cao. Những đặc điểm như vậy đã làm tăng số lượng hợp chất được đánh giá trong các mô hình dược lý, góp phần đẩy nhanh quá trình tối ưu hóa chì.
Đầu vào năng lượng cao này không chỉ có thể tăng cường hiệu ứng cơ học trong các quá trình không đồng nhất mà còn được biết là gây ra các phản ứng mới dẫn đến sự hình thành các loài hóa học bất ngờ. Điều làm cho sonochemistry trở nên độc đáo là hiện tượng xâm thực đáng chú ý, tạo ra trong một không gian hạn chế cục bộ của môi trường bong bóng vi mô những tác động đặc biệt do các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ, chênh lệch nhiệt độ rất cao, lực cắt cao và dòng chất lỏng.

Ưu điểm của các phản ứng xúc tác hữu cơ được thúc đẩy bằng siêu âm

Siêu âm ngày càng được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ và xúc tác vì hiệu ứng siêu âm cho thấy sự tăng cường đáng kể của các phản ứng hóa học. Đặc biệt khi so sánh với các phương pháp truyền thống (ví dụ: đun nóng, khuấy), siêu âm hóa hiệu quả hơn, thuận tiện và có thể kiểm soát chính xác hơn. Sonication và sonochemistry mang lại một số lợi thế chính như năng suất cao hơn, tăng độ tinh khiết của các hợp chất và tính chọn lọc, thời gian phản ứng ngắn hơn, chi phí thấp hơn, cũng như sự đơn giản trong việc vận hành và xử lý quy trình sonochemical. Những yếu tố có lợi này làm cho các phản ứng hóa học được hỗ trợ bằng siêu âm không chỉ hiệu quả và tiết kiệm hơn mà còn thân thiện với môi trường hơn.
Nhiều phản ứng hữu cơ đã được chứng minh là mang lại năng suất cao hơn trong thời gian phản ứng ngắn hơn và / hoặc trong điều kiện nhẹ hơn khi được thực hiện bằng cách sử dụng siêu âm.

Siêu âm cho phép các phản ứng một nồi đơn giản

Sonication cho phép bắt đầu các phản ứng đa thành phần dưới dạng phản ứng một nồi cung cấp sự tổng hợp các hợp chất đa dạng về cấu trúc. Các phản ứng một nồi như vậy được đánh giá cao về hiệu quả tổng thể cao và tính đơn giản của chúng vì không cần phân lập và tinh chế các chất trung gian.

Tác dụng của sóng siêu âm đối với các phản ứng xúc tác hữu cơ bất đối xứng đã được áp dụng thành công trong các loại phản ứng khác nhau bao gồm xúc tác chuyển pha, phản ứng Heck, hydro hóa, phản ứng Mannich, phản ứng giống Barbier và Barbier, phản ứng Diels-Alder, phản ứng ghép nối Suzuki và bổ sung Micheal.

Tìm máy siêu âm lý tưởng cho phản ứng xúc tác hữu cơ của bạn!

Hielscher Ultrasonics là đối tác đáng tin cậy của bạn khi nói đến thiết bị siêu âm chất lượng cao, hiệu suất cao. Hielscher thiết kế, sản xuất và phân phối đầu dò siêu âm, lò phản ứng và sừng cốc hiện đại cho các ứng dụng siêu âm. Tất cả các thiết bị được sản xuất theo quy trình được chứng nhận ISO và với độ chính xác của Đức để có chất lượng vượt trội tại trụ sở chính của chúng tôi ở Teltow (gần Berlin), Đức.
Danh mục máy siêu âm Hielscher bao gồm từ máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến lò phản ứng siêu âm công nghiệp hoàn toàn cho sản xuất hóa chất quy mô lớn. Đầu dò (còn được gọi là sonotrodes, sừng hoặc đầu siêu âm), còi tăng áp và lò phản ứng có sẵn với nhiều kích cỡ và hình học. Các phiên bản tùy chỉnh cũng có thể được sản xuất theo yêu cầu của bạn.
Kể từ Hielscher Ultrasonics’ Bộ xử lý siêu âm có sẵn ở bất kỳ kích thước nào từ thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ đến bộ xử lý công nghiệp lớn cho các ứng dụng hóa học hàng loạt và dòng chảy, siêu âm hiệu suất cao có thể dễ dàng thực hiện vào bất kỳ thiết lập phản ứng nào. Điều chỉnh chính xác biên độ siêu âm – Thông số quan trọng nhất cho các ứng dụng sonochemical – cho phép vận hành máy siêu âm Hielscher ở biên độ từ thấp đến rất cao và tinh chỉnh biên độ chính xác theo các điều kiện quá trình siêu âm cần thiết của hệ thống phản ứng hóa học cụ thể.
Máy phát siêu âm của Hielscher có một phần mềm thông minh với giao thức dữ liệu tự động. Tất cả các thông số xử lý quan trọng như năng lượng siêu âm, nhiệt độ, áp suất và thời gian được tự động lưu trữ vào thẻ SD tích hợp ngay khi thiết bị được bật.
Giám sát quá trình và ghi dữ liệu rất quan trọng để tiêu chuẩn hóa quy trình liên tục và chất lượng sản phẩm. Bằng cách truy cập dữ liệu quá trình được ghi lại tự động, bạn có thể sửa đổi các lần chạy sonication trước đó và đánh giá kết quả.
Một tính năng thân thiện với người dùng khác là điều khiển từ xa trình duyệt của các hệ thống siêu âm kỹ thuật số của chúng tôi. Thông qua điều khiển trình duyệt từ xa, bạn có thể bắt đầu, dừng, điều chỉnh và giám sát bộ xử lý siêu âm của bạn từ xa từ bất cứ đâu.
Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ để tìm hiểu thêm về máy đồng nhất siêu âm hiệu suất cao của chúng tôi có thể cải thiện phản ứng tổng hợp oragnocatalytic của bạn!

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: