Phản ứng Diels-Alder được cải thiện sonochemically

Phản ứng Diels-Alder được sử dụng rộng rãi cho các syntheses hóa học, nơi liên kết carbon-carbon nguyên tử phải được hình thành. Siêu âm và tác dụng siêu hóa của nó có hiệu quả cao trong việc lái xe và thúc đẩy các phản ứng Diels-Alder dẫn đến năng suất cao hơn, giảm đáng kể thời gian phản ứng và đồng thời là một phần của hóa học xanh thân thiện với môi trường.

Phản ứng Diels-Alder tăng cường hóa học cho hóa học xanh

Các phản ứng Diels-Alder là phản ứng hóa học, trong đó liên kết giữa các nguyên tử carbon được hình thành. Phản ứng Diels-Alder được phân loại là cycloaddition được phép nhiệt [4 + 2] [4 + 2] [_π4_S + _π2_S]. Vì tổng hợp hữu cơ hỗ trợ siêu âm là một con đường tổng hợp xanh và hiệu quả, giúp tăng cường tỷ lệ phản ứng, năng suất và tính chọn lọc của các phản ứng, sonication là một kỹ thuật đơn giản và đáng tin cậy được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm và sản xuất công nghiệp. Thông thường, tuyến đường được thúc đẩy bằng sonochemical tạo điều kiện chuyển đổi hữu cơ ở điều kiện môi trường xung quanh, nếu không đòi hỏi điều kiện nhiệt độ và áp suất quyết liệt, giúp tiết kiệm chi phí năng lượng và biến tổng hợp hóa học thành một quy trình tiết kiệm.

Phản ứng Diels-Alder siêu âm sử dụng dung môi Eutectic sâu

Dung môi eutectic sâu (DES) là các dung dịch của axit Lewis hoặc Brønsted và các bazơ tạo thành hỗn hợp eutectic. Vì dung môi eutectic sâu không dễ cháy, có áp suất hơi thấp và độc tính, và thường được làm từ các hợp chất tự nhiên, chúng là một chất tiết kiệm, thay thế dung môi thân thiện với môi trường hơn. Siêu âm và dung môi eutectic sâu được biết là hoạt động hiệp đồng với nhau và do đó được sử dụng để tổng hợp hóa học cũng như trong chiết xuất siêu âm. Việc sử dụng dung môi eutectic sâu cũng có lợi trong các phản ứng Diels-Alder được thúc đẩy bằng siêu âm. Ví dụ, sonication được sử dụng để thúc đẩy phản ứng Diels-Alder sử dụng N-ethylmaleimide làm dienophile, thay đổi bản chất của diene trong dung môi eutectic sâu (DES) dưới cả sưởi ấm thông thường và kích hoạt siêu âm.
Sử dụng kích hoạt siêu âm kết hợp với dung môi eutectic sâu tỏ ra có lợi mang lại năng suất tốt trong thời gian phản ứng giảm đáng kể.

Phản ứng Diels−Alder được cải thiện siêu âm.
sơ đồ được điều chỉnh từ Marullo et al., 2020

Quy trình chung cho phản ứng Diels-Alder bằng DES và Sonication

Các phản ứng Diels-Alder được thúc đẩy bằng siêu âm được thực hiện bằng cách chèn đầu dò siêu âm (sonotrode / sừng) vào bình phản ứng. Sử dụng đầu dò siêu âm với đầu đường kính 0,5 cm, công suất đầu ra danh nghĩa là 70 W. Các phản ứng được thực hiện ở 40 ° C áp dụng chế độ inpulse sonication với chu kỳ ON 5 giây và 20 giây OFF. Phản ứng Diels-Alder tăng cường siêu âm cho năng suất tốt trong thời gian ngắn hơn nhiều so với trong điều kiện im lặng (lần lượt là 70 phút và 24 giờ đối với các phản ứng siêu hóa và im lặng).
Để đánh giá hiệu quả năng lượng của phản ứng Diels-Alder tăng cường hóa học, mức tiêu thụ năng lượng cho phản ứng Diels-Alder im lặng và siêu âm được thúc đẩy. Các tính toán đã cho mức tiêu thụ 35.094 kJ / g cho phản ứng im lặng và 28,4 kJ / g cho phản ứng hỗ trợ siêu âm (sừng siêu âm với công suất đầu ra lần lượt là năng lượng ròng 70 W). Điều này dẫn đến 99% năng lượng tiết kiệm cho phản ứng Diels-Alder do sonochemical điều khiển. Tất cả những quan sát này cho thấy mạnh mẽ rằng việc sử dụng kết hợp các dung môi eutectic sâu (DES) và chiếu xạ siêu âm là một phương pháp hiệu quả và tiết kiệm năng lượng cho các quá trình tổng hợp quan trọng như phản ứng Diels-Alder. (Marullo et al., 2020)

Tác dụng của các dung môi Eutectic sâu khác nhau kết hợp với Sonication

Kết quả tốt nhất cho phản ứng Diels-Alder được quảng bá siêu âm đã đạt được, khi các dung môi eutectic sâu [ChCl]: [Fru] và [TBACl]:[EG] được sử dụng làm dung môi. Sử dụng [ChCl]:[Fru] và [TBACl]:[EG] làm dung môi giảm đáng kể thời gian phản ứng cũng như cải thiện đáng kể năng suất (đối với [TBACl]:[EG] 73% và 87%, và cho [ChCl]: [Fru] 23 và 75% trong điều kiện im lặng và đông sinh, tương ứng).
Trong một số trường hợp, cụ thể là khi [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], và [AcChCl]:[EG] được sử dụng làm dung môi, năng suất có thể so sánh với những gì thu được trong điều kiện im lặng, nhưng tốc độ của quá trình hóa học vẫn được cải thiện đáng kể bằng sonication.
Sonication hoạt động rất tốt với áp suất hơi thấp và dung môi nhớt như chất lỏng ion (ILs) vì những điều kiện này tạo điều kiện cho việc tạo ra nhiều hiệu ứng cavitation inetnse hơn. Vì dung môi eutectic sâu có tính chất vật lý tương tự như chất lỏng ion, chúng có thể được sử dụng phù hợp kết hợp với siêu âm. Sự tương tác kết hợp của dung môi eutectic sâu (DES) và sonication làm giảm đáng kể nhu cầu năng lượng của phản ứng Diels-Alder. Sigmificant giảm thời gian phản ứng từ 24 h đến 70 phút có thể được quan sát thấy trong khi đủ khả năng năng suất rất tốt. Liên quan đến hiệu quả xử lý, điều này có nghĩa là việc sử dụng kết hợp các dung môi eutectic sâu (DES) và siêu âm cho phép xử lý một lượng vật liệu cao gấp 10 lần so với điều kiện im lặng. (Marullo et al., 2020)

Phản ứng diels-alder siêu âm của Oxabicyclic Alkenes

Wei và các đồng nghiệp (2004) đã chỉ ra rằng siêu âm thúc đẩy phản ứng Diels-Alder của furans thay thế với dienophiles phản ứng như dimethyl acetylenedicarboxylate (DMAD) và dimethyl maleate cung cấp cho alkenes oxabicyclic chức năng với năng suất tốt. Phản ứng siêu âm được thúc đẩy của furano đặc trưng Diels-Alder cycloaddition của furans 2 vinylic với DMAD được trang bị các alkenes oxabicyclic chức năng được trang bị cho năng suất tốt.

Phản ứng Cycloaddition cải thiện sonochemically

Bravo và các đồng nghiệp (2006) đã mô tả một loạt các cycloaddition sonochemical liên quan đến cyclopentadiene hoặc 1,3-cyclohexadiene với carbonyl dienophiles trong một chất lỏng ion dựa trên imidazolium như môi trường phản ứng. Họ đã chứng minh rằng siêu âm cải thiện hiệu quả các phản ứng cycloaddition này dẫn đến năng suất cao hơn và / hoặc giảm thời gian phản ứng khi so sánh với các phản ứng im lặng tương ứng. Ví dụ, đối với các α,β không bão hòa đơn giản như methyl vinyl ketone hoặc acrolein, tác động của kích hoạt siêu âm là rõ ràng. Ví dụ, methyl vinyl ketone làm tăng năng suất 89% trong vòng 1 h sonication nhẹ, trong khi phản ứng im lặng chỉ dành 52% trong cùng thời gian phản ứng.

Máy siêu âm ở mọi kích thước cho phản ứng Diels-Alder được quảng bá hóa học

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối các chất đồng nhất và thiết bị siêu âm loại đầu dò siêu âm hiệu suất cao để tích hợp vào các hệ thống hóa học như phản ứng tổng hợp và xúc tác. Máy siêu âm Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới như một công cụ đáng tin cậy để thúc đẩy, tăng cường, tăng tốc và cải thiện các phản ứng hóa học.
Hielscher Ultrasonics’ bộ xử lý siêu âm có sẵn ở bất kỳ kích thước nào từ các thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ đến bộ xử lý công nghiệp lớn cho các ứng dụng hóa học hàng loạt và dòng chảy. Điều chỉnh chính xác biên độ siêu âm – tham số quan trọng nhất cho các ứng dụng sonochemical – cho phép vận hành máy siêu âm Hielscher ở biên độ thấp đến rất cao và tinh chỉnh biên độ chính xác với 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 quy trình và ghi dữ liệu rất quan trọng đối với việc 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 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 mình từ xa từ bất cứ đâu.
Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ để tìm hiểu thêm về các chất đồng nhất siêu âm hiệu suất cao của chúng tôi có thể cải thiện phản ứng tổng hợp hữu cơ của bạn như phản ứng Diels-Alder, phản ứng Mannich hoặc bổ sung Michael trong số nhiều người khác!

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: