Các phản ứng Diels-Alder được cải thiện bằng hóa siêu âm
Phản ứng Diels-Alder được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hóa học khi cần hình thành liên kết cacbon-cacbon giữa các nguyên tử. Xử lý siêu âm và các hiệu ứng hóa siêu âm của nó có hiệu quả cao trong việc thúc đẩy và xúc tiến phản ứng Diels-Alder, mang lại hiệu suất cao hơn, rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng, đồng thời góp phần vào hóa học xanh thân thiện với môi trường.
Phản ứng Diels-Alder được tăng cường bằng hóa siêu âm phục vụ hóa học xanh
Phản ứng Diels-Alder là phản ứng hóa học trong đó các liên kết giữa các nguyên tử cacbon được hình thành. Phản ứng Diels-Alder được phân loại là phản ứng cộng vòng [4+2] được phép về mặt nhiệt [π4s + π2s]. Vì tổng hợp hữu cơ có hỗ trợ siêu âm là một phương pháp tổng hợp xanh và hiệu quả, giúp tăng tốc độ phản ứng, hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng, nên xử lý siêu âm là một kỹ thuật đơn giản, đáng tin cậy, được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm và sản xuất công nghiệp. Phương pháp được xúc tiến bằng hóa siêu âm thường tạo thuận lợi cho các chuyển hóa hữu cơ ở điều kiện môi trường xung quanh, trong khi nếu không có phương pháp này thì cần các điều kiện nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt. Điều này giúp tiết kiệm chi phí năng lượng và biến quá trình tổng hợp hóa học thành một quy trình an toàn hơn.
Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò như UP400St được sử dụng rộng rãi để tăng cường và đẩy nhanh các phản ứng hữu cơ như phản ứng Diels-Alder thông qua các hiệu ứng hóa siêu âm.
Phản ứng Diels-Alder bằng siêu âm sử dụng dung môi eutectic sâu
Dung môi eutectic sâu (DES) là các dung dịch axit và bazơ Lewis hoặc Brønsted tạo thành hỗn hợp eutectic. Vì dung môi eutectic sâu không dễ cháy, có áp suất hơi thấp và độc tính thấp, đồng thời thường được tạo từ các hợp chất tự nhiên, nên chúng là lựa chọn dung môi thay thế an toàn hơn và thân thiện hơn với môi trường. Xử lý siêu âm và dung môi eutectic sâu được biết là có tác dụng hiệp đồng, do đó được sử dụng trong tổng hợp hóa học cũng như chiết xuất bằng siêu âm. Việc sử dụng dung môi eutectic sâu cũng có lợi cho các phản ứng Diels-Alder được xúc tiến bằng siêu âm. Chẳng hạn, xử lý siêu âm được sử dụng để xúc tiến phản ứng Diels-Alder dùng N-ethylmaleimide làm chất ái đien, đồng thời thay đổi bản chất của đien trong dung môi eutectic sâu (DES) ở cả điều kiện gia nhiệt thông thường và hoạt hóa bằng siêu âm.
Việc sử dụng hoạt hóa bằng siêu âm kết hợp với dung môi eutectic sâu đã chứng tỏ có lợi, mang lại hiệu suất tốt trong thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể.
Phản ứng Diels−Alder được cải thiện bằng siêu âm.
sơ đồ được điều chỉnh từ Marullo và cộng sự, 2020
Quy trình chung cho phản ứng Diels-Alder sử dụng DES và xử lý siêu âm
Các phản ứng Diels-Alder được xúc tiến bằng siêu âm được thực hiện bằng cách đưa đầu dò siêu âm (sonotrode / đầu khuếch đại siêu âm) vào bình phản ứng. Khi sử dụng đầu dò siêu âm có đường kính đầu mút 0,5 cm, công suất đầu ra danh định là 70 W. Các phản ứng được thực hiện ở 40°C, áp dụng xử lý siêu âm ở chế độ xung với các chu kỳ BẬT 5 sec và TẮT 20 sec. Phản ứng Diels-Alder được tăng cường bằng siêu âm cho hiệu suất tốt trong thời gian ngắn hơn nhiều so với điều kiện không siêu âm (lần lượt là 70 min và 24 h đối với phản ứng hóa siêu âm và phản ứng không siêu âm).
Để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của phản ứng Diels-Alder được tăng cường bằng hóa siêu âm, mức tiêu thụ năng lượng của phản ứng Diels-Alder không siêu âm và phản ứng được xúc tiến bằng siêu âm đã được so sánh. Các phép tính lần lượt cho mức tiêu thụ là 35.094 kJ/g đối với phản ứng không siêu âm và 28,4 kJ/g đối với phản ứng có hỗ trợ siêu âm (đầu khuếch đại siêu âm có công suất đầu ra 70 W năng lượng thuần). Kết quả này tương ứng với mức tiết kiệm năng lượng 99% cho phản ứng Diels-Alder được thúc đẩy bằng hóa siêu âm. Tất cả những quan sát này cho thấy rõ rằng việc kết hợp dung môi eutectic sâu (DES) và chiếu 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 và cộng sự, 2020)
Tác động của các dung môi eutectic sâu khác nhau khi kết hợp với xử lý siêu âm
Kết quả tốt nhất đối với phản ứng Diels-Alder được xúc tiến bằng siêu âm đạt được khi các dung môi eutectic sâu [ChCl]:[Fru] và [TBACl]:[EG] được sử dụng làm dung môi. Việc sử dụng [ChCl]:[Fru] và [TBACl]:[EG] làm dung môi giúp rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng cũng như cải thiện đáng kể hiệu suất (đối với [TBACl]:[EG] là 73% và 87%, còn đối với [ChCl]:[Fru] là 23 và 75%, lần lượt ở điều kiện không siêu âm và điều kiện hóa siêu âm).
Trong một số trường hợp, cụ thể là khi [TBPCl]:[EG], [ChCl]:[Gly], và [AcChCl]:[EG] được sử dụng làm dung môi, hiệu suất tương đương với hiệu suất thu được ở điều kiện không siêu âm, nhưng tốc độ của quá trình hóa học vẫn được cải thiện đáng kể nhờ xử lý siêu âm.
Xử lý siêu âm rất hiệu quả với các dung môi nhớt có áp suất hơi thấp như chất lỏng ion (ILs), vì những điều kiện này tạo thuận lợi cho việc hình thành các hiệu ứng xâm thực mạnh hơn. Vì dung môi eutectic sâu có tính chất vật lý tương tự chất lỏng ion, nên chúng phù hợp để sử dụng kết hợp với xử lý siêu âm. Tác động kết hợp của dung môi eutectic sâu (DES) và xử lý siêu âm làm giảm đáng kể nhu cầu năng lượng của phản ứng Diels-Alder. Có thể quan sát thấy thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể từ 24 h xuống 70 min trong khi vẫn đạt hiệu suất rất tốt. Về hiệu quả quá trình, điều này có nghĩa là việc kết hợp dung môi eutectic sâu (DES) và xử lý siêu âm cho phép xử lý lượng vật liệu cao gấp 10 lần so với điều kiện không siêu âm. (Marullo và cộng sự, 2020)
Phản ứng Diels-Alder bằng siêu âm tạo anken oxabicyclic
Wei và cộng sự (2004) cho thấy phản ứng Diels–Alder được xúc tiến bằng siêu âm giữa các furan thế và các chất ái đien có hoạt tính cao như dimethyl acetylenedicarboxylate (DMAD) và dimethyl maleate tạo ra các anken oxabicyclic mang nhóm chức với hiệu suất tốt. Phản ứng cộng vòng Diels-Alder đặc hiệu vị trí của các 2-vinyl furan với DMAD, được xúc tiến bằng siêu âm, tạo ra các anken oxabicyclic mang nhóm chức với hiệu suất tốt.
Các phản ứng cộng vòng được cải thiện bằng hóa siêu âm
Bravo và cộng sự (2006) đã mô tả một loạt phản ứng cộng vòng hóa siêu âm giữa cyclopentadiene hoặc 1,3-cyclohexadiene với các chất ái đien carbonyl trong chất lỏng ion gốc imidazolium làm môi trường phản ứng. Họ chứng minh rằng xử lý siêu âm thực sự cải thiện hiệu quả các phản ứng cộng vòng này, mang lại hiệu suất cao hơn và/hoặc rút ngắn thời gian phản ứng so với các phản ứng không siêu âm tương ứng. Chẳng hạn, đối với các chất ái đien không no α,β đơn giản như methyl vinyl ketone hoặc acrolein, tác động của hoạt hóa bằng siêu âm rất rõ rệt. Ví dụ, methyl vinyl ketone cho hiệu suất 89% trong vòng 1 h xử lý siêu âm nhẹ, trong khi phản ứng không siêu âm chỉ đạt 52% trong cùng thời gian phản ứng.
Thiết bị siêu âm ở mọi quy mô cho các phản ứng Diels-Alder được xúc tiến bằng hóa siêu âm
Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối máy đồng nhất siêu âm dạng đầu dò hiệu năng cao cùng thiết bị hóa siêu âm để tích hợp vào các hệ thống hóa học như phản ứng tổng hợp và xúc tác. Các thiết bị siêu âm Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới như một công cụ đáng tin cậy để xúc tiến, tăng cường, đẩy nhanh và cải thiện các phản ứng hóa học.
Các thiết bị xử lý siêu âm của Hielscher Ultrasonics có đủ mọi quy mô, từ thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ đến thiết bị xử lý công nghiệp lớn cho các ứng dụng hóa học theo mẻ và dòng chảy. 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 các thiết bị siêu âm Hielscher ở biên độ từ thấp đến rất cao và tinh chỉnh biên độ chính xác theo 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 được tự động lưu vào thẻ SD tích hợp ngay khi thiết bị được bật.
Giám sát quá trình và ghi dữ liệu có vai trò quan trọng đối với việc liên tục tiêu chuẩn hóa quá trình và bảo đảm chất lượng sản phẩm. Bằng cách truy cập dữ liệu quá trình được ghi tự động, bạn có thể xem xét 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 điều khiển từ xa bằng trình duyệt, bạn có thể khởi động, dừng, điều chỉnh và giám sát thiết bị xử lý siêu âm của mình từ bất cứ đâu.
Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để tìm hiểu thêm về cách các máy đồng nhất siêu âm hiệu năng cao của chúng tôi có thể cải thiện các phản ứng tổng hợp hữu cơ của bạn như phản ứng Diels-Alder, phản ứng Mannich hoặc phản ứng cộng Michael cùng nhiều phản ứng khác!
Bảng dưới đây cho biết khả năng xử lý gần đúng của các thiết bị 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 máy đồng nhất siêu âm hiệu năng 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
- Salvatore Marullo, Alessandro Meli, Francesca D’Anna (2020): A Joint Action of Deep Eutectic Solvents and Ultrasound to Promote Diels-Alder Reaction in a Sustainable Way. ACS Sustainable Chem. Eng. 8, 2020. 4889-4899.
- Wei K, Gao H, Li WZ. (2004): Facile Synthesis of Oxabicyclic Alkenes by Ultrasonication-Promoted Diels-Alder Cycloaddition of Furano Dienes. Journal of Organic Chemistry 69(17), 2004. 5763-5765.
- Bravo, José; Lopez, Ignacio; Cintas, Pedro; Silvero, Guadalupe; Arévalo, María (2006): Sonochemical cycloadditions in ionic liquids. Lessons from model cases involving common dienes and carbonyl dienophiles. Ultrasonics Sonochemistry 13, 2006.. 408-414.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Suslick, Kenneth S.; Didenko, Yuri ; Fang, Ming M.; Hyeon, Taeghwan; Kolbeck, Kenneth J.; McNamara, William B.; Mdleleni, Millan M.; Wong, Mike (1999): Acoustic cavitation and its chemical consequences. In: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences Vol. 357, No. 1751, 1999. 335-353.
Những thông tin đáng biết
Hielscher Ultrasonics sản xuất máy đồng nhất siêu âm hiệu năng cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến công nghiệp.