Síntesis orgánica verde
Demasiados. Sólo hablaré de ultrasonidos
Aunque los ultrasonidos han sido muy utilizados en medicina, soldadura industrial, purificación de materiales, hogar e incluso diversos campos de la química, como la química física, la química de polímeros, la química analítica, la química de cristales, etc., la sonoquímica es El término apareció hace mucho tiempo, pero no hay muchos estudios sobre síntesis orgánica. Hasta hace pocos años, con la progresiva popularización de los limpiadores ultrasónicos para su uso en laboratorios, la investigación en este campo se ha vuelto activa, despertando el interés de cada vez más químicos sintéticos. A juzgar por la tendencia en auge de los últimos años, la sonoquímica desempeñará un papel cada vez más importante en la química, al igual que la termoquímica, la fotoquímica y la química de alta presión. Algunas personas incluso piensan que la sonoquímica desempeñará un papel más importante que ellos, porque puede abarcar casi todo el campo de la química, desde la química de polímeros hasta la física química. El método es sencillo, los instrumentos utilizados son sencillos y fáciles de controlar, y se les debe prestar toda la atención.
Este artículo revisa la aplicación de métodos tradicionales y métodos ultrasónicos en síntesis orgánica.
1. El principio del ultrasonido.
Richards y Loomis fueron probablemente los primeros en descubrir los efectos químicos del ultrasonido. Estudiaron ondas sonoras de alta frecuencia (>: 280 kHz) en diferentes soluciones, sólidas y soluciones puras, y hubo algunos informes esporádicos posteriormente. . La investigación en esta área ha experimentado un auge en los últimos 20 años, pero hasta ahora, la razón por la que el ultrasonido puede producir efectos químicos aún no está clara. Una opinión generalmente aceptada [1] es que la cavitación puede ser la clave de los efectos químicos, es decir, la formación y colapso de microburbujas en medios líquidos y la consiguiente liberación de energía. La implosión instantánea causada por la cavitación tiene una fuerte onda de vibración, creando un ambiente de alta energía a corto plazo (calculado para alcanzar 2000-3000°C y cientos de atmósferas en un intervalo de tiempo de nanosegundos). Esta energía se puede utilizar para abrir enlaces químicos y promover reacciones. Al mismo tiempo, también pueden promover reacciones químicas a través de la absorción del sonido y efectos secundarios causados por las características de vibración del medio y el recipiente, como la emulsificación y los efectos térmicos macroscópicos. Un ejemplo destacado son las reacciones que involucran metales. Generalmente hay dos situaciones en las que los metales participan en las reacciones: primero, el metal se consume como reactivo durante la reacción; segundo, el metal se utiliza como catalizador de la reacción; En cualquier caso, la reactividad suele verse afectada por la contaminación de la superficie del metal, por lo que se debe limpiar antes de su uso. Por ejemplo, al preparar reactivos de Grignard, utilice yodo para eliminar la película de óxido en la superficie del magnesio. El efecto de las ondas ultrasónicas hace innecesario el lavado previo durante la reacción con el metal. También permite que los productos e intermedios formados en la superficie del metal se "limpien" a tiempo, manteniendo la superficie del metal "limpia", lo cual es mucho más. Más eficaz que la agitación mecánica ordinaria. Se pueden observar efectos similares en otros tipos de reacciones heterogéneas, e incluso pueden reemplazar al PTC en algunas reacciones donde se usa PTC. Sin embargo, la situación en una reacción homogénea es mucho más complicada, incluyendo: (1) los efectos mecánicos causados por la ruptura de las microburbujas causada por el ultrasonido (2) el ambiente de alta energía (alta temperatura, alta presión) generado cuando las microburbujas; ruptura (3) las sustancias activas generadas a partir de solventes o reactivos cuando estallan las burbujas, como iones y radicales libres, pueden producir productos diferentes si hay competencia entre iones y radicales libres [2]; . Los efectos únicos o combinados de estos efectos mejoran en gran medida el rendimiento de la reacción del sistema de reacción.
2. Aplicación de los ultrasonidos en síntesis orgánica
1. Oxidación
Aunque existen muchos estudios en esta área, existen pocas aplicaciones con fines sintéticos. La Tabla 1 enumera los resultados de varias reacciones de oxidación bajo la acción del ultrasonido.
En la preparación del oxidante de bismuto altamente activo [7], 1 no puede oxidarse directamente a 2 mediante N2O3, KMnO4, H2O2 o SeO2, porque 2 es inestable y el enlace C-Bi es demasiado débil, mientras que 2 se pueden utilizar preparados con éxito mediante método ultrasónico. Este oxidante puede oxidar fácilmente alcoholes primarios a aldehídos y alcoholes secundarios a cetonas con altos rendimientos.
2. Reacción de reducción
En muchas reacciones de reducción orgánica, se utilizan catalizadores metálicos u otros sólidos. El efecto de promoción de los ultrasonidos en tales reacciones es obvio, especialmente para algunas reacciones a gran escala. Reacciones de reducción en la producción industrial (como la hidrogenación catalítica del aceite de soja y del aceite de girasol).
Otro ejemplo es que el éster de 6-bromopenicilina y el zinc se pueden desbromar bajo la acción de ultrasonidos para obtener éster de penicilina con alto rendimiento [8].
Es más limpio, más eficiente y más económico que los reactivos de desbromación comúnmente utilizados n-Bu3SnH o Pd-C/H2.
Tabla 1 Reacción de oxidación promovida por ultrasonidos
Producción de productos y piezas correspondientes ()
KMnO4, hexano, agitar durante 5 horas.
Permanganato potásico, hexano, radiación ultrasónica 5h2 [3]
92
n-c7h 15-CH2 ohn-c7h 15-CH2 NO2 60 HNO 3, temperatura ambiente, revuelva durante 12h100 [4].
N-C7H15—COOH 60HNO3, temperatura ambiente, radiación ultrasónica 20min 100.
Ph2ch-Brph2c = oBrine::NaOCl (relación molar) = 1:20, radiación ultrasónica 2h93 [5].
Na2CO3*3/2H2O2, agitar durante 7h.
Na2CO3*3/2H2O2, radiación ultrasónica 1h48 [6]
88
Tabla 2 Reacción de reducción promovida por ultrasonidos
Productos correspondientes y parte salida()
? H3B*SMe2, THF, 25 ℃, 24 horas
H3B*SMe2, THF, 25 ℃, radiación ultrasónica 1H98 [9]
98
Aluminio Mercurio , THF-H2O, radiación ultrasónica 69 [10]
Cloruro de zinc-níquel (9:1), etanol-H2O (1:1), temperatura ambiente, radiación ultrasónica 2,5h 97[11] 0.
H2, paladio/carbono, metanol/ácido acético, radiación ultrasónica 43 [12]
Zn/HOAc, 15 °C, radiación ultrasónica 15 minutos 100 [13].
5α∶5β
=0.8∶1
3. Reacción de adición y reacciones relacionadas
Ultrasonido reacción de adición y reacciones relacionadas El Las aplicaciones en reacciones son muy amplias. La Tabla 3 enumera algunos ejemplos de reacciones. En la reacción posterior entre estireno y tetraacetato de plomo, las condiciones de reacción tienen una gran influencia en el producto [14], que es la suma de iones.
Para la reacción competitiva de los radicales libres, el 3 se produce por el mecanismo de los radicales libres, el 5 se produce por el mecanismo iónico y el 4 es el resultado de la interacción de estos dos mecanismos. El ultrasonido favorece los mecanismos de los radicales libres. A 50°C, después de la irradiación ultrasónica durante 65438 ± 0 h, el rendimiento de 3 fue de 38,7, mientras que se agitó durante 65438 ± 0 h, el rendimiento de 5 fue solo de 33,65438 ± 0.
Existen pocos informes sobre la introducción directa de átomos de F en alquenos. Esta reacción suele requerir algunas mercancías peligrosas, como F2, HF, complejo HF-piridina, hipofluorito de acetilo, etc. , y el funcionamiento requiere cuidados especiales. Pero en la siguiente reacción [15], los átomos de F pueden introducirse fácilmente en dobles enlaces si se utiliza radiación ultrasónica.
En la reacción de Simmons-Smith, la reacción es muy difícil sin zinc activado. El método clásico consiste en utilizar yodo o litio como activador, zinc y diyodometano para reaccionar con las olefinas. Debido a la repentina reacción exotérmica, es difícil de controlar. En 1982, Repic consiguió por primera vez mejorar la reacción. Utilizó ondas ultrasónicas para evitar el proceso de activación, lo que no sólo evitó la liberación repentina de calor, sino que también mejoró el rendimiento. Por ejemplo [16]
El rendimiento puede llegar a 91, mientras que el método habitual es solo 51. Este método se ha utilizado con éxito en la producción a gran escala y los resultados muestran que se pueden obtener resultados igualmente buenos incluso con láminas de zinc o incluso con varillas de zinc.
También se pueden utilizar métodos similares para establecer anillos de difosfato de ciclopropano [17].
En el primer paso, los ultrasonidos pueden aumentar el rendimiento del producto del 22% al 94%. En el segundo paso, el carbeno requiere n-butillitio o terc-butóxido de potasio recién preparado. Cuando se utilizó ultrasonido, el producto cuantitativo sólo se obtuvo utilizando un exceso de KOH y haloformo en hexano.
El ultrasonido puede promover la reacción de Diels-Alder y mejorar su regioselectividad [18]. Por ejemplo
Después de reflujo en benceno durante 8 horas, el rendimiento total es 15 (a:b = 1:1), mientras que después de 1 hora de irradiación ultrasónica, el rendimiento total es 76 (a:b = 5:1).
Thibaud et al. también informaron que el ultrasonido puede acelerar en gran medida la reacción de Diels-Alder del ciclopentadieno y la metil vinil cetona [19].
De manera similar, por ejemplo, el ultrasonido tiene un efecto similar en la reacción de cicloadición 1,3-dipolar [20]
En condiciones tradicionales de reacción de calentamiento, el rendimiento en 34 horas es 80, mientras que bajo irradiación ultrasónica, el rendimiento puede llegar a 81 en sólo 1 hora.
En las reacciones de deshalogenación-cicloadición, dado que a menudo intervienen metales sólidos, el uso de ultrasonidos suele favorecer mucho la reacción. Este método se ha aplicado con éxito en glicoquímica, p.
Bajo la acción de ondas ultrasónicas y el acoplamiento zinc-cobre, la reacción de hidrocarburos halogenados con mezclas α,β-insaturadas suele dar lugar a una reacción de adición.
Productos, pero los siguientes compuestos son productos de ciclopropanación y no tienen ningún efecto sobre mezclas α, β-insaturadas [22].
Tabla 3 Aplicación de ondas ultrasónicas en reacciones adicionales
Salida de productos y piezas correspondientes ()
Bromuro de tetrabutilamonio, radiación ultrasónica de 50 kHz, 2 h
Bromuro de tetrabutilamonio, agitar 11.7H98 [23]
Setenta y ocho
THF, zinc plata, reflujo
THF, zinc plata, temperatura ambiente , radiación ultrasónica 33,4 [24]
88,9
phcho brch 2coo et phch(oh)ch 2coo et a 25-30 ℃, polvo de zinc activado e I2, radiación ultrasónica durante 5 min .
Método tradicional, 12H98 [25]
61
CHCHCN
CH3(CH2)13OH CH3(CH2)13O(CH2) 2cn revuelva durante 2h.
Radiación ultrasónica, 2h 0 [26]
91,4
Cianuro/bisulfato de sodio, tolueno/H2O, radiación ultrasónica.
Cianuro/bisulfato de sodio, tolueno/H2O, agitar 94 [27]
40
4. Reacción de sustitución
A continuación. reacción [35], si se utilizan métodos convencionales, se requiere la presencia de 18-crown-6 y el rendimiento de la reacción durante más de 3 días es solo 35-70. Usando el método ultrasónico sin usar éter corona, el tiempo de reacción es de 2 a 4 horas y el rendimiento puede alcanzar más del 80%.
Una reacción interesante es la reacción del bromuro de bencilo con tolueno y KCN en presencia de Al2O3 [36]. Por ejemplo, el producto de sustitución de Friedel-Crafts de 83 se obtuvo mediante agitación mecánica, mientras que el producto de sustitución de ciano de 76 se obtuvo mediante irradiación ultrasónica. Parece haber aquí un "interruptor químico".
Tabla 4 Reacción de sustitución promovida por ultrasonidos
Salida de los productos y piezas correspondientes ()
PHC H2 br KCN PHC H2 cnh2o/KCN = 0,61, tolueno, Revuelva durante 24h55 [26].
H2O/KCN=0,6, tolueno, radiación ultrasónica, 6h 68.
RCOCl KCN RCOCN acetonitrilo, 50 ℃, radiación ultrasónica 70-85 [29].
Bromuro de tetrabutilamonio, dejar reposar 6h 29.
N-CH3(CH2)3Br KSCN CH3(CH2)3SCN bromuro de tetrabutilamonio, agitar durante 6h43 [30].
Bromuro de tetrabutilamonio, radiación ultrasónica 6h 62.
Br(CH2)4Br terc-butilcetona, benceno, agitar a 40°C durante 6 horas.
Terc-butilcetona, benceno, 40℃, radiación ultrasónica durante 6 horas.
28〔31〕
90
PhCCCl PhSO2H CuCO3 PhCSO2Ph Radiación ultrasónica 73 [32]
p-no 2 c 6h 4 cl phoh p-no 2 c 6h 4 oph bu 4 NBR, K2CO3, radiación ultrasónica 53,7 [33].
Zn (OAC) 2, (N-C8H17) 4NBR, 25 ℃, radiación ultrasónica convencional 65 [34].
Fácil de eliminar
5. Reacción de acoplamiento
La aplicación de ondas ultrasónicas en reacciones de acoplamiento también es muy común, especialmente en el acoplamiento de Ullmann. de la ecografía, se produce poca o ninguna reacción [37].
El ultrasonido también puede promover en gran medida el acoplamiento oxidativo del yodo a compuestos de metileno activos catalizados por Al2O3-KF, por ejemplo:
El rendimiento se puede aumentar de 65 a 86 [38].
Además, como el acoplamiento de clorosilano [39]
La reacción no se producirá sin ondas ultrasónicas.
El acoplamiento de cetonas α-insaturadas suele producir mezclas, pero bajo la acción de los ultrasonidos, el Zn reacciona con trimetilclorosilano y luego se hidroliza con Bu4NF para obtener pinacol con mayor rendimiento [40].
Temperatura ambiente, 2h, Estados Unidos 2*Bu4NF OHPhOHPh 50
6. Reacción de condensación
En la reacción de condensación de Claisen-Schmidt [41], el uso. de ondas ultrasónicas puede reducir la cantidad de catalizador C-200 y acortar el tiempo de reacción.
En una reacción típica de Azerton-Todd, las aminas, iminas y oximas se fosforilan fácilmente, pero los alcoholes no. Sin embargo, bajo la acción de los ultrasonidos, el alcohol también se puede fosforilar suavemente con un alto rendimiento [42].
Tabla 5 Aplicación de ondas ultrasónicas en reacciones de condensación
Salida de productos y piezas correspondientes ()
Método tradicional, 7 días
Radiación ultrasónica 15 minutos 60 [43]
91
Al2O3, ciclohexano, 80 ℃, radiación ultrasónica 24 h 90 [44]
EtCOOH PhX EtCOOPh KOH, polietilenglicol , irradiación ultrasónica durante 2 horas.
Agitación mecánica 2h 80〔45〕
Cuarenta y cuatro
N-metilpirrolidona, 65℃, 105 minutos.
N-metilpirrolidona, 65 ℃, radiación ultrasónica durante 60 minutos 48 [46]
79
Agitación durante 12 h
Radiación ultrasónica 0,75 h 43 [47]
75
Ph CHO (NH4) 2co3 NaCN 25 ℃, 4-10 días.
45 ℃, radiación ultrasónica durante 3 h 20 [48]
73,6
7. Reacción de desproporción
Reacción de Cannizzaro[ 49]
La reacción no puede ocurrir en las mismas condiciones sin ultrasonido.
8. Reacción de hidrólisis
(1) Hidrólisis de ésteres
El ultrasonido puede promover la hidrólisis de ésteres de ácidos carboxílicos, como [50]
El rendimiento del método de reflujo tradicional es de sólo 1,5 h.
En la industria, las reacciones de saponificación de algunas sustancias muy importantes, como los glicéridos, los aceites vegetales y las ceras de lana, pueden acelerarse significativamente mediante ultrasonidos. Estas reacciones heterogéneas se pueden realizar a temperaturas mucho más bajas que las utilizadas normalmente para evitar la decoloración en reacciones a alta temperatura.
(2) Desprotección de grupos hidroxilo fenólicos
El grupo terc-butildimetilsililo es uno de los grupos protectores más útiles para los grupos hidroxilo fenólicos, pero sus sistemas de desprotección existentes tienen algunas deficiencias. como el sistema KF-Al2O3 bajo la acción de ondas ultrasónicas, que pueden lograr mejores resultados.
Por ejemplo [51]
El rendimiento de Al2O3 ácido KF que reaccionó con acetonitrilo durante 48 horas a temperatura ambiente fue 82, y después de que Al2O3 se alcalinizó y se sometió a irradiación ultrasónica durante 45 minutos en las mismas condiciones, el el rendimiento fue de 865.438 ±0.
(3) Hidrólisis de nitrilos [52]
En la siguiente hidrólisis de nitrilos, el uso de ondas ultrasónicas no sólo puede aumentar el rendimiento, sino también evitar el uso de transferencia de fase. catalizadores.
Si Ar es naftilo, el rendimiento es 63 después de agitar a reflujo durante 6 horas, pero el rendimiento se puede aumentar a 98 después de cambiar la agitación a irradiación ultrasónica.
9. Otros
Preparación de compuestos organometálicos (1) difíciles de preparar
Para reactivos de Grignard que son difíciles de preparar, el ultrasonido puede ayudar en gran medida. acortar el tiempo de preparación, mejorar su actividad. El ultrasonido también se puede utilizar para preparar aluminio orgánico, estaño y otros compuestos, como [53, 54].
(2) Reacción de Wittig-Horner
Alcalino US R1R2CHR3
R=CO2R4, CN, SO2R5
Aunque se pueden obtener altos rendimientos Se obtienen utilizando métodos convencionales, pero los tiempos de reacción suelen ser largos. Cuando se utiliza ultrasonido, no sólo se puede acortar considerablemente el tiempo de reacción, sino que también se puede reducir la cantidad de catalizador y la reacción se puede llevar a cabo a temperatura ambiente [55, 56].
(3) Preparación de potasio coloidal
Muchas síntesis orgánicas valiosas requieren el uso de metales alcalinos. En uso, a menudo se utilizan diferentes medios para dispersarlo en partículas del tamaño de arena, o se adsorbe en Al2O3, SiO2, carbón o grafito, lo que lleva mucho tiempo y no es seguro. Luche et al. obtuvieron potasio coloidal mediante tecnología ultrasónica y lo utilizaron para la reacción de condensación de Dickmann [57]. El método específico consiste en utilizar ondas ultrasónicas para irradiar potasio en tolueno o xileno seco a aproximadamente 100 °C bajo la protección de gas argón. El color azul plateado aparecerá rápidamente después de unos minutos, las escamas de potasio rotas desaparecerán y se volverán finas. Se pueden obtener partículas suspendidas en el disolvente. Cuando se añadió potasio coloidal a una solución de tolueno que contenía octoato de dietilo a temperatura ambiente, el color azul desapareció en unos pocos minutos y se obtuvo 2-oxociclopentanocarboxilato de etilo 83.
(4) Conversión de la configuración de olefinas [58]
La presión de vapor de R-BR tiene una gran influencia en la reacción, y una mayor presión de vapor es beneficiosa para la reacción.
(5) Reacción de reordenamiento
En la siguiente reacción de desulfuración, incluso en un disolvente volátil, como etanol, y usando un limpiador ultrasónico de baja energía como fuente ultrasónica, la reacción Esto se puede llevar a cabo en su totalidad [59].
En la siguiente reacción de Arndt-Eistert [60], al utilizar radiación ultrasónica 2 a temperatura ambiente, el rendimiento fue de 92, mientras que el método tradicional requirió 2 horas y el rendimiento fue de 88.
(6) Preparación de complejos organometálicos [61]
(7) La formación de enlaces heteroátomo-metal es la siguiente:
Preparado de esta forma El La reactividad de la sal es mucho mayor que la de las sales preparadas mediante métodos comunes [62].
Otro ejemplo es que existe una unidad estructural útil en el anión bis(organofosfina), que se puede utilizar para preparar diferentes compuestos de mono o bisfosfina. Se puede obtener rompiendo el enlace P-Ph con el litio, lo que se acelera enormemente mediante ultrasonidos [63].
Tercero, conclusión
Se puede observar que la aplicación de los ultrasonidos en la síntesis orgánica ha sido muy extensa, y casi todas las reacciones tienen diferentes grados de promoción, pero no todos los estudios lo han hecho. un resultado positivo. Por ejemplo, en la siguiente reacción, usar tolueno como solvente no la promueve. Por ejemplo, usar agua como solvente tiene ligeros efectos secundarios (el rendimiento se reduce de 19 a 13). Al mismo tiempo, la ecografía no es eficaz para todas las reacciones. En la actualidad, la aplicación de la ecografía todavía carece de orientación teórica, pero el papel de la ecografía es obvio. Debido a limitaciones de espacio, no pudimos incluir toda la información en este documento. Este artículo tiene como objetivo informar a los químicos sintéticos sobre este nuevo enfoque de la síntesis orgánica. Este método tiene sus propias ventajas únicas y es muy sencillo de utilizar.
Tenemos razones para creer que en un futuro próximo, tanto en teoría como en aplicación, los métodos ultrasónicos florecerán y se convertirán en un medio importante en la investigación de la síntesis orgánica, y los instrumentos ultrasónicos también se convertirán en instrumentos comunes para los químicos sintéticos.