التحلل العضوي هو استخدام جزيئات عضوية محددة يمكنها تسريع التفاعلات الكيميائية عن طريق التنشيط التحفيزي. على عكس الفئتين الرئيسيتين الأخريين من المحفزات ، المعادن العضوية والإنزيمات ، لا يتطلب التحلل العضوي استخدام المعادن أو الجزيئات المعقدة الكبيرة لتحقيق التنشيط التحفيزي. نظرا لكفاءتها وانتقائيتها ، فإن المحفزات العضوية ذات أهمية في الجهود المبذولة لتحقيق الكيمياء المستدامة. في الواقع ، يدعم التحلل العضوي العديد من المبادئ الرئيسية للكيمياء الخضراء ، مما يوفر توليفات أقل خطورة ، وكفاءة أكبر في استخدام الطاقة ، واقتصاد الذرة.
التحلل العضوي غير المتماثل مفيد لتحقيق الأشكال المتماثلة و / أو الديستريوميرية المرغوبة من المركبات ، والتي تعتبر مهمة بشكل خاص في التوليفات الصيدلانية. عادة ما تستمر التفاعلات باستخدام المحفزات العضوية عبر أربع آليات متميزة بناء على ما إذا كان المحفز يعمل كحمض لويس أو قاعدة لويس أو حمض برونستد أو قاعدة برونستيد. وبالتالي ، فإن نطاق التحلل العضوي واسع جدا ، مما يؤثر على العديد من فئات التفاعلات المختلفة.
يقدم هذا المستند التعريفي التمهيدي أمثلة من الأبحاث الحديثة التي راجعها الأقران والتي توضح كيف تساعد المعلومات المتعمقة والتحكم الدقيق الذي توفره تقنيات METTLER TOLEDO في دعم الكيمياء الخضراء والمستدامة عبر أربعة موضوعات مواضيعية:
هناك العديد من المزايا لاستخدام المحفزات العضوية في التوليفات اللولبية. تميل المحفزات العضوية إلى أن تكون جزيئات بسيطة وقوية نسبيا وغير مكلفة ومتاحة بسهولة. يمكن تصميم المحفزات العضوية لتكون فعالة في إنشاء متماثلات محددة. نظرا لأنها خالية من المعادن ، فإنها عادة ما تكون أقل سمية وتخلق نفايات أقل خطورة للتنظيف. تميل ظروف التفاعل المطلوبة لتحلل الأعضاء إلى أن تكون أقل تطرفا فيما يتعلق بدرجة الحرارة / الضغط ، وتكون المحفزات العضوية أقل حساسية للهواء والرطوبة من المحفزات العضوية المعدنية على سبيل المثال. وبالتالي ، فإن التحلل العضوي يحمل الكثير من الوعود لتحقيق الكيمياء المستدامة. المحفزات العضوية مفيدة جدا لأداء التوليفات التي يصعب أو يستحيل القيام بها بوسائل أخرى. على الرغم من أن المحفزات الأنزيمية نشطة للغاية وفعالة وانتقائية ، إلا أنها تميل إلى أن يكون لها نطاق محدود وتفضل تكوين متماثل واحد ، وهو ما قد لا يكون مقبولا.
فيما يتعلق بالعيوب ، فإن المحفزات العضوية ليست فعالة أو نشطة مثل التحفيز الأنزيمي. هذا يعني أن أحمال المحفز يجب أن تكون أعلى بكثير ، وتميل التفاعلات إلى أن تكون أبطأ ، وهناك مشكلات مرتبطة بالعمل لفصل المنتجات عن المحفز. وبالتالي ، فإن تحجيم التفاعلات القائمة على تحلل الأعضاء للتطبيقات الصناعية يمكن أن يكون أمرا صعبا. علاوة على ذلك ، تكون المحفزات العضوية أقل كفاءة من المحفزات العضوية المعدنية عندما تتطلب الكيمياء تنشيط الروابط الخاملة ، كما هو الحال في وظائف C-H. من المهم ملاحظة أنه ، من خلال البحث المعزز في الكيمياء الخضراء ، تبذل جهود كبيرة جارية في استخدام المعادن الوفيرة للأرض مثل الحديد لتحل محل المعادن الانتقالية الأكثر سمية أو باهظة الثمن ، وبالتالي التخفيف إلى حد ما من إحدى مزايا تحلل الأعضاء.
في عام 2000 ، صاغ البروفيسور ديفيد ماكميلان مصطلح "التحلل العضوي" لوصف استخدام الجزيئات العضوية شبه المتكافئة لتنشيط التفاعلات¹. في عام 2005 ، اقترح البروفيسور بنيامين ليست أنه يمكن تصنيف المحفزات العضوية بناء على آليتها ، أي أنها تعمل كأحماض أو قواعد لويس وأحماض أو قواعد برونستيد. ركزت بعض الأعمال السابقة في تطوير المحفزات الخالية من المعادن اللولبية على استخدام مركبات الأمين والكيتون. ومع ذلك ، كان هناك توسع كبير في البحث والتطوير للمحفزات العضوية على مدى السنوات العشرين الماضية. وتشمل هذه أيونات الإيمينيوم ، البيبيريدينات ، الإينامين ، 4-ثنائي ميثيل أمينوبيريدين (DMAP) ، 2-أمينو-2'-هيدروكسي-1،1'-بينافثيل (NOBIN) ، البرولين ، إيميدازوليدينون ، أملاح الثيازوليوم ، إينولات الأمونيوم ، واليوريا ، والثيوريا ، والفوسفين ، والكاربين ، والمحفزات العضوية القائمة على حمض الفوسفوريك. تم استخدام المحفزات العضوية لبعض فئات التفاعل الأكثر شيوعا ، بما في ذلك Diels-Alder و Freidel-Crafts و Mannich aminoalkylations وتفاعلات إضافة مايكل وتفاعلات aldol وما إلى ذلك. هناك الآلاف من المحفزات العضوية التي تم تصنيعها واستخدامها لمجموعة واسعة من فئات التفاعل.
1. إمبلر ، س. ، سانتورا ، إم ، وإنجلبريشت ، سي (2021 ، 6 أكتوبر). جائزة نوبل في الكيمياء تمنح للعلماء لأداة تبني محفزات أفضل. نيويورك تايمز. https://www.nytimes.com/2021/10/06/science/nobel-prize-chemistry.html
ينمو تطبيق التحلل العضوي بشكل كبير بسبب مزاياه المتأصلة. جزء من سبب هذا النمو هو نتيجة مباشرة لفهم متعمق للحركية والآليات والمسارات لهذه العمليات التحفيزية. مع التركيز بشكل أكبر على التطبيقات الصناعية لتحلل الأعضاء ، هناك حاجة متزايدة للمعلومات المتعلقة بتوسيع نطاق وتحسين ظروف التفاعل.
يتطلب الحصول على بيانات عالية الجودة لهذه القياسات تحكما دقيقا ودقيقا في معلمات / متغيرات التفاعل الأساسية ، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط ومعدل جرعات المادة المتفاعلة ومعدل التحريك. تستخدم المفاعلات الكيميائية الآلية EasyMax™ و OptiMax™ في المختبرات الأكاديمية والصناعية لهذا الغرض. تم توسيع قدرة EasyMax مؤخرا لتمكين التحكم الدقيق في درجات الحرارة المنخفضة التي تصل إلى -90 درجة مئوية ، وبالتالي توسيع مساحة التصميم للعمليات التحفيزية بشكل عام. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تجهيز EasyMax بقدرة قياس السعرات الحرارية (EasyMax HFCal) لقياس الخصائص الديناميكية الحرارية للتفاعل ولاعتبارات السلامة.
يسهل الضمان الذي يوفره التحكم الفائق في المفاعل الثقة في دقة قياس أنواع التفاعل التي تشمل الكواشف والمواد المتفاعلة وأنواع المحفزات والوسائط العابرة وشوائب المنتجات الثانوية. تعمل التجارب الغنية بالبيانات من التتبع في الموقع في الوقت الفعلي لأنواع التفاعل هذه على تسريع تطوير المعلمات الحركية ودعم آليات التفاعل المقترحة ، بما في ذلك الدورات التحفيزية. كما هو موضح في الأدبيات الكيميائية ، فإن التحليل الطيفي FTIR و Raman في الموقع وفي الوقت الفعلي هي طرق مثبتة جيدا لفهم متعمق للتفاعلات التحفيزية. تم تصميم ReactIR™ و ReactRaman™ خصيصا لتحليل التفاعل الكيميائي وتتميز بمجموعة من مجسات الإدخال وخلايا التدفق التي تتعامل مع نطاق درجة الحرارة والضغط الواسع المطلوب غالبا لتحقيقات التفاعل التحفيزي.
عندما يكون التحليل بواسطة الكروماتوغرافيا مطلوبا ، فإن EasySampler™ هي تقنية أخذ عينات آلية للحصول على عينات مضمنة ، وإخمادها ، وتخفيفها ، لعينات التفاعل. تسمح هذه التقنية باسترداد العينات في ظل ظروف التفاعل ، مما يلغي المشكلات المرتبطة بأخذ العينات اليدوية للكيمياء التي يتم إجراؤها في درجات الحرارة والضغوط و / أو التفاعلات الحساسة للهواء الصعبة. لتحليل HPLC عبر الإنترنت ، يمكن استخدام DirectInject-LC™ لفهم التفاعل والتبلور في الوقت الفعلي تقريبا. يحول أخذ عينات وحقن رد الفعل السريع المؤتمت بالكامل HPLC إلى تقنية جديدة قوية لمراقبة التفاعل عبر الإنترنت.
مفاعلات التخليق الآليEasyMax و OptiMax هي محطات عمل كيميائية مثالية للبحث والتطوير وتحسين المعلمات للتفاعلات العضوية. توفر محطات العمل التوليفية تحكما دقيقا في جميع متغيرات التفاعل تقريبا ، بما في ذلك تلك التي يتم إجراؤها في درجات حرارة مرتفعة أو شبه محيطة.
تمكن أنظمة ReactIR و ReactRaman العلماء من قياس اتجاهات التفاعل وملامحه في الوقت الفعلي ، مما يوفر معلومات محددة للغاية حول الحركية والآلية والمسارات وتأثير متغيرات التفاعل على الأداء. باستخدام التحليل الطيفي الجزيئي ، تتعقب هذه المحللات المواد المتفاعلة والكواشف والوسيطة والأنواع التحفيزية والمنتجات والمنتجات الثانوية لأنها تختلف أثناء التفاعل. Raman و FTIR طريقتان تكميليتان واعتمادا على الكيمياء التي تم فحصها ، لكل منهما نقاط قوتها الخاصة.
يوفر EasySampler أخذ عينات آلية مبرمجة مسبقا أو فورية للتفاعلات الكيميائية على تسلسل تفاعل كامل. يلتقط EasySampler تلقائيا عينات التفاعل ، ويروي العينات على الفور في ظروف التفاعل ، وأخيرا يخفف العينة إلى تركيز محدد من قبل المستخدم.
يمثل DirectInject-LC طفرة كبيرة في تحليل التفاعل الكيميائي ، حيث يوفر إمكانية تحليل الكروماتوغرافيا السائلة في الموقع في الوقت الفعلي. يسهل DirectInject-LC التحليل السريع في الموقع للعينات من خلال أخذ العينات والحقن المؤتمتة بالكامل ، مما يتيح المراقبة المستمرة لتقدم التفاعل.
شنيتزر ، ت. ، وينيمرز ، ه. (2020). تعطيل محفزات الأمين الثانوية عن طريق تفاعل ألدول - تحفيز الأمين في ظل ظروف خالية من المذيبات. مجلة الكيمياء العضوية ، 85 (12) ، 7633-7640. https://doi.org/10.1021/acs.joc.0c00665
يعلق المؤلفون على أن الأمينات اللولبية هي محفزات ممتازة لتفاعلات المحبة للكهرباء مع الكيتونات أو الألدهيدات ، ولكن هذه المنتجات الجانبية غير المرغوب فيها يمكن أن تعطيل المحفز عند مستويات محفز منخفضة جدا. للتحقيق في عملية إلغاء تنشيط محفزات الأمين ، استخدموا ثلاثي الببتيد الذي يحفز بشكل فعال تفاعلات الإضافة المترافقة لالألدهيدات والنيتروأوليفينات عند تحميل محفز يبلغ ≤1 مول٪. في تجاربهم ، استخدموا FTIR في الموقع (ReactIR) لتتبع معدلات التفاعل كدالة للوقت لتكوين منتج γ-nitroaldehyde في ظل ظروف تركيزات متفاوتة من المواد المتفاعلة وأحمال المحفز.
عند تحميل محفز بنسبة 1٪ أو 0.1٪ ، أدى أعلى تركيز لمادة بدء النيتروأوليفين إلى أعلى معدل تفاعل. ومع ذلك ، بالنسبة لكلا التحميلات المحفزة ، تباطأ المعدل بمرور الوقت. علاوة على ذلك ، لاحظوا أن أقل تركيز للنيتروأوليفين يوفر معدل تفاعل أعلى وأنه بعد 16 ساعة ، تم تشكيل المزيد من المنتج من خلال التفاعلات ذات التركيز المنخفض لمادة البداية. وذكروا أن المركب الذي يتشكل بمرور الوقت مع استمرار التفاعل يجب أن يقوم بإلغاء تنشيط المحفز.
من خلال مزيد من التحقيق ، قرروا أن تفاعل الألدول أدى إلى تعطيل المحفز عن طريق تكوين مركب وسيط خارج الدورة وأن التعطيل يكون أكبر عند تركيزات الركيزة العالية وأحمال المحفز المنخفضة. علاوة على ذلك ، فقد حققوا عوائد ممتازة عند تحميل محفز منخفض باستخدام محفز ببتيد انتقائي كيميائي للغاية. وعلقوا على أنه فيما يتعلق بإنتاجية المنتج ، فإن استخدام محفزات الأمين هذه ، والانتقائية الكيميائية ، والتفاعل ، والانتقائية التجسيمية أمر مهم. هذا مهم بشكل خاص عند النظر في التفاعلات الخالية من المذيبات المرغوبة للكيمياء المستدامة.
تشانغ ، ز. ، وليست ، ب. (2013). حركية تفاعل موكاياما ألدول المحفز بثاني كبريلفونيميد اللولبي. المجلة الآسيوية للكيمياء العضوية ، 2 (11) ، 957-960. https://doi.org/10.1002/ajoc.201300182
يعلق المؤلفون على أن تفاعل موكاياما ألدول هو طريقة فعالة ومثبتة لتطوير الجزيئات اللولبية. في العمل السابق ، طور المؤلفون السلفونيميدات اللولبية ، وهي أحماض برونستيد قوية ، وعندما يتم سليلها ، فهي محفزات حمض لويس عضوية ممتازة يمكنها تحفيز تفاعلات موكاياما ألدول مع انتقائية عالية علاوة على ذلك ، يذكرون أنهم حققوا في العديد من التحولات المحفزة بحمض لويس ويرغبون في تطوير المزيد من التبصر حول آلية هذه المحفزات العضوية. في البحث الذي تمت تغطيته في هذه المقالة ، أجروا دراسة حركية لتفاعل موكاياما ألدول المحفز بالسلفوناميد اللولبي عبر التحليل الحركي لتقدم التفاعل (RPKA) بناء على بيانات من تجارب ReactIR.
بناء على هذه التجارب ، قرروا أن معادلة المعدل لتفاعل موكاياما ألدول المحفز بواسطة ثاني سولفونيميد 4 يمكن وصفها ب المعدل = ك × [1] 0.55 × [2] × [4] وأن طاقة التنشيط هي 2.9 كيلو كالوري مول -1 ، بما يتفق مع ملاحظة أن التفاعل يسير بسرعة حتى في درجة حرارة منخفضة. علاوة على ذلك ، بناء على الحركية ، اقترحوا دورة تحفيزية قد تكون فيها حالة راحة المحفز مزيجا من المحفز السيليل (5) والألدهيد المرتبط بالمحفز (6).
تشانغ ، ز. ، باي ، إتش واي ، جوين ، ج. ، رابالاكوس ، سي ، فان جيميرين ، إم ، ليوتش ، إم ، كلوسمان ، إم ، وليست ، ب. (2016). التحلل العضوي لحمض لويس غير المتماثل الموجه بمضادات الأنيون من أجل السيانوسيليلة القابلة للتطوير للألدهيدات. اتصالات الطبيعة ، 7 (1). https://doi.org/10.1038/ncomms12478
أبلغ المؤلفون عن تطوير طريقة تحلل عضوي غير متماثل لحمض لويس لإزالة السيانوسيليل للألدهيدات باستخدام سيانيد ثلاثي ميثيل سيليل ومحفز مسبق لثنائي كبريلفونيميد اللولبي. نتيجة للنشاط العالي ، كانت الأحمال الحفازة من 0.05٪ إلى 0.005٪ فعالة في إنتاج منتج السيانوهيدريين المطلوب. أفاد المؤلفون أنه لوحظت فترة غير نشطة من المحفز يمكن أن يحدث بشكل عكسي عن طريق الماء. تم استخدام FTIR في الموقع لفهم هذا التطور بشكل أكبر وقدم نظرة ثاقبة حول دورة ما قبل التحفيز.
لمراقبة تركيز مادة متفاعلة الألدهيد ، تم تتبع نطاق الكربونيل 1703 سم -1 مقابل الوقت. ومن المثير للاهتمام ، أنه لم يلاحظ أي رد فعل لفترة من الزمن ، وبعد ذلك استمر التحول بسرعة كبيرة. اعتقد المؤلفون أن سبب فترة السكون قد يكون مرتبطا بالماء في خليط التفاعل ، وأثبت بروتوكول تجريبي لإضافة كميات خاضعة للرقابة من الماء إلى خليط التفاعل أن الماء كان مسؤولا بالفعل عن نقص النشاط عن طريق التحلل المائي للأنواع النشطة تحفيزيا. في العمل السابق الذي تفاعل فيه أسيتال سيليل كيتين مع الألدهيد في وجود محفز ثنائي كبريلفونيميد ، لم يلاحظ أي فترة نائمة. لقد اعتقدوا أن هذا قد يكون بسبب التفاعل العالي لأسيتال سيليل كيتين مع المحفز المسبق ، مما يجدد على الفور المحفز العضوي النشط لحمض لويس. لاختبار هذه الفرضية في العمل الحالي ، استخدموا كمية تحفيزية من سيليل كيتين أسيتال كمنشط ووجدوا أنه تم تجنب فترة السكون. بناء على مزيد من التجارب ، اقترحوا دورة ما قبل التحفيزية التي تعكس فترة السكون.