1.5.1 Reakcije brez uporabe topila
Reakcijam lahko pristopimo s pogoji brez uporabe topila, vendar je jasno, da je izbira primernega topila pomemben predpogoj, saj številne pretvorbe izvajamo v topilih, ker lahko tako vplivamo na reaktivnost, hitrost in selektivnost reakcije. [5]
Obst in König sta takole definirala štiri najpomembnejše funkcije, ki jih mora topilo izpolniti:
- da omogoči difuzijo reaktantov in katalizatorjev, saj s tem dosežemo homogene pogoje,
- da prejme, shranjuje in prenaša termično energijo, potrebno za kemijsko pretvorbo,
- da stabilizira prehodna stanja,
- da se z redčenjem izognemo nezaželenim stranskim reakcijam. [5]
Kljub temu, da se je uporaba topil v sintezni organski kemiji uveljavila kot standard, se je v zadnjem desetletju pojavilo veliko alternativnih zelenih metod, ki pa so prav tako uspešne ali celo boljše. Če uporabimo alternativni pristop k sintezni organski kemiji, lahko tako zmanjšamo toksičnost in možnosti nesreč ter možnih neželenih učinkov, ki bi jih konvencionalna topila lahko povzročala. [5]
1.5.2 Mehanokemijska aktivacija
Z mletjem dveh trdnih substanc ustvarjamo mehansko energijo, s katero porušimo kristalno strukturo in ustvarjamo tako imenovane »vroče točke«, kjer se molekulske vezi pričnejo cepiti zaradi njihovega vibracijskega vzbujanja. Poznamo več različnih načinov mletja. Najpogostejši in najcenejši je uporaba terilnice in pestila, obstajajo pa tudi dražji in bolj sofisticirani načini, kot so mletje visoke intenzitete in visoko hitrostno mletje s kroglicami. S slednjim lahko pod pogoji brez uporabe topila izvajamo znane reakcije, npr. Reformatsky, Luche, Biginelli in Sonogashira reakcijo.
[7]
Primer 1: Z uporabo terilnice in pestila, pod pogoji brez uporabe topila, je možno reducirati kiralni diketon regio- in enantioselektivno (shema 8). Kljub temu, da je izkoristek reakcije le 54%, je bil enantiomerni presežek 100%, kar je na konvencionalni način možno le pod ekstremnimi pogoji. [7]
Blaž Užmah Pretvorbe karbonilnih spojin pod zelenimi pogoji
8
Shema 8: Regio- in enantioselektivna pretvorba kiralnega diketona z uporabo NaBH4 pod pogoji brez uporabe topila
Primer 2: S trenjem in krogličnim mletjem lahko enostavno pretvorimo eksplozivne substituirane aromate in karbonilne spojine, npr. reakcija 3-butenala z 2,4-dinitro fenilhidrazinom (shema 9). Pri tej reakciji se dodajo mokri kristali, ki vsebujejo 50%
vode glede na težo, ker tako zmanjšamo možnost eksplozije. Reakcija poteče že pri 25-30°C v 10-20 minutah v stehiometrijskem razmerju. [9]
Shema 9: Reakcija 3-butenala z 2,4-dinitrofenilhidrazinom
1.5.3 Reakcije z uporabo mikrovalovnega segrevanja
Reakcije mikrovalovnega segrevanja delujejo na principu sevanja mikrovalov, ki jih molekule v reakciji abosrbirajo, kar vodi do hitrega lokalnega dviga temperature in posledično lažjega prenosa energije. Mikrovalovno segrevanje omogoča hitrejše segrevanje in poveča hitrost reakcije, zato reakcije potekajo z večjimi izkoristki, in je alternativna izbira konvencionalnem nehomogenem segrevanju. Reakcije lahko potekajo v bučkah ali epruvetah, tako v komercialno dostopnih mikrovalovnih pečicah, kot v sofisticiranih mikrovalovnih reaktorjih, večinoma pri 2450 MHz. [7]
Preprosta in hitra kondenzacija hidrazinov/hidrazidov in diaminov z 1,3-diketoni/β-ketoestri (shema 10), ki poteka brez topil ali katalizatorja in pod obsevanjem z mikrovalovi, vodi v nastanek pirazolov in diazepinov z visokimi izkoristki. [7]
Blaž Užmah Pretvorbe karbonilnih spojin pod zelenimi pogoji
9
Shema 10: Sinteza pirazolov in diazepinov brez uporabe topil in katalizatorjev
Tudi reakcija trdnih reaktantov lahko poteka nemoteno in je končana pod temperaturo tališča reaktantov s tvorbo evtektika (shema 11). [7]
Shema 11: Tvorba hidrazona brez uporabe topil in katalizatorja
1.5.4 Ultrazvočno obsevanje
Sonokemijske reakcije so v zadnjih desetletjih doživele porast, saj uporabljajo okolju prijazen energijski vir - ultrazvok. Pri reakcijah lahko v nekaterih primerih poteče uspešnejša pretvorba in selektivnost kot pri reakcijah, kjer ultrazvok ni prisoten. [7]
Sonokemijo lahko razdelimo na homo- in heterogene sisteme. Homogena deluje na radikalskem principu, kjer lokalizirana visoka temperatura povzroči kavitacijo, ki prekine kemijske vezi. Ta proces omogoča kratkoživim zvrstem, da reagirajo z drugimi zvrstmi. Heterogena deluje na podobnem principu kavitacije kot homogena, le da ta proizvede sunke tekočine, ki z veliko hitrostjo poškodujejo površino pri mestu trka in ga naredijo zelo reaktivnega. [7]
Heckova reakcija spajanja v ionskih tekočinah pod ultrazvočnim obsevanjem (shema 12) poteka hitreje, selektivno in bolj zeleno kot v polarnih topilih, kot sta N-metil-2-pirolidin ali N,N-dimetilformamid, prav tako reakcije ni treba izvajati pri temperaturi refluksa. [7]
Blaž Užmah Pretvorbe karbonilnih spojin pod zelenimi pogoji
10
Shema 12: Heckova reakcija izvedena v ionski tekočini in pod ultrazvokom
1.5.5 Fotokemija
Prednost fotokemijskih reakcij je ta, da jih lahko izvajamo pod pogoji brez topila in brez prisotnosti katalizatorja, saj ima svetloba, ki se absorbira, zadosti energije za kemijsko transformacijo kristaliničnih spojin. Reakcije lahko potekajo kot cikloadicije, ciklizacije, premestitve in izomerizacije. [5]
Pionirske reakcije so izvajali na sončni svetlobi, danes pa imamo na voljo žarnice, npr. ksenonova, pri katerih lahko svetlobo usmerimo skozi filter, s katerim lahko prepuščamo točno določeno valovno dolžino, ki poveča pretvorbo v produkt. S to svetlobo lahko v kristalih sprožimo iniciacijski proces, ki lahko poteka heterogeno ali homogeno. Pri prvem načinu reakcija poteka v notranjosti kristala, pri slednjem pa na površini. Na pretvorbo pa prav tako vpliva kontaktna geometrija, substituiranost, polarnost in izomerija kristalinične spojine. [5]
Karbonilne spojine lahko z obsevanjem s svetlobo intramolekularno ciklizirajo do dodatnega obroča zaradi tvorbe nove δ vezi. Takšnim reakcijam pravimo fotociklizacije. Njihova prednost je selektivna pretvorba v stereoizomer. Primer je fotociklizacija acetofenonskega derivata, kjer nastane cis-produkt (shema 13), v topilu pa reakcija ne poteče selektivno. [5]
Shema 13: Selektivna fotociklizacija do cis-produkta
Kljub temu, da lahko pri fotokemijskih reakcijah selektivno, brez topila sintetiziramo stereoizomerne kristale, ne smemo pozabiti na predpogoj, da morajo biti produkti molekule, ki tvorijo kristale. Prav tako ostaja fotokemija še zelo perspektivno področje za številne nove reakcije, ker mehanizmi fotoreakcij še niso popolnoma raziskani. [5]
Blaž Užmah Pretvorbe karbonilnih spojin pod zelenimi pogoji
1.6 Pregled pretvorb karbonilnih spojin pod zelenimi pogoji