Zn/CH2I2
CH3(CH2)7 CH CH (CH2)7COOCH3CH2 CH2
OH
CHO + Br
H
- Tổng hợp enzyme
Một lĩnh vực khác được ứng dụng rất nhiều của siêu âm là sử dụng siêu âm để thúc đẩy enzym hoặc hoạt tính của tế bào. Nguồn năng lượng siêu âm có thể phá vỡ thành tế bào sinh học làm cho các chất bên trong đưọc giải phóng ra ngoài dung dịch. Ngoài ra, nó có thể làm biến đổi cấu trúc enzym.
Siêu âm có thể được sử dụng để kích thích huyền phù nấm men bánh mì, để cung cấp nguồn enzym sterol xyclaza rẻ tiền. Nấm men được xử lý trước ở 0oC xử dụng thanh siêu âm 20 KHz trong 2 giờ, phản ứng enzym xảy ra ở 37oC trong 12 giờ.
Nguồn gốc enzym Độ chuyển hóa Độ chuyển hóa chọn lọc
Nấm men nguyên khai 9,5 19
Nấm men xử lý trước (bằng siêu âm) 41,9 83,9 Bảng 1.1. Độ chuyển hóa squalen thành sterol bởi nấm men
Khi enzym được sử dụng trong tổng hợp 2 pha thì một trong những yêu cầu quan trọng là sự tạo nhũ hay mức độ đồng nhất trong hỗn hợp phải cao. Trong trường hợp này, siêu âm giúp hỗn hợp đồng nhất một cách hiệu quả kể cả khi sử dụng phối hợp các dung môi khác nhau. Chẳng hạn trong phản ứng tổng hợp peptit trong môi trường 75% nước, 25% dung môi hữu cơ ở 37oC, 12 giờ, bồn siêu âm 38 KHz đối chiếu với phương pháp thường ở cùng điều kiện:
Pha dung môi Khuấy Siêu âm
Dietyleter 71% 89%
Dầu hỏa nhẹ 12% 62%
Bảng 1.2. Độ chuyển hóa phản ứng tổng hợp peptit theo phương pháp thường và phương pháp siêu âm
siêu âm
Một ví dụ khác, nếu lựa chọn một điều kiện siêu âm thích hợp thì có thể làm cho vi sinh vật chuyển hóa cholesterol thành cholestenon. Điều kiện thích hợp cho quá trình chuyển hóa này là : xung siêu âm 2,8W trong thời gian từ 5 tới 10 phút, hiệu suất của quá trình lớn hơn trong điều kiện thường tới 40%.
HO
O enzyme
- Phản ứng chuyển pha
Hiện tượng tạo bọt trong siêu âm gây ảnh hưởng đến các hạt rắn ở dạng huyền phù là một hiệu ứng rất quan trọng trong các phản ứng dị thể lỏng – rắn dùng xúc tác chuyển pha. N-ankyliode với R Br (R có thể là CH3(CH2)11 ) trong dung môi toluen có mặt xúc tác rắn KOH đạt hiệu suất 19% trong 3 giờ. Phản ứng này dưới tác dụng của siêu âm thì hiệu suất đạt được 90% chỉ trong 80 phút.
Phản ứng trực tiếp giữa andehyt, KCN và NH4Cl trong dung môi acetonitril cho ra một hỗn hợp sản phẩm nhưng nếu có sự có mặt của alumina va siêu âm thì phản ứng sẽ đặc trưng hơn. Trong trường hợp của benzaldehyt thì hiệu suất mong muốn tạo aminonitril sẽ sút kém nếu phản ứng chỉđược khuấy thông thường ngoài ra còn có các sản phẩm phụ là benzon và hydroxlnitril. Nếu phản ứng có mặt huyền phù alumina trong acetonitril thì sẽ làm tăng tỉ lệ của aminonitril, nhưng kết quả phản ứng sẽ tốt nhất nếu tồn tại cả huyền phù alumina và siêu âm. Với điều kiện này, hiệu suất có thể đạt được 90% aminonitril. C O H CHOH + CHNH2 + CH CN CN OH C O N H N R RBr/KOH
Điều kiện phản ứng Cyanohydrin Benzoin Aminonitril
Khuấy 38 21 6
Khuấy + Al2O3 19 9 64
Siêu âm 45 22 23
Siêu âm + Al2O3 3 7 90
Bảng 1.3. Độ chuyển hóa phản ứng tổng hợp aminonitril theo các phương pháp khác nhau
Tuy nhiên không phải lúc nào siêu âm cũng cho kết quả tốt. Trong phản ứng tạo thành dichlo carbene bằng cách phản ứng trực tiếp giữa NaOH dạng bột và cloroform ở 40oC sử dụng bể siêu âm. Với những điều kiện tương tự styren có thể được cyclopropan hóa với hiệu suất 96% chỉ trong 1 giờ khi kết hợp cả siêu âm và khoáng Cd. Hiệu suất chỉ của phản ứng còn 38% trong 20 giờ nếu chỉ dùng siêu âm. Bới vì công suất của bồn siêu âm không đủ chuyển chất rắn vào trong cloroform.
- Phản ứng polymer hóa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Siêu âm được sử dụng để khơi mào cho phản ứng polymer hóa, nhờ các lỗ hổng sa lắng. Sự tạo bọt phụ thuộc vào việc có mặt hay không của khí trơ. Trong trường hợp không có khí trơ sẽ tạo thành các bọt không bền. Với sự hiện diện của khí bọt sẽ bền hơn. Trong điều kiện tạo bọt bền vững một số monomer có thể bị polymer hóa thành polymer có phân tử lượng cao. Dưới tác dụng của siêu âm năng lượng hoạt hoá của phản ứng polymer hóa giảm. Ở nhiệt độ cao sự tạo bọt kém hiệu quả hơn ở nhiệt độ thấp, vì vậy sự giảm năng lượng hoạt hóa của hệ sẽ kém hơn nhiệt độ thấp. Nhìn chung, độ chuyển hóa trong môi trường có siêu âm tăng khoảng 20%.
- Phản ứng depolymer hóa
Dung dịch cao phân tử của các polymer sẽ bị cắt thành các monomer dưới tác dụng của siêu âm có cường độ cao. Lĩnh vực này được ứng dụng từ rất sớm đế cắt mạch các polymer như: DNA, polyvinylalcol, xenlulo… Những nghiên cứu cho thấy, trong điều kiện tần số cao, quá trình depolymer hóa nhiệt pha hơi cho các sản phẩm như CO, CO2. Khi tần số thấp (20 KHz) và tồn tại khí trơ, quá trình depolymer hóa nhiệt bị ức chế và chỉ xảy ra trên liên kết C-C. Sự depolymer hóa xảy ra do tác dụng của lực thủy động được sinh ra trong chất lỏng gần các lỗ trống sa lắng của bọt. Bằng
chứng để chứng minh cơ chế này là quá trình depolymer hóa sẽ không xảy ra ở ngưỡng tạo bọt thấp và tốc độ depolymer hóa tăng khi giảm nhiệt độ.
- Một số phản ứng khác
Siêu âm được sử dụng để thúc đẩy phản ứng alkyl hóa như phản ứng tạo anti- inflammatory. Dưới điều kiện thông thường trong 2 giờở 25oC phản ứng chỉ đạt 27% và do đó nó ít được dùng để tổng hợp một cách trực tiếp. Dưới tác dụng của siêu âm (bồn siêu âm) hiệu suất có thểđạt được 50%.
PPh3+ Br- PPh3+ Br- + O O LiOH H2O/ CHCl3
Phản ứng alkyl hóa vào nhân benzene cũng rất thuận lợi khi sử dụng siêu âm.