تفاعل إضافة مايكل المعزَّز بالموجات فوق الصوتية

تفاعلات مايكل غير المتماثلة هي نوع من تفاعلات التحفيز العضوي التي يمكن أن تستفيد بدرجة كبيرة من المعالجة بالموجات فوق الصوتية. يُستخدم تفاعل مايكل أو إضافة مايكل على نطاق واسع في عمليات التخليق الكيميائي، حيث تتكوّن روابط كربون–كربون في ظروف معتدلة. وتتميز المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتأثيراتها الكيميائية الصوتية بفعالية عالية في دفع تفاعلات مايكل وتعزيزها، مما يؤدي إلى مردود أعلى وتقليل زمن التفاعل بدرجة كبيرة، مع الإسهام في الوقت نفسه في الكيمياء الخضراء الصديقة للبيئة.

الكيمياء الصوتية وإضافة مايكل

الكيمياء الصوتية معروفة بتأثيراتها المفيدة في التفاعلات الكيميائية – إذ تؤدي غالبًا إلى مردود أعلى وتسريع التفاعل وتوفير ظروف أكثر اعتدالًا وصديقة للبيئة، فضلًا عن التشغيل الآمن والبسيط. وهذا يعني أن الكيمياء الصوتية طريقة فعالة وغير ضارة لتنشيط تفاعلات التخليق والتحفيز الكيميائي وتعزيزها ودفعها. تستند آلية المعالجة بالموجات فوق الصوتية والكيمياء الصوتية إلى ظاهرة التجويف الصوتي، التي تُحدث ظروفًا فريدة من الضغوط ودرجات الحرارة المرتفعة جدًا من خلال الانهيار العنيف للفقاعات في وسط سائل. وتبدأ تأثيرات التجويف فوق الصوتي أو الصوتي التفاعلات بإدخال طاقة عالية، وتحسّن انتقال الكتلة، مما يسهّل التحولات الكيميائية.
تفاعل مايكل أو إضافة مايكل هو إضافة نيوكليوفيلية لأنيون كربوني أو نيوكليوفيل آخر إلى مركّب كربونيل غير مشبع عند α,β يحتوي على مجموعة ساحبة للإلكترونات. ويُصنَّف تفاعل مايكل ضمن الفئة الأوسع من تفاعلات الإضافة المترافقة. وتُعد إضافة مايكل إحدى أكثر الطرق فائدة لتكوين روابط كربون–كربون في ظروف معتدلة، ولذلك تُستخدم على نطاق واسع في التخليق العضوي لمواد متنوعة. وتوجد صور عديدة غير متماثلة لإضافة مايكل، وهي نوع من تفاعلات التحفيز العضوي.

التحفيز الصوتي وإضافة مايكل للإيميدازول المحفَّزة بالطين القاعدي

استفاد Martin-Aranda وآخرون (2002) من المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتأثيراتها الكيميائية الصوتية لتطوير مسار تخليق جديد لمشتقات الإيميدازول المستبدلة عند N، والمشار إليها بالرقم 21، عن طريق إضافة مايكل للإيميدازول إلى أكريلات الإيثيل، بتحفيز من أنواع الطين القاعدي، وتحديدًا المونتموريلونيت المحتوي على Li+ والمونتموريلونيت المحتوي على Cs+. وباستخدام التنشيط بالموجات فوق الصوتية، أُجري تكاثف الإيميدازول مع أكريلات الإيثيل باستخدام نوعَي الطين القاعدي – المونتموريلونيت المحتوي على Li+ والمونتموريلونيت المحتوي على Cs+. وتُعد أنواع الطين القلوي، مثل المونتموريلونيت المحتوي على Li+ والمونتموريلونيت المحتوي على Cs+، محفزات نشطة وعالية الانتقائية تحت المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مما يُظهر تأثيرات إيجابية في إضافة مايكل للإيميدازول إلى أكريلات الإيثيل. ويعزّز التحفيز المدعوم بالكيمياء الصوتية تكوّن مشتقات الإيميدازول المستبدلة عند N ويحسّنه مقارنةً بتفاعلات التسخين الحراري التقليدية الأخرى. ويزداد التحوّل مع زيادة قاعدية الطين ومدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وكان المردود أعلى عند استخدام المونتموريلونيت المحتوي على Cs+ مقارنةً بالمحتوي على Li+، وهو ما قد يُفسَّر بقاعديته الأعلى. (انظر مخطط التفاعل أدناه)

تفاعل محفَّز صوتيًا: إضافة مايكل للإيميدازول إلى أكريلات الإيثيل
(المخطط مقتبس بتصرّف من Mohapatra وآخرين، 2018.)

من أمثلة إضافة مايكل الأخرى بمساعدة الموجات فوق الصوتية التحفيزُ المعزَّز بحمض الكبريتيك المدعوم على السيليكا للإندول. أجرى Li وآخرون (2006) تفاعل حمض الكبريتيك المدعوم على السيليكا مع كيتونات غير مشبعة عند α,β تحت المعالجة بالموجات فوق الصوتية للحصول على كيتونات β-إندوليل بمردود قدره 50–85% في درجة حرارة الغرفة.

تفاعلات آزا–مايكل الخالية من المذيبات والمحفزات

الإضافة المترافقة للأمينات إلى الألكينات المترافقة – المعروفة بتفاعل آزا–مايكل – خطوة كيميائية أساسية لتخليق منتجات طبيعية معقدة متنوعة، ومضادات حيوية، وكحولات a-أمينو، ومساعدات كيرالية. وقد ثبتت قدرة المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تعزيز تفاعل إضافة آزا–مايكل هذا في ظروف خالية من المذيبات والمحفزات.

اختُبر تفاعل آزا–مايكل المستحث بالموجات فوق الصوتية في الماء باستخدام عدة أمينات وكيتونات غير مشبعة ونتريل غير مشبع وإستر غير مشبع. وقد أعطى التفاعل المعزَّز بالكيمياء الصوتية مردودًا مرتفعًا بإجراء سريع وبسيط.
الدراسة والجدول: © Bandyopadhyay وآخرون، 2012

يمكن إجراء إضافة مايكل ميسّرة لمركّبات ferrocenylenones مع الأمينات الأليفاتية في تفاعل معزَّز بالكيمياء الصوتية دون استخدام مذيبات أو محفزات، في درجة حرارة الغرفة. ويمكن أن تنتج إضافة مايكل الكيميائية الصوتية هذه مركّبات كربونيل 1-ferrocenyl-3-amino في عملية سريعة ذات مردود مرتفع، وهي فعالة أيضًا في تفاعل آزا–مايكل لمركّبات كربونيل أخرى غير مشبعة عند α,β، مثل chalcone وإستر كربوكسيلي وغيرهما. وهذا التفاعل الكيميائي الصوتي بسيط جدًا وسهل التعامل معه، كما أنه عملية سريعة وصديقة للبيئة ومنخفضة التكلفة، وهي سمات الكيمياء الخضراء. (Yang et al., 2005)
طوّرت مجموعة Banik البحثية بروتوكولًا آخر بسيطًا ومباشرًا وسريعًا، بوساطة وسط مائي ودون محفزات، لتفاعل إضافة آزا–مايكل لعدة أمينات إلى مركّبات كربونيل غير مشبعة عند α,β باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وقد أُجريت إضافة عدة أمينات إلى كيتونات وإسترات ونتريلات غير مشبعة عند α,β، والمستحثة بالكيمياء الصوتية، بكفاءة عالية جدًا في الماء وكذلك في ظروف خالية من المذيبات. ولم تُستخدم محفزات أو دعامات صلبة في هذه الطريقة. ولوحظ تحسّن ملحوظ في معدل التفاعل في الماء باستخدام الطريقة المستحثة بالموجات فوق الصوتية. وقد أتاح هذا الإجراء غير الضار بالبيئة تكوّن المنتجات بصورة نظيفة مع تحسين الانتقائية. (Bandyopadhyay et al., 2012)

تأثيرات المذيبات والمعالجة الكيميائية الصوتية في تفاعل آزا–مايكل للبيبيريدين (1 mL) وأكريلات الميثيل (1 mL) في 1 mL من المذيب.
الدراسة والجدول: © Bandyopadhyay وآخرون، 2012

مجسّات ومفاعلات بالموجات فوق الصوتية للتفاعلات الكيميائية الصوتية

صُمّمت الأجهزة المتطورة والبرمجيات الذكية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لضمان معالجة كيميائية صوتية موثوقة، مثل إجراء تفاعلات التخليق العضوي والتحفيز بنتائج قابلة للتكرار وبطريقة سهلة الاستخدام.
تُستخدم أنظمة Hielscher Ultrasonics في جميع أنحاء العالم للعمليات الكيميائية الصوتية، بما فيها تفاعلات التخليق العضوي مثل إضافات مايكل وتفاعل مانيش وتفاعل ديلز–ألدر والعديد من تفاعلات الاقتران الأخرى. وقد أثبتت أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher موثوقيتها في تخليق منتجات كيميائية عالية الجودة بمردود مرتفع، ولذلك تُستخدم في المختبرات وفي الإنتاج الصناعي أيضًا. وبفضل متانتها وقلة حاجتها إلى الصيانة، تُركَّب أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية عادةً في التطبيقات الشاقة والبيئات ذات المتطلبات الصعبة.
معالجات Hielscher بالموجات فوق الصوتية المخصَّصة للتخليق الكيميائي الصوتي والتحفيز والتبلور والتفاعلات الأخرى مركَّبة بالفعل في جميع أنحاء العالم على نطاق تجاري. اتصل بنا الآن لمناقشة عملية التصنيع الكيميائي الصوتي الخاصة بك! سيسرّ فريقنا ذو الخبرة الواسعة تقديم مزيد من المعلومات عن مسار التخليق الكيميائي الصوتي وأنظمة الموجات فوق الصوتية والأسعار!

يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:

الأدبيات / المراجع

• Martín-Aranda, Rosa; Ortega-Cantero, E.; Rojas-Cervantes, M.; Vicente, Miguel Angel; Bañares-Muñoz, M.A. (2002): Sonocatalysis and Basic Clays. Michael Addition Between Imidazole and Ethyl Acrylate. Catalysis Letters. 84, 2002. 201-204.
• Ji-Tai Li; Hong-Guang Dai; Wen-Zhi Xu; Tong-Shuang Li (2006): Michael addition of indole to α,β-unsaturated ketones catalysed by silica sulfuric acid under ultrasonic irradiation. Journal of Chemical Research 2006. 41-42.
• Jin-Ming Yang, Shun-Jun Ji, Da-Gong Gu, Zhi-Liang Shen, Shun-Yi Wang (2005): Ultrasound-irradiated Michael addition of amines to ferrocenylenones under solvent-free and catalyst-free conditions at room temperature. Journal of Organometallic Chemistry, Volume 690, Issue 12, 2005. 2989-2995.
• Debasish Bandyopadhyay, Sanghamitra Mukherjee, Luis C. Turrubiartes, Bimal K. Banik (2012): Ultrasound-assisted aza-Michael reaction in water: A green procedure. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 19, Issue 4, 2012. 969-973.
• Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
• 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.