Реакция на присъединяване на Михаел, стимулирана чрез ултразвук

Асиметричните реакции на Михаел са вид органокаталитични реакции, които могат да извлекат значителни ползи от ултразвуковата обработка. Реакцията на Михаел, или присъединяването на Михаел, се използва широко за химични синтези, при които се образуват въглерод–въглеродни връзки при меки условия. Ултразвуковата обработка и нейните сонохимични ефекти са високоефективни за задвижване и стимулиране на реакциите на Михаел, което води до по-високи добиви, значително намалено време за реакция и същевременно допринася за екологосъобразната зелена химия.

Сонохимията и присъединяването на Михаел

Сонохимията е добре утвърдена благодарение на благоприятните си ефекти върху химичните реакции – често водещи до по-високи добиви, повишена скорост на реакцията, по-меки, екологосъобразни условия, както и безопасна и лесна работа. Това означава, че сонохимията е ефективен и безвреден метод за активиране, стимулиране и задвижване на синтетични и каталитични химични реакции. Механизмът на ултразвуковата обработка и сонохимията се основава на явлението акустична кавитация, което създава уникални условия на много високи налягания и температури чрез бурното колапсиране на мехурчета в течна среда. Ефектите на ултразвуковата или акустичната кавитация инициират реакции чрез въвеждането на голямо количество енергия и подобряват масообмена, като по този начин улесняват химичните превръщания.
Реакцията на Михаел, или присъединяването на Михаел, е нуклеофилното присъединяване на карбанион или друг нуклеофил към α,β-ненаситено карбонилно съединение, което съдържа електроноакцепторна група. Реакцията на Михаел се отнася към по-широкия клас на спрегнатите присъединявания. Ценено като един от най-полезните методи за образуване на въглерод–въглеродни връзки при меки условия, присъединяването на Михаел се използва широко за органичния синтез на разнообразни вещества. Съществуват много асиметрични варианти на присъединяването на Михаел, които са вид органокаталитични реакции.

Сонокатализа и присъединяване на Михаел на имидазол, катализирано от основни глини

Martin-Aranda et al. (2002) използват предимствата на ултразвуковата обработка и нейните сонохимични ефекти, за да разработят нов път за синтез на N-заместени имидазолови производни 21 чрез присъединяване на Михаел на имидазол към етил акрилат, катализирано от основни глини, а именно Li+ и Cs+ монтморилонити. С помощта на ултразвукова активация имидазолът е кондензиран с етил акрилат, като са използвани двете основни глини – Li+ и Cs+ монтморилонити. Алкални глини като Li+ и Cs+ монтморилонитите са активни и много селективни катализатори при ултразвукова обработка, като по този начин оказват положително въздействие върху присъединяването на Михаел на имидазол към етил акрилат. Сонохимично стимулираната катализа подпомага и подобрява образуването на N-заместени имидазолови производни в сравнение с други конвенционални реакции с термично нагряване. Степента на превръщане се увеличава с основността на глините и продължителността на ултразвуковата обработка. Добивът е по-висок при използване на Cs+ монтморилонити в сравнение с Li+, което би могло да се обясни с по-високата основност. (Вижте реакционната схема по-долу)

Сонокаталитична реакция: присъединяване на Михаел на имидазол към етил акрилат
(схемата е адаптирана от Mohapatra et al, 2018.)

Друго присъединяване на Михаел, подпомагано от ултразвук, е катализата на индол, стимулирана от сярна киселина върху силициев диоксид. Li et al. (2006) провеждат реакция между сярна киселина върху силициев диоксид и α,β-ненаситени кетони при ултразвукова обработка, за да получат β-индолилкетони с добиви от 50–85% при стайна температура.

Аза-Михаел реакции без разтворители и катализатори

Спрегнатото присъединяване на амини към спрегнати алкени – известно като аза-Михаел реакция – е ключов химичен етап за синтеза на различни сложни природни продукти, антибиотици, a-аминоалкохоли и хирални спомагателни вещества. Доказано е, че ултразвуковата обработка е способна да стимулира такава реакция на аза-Михаел присъединяване в условия без разтворители и катализатори.

Индуцираната от ултразвук аза-Михаел реакция във вода е изпитана с няколко амина и ненаситени кетони, ненаситен нитрил и ненаситен естер. Сонохимично стимулираната реакция дава високи добиви при бърза и проста процедура.
изследване и таблица: © Bandyopadhyay et al., 2012

Лесно присъединяване на Михаел на фероцениленони с алифатни амини може да се осъществи чрез сонохимично стимулирана реакция без използване на разтворители и катализатори при стайна температура. Това сонохимично присъединяване на Михаел може да даде 1-ferrocenyl-3-amino карбонилни съединения чрез бърз процес с високи добиви, който е ефективен и при аза-Михаел реакцията на други α,β-ненаситени карбонилни съединения като халкон, естер на карбоксилна киселина и др. Тази сонохимична реакция е не само много проста и лесна за провеждане, но е и бърз, екологосъобразен и евтин процес – характеристики на зелената химия. (Yang et al., 2005)
Изследователската група на Banik разработва друг прост, лесен за изпълнение, бърз протокол във водна среда без катализатори за реакцията на аза-Михаел присъединяване на няколко амина към α,β-ненаситени карбонилни съединения с прилагане на ултразвукова обработка. Сонохимично индуцираното присъединяване на няколко амина към α,β-ненаситени кетони, естери и нитрили е проведено много ефективно във вода, както и при условия без разтворители. При този метод не са използвани катализатори или твърди носители. При метода, индуциран от ултразвук във вода, е наблюдавано забележително повишаване на скоростта на реакцията. Тази екологично безвредна процедура осигурява чисто образуване на продуктите с повишена селективност. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Влияние на разтворителите и сонохимичната обработка върху аза-Михаел реакцията на пиперидин (1 mL) и метил акрилат (1 mL) в 1 mL разтворител.
изследване и таблица: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ултразвукови сонди и реактори за сонохимични реакции

Усъвършенстваният хардуер и интелигентният софтуер на ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани да гарантират надеждна сонохимична обработка, например провеждане на органичен синтез и каталитични реакции с възпроизводими резултати и по удобен за потребителя начин.
Системите на Hielscher Ultrasonics се използват в целия свят за сонохимични процеси, включително реакции на органичен синтез като присъединяванията на Михаел, реакцията на Маних, реакцията на Дилс–Алдер и много други реакции на свързване. Доказали своята надеждност за синтез с високи добиви на висококачествени химични продукти, ултразвуковите апарати Hielscher се използват не само в лабораторни условия, но и в промишленото производство. Благодарение на своята здравина и ниски изисквания за поддръжка нашите ултразвукови апарати обичайно се инсталират за приложения с тежко натоварване и във взискателни среди.
Ултразвуковите процесори Hielscher за сонохимични синтези, катализа, кристализация и други реакции вече са инсталирани по целия свят в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия сонохимичен производствен процес! Нашият опитен екип с радост ще сподели повече информация за пътя на сонохимичния синтез, ултразвуковите системи и цените!

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Литература / Източници

• 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.