Ultrazvučno promovirana reakcija Michaela Addition

Asimetrične Michaelove reakcije su vrsta organokatalitičkih reakcija koje mogu imati velike koristi od sonikacije. Michaelova reakcija ili Michaelova adicija se široko koristi za kemijske sinteze, gdje se veze ugljik-ugljik formiraju u blagim uvjetima. Ultrazvuk i njegovi sonohemijski efekti su veoma efikasni u pokretanju i promociji Michael reakcija, što rezultira većim prinosima, značajno skraćenim vremenom reakcije i istovremeno doprinoseći ekološki prihvatljivoj zelenoj hemiji.

Sonochemistry i Michael Addition

Sonohemija je dobro poznata zbog svojih blagotvornih efekata na hemijske reakcije – često rezultira većim prinosima, ubrzanom brzinom reakcije, blažim, ekološkim uvjetima, kao i uštedom i jednostavnim rukovanjem. To znači da je sonohemija efikasna i bezopasna metoda za aktiviranje, promoviranje i pokretanje sintetičkih i katalitičkih kemijskih reakcija. Mehanizam ultrazvučne obrade i sonohemije zasniva se na fenomenu akustične kavitacije, koja indukuje jedinstvene uslove veoma visokih pritisaka i temperatura kroz nasilno kolaps mehurića u tečnom mediju. Efekti ultrazvučne ili akustične kavitacije pokreću reakcije uvođenjem visoke energije, poboljšavaju prijenos mase, čime se olakšavaju kemijske transformacije.
Michaelova reakcija ili Michaelova adicija je nukleofilno dodavanje karbaniona ili drugog nukleofila α,β-nezasićenom karbonilnom spoju koji sadrži grupu koja povlači elektrone. Michaelova reakcija je grupirana u veću klasu konjugiranih adicija. Vrednovan kao jedna od najkorisnijih metoda za blago formiranje veza ugljik-ugljik, Michaelov dodatak se široko koristi za organsku sintezu višestrukih supstanci. Postoje mnoge asimetrične varijante Michaelove adicije, koje su vrsta organokatalitičkih reakcija.

Sonokataliza i bazična glina katalizirana Michaelom adicijom imidazola

Martin-Aranda i dr. (2002) iskoristili su prednost ultrazvučne obrade i njenih sonohemijskih efekata kako bi razvili novi put sinteze N-supstituisanih derivata imidazola 21 Michaelovim dodavanjem imidazola etilakrilatu kataliziranog bazičnim glinama, odnosno Li+ i Cs+ montmorilonitima. Ultrazvučnom aktivacijom imidazol je kondenzovan sa etil akrilatom koristeći dve osnovne gline – Li+ i Cs+ montmoriloniti. Alkalne gline kao što su Li+ i Cs+ montmoriloniti su aktivni i vrlo selektivni katalizatori pod sonikacijom, pokazujući tako pozitivne efekte na Michaelovo dodavanje imidazola etil akrilatu. Sonohemijski promovisana kataliza promoviše i poboljšava formiranje N-supstituisanih derivata imidazola u poređenju sa drugim konvencionalnim reakcijama termičkog zagrevanja. Konverzija se povećava sa osnovnošću gline i vremenom do ultrazvučne obrade. Prinos je bio veći kada su korišćeni Cs+ montmoriloniti u odnosu na Li+, što se može objasniti većom baznošću. (Pogledajte shemu reakcije ispod)

Sonokatalitička reakcija: Michaelovo dodavanje imidazola etil akrilatu
(šema prilagođena iz Mohapatre et al, 2018.)

Još jedan Michaelov dodatak uz pomoć ultrazvuka je kataliza indola podstaknuta silicijum sumpornom kiselinom. Li et al. (2006) reagovali su sa silicijum sumpornom kiselinom i α,β-nezasićenim ketonima pod ultrazvukom kako bi dobili prinose β-indolilketona od 50-85% na sobnoj temperaturi.

Aza-Michael reakcije bez otapala i katalizatora

Konjugirano dodavanje amina konjugovanim alkenima – poznata kao aza-Michael reakcija – je kemijski ključni korak za sintezu različitih složenih prirodnih proizvoda, antibiotika, a-amino alkohola i kiralnih pomoćnih tvari. Pokazalo se da je ultrazvuk sposoban da promoviše takvu reakciju aza-Michael adicije u okruženju bez rastvarača i katalizatora.

Aza-Michael reakcija izazvana ultrazvukom u vodi je testirana s nekoliko amina i nezasićenih ketona, nezasićenog nitrila i nezasićenog estera. Sonohemijski promovirana reakcija dala je visoke prinose u brzoj i jednostavnoj proceduri.
studija i tabela: © Bandyopadhyay et al., 2012

Lako Michaelovo dodavanje ferocenilenona sa alifatskim aminima može se izvesti u sonohemijski promoviranoj reakciji bez upotrebe rastvarača i katalizatora na sobnoj temperaturi. Ovaj sonohemijski Michaelov dodatak može dati 1-ferocenil-3-amino karbonilna jedinjenja u brzom procesu koji daje visoke prinose, koji je također efikasan u aza-Michael reakciji drugih α,β-nezasićenih karbonilnih jedinjenja kao što su halkon, karboksilni ester itd. Ova sonohemijska reakcija nije samo vrlo jednostavna i laka za rukovanje, već je i brz, ekološki prihvatljiv i jeftin proces, koji su atributi zelene hemije. (Yang et al., 2005.)
Istraživačka grupa iz Banika razvila je još jedan jednostavan, direktan, brz, vodeno-posredovan protokol bez katalizatora za aza-Michael reakciju adicije nekoliko amina na α,β-nezasićena karbonilna jedinjenja primjenom ultrazvuka. Sonohemijski indukovano dodavanje nekoliko amina α,β-nezasićenim ketonima, estrima i nitrilima izvedeno je vrlo efikasno u vodi, kao iu uslovima bez rastvarača. U ovoj metodi nisu korišteni katalizatori ili čvrsti nosači. Zapaženo je značajno povećanje brzine reakcije u vodi pod ultrazvučnom metodom. Ovaj ekološki benigni postupak omogućio je čisto formiranje proizvoda sa povećanom selektivnošću. (Bandyopadhyay et al., 2012.)

Efekti rastvarača i sonohemijskog tretmana na aza-Michael reakciju piperidina (1 mL) i metil akrilata (1 mL) u 1 mL rastvarača.
studija i tabela: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultrazvučne sonde i reaktori za sonohemijske reakcije

Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrasonikatora su dizajnirani da garantuju pouzdanu sonohemijsku obradu, npr. izvođenje organske sinteze i kataliznih reakcija sa ponovljivim ishodima i na način lak za upotrebu.
Hielscher Ultrasonics sistemi se koriste širom svijeta za sonohemijske procese uključujući organske sintetičke reakcije kao što su Michaelove adicije, Mannich reakcija, Diels-Alderova reakcija i mnoge druge reakcije spajanja. Dokazano kao pouzdani za sintezu visokih prinosa visokokvalitetnih hemijskih proizvoda, Hielscher ultrasonikatori se ne koriste samo u laboratorijskim uslovima već i u industrijskoj proizvodnji. Zbog svoje robusnosti i niskog održavanja, naši ultrasonikatori se obično instaliraju za teške primjene i u zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonohemijske sinteze, katalize, kristalizaciju i druge reakcije već su instalirani širom svijeta u komercijalnim razmjerima. Kontaktirajte nas sada da razgovaramo o vašem sonohemijskom proizvodnom procesu! Naše iskusno osoblje će rado podijeliti više informacija o putu sonohemijske sinteze, ultrazvučnim sistemima i cijenama!

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:

Literatura / Reference