Ultrazvukom potpomognuta Michaelova adicijska reakcija

Asimetrične Michaelove reakcije su vrsta organokatalitičkih reakcija koje mogu imati veliku korist od ultrazvučne obrade (sonikacije). Michaelova reakcija ili Michaelova adicija široko se koristi u hemijskim sintezama, u kojima se ugljik-ugljik veze formiraju u blagim uvjetima. Ultrazvučna obrada i njeni sonohemijski efekti vrlo su djelotvorni u pokretanju i poticanju Michaelovih reakcija, što rezultira višim prinosima, znatno kraćim reakcijskim vremenom i istovremeno doprinosi zelenoj hemiji koja je prihvatljiva za okoliš.

Sonohemija i Michaelova adicija

Sonohemija je dobro poznata po svojim povoljnim učincima na hemijske reakcije – često rezultira višim prinosima, ubrzanom brzinom reakcije, blažim uvjetima prihvatljivim za okoliš, kao i sigurnim i jednostavnim radom. To znači da je sonohemija učinkovita i bezopasna metoda za aktiviranje, poticanje i pokretanje sintetskih i katalitičkih hemijskih reakcija. Mehanizam ultrazvučne obrade i sonohemije zasniva se na fenomenu akustične kavitacije, koja kroz nasilni kolaps mjehurića u tečnom mediju izaziva jedinstvene uvjete vrlo visokih pritisaka i temperatura. Učinci ultrazvučne ili akustične kavitacije pokreću reakcije unošenjem visoke energije i poboljšavaju prijenos mase, čime olakšavaju hemijske transformacije.
Michaelova reakcija ili Michaelova adicija je nukleofilna adicija karbaniona ili drugog nukleofila na α,β-nezasićeni karbonilni spoj koji sadrži elektron-odvlačeću grupu. Michaelova reakcija svrstava se u širu klasu konjugiranih adicija. Cijeni se kao jedna od najkorisnijih metoda za blago formiranje ugljik–ugljik veza, a Michaelova adicija se široko koristi za organsku sintezu raznovrsnih supstanci. Postoje mnoge asimetrične varijante Michaelove adicije, koje su vrsta organokatalitičkih reakcija.

Sonokataliza i Michaelova adicija imidazola katalizirana bazičnim glinama

Martin-Aranda i saradnici (2002) iskoristili su ultrazvučnu obradu i njene sonohemijske efekte kako bi razvili novi sintetski put za N-supstituirane derivate imidazola 21 Michaelovom adicijom imidazola na etilakrilat, katalizirnom bazičnim glinama, odnosno Li+ i Cs+ montmorilonitima. Primjenom ultrazvučne aktivacije imidazol je kondenziran s etil-akrilatom pomoću dvije bazične gline – Li+ i Cs+ montmorilonita. Alkalne gline kao što su Li+ i Cs+ montmorilonit aktivni su i vrlo selektivni katalizatori pod ultrazvučnom obradom, čime pokazuju pozitivne učinke na Michaelovu adiciju imidazola na etil-akrilat. Sonohemijski potaknuta kataliza potiče i poboljšava nastajanje N-supstituiranih derivata imidazola u poređenju s drugim konvencionalnim reakcijama termalnog zagrijavanja. Konverzija raste s bazičnošću glina i trajanjem ultrazvučne obrade. Prinos je bio veći kada je korišten Cs+ montmorilonit u poređenju s Li+, što bi se moglo objasniti većom bazičnošću. (Pogledajte reakcijsku shemu ispod)

Sonokatalitička reakcija: Michaelova adicija imidazola na etil-akrilat
(shema prilagođena prema Mohapatra et al, 2018.)

Još jedna Michaelova adicija potpomognuta ultrazvukom je kataliza indola potaknuta silika-sumpornom kiselinom. Li i saradnici (2006) reagirali su silika-sumpornu kiselinu i α,β-nezasićene ketone pod ultrazvučnom obradom kako bi dobili β-indolilketone s prinosima od 50–85% na sobnoj temperaturi.

Aza-Michaelove reakcije bez otapala i bez katalizatora

Konjugirana adicija amina na konjugirane alkene – poznata kao aza-Michaelova reakcija – ključni je hemijski korak za sintezu raznih složenih prirodnih proizvoda, antibiotika, a-aminoalkohola i kiralnih pomoćnih supstanci. Pokazalo se da ultrazvučna obrada može potaknuti takvu aza-Michaelovu adicijsku reakciju u uvjetima bez otapala i bez katalizatora.

Aza-Michaelova reakcija izazvana ultrazvukom u vodi testirana je s nekoliko amina te nezasićenim ketonima, nezasićenim nitrilom i nezasićenim esterom. Sonohemijski potaknuta reakcija dala je visoke prinose u brzom i jednostavnom postupku.
studija i tabela: © Bandyopadhyay et al., 2012

Jednostavna Michaelova adicija ferocenilenona s alifatskim aminima može se provesti u sonohemijski potaknutoj reakciji bez upotrebe otapala i katalizatora na sobnoj temperaturi. Ova sonohemijska Michaelova adicija može dati 1-ferocenil-3-amino karbonilne spojeve u brzom procesu s visokim prinosima, koji je učinkovit i u aza-Michaelovoj reakciji drugih α,β-nezasićenih karbonilnih spojeva kao što su halkon, karboksilni ester itd. Ova sonohemijska reakcija nije samo vrlo jednostavna i laka za rukovanje, nego je i brz, ekološki prihvatljiv i jeftin proces, što su svojstva zelene hemije. (Yang et al., 2005)
Istraživačka grupa Banik razvila je još jedan jednostavan, direktan, brz protokol za aza-Michaelovu adicijsku reakciju nekoliko amina na α,β-nezasićene karbonilne spojeve primjenom ultrazvučne obrade, posredovan vodom i bez katalizatora. Sonohemijski izazvana adicija nekoliko amina na α,β-nezasićene ketone, estere i nitrile provedena je vrlo učinkovito u vodi, kao i u uvjetima bez otapala. U ovoj metodi nisu korišteni katalizatori niti čvrsti nosači. Primijećeno je izuzetno povećanje brzine reakcije u vodi pri metodi izazvanoj ultrazvukom. Ovaj ekološki povoljan postupak omogućio je čisto nastajanje produkata uz povećanu selektivnost. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Učinci otapala i sonohemijske obrade na aza-Michaelovu reakciju piperidina (1 mL) i metil-akrilata (1 mL) u 1 mL otapala.
studija i tabela: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultrazvučne sonde i reaktori za sonohemijske reakcije

Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrazvučnih uređaja osmišljeni su da zajamče pouzdanu sonohemijsku obradu, npr. izvođenje organskih sinteza i katalitičkih reakcija s ponovljivim rezultatima i na način prilagođen korisniku.
Hielscher Ultrasonics sistemi koriste se širom svijeta za sonohemijske procese, uključujući organske sintetske reakcije kao što su Michaelove adicije, Mannichova reakcija, Diels-Alderova reakcija i mnoge druge reakcije kuplovanja. Hielscher ultrazvučni uređaji, koji su se pokazali pouzdanim za sintezu visokih prinosa visokokvalitetnih hemijskih proizvoda, koriste se ne samo u laboratorijama nego i u industrijskoj proizvodnji. Zahvaljujući svojoj robusnosti i niskim troškovima održavanja, naši ultrazvučni uređaji često se ugrađuju za zahtjevne primjene u teškim uvjetima rada i zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonohemijske sinteze, katalize, kristalizaciju i druge reakcije već su instalirani širom svijeta u komercijalnom mjerilu. Kontaktirajte nas odmah kako bismo razgovarali o vašem sonohemijskom proizvodnom procesu! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o sonohemijskom sintetskom putu, ultrazvučnim sistemima i cijenama!

Tabela ispod daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Literatura / Reference

• 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.