Michaelova adiční reakce podporovaná ultrazvukem

Asymetrické Michaelovy reakce jsou typem organokatalytických reakcí, které mohou ze sonikace výrazně těžit. Michaelova reakce neboli Michaelova adice se široce využívá pro chemické syntézy, při nichž vznikají vazby uhlík-uhlík za mírných podmínek. Ultrasonikace a její sonochemické účinky jsou vysoce účinné při pohánění a podpoře Michaelových reakcí, což vede k vyšším výtěžkům a výrazně kratší reakční době a současně přispívá k ekologické zelené chemii.

Sonochemie a Michaelova adice

Sonochemie je dobře zavedená díky svým příznivým účinkům na chemické reakce – často vede k vyšším výtěžkům, zrychlené reakční rychlosti, mírnějším, ekologickým podmínkám a také k bezpečnému a jednoduchému provozu. To znamená, že sonochemie je účinná a neškodná metoda k aktivaci, podpoře a pohánění syntetických a katalytických chemických reakcí. Mechanismus ultrazvukového zpracování a sonochemie je založen na jevu akustické kavitace, která prostřednictvím prudkého kolapsu bublin v kapalném médiu vyvolává jedinečné podmínky velmi vysokých tlaků a teplot. Účinky ultrazvukové neboli akustické kavitace iniciují reakce vnesením vysoké energie a zlepšují přenos hmoty, čímž usnadňují chemické přeměny.
Michaelova reakce neboli Michaelova adice je nukleofilní adice karbaniontu nebo jiného nukleofilu na α,β-nenasycenou karbonylovou sloučeninu, která obsahuje elektronakceptorní skupinu. Michaelova reakce se řadí do širší třídy konjugovaných adicí. Michaelova adice, ceněná jako jedna z nejužitečnějších metod mírného vytváření vazeb uhlík–uhlík, se široce využívá k organické syntéze rozmanitých látek. Existuje mnoho asymetrických variant Michaelovy adice, které jsou typem organokatalytických reakcí.

Sonokatalýza a Michaelova adice imidazolu katalyzovaná bazickými jíly

Martin-Aranda et al. (2002) využili ultrasonikace a jejích sonochemických účinků k vývoji nové syntetické cesty N-substituovaných derivátů imidazolu 21 Michaelovou adicí imidazolu na ethylakrylát katalyzovanou bazickými jíly, konkrétně Li+ a Cs+ montmorillonity. Za ultrazvukové aktivace byl imidazol kondenzován s ethylakrylátem s použitím dvou bazických jílů – Li+ a Cs+ montmorillonitů. Alkalické jíly, jako jsou Li+ a Cs+ montmorillonity, jsou za sonikace aktivními a velmi selektivními katalyzátory, a vykazují tak pozitivní účinky na Michaelovu adici imidazolu na ethylakrylát. Sonochemicky podporovaná katalýza podporuje a zlepšuje tvorbu N-substituovaných derivátů imidazolu ve srovnání s jinými konvenčními reakcemi s tepelným ohřevem. Konverze roste s bazicitou jílů a s dobou ultrasonikace. Výtěžek byl vyšší při použití Cs+ montmorillonitů ve srovnání s Li+, což lze případně vysvětlit vyšší bazicitou. (Viz reakční schéma níže)

Sonokatalytická reakce: Michaelova adice imidazolu na ethylakrylát
(schéma upraveno podle Mohapatra et al, 2018.)

Další Michaelovou adicí podporovanou ultrazvukem je katalýza indolu podporovaná kyselinou sírovou na oxidu křemičitém. Li et al. (2006) nechali za ultrasonikace reagovat kyselinu sírovou na oxidu křemičitém a α,β-nenasycené ketony, aby získali β-indolylketony s výtěžky 50–85% při pokojové teplotě.

Aza-Michaelovy reakce bez rozpouštědla a bez katalyzátoru

Konjugovaná adice aminů na konjugované alkeny – známá jako aza-Michaelova reakce – je klíčovým chemickým krokem při syntéze různých komplexních přírodních látek, antibiotik, a-aminoalkoholů a chirálních auxiliárů. Ukázalo se, že ultrasonikace dokáže podporovat takovou aza-Michaelovu adiční reakci v uspořádání bez rozpouštědla a bez katalyzátoru.

Ultrazvukem indukovaná aza-Michaelova reakce ve vodě byla testována s několika aminy a nenasycenými ketony, nenasyceným nitrilem a nenasyceným esterem. Sonochemicky podporovaná reakce poskytla vysoké výtěžky v rychlém a jednoduchém postupu.
studie a tabulka: © Bandyopadhyay et al., 2012

Snadnou Michaelovu adici ferrocenylenonů s alifatickými aminy lze provést jako sonochemicky podporovanou reakci bez použití rozpouštědel a katalyzátorů při pokojové teplotě. Tato sonochemická Michaelova adice může poskytnout 1-ferrocenyl-3-aminokarbonylové sloučeniny v rychlém procesu s vysokými výtěžky, který je účinný také při aza-Michaelově reakci jiných α,β-nenasycených karbonylových sloučenin, jako je chalkon, ester karboxylové kyseliny atd. Tato sonochemická reakce je nejen velmi jednoduchá a snadno proveditelná, ale je to také rychlý, ekologický a levný proces, což jsou atributy zelené chemie. (Yang et al., 2005)
Výzkumná skupina Banika vyvinula další jednoduchý, přímočarý a rychlý protokol bez katalyzátoru ve vodném prostředí pro aza-Michaelovu adiční reakci několika aminů na α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny s využitím ultrasonikace. Sonochemicky indukovaná adice několika aminů na α,β-nenasycené ketony, estery a nitrily byla provedena velmi účinně ve vodě i za podmínek bez rozpouštědla. U této metody nebyly použity žádné katalyzátory ani pevné nosiče. Při metodě indukované ultrazvukem bylo ve vodě pozorováno pozoruhodné zvýšení reakční rychlosti. Tento ekologicky šetrný postup poskytl čistou tvorbu produktů se zvýšenou selektivitou. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Vliv rozpouštědel a sonochemického ošetření na aza-Michaelovu reakci piperidinu (1 mL) a methylakrylátu (1 mL) v 1 mL rozpouštědla.
studie a tabulka: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultrazvukové sondy a reaktory pro sonochemické reakce

Propracovaný hardware a chytrý software sonikátorů Hielscher jsou navrženy tak, aby zaručovaly spolehlivé sonochemické zpracování, např. provádění reakcí organické syntézy a katalýzy s reprodukovatelnými výsledky a uživatelsky přívětivým způsobem.
Systémy Hielscher Ultrasonics se po celém světě používají pro sonochemické procesy včetně organických syntetických reakcí, jako jsou Michaelovy adice, Mannichova reakce, Dielsova-Alderova reakce a mnoho dalších kaplingových reakcí. Sonikátory Hielscher, které se osvědčily jako spolehlivé pro syntézu chemických produktů vysoké kvality s vysokými výtěžky, se používají nejen v laboratořích, ale také v průmyslové výrobě. Díky své robustnosti a nízké náročnosti na údržbu se naše sonikátory běžně instalují pro náročné aplikace a do náročných prostředí.
Ultrazvukové procesory Hielscher pro sonochemické syntézy, katalýzy, krystalizaci a další reakce jsou již po celém světě instalovány v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a proberte s námi svůj sonochemický výrobní proces! Naši zkušení pracovníci Vám rádi poskytnou další informace o sonochemické syntetické cestě, ultrazvukových systémech a cenách!

Níže uvedená tabulka Vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů:

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.