Ultralyd promoveret Michael Addition Reaktion

Asymmetriske Michael-reaktioner er en type organokatalytiske reaktioner, som kan drage stor fordel af sonikering. Michael-reaktionen eller Michael-tilsætningen er meget brugt til kemiske synteser, hvor kulstof-kulstofbindinger dannes under milde forhold. Ultralydbehandling og dens sonokemiske virkninger er meget effektive til at drive og fremme Michael-reaktioner, hvilket resulterer i højere udbytter, betydeligt reduceret reaktionstid og samtidig bidrager til miljøvenlig grøn kemi.

Sonochemistry og Michael-tilføjelsen

Sonokemi er veletableret for sine gavnlige virkninger på kemiske reaktioner – resulterer ofte i højere udbytter, accelereret reaktionshastighed, mildere, miljøvenlige forhold samt besparelse og enkel betjening. Det betyder, at sonokemi er en effektiv og uskadelig metode til at aktivere, fremme og drive syntetiske og katalytiske kemiske reaktioner. Mekanismen for ultralydsbehandling og sonokemi er baseret på fænomenet akustisk kavitation, som inducerer unikke forhold med meget høje tryk og temperaturer gennem det voldsomme sammenbrud af bobler i et flydende medium. Virkningerne af ultralyd eller akustisk kavitation initierer reaktioner ved introduktion af høj energi, forbedrer masseoverførsel og letter derved kemiske transformationer.
Michael-reaktionen eller Michael-tilføjelsen er den nukleofile tilsætning af en carbanion eller en anden nukleofil til en α.β-umættet carbonylforbindelse, der indeholder en elektrontilbagetrækkende gruppe. Michael-reaktionen er grupperet i den større klasse af konjugerede tilføjelser. Værdsat som en af de mest nyttige metoder til mild dannelse af kulstof-kulstofbindinger, er Michael-tilsætningen meget brugt til organisk syntese af mangfoldige stoffer. Der findes mange asymmetriske varianter af Michael-tilsætningen, som er en type organokatalytiske reaktioner.

Sonokatalyse og basisk lerkatalyseret Michael Tilsætning af Imidazol

Martin-Aranda et al. (2002) udnyttede ultralydbehandling og dens sonokemiske virkninger for at udvikle en ny syntesevej af N-substituerede imidazolderivater 21 ved Michael-tilsætning af imidazol til ethylacrylat katalyseret af basisk ler, nemlig Li + og Cs + montmorillonitter. Ved hjælp af ultralydsaktivering blev imidazol kondenseret med ethylacrylat ved hjælp af de to basiske ler – Li+ og Cs+ montmorillonitter. Alkaliske ler såsom Li + og Cs + montmorillonitter er aktive og meget selektive katalysatorer under sonikering og viser derved positive virkninger på Michael-tilsætningen af imidazol til ethylacrylat. Sonokemisk fremmet katalyse fremmer og forbedrer dannelsen af N-substituerede imidazolderivater sammenlignet med andre konventionelle termiske opvarmningsreaktioner. Konverteringen øges med grundindholdet af ler og tiden til ultralydbehandling. Udbyttet var højere, når Cs+ montmorillonitter blev brugt i forhold til Li+, hvilket kan forklares på grund af den højere basalitet. (Se reaktionsskema nedenfor)

Sonokatalytisk reaktion: Michael tilsætning af imidazol til ethylacrylat
(skema tilpasset fra Mohapatra et al., 2018.)

En anden ultralydsassisteret Michael-tilføjelse er silicasvovlsyre-fremmet katalyse af indol. Li et al. (2006) reagerede silicasvovlsyre og α,β-umættede ketoner under ultralydbehandling for at opnå β-indolylketonerne udbytter på 50-85% ved stuetemperatur.

Opløsningsmiddelfri og katalysatorfri Aza-Michael-reaktioner

Konjugeret tilsætning af aminer til konjugerede alkener – kendt som aza-Michael reaktion – er et kemisk nøgletrin for syntesen af forskellige komplekse naturprodukter, antibiotika, a-aminoalkoholer og kirale hjælpestoffer. Ultralydbehandling har vist sig at være i stand til at fremme en sådan aza-Michael-additionsreaktion i en opløsningsmiddelfri og katalysatorfri indstilling.

Den ultralydsinducerede aza-Michael-reaktion i vand er blevet testet med flere aminer og umættede ketoner, umættet nitril og umættet ester. Den sonokemisk fremmede reaktion gav høje udbytter i en hurtig og enkel procedure.
undersøgelse og tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

En let Michael-tilsætning af ferrocenylenoner med alifatiske aminer kan køres i en sonokemisk fremmet reaktion uden brug af opløsningsmidler og katalysatorer ved stuetemperatur. Denne sonokemiske Michael-tilføjelse har råd til 1-ferrocenyl-3-aminocarbonylforbindelser i en hurtig proces, der giver høje udbytter, hvilket også er effektivt i aza-Michael-reaktionen af andre α,β-umættede carbonylforbindelser såsom chalcone, carboxylester osv. Denne sonokemiske reaktion er ikke kun meget enkel og nem at håndtere, det er også en hurtig, miljøvenlig og billig proces, som er egenskaber ved grøn kemi. (Yang et al., 2005)
Forskningsgruppen af Banik udviklede en anden enkel, ligetil, hurtig, vand-medieret katalysatorfri protokol til aza-Michael-additionsreaktionen af flere aminer til α.β-umættede carbonylforbindelser, der anvender ultralydbehandling. Den sonokemisk inducerede tilsætning af flere aminer til α.β-umættede ketoner, estere og nitriler er blevet udført meget effektivt i vand såvel som under opløsningsmiddelfrie forhold. Der er ikke anvendt katalysatorer eller faste understøtninger i denne metode. Bemærkelsesværdig forbedring af reaktionshastigheden er blevet observeret i vand under ultralydsinduceret metode. Denne miljøvenlige procedure har givet ren dannelse af produkterne med øget selektivitet. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Virkninger af opløsningsmidler og sonokemisk behandling på aza-Michael-reaktion af piperidin (1 ml) og methylacrylat (1 ml) i 1 ml opløsningsmiddel.
undersøgelse og tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultralydssonder og reaktorer til sonokemiske reaktioner

Den sofistikerede hardware og smarte software fra Hielscher ultralydapparater er designet til at garantere pålidelig sonokemisk behandling, f.eks. udførelse af organisk syntese og katalysereaktioner med reproducerbare resultater og på brugervenlig måde.
Hielscher Ultrasonics-systemer bruges over hele verden til sonokemiske processer, herunder organiske syntetiske reaktioner såsom Michael-tilføjelser, Mannich-reaktion, Diels-Alder-reaktion og mange andre koblingsreaktioner. Bevist at være pålidelig til syntese af høje udbytter af kemiske produkter af høj kvalitet, Hielscher ultralydapparater bruges ikke kun i laboratoriemiljøer, men også i industriel produktion. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelse er vores ultralydapparater almindeligvis installeret til tunge applikationer og i krævende miljøer.
Hielscher ultralydsprocessorer til sonokemiske synteser, katalyser, krystallisation og andre reaktioner er allerede installeret over hele verden i kommerciel skala. Kontakt os nu for at diskutere din sonokemiske fremstillingsproces! Vores erfarne personale vil med glæde dele mere information om den sonokemiske syntesevej, ultralydssystemer og priser!

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Litteratur / Referencer