Ultralydsfremmet Michael-additionsreaktion

Asymmetriske Michael-reaktioner er en type organokatalytiske reaktioner, som kan have stor gavn af sonikering. Michael-reaktionen eller Michael-additionen anvendes i vid udstrækning til kemiske synteser, hvor kulstof–kulstof-bindinger dannes under milde betingelser. Ultralydsbehandling og dens sonokemiske virkninger er yderst effektive til at drive og fremme Michael-reaktioner, hvilket resulterer i højere udbytter, væsentligt kortere reaktionstid og samtidig bidrager til miljøvenlig grøn kemi.

Sonokemi og Michael-additionen

Sonokemi er veletableret på grund af sine gavnlige virkninger på kemiske reaktioner – ofte med højere udbytter, øget reaktionshastighed, mildere, miljøvenlige betingelser samt sikker og enkel drift til følge. Det betyder, at sonokemi er en effektiv og uskadeligt virkende metode til at aktivere, fremme og drive syntetiske og katalytiske kemiske reaktioner. Mekanismen bag ultralydsbehandling og sonokemi er baseret på fænomenet akustisk kavitation, som skaber unikke betingelser med meget høje tryk og temperaturer gennem boblers voldsomme kollaps i et flydende medium. Virkningerne af ultralydskavitation eller akustisk kavitation igangsætter reaktioner ved tilførsel af høj energi og forbedrer masseoverførslen, hvilket letter kemiske omdannelser.
Michael-reaktionen eller Michael-additionen er den nukleofile addition af en carbanion eller en anden nukleofil til en α,β-umættet carbonylforbindelse, der indeholder en elektrontiltrækkende gruppe. Michael-reaktionen hører til den større klasse af konjugerede additioner. Michael-additionen er værdsat som en af de mest nyttige metoder til dannelse af kulstof–kulstof-bindinger under milde betingelser og anvendes i vid udstrækning til organisk syntese af mange forskellige stoffer. Der findes mange asymmetriske varianter af Michael-additionen, som er en type organokatalytiske reaktioner.

Sonokatalyse og Michael-addition af imidazol katalyseret af basisk ler

Martin-Aranda et al. (2002) udnyttede ultralydsbehandling og dens sonokemiske virkninger til at udvikle en ny syntesevej til N-substituerede imidazolderivater 21 ved Michael-addition af imidazol til ethylacrylat katalyseret af basiske lermineraler, nemlig Li+- og Cs+-montmorillonitter. Ved hjælp af ultralydsaktivering blev imidazol kondenseret med ethylacrylat ved anvendelse af de to basiske lermineraler – Li+- og Cs+-montmorillonitter. Basiske lermineraler såsom Li+- og Cs+-montmorillonitter er aktive og meget selektive katalysatorer under sonikering og har dermed positive virkninger på Michael-additionen af imidazol til ethylacrylat. Sonokemisk fremmet katalyse fremmer og forbedrer dannelsen af N-substituerede imidazolderivater sammenlignet med andre konventionelle reaktioner med termisk opvarmning. Omsætningen stiger med lermineralernes basicitet og ultralydsbehandlingens varighed. Udbyttet var højere ved anvendelse af Cs+-montmorillonitter sammenlignet med Li+, hvilket muligvis kan forklares ved den højere basicitet. (Se reaktionsskemaet nedenfor)

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

En anden ultralydsassisteret Michael-addition er katalyse af indol fremmet af svovlsyre på silica. Li et al. (2006) lod svovlsyre på silica og α,β-umættede ketoner reagere under ultralydsbehandling for at opnå β-indolylketoner med udbytter på 50–85% ved stuetemperatur.

Aza-Michael-reaktioner uden opløsningsmidler og katalysatorer

Den konjugerede addition af aminer til konjugerede alkener – kendt som aza-Michael-reaktionen – er et kemisk nøgletrin i syntesen af forskellige komplekse naturstoffer, antibiotika, a-aminoalkoholer og chirale hjælpestoffer. Ultralydsbehandling har vist sig at kunne fremme en sådan aza-Michael-additionsreaktion uden opløsningsmidler og katalysatorer.

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

En enkel Michael-addition af ferrocenyl-enoner med alifatiske aminer kan udføres i en sonokemisk fremmet reaktion uden brug af opløsningsmidler og katalysatorer ved stuetemperatur. Denne sonokemiske Michael-addition kan danne 1-ferrocenyl-3-amino-carbonylforbindelser i en hurtig proces med høje udbytter, som også er effektiv ved aza-Michael-reaktionen med andre α,β-umættede carbonylforbindelser såsom chalcon, carboxylsyreester osv. Denne sonokemiske reaktion er ikke kun meget enkel og let at håndtere, den er også en hurtig, miljøvenlig og billig proces, hvilket er egenskaber ved grøn kemi. (Yang et al., 2005)
Baniks forskningsgruppe udviklede en anden enkel, ligetil, hurtig, vandmedieret og katalysatorfri protokol til aza-Michael-additionsreaktionen af flere aminer til α,β-umættede carbonylforbindelser ved anvendelse af ultralydsbehandling. Den sonokemisk inducerede addition af flere aminer til α,β-umættede ketoner, estere og nitriler er blevet udført meget effektivt i vand samt under opløsningsmiddelfrie betingelser. Der er ikke blevet anvendt katalysatorer eller faste bærematerialer i denne metode. En bemærkelsesværdig stigning i reaktionshastigheden er blevet observeret i vand ved den ultralydsinducerede metode. Denne miljøskånsomme fremgangsmåde har givet ren dannelse af produkterne med forbedret selektivitet. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Virkninger af opløsningsmidler og sonokemisk behandling på aza-Michael-reaktionen mellem 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 avancerede hardware og smarte software i Hielschers ultralydsapparater er udviklet til at garantere pålidelig sonokemisk behandling, f.eks. udførelse af organisk syntese og katalysereaktioner med reproducerbare resultater og på en brugervenlig måde.
Systemer fra Hielscher Ultrasonics anvendes over hele verden til sonokemiske processer, herunder organiske syntesereaktioner såsom Michael-additioner, Mannich-reaktionen, Diels-Alder-reaktionen og mange andre koblingsreaktioner. Hielschers ultralydsapparater har vist sig pålidelige til syntese af kemiske produkter af høj kvalitet med høje udbytter og anvendes ikke kun i laboratorier, men også i industriel produktion. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelsesbehov installeres vores ultralydsapparater ofte til krævende anvendelser og i krævende miljøer.
Hielschers ultralydsprocessorer til sonokemiske synteser, katalyser, krystallisation og andre reaktioner er allerede installeret i kommerciel skala over hele verden. Kontakt os nu for at drøfte din sonokemiske fremstillingsproces! Vores erfarne medarbejdere deler gerne flere oplysninger om den sonokemiske syntesevej, ultralydssystemer og priser!

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Litteratur / Referencer

• 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.