Sonochemisch verbesserte Mannich-Reaktionen
Die Mannich-Reaktion ist eine wichtige Reaktion zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, die in vielen Industriezweigen wie der pharmazeutischen Produktion und der Synthese von Naturstoffen eingesetzt wird. Während die meisten Eintopfreaktionen nach Mannich sehr langsam ablaufen, wurden die positiven Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf Mannich-Reaktionen schnell genutzt, um die Ausbeute und die Reaktionsgeschwindigkeit zu verbessern und die traditionell lange Reaktionszeit auf ein kurzes Verfahren zu reduzieren.
Sonochemie und ihre Vorteile bei Mannich-Reaktionen
Die Mannich-Reaktion ist eine der wichtigsten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsreaktionen in der organischen Synthese, da sie synthetisch und biologisch wichtige 𝛽-Aminocarbonylverbindungen liefert, die wichtige Zwischenprodukte für die Herstellung verschiedener stickstoffhaltiger Naturstoffe und Arzneimittel sind.
Inline-Ultraschallsystem für sonochemische Reaktionen, z. B. für verbesserte Mannich-Reaktionen
Die Ultraschallbestrahlung und die dadurch erzeugten sonochemischen Effekte beschleunigen nachweislich die Reaktionskinetik in Mannich-Reaktionen drastisch, z.B. mit einer 13-fachen Verkürzung der Reaktionszeit von 20h auf 1,5h.
Die Ultraschallbehandlung verbessert die Ein-Topf-Mannich-Reaktion von Ketonen, Aldehyden und Aminen, die durch einen Sulfaminsäurekatalysator katalysiert wird.
Schema angepasst von Zeng et al., 2009
- Deutlich verkürzte Reaktionszeit
- Höhere Erträge
- Präzise steuerbare Bedingungen
- Temperaturkontrolle
- Batch und In-line
- Green Chemistry
Ultraschall-Mannich-Reaktion von 𝛽-Aminocarbonyl-Verbindungen
Sulfaminsäure (NH2SO3H, SA) wurde als effizienter, kostengünstiger, ungiftiger und recycelbarer grüner Katalysator für die ultraschallunterstützte Eintopf-Mannich-Reaktion von Aldehyden mit Ketonen und Aminen verwendet. Die Vorteile dieses Ultraschallprotokolls sind eine hohe Ausbeute, milde Bedingungen, keine Umweltverschmutzung und einfache Aufarbeitungsverfahren. Vor allem beta-Aminocarbonylverbindungen mit ortho-substituierten aromatischen Aminen werden mit dieser Methode zum ersten Mal in akzeptablen bis guten Ausbeuten erhalten.
Sulfamidsäure als Katalysator wurde untersucht, und 10 Mol-% Sulfamidsäure reichten aus, um die Reaktion in einer erheblich beschleunigten Reaktionszeit von 1,5 Stunden vollständig auf 95 % Ausbeute zu bringen (im Vergleich zum Hochgeschwindigkeitsrühren, bei dem nur 85 % Ausbeute in ca. 20 Stunden erreicht wurden). Dies unterstreicht die wohlbekannte Tatsache, dass Leistungsultraschall und Sonochemie organische Reaktionen beschleunigen. Die nachstehende Tabelle zeigt die wesentlichen Vorteile der Ultraschallbehandlung gegenüber dem Hochgeschwindigkeitsrühren bei Mannich-Reaktionen.
Die Tabelle zeigt, dass ultraschallkatalysierte Mannich-Reaktionen im Vergleich zum Hochgeschwindigkeitsrühren deutlich schneller und effizienter sind.
Studie: © Zeng et al., 2009
Sonochemische Hochleistungsgeräte für Mannich-Reaktionen
Sonochemische Anlagen für die Synthese und Katalyse von chemischen Produkten wie Aminocarbonylverbindungen und anderen Zwischenprodukten sind in jeder Größe erhältlich – von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu voll-industriellen Ultraschallreaktoren. Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschallgeräte. Alle Ultraschallsysteme werden im Headquarter in Teltow, Deutschland, hergestellt, intensiv getestet und von dort aus weltweit vertrieben.
Die ausgefeilte Hardware und intelligente Software der Hielscher Ultraschallgeräte sind so konzipiert, dass sie einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und eine hohe Benutzerfreundlichkeit garantieren. Die Hielscher-Ultraschallgeräte sind robust und zuverlässig, so dass sie auch unter schweren Bedingungen installiert und betrieben werden können. Die Betriebseinstellungen sind über ein intuitives Menü, das über ein digitales Farb-Touch-Display und eine Browser-Fernbedienung aufgerufen werden kann, leicht zugänglich und wählbar. Dabei werden alle Verarbeitungsbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer eingebauten SD-Karte aufgezeichnet. So können Sie frühere Beschallungsläufe revidieren und vergleichen und die Synthese und Funktionalisierung von sonochemisch verbesserten Reaktionen wie der Mannich-Reaktion, Diels-Alder-Reaktion oder Michael-Addition auf höchste Effizienz optimieren.
Hielscher Ultrasonics-Systeme werden weltweit für sonochemische Prozesse (Sonosynthese und Sonokatalyse) eingesetzt und haben sich als zuverlässige Geräte im Batch- und kontinuierlichen Inline-Betrieb bewährt. Hielscher Industrie-Ultraschallgeräte können problemlos hohe Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) fahren. Amplituden von bis zu 200µm können mit Standard-Sonotroden (Ultraschallsonden / Sonotroden) problemlos kontinuierlich erzeugt werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsaufwands werden unsere Ultraschallgeneratoren häufig für Schwerlastanwendungen und in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt.
Hielscher-Ultraschallprozessoren für sonochemische Synthesen sind bereits weltweit im kommerziellen Maßstab installiert. Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihre sonochemisch angetriebene Synthese über die Mannich-Reaktion zu besprechen! Unsere erfahrenen Mitarbeiter geben Ihnen gerne weitere Informationen über den sonochemischen Syntheseweg, die Ultraschallsysteme und die Preise!
Mit den Vorteilen der Ultraschallsynthesemethode wird sich Ihre chemische Produktion im Vergleich zu anderen katalytischen Syntheseverfahren durch Effizienz, Einfachheit und niedrige Kosten auszeichnen!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
Kontaktieren Sie uns! / Fragen Sie uns!
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Literatur / Literaturhinweise
- Zeng H., Li H., Shao H. (2009): One-pot three-component Mannich-type reactions using sulfamic acid catalyst under ultrasound irradiation. Ultrasonics Sonochemistry16(6), 2009. 758-762.
- 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.
- Bravo, José; Lopez, Ignacio; Cintas, Pedro; Silvero, Guadalupe; Arévalo, María (2006): Sonochemical cycloadditions in ionic liquids. Lessons from model cases involving common dienes and carbonyl dienophiles. Ultrasonics Sonochemistry 13, 2006. 408-414.
- 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.
Wissenswertes
Was ist die Mannich-Reaktion?
Die Mannich-Reaktion basiert auf einer Mehrkomponentenkondensation eines nicht enolisierbaren Aldehyds, eines primären oder sekundären Amins und einer enolisierbaren Carbonylverbindung, die aminomethylierte Produkte ergibt. Das Iminiumderivat des Aldehyds fungiert bei der Mannich-Reaktion als Akzeptor.
Die Mannich-Reaktion wird in vielen Bereichen der organischen Chemie eingesetzt. Da die Mannich-Reaktion sowohl als praktische Eintopfreaktion als auch als Doppel-Mannich-Reaktion durchgeführt werden kann, wird dieser Reaktionstyp für die Synthese von Feinchemikalien, Spezialchemikalien, Arzneimitteln und Naturstoffen (die in Biosynthesewegen verwendet werden, insbesondere für die Synthese von Alkaloiden, Peptiden und Nukleotiden) eingesetzt.
Gängige Beispiele für Chemikalien, die über die Mannich-Reaktion synthetisiert werden, sind:
- Alkylamine
- Peptide, Nukleotide, Antibiotika und Alkaloide (z. B. Tropinon)
- Agrochemikalien, wie z. B. Pflanzenwachstumsregulatoren
- Farben und Polymere
- Katalysatoren
- Formaldehyd-Gewebevernetzung
- Medikamente und Arzneimittel (z. B. Rolitetracyclin (Mannich-Produkt aus Tetracyclin und Pyrrolidin), Fluoxetin (Antidepressivum), Tramadol und Tolmetin (entzündungshemmendes Medikament).
- Seife und Detergenzien: Die Mannich-Reaktion wird zur Synthese von Alkylaminen verwendet, die unpolare Kohlenwasserstoffe in Seife oder Detergenzien umwandeln. Diese Verbindungen werden in einer Vielzahl von Reinigungsanwendungen, zur Behandlung von Kraftstoffen und für Epoxidbeschichtungen verwendet.
- Polyetheramine aus substituierten verzweigtkettigen Alkylethern
- α,β-ungesättigte Ketone durch den thermischen Abbau von Mannich-Reaktionsprodukten (z. B. Methylvinylketon aus 1-Diethylamino-butan-3-on)
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.