Sonochemisch verbesserte Mannich-Reaktionen
Mannich-Reaktionen sind wichtige Reaktionen zur Bildung von Kohlenstoff–Kohlenstoff-Bindungen, die in Industriezweigen wie der pharmazeutischen Produktion und der Synthese von Naturstoffen weit verbreitet sind. Während die meisten Eintopf-Mannich-Reaktionen sehr langsam ablaufen, wurden die positiven Effekte der Ultraschallbehandlung auf Mannich-Reaktionen rasch genutzt, um Ausbeute und Reaktionsgeschwindigkeit zu steigern und die traditionell lange Reaktionsdauer deutlich zu verkürzen.
Sonochemie und ihre Vorteile bei Mannich-Reaktionen
Die Mannich-Reaktion gehört zu den wichtigsten Reaktionen zur Bildung von Kohlenstoff–Kohlenstoff-Bindungen in der organischen Synthese, da sie synthetisch und biologisch wichtige 𝛽-Aminocarbonylverbindungen liefert. Diese sind wichtige Zwischenprodukte für den Aufbau verschiedener stickstoffhaltiger Naturstoffe und Pharmazeutika.
Inline-Ultraschallsystem für sonochemische Reaktionen, z. B. für verbesserte Mannich-Reaktionen
Ultraschallbestrahlung und die dadurch erzeugten sonochemischen Effekte beschleunigen die Reaktionskinetik von Mannich-Reaktionen nachweislich drastisch, z. B. durch eine Verkürzung der Reaktionsdauer um den Faktor 13 von 20h auf 1,5h.
Die Ultraschallbehandlung verbessert die durch Amidosulfonsäure katalysierte Eintopf-Mannich-Reaktion von Ketonen, Aldehyden und Aminen.
Reaktionsschema nach Zeng et al., 2009
- Deutlich verkürzte Reaktionsdauer
- Höhere Ausbeuten
- Präzise steuerbare Bedingungen
- Temperaturkontrolle
- Chargen- und Inline-Betrieb
- Grüne Chemie
Ultraschallgestützte Mannich-Reaktion zur Herstellung von 𝛽-Aminocarbonylverbindungen
Amidosulfonsäure (NH2SO3H, SA) wurde als effizienter, kostengünstiger, ungiftiger und wiederverwendbarer grüner Katalysator für die ultraschallgestützte Eintopf-Mannich-Reaktion von Aldehyden mit Ketonen und Aminen eingesetzt. Dieses Ultraschallverfahren bietet die Vorteile einer hohen Ausbeute, milder Bedingungen, fehlender Umweltbelastung und einfacher Aufarbeitung. Besonders hervorzuheben ist, dass mit dieser Methode erstmals beta-Aminocarbonylverbindungen mit ortho-substituierten aromatischen Aminen in akzeptablen bis guten Ausbeuten erhalten werden.
Amidosulfonsäure wurde als Katalysator untersucht, und 10 mol% Amidosulfonsäure reichten aus, um die Reaktion bei einer Ausbeute von 95% innerhalb einer deutlich verkürzten Reaktionsdauer von 1,5h vollständig ablaufen zu lassen. Im Vergleich dazu wurden beim Rühren mit hoher Drehzahl nur 85% Ausbeute in etwa 20h erreicht. Dies unterstreicht die gut belegte Tatsache, dass Leistungsultraschall und Sonochemie organische Reaktionen beschleunigen. Die folgende Tabelle zeigt die deutlichen Vorteile der Ultraschallbehandlung gegenüber dem Rühren mit hoher Drehzahl bei Mannich-Reaktionen.
Die Tabelle zeigt, dass ultraschallkatalysierte Mannich-Reaktionen im Vergleich zum Rühren mit hoher Drehzahl deutlich schneller und effizienter sind.
Studie: © Zeng et al., 2009
Leistungsstarke sonochemische Anlagen für Mannich-Reaktionen
Sonochemische Anlagen für die Synthese und Katalyse chemischer Produkte wie Aminocarbonylverbindungen und anderer Zwischenprodukte sind in jeder Größe erhältlich – von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu Ultraschallreaktoren für den industriellen Großbetrieb. Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschallgeräte. Alle Ultraschallsysteme werden am Hauptsitz in Teltow, Deutschland, gefertigt und von dort aus weltweit vertrieben.
Die ausgereifte Hardware und intelligente Software der Ultraschallgeräte von Hielscher sind darauf ausgelegt, einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten. Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind robust und zuverlässig, sodass sie auch unter hoher Beanspruchung installiert und betrieben werden können. Die Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü einfach aufrufen und anpassen. Der Zugriff erfolgt über ein digitales Farb-Touchdisplay und eine Browser-Fernsteuerung. Dabei werden alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet. So können Sie frühere Beschallungsläufe überprüfen und vergleichen sowie die Synthese und Funktionalisierung im Rahmen sonochemisch verbesserter Reaktionen wie der Mannich-Reaktion, der Diels-Alder-Reaktion oder der Michael-Addition auf höchste Effizienz optimieren.
Systeme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit für sonochemische Prozesse (Sonosynthese und Sonokatalyse) eingesetzt und haben sich sowohl im Chargenbetrieb als auch im kontinuierlichen Inline-Betrieb als zuverlässige Anlagen bewährt. Die industriellen Ultraschallgeräte von Hielscher können problemlos mit hohen Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) arbeiten. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich mit Standardsonotroden (Ultraschallsonotroden / Ultraschallhörnern) problemlos kontinuierlich erzeugen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsbedarfs werden unsere Ultraschallgeräte häufig für Anwendungen mit hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.
Ultraschallprozessoren von Hielscher für sonochemische Synthesen sind bereits weltweit im kommerziellen Maßstab installiert. Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihre sonochemisch unterstützte Synthese mittels Mannich-Reaktion zu besprechen! Unsere erfahrenen Mitarbeiter informieren Sie gerne ausführlicher über den sonochemischen Syntheseweg, Ultraschallsysteme und Preise!
Dank der Vorteile des Ultraschallsyntheseverfahrens zeichnet sich Ihre chemische Produktion im Vergleich zu anderen katalytischen Syntheseverfahren durch Effizienz, Einfachheit und niedrige Kosten aus!
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 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. | höher | Verbund aus UIP16000 |
Kontaktieren Sie uns! / Fragen Sie uns!
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab.
Literatur / Quellen
- 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 beruht auf einer Mehrkomponentenkondensation eines nicht enolisierbaren Aldehyds, eines primären oder sekundären Amins und einer enolisierbaren Carbonylverbindung, bei der aminomethylierte Produkte entstehen. Das Iminiumderivat des Aldehyds fungiert bei der Mannich-Reaktion als Akzeptor.
Die Mannich-Reaktion wird in vielen Bereichen der organischen Chemie eingesetzt. Da sie als praktische Eintopfreaktion durchgeführt und auch als doppelte Mannich-Reaktion angelegt werden kann, wird dieser Reaktionstyp zur Synthese von Feinchemikalien, Spezialchemikalien, Pharmazeutika und Naturstoffen verwendet (Einsatz in Biosynthesewegen, insbesondere zur Synthese von Alkaloiden, Peptiden und Nukleotiden).
Typische Beispiele für Chemikalien, die über die Mannich-Reaktion synthetisiert werden, sind:
- Alkylamine
- Peptide, Nukleotide, Antibiotika und Alkaloide (z. B. Tropinon)
- Agrochemikalien, etwa Pflanzenwachstumsregulatoren
- Farben und Polymere
- Katalysatoren
- Gewebevernetzung mit Formaldehyd
- Medikamente und pharmazeutische Wirkstoffe (z. B. Rolitetracyclin (das Mannich-Produkt aus Tetracyclin und Pyrrolidin), Fluoxetin (Antidepressivum), Tramadol und Tolmetin (entzündungshemmendes Arzneimittel)).
- Seife und Detergenzien: Die Mannich-Reaktion wird zur Synthese von Alkylaminen eingesetzt, wobei unpolare Kohlenwasserstoffe in Seife oder Detergenzien umgewandelt werden. Die dabei entstehenden Verbindungen werden in vielfältigen Reinigungsanwendungen, zur Behandlung von Kraftstoffen für Kraftfahrzeuge und in Epoxidbeschichtungen eingesetzt.
- Polyetheramine aus substituierten, verzweigtkettigen Alkylethern
- α,β-ungesättigte Ketone durch thermischen Abbau von Mannich-Reaktionsprodukten (z. B. Methylvinylketon aus 1-Diethylamino-butan-3-on)
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Industriemaßstab.