Durch Ultraschall intensivierte Michael-Additionsreaktion

Asymmetrische Michael-Reaktionen gehören zu den organokatalytischen Reaktionen und können erheblich von einer Beschallung profitieren. Die Michael-Reaktion oder Michael-Addition wird häufig für chemische Synthesen eingesetzt, bei denen unter milden Bedingungen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gebildet werden. Die Ultraschallbehandlung und ihre sonochemischen Effekte treiben Michael-Reaktionen sehr wirksam voran und fördern sie. Dies führt zu höheren Ausbeuten und deutlich kürzeren Reaktionszeiten und trägt zugleich zu einer umweltfreundlichen grünen Chemie bei.

Sonochemie und Michael-Addition

Die Sonochemie ist aufgrund ihrer vorteilhaften Wirkungen auf chemische Reaktionen fest etabliert – häufig führt sie zu höheren Ausbeuten, einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit, milderen, umweltfreundlichen Bedingungen sowie einem sicheren und einfachen Betrieb. Damit ist die Sonochemie eine effiziente und unbedenkliche Methode, um synthetische und katalytische chemische Reaktionen zu aktivieren, zu fördern und voranzutreiben. Der Mechanismus der Ultraschallbehandlung und der Sonochemie beruht auf dem Phänomen der akustischen Kavitation, bei der durch den heftigen Kollaps von Blasen in einem flüssigen Medium einzigartige Bedingungen mit sehr hohen Drücken und Temperaturen entstehen. Die Wirkungen der Ultraschallkavitation beziehungsweise akustischen Kavitation lösen durch den Eintrag hoher Energie Reaktionen aus und verbessern den Stofftransport, wodurch chemische Umwandlungen erleichtert werden.
Die Michael-Reaktion oder Michael-Addition ist die nukleophile Addition eines Carbanions oder eines anderen Nukleophils an eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung, die eine elektronenziehende Gruppe enthält. Die Michael-Reaktion wird der übergeordneten Klasse der konjugierten Additionen zugeordnet. Die Michael-Addition gilt als eine der nützlichsten Methoden zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen unter milden Bedingungen und wird häufig für die organische Synthese vielfältiger Substanzen eingesetzt. Es gibt zahlreiche asymmetrische Varianten der Michael-Addition, die zu den organokatalytischen Reaktionen gehören.

Sonokatalyse und durch basische Tone katalysierte Michael-Addition von Imidazol

Martin-Aranda et al. (2002) nutzten die Ultraschallbehandlung und ihre sonochemischen Effekte, um einen neuartigen Syntheseweg für N-substituierte Imidazolderivate 21 durch die Michael-Addition von Imidazol an Ethylacrylat zu entwickeln, katalysiert durch basische Tone, nämlich Li+- und Cs+-Montmorillonite. Unter Ultraschallaktivierung wurde Imidazol mit Ethylacrylat unter Verwendung der beiden basischen Tone – Li+- und Cs+-Montmorillonite – kondensiert. Basische Tone wie Li+- und Cs+-Montmorillonite sind unter Beschallung aktive und sehr selektive Katalysatoren und wirken sich dadurch positiv auf die Michael-Addition von Imidazol an Ethylacrylat aus. Die sonochemisch geförderte Katalyse fördert und verbessert die Bildung N-substituierter Imidazolderivate im Vergleich zu anderen konventionellen Reaktionen unter Wärmezufuhr. Der Umsatz steigt mit der Basizität der Tone und der Beschallungsdauer. Bei Verwendung von Cs+-Montmorilloniten war die Ausbeute höher als bei Li+-Montmorilloniten, was sich durch die höhere Basizität erklären lassen könnte. (Siehe Reaktionsschema unten)

Sonokatalytische Reaktion: Michael-Addition von Imidazol an Ethylacrylat
(Schema nach Mohapatra et al., 2018.)

Eine weitere ultraschallunterstützte Michael-Addition ist die durch auf Siliciumdioxid geträgerte Schwefelsäure geförderte Katalyse von Indol. Li et al. (2006) setzten auf Siliciumdioxid geträgerte Schwefelsäure und α,β-ungesättigte Ketone unter Ultraschallbehandlung um, um bei Raumtemperatur β-Indolylketone mit Ausbeuten von 50–85% zu erhalten.

Lösungsmittel- und katalysatorfreie Aza-Michael-Reaktionen

Die konjugierte Addition von Aminen an konjugierte Alkene – bekannt als Aza-Michael-Reaktion – ist ein chemischer Schlüsselschritt für die Synthese verschiedener komplexer Naturstoffe, Antibiotika, a-Aminoalkohole und chiraler Auxiliare. Es wurde gezeigt, dass eine Ultraschallbehandlung solche Aza-Michael-Additionen unter lösungsmittel- und katalysatorfreien Bedingungen fördern kann.

Die ultraschallinduzierte Aza-Michael-Reaktion in Wasser wurde mit mehreren Aminen und ungesättigten Ketonen, einem ungesättigten Nitril und einem ungesättigten Ester getestet. Die sonochemisch geförderte Reaktion lieferte in einem schnellen und einfachen Verfahren hohe Ausbeuten.
Studie und Tabelle: © Bandyopadhyay et al., 2012

Eine einfache Michael-Addition von Ferrocenyl-Enonen mit aliphatischen Aminen lässt sich als sonochemisch geförderte Reaktion ohne Verwendung von Lösungsmitteln und Katalysatoren bei Raumtemperatur durchführen. Diese sonochemische Michael-Addition kann in einem schnellen Verfahren 1-Ferrocenyl-3-aminocarbonylverbindungen mit hohen Ausbeuten liefern. Das Verfahren ist auch bei der Aza-Michael-Reaktion anderer α,β-ungesättigter Carbonylverbindungen wie Chalkon, Carbonsäureestern usw. effizient. Diese sonochemische Reaktion ist nicht nur sehr einfach und leicht zu handhaben, sondern auch ein schnelles, umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren – Eigenschaften, die die grüne Chemie kennzeichnen. (Yang et al., 2005)
Die Forschungsgruppe von Banik entwickelte ein weiteres einfaches, unkompliziertes, schnelles und katalysatorfreies Verfahren in wässrigem Medium für die Aza-Michael-Addition mehrerer Amine an α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen unter Ultraschallbehandlung. Die sonochemisch induzierte Addition mehrerer Amine an α,β-ungesättigte Ketone, Ester und Nitrile wurde sowohl in Wasser als auch unter lösungsmittelfreien Bedingungen sehr effizient durchgeführt. Bei dieser Methode wurden weder Katalysatoren noch feste Trägermaterialien verwendet. Bei dem ultraschallinduzierten Verfahren wurde in Wasser eine bemerkenswerte Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet. Dieses umweltverträgliche Verfahren ermöglichte eine saubere Bildung der Produkte mit erhöhter Selektivität. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Einfluss von Lösungsmitteln und sonochemischer Behandlung auf die Aza-Michael-Reaktion von Piperidin (1 mL) und Methylacrylat (1 mL) in 1 mL Lösungsmittel.
Studie und Tabelle: © Bandyopadhyay et al., 2012

Sonotroden und Reaktoren für sonochemische Reaktionen

Die ausgereifte Hardware und die intelligente Software der Ultraschallgeräte von Hielscher sind darauf ausgelegt, eine zuverlässige sonochemische Prozessführung zu gewährleisten, z. B. die benutzerfreundliche Durchführung organischer Synthesen und katalytischer Reaktionen mit reproduzierbaren Ergebnissen.
Systeme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit für sonochemische Prozesse eingesetzt, darunter organische Synthesereaktionen wie Michael-Additionen, die Mannich-Reaktion, die Diels-Alder-Reaktion und viele weitere Kupplungsreaktionen. Ultraschallgeräte von Hielscher haben sich bei der Synthese hochwertiger chemischer Produkte mit hohen Ausbeuten als zuverlässig erwiesen und werden nicht nur im Labor, sondern auch in der industriellen Produktion eingesetzt. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsbedarfs werden unsere Ultraschallgeräte häufig für Anwendungen unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.
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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Literatur / Quellen

• 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.