Αντίδραση προσθήκης Michael προαγόμενη με υπερήχους

Οι ασύμμετρες αντιδράσεις Michael είναι ένας τύπος οργανοκαταλυτικών αντιδράσεων που μπορούν να ωφεληθούν σημαντικά από την κατεργασία με υπερήχους. Η αντίδραση Michael ή προσθήκη Michael χρησιμοποιείται ευρέως σε χημικές συνθέσεις, όπου σχηματίζονται δεσμοί άνθρακα–άνθρακα υπό ήπιες συνθήκες. Η κατεργασία με υπερήχους και οι ηχοχημικές επιδράσεις της είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές στην προώθηση και την προαγωγή των αντιδράσεων Michael, οδηγώντας σε υψηλότερες αποδόσεις, σημαντικά μειωμένο χρόνο αντίδρασης και συμβάλλοντας ταυτόχρονα σε μια φιλική προς το περιβάλλον πράσινη χημεία.

Ηχοχημεία και προσθήκη Michael

Η ηχοχημεία είναι ευρέως αναγνωρισμένη για τις ευεργετικές επιδράσεις της στις χημικές αντιδράσεις – συχνά οδηγεί σε υψηλότερες αποδόσεις, αυξημένη ταχύτητα αντίδρασης, ηπιότερες και φιλικές προς το περιβάλλον συνθήκες, καθώς και σε ασφαλή και απλή λειτουργία. Αυτό σημαίνει ότι η ηχοχημεία είναι μια αποτελεσματική και αβλαβής μέθοδος για την ενεργοποίηση, την προαγωγή και την προώθηση συνθετικών και καταλυτικών χημικών αντιδράσεων. Ο μηχανισμός της επεξεργασίας με υπερήχους και της ηχοχημείας βασίζεται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης, το οποίο δημιουργεί μοναδικές συνθήκες πολύ υψηλών πιέσεων και θερμοκρασιών μέσω της βίαιης κατάρρευσης φυσαλίδων σε ένα υγρό μέσο. Οι επιδράσεις της υπερηχητικής ή ακουστικής σπηλαίωσης εκκινούν αντιδράσεις μέσω της εισαγωγής υψηλής ενέργειας και βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας, διευκολύνοντας έτσι τους χημικούς μετασχηματισμούς.
Η αντίδραση Michael ή προσθήκη Michael είναι η πυρηνόφιλη προσθήκη ενός καρβανιόντος ή άλλου πυρηνόφιλου σε μια α,β-ακόρεστη καρβονυλική ένωση που περιέχει μια ηλεκτρονιοελκτική ομάδα. Η αντίδραση Michael εντάσσεται στην ευρύτερη κατηγορία των συζυγών προσθηκών. Η προσθήκη Michael, η οποία θεωρείται μία από τις πιο χρήσιμες μεθόδους για τον σχηματισμό δεσμών άνθρακα–άνθρακα υπό ήπιες συνθήκες, χρησιμοποιείται ευρέως για την οργανική σύνθεση ποικίλων ουσιών. Υπάρχουν πολλές ασύμμετρες παραλλαγές της προσθήκης Michael, οι οποίες αποτελούν έναν τύπο οργανοκαταλυτικών αντιδράσεων.

Ηχοκατάλυση και προσθήκη Michael του ιμιδαζολίου με κατάλυση από βασικές αργίλους

Οι Martin-Aranda et al. (2002) αξιοποίησαν την κατεργασία με υπερήχους και τις ηχοχημικές επιδράσεις της για να αναπτύξουν μια νέα συνθετική οδό για τα Ν-υποκατεστημένα παράγωγα ιμιδαζολίου 21, μέσω της προσθήκης Michael του ιμιδαζολίου στον ακρυλικό αιθυλεστέρα με κατάλυση από βασικές αργίλους, συγκεκριμένα μοντμοριλλονίτες Li+ και Cs+. Με υπερηχητική ενεργοποίηση, το ιμιδαζόλιο συμπυκνώθηκε με ακρυλικό αιθυλεστέρα χρησιμοποιώντας τις δύο βασικές αργίλους – μοντμοριλλονίτες Li+ και Cs+. Οι αλκαλικές άργιλοι, όπως οι μοντμοριλλονίτες Li+ και Cs+, είναι δραστικοί και πολύ εκλεκτικοί καταλύτες υπό κατεργασία με υπερήχους, επιδρώντας έτσι θετικά στην προσθήκη Michael του ιμιδαζολίου στον ακρυλικό αιθυλεστέρα. Η ηχοχημικά προαγόμενη κατάλυση προάγει και βελτιώνει τον σχηματισμό Ν-υποκατεστημένων παραγώγων ιμιδαζολίου σε σύγκριση με άλλες αντιδράσεις με συμβατική θέρμανση. Η μετατροπή αυξάνεται με τη βασικότητα των αργίλων και τη διάρκεια της κατεργασίας με υπερήχους. Η απόδοση ήταν υψηλότερη όταν χρησιμοποιήθηκαν μοντμοριλλονίτες Cs+ σε σύγκριση με τους μοντμοριλλονίτες Li+, γεγονός που ενδέχεται να εξηγείται από την υψηλότερη βασικότητα. (Βλ. το παρακάτω σχήμα αντίδρασης)

Ηχοκαταλυτική αντίδραση: προσθήκη Michael του ιμιδαζολίου στον ακρυλικό αιθυλεστέρα
(σχήμα προσαρμοσμένο από Mohapatra et al, 2018.)

Μια άλλη προσθήκη Michael υποβοηθούμενη από υπερήχους είναι η κατάλυση του ινδολίου που προάγεται από θειικό οξύ υποστηριγμένο σε πυριτία. Οι Li et al. (2006) έθεσαν σε αντίδραση θειικό οξύ υποστηριγμένο σε πυριτία και α,β-ακόρεστες κετόνες υπό κατεργασία με υπερήχους, ώστε να λάβουν β-ινδολυλοκετόνες με αποδόσεις 50–85% σε θερμοκρασία δωματίου.

Αντιδράσεις aza-Michael χωρίς διαλύτη και χωρίς καταλύτη

Η συζυγής προσθήκη αμινών σε συζυγιακά αλκένια – γνωστή ως αντίδραση aza-Michael – είναι ένα βασικό χημικό στάδιο για τη σύνθεση διαφόρων σύνθετων φυσικών προϊόντων, αντιβιοτικών, a-αμινοαλκοολών και χειρόμορφων βοηθητικών ουσιών. Έχει αποδειχθεί ότι η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να προάγει μια τέτοια αντίδραση προσθήκης aza-Michael σε συνθήκες χωρίς διαλύτη και χωρίς καταλύτη.

Η επαγόμενη από υπερήχους αντίδραση aza-Michael στο νερό έχει δοκιμαστεί με διάφορες αμίνες και ακόρεστες κετόνες, ακόρεστο νιτρίλιο και ακόρεστο εστέρα. Η ηχοχημικά προαγόμενη αντίδραση έδωσε υψηλές αποδόσεις με μια γρήγορη και απλή διαδικασία.
μελέτη και πίνακας: © Bandyopadhyay et al., 2012

Μια εύκολη προσθήκη Michael φερροκενυλενονών με αλειφατικές αμίνες μπορεί να πραγματοποιηθεί με μια ηχοχημικά προαγόμενη αντίδραση χωρίς τη χρήση διαλυτών και καταλυτών σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η ηχοχημική προσθήκη Michael μπορεί να δώσει 1-φερροκενυλο-3-αμινοκαρβονυλικές ενώσεις με μια γρήγορη διεργασία υψηλών αποδόσεων, η οποία είναι επίσης αποτελεσματική στην αντίδραση aza-Michael άλλων α,β-ακόρεστων καρβονυλικών ενώσεων, όπως η χαλκόνη, ο καρβοξυλικός εστέρας κ.λπ. Αυτή η ηχοχημική αντίδραση είναι όχι μόνο πολύ απλή και εύκολη στον χειρισμό, αλλά και μια γρήγορη, φιλική προς το περιβάλλον και οικονομική διεργασία, χαρακτηριστικά της πράσινης χημείας. (Yang et al., 2005)
Η ερευνητική ομάδα του Banik ανέπτυξε ένα ακόμη απλό, άμεσο και γρήγορο πρωτόκολλο σε υδατικό μέσο, χωρίς καταλύτη, για την αντίδραση προσθήκης aza-Michael διαφόρων αμινών σε α,β-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις με εφαρμογή κατεργασίας με υπερήχους. Η ηχοχημικά επαγόμενη προσθήκη διαφόρων αμινών σε α,β-ακόρεστες κετόνες, εστέρες και νιτρίλια πραγματοποιήθηκε πολύ αποτελεσματικά τόσο στο νερό όσο και υπό συνθήκες χωρίς διαλύτη. Σε αυτή τη μέθοδο δεν χρησιμοποιήθηκαν καταλύτες ή στερεά υποστρώματα στήριξης. Παρατηρήθηκε αξιοσημείωτη αύξηση της ταχύτητας αντίδρασης στο νερό με τη μέθοδο που επάγεται από υπερήχους. Αυτή η περιβαλλοντικά αβλαβής διαδικασία επέτρεψε τον καθαρό σχηματισμό των προϊόντων με αυξημένη εκλεκτικότητα. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Επιδράσεις των διαλυτών και της ηχοχημικής κατεργασίας στην αντίδραση aza-Michael της πιπεριδίνης (1 mL) και του ακρυλικού μεθυλεστέρα (1 mL) σε 1 mL διαλύτη.
μελέτη και πίνακας: © Bandyopadhyay et al., 2012

Αισθητήρες υπερήχων και αντιδραστήρες για ηχοχημικές αντιδράσεις

Το εξελιγμένο υλικό και το έξυπνο λογισμικό των συσκευών υπερήχων Hielscher έχουν σχεδιαστεί ώστε να εγγυώνται αξιόπιστη ηχοχημική επεξεργασία, π.χ. εκτέλεση αντιδράσεων οργανικής σύνθεσης και κατάλυσης με αναπαραγώγιμα αποτελέσματα και με τρόπο φιλικό προς τον χρήστη.
Τα συστήματα Hielscher Ultrasonics χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για ηχοχημικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένων αντιδράσεων οργανικής σύνθεσης, όπως οι προσθήκες Michael, η αντίδραση Mannich, η αντίδραση Diels-Alder και πολλές άλλες αντιδράσεις σύζευξης. Οι συσκευές υπερήχων Hielscher, με αποδεδειγμένη αξιοπιστία στη σύνθεση χημικών προϊόντων υψηλής ποιότητας με υψηλές αποδόσεις, χρησιμοποιούνται τόσο σε εργαστηριακό περιβάλλον όσο και στη βιομηχανική παραγωγή. Χάρη στη στιβαρότητά τους και στις χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης, οι συσκευές υπερήχων μας εγκαθίστανται συχνά για εφαρμογές βαρέως τύπου και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Οι επεξεργαστές υπερήχων Hielscher για ηχοχημικές συνθέσεις, καταλύσεις, κρυστάλλωση και άλλες αντιδράσεις είναι ήδη εγκατεστημένοι παγκοσμίως σε εμπορική κλίμακα. Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε την ηχοχημική παραγωγική διεργασία σας! Το έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να σας δώσει περισσότερες πληροφορίες για την οδό ηχοχημικής σύνθεσης, τα συστήματα υπερήχων και τις τιμές!

Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.