Reacción de adición de Michael promovida por ultrasonidos

Las reacciones asimétricas de Michael son un tipo de reacciones organocatalíticas que pueden beneficiarse mucho de la sonicación. La reacción de Michael o adición de Michael se utiliza ampliamente para las síntesis químicas, en las que se forman enlaces carbono-carbono en condiciones suaves. La ultrasonicación y sus efectos sonoquímicos son muy eficaces para impulsar y promover las reacciones de Michael, lo que da lugar a mayores rendimientos, a una reducción significativa del tiempo de reacción y, al mismo tiempo, contribuye a una química ecológica respetuosa con el medio ambiente.

La sonoquímica y la adición de Michael

La sonoquímica está bien establecida por sus efectos benéficos en las reacciones químicas – a menudo se obtienen mayores rendimientos, una velocidad de reacción acelerada, condiciones más suaves y respetuosas con el medio ambiente, así como un funcionamiento sencillo y seguro. Esto significa que la sonoquímica es un método eficaz e inocuo para activar, promover e impulsar reacciones químicas sintéticas y catalíticas. El mecanismo del procesamiento por ultrasonidos y de la sonoquímica se basa en el fenómeno de la cavitación acústica, que induce condiciones únicas de presiones y temperaturas muy elevadas mediante el colapso violento de burbujas en un medio líquido. Los efectos de la cavitación ultrasónica o acústica inician las reacciones mediante la introducción de alta energía y mejoran la transferencia de masa, facilitando así las transformaciones químicas.
La reacción de Michael o adición de Michael es la adición nucleofílica de un carbanión u otro nucleófilo a un compuesto carbonílico α,β-insaturado que contiene un grupo que retira electrones. La reacción de Michael se agrupa en la clase más amplia de las adiciones conjugadas. Valorada como uno de los métodos más útiles para la formación suave de enlaces carbono-carbono, la adición de Michael se utiliza ampliamente para la síntesis orgánica de múltiples sustancias. Existen muchas variantes asimétricas de la adición de Michael, que son un tipo de reacciones organocatalíticas.

Sonocatálisis y adición Michael catalizada por arcilla básica de imidazol

Martin-Aranda et al. (2002) aprovecharon las ventajas de la ultrasonicación y sus efectos sonoquímicos para desarrollar una nueva ruta de síntesis de derivados de imidazol N-sustituidos 21 mediante la adición Michael de imidazol a etilacrilato catalizada por arcillas básicas, concretamente montmorillonitas Li+ y Cs+. Mediante activación ultrasónica, el imidazol se condensó con el acrilato de etilo utilizando las dos arcillas básicas – Montmorillonitas de Li+ y Cs+. Las arcillas alcalinas como las montmorillonitas Li+ y Cs+ son catalizadores activos y muy selectivos bajo sonicación, mostrando así efectos positivos en la adición Michael de imidazol a acrilato de etilo. La catálisis promovida por la sonicación favorece y mejora la formación de derivados de imidazol N-sustituidos en comparación con otras reacciones convencionales de calentamiento térmico. La conversión aumenta con la basicidad de las arcillas y el tiempo de ultrasonificación. El rendimiento fue mayor cuando se utilizaron montmorillonitas de Cs+ en comparación con las de Li+, lo que podría explicarse debido a la mayor basicidad. (Véase el esquema de reacción más abajo)

Reacción sonocatalítica: Adición Michael de imidazol a acrilato de etilo
(esquema adaptado de Mohapatra et al, 2018.)

Otra adición Michael asistida por ultrasonidos es la catálisis del indol promovida por el ácido sulfúrico de sílice. Li et al. (2006) hicieron reaccionar ácido sulfúrico de sílice y cetonas α,β-insaturadas bajo ultrasonidos para obtener rendimientos de β-indolilcetonas del 50-85% a temperatura ambiente.

Reacciones Aza-Michael sin disolvente y sin catalizador

La adición conjugada de aminas a alquenos conjugados – conocida como reacción de aza-Michael – es un paso químico clave para la síntesis de varios productos naturales complejos, antibióticos, a-amino alcoholes y auxiliares quirales. La ultrasonicación ha demostrado ser capaz de promover dicha reacción de adición aza-Michael en un entorno libre de disolventes y catalizadores.

La reacción aza-Michael inducida por ultrasonidos en agua se ha probado con varias aminas y cetonas insaturadas, nitrilos insaturados y ésteres insaturados. La reacción promovida por la sonoquímica dio altos rendimientos en un procedimiento rápido y sencillo.
estudio y tabla: © Bandyopadhyay et al., 2012

Se puede llevar a cabo una adición Michael fácil de ferrocenilenonas con aminas alifáticas en una reacción promovida sonoquímicamente sin el uso de disolventes y catalizadores a temperatura ambiente. Esta adición sonoquímica de Michael puede producir compuestos carbonílicos 1-ferrocenil-3-amino en un proceso rápido que da altos rendimientos, lo que también es eficiente en la reacción aza-Michael de otros compuestos carbonílicos α,β-insaturados como la chalcona, el éster carboxílico, etc. Esta reacción sonoquímica no sólo es muy simple y fácil de manejar, sino que también es un proceso rápido, respetuoso con el medio ambiente y barato, que son atributos de la química verde. (Yang et al., 2005)
El grupo de investigación de Banik ha desarrollado otro protocolo simple, sencillo, rápido y sin catalizador mediado por agua para la reacción de adición aza-Michael de varias aminas a compuestos carbonílicos α,β-insaturados aplicando ultrasonidos. La adición inducida sonoquímicamente de varias aminas a cetonas, ésteres y nitrilos α,β-insaturados se ha llevado a cabo de forma muy eficiente en agua, así como en condiciones libres de disolventes. En este método no se han utilizado catalizadores ni soportes sólidos. Se ha observado una notable mejora de la velocidad de reacción en agua bajo el método inducido por ultrasonidos. Este procedimiento ambientalmente benigno ha proporcionado una formación limpia de los productos con una selectividad mejorada. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Efectos de los disolventes y del tratamiento sonoquímico en la reacción de aza-Michael de piperidina (1 mL) y acrilato de metilo (1 mL) en 1 mL de disolvente.
estudio y tabla: © Bandyopadhyay et al., 2012

Sondas y reactores de ultrasonidos para reacciones sonoquímicas

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Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para procesos sonoquímicos que incluyen reacciones sintéticas orgánicas como las adiciones de Michael, la reacción de Mannich, la reacción de Diels-Alder y muchas otras reacciones de acoplamiento. Los ultrasonidos de Hielscher, que han demostrado ser fiables para la síntesis de altos rendimientos de productos químicos de alta calidad, no sólo se utilizan en el laboratorio, sino también en la producción industrial. Gracias a su robustez y a su bajo mantenimiento, nuestros ultrasonidos se instalan habitualmente para aplicaciones pesadas y en entornos exigentes.
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En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Literatura / Referencias