Reacción de adición de Michael promovida por ultrasonidos

Las reacciones de Michael asimétricas son un tipo de reacciones organocatalíticas que pueden beneficiarse considerablemente de la sonicación. La reacción de Michael o adición de Michael se utiliza ampliamente en la síntesis química, en la 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 permite obtener mayores rendimientos, reducir significativamente el tiempo de reacción y, al mismo tiempo, contribuir a una química verde respetuosa con el medio ambiente.

Sonoquímica y adición de Michael

La sonoquímica está ampliamente reconocida por sus efectos beneficiosos sobre las reacciones químicas – a menudo permite obtener mayores rendimientos, acelerar la velocidad de reacción, trabajar en condiciones más suaves y respetuosas con el medio ambiente y operar de forma segura y sencilla. Esto significa que la sonoquímica es un método eficiente e inocuo para activar, promover e impulsar reacciones químicas de síntesis y catálisis. El mecanismo del procesamiento ultrasónico y de la sonoquímica se basa en el fenómeno de la cavitación acústica, que genera condiciones singulares de presión y temperatura muy elevadas mediante el colapso violento de burbujas en un medio líquido. Los efectos de la cavitación ultrasónica o acústica inician las reacciones mediante un elevado aporte de energía y mejoran la transferencia de masa, facilitando así las transformaciones químicas.
La reacción de Michael o adición de Michael es la adición nucleófila de un carbanión u otro nucleófilo a un compuesto carbonílico α,β-insaturado que contiene un grupo atractor de electrones. La reacción de Michael pertenece a la clase más amplia de las adiciones conjugadas. Considerada uno de los métodos más útiles para formar enlaces carbono–carbono en condiciones suaves, la adición de Michael se utiliza ampliamente en la síntesis orgánica de numerosas sustancias. Existen muchas variantes asimétricas de la adición de Michael, que constituyen un tipo de reacciones organocatalíticas.

Sonocatálisis y adición de Michael del imidazol catalizada por arcillas básicas

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

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

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

Reacciones aza-Michael sin disolventes ni catalizadores

La adición conjugada de aminas a alquenos conjugados – conocida como reacción aza-Michael – es una etapa química clave para la síntesis de diversos productos naturales complejos, antibióticos, a-aminoalcoholes y auxiliares quirales. Se ha demostrado que la ultrasonicación puede promover esta reacción de adición aza-Michael en condiciones sin disolventes ni catalizadores.

La reacción aza-Michael inducida por ultrasonidos en agua se ha ensayado con varias aminas y cetonas insaturadas, un nitrilo insaturado y un éster insaturado. La reacción promovida sonoquímicamente proporcionó altos rendimientos mediante un procedimiento rápido y sencillo.
estudio y tabla: © Bandyopadhyay et al., 2012

La adición de Michael de ferrocenilenonas con aminas alifáticas puede realizarse fácilmente mediante una reacción promovida sonoquímicamente sin utilizar disolventes ni catalizadores, a temperatura ambiente. Esta adición de Michael sonoquímica permite obtener compuestos carbonílicos 1-ferrocenil-3-amino mediante un proceso rápido y con altos rendimientos, que también es eficiente en la reacción aza-Michael de otros compuestos carbonílicos α,β-insaturados, como la chalcona, los ésteres carboxílicos, etc. Esta reacción sonoquímica no solo es muy sencilla y fácil de llevar a cabo, sino que también es un proceso rápido, respetuoso con el medio ambiente y económico, características propias de la química verde. (Yang et al., 2005)
El grupo de investigación de Banik desarrolló otro protocolo sencillo, directo, rápido, en medio acuoso y sin catalizadores para la reacción de adición aza-Michael de varias aminas a compuestos carbonílicos α,β-insaturados mediante ultrasonicación. La adición de varias aminas a cetonas, ésteres y nitrilos α,β-insaturados inducida sonoquímicamente se ha realizado de forma muy eficiente tanto en agua como en condiciones sin disolventes. En este método no se han utilizado catalizadores ni soportes sólidos. Se ha observado un aumento notable de la velocidad de reacción en agua con el método inducido por ultrasonidos. Este procedimiento respetuoso con el medio ambiente ha permitido obtener los productos de forma limpia y con mayor selectividad. (Bandyopadhyay et al., 2012)

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

Sondas ultrasónicas y reactores para reacciones sonoquímicas

El sofisticado hardware y el software inteligente de los ultrasonicadores de Hielscher están diseñados para garantizar un procesamiento sonoquímico fiable, por ejemplo, la realización de reacciones de síntesis orgánica y catálisis con resultados reproducibles y un manejo sencillo.
Los sistemas de Hielscher Ultrasonics se utilizan en todo el mundo para procesos sonoquímicos, incluidas reacciones de síntesis orgánica como las adiciones de Michael, la reacción de Mannich, la reacción de Diels-Alder y muchas otras reacciones de acoplamiento. Los ultrasonicadores de Hielscher, cuya fiabilidad para sintetizar productos químicos de alta calidad con altos rendimientos está demostrada, se utilizan tanto en laboratorios como en la producción industrial. Gracias a su robustez y a sus reducidas necesidades de mantenimiento, nuestros ultrasonicadores se instalan habitualmente en aplicaciones de uso intensivo y entornos exigentes.
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La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores:

Bibliografía / Referencias

• 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.