Ultrahelil edendatud Michaeli liitumisreaktsioon

Asümmeetrilised Michaeli reaktsioonid on organokatalüütiliste reaktsioonide tüüp, mis võib ultraheli töötlusest (sonikeerimisest) suurt kasu saada. Michaeli reaktsiooni ehk Michaeli liitumist kasutatakse laialdaselt keemilistes sünteesides, kus süsinik-süsinik sidemed moodustuvad leebetes tingimustes. Ultraheli töötlus ja selle sonokeemilised mõjud on väga tõhusad Michaeli reaktsioonide käivitamisel ja edendamisel, mille tulemuseks on suuremad saagised ja oluliselt lühem reaktsiooniaeg, ning samal ajal aitavad need kaasa keskkonnasõbralikule rohelisele keemiale.

Sonokeemia ja Michaeli liitumine

Sonokeemia on hästi tuntud oma kasulike mõjude poolest keemilistele reaktsioonidele – sageli annab see suuremaid saagiseid, kiirendab reaktsiooni, loob leebemad, keskkonnasõbralikud tingimused ning võimaldab ohutut ja lihtsat kasutust. See tähendab, et sonokeemia on tõhus ja ohutu meetod sünteetiliste ja katalüütiliste keemiliste reaktsioonide aktiveerimiseks, edendamiseks ja käivitamiseks. Ultraheli töötluse ja sonokeemia mehhanism põhineb akustilise kavitatsiooni nähtusel, mis tekitab vedelas keskkonnas mullide järsu kollapsi kaudu ainulaadsed tingimused väga kõrge rõhu ja temperatuuriga. Ultraheli- ehk akustilise kavitatsiooni mõjud käivitavad reaktsioone suure energia sissetoomise kaudu ja parandavad massiülekannet, hõlbustades seeläbi keemilisi muundumisi.
Michaeli reaktsioon ehk Michaeli liitumine on karbaniooni või mõne muu nukleofiili nukleofiilne liitumine α,β-küllastumata karbonüülühendiga, mis sisaldab elektrone eemaldavat rühma. Michaeli reaktsioon kuulub konjugeeritud liitumiste laiemasse klassi. Michaeli liitumist peetakse üheks kasulikumaks meetodiks süsinik–süsinik sidemete leebeks moodustamiseks ning seda kasutatakse laialdaselt mitmesuguste ainete orgaaniliseks sünteesiks. Michaeli liitumisel on palju asümmeetrilisi variante, mis on organokatalüütiliste reaktsioonide tüüp.

Imidasooli Michaeli liitumine sonokatalüüsi ja aluseliste savide katalüüsi abil

Martin-Aranda et al. (2002) kasutasid ära ultraheli töötlust ja selle sonokeemilisi mõjusid, et töötada välja uudne süntees N-asendatud imidasooli derivaatide 21 saamiseks imidasooli Michaeli liitumisel etüülakrülaadiga, mida katalüüsisid aluselised savid, nimelt Li+ ja Cs+ montmorilloniidid. Ultraheliaktivatsiooni kasutades kondenseeriti imidasool etüülakrülaadiga, kasutades kahte aluselist savi – Li+ ja Cs+ montmorilloniite. Aluselised savid, nagu Li+ ja Cs+ montmorilloniidid, on ultraheli töötluse korral aktiivsed ja väga selektiivsed katalüsaatorid, avaldades seeläbi positiivset mõju imidasooli Michaeli liitumisele etüülakrülaadiga. Sonokeemiliselt edendatud katalüüs soodustab ja parandab N-asendatud imidasooli derivaatide teket võrreldes teiste tavapäraste termilise kuumutamisega reaktsioonidega. Konversioon suureneb savide aluselisuse ja ultraheli töötluse kestusega. Saagis oli suurem, kui kasutati Cs+ montmorilloniite võrreldes Li+ montmorilloniitidega, mida võib seletada suurema aluselisusega. (Vt reaktsiooniskeemi allpool)

Sonokatalüütiline reaktsioon: imidasooli Michaeli liitumine etüülakrülaadiga
(skeem kohandatud allikast Mohapatra et al, 2018.)

Teine ultraheliga toetatud Michaeli liitumine on indooli räni-sulfaathappega edendatud katalüüs. Li et al. (2006) reageerisid ränidioksiidile kantud väävelhapet ja α,β-küllastumata ketoone ultraheli töötluse all, et saada β-indolüülketoone saagisega 50–85% toatemperatuuril.

Lahustivabad ja katalüsaatorivabad aza-Michaeli reaktsioonid

Amiinide konjugeeritud liitumine konjugeeritud alkeenidele – tuntud kui aza-Michaeli reaktsioon – on keemiline võtmeetapp mitmesuguste keerukate looduslike ühendite, antibiootikumide, a-aminoalkoholide ja kiraalsete abiainete sünteesis. On näidatud, et ultraheli töötlus suudab sellist aza-Michaeli liitumisreaktsiooni edendada lahustivabas ja katalüsaatorivabas keskkonnas.

Ultraheli esilekutsutud aza-Michaeli reaktsiooni on vees katsetatud mitme amiini ning küllastumata ketoonide, küllastumata nitriili ja küllastumata estriga. Sonokeemiliselt edendatud reaktsioon andis suuri saagiseid kiires ja lihtsas protseduuris.
uuring ja tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ferrotsenüülenoonide lihtne Michaeli liitumine alifaatsete amiinidega on teostatav sonokeemiliselt edendatud reaktsioonina ilma lahusteid ja katalüsaatoreid kasutamata toatemperatuuril. See sonokeemiline Michaeli liitumine võimaldab saada 1-ferrotsenüül-3-aminokarbonüülühendeid kiires protsessis suurte saagistega, mis on tõhus ka teiste α,β-küllastumata karbonüülühendite, näiteks kalkooni, karboksüülhappe estri jms aza-Michaeli reaktsioonis. See sonokeemiline reaktsioon pole mitte ainult väga lihtne ja hõlpsasti käsitsetav, vaid ka kiire, keskkonnasõbralik ja odav protsess, mis on rohelise keemia tunnused. (Yang et al., 2005)
Baniku uurimisrühm töötas välja veel ühe lihtsa, otsekohese, kiire, vesikeskkonnas toimiva katalüsaatorivaba protokolli mitme amiini aza-Michaeli liitumisreaktsiooniks α,β-küllastumata karbonüülühenditega, kasutades ultraheli töötlust. Mitme amiini sonokeemiliselt esile kutsutud liitumine α,β-küllastumata ketoonide, estrite ja nitriilidega viidi väga tõhusalt läbi nii vees kui ka lahustivabades tingimustes. Selles meetodis ei ole kasutatud katalüsaatoreid ega tahkeid kandjaid. Ultraheliga esile kutsutud meetodi korral on vees täheldatud reaktsioonikiiruse märkimisväärset suurenemist. See keskkonnasõbralik protseduur on andnud toodete puhta moodustumise suurenenud selektiivsusega. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Lahustite ja sonokeemilise töötluse mõju piperidiini (1 mL) ja metüülakrülaadi (1 mL) aza-Michaeli reaktsioonile 1 mL lahustis.
uuring ja tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultraheli sondid ja reaktorid sonokeemilisteks reaktsioonideks

Hielscheri ultraheli seadmete keerukas riistvara ja nutikas tarkvara on loodud tagama usaldusväärset sonokeemilist töötlust, nt orgaanilise sünteesi ja katalüütiliste reaktsioonide läbiviimist reprodutseeritavate tulemustega ja kasutajasõbralikult.
Hielscher Ultrasonics süsteeme kasutatakse kogu maailmas sonokeemilistes protsessides, sealhulgas orgaanilistes sünteesireaktsioonides, nagu Michaeli liitumised, Mannichi reaktsioon, Diels-Alderi reaktsioon ja paljud muud sidumisreaktsioonid. Hielscheri ultraheli seadmed, mis on end tõestanud usaldusväärsetena kvaliteetsete keemiatoodete suure saagisega sünteesis, ei ole kasutusel mitte ainult laboris, vaid ka tööstuslikus tootmises. Tänu oma vastupidavusele ja väikesele hooldusvajadusele paigaldatakse meie ultraheli seadmeid sageli raskeks tööks ja nõudlikesse keskkondadesse.
Hielscheri ultraheli protsessorid sonokeemilisteks sünteesideks, katalüüsideks, kristallisatsiooniks ja muudeks reaktsioonideks on juba paigaldatud kogu maailmas kommertsmahus. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma sonokeemilist tootmisprotsessi! Meie suure kogemusega töötajad jagavad hea meelega lisateavet sonokeemilise sünteesitee, ultraheli süsteemide ja hindade kohta!

Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Kirjandus / viited

• 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.