واکنش افزایش مایکل تقویت‌شده با فراصوت

واکنش‌های نامتقارن مایکل نوعی واکنش آلی‌کاتالیزی هستند که می‌توانند از فراصوت‌دهی بسیار بهره‌مند شوند. واکنش مایکل یا افزایش مایکل به‌طور گسترده در سنتزهای شیمیایی به کار می‌رود که در آن‌ها پیوندهای کربن–کربن در شرایط ملایم تشکیل می‌شوند. فراصوت‌دهی و اثرات سونوشیمیایی آن در پیشبرد و تقویت واکنش‌های مایکل بسیار مؤثرند و موجب افزایش بازده و کاهش چشمگیر زمان واکنش می‌شوند و هم‌زمان به شیمی سبزِ سازگار با محیط‌زیست کمک می‌کنند.

سونوشیمی و افزایش مایکل

سونوشیمی به‌دلیل اثرات سودمندش بر واکنش‌های شیمیایی کاملاً شناخته شده است – این اثرات اغلب موجب بازده بالاتر، افزایش سرعت واکنش، شرایط ملایم‌تر و سازگار با محیط‌زیست و نیز کاربری ایمن و ساده می‌شوند. این بدان معناست که سونوشیمی روشی کارآمد و بی‌ضرر برای فعال‌سازی، تقویت و پیشبرد واکنش‌های شیمیایی سنتزی و کاتالیزی است. سازوکار پردازش فراصوتی و سونوشیمی بر پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی استوار است که از طریق فروپاشی شدید حباب‌ها در محیط مایع، شرایط منحصربه‌فردی با فشارها و دماهای بسیار بالا ایجاد می‌کند. اثرات کاویتاسیون فراصوتی یا آکوستیکی با وارد کردن انرژی زیاد، واکنش‌ها را آغاز می‌کنند و انتقال جرم را بهبود می‌بخشند و به این ترتیب تبدیلات شیمیایی را تسهیل می‌کنند.
واکنش مایکل یا افزایش مایکل، افزایش نوکلئوفیلی یک کربانیون یا نوکلئوفیل دیگر به یک ترکیب کربونیل غیراشباع α,β است که حاوی یک گروه الکترون‌کشنده است. واکنش مایکل در ردهٔ گسترده‌تر افزایش‌های مزدوج قرار می‌گیرد. افزایش مایکل که یکی از مفیدترین روش‌ها برای تشکیل پیوندهای کربن–کربن در شرایط ملایم به شمار می‌رود، به‌طور گسترده برای سنتز آلی مواد گوناگون به کار می‌رود. گونه‌های نامتقارن متعددی از افزایش مایکل وجود دارند که نوعی واکنش آلی‌کاتالیزی هستند.

سونوکاتالیز و افزایش مایکل ایمیدازول با کاتالیز رس‌های بازی

Martin-Aranda et al. (2002) از فراصوت‌دهی و اثرات سونوشیمیایی آن برای توسعهٔ یک مسیر سنتز جدید برای مشتقات ایمیدازول با جانشینی در N با شمارهٔ 21 بهره گرفتند؛ این مسیر بر افزایش مایکل ایمیدازول به اتیل آکریلات با کاتالیز رس‌های بازی، یعنی مونتموریلونیت‌های Li+ و Cs+، استوار بود. با استفاده از فعال‌سازی فراصوتی، ایمیدازول با اتیل آکریلات در حضور دو رس بازی – مونتموریلونیت‌های Li+ و Cs+ – وارد واکنش تراکمی شد. رس‌های قلیایی مانند مونتموریلونیت‌های Li+ و Cs+ تحت فراصوت‌دهی کاتالیزورهایی فعال و بسیار گزینش‌پذیر هستند و از این رو اثرات مثبتی بر افزایش مایکل ایمیدازول به اتیل آکریلات دارند. کاتالیز تقویت‌شده با سونوشیمی، در مقایسه با سایر واکنش‌های متداول با گرمایش حرارتی، تشکیل مشتقات ایمیدازول با جانشینی در N را تقویت می‌کند و بهبود می‌بخشد. میزان تبدیل با افزایش بازی‌بودن رس‌ها و مدت فراصوت‌دهی افزایش می‌یابد. بازده هنگام استفاده از مونتموریلونیت‌های Cs+ در مقایسه با Li+ بیشتر بود که ممکن است ناشی از بازی‌بودن بیشتر باشد. (طرح واکنش زیر را ببینید)

واکنش سونوکاتالیزی: افزایش مایکل ایمیدازول به اتیل آکریلات
(طرح اقتباس‌شده از Mohapatra et al, 2018.)

نمونهٔ دیگری از افزایش مایکل به کمک فراصوت، کاتالیز ایندول با تقویت اسید سولفوریک تثبیت‌شده بر سیلیکا است. Li et al. (2006) اسید سولفوریک تثبیت‌شده بر سیلیکا و کتون‌های غیراشباع α,β را تحت فراصوت‌دهی به واکنش واداشتند تا β-ایندولیل‌کتون‌ها را با بازده 50–85% در دمای اتاق به دست آورند.

واکنش‌های آزا–مایکل بدون حلال و بدون کاتالیزور

افزایش مزدوج آمین‌ها به آلکن‌های مزدوج – معروف به واکنش آزا–مایکل – یک مرحلهٔ شیمیایی کلیدی برای سنتز انواع محصولات طبیعی پیچیده، آنتی‌بیوتیک‌ها، a-آمینو الکل‌ها و مواد کمکی کایرال است. نشان داده شده است که فراصوت‌دهی می‌تواند چنین واکنش افزایش آزا–مایکل را در محیطی بدون حلال و بدون کاتالیزور تقویت کند.

واکنش آزا–مایکل القاشده با فراصوت در آب با چندین آمین و کتون‌های غیراشباع، نیتریل غیراشباع و استر غیراشباع آزمایش شده است. واکنش تقویت‌شده با سونوشیمی، طی روشی سریع و ساده بازده بالایی ایجاد کرد.
پژوهش و جدول: © Bandyopadhyay et al., 2012

افزایش مایکل فروسنيل‌انون‌ها با آمین‌های آلیفاتیک را می‌توان به‌آسانی در یک واکنش تقویت‌شده با سونوشیمی، بدون استفاده از حلال و کاتالیزور و در دمای اتاق انجام داد. این افزایش مایکل سونوشیمیایی می‌تواند ترکیبات کربونیل 1-فروسنیل-3-آمینو را طی فرایندی سریع و با بازده بالا فراهم کند؛ این فرایند برای واکنش آزا–مایکل سایر ترکیبات کربونیل غیراشباع α,β مانند کالکون، استر کربوکسیلیک و غیره نیز کارآمد است. این واکنش سونوشیمیایی علاوه بر سادگی بسیار و سهولت اجرا، فرایندی سریع، سازگار با محیط‌زیست و کم‌هزینه است که این‌ها از ویژگی‌های شیمی سبز هستند. (Yang et al., 2005)
گروه پژوهشی Banik با استفاده از فراصوت‌دهی، دستورکار دیگری برای واکنش افزایش آزا–مایکل چندین آمین به ترکیبات کربونیل غیراشباع α,β توسعه داد که ساده، سرراست، سریع، در محیط آبی و بدون کاتالیزور است. افزایش القاشده با سونوشیمیِ چندین آمین به کتون‌ها، استرها و نیتریل‌های غیراشباع α,β، هم در آب و هم در شرایط بدون حلال، با کارایی بسیار بالا انجام شده است. در این روش از هیچ کاتالیزور یا پایهٔ جامدی استفاده نشده است. در روش القاشده با فراصوت در آب، افزایش چشمگیری در سرعت واکنش مشاهده شده است. این روش سازگار با محیط‌زیست، تشکیل تمیز محصولات را با گزینش‌پذیری بیشتر فراهم کرده است. (Bandyopadhyay et al., 2012)

اثرات حلال‌ها و تیمار سونوشیمیایی بر واکنش آزا–مایکل پیپریدین (1 mL) و متیل آکریلات (1 mL) در 1 mL حلال.
پژوهش و جدول: © Bandyopadhyay et al., 2012

پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی برای واکنش‌های سونوشیمیایی

سخت‌افزار پیشرفته و نرم‌افزار هوشمند سونیکاتورهای Hielscher برای تضمین پردازش سونوشیمیایی قابل‌اعتماد طراحی شده‌اند؛ برای مثال، انجام واکنش‌های سنتز آلی و کاتالیز با نتایج تکرارپذیر و به شیوه‌ای کاربرپسند.
سامانه‌های Hielscher Ultrasonics در سراسر جهان برای فرایندهای سونوشیمیایی، از جمله واکنش‌های سنتز آلی مانند افزایش‌های مایکل، واکنش مانیخ، واکنش دیلز–آلدر و بسیاری از دیگر واکنش‌های جفت‌شدن به کار می‌روند. سونیکاتورهای Hielscher که قابلیت اعتمادشان برای سنتز محصولات شیمیایی باکیفیت و با بازده بالا اثبات شده است، علاوه بر محیط‌های آزمایشگاهی در تولید صنعتی نیز استفاده می‌شوند. به‌دلیل استحکام و نیاز اندک به نگهداری، سونیکاتورهای ما معمولاً برای کاربردهای سنگین و در محیط‌های دشوار نصب می‌شوند.
پردازشگرهای فراصوتی Hielscher برای سنتزهای سونوشیمیایی، کاتالیز، تبلور و سایر واکنش‌ها هم‌اکنون در سراسر جهان در مقیاس تجاری نصب شده‌اند. همین حالا برای گفت‌وگو دربارهٔ فرایند تولید سونوشیمیایی خود با ما تماس بگیرید! کارکنان باتجربهٔ ما با کمال میل اطلاعات بیشتری دربارهٔ مسیر سنتز سونوشیمیایی، سامانه‌های فراصوتی و قیمت‌ها در اختیار شما قرار خواهند داد!

جدول زیر ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما را نشان می‌دهد:

منابع علمی / مراجع

• 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.