Ultraäänellä edistetty Michael-additioreaktio

Asymmetriset Michael-reaktiot ovat organokatalyyttisiä reaktioita, jotka voivat hyötyä huomattavasti ultraäänikäsittelystä. Michael-reaktiota eli Michael-additiota käytetään laajalti kemiallisissa synteeseissä, joissa hiili–hiilisidoksia muodostetaan miedoissa olosuhteissa. Ultraäänikäsittely ja sen sonokemialliset vaikutukset ovat erittäin tehokkaita Michael-reaktioiden aikaansaamisessa ja edistämisessä. Ne tuottavat suurempia saantoja, lyhentävät reaktioaikaa merkittävästi ja edistävät samalla ympäristöystävällistä vihreää kemiaa.

Sonokemia ja Michael-additio

Sonokemia tunnetaan hyvin sen hyödyllisistä vaikutuksista kemiallisiin reaktioihin – se johtaa usein suurempiin saantoihin, nopeampiin reaktioihin, miedompiin ja ympäristöystävällisiin olosuhteisiin sekä turvalliseen ja helppoon käyttöön. Sonokemia on siten tehokas ja harmiton menetelmä synteettisten ja katalyyttisten kemiallisten reaktioiden aktivoimiseen, edistämiseen ja aikaansaamiseen. Ultraäänikäsittelyn ja sonokemian mekanismi perustuu akustiseen kavitaatioon, jossa kuplien raju luhistuminen nestemäisessä väliaineessa synnyttää ainutlaatuiset olosuhteet, joissa paineet ja lämpötilat ovat erittäin korkeita. Ultraäänen aiheuttaman eli akustisen kavitaation vaikutukset käynnistävät reaktioita tuomalla järjestelmään runsaasti energiaa ja parantavat aineensiirtoa, mikä helpottaa kemiallisia muuntumisia.
Michael-reaktio eli Michael-additio on karbanionin tai muun nukleofiilin nukleofiilinen additio α,β-tyydyttymättömään karbonyyliyhdisteeseen, joka sisältää elektroneja puoleensa vetävän ryhmän. Michael-reaktio kuuluu konjugaattiadditioiden laajempaan luokkaan. Michael-additiota pidetään yhtenä hyödyllisimmistä menetelmistä hiili–hiilisidosten muodostamiseen miedoissa olosuhteissa, ja sitä käytetään laajalti monenlaisten aineiden orgaanisessa synteesissä. Michael-additiosta on olemassa monia asymmetrisiä muunnelmia, jotka ovat organokatalyyttisiä reaktioita.

Sonokatalyysi ja emäksisen saven katalysoima imidatsolin Michael-additio

Martin-Aranda et al. (2002) hyödynsivät ultraäänikäsittelyä ja sen sonokemiallisia vaikutuksia kehittääkseen uuden synteesireitin N-substituoiduille imidatsolijohdannaisille 21. Reitti perustui imidatsolin Michael-additioon etyyliakrylaattiin emäksisten savien, nimittäin Li+- ja Cs+-montmorilloniittien, katalysoimana. Ultraääniaktivointia käyttäen imidatsoli kondensoitiin etyyliakrylaatin kanssa käyttämällä näitä kahta emäksistä savea – Li+- ja Cs+-montmorilloniitteja. Emäksiset savet, kuten Li+- ja Cs+-montmorilloniitit, ovat aktiivisia ja erittäin selektiivisiä katalyyttejä ultraäänikäsittelyssä, ja niillä on siten myönteisiä vaikutuksia imidatsolin Michael-additioon etyyliakrylaattiin. Sonokemiallisesti edistetty katalyysi edistää ja parantaa N-substituoitujen imidatsolijohdannaisten muodostumista verrattuna muihin tavanomaisiin lämpökuumennukseen perustuviin reaktioihin. Konversio kasvaa savien emäksisyyden ja ultraäänikäsittelyn keston kasvaessa. Saanto oli suurempi käytettäessä Cs+-montmorilloniitteja kuin Li+-montmorilloniitteja, mikä saattaa selittyä suuremmalla emäksisyydellä. (Katso alla oleva reaktiokaavio)

Sonokatalyyttinen reaktio: imidatsolin Michael-additio etyyliakrylaattiin
(kaavio mukailtu lähteestä Mohapatra et al, 2018.)

Toinen ultraääniavusteinen Michael-additio on piidioksidille sidotun rikkihapon edistämä indolin katalyysi. Li et al. (2006) saivat piidioksidille sidotun rikkihapon ja α,β-tyydyttymättömät ketonit reagoimaan ultraäänikäsittelyssä saadakseen β-indolyyliketoneja 50–85 %:n saannoilla huoneenlämpötilassa.

Liuottimettomat ja katalyytittömät aza-Michael-reaktiot

Amiinien konjugaattiadditio konjugoituihin alkeeneihin – joka tunnetaan aza-Michael-reaktiona – on keskeinen kemiallinen vaihe monien monimutkaisten luonnontuotteiden, antibioottien, a-aminoalkoholien ja kiraalisten apuaineiden synteesissä. Ultraäänikäsittelyn on osoitettu pystyvän edistämään tällaista aza-Michael-additioreaktiota liuottimettomissa ja katalyytittömissä olosuhteissa.

Ultraäänen aikaansaamaa aza-Michael-reaktiota vedessä on testattu useilla amiineilla ja tyydyttymättömillä ketoneilla, tyydyttymättömällä nitriilillä ja tyydyttymättömällä esterillä. Sonokemiallisesti edistetty reaktio tuotti suuria saantoja nopealla ja yksinkertaisella menetelmällä.
tutkimus ja taulukko: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ferrosenyylienonien helppo Michael-additio alifaattisten amiinien kanssa voidaan toteuttaa sonokemiallisesti edistetyssä reaktiossa ilman liuottimia ja katalyyttejä huoneenlämpötilassa. Tämä sonokemiallinen Michael-additio voi tuottaa 1-ferrosenyyli-3-aminokarbonyyliyhdisteitä nopeassa prosessissa suurilla saannoilla. Prosessi on tehokas myös muiden α,β-tyydyttymättömien karbonyyliyhdisteiden, kuten kalkonin, karboksyylihappoesterin jne., aza-Michael-reaktiossa. Tämä sonokemiallinen reaktio on paitsi erittäin yksinkertainen ja helppo toteuttaa myös nopea, ympäristöystävällinen ja edullinen prosessi, jotka ovat vihreän kemian ominaispiirteitä. (Yang et al., 2005)
Banikin tutkimusryhmä kehitti toisen yksinkertaisen, suoraviivaisen, nopean, vesiväliaineessa toteutettavan katalyytittömän menetelmän useiden amiinien aza-Michael-additioreaktioon α,β-tyydyttymättömien karbonyyliyhdisteiden kanssa ultraäänikäsittelyä käyttäen. Useiden amiinien sonokemiallisesti aikaansaatu additio α,β-tyydyttymättömiin ketoneihin, estereihin ja nitriileihin on toteutettu erittäin tehokkaasti sekä vedessä että liuottimettomissa olosuhteissa. Tässä menetelmässä ei ole käytetty katalyyttejä eikä kiinteitä kantajia. Ultraäänen aikaansaamaa menetelmää käytettäessä vedessä on havaittu huomattava reaktionopeuden kasvu. Tämä ympäristöystävällinen menetelmä on tuottanut tuotteet puhtaasti ja parantanut selektiivisyyttä. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Liuottimien ja sonokemiallisen käsittelyn vaikutukset piperidiinin (1 mL) ja metyyliakrylaatin (1 mL) aza-Michael-reaktioon 1 mL:ssa liuotinta.
tutkimus ja taulukko: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultraäänisondit ja reaktorit sonokemiallisiin reaktioihin

Hielscher on suunnitellut ultraäänilaitteidensa kehittyneen laitteiston ja älykkään ohjelmiston takaamaan luotettavan sonokemiallisen käsittelyn, esimerkiksi orgaanisten synteesien ja katalyysireaktioiden toteuttamisen toistettavin tuloksin ja käyttäjäystävällisesti.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti sonokemiallisissa prosesseissa, kuten orgaanisissa synteesireaktioissa, joihin kuuluvat Michael-additiot, Mannich-reaktio, Diels-Alder-reaktio ja monet muut kytkentäreaktiot. Ultraäänilaitteet valmistajalta Hielscher ovat osoittautuneet luotettaviksi korkealaatuisten kemiallisten tuotteiden synteesissä suurilla saannoilla, ja niitä käytetään laboratorioiden lisäksi myös teollisessa tuotannossa. Kestävyytensä ja vähäisen huoltotarpeensa ansiosta ultraäänilaitteitamme asennetaan yleisesti raskaaseen käyttöön ja vaativiin ympäristöihin.
Ultraääniprosessoreita valmistajalta Hielscher on jo asennettu kaupallisessa mittakaavassa eri puolille maailmaa sonokemiallisiin synteeseihin, katalyyseihin, kiteytykseen ja muihin reaktioihin. Ota yhteyttä nyt keskustellaksesi sonokemiallisesta valmistusprosessistasi! Kokenut henkilöstömme antaa mielellään lisätietoja sonokemiallisesta synteesireitistä, ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.