Réaction d'addition de Michael favorisée par ultrasons

Les réactions de Michael asymétriques sont un type de réactions organocatalytiques qui peuvent bénéficier grandement de la sonication. La réaction de Michael ou l'addition de Michael est largement utilisée pour les synthèses chimiques, où des liaisons carbone-carbone sont formées dans des conditions douces. L'ultrasonication et ses effets sonochimiques sont très efficaces pour stimuler et favoriser les réactions de Michael, ce qui permet d'obtenir des rendements plus élevés et de réduire considérablement le temps de réaction, tout en contribuant à une chimie verte respectueuse de l'environnement.

Sonochimie et addition de Michael

Les effets bénéfiques de la sonochimie sur les réactions chimiques ne sont plus à démontrer. – Elle permet souvent d'obtenir des rendements plus élevés, d'accélérer la vitesse de réaction, de créer des conditions plus douces et plus respectueuses de l'environnement, ainsi que d'économiser de l'argent et de simplifier les opérations. Cela signifie que la sonochimie est une méthode efficace et inoffensive pour activer, promouvoir et conduire des réactions chimiques synthétiques et catalytiques. Le mécanisme du traitement ultrasonique et de la sonochimie est basé sur le phénomène de la cavitation acoustique, qui induit des conditions uniques de pressions et de températures très élevées par l'effondrement violent de bulles dans un milieu liquide. Les effets de la cavitation ultrasonique ou acoustique déclenchent des réactions par l'introduction d'une énergie élevée, améliorent le transfert de masse et facilitent ainsi les transformations chimiques.
La réaction de Michael ou addition de Michael est l'addition nucléophile d'un carbanion ou d'un autre nucléophile à un composé carbonyle α,β-insaturé qui contient un groupe électro-attracteur. La réaction de Michael fait partie de la classe plus large des additions conjuguées. Considérée comme l'une des méthodes les plus utiles pour la formation douce de liaisons carbone-carbone, l'addition de Michael est largement utilisée pour la synthèse organique de nombreuses substances. Il existe de nombreuses variantes asymétriques de l'addition de Michael, qui sont un type de réactions organocatalytiques.

Sonocatalyse et addition de Michael catalysée par des argiles basiques pour l'imidazole

Martin-Aranda et al. (2002) ont tiré parti de l'ultrasonication et de ses effets sonochimiques pour développer une nouvelle voie de synthèse de dérivés d'imidazole N-substitués 21 par l'addition de Michael de l'imidazole à l'éthylacrylate catalysée par des argiles basiques, à savoir des montmorillonites Li+ et Cs+. Par activation ultrasonique, l'imidazole a été condensé avec l'acrylate d'éthyle en utilisant les deux argiles basiques – Montmorillonites Li+ et Cs+. Les argiles alcalines telles que les montmorillonites Li+ et Cs+ sont des catalyseurs actifs et très sélectifs sous sonication, montrant ainsi des effets positifs sur l'addition de Michael de l'imidazole à l'acrylate d'éthyle. La catalyse sonochimique favorise et améliore la formation de dérivés N-substitués de l'imidazole par rapport à d'autres réactions de chauffage thermique conventionnelles. La conversion augmente avec la basicité des argiles et le temps d'ultrasonication. Le rendement était plus élevé lorsque des montmorillonites Cs+ étaient utilisées par rapport à Li+, ce qui pourrait s'expliquer par la basicité plus élevée. (Voir le schéma de réaction ci-dessous)

Réaction sonocatalytique : Addition de Michael d'un imidazole à l'acrylate d'éthyle
(schéma adapté de Mohapatra et al, 2018.)

Une autre addition de Michael assistée par ultrasons est la catalyse de l'indole favorisée par l'acide sulfurique de silice. Li et al. (2006) ont fait réagir de l'acide sulfurique de silice et des cétones α,β-insaturées sous ultrasons afin d'obtenir des rendements de β-indolylcétones de 50 à 85 % à température ambiante.

Réactions d'Aza-Michael sans solvant et sans catalyseur

Addition conjuguée d'amines à des alcènes conjugués – connue sous le nom de réaction d'aza-Michael – est une étape chimique clé pour la synthèse de divers produits naturels complexes, d'antibiotiques, d'alcools aminés et d'auxiliaires chiraux. L'ultrasonication s'est avérée capable de promouvoir une telle réaction d'addition aza-Michael dans un environnement sans solvant et sans catalyseur.

La réaction d'aza-Michael induite par ultrasons dans l'eau a été testée avec plusieurs amines et cétones insaturées, nitrile insaturé et ester insaturé. La réaction favorisée par les ultrasons a donné des rendements élevés dans le cadre d'une procédure rapide et simple.
étude et tableau : © Bandyopadhyay et al., 2012

Une addition de Michael facile de ferrocénylénones avec des amines aliphatiques peut être effectuée dans une réaction promue par sonochimie sans utilisation de solvants et de catalyseurs à température ambiante. Cette addition de Michael sonochimique peut permettre d'obtenir des composés carbonylés 1-ferrocényl-3-amino dans un processus rapide avec des rendements élevés, ce qui est également efficace dans la réaction d'aza-Michael d'autres composés carbonylés α,β-insaturés tels que la chalcone, l'ester carboxylique, etc. Cette réaction sonochimique est non seulement très simple et facile à manipuler, mais c'est aussi un processus rapide, respectueux de l'environnement et peu coûteux, qui sont des attributs de la chimie verte. (Yang et al., 2005)
Le groupe de recherche de Banik a mis au point un autre protocole simple, direct, rapide et sans catalyseur à médiation aqueuse pour la réaction d'addition d'aza-Michael de plusieurs amines à des composés carbonylés α,β-insaturés en appliquant l'ultrasonication. L'addition sonochimique de plusieurs amines à des cétones, esters et nitriles α,β-insaturés a été réalisée très efficacement dans l'eau et dans des conditions sans solvant. Aucun catalyseur ou support solide n'a été utilisé dans cette méthode. Une amélioration remarquable de la vitesse de réaction a été observée dans l'eau dans le cadre de la méthode induite par ultrasons. Cette procédure respectueuse de l'environnement a permis une formation propre des produits avec une sélectivité accrue. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Effets des solvants et du traitement sonochimique sur la réaction d'aza-Michael de la pipéridine (1 ml) et de l'acrylate de méthyle (1 ml) dans 1 ml de solvant.
étude et tableau : © Bandyopadhyay et al., 2012

Sondes et réacteurs à ultrasons pour les réactions sonochimiques

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Littérature / Références