Réaction d'addition de Michael favorisée par les ultrasons

Les réactions de Michael asymétriques sont un type de réactions organocatalytiques, qui peuvent bénéficier largement de la sonication. La réaction de Michael ou 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 conduire et promouvoir les réactions de Michael, ce qui permet d'obtenir des rendements plus élevés, de réduire considérablement le temps de réaction et de contribuer en même temps à une chimie verte respectueuse de l'environnement.

La sonochimie et l'addition de Michael

La sonochimie est bien établie pour ses effets bénéfiques sur les réactions chimiques. – Il en résulte souvent des rendements plus élevés, une accélération de la vitesse de réaction, des conditions plus douces et respectueuses de l'environnement, ainsi qu'une économie et une simplicité d'utilisation. La sonochimie est donc une méthode efficace et inoffensive pour activer, promouvoir et conduire des réactions chimiques synthétiques et catalytiques. Le mécanisme du traitement par ultrasons et de la sonochimie est basé sur le phénomène de cavitation acoustique, qui induit des conditions uniques de très hautes pressions et températures par l'effondrement violent des 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 attracteur d'électrons. La réaction de Michael est regroupée dans 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.

Addition de Michael d'imidazole catalysée par sonocatalyse et argile basique

Martin-Aranda et al. (2002) ont tiré parti de l'activation par ultrasons et de ses effets sonochimiques afin de développer une nouvelle voie de synthèse de dérivés N-substitués de l'imidazole 21 par l'addition de Michael de l'imidazole à l'acrylate d'éthyle catalysée par des argiles basiques, à savoir des montmorillonites Li+ et Cs+. En utilisant l'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 sous sonication favorise et améliore la formation de dérivés d'imidazole N-substitués par rapport à d'autres réactions conventionnelles de chauffage thermique. La conversion augmente avec la basicité des argiles et le temps de l'ultrasonication. Le rendement était plus élevé lorsque les montmorillonites Cs+ étaient utilisées par rapport aux Li+, ce qui pourrait s'expliquer par la plus grande basicité. (Voir le schéma de réaction ci-dessous)

Réaction sonocatalytique : Addition de Michael de l'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 en β-indolylcétones de 50-85% à température ambiante.

Réactions d'Aza-Michael sans solvant et sans catalyseur

L'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, antibiotiques, a-amino alcools et auxiliaires chiraux. L'ultrasonication s'est avérée capable de promouvoir cette réaction d'addition aza-Michael sans solvant et sans catalyseur.

La réaction aza-Michael induite par les 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 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 réalisée dans une réaction promue par sonochimie sans utiliser de solvants ni de catalyseurs à température ambiante. Cette addition de Michael sonochimique permet d'obtenir des composés 1-ferrocényl-3-amino carbonyle dans un processus rapide donnant des rendements élevés, qui est également efficace dans la réaction aza-Michael d'autres composés carbonyle 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 procédé 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 développé un autre protocole simple, direct, rapide et sans catalyseur à médiation aqueuse pour la réaction d'addition aza-Michael de plusieurs amines à des composés carbonylés α,β-insaturés en appliquant l'ultrasonication. L'addition induite par sonochimie de plusieurs amines à des cétones, des esters et des nitriles α,β-insaturés a été réalisée très efficacement dans l'eau ainsi que dans des conditions sans solvant. Aucun catalyseur ou support solide n'a été utilisé dans cette méthode. Une augmentation remarquable de la vitesse de réaction a été observée dans l'eau avec la méthode induite par les 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 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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