תגובת סיפוח מיכאל המקודמת באמצעות אולטרסאונד

תגובות מיכאל אסימטריות הן סוג של תגובות אורגנוקטליטיות, שעשויות להפיק תועלת רבה מסוניקציה. תגובת מיכאל, או סיפוח מיכאל, נמצאת בשימוש נרחב בסינתזות כימיות, שבהן נוצרים קשרי פחמן–פחמן בתנאים מתונים. טיפול אולטרסוני והשפעותיו הסונוכימיות יעילים ביותר בהנעת תגובות מיכאל ובקידומן, ומביאים לניצולות גבוהות יותר, לקיצור משמעותי של זמן התגובה ובה בעת תורמים לכימיה ירוקה וידידותית לסביבה.

סונוכימיה וסיפוח מיכאל

סונוכימיה מוכרת היטב בזכות השפעותיה המיטיבות על תגובות כימיות – שלעיתים קרובות מביאות לניצולות גבוהות יותר, להאצת קצב התגובה, לתנאים מתונים וידידותיים יותר לסביבה וכן לתפעול בטוח ופשוט. משמעות הדבר היא שסונוכימיה היא שיטה יעילה ובלתי מזיקה לשפעול, לקידום ולהנעה של תגובות כימיות סינתטיות וקטליטיות. מנגנון העיבוד האולטרסוני והסונוכימיה מבוסס על תופעת הקוויטציה האקוסטית, היוצרת תנאים ייחודיים של לחצים וטמפרטורות גבוהים מאוד באמצעות קריסה עזה של בועות בתווך נוזלי. השפעות הקוויטציה האולטרסונית או האקוסטית יוזמות תגובות באמצעות החדרת אנרגיה גבוהה ומשפרות את מעבר המסה, ובכך מקלות על התמרות כימיות.
תגובת מיכאל, או סיפוח מיכאל, היא סיפוח נוקלאופילי של קרבאניון או נוקלאופיל אחר לתרכובת קרבונילית בלתי רוויה בעמדות α,β, המכילה קבוצה מושכת אלקטרונים. תגובת מיכאל משתייכת לקבוצה הרחבה יותר של תגובות סיפוח מצומד. סיפוח מיכאל נחשב לאחת השיטות השימושיות ביותר ליצירת קשרי פחמן–פחמן בתנאים מתונים, ונמצא בשימוש נרחב בסינתזה אורגנית של חומרים רבים ומגוונים. קיימות גרסאות אסימטריות רבות של סיפוח מיכאל, שהן סוג של תגובות אורגנוקטליטיות.

סונוקטליזה וסיפוח מיכאל של אימידזול המזורז באמצעות חרסית בסיסית

Martin-Aranda ועמיתיו (2002) ניצלו את הטיפול האולטרסוני ואת השפעותיו הסונוכימיות כדי לפתח מסלול סינתזה חדש של נגזרות אימידזול מותמרות ב-N המסומנות 21, באמצעות סיפוח מיכאל של אימידזול לאתיל אקרילט, המזורז באמצעות חרסיות בסיסיות, כלומר מונטמורילוניטים מסוג Li+ ו-Cs+. באמצעות שפעול אולטרסוני, אימידזול עבר תגובת עיבוי עם אתיל אקרילט תוך שימוש בשתי החרסיות הבסיסיות – מונטמורילוניטים מסוג Li+ ו-Cs+. חרסיות בסיסיות כגון מונטמורילוניטים מסוג Li+ ו-Cs+ הן זרזים פעילים ובררניים מאוד בתנאי סוניקציה, ולכן יש להן השפעות חיוביות על סיפוח מיכאל של אימידזול לאתיל אקרילט. קטליזה המקודמת באופן סונוכימי מקדמת ומשפרת את היווצרותן של נגזרות אימידזול מותמרות ב-N בהשוואה לתגובות אחרות בחימום תרמי קונבנציונלי. שיעור ההמרה עולה עם בסיסיות החרסיות ועם משך הטיפול האולטרסוני. הניצולת הייתה גבוהה יותר כאשר נעשה שימוש במונטמורילוניטים מסוג Cs+ בהשוואה ל-Li+, וייתכן שהסיבה לכך היא הבסיסיות הגבוהה יותר. (ראו את סכמת התגובה להלן)

תגובה סונוקטליטית: סיפוח מיכאל של אימידזול לאתיל אקרילט
(הסכמה עובדה מתוך Mohapatra et al, 2018.)

דוגמה נוספת לסיפוח מיכאל בסיוע אולטרסאונד היא קטליזה של אינדול המקודמת באמצעות חומצה גופרתית הנתמכת על סיליקה. Li ועמיתיו (2006) הגיבו חומצה גופרתית הנתמכת על סיליקה עם קטונים בלתי רוויים בעמדות α,β תחת טיפול אולטרסוני כדי לקבל β-אינדולילקטונים בניצולות של 50–85% בטמפרטורת החדר.

תגובות אזה-מיכאל ללא ממס וללא זרז

הסיפוח המצומד של אמינים לאלקנים מצומדים – המכונה תגובת אזה-מיכאל – הוא שלב כימי מרכזי בסינתזה של מגוון תוצרי טבע מורכבים, אנטיביוטיקות, כוהלי a-אמינו וחומרי עזר כיראליים. הוכח שטיפול אולטרסוני מסוגל לקדם תגובת סיפוח אזה-מיכאל כזו בתנאים ללא ממס וללא זרז.

תגובת אזה-מיכאל במים המושרית באמצעות אולטרסאונד נבדקה עם כמה אמינים וקטונים בלתי רוויים, ניטריל בלתי רווי ואסטר בלתי רווי. התגובה שקודמה באופן סונוכימי הניבה ניצולות גבוהות בהליך מהיר ופשוט.
מחקר וטבלה: © Bandyopadhyay et al., 2012

ניתן לבצע סיפוח מיכאל פשוט של פרוצנילאנונים עם אמינים אליפטיים בתגובה המקודמת באופן סונוכימי, ללא שימוש בממסים ובזרזים ובטמפרטורת החדר. סיפוח מיכאל סונוכימי זה יכול להניב תרכובות קרבוניליות מסוג 1-פרוצניל-3-אמינו בתהליך מהיר המניב ניצולות גבוהות, והוא יעיל גם בתגובת אזה-מיכאל של תרכובות קרבוניליות אחרות בלתי רוויות בעמדות α,β, כגון כלקון, אסטר קרבוקסילי וכדומה. תגובה סונוכימית זו אינה רק פשוטה מאוד וקלה לביצוע, אלא גם תהליך מהיר, ידידותי לסביבה וזול – מאפיינים של כימיה ירוקה. (Yang et al., 2005)
קבוצת המחקר של Banik פיתחה פרוטוקול נוסף, פשוט, ישיר, מהיר וללא זרז, המתווך במים, לתגובת סיפוח אזה-מיכאל של כמה אמינים לתרכובות קרבוניליות בלתי רוויות בעמדות α,β באמצעות טיפול אולטרסוני. הסיפוח המושרה באופן סונוכימי של כמה אמינים לקטונים, לאסטרים ולניטרילים בלתי רוויים בעמדות α,β בוצע ביעילות רבה הן במים והן בתנאים ללא ממס. בשיטה זו לא נעשה שימוש בזרזים או בנשאים מוצקים. בשיטה המושרית באמצעות אולטרסאונד נצפתה עלייה ניכרת בקצב התגובה במים. הליך ידידותי לסביבה זה אפשר היווצרות נקייה של התוצרים עם בררנות משופרת. (Bandyopadhyay et al., 2012)

השפעות ממסים וטיפול סונוכימי על תגובת אזה-מיכאל של פיפרידין (1 mL) ומתיל אקרילט (1 mL) ב-1 mL ממס.
מחקר וטבלה: © Bandyopadhyay et al., 2012

גשושיות וריאקטורים אולטרסוניים לתגובות סונוכימיות

החומרה המתוחכמת והתוכנה החכמה של המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתוכננות להבטיח עיבוד סונוכימי אמין, למשל ביצוע תגובות סינתזה אורגנית וקטליזה עם תוצאות הניתנות לשחזור ובאופן ידידותי למשתמש.
מערכות Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם לתהליכים סונוכימיים, לרבות תגובות סינתזה אורגנית כגון סיפוחי מיכאל, תגובת מאניך, תגובת דילס-אלדר ותגובות צימוד רבות אחרות. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher, שהוכחו כאמינים לסינתזה בניצולות גבוהות של מוצרים כימיים באיכות גבוהה, משמשים לא רק במעבדות אלא גם בייצור תעשייתי. בזכות עמידותם ודרישות התחזוקה המועטות שלהם, המכשירים האולטרסוניים שלנו מותקנים לעיתים קרובות ליישומים בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות.
מעבדים אולטרסוניים של Hielscher לסינתזות סונוכימיות, לקטליזה, לגיבוש ולתגובות אחרות כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר כעת כדי לדון בתהליך הייצור הסונוכימי שלכם! הצוות המנוסה שלנו ישמח לשתף מידע נוסף על מסלול הסינתזה הסונוכימית, על מערכות אולטרסוניות ועל מחירים!

הטבלה שלהלן מספקת הערכה של כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

ספרות / מקורות

• 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.