Ultrazvučno promovirana Michaelova adicijska reakcija

Asimetrične Michaelove reakcije su vrsta organokatalitičkih reakcija, koje mogu imati velike koristi od sonikacije. Michaelova reakcija ili Michaelova adicija naširoko se koristi za kemijske sinteze, gdje se veze ugljik-ugljik stvaraju u blagim uvjetima. Ultrazvuk i njegovi sonokemijski učinci vrlo su učinkoviti u pokretanju i promicanju Michaelovih reakcija što rezultira višim prinosima, značajno smanjenim vremenom reakcije i istovremeno pridonosi ekološki prihvatljivoj zelenoj kemiji.

Sonokemija i Michaelov dodatak

Sonokemija je dobro poznata zbog svojih blagotvornih učinaka na kemijske reakcije – što često rezultira većim prinosima, ubrzanom reakcijskom brzinom, blažim, okolišno prihvatljivim uvjetima kao i uštedom i jednostavnim radom. To znači da je sonokemija učinkovita i bezopasna metoda za aktiviranje, promicanje i pokretanje sintetskih i katalitičkih kemijskih reakcija. Mehanizam ultrazvučne obrade i sonokemije temelji se na fenomenu akustične kavitacije, koja izaziva jedinstvene uvjete vrlo visokih tlakova i temperatura kroz nasilno kolapsiranje mjehurića u tekućem mediju. Učinci ultrazvučne ili akustične kavitacije pokreću reakcije uvođenjem visoke energije, poboljšavaju prijenos mase, čime se olakšavaju kemijske transformacije.
Michaelova reakcija ili Michaelova adicija je nukleofilna adicija karbaniona ili drugog nukleofila na α,β-nezasićeni karbonilni spoj koji sadrži skupinu koja privlači elektron. Michaelova reakcija je grupirana u veću klasu konjugiranih adicija. Cijenjen kao jedna od najkorisnijih metoda za blagu tvorbu ugljik-ugljik veza, Michaelov dodatak naširoko se koristi za organsku sintezu višestrukih tvari. Postoje mnoge asimetrične varijante Michaelove adicije, koje su vrsta organokatalitičkih reakcija.

Sonokataliza i bazična glina katalizirana Michaelovim dodatkom imidazola

Martin-Aranda i sur. (2002) iskoristili su prednost ultrazvuka i njegovih sonokemijskih učinaka kako bi razvili novi put sinteze N-supstituiranih derivata imidazola 21 Michaelovim dodatkom imidazola u etilakrilat kataliziran bazičnim glinama, naime Li+ i Cs+ montmorilonitima. Uz pomoć ultrazvučne aktivacije, imidazol je kondenziran s etil akrilatom pomoću dvije bazične gline – Li+ i Cs+ montmoriloniti. Alkalne gline kao što su Li+ i Cs+ montmoriloniti su aktivni i vrlo selektivni katalizatori pod sonikacijom, čime pokazuju pozitivne učinke na Michaelovo dodavanje imidazola etil akrilatu. Sonokemijski promovirana kataliza potiče i poboljšava stvaranje N-supstituiranih derivata imidazola u usporedbi s drugim uobičajenim reakcijama toplinskog zagrijavanja. Pretvorba se povećava s osnovnošću gline i vremenom do ultrazvučne obrade. Iskorištenje je bilo veće kada su korišteni Cs+ montmoriloniti u odnosu na Li+, što se može objasniti većom bazičnošću. (Pogledajte reakcijsku shemu u nastavku)

Sonokatalitička reakcija: Michaelova adicija imidazola na etil akrilat
(shema prilagođena iz Mohapatra et al, 2018.)

Drugi Michaelov dodatak potpomognut ultrazvukom je kataliza indola potaknuta silicijevim dioksidom i sumpornom kiselinom. Li et al. (2006.) reagirali su na silika-sulfatnu kiselinu i α,β-nezasićene ketone pod ultrazvučnom obradom kako bi dobili prinose β-indolilketona od 50-85% na sobnoj temperaturi.

Aza-Michaelove reakcije bez otapala i bez katalizatora

Konjugirana adicija amina na konjugirane alkene – poznata kao aza-Michaelova reakcija – je kemijski ključni korak za sintezu raznih složenih prirodnih proizvoda, antibiotika, a-amino alkohola i kiralnih pomoćnih tvari. Pokazalo se da ultrazvučna obrada može potaknuti takvu aza-Michaelovu reakciju dodavanja u uvjetima bez otapala i bez katalizatora.

Ultrazvukom inducirana aza-Michaelova reakcija u vodi testirana je s nekoliko amina i nezasićenih ketona, nezasićenog nitrila i nezasićenog estera. Sonokemijski potaknuta reakcija dala je visoke prinose u brzom i jednostavnom postupku.
studija i tablica: © Bandyopadhyay et al., 2012

Lagana Michaelova adicija ferocenilenona s alifatskim aminima može se pokrenuti u sonokemijski potaknutoj reakciji bez upotrebe otapala i katalizatora na sobnoj temperaturi. Ovaj sonokemijski Michaelov dodatak može dati 1-ferocenil-3-amino karbonilne spojeve u brzom procesu koji daje visoke prinose, što je također učinkovito u aza-Michaelovoj reakciji drugih α,β-nezasićenih karbonilnih spojeva kao što su kalkon, karboksilni ester itd. Ova sonokemijska reakcija nije samo vrlo jednostavna i laka za rukovanje, ona je također brz, ekološki prihvatljiv i jeftin proces, što su atributi zelene kemije. (Yang i sur., 2005.)
Istraživačka skupina Banika razvila je još jedan jednostavan, jasan, brz protokol bez katalizatora posredovan vodenim putem za aza-Michaelovu reakciju dodavanja nekoliko amina na α,β-nezasićene karbonilne spojeve primjenom ultrazvučne obrade. Sonokemijski inducirano dodavanje nekoliko amina α,β-nezasićenim ketonima, esterima i nitrilima provedeno je vrlo učinkovito u vodi kao i pod uvjetima bez otapala. U ovoj metodi nisu korišteni katalizatori ili čvrsti nosači. Zapaženo je značajno povećanje brzine reakcije u vodi pod metodom inducirane ultrazvukom. Ovaj ekološki benigni postupak omogućio je čisto formiranje proizvoda s poboljšanom selektivnošću. (Bandyopadhyay i sur., 2012.)

Učinci otapala i sonokemijske obrade na aza-Michaelovu reakciju piperidina (1 mL) i metil akrilata (1 mL) u 1 mL otapala.
studija i tablica: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultrazvučne sonde i reaktori za sonokemijske reakcije

Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrasonicators dizajnirani su kako bi jamčili pouzdanu sonokemijsku obradu, npr. izvođenje reakcija organske sinteze i katalize s ponovljivim ishodima i na jednostavan način.
Hielscher Ultrasonics sustavi koriste se diljem svijeta za sonokemijske procese uključujući organske sintetske reakcije kao što su Michaelovi dodaci, Mannichova reakcija, Diels-Alderova reakcija i mnoge druge reakcije spajanja. Dokazano pouzdani za sintezu visokih prinosa visokokvalitetnih kemijskih proizvoda, Hielscher ultrasonicators se ne koriste samo u laboratorijskim postavkama, već iu industrijskoj proizvodnji. Zbog svoje robusnosti i malog održavanja, naši ultrazvučni uređaji obično se instaliraju za teške primjene iu zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonokemijske sinteze, katalize, kristalizaciju i druge reakcije već su instalirani diljem svijeta na komercijalnoj razini. Kontaktirajte nas sada kako bismo razgovarali o vašem sonokemijskom procesu proizvodnje! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o putu sonokemijske sinteze, ultrazvučnim sustavima i cijenama!

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Literatura / Reference