Ultrazvučno potpomognuta reakcija Michaelove adicije

Asimetrične Michaelove reakcije vrsta su organokatalitičkih reakcija kojima sonikacija može znatno pogodovati. Michaelova reakcija ili Michaelova adicija široko se primjenjuje u kemijskim sintezama u kojima se veze ugljik–ugljik stvaraju u blagim uvjetima. Sonikacija i njezini sonokemijski učinci vrlo su djelotvorni u pokretanju i poticanju Michaelovih reakcija, što rezultira većim prinosima, znatno skraćenim vremenom reakcije te istodobno doprinosi ekološki prihvatljivoj zelenoj kemiji.

Sonokemija i Michaelova adicija

Sonokemija je dobro poznata po svojim povoljnim učincima na kemijske reakcije – često rezultira većim prinosima, povećanom brzinom reakcije, blažim, ekološki prihvatljivim uvjetima te sigurnim i jednostavnim radom. To znači da je sonokemija učinkovita i neškodljiva metoda za aktiviranje, poticanje i pokretanje sintetskih i katalitičkih kemijskih reakcija. Mehanizam ultrazvučne obrade i sonokemije temelji se na pojavi akustične kavitacije koja snažnim kolapsom mjehurića u tekućem mediju stvara jedinstvene uvjete vrlo visokih tlakova i temperatura. Učinci ultrazvučne ili akustične kavitacije pokreću reakcije unošenjem velike količine energije i poboljšavaju prijenos tvari, čime olakšavaju kemijske pretvorbe.
Michaelova reakcija ili Michaelova adicija nukleofilna je adicija karbaniona ili drugog nukleofila na α,β-nezasićeni karbonilni spoj koji sadržava skupinu koja privlači elektrone. Michaelova reakcija svrstava se u širu skupinu konjugiranih adicija. Cijenjena kao jedna od najkorisnijih metoda za stvaranje veza ugljik–ugljik u blagim uvjetima, Michaelova adicija široko se primjenjuje u organskoj sintezi raznovrsnih tvari. Postoje brojne asimetrične varijante Michaelove adicije koje su vrsta organokatalitičkih reakcija.

Sonokataliza i Michaelova adicija imidazola katalizirana bazičnom glinom

Martin-Aranda i sur. (2002) iskoristili su sonikaciju i njezine sonokemijske učinke kako bi razvili novi put sinteze N-supstituiranih derivata imidazola 21 Michaelovom adicijom imidazola na etil-akrilat kataliziranom bazičnim glinama, odnosno Li+ i Cs+ montmorilonitima. Uz ultrazvučnu aktivaciju imidazol je kondenziran s etil-akrilatom primjenom dviju bazičnih glina – Li+ i Cs+ montmorilonita. Alkalne gline poput Li+ i Cs+ montmorilonita aktivni su i vrlo selektivni katalizatori pri sonikaciji, pri čemu povoljno utječu na Michaelovu adiciju imidazola na etil-akrilat. Sonokemijski potpomognuta kataliza potiče i poboljšava nastajanje N-supstituiranih derivata imidazola u usporedbi s drugim konvencionalnim reakcijama uz toplinsko zagrijavanje. Konverzija se povećava s bazičnošću glina i trajanjem sonikacije. Prinos je bio veći pri uporabi Cs+ montmorilonita u usporedbi s Li+ montmorilonitima, što bi se moglo objasniti većom bazičnošću. (Pogledajte reakcijsku shemu u nastavku)

Sonokatalitička reakcija: Michaelova adicija imidazola na etil-akrilat
(shema prilagođena prema Mohapatra i sur., 2018.)

Još jedna Michaelova adicija potpomognuta ultrazvukom jest kataliza indola potaknuta sumpornom kiselinom na silicijevu dioksidu. Li i sur. (2006) proveli su reakciju sumporne kiseline na silicijevu dioksidu i α,β-nezasićenih ketona uz sonikaciju kako bi dobili β-indolilketone u prinosima od 50–85% pri sobnoj temperaturi.

Aza-Michaelove reakcije bez otapala i katalizatora

Konjugirana adicija amina na konjugirane alkene – poznata kao aza-Michaelova reakcija – ključan je kemijski korak za sintezu raznih složenih prirodnih spojeva, antibiotika, a-aminoalkohola i kiralnih pomoćnih tvari. Pokazalo se da sonikacija može potaknuti takvu reakciju aza-Michaelove adicije bez otapala i katalizatora.

Ultrazvučno inducirana aza-Michaelova reakcija u vodi ispitana je s nekoliko amina i nezasićenih ketona, nezasićenim nitrilom i nezasićenim esterom. Sonokemijski potpomognuta reakcija dala je visoke prinose u brzom i jednostavnom postupku.
istraživanje i tablica: © Bandyopadhyay i sur., 2012

Jednostavna Michaelova adicija ferocenilenona s alifatskim aminima može se provesti sonokemijski potpomognutom reakcijom bez uporabe otapala i katalizatora pri sobnoj temperaturi. Ovom sonokemijskom Michaelovom adicijom mogu se dobiti 1-ferocenil-3-aminokarbonilni spojevi u brzom postupku s visokim prinosima, koji je učinkovit i u aza-Michaelovoj reakciji drugih α,β-nezasićenih karbonilnih spojeva poput kalkona, estera karboksilnih kiselina itd. Ova sonokemijska reakcija nije samo vrlo jednostavna i laka za provedbu, nego je i brz, ekološki prihvatljiv i jeftin postupak, što su obilježja zelene kemije. (Yang i sur., 2005)
Banikova istraživačka skupina razvila je još jedan jednostavan, izravan i brz protokol bez katalizatora u vodenom mediju za reakciju aza-Michaelove adicije nekoliko amina na α,β-nezasićene karbonilne spojeve uz primjenu sonikacije. Sonokemijski inducirana adicija nekoliko amina na α,β-nezasićene ketone, estere i nitrile provedena je vrlo učinkovito u vodi, kao i u uvjetima bez otapala. U ovoj metodi nisu upotrijebljeni katalizatori ni čvrsti nosači. Pri ultrazvučno induciranom postupku u vodi uočeno je znatno povećanje brzine reakcije. Ovaj ekološki neškodljiv postupak omogućio je čisto nastajanje proizvoda uz povećanu selektivnost. (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.
istraživanje i tablica: © Bandyopadhyay i sur., 2012

Ultrazvučne sonde i reaktori za sonokemijske reakcije

Napredni hardver i inteligentni softver Hielscher ultrazvučnih uređaja osmišljeni su kako bi zajamčili pouzdanu sonokemijsku obradu, npr. provedbu organske sinteze i katalitičkih reakcija s ponovljivim rezultatima i na način jednostavan za korisnika.
Sustavi Hielscher Ultrasonics upotrebljavaju se diljem svijeta za sonokemijske procese, uključujući reakcije organske sinteze poput Michaelovih adicija, Mannichove reakcije, Diels-Alderove reakcije i mnogih drugih reakcija spajanja. Hielscher ultrazvučni uređaji dokazano su pouzdani za sintezu visokokvalitetnih kemijskih proizvoda uz visoke prinose te se upotrebljavaju i u laboratorijima i u industrijskoj proizvodnji. Zbog svoje robusnosti i malih potreba za održavanjem naši se ultrazvučni uređaji često ugrađuju za primjene pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonokemijske sinteze, katalizu, kristalizaciju i druge reakcije već su ugrađeni diljem svijeta za rad u komercijalnim razmjerima. Obratite nam se sada kako bismo razgovarali o vašem sonokemijskom proizvodnom procesu! Naše iskusno osoblje rado će vam pružiti više informacija o putu sonokemijske sinteze, ultrazvučnim sustavima i cijenama!

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Literatura / Reference

• 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.