Ultrahanggal elősegített Michael-addíciós reakció

Az aszimmetrikus Michael-reakciók az organokatalitikus reakciók egyik típusát alkotják, amelyeknél az ultrahangos kezelés jelentős előnyökkel járhat. A Michael-reakciót vagy Michael-addíciót széles körben alkalmazzák olyan kémiai szintézisekben, amelyek során enyhe körülmények között szén–szén kötések képződnek. Az ultrahangos kezelés és annak szonokémiai hatásai rendkívül hatékonyan hajtják és segítik elő a Michael-reakciókat, ami nagyobb hozamot és jelentősen rövidebb reakcióidőt eredményez, egyúttal hozzájárulva a környezetbarát zöld kémiához.

Szonokémia és Michael-addíció

A szonokémia jól ismert a kémiai reakciókra gyakorolt kedvező hatásairól – gyakran nagyobb hozamot, gyorsabb reakciót, enyhébb, környezetbarát körülményeket, valamint biztonságos és egyszerű működtetést eredményez. Ez azt jelenti, hogy a szonokémia hatékony és ártalmatlan módszer a szintetikus és katalitikus kémiai reakciók aktiválására, elősegítésére és hajtására. Az ultrahangos feldolgozás és a szonokémia mechanizmusa az akusztikus kavitáció jelenségén alapul, amely a folyékony közegben található buborékok heves összeomlása révén rendkívül nagy nyomással és hőmérséklettel járó, egyedülálló körülményeket hoz létre. Az ultrahangos vagy akusztikus kavitáció hatásai nagy energia bevitelével indítják el a reakciókat, és javítják az anyagátadást, ezáltal megkönnyítve a kémiai átalakulásokat.
A Michael-reakció vagy Michael-addíció egy karbanion vagy más nukleofil nukleofil addíciója egy elektronvonzó csoportot tartalmazó α,β-telítetlen karbonilvegyületre. A Michael-reakció a konjugált addíciók tágabb osztályába tartozik. A szén–szén kötések enyhe körülmények közötti kialakításának egyik leghasznosabb módszereként számon tartott Michael-addíciót széles körben alkalmazzák különféle anyagok szerves szintézisére. A Michael-addíciónak számos aszimmetrikus változata létezik, amelyek az organokatalitikus reakciók egyik típusát alkotják.

Szonokatalízis és az imidazol bázikus agyagokkal katalizált Michael-addíciója

Martin-Aranda et al. (2002) az ultrahangos kezelést és annak szonokémiai hatásait kihasználva új szintézisutat dolgoztak ki az N-szubsztituált imidazolszármazékok (21) előállítására az imidazol etil-akrilátra történő, bázikus agyagokkal, nevezetesen Li+ és Cs+ montmorillonitokkal katalizált Michael-addíciójával. Ultrahangos aktiválás mellett az imidazolt etil-akriláttal kondenzáltatták a két bázikus agyag – Li+ és Cs+ montmorillonitok – felhasználásával. A lúgos agyagok, például a Li+ és Cs+ montmorillonitok, ultrahangos kezelés mellett aktív és igen szelektív katalizátorok, így kedvezően hatnak az imidazol etil-akrilátra történő Michael-addíciójára. A szonokémiailag elősegített katalízis más hagyományos, hőközléssel végzett reakciókhoz képest elősegíti és javítja az N-szubsztituált imidazolszármazékok képződését. A konverzió az agyagok bázikusságával és az ultrahangos kezelés időtartamával nő. A hozam Cs+ montmorillonitok alkalmazásakor nagyobb volt, mint Li+ esetén, ami a nagyobb bázikussággal magyarázható. (Lásd az alábbi reakcióvázlatot)

Szonokatalitikus reakció: az imidazol Michael-addíciója etil-akrilátra
(a reakcióvázlat Mohapatra et al, 2018. alapján készült)

Egy másik ultrahanggal segített Michael-addíció az indol szilícium-dioxidon hordozott kénsavval elősegített katalízise. Li et al. (2006) ultrahangos kezelés mellett szilícium-dioxidon hordozott kénsavat és α,β-telítetlen ketonokat reagáltattak, hogy szobahőmérsékleten 50–85%-os hozammal állítsanak elő β-indolil-ketonokat.

Oldószer- és katalizátormentes aza-Michael-reakciók

Az aminok konjugált alkénekre történő konjugált addíciója – az úgynevezett aza-Michael-reakció – kulcsfontosságú kémiai lépés különféle összetett természetes vegyületek, antibiotikumok, a-amino-alkoholok és királis segédanyagok szintézisében. Kimutatták, hogy az ultrahangos kezelés képes elősegíteni az ilyen aza-Michael-addíciós reakciókat oldószer- és katalizátormentes körülmények között.

Az ultrahanggal kiváltott aza-Michael-reakciót vízben többféle aminnal és telítetlen ketonokkal, telítetlen nitrillel és telítetlen észterrel vizsgálták. A szonokémiailag elősegített reakció gyors és egyszerű eljárás során nagy hozamokat eredményezett.
tanulmány és táblázat: © Bandyopadhyay et al., 2012

A ferrocenil-enonok alifás aminokkal végzett egyszerű Michael-addíciója szonokémiailag elősegített reakcióban, oldószerek és katalizátorok felhasználása nélkül, szobahőmérsékleten hajtható végre. Ez a szonokémiai Michael-addíció gyors, nagy hozamot biztosító eljárással eredményezhet 1-ferrocenil-3-amino-karbonilvegyületeket; az eljárás más α,β-telítetlen karbonilvegyületek, például kalkon, karbonsavészter stb. aza-Michael-reakciójában is hatékony. Ez a szonokémiai reakció nemcsak nagyon egyszerű és könnyen kezelhető, hanem gyors, környezetbarát és olcsó eljárás is, amelyek a zöld kémia jellemzői. (Yang et al., 2005)
Banik kutatócsoportja egy másik egyszerű, könnyen végrehajtható, gyors, vizes közegben végzett, katalizátormentes protokollt dolgozott ki többféle amin α,β-telítetlen karbonilvegyületekre történő aza-Michael-addíciós reakciójára ultrahangos kezelés alkalmazásával. Többféle amin szonokémiailag kiváltott addícióját α,β-telítetlen ketonokra, észterekre és nitrilekre igen hatékonyan hajtották végre vízben, valamint oldószermentes körülmények között is. Ebben a módszerben nem alkalmaztak katalizátorokat vagy szilárd hordozókat. A vízben, ultrahanggal kiváltott módszer esetében a reakciósebesség jelentős növekedését figyelték meg. Ez a környezetkímélő eljárás a termékek tiszta képződését biztosította fokozott szelektivitással. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Az oldószerek és a szonokémiai kezelés hatása a piperidin (1 mL) és a metil-akrilát (1 mL) aza-Michael-reakciójára 1 mL oldószerben.
tanulmány és táblázat: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultrahangos szondák és reaktorok szonokémiai reakciókhoz

A Hielscher ultrahangos készülékeinek fejlett hardverét és intelligens szoftverét úgy tervezték, hogy megbízható szonokémiai feldolgozást biztosítsanak, például szerves szintézisek és katalitikus reakciók végrehajtását reprodukálható eredményekkel, felhasználóbarát módon.
A Hielscher Ultrasonics rendszereit világszerte használják szonokémiai folyamatokhoz, beleértve az olyan szerves szintézisreakciókat, mint a Michael-addíciók, a Mannich-reakció, a Diels–Alder-reakció és számos más kapcsolási reakció. A Hielscher ultrahangos készülékei bizonyítottan megbízhatóak a kiváló minőségű vegyi termékek nagy hozamú szintézisében, ezért nemcsak laboratóriumi körülmények között, hanem ipari termelésben is használják őket. Robusztus felépítésük és alacsony karbantartási igényük miatt ultrahangos készülékeinket gyakran telepítik nagy igénybevétellel járó alkalmazásokhoz és nehéz üzemi körülmények közé.
A szonokémiai szintézisekhez, katalízishez, kristályosításhoz és más reakciókhoz használható Hielscher ultrahangos processzorokat már világszerte telepítették kereskedelmi léptékben. Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy megbeszélhessük szonokémiai gyártási folyamatát! Tapasztalt munkatársaink örömmel nyújtanak további tájékoztatást a szonokémiai szintézisútról, az ultrahangos rendszerekről és az árakról!

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.