Reaksi Adisi Michael yang Didorong secara Ultrasonik

Reaksi Michael asimetris merupakan jenis reaksi organokatalitik yang dapat memperoleh manfaat besar dari sonikasi. Reaksi Michael atau adisi Michael banyak digunakan untuk sintesis kimia, yang membentuk ikatan karbon–karbon dalam kondisi ringan. Ultrasonikasi dan efek sonokimianya sangat efektif dalam menggerakkan dan mendorong reaksi Michael, sehingga menghasilkan rendemen yang lebih tinggi, waktu reaksi yang jauh lebih singkat, sekaligus berkontribusi pada kimia hijau yang ramah lingkungan.

Sonokimia dan Adisi Michael

Sonokimia telah dikenal luas karena efeknya yang menguntungkan pada reaksi kimia – sering kali menghasilkan rendemen yang lebih tinggi, laju reaksi yang lebih cepat, kondisi yang lebih ringan dan ramah lingkungan, serta pengoperasian yang aman dan sederhana. Artinya, sonokimia merupakan metode yang efisien dan tidak berbahaya untuk mengaktifkan, mendorong, dan menggerakkan reaksi kimia sintetik dan katalitik. Mekanisme pemrosesan ultrasonik dan sonokimia didasarkan pada fenomena kavitasi akustik, yang menimbulkan kondisi unik berupa tekanan dan suhu yang sangat tinggi melalui keruntuhan hebat gelembung dalam medium cair. Efek kavitasi ultrasonik atau akustik memulai reaksi melalui pemasukan energi tinggi dan meningkatkan perpindahan massa, sehingga mempermudah transformasi kimia.
Reaksi Michael atau adisi Michael adalah adisi nukleofilik suatu karbanion atau nukleofil lain pada senyawa karbonil α,β-tak jenuh yang mengandung gugus penarik elektron. Reaksi Michael dikelompokkan ke dalam kelas adisi konjugat yang lebih luas. Dinilai sebagai salah satu metode paling berguna untuk pembentukan ikatan karbon–karbon dalam kondisi ringan, adisi Michael banyak digunakan untuk sintesis organik berbagai zat. Terdapat banyak varian asimetris adisi Michael, yang merupakan jenis reaksi organokatalitik.

Sonokatalisis dan Adisi Michael Imidazol yang Dikatalisis oleh Lempung Basa

Martin-Aranda et al. (2002) memanfaatkan ultrasonikasi dan efek sonokimianya untuk mengembangkan jalur sintesis baru turunan imidazol tersubstitusi-N 21 melalui adisi Michael imidazol pada etil akrilat yang dikatalisis oleh lempung basa, yaitu montmorilonit Li+ dan Cs+. Dengan aktivasi ultrasonik, imidazol dikondensasikan dengan etil akrilat menggunakan kedua lempung basa tersebut – montmorilonit Li+ dan Cs+. Lempung basa seperti montmorilonit Li+ dan Cs+ merupakan katalis yang aktif dan sangat selektif dalam kondisi sonikasi, sehingga menunjukkan efek positif pada adisi Michael imidazol pada etil akrilat. Katalisis yang didorong secara sonokimia mendorong dan meningkatkan pembentukan turunan imidazol tersubstitusi-N dibandingkan dengan reaksi lain yang menggunakan pemanasan termal konvensional. Konversi meningkat seiring dengan kebasaan lempung dan durasi ultrasonikasi. Rendemen lebih tinggi ketika montmorilonit Cs+ digunakan dibandingkan dengan Li+, yang mungkin disebabkan oleh kebasaan yang lebih tinggi. (Lihat skema reaksi di bawah)

Reaksi sonokatalitik: adisi Michael imidazol pada etil akrilat
(skema diadaptasi dari Mohapatra et al, 2018.)

Adisi Michael lain yang dibantu ultrasonik adalah katalisis indol yang didorong oleh asam sulfat pada silika. Li et al. (2006) mereaksikan asam sulfat pada silika dan keton α,β-tak jenuh dalam kondisi ultrasonikasi untuk memperoleh β-indolilketon dengan rendemen 50–85% pada suhu ruang.

Reaksi Aza-Michael tanpa Pelarut dan tanpa Katalis

Adisi konjugat amina pada alkena terkonjugasi – dikenal sebagai reaksi aza-Michael – merupakan tahap kimia utama untuk sintesis berbagai produk alam kompleks, antibiotik, alkohol a-amino, dan zat bantu kiral. Ultrasonikasi telah terbukti mampu mendorong reaksi adisi aza-Michael tersebut dalam kondisi tanpa pelarut dan tanpa katalis.

Reaksi aza-Michael yang diinduksi ultrasonik dalam air telah diuji dengan beberapa amina dan keton tak jenuh, nitril tak jenuh, serta ester tak jenuh. Reaksi yang didorong secara sonokimia tersebut memberikan rendemen tinggi melalui prosedur yang cepat dan sederhana.
studi dan tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Adisi Michael yang mudah dilakukan antara ferrosenilenon dan amina alifatik dapat dijalankan melalui reaksi yang didorong secara sonokimia tanpa penggunaan pelarut dan katalis pada suhu ruang. Adisi Michael secara sonokimia ini dapat menghasilkan senyawa karbonil 1-ferrosenil-3-amino melalui proses cepat dengan rendemen tinggi, yang juga efisien untuk reaksi aza-Michael senyawa karbonil α,β-tak jenuh lainnya seperti kalkon, ester karboksilat, dan sebagainya. Reaksi sonokimia ini bukan hanya sangat sederhana dan mudah ditangani, tetapi juga merupakan proses yang cepat, ramah lingkungan, dan murah, yang merupakan ciri-ciri kimia hijau. (Yang et al., 2005)
Kelompok penelitian Banik mengembangkan protokol lain yang sederhana, mudah diterapkan, cepat, bermedium air, dan tanpa katalis untuk reaksi adisi aza-Michael beberapa amina pada senyawa karbonil α,β-tak jenuh dengan menerapkan ultrasonikasi. Adisi beberapa amina pada keton, ester, dan nitril α,β-tak jenuh yang diinduksi secara sonokimia telah dilakukan dengan sangat efisien dalam air maupun dalam kondisi tanpa pelarut. Tidak ada katalis atau penyangga padat yang digunakan dalam metode ini. Peningkatan laju reaksi yang luar biasa telah diamati dalam air dengan metode yang diinduksi ultrasonik. Prosedur yang ramah lingkungan ini menghasilkan pembentukan produk secara bersih dengan selektivitas yang lebih tinggi. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Efek pelarut dan perlakuan sonokimia pada reaksi aza-Michael piperidina (1 mL) dan metil akrilat (1 mL) dalam 1 mL pelarut.
studi dan tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Probe dan Reaktor Ultrasonik untuk Reaksi Sonokimia

Perangkat keras canggih dan perangkat lunak cerdas sonikator Hielscher dirancang untuk menjamin pemrosesan sonokimia yang andal, misalnya menjalankan reaksi sintesis organik dan katalisis dengan hasil yang dapat direproduksi serta pengoperasian yang mudah bagi pengguna.
Sistem Hielscher Ultrasonics digunakan di seluruh dunia untuk proses sonokimia, termasuk reaksi sintesis organik seperti adisi Michael, reaksi Mannich, reaksi Diels-Alder, dan banyak reaksi penggandengan lainnya. Terbukti andal untuk sintesis produk kimia berkualitas tinggi dengan rendemen tinggi, sonikator Hielscher tidak hanya digunakan di laboratorium, tetapi juga dalam produksi industri. Karena ketangguhannya dan kebutuhan perawatan yang rendah, sonikator kami umumnya dipasang untuk aplikasi tugas berat dan di lingkungan dengan tuntutan operasional tinggi.
Prosesor ultrasonik Hielscher untuk sintesis sonokimia, katalisis, kristalisasi, dan reaksi lainnya telah dipasang di seluruh dunia pada skala komersial. Hubungi kami sekarang untuk mendiskusikan proses produksi sonokimia Anda! Staf kami yang berpengalaman akan dengan senang hati memberikan informasi lebih lanjut tentang jalur sintesis sonokimia, sistem ultrasonik, dan harga!

Tabel di bawah memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:

Literatur / Referensi

• 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.