Reazioni di Mannich migliorate mediante sonochimica
Le reazioni di Mannich sono importanti reazioni di formazione di legami carbonio–carbonio, ampiamente utilizzate in settori quali la produzione farmaceutica e la sintesi di prodotti naturali. Sebbene la maggior parte delle reazioni di Mannich in un unico recipiente sia molto lenta, gli effetti positivi del trattamento a ultrasuoni sulle reazioni di Mannich sono stati rapidamente sfruttati per migliorare la resa e la velocità di reazione, nonché per ridurre i tempi di reazione tradizionalmente lunghi a una procedura breve.
La sonochimica e i suoi vantaggi nelle reazioni di Mannich
La reazione di Mannich è una delle più importanti reazioni di formazione di legami carbonio–carbonio nella sintesi organica, perché consente di ottenere composti 𝛽-amminocarbonilici di rilevanza sintetica e biologica, che sono importanti intermedi per la preparazione di vari prodotti naturali e farmaci contenenti azoto.
Sistema a ultrasuoni in linea per reazioni sonochimiche, ad esempio per migliorare le reazioni di Mannich
È stato dimostrato che l’irradiazione ultrasonica e gli effetti sonochimici che ne derivano accelerano drasticamente la cinetica delle reazioni di Mannich, ad esempio riducendo di 13 volte il tempo di reazione, da 20h a 1,5h.
Il trattamento a ultrasuoni migliora la reazione di Mannich in un unico recipiente tra chetoni, aldeidi e ammine, catalizzata dall’acido solfammico.
Schema adattato da Zeng et al., 2009
- Tempi di reazione significativamente ridotti
- Rese più elevate
- Condizioni controllabili con precisione
- Controllo della temperatura
- In lotti e in linea
- Chimica verde
Reazione di Mannich a ultrasuoni per la sintesi di composti 𝛽-amminocarbonilici
L’acido solfammico (NH2SO3H, SA) è stato utilizzato come catalizzatore verde efficiente, economico, non tossico e riciclabile per la reazione di Mannich in un unico recipiente tra aldeidi, chetoni e ammine, assistita da ultrasuoni. Questo protocollo a ultrasuoni offre i vantaggi di una resa elevata, condizioni blande, assenza di inquinamento ambientale e semplici procedure di isolamento e purificazione. Soprattutto, questa metodologia consente per la prima volta di ottenere composti beta-amminocarbonilici con ammine aromatiche orto-sostituite con rese da accettabili a buone.
È stato studiato l’impiego dell’acido solfammico come catalizzatore e una quantità pari al 10 mol% è risultata sufficiente a portare la reazione a completamento con una resa del 95% in un tempo di reazione significativamente ridotto di 1,5h (rispetto all’agitazione ad alta velocità, che ha ottenuto una resa di appena l’85% in circa 20h). Ciò sottolinea il fatto ben consolidato che gli ultrasuoni di potenza e la sonochimica accelerano le reazioni organiche. La tabella seguente mostra i notevoli vantaggi del trattamento a ultrasuoni rispetto all’agitazione ad alta velocità nelle reazioni di Mannich.
La tabella mostra che le reazioni di Mannich catalizzate mediante ultrasuoni sono significativamente più rapide ed efficienti rispetto all’agitazione ad alta velocità.
Studio: © Zeng et al., 2009
Apparecchiature sonochimiche ad alte prestazioni per le reazioni di Mannich
Le apparecchiature sonochimiche per la sintesi e la catalisi di prodotti chimici, come i composti amminocarbonilici e altri intermedi, sono facilmente disponibili in qualsiasi dimensione – dai sonicatori compatti da laboratorio ai reattori a ultrasuoni per impieghi interamente industriali. Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce sonicatori ad alta potenza. Tutti i sistemi a ultrasuoni sono prodotti presso la sede centrale di Teltow, in Germania, e da lì distribuiti in tutto il mondo.
L’hardware sofisticato e il software intelligente dei sonicatori Hielscher sono progettati per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d’uso. I sonicatori Hielscher sono robusti e affidabili, il che ne consente l’installazione e l’utilizzo in condizioni gravose. È possibile accedere facilmente alle impostazioni operative e regolarle tramite un menu intuitivo, accessibile attraverso un display digitale touch a colori e il controllo remoto via browser. Tutte le condizioni di processo, quali energia netta, energia totale, ampiezza, tempo, pressione e temperatura, vengono quindi registrate automaticamente su una scheda SD integrata. Ciò consente di riesaminare e confrontare i precedenti cicli di sonicazione e di ottimizzare la sintesi e la funzionalizzazione nelle reazioni migliorate mediante sonochimica, come la reazione di Mannich, la reazione di Diels-Alder o l’addizione di Michael, per ottenere la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per processi sonochimici (sonosintesi e sonocatalisi) e si sono dimostrati apparecchiature affidabili sia nella modalità a lotti sia nella modalità continua in linea. I sonicatori industriali Hielscher possono operare agevolmente ad ampiezze elevate in funzionamento continuo (24/7/365). Con sonotrodi standard (sonde / corni a ultrasuoni) è possibile generare facilmente e in modo continuo ampiezze fino a 200µm. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Grazie alla loro robustezza e alle ridotte esigenze di manutenzione, i nostri sonicatori vengono comunemente installati per applicazioni gravose e in ambienti impegnativi.
I processori a ultrasuoni Hielscher per sintesi sonochimiche sono già installati su scala commerciale in tutto il mondo. Contattateci subito per discutere della vostra sintesi mediante reazione di Mannich promossa dalla sonochimica! Il nostro personale esperto sarà lieto di fornire maggiori informazioni sul percorso di sintesi sonochimica, sui sistemi a ultrasuoni e sui prezzi!
Grazie ai vantaggi del metodo di sintesi a ultrasuoni, la vostra produzione chimica eccellerà per efficienza, semplicità e costi contenuti rispetto ad altri processi di sintesi catalitica!
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| Da 1 a 500mL | Da 10 a 200mL/min | UP100H |
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Bibliografia / Riferimenti
- Zeng H., Li H., Shao H. (2009): One-pot three-component Mannich-type reactions using sulfamic acid catalyst under ultrasound irradiation. Ultrasonics Sonochemistry16(6), 2009. 758-762.
- 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.
- Bravo, José; Lopez, Ignacio; Cintas, Pedro; Silvero, Guadalupe; Arévalo, María (2006): Sonochemical cycloadditions in ionic liquids. Lessons from model cases involving common dienes and carbonyl dienophiles. Ultrasonics Sonochemistry 13, 2006. 408-414.
- 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.
Informazioni utili
Che cos’è la reazione di Mannich?
La reazione di Mannich si basa sulla condensazione multicomponente di un’aldeide non enolizzabile, un’ammina primaria o secondaria e un composto carbonilico enolizzabile, che produce composti amminometilati. Il derivato imminico cationico dell’aldeide funge da accettore nella reazione di Mannich.
La reazione di Mannich viene utilizzata in molti ambiti della chimica organica. Poiché può essere condotta come pratica reazione in un unico recipiente ed essere anche impostata come doppia reazione di Mannich, questo tipo di reazione viene utilizzato per la sintesi di prodotti della chimica fine, prodotti chimici speciali, farmaci e sostanze naturali (impiegata nei percorsi biosintetici, soprattutto per la sintesi di alcaloidi, peptidi e nucleotidi).
Esempi comuni di prodotti chimici sintetizzati mediante la reazione di Mannich includono:
- alchilammine
- peptidi, nucleotidi, antibiotici e alcaloidi (ad esempio il tropinone)
- prodotti agrochimici, come i regolatori della crescita delle piante
- vernici e polimeri
- catalizzatori
- reticolazione dei tessuti mediante formaldeide
- medicinali e farmaci (ad esempio rolitetraciclina (il prodotto di Mannich della tetraciclina e della pirrolidina), fluoxetina (antidepressivo), tramadolo e tolmetina (farmaco antinfiammatorio).
- sapone e detergenti: la reazione di Mannich viene utilizzata per sintetizzare alchilammine, convertendo idrocarburi apolari in sapone o detergenti. I composti risultanti vengono utilizzati in varie applicazioni di pulizia, nei trattamenti dei carburanti per autoveicoli e nei rivestimenti epossidici
- polieterammine da eteri alchilici sostituiti a catena ramificata
- chetoni α,β-insaturi mediante degradazione termica dei prodotti della reazione di Mannich (ad esempio metil vinil chetone da 1-dietilammino-butan-3-one)
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni dalla scala di laboratorio a quella industriale.