Reazione di addizione di Michael promossa dagli ultrasuoni

Le reazioni di Michael asimmetriche sono un tipo di reazioni organocatalitiche che possono trarre grandi benefici dalla sonicazione. La reazione di Michael, o addizione di Michael, è ampiamente utilizzata nelle sintesi chimiche, nelle quali si formano legami carbonio–carbonio in condizioni blande. Il trattamento a ultrasuoni e i suoi effetti sonochimici sono altamente efficaci nel favorire e promuovere le reazioni di Michael, consentendo rese più elevate, tempi di reazione significativamente ridotti e contribuendo al contempo a una chimica verde rispettosa dell’ambiente.

Sonochimica e addizione di Michael

La sonochimica è ampiamente riconosciuta per i suoi effetti benefici sulle reazioni chimiche – spesso consente rese più elevate, una maggiore velocità di reazione, condizioni più blande e rispettose dell’ambiente, nonché un funzionamento sicuro e semplice. Ciò significa che la sonochimica è un metodo efficiente e innocuo per attivare, promuovere e favorire le reazioni chimiche di sintesi e catalitiche. Il meccanismo del trattamento a ultrasuoni e della sonochimica si basa sul fenomeno della cavitazione acustica, che induce condizioni peculiari di pressioni e temperature molto elevate attraverso il collasso violento delle bolle in un mezzo liquido. Gli effetti della cavitazione ultrasonica o acustica avviano le reazioni mediante l’apporto di energia elevata e migliorano il trasferimento di massa, facilitando così le trasformazioni chimiche.
La reazione di Michael, o addizione di Michael, è l’addizione nucleofila di un carbanione o di un altro nucleofilo a un composto carbonilico α,β-insaturo contenente un gruppo elettron-attrattore. La reazione di Michael rientra nella più ampia classe delle addizioni coniugate. Considerata uno dei metodi più utili per la formazione di legami carbonio–carbonio in condizioni blande, l’addizione di Michael è ampiamente utilizzata per la sintesi organica di numerose sostanze. Esistono molte varianti asimmetriche dell’addizione di Michael, che costituiscono un tipo di reazioni organocatalitiche.

Sonocatalisi e addizione di Michael dell’imidazolo catalizzata da argille basiche

Martin-Aranda et al. (2002) hanno sfruttato il trattamento a ultrasuoni e i suoi effetti sonochimici per sviluppare una nuova via di sintesi dei derivati N-sostituiti dell’imidazolo 21 mediante l’addizione di Michael dell’imidazolo all’acrilato di etile, catalizzata da argille basiche, ossia montmorilloniti Li+ e Cs+. Mediante attivazione ultrasonica, l’imidazolo è stato condensato con l’acrilato di etile utilizzando le due argille basiche – montmorilloniti Li+ e Cs+. Le argille alcaline, come le montmorilloniti Li+ e Cs+, sono catalizzatori attivi e molto selettivi durante la sonicazione, mostrando così effetti positivi sull’addizione di Michael dell’imidazolo all’acrilato di etile. La catalisi promossa sonochimicamente favorisce e migliora la formazione dei derivati N-sostituiti dell’imidazolo rispetto ad altre reazioni convenzionali con riscaldamento termico. La conversione aumenta con la basicità delle argille e con la durata del trattamento a ultrasuoni. La resa è risultata più elevata utilizzando montmorilloniti Cs+ rispetto a Li+, il che potrebbe essere spiegato dalla maggiore basicità. (Vedere lo schema di reazione seguente)

Reazione sonocatalitica: addizione di Michael dell’imidazolo all’acrilato di etile
(schema adattato da Mohapatra et al, 2018.)

Un’altra addizione di Michael assistita dagli ultrasuoni è la catalisi dell’indolo promossa dall’acido solforico supportato su silice. Li et al. (2006) hanno fatto reagire acido solforico supportato su silice e chetoni α,β-insaturi sotto trattamento a ultrasuoni per ottenere β-indolilchetoni con rese del 50–85% a temperatura ambiente.

Reazioni aza-Michael senza solventi e senza catalizzatori

L’addizione coniugata di ammine ad alcheni coniugati – nota come reazione aza-Michael – è un passaggio chimico fondamentale per la sintesi di vari prodotti naturali complessi, antibiotici, a-amminoalcoli e ausiliari chirali. È stato dimostrato che il trattamento a ultrasuoni è in grado di promuovere questa reazione di addizione aza-Michael in assenza di solventi e catalizzatori.

La reazione aza-Michael indotta dagli ultrasuoni in acqua è stata sperimentata con diverse ammine e chetoni insaturi, un nitrile insaturo e un estere insaturo. La reazione promossa sonochimicamente ha fornito rese elevate mediante una procedura rapida e semplice.
studio e tabella: © Bandyopadhyay et al., 2012

Una facile addizione di Michael di enoni ferrocenilici con ammine alifatiche può essere condotta mediante una reazione promossa sonochimicamente senza l’impiego di solventi e catalizzatori, a temperatura ambiente. Questa addizione di Michael sonochimica può fornire composti carbonilici 1-ferrocenil-3-ammino mediante un processo rapido con rese elevate, efficace anche nella reazione aza-Michael di altri composti carbonilici α,β-insaturi, come il calcone, gli esteri carbossilici ecc. Questa reazione sonochimica è molto semplice e facile da gestire ed è anche un processo rapido, rispettoso dell’ambiente ed economico, caratteristiche proprie della chimica verde. (Yang et al., 2005)
Il gruppo di ricerca di Banik ha sviluppato un altro protocollo semplice, diretto e rapido, in mezzo acquoso e senza catalizzatori, per la reazione di addizione aza-Michael di diverse ammine a composti carbonilici α,β-insaturi, applicando il trattamento a ultrasuoni. L’addizione indotta sonochimicamente di diverse ammine a chetoni, esteri e nitrili α,β-insaturi è stata condotta con grande efficienza sia in acqua sia in condizioni prive di solventi. In questo metodo non sono stati utilizzati catalizzatori o supporti solidi. Con il metodo indotto dagli ultrasuoni è stato osservato un notevole aumento della velocità di reazione in acqua. Questa procedura rispettosa dell’ambiente ha consentito la formazione pulita dei prodotti con una maggiore selettività. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Effetti dei solventi e del trattamento sonochimico sulla reazione aza-Michael di piperidina (1 mL) e acrilato di metile (1 mL) in 1 mL di solvente.
studio e tabella: © Bandyopadhyay et al., 2012

Sonde e reattori a ultrasuoni per reazioni sonochimiche

L’hardware sofisticato e il software intelligente dei sonicatori Hielscher sono progettati per garantire un trattamento sonochimico affidabile, ad esempio per eseguire reazioni di sintesi organica e di catalisi con risultati riproducibili e in modo semplice per l’utente.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per processi sonochimici, comprese reazioni di sintesi organica come le addizioni di Michael, la reazione di Mannich, la reazione di Diels-Alder e molte altre reazioni di accoppiamento. I sonicatori Hielscher, la cui affidabilità è comprovata nella sintesi di prodotti chimici di alta qualità con rese elevate, sono utilizzati sia in laboratorio sia nella produzione industriale. Grazie alla loro robustezza e alla ridotta manutenzione, i nostri sonicatori sono comunemente installati per applicazioni gravose e in ambienti impegnativi.
I processori a ultrasuoni Hielscher per sintesi sonochimiche, catalisi, cristallizzazione e altre reazioni sono già installati in tutto il mondo su scala commerciale. Contattateci subito per discutere del vostro processo di produzione sonochimico! Il nostro personale esperto sarà lieto di fornirvi maggiori informazioni sulla via di sintesi sonochimica, sui sistemi a ultrasuoni e sui prezzi!

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Bibliografia / Riferimenti

• 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.