ソノケミストリーによって改善されたマンニッヒ反応
マンニッヒ反応は重要な炭素–炭素結合形成反応であり、医薬品製造や天然物合成などの産業で広く利用されています。ワンポットのマンニッヒ反応の大部分は非常に遅いものの、収率と反応速度を向上させ、従来長時間を要していたマンニッヒ反応を短時間の工程にするために、超音波処理がマンニッヒ反応にもたらす有益な効果は速やかに実用化されてきました。
ソノケミストリーとマンニッヒ反応におけるその利点
マンニッヒ反応は、有機合成における最も重要な炭素–炭素結合形成反応に数えられます。これは、さまざまな含窒素天然物や医薬品を構築するための重要な中間体である、合成上および生物学的に重要な𝛽-アミノカルボニル化合物を生成するためです。
ソノケミカル反応用の超音波インラインシステム – 例えば、マンニッヒ反応の改善に使用
超音波照射とそれによって生じるソノケミカル効果は、マンニッヒ反応の反応速度を大幅に高めることが実証されています。例えば、反応時間を20hから1.5hに短縮し、13倍の短縮効果をもたらします。
超音波処理は、スルファミン酸を触媒とするケトン、アルデヒド、アミンのワンポット・マンニッヒ反応を改善します。
Zeng et al., 2009を基に改変した反応スキーム
- 反応時間の大幅な短縮
- より高い収率
- 精密に制御可能な条件
- 温度制御
- バッチ処理とインライン処理
- グリーンケミストリー
𝛽-アミノカルボニル化合物の超音波マンニッヒ反応
スルファミン酸(NH2SO3H, SA)は、アルデヒドとケトンおよびアミンの超音波支援ワンポット・マンニッヒ反応において、効率的で安価、無毒かつ再利用可能なグリーン触媒として使用されました。この超音波処理法には、高収率、穏和な条件、環境汚染がないこと、後処理手順が簡単であることという利点があります。最も重要なのは、この方法によって、オルト置換芳香族アミンを伴うベータ-アミノカルボニル化合物が、初めて許容できる収率から良好な収率で得られることです。
触媒としてのスルファミン酸が検討され、10 mol%のスルファミン酸で十分に反応を完全に進行させ、著しく短縮された反応時間である1,5hで95%の収率を達成しました（これに対し、高速撹拌では約20hで収率はわずか85%でした）。これは、高出力超音波とソノケミストリーが有機反応を促進するという、十分に確立された事実を裏付けています。下の表は、マンニッヒ反応において、超音波処理が高速撹拌に比べて持つ大きな利点を示しています。
この表は、超音波によって触媒作用が促進されたマンニッヒ反応が、高速撹拌と比較して大幅に速く、効率的であることを示しています。
研究：© Zeng et al., 2009
マンニッヒ反応用の高性能ソノケミカル装置
アミノカルボニル化合物やその他の中間体などの化学製品の合成および触媒反応に用いるソノケミカル装置は、小型の実験室用超音波装置から本格的な産業用超音波反応器まで、あらゆるサイズで容易に入手できます。Hielscher Ultrasonicsは、高出力超音波装置の設計、製造、販売を行っています。すべての超音波システムはドイツのテルトーにある本社で製造され、そこから世界中に出荷されています。
Hielscher超音波装置の洗練されたハードウェアと高度なソフトウェアは、信頼性の高い運転、再現性のある結果、使いやすさを保証するように設計されています。Hielscher超音波装置は堅牢で信頼性が高く、高負荷条件下でも設置および運転が可能です。運転設定には、デジタルカラータッチディスプレイおよびブラウザーによる遠隔操作から利用できる直感的なメニューを通じて、簡単にアクセスし、調整できます。そのため、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度などのすべての処理条件が、内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、過去の超音波処理の実行内容を確認して比較し、マンニッヒ反応、ディールス・アルダー反応、マイケル付加など、ソノケミストリーによって改善された反応における合成と官能基化を、最高の効率が得られるように最適化できます。
Hielscher Ultrasonicsのシステムは、ソノケミカルプロセス（超音波合成および超音波触媒反応）に世界中で使用されており、バッチ方式および連続インライン方式で信頼性の高い装置であることが実証されています。Hielscherの産業用超音波装置は、連続運転（24/7/365）で高振幅を容易に維持できます。標準的なソノトロード（超音波プローブ／ホーン）で、最大200µmの振幅を容易に連続して発生させることができます。さらに高い振幅には、特注の超音波ソノトロードをご用意しています。当社の超音波装置は、堅牢でメンテナンスの必要性が低いため、高負荷用途や過酷な環境で広く設置されています。
ソノケミカル合成用のHielscher超音波プロセッサーは、すでに世界中で商業規模の設備に導入されています。マンニッヒ反応による、お客様のソノケミストリーを駆動力とする合成について、今すぐお問い合わせください。経験豊富なスタッフが、ソノケミカル合成経路、超音波システム、価格について、さらに詳しい情報をご案内します。
超音波合成法の利点により、お客様の化学品製造は、他の触媒合成プロセスと比較して、効率、簡便さ、低コストの点で優れたものになります。
下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 該当なし | 10–100L/min | UIP16000 |
| 該当なし | さらに大きい流量 | クラスター構成の UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonicsは、実験室、パイロット、産業規模での混合用途、分散、乳化、抽出に対応する高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献／参考文献
- 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.
知っておきたい事実
マンニッヒ反応とは？
マンニッヒ反応は、エノール化できないアルデヒド、第一級または第二級アミン、エノール化可能なカルボニル化合物の多成分縮合に基づく反応で、アミノメチル化生成物を生じます。アルデヒドのイミニウム誘導体が、マンニッヒ反応における受容体として機能します。
マンニッヒ反応は、有機化学の多くの分野で利用されています。マンニッヒ反応は、便利なワンポット反応として実施でき、二重マンニッヒ反応として組み立てることもできるため、この反応形式は、ファインケミカル、特殊化学品、医薬品、天然物の合成に使用されています（生合成経路、特にアルカロイド、ペプチド、ヌクレオチドの合成に利用されます）。
マンニッヒ反応によって合成される化学品の一般的な例には、次のものがあります。
- アルキルアミン
- ペプチド、ヌクレオチド、抗生物質、アルカロイド（例えばトロピノン）
- 植物成長調節剤などの農薬
- 塗料とポリマー
- 触媒
- ホルムアルデヒドによる組織の架橋
- 医薬品および医薬用薬剤（例えばロリテトラサイクリン（テトラサイクリンとピロリジンのマンニッヒ反応生成物）、フルオキセチン（抗うつ薬）、トラマドールおよびトルメチン（抗炎症薬）。
- 石けんと洗剤：マンニッヒ反応はアルキルアミンの合成に使用され、非極性炭化水素を石けんまたは洗剤に変換します。得られた化合物は、さまざまな洗浄用途、自動車燃料の処理、エポキシコーティングに使用されます
- 置換分岐鎖アルキルエーテルから得られるポリエーテルアミン
- マンニッヒ反応生成物の熱分解によって得られるα,β-不飽和ケトン（例えば1-diethylamino-butan-3-oneから得られるメチルビニルケトン）
Hielscher Ultrasonicsは、高性能超音波ホモジナイザーを 実験室規模 から 産業規模まで製造しています。