超音波で促進するマイケル付加反応

不斉マイケル反応は有機触媒反応の一種であり、超音波処理によって大きな効果が得られる可能性があります。マイケル反応、またはマイケル付加は、温和な条件下で炭素–炭素結合を形成する化学合成に広く用いられています。超音波処理とそのソノケミカル効果は、マイケル反応の進行と促進に非常に有効であり、収率の向上、反応時間の大幅な短縮をもたらすと同時に、環境に優しいグリーンケミストリーにも貢献します。

ソノケミストリーとマイケル付加

ソノケミストリーは、化学反応に対する有益な効果で広く認められています – 多くの場合、収率の向上、反応速度の加速、より温和で環境に優しい条件、そして安全で簡単な操作を実現します。つまり、ソノケミストリーは、合成反応や触媒化学反応を活性化し、促進し、進行させるための効率的で無害な方法です。超音波処理とソノケミストリーの機構は、音響キャビテーションという現象に基づいています。この現象では、液体媒体中の気泡が激しく崩壊することで、極めて高い圧力と温度という特有の条件が生じます。超音波キャビテーション、すなわち音響キャビテーションの効果は、高いエネルギーの導入によって反応を開始させ、物質移動を改善し、それによって化学変換を容易にします。
マイケル反応、またはマイケル付加は、電子求引基を含むα,β-不飽和カルボニル化合物へのカルバニオンまたは他の求核剤の求核付加です。マイケル反応は、より広い共役付加という反応群に分類されます。炭素–炭素結合を温和な条件で形成する最も有用な方法の一つとして評価されているマイケル付加は、多種多様な物質の有機合成に広く用いられています。マイケル付加には多くの不斉反応の変法があり、これらは有機触媒反応の一種です。

ソノ触媒作用と塩基性粘土を触媒とするイミダゾールのマイケル付加

Martin-Aranda et al. (2002) は、超音波処理とそのソノケミカル効果を利用し、塩基性粘土、すなわちLi+およびCs+モンモリロナイトを触媒とするイミダゾールのアクリル酸エチルへのマイケル付加によって、N-置換イミダゾール誘導体21の新たな合成経路を開発しました。超音波による活性化のもと、二種類の塩基性粘土 – Li+およびCs+モンモリロナイト – を用いて、イミダゾールをアクリル酸エチルと縮合させました。Li+およびCs+モンモリロナイトなどの塩基性粘土は、超音波処理下で活性が高く、非常に選択性の高い触媒であり、イミダゾールのアクリル酸エチルへのマイケル付加に有益な効果を示します。ソノケミカル効果によって促進される触媒作用は、他の従来の熱加熱反応と比べて、N-置換イミダゾール誘導体の生成を促進し、改善します。転化率は、粘土の塩基性および超音波処理時間の増加に伴って上昇します。Li+と比べてCs+モンモリロナイトを使用した場合の収率が高く、これは塩基性がより高いことによって説明できる可能性があります。（下の反応スキームを参照）

ソノ触媒反応：イミダゾールのアクリル酸エチルへのマイケル付加
（Mohapatra et al, 2018. のスキームを改変）

超音波支援による別のマイケル付加として、シリカ硫酸によって促進されるインドールの触媒反応があります。Li et al. (2006) は、室温でβ-インドリルケトンを50–85%の収率で得るために、超音波処理下でシリカ硫酸とα,β-不飽和ケトンを反応させました。

無溶媒・無触媒のアザマイケル反応

アザマイケル反応として知られる、共役アルケンへのアミンの共役付加は、さまざまな複雑な天然物、抗生物質、a-アミノアルコール、キラル補助剤を合成するための重要な化学反応段階です。超音波処理は、このようなアザマイケル付加反応を無溶媒・無触媒条件下で促進できることが示されています。

水中での超音波誘起アザマイケル反応は、複数のアミンと、不飽和ケトン、不飽和ニトリル、不飽和エステルを用いて検討されています。ソノケミカル効果によって促進された反応は、迅速で簡単な手順で高い収率をもたらしました。
研究および表：© Bandyopadhyay et al., 2012

フェロセニルエノンと脂肪族アミンの容易なマイケル付加は、室温で溶媒と触媒を使用せず、ソノケミカル効果によって促進される反応として実施できます。このソノケミカル・マイケル付加は、高い収率をもたらす迅速なプロセスで1-ferrocenyl-3-amino carbonyl化合物を生成でき、カルコンやカルボン酸エステルなど、他のα,β-不飽和カルボニル化合物のアザマイケル反応にも有効です。このソノケミカル反応は、非常に簡単で取り扱いやすいだけでなく、迅速で環境に優しく、低コストのプロセスでもあり、これらはグリーンケミストリーの特徴です。(Yang et al., 2005)
Banikの研究グループは、超音波処理を用いて、複数のアミンをα,β-不飽和カルボニル化合物にアザマイケル付加させる、簡単で直接的かつ迅速な、水を媒体とする別の無触媒プロトコルを開発しました。ソノケミカル効果によって誘起される、複数のアミンのα,β-不飽和ケトン、エステル、ニトリルへの付加は、水中でも無溶媒条件下でも非常に効率的に行われています。この方法では、触媒も固体担体も使用されていません。水中で超音波誘起法を用いると、反応速度の顕著な向上が観察されています。この環境に優しい手順では、選択性が向上し、生成物がクリーンに形成されました。(Bandyopadhyay et al., 2012)

1 mLの溶媒中でのピペリジン（1 mL）とアクリル酸メチル（1 mL）のアザマイケル反応に対する、溶媒とソノケミカル処理の効果。
研究および表：© Bandyopadhyay et al., 2012

ソノケミカル反応用の超音波プローブと反応器

Hielscherの超音波処理装置の高度なハードウェアとスマートなソフトウェアは、信頼性の高いソノケミカル処理を保証するように設計されています。例えば、有機合成や触媒反応を、再現性のある結果を得ながら、使いやすい方法で実施できます。
Hielscher Ultrasonicsのシステムは、マイケル付加、マンニッヒ反応、ディールス・アルダー反応、その他多くのカップリング反応などの有機合成反応を含むソノケミカルプロセスに、世界中で使用されています。高品質の化学製品を高い収率で合成するうえで信頼性が実証されているHielscherの超音波処理装置は、実験室だけでなく工業生産にも使用されています。堅牢でメンテナンスの必要性が低いため、当社の超音波処理装置は、高負荷の用途や厳しい環境で広く導入されています。
ソノケミカル合成、触媒反応、結晶化、その他の反応に用いるHielscherの超音波処理装置は、すでに世界中で商業規模で導入されています。お客様のソノケミカル製造プロセスについて、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、価格に関する詳しい情報をご案内いたします。

下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。

文献 / 参考文献

• 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.