ულტრაბგერითი აქტივაციით ხელშეწყობილი მაიკლის ადდიციის რეაქცია

ასიმეტრიული მაიკლის რეაქციები ორგანოკატალიზური რეაქციების ტიპია, რომლებიც მნიშვნელოვნად იღებენ სარგებელს ულტრაბგერითი დამუშავებიდან. მაიკლის რეაქცია ანუ მაიკლის ადდიცია ფართოდ გამოიყენება ქიმიურ სინთეზში, სადაც ნახშირბად-ნახშირბადის ბმები წარმოიქმნება მსუბუქ პირობებში. ულტრაბგერითი დამუშავება და მისი სონოქიმიური ეფექტები უაღრესად ეფექტურია მაიკლის რეაქციების წარმართვისა და ხელშეწყობისთვის, რაც იწვევს უფრო მაღალ გამოსავლიანობას, რეაქციის დროის მნიშვნელოვან შემცირებას და ამავდროულად მონაწილეობს ეკოლოგიურად სუფთა მწვანე ქიმიაში.

სონოქიმია და მაიკლის ადდიცია

სონოქიმია კარგად არის ცნობილი ქიმიურ რეაქციებზე მისი სასარგებლო ეფექტების გამო – ხშირად იწვევს უფრო მაღალ გამოსავლიანობას, რეაქციის სიჩქარის გაზრდას, უფრო მსუბუქ, ეკოლოგიურად სუფთა პირობებს, ასევე უსაფრთხო და მარტივ ექსპლუატაციას. ეს ნიშნავს, რომ სონოქიმია არის ეფექტური და უვნებელი მეთოდი სინთეზური და კატალიზური ქიმიური რეაქციების აქტივირების, ხელშეწყობისა და წარმართვისთვის. ულტრაბგერითი დამუშავებისა და სონოქიმიის მექანიზმი ეფუძნება აკუსტიკური კავიტაციის ფენომენს, რომელიც იწვევს უნიკალურ პირობებს – ძალიან მაღალ წნევას და ტემპერატურას სითხის გარემოში ბუშტების ძალადობრივი კოლაფსის შედეგად. ულტრაბგერითი ან აკუსტიკური კავიტაციის ეფექტები იწყებს რეაქციებს მაღალი ენერგიის შეყვანით, აუმჯობესებს მასათა გადატანას, რითაც ხელს უწყობს ქიმიურ გარდაქმნებს.
მაიკლის რეაქცია ანუ მაიკლის ადდიცია არის კარბანიონის ან სხვა ნუკლეოფილის ნუკლეოფილური ადდიცია α,β-უჯერ კარბონილურ ნაერთთან, რომელიც შეიცავს ელექტრონაქცეპტორულ ჯგუფს. მაიკლის რეაქცია შედის კონიუგირებული ადდიციების უფრო დიდ კლასში. როგორც ერთ-ერთი ყველაზე სასარგებლო მეთოდი ნახშირბად–ნახშირბადის ბმების მსუბუქ პირობებში წარმოქმნისთვის, მაიკლის ადდიცია ფართოდ გამოიყენება მრავალფეროვანი ნივთიერებების ორგანული სინთეზისთვის. არსებობს მაიკლის ადდიციის მრავალი ასიმეტრიული ვარიანტი, რომლებიც ორგანოკატალიზური რეაქციების ტიპია.

სონოკატალიზი და ტუტე თიხებით კატალიზებული იმიდაზოლის მაიკლის ადდიცია

Martin-Aranda et al. (2002) იყენებდნენ ულტრაბგერითი დამუშავებისა და მისი სონოქიმიური ეფექტების უპირატესობებს, რათა შეემუშავებინათ N-ჩანაცვლებული იმიდაზოლის წარმოებულების 21 სინთეზის ახალი გზა იმიდაზოლის მაიკლის ადდიციით ეთილაკრილატთან, ტუტე თიხების, კერძოდ Li+ და Cs+ მონტმორილონიტების კატალიზური მოქმედებით. ულტრაბგერითი აქტივაციის გამოყენებით, იმიდაზოლი კონდენსირდებოდა ეთილაკრილატთან ორი ტუტე თიხის – Li+ და Cs+ მონტმორილონიტების გამოყენებით. ტუტე თიხები, როგორიცაა Li+ და Cs+ მონტმორილონიტები, აქტიური და ძალიან სელექციური კატალიზატორებია ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში და დადებითად მოქმედებს იმიდაზოლის მაიკლის ადდიციაზე ეთილაკრილატთან. სონოქიმიურად ხელშეწყობილი კატალიზი ხელს უწყობს და აუმჯობესებს N-ჩანაცვლებული იმიდაზოლის წარმოებულების წარმოქმნას სხვა ტრადიციულ თერმული გაცხელების რეაქციებთან შედარებით. კონვერსია იზრდება თიხების ტუტეობისა და ულტრაბგერითი დამუშავების ხანგრძლივობის ზრდასთან ერთად. გამოსავლიანობა უფრო მაღალი იყო Cs+ მონტმორილონიტების გამოყენებისას Li+-თან შედარებით, რაც შესაძლოა აიხსნას უფრო მაღალი ტუტეობით. (იხ. რეაქციის სქემა ქვემოთ)

სონოკატალიზური რეაქცია: იმიდაზოლის მაიკლის ადდიცია ეთილ აკრილატთან
(სქემა ადაპტირებულია Mohapatra et al, 2018-დან.)

ულტრაბგერით ხელშეწყობილი მაიკლის ადდიციის კიდევ ერთი მაგალითია ინდოლის კატალიზური რეაქცია სილიციუმის დიოქსიდზე იმობილიზებული გოგირდმჟავის გამოყენებით. Li et al. (2006) რეაქციაში შეიყვანეს სილიციუმის დიოქსიდზე იმობილიზებული გოგირდმჟავა და α,β-უჯერი კეტონები ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში, რათა მიეღოთ β-ინდოლილკეტონები 50–85% გამოსავლიანობით ოთახის ტემპერატურაზე.

გამხსნელისა და კატალიზატორის გარეშე აზა-მაიკლის რეაქციები

ამინების კონიუგირებული ადდიცია კონიუგირებულ ალკენებთან – ცნობილი, როგორც აზა-მაიკლის რეაქცია – არის საკვანძო ქიმიური ეტაპი სხვადასხვა რთული ბუნებრივი პროდუქტის, ანტიბიოტიკის, a-ამინოსპირტისა და ქირალური დამხმარე ნაერთის სინთეზისთვის. ნაჩვენებია, რომ ულტრაბგერით დამუშავებას შეუძლია ხელი შეუწყოს ასეთ აზა-მაიკლის ადდიციის რეაქციას გამხსნელისა და კატალიზატორის გარეშე პირობებში.

ულტრაბგერითი ინდუცირებული აზა-მაიკლის რეაქცია წყალში შეამოწმეს რამდენიმე ამინით და უჯერი კეტონებით, უჯერი ნიტრილით და უჯერი ესტერით. სონოქიმიურად ხელშეწყობილმა რეაქციამ მაღალი გამოსავლიანობა მოგვცა სწრაფ და მარტივ პროცედურაში.
კვლევა და ცხრილი: © Bandyopadhyay et al., 2012

ფეროცენილენონების მარტივი მაიკლის ადდიცია ალიფატურ ამინებთან შეიძლება ჩატარდეს სონოქიმიურად ხელშეწყობილ რეაქციაში გამხსნელებისა და კატალიზატორების გამოყენების გარეშე ოთახის ტემპერატურაზე. ამ სონოქიმიურ მაიკლის ადდიციას შეუძლია მოგვცეს 1-ფეროცენილ-3-ამინო კარბონილური ნაერთები სწრაფ პროცესში მაღალი გამოსავლიანობით. ეს პროცესი ასევე ეფექტურია სხვა α,β-უჯერი კარბონილური ნაერთების, როგორიცაა ხალკონი, კარბონმჟავას ესტერი და ა.შ., აზა-მაიკლის რეაქციაში. ეს სონოქიმიური რეაქცია არა მხოლოდ ძალიან მარტივი და მოსახერხებელია, არამედ ასევე სწრაფი, ეკოლოგიურად სუფთა და იაფი პროცესია, რაც მწვანე ქიმიის ატრიბუტებია. (Yang et al., 2005)
Banik-ის სამეცნიერო ჯგუფმა შეიმუშავა კიდევ ერთი მარტივი, პირდაპირი, სწრაფი, წყალში მიმდინარე კატალიზატორის გარეშე პროტოკოლი რამდენიმე ამინის აზა-მაიკლის ადდიციის რეაქციისთვის α,β-უჯერ კარბონილურ ნაერთებთან ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენებით. რამდენიმე ამინის სონოქიმიურად ინდუცირებული ადდიცია α,β-უჯერ კეტონებთან, ესტერებთან და ნიტრილებთან ჩატარდა ძალიან ეფექტურად წყალში, ასევე გამხსნელის გარეშე პირობებში. ამ მეთოდში არ გამოიყენებოდა კატალიზატორები ან მყარი მატარებლები. წყალში ულტრაბგერითი ინდუცირებული მეთოდით დაფიქსირდა რეაქციის სიჩქარის შესამჩნევი ზრდა. ამ ეკოლოგიურად უვნებელმა პროცედურამ უზრუნველყო პროდუქტების სუფთა წარმოქმნა გაზრდილი სელექციურობით. (Bandyopadhyay et al., 2012)

გამხსნელების და სონოქიმიური დამუშავების ეფექტები პიპერიდინის (1 mL) და მეთილ აკრილატის (1 mL) აზა-მაიკლის რეაქციაზე 1 mL გამხსნელში.
კვლევა და ცხრილი: © Bandyopadhyay et al., 2012

ულტრაბგერითი ზონდები და რეაქტორები სონოქიმიური რეაქციებისთვის

Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დახვეწილი აპარატურა და სმარტ პროგრამული უზრუნველყოფა შექმნილია საიმედო სონოქიმიური დამუშავების უზრუნველსაყოფად, მაგ. ორგანული სინთეზისა და კატალიზის რეაქციების შესასრულებლად რეპროდუცირებადი შედეგებით და მომხმარებლისთვის მოსახერხებელი გზით.
Hielscher Ultrasonics სისტემები მსოფლიო მასშტაბით გამოიყენება სონოქიმიური პროცესებისთვის, მათ შორის ორგანული სინთეზის რეაქციებისთვის, როგორიცაა მაიკლის ადდიციები, მანიხის რეაქცია, დილს-ალდერის რეაქცია და ბევრი სხვა შეწყვილების რეაქცია. მაღალი ხარისხის ქიმიური პროდუქტების მაღალი გამოსავლიანობის სინთეზისთვის საიმედოდ დამტკიცებული, Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები გამოიყენება არა მხოლოდ ლაბორატორიულ პირობებში, არამედ სამრეწველო წარმოებაშიც. მათი გამძლეობისა და დაბალი მომსახურების მოთხოვნების გამო, ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ხშირად ინსტალირდება მძიმე პირობებში და მოთხოვნად გარემოში.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი პროცესორები სონოქიმიური სინთეზისთვის, კატალიზისთვის, კრისტალიზაციისა და სხვა რეაქციებისთვის უკვე ინსტალირებულია მსოფლიო მასშტაბით კომერციულ დონეზე. დაგვიკავშირდით ახლავე, რათა განვიხილოთ თქვენი სონოქიმიური წარმოების პროცესი! ჩვენი გამოცდილი პერსონალი სიხარულით გაგიზიარებთ მეტ ინფორმაციას სონოქიმიური სინთეზის გზაზე, ულტრაბგერით სისტემებსა და ფასებზე!

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაწვდით ინფორმაციას ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების მიახლოებითი დამუშავების შესაძლებლობების შესახებ:

ლიტერატურა / რეფერენსები

• 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.