초음파로 촉진하는 Michael 첨가 반응

비대칭 Michael 반응은 유기촉매 반응의 한 유형으로, 초음파 처리를 통해 큰 이점을 얻을 수 있습니다. Michael 반응 또는 Michael 첨가는 온화한 조건에서 탄소–탄소 결합을 형성하는 화학 합성에 널리 사용됩니다. 초음파 처리와 그에 따른 초음파화학적 효과는 Michael 반응을 유도하고 촉진하는 데 매우 효과적이어서, 수율을 높이고 반응 시간을 크게 단축하는 동시에 환경친화적인 녹색 화학에도 기여합니다.

초음파화학과 Michael 첨가

초음파화학이 화학 반응에 미치는 유익한 효과는 잘 알려져 있습니다. 이러한 효과로 인해 수율이 높아지고 반응 속도가 빨라지며, 더 온화하고 환경친화적인 조건과 안전하고 간단한 운전이 가능한 경우가 많습니다. 이는 초음파화학이 합성 및 촉매 화학 반응을 활성화하고 촉진하며 유도하는 효율적이고 무해한 방법임을 의미합니다. 초음파 처리와 초음파화학의 작용 원리는 음향 캐비테이션 현상에 기반하며, 이 현상은 액체 매질 내 기포의 격렬한 붕괴를 통해 압력과 온도가 매우 높은 독특한 조건을 유발합니다. 초음파 또는 음향 캐비테이션의 효과는 높은 에너지를 투입하여 반응을 개시하고 물질 전달을 개선함으로써 화학적 변환을 촉진합니다.
Michael 반응 또는 Michael 첨가는 탄소 음이온이나 다른 친핵체가 전자 끄는 기를 포함하는 α,β-불포화 카보닐 화합물에 친핵성 첨가를 하는 반응입니다. Michael 반응은 더 큰 범주인 공액 첨가 반응으로 분류됩니다. 온화한 조건에서 탄소–탄소 결합을 형성하는 가장 유용한 방법 중 하나로 평가받는 Michael 첨가는 다양한 물질의 유기 합성에 널리 사용됩니다. Michael 첨가에는 다양한 비대칭 변형 반응이 있으며, 이들은 유기촉매 반응의 한 유형입니다.

초음파 촉매 작용과 염기성 점토로 촉매화한 이미다졸의 Michael 첨가

Martin-Aranda et al. (2002)은 초음파 처리와 그에 따른 초음파화학적 효과를 활용하여, 염기성 점토인 Li+ 및 Cs+ 몬모릴로나이트로 촉매화한 이미다졸의 아크릴산 에틸에 대한 Michael 첨가를 통해 N-치환 이미다졸 유도체 21의 새로운 합성 경로를 개발했습니다. 초음파 활성화를 이용하고 두 가지 염기성 점토인 Li+ 및 Cs+ 몬모릴로나이트를 사용하여 이미다졸을 아크릴산 에틸과 축합시켰습니다. Li+ 및 Cs+ 몬모릴로나이트와 같은 알칼리성 점토는 초음파 처리 조건에서 활성이 높고 매우 선택적인 촉매로 작용하여, 이미다졸의 아크릴산 에틸에 대한 Michael 첨가에 긍정적인 영향을 미칩니다. 초음파화학적으로 촉진되는 촉매 작용은 기존의 다른 열 가열 반응과 비교하여 N-치환 이미다졸 유도체의 형성을 촉진하고 개선합니다. 전환율은 점토의 염기성이 높아지고 초음파 처리 시간이 길어질수록 증가합니다. Cs+ 몬모릴로나이트를 사용했을 때 Li+ 몬모릴로나이트보다 수율이 높았으며, 이는 더 높은 염기성으로 설명될 수 있습니다. (아래 반응식 참조)

초음파 촉매 반응: 이미다졸의 아크릴산 에틸에 대한 Michael 첨가
(Mohapatra et al, 2018.의 반응식을 바탕으로 수정)

또 다른 초음파 보조 Michael 첨가 반응은 실리카 황산으로 촉진하는 인돌의 촉매 반응입니다. Li et al. (2006)은 실온에서 β-인돌릴케톤을 50–85%의 수율로 얻기 위해 초음파 처리 조건에서 실리카 황산과 α,β-불포화 케톤을 반응시켰습니다.

무용매 및 무촉매 aza-Michael 반응

aza-Michael 반응으로 알려진 아민의 공액 알켄에 대한 공액 첨가는 다양한 복잡한 천연물, 항생제, a-아미노 알코올 및 키랄 보조제 합성의 핵심 화학 단계입니다. 초음파 처리는 용매와 촉매가 없는 조건에서 이러한 aza-Michael 첨가 반응을 촉진할 수 있는 것으로 나타났습니다.

물에서 초음파로 유도하는 aza-Michael 반응을 여러 아민과 불포화 케톤, 불포화 니트릴 및 불포화 에스터를 사용하여 시험했습니다. 초음파화학적으로 촉진된 반응은 빠르고 간단한 절차로 높은 수율을 달성했습니다.
연구 및 표: © Bandyopadhyay et al., 2012

페로세닐에논과 지방족 아민의 간편한 Michael 첨가는 실온에서 용매와 촉매를 사용하지 않고 초음파화학적으로 촉진되는 반응으로 수행할 수 있습니다. 이 초음파화학적 Michael 첨가는 빠른 공정으로 1-페로세닐-3-아미노 카보닐 화합물을 높은 수율로 얻을 수 있게 하며, 이러한 공정은 찰콘, 카복실산 에스터 등 다른 α,β-불포화 카보닐 화합물의 aza-Michael 반응에도 효율적입니다. 이 초음파화학 반응은 매우 간단하고 취급하기 쉬울 뿐만 아니라, 녹색 화학의 특성인 신속성, 환경친화성 및 낮은 비용을 갖춘 공정이기도 합니다. (Yang et al., 2005)
Banik 연구진은 초음파 처리를 적용하여 여러 아민을 α,β-불포화 카보닐 화합물에 첨가하는 aza-Michael 첨가 반응을 위한 또 다른 간단하고 복잡하지 않으며 빠른 수성 매질 기반 무촉매 절차를 개발했습니다. 초음파화학적으로 유도되는 여러 아민의 α,β-불포화 케톤, 에스터 및 니트릴에 대한 첨가는 물에서뿐만 아니라 무용매 조건에서도 매우 효율적으로 수행되었습니다. 이 방법에서는 촉매나 고체 지지체를 사용하지 않았습니다. 물에서 초음파로 유도하는 방법을 적용했을 때 반응 속도가 현저하게 향상되는 것이 관찰되었습니다. 이 환경친화적인 절차는 선택성을 높이면서 생성물을 깨끗하게 형성했습니다. (Bandyopadhyay et al., 2012)

1 mL의 용매에서 피페리딘(1 mL)과 아크릴산 메틸(1 mL)의 aza-Michael 반응에 용매와 초음파화학적 처리가 미치는 영향.
연구 및 표: © Bandyopadhyay et al., 2012

초음파화학 반응용 초음파 프로브 및 반응기

Hielscher 초음파 처리기의 정교한 하드웨어와 스마트 소프트웨어는 유기 합성 및 촉매 반응을 재현 가능한 결과와 사용자 친화적인 방식으로 수행하는 등 신뢰할 수 있는 초음파화학적 처리를 보장하도록 설계되었습니다.
Hielscher Ultrasonics 시스템은 Michael 첨가, Mannich 반응, Diels-Alder 반응 및 기타 여러 커플링 반응과 같은 유기 합성 반응을 포함한 초음파화학 공정에 전 세계적으로 사용됩니다. 고품질 화학 제품을 높은 수율로 합성하는 데 신뢰성이 입증된 Hielscher 초음파 처리기는 실험실 환경뿐만 아니라 산업 생산에도 사용됩니다. 견고하고 유지보수 요구가 적기 때문에 당사의 초음파 처리기는 고강도 작업과 까다로운 환경에 흔히 설치됩니다.
초음파화학적 합성, 촉매 반응, 결정화 및 기타 반응을 위한 Hielscher 초음파 처리 장치는 이미 전 세계에 상업 규모로 설치되어 있습니다. 지금 문의하여 귀사의 초음파화학 제조 공정에 대해 상담하십시오! 경험이 풍부한 당사 직원이 초음파화학 합성 경로, 초음파 시스템 및 가격에 관한 자세한 정보를 기꺼이 안내해 드립니다!

아래 표에서 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 확인할 수 있습니다:

문헌 / 참고문헌

• 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.