Ar ultraskaņu veicināta Mihaela pievienošanās reakcija

Asimetriskās Mihaela reakcijas ir organokatalītisku reakciju veids, kurās apstrāde ar ultraskaņu var sniegt būtiskus ieguvumus. Mihaela reakciju jeb Mihaela pievienošanos plaši izmanto ķīmiskajā sintēzē, kur oglekļa–oglekļa saites veidojas maigos apstākļos. Apstrāde ar ultraskaņu un tās sonoķīmiskā iedarbība ir ļoti efektīva Mihaela reakciju ierosināšanā un veicināšanā, nodrošinot lielākus iznākumus, ievērojami saīsinot reakcijas laiku un vienlaikus sekmējot videi draudzīgu zaļo ķīmiju.

Sonoķīmija un Mihaela pievienošanās

Sonoķīmija ir plaši pazīstama ar savu labvēlīgo ietekmi uz ķīmiskajām reakcijām – tā bieži nodrošina lielākus iznākumus, palielinātu reakcijas ātrumu, maigākus, videi draudzīgus apstākļus, kā arī drošu un vienkāršu darbību. Tas nozīmē, ka sonoķīmija ir efektīva un nekaitīga metode sintēzes un katalītisko ķīmisko reakciju aktivēšanai, veicināšanai un virzīšanai. Ultraskaņas apstrādes un sonoķīmijas mehānisma pamatā ir akustiskās kavitācijas parādība, kas burbuļu spēcīgās sabrukšanas rezultātā šķidrā vidē rada unikālus ļoti augsta spiediena un temperatūras apstākļus. Ultraskaņas jeb akustiskās kavitācijas iedarbība ierosina reakcijas, ievadot lielu enerģijas daudzumu, un uzlabo masas pārnesi, tādējādi atvieglojot ķīmiskās pārvērtības.
Mihaela reakcija jeb Mihaela pievienošanās ir karbanjona vai cita nukleofila nukleofīla pievienošanās α,β-nepiesātinātam karbonilsavienojumam, kas satur elektronus atvelkošu grupu. Mihaela reakcija ietilpst plašākā konjugētās pievienošanās reakciju klasē. Mihaela pievienošanos, ko uzskata par vienu no visnoderīgākajām metodēm oglekļa–oglekļa saišu veidošanai maigos apstākļos, plaši izmanto dažādu vielu organiskajā sintēzē. Pastāv daudzi asimetriski Mihaela pievienošanās varianti, kas ir organokatalītisku reakciju veids.

Sonokatalīze un bāzisku mālu katalizēta imidazola Mihaela pievienošanās

Martin-Aranda et al. (2002) izmantoja ultraskaņas apstrādes un tās sonoķīmiskās iedarbības priekšrocības, lai izstrādātu jaunu N-aizvietotu imidazola atvasinājumu 21 sintēzes ceļu, izmantojot imidazola Mihaela pievienošanos etilakrilātam, ko katalizē bāziski māli, proti, Li+ un Cs+ montmorilonīti. Izmantojot ultraskaņas aktivēšanu, imidazolu kondensēja ar etilakrilātu divu bāzisku mālu – Li+ un Cs+ montmorilonītu – klātbūtnē. Bāziski māli, piemēram, Li+ un Cs+ montmorilonīti, apstrādē ar ultraskaņu ir aktīvi un ļoti selektīvi katalizatori, tādējādi labvēlīgi ietekmējot imidazola Mihaela pievienošanos etilakrilātam. Sonoķīmiski veicināta katalīze sekmē un uzlabo N-aizvietotu imidazola atvasinājumu veidošanos salīdzinājumā ar citām tradicionālām reakcijām ar termisku karsēšanu. Konversijas pakāpe palielinās līdz ar mālu bāziskumu un ultraskaņas apstrādes ilgumu. Izmantojot Cs+ montmorilonītus, iznākums bija lielāks nekā ar Li+ montmorilonītiem, ko varētu izskaidrot ar augstāku bāziskumu. (Skatiet reakcijas shēmu zemāk)

Sonokatalītiska reakcija: imidazola Mihaela pievienošanās etilakrilātam
(shēma pielāgota pēc Mohapatra et al, 2018.)

Vēl viens ar ultraskaņu veicinātas Mihaela pievienošanās piemērs ir indola katalīze, ko veicina uz silīcija dioksīda imobilizēta sērskābe. Li et al. (2006) ultraskaņas iedarbībā veica uz silīcija dioksīda imobilizētas sērskābes un α,β-nepiesātinātu ketonu reakciju, lai istabas temperatūrā iegūtu β-indolilketonus ar 50–85% iznākumu.

Aza-Mihaela reakcijas bez šķīdinātājiem un katalizatoriem

Amīnu konjugētā pievienošanās konjugētiem alkēniem – pazīstama kā aza-Mihaela reakcija – ir svarīgs ķīmiskais posms dažādu sarežģītu dabas produktu, antibiotiku, a-aminospirtu un hirālu palīgre­aģentu sintēzē. Ir pierādīts, ka apstrāde ar ultraskaņu spēj veicināt šādu aza-Mihaela pievienošanās reakciju bez šķīdinātājiem un katalizatoriem.

Ultraskaņas ierosinātā aza-Mihaela reakcija ūdenī ir pārbaudīta ar vairākiem amīniem un nepiesātinātiem ketoniem, nepiesātinātu nitrilu un nepiesātinātu esteri. Sonoķīmiski veicinātā reakcija ātrā un vienkāršā procedūrā nodrošināja lielus iznākumus.
pētījums un tabula: © Bandyopadhyay et al., 2012

Vienkāršu ferrocenilenonu Mihaela pievienošanās reakciju ar alifātiskiem amīniem var veikt kā sonoķīmiski veicinātu reakciju istabas temperatūrā bez šķīdinātāju un katalizatoru izmantošanas. Šī sonoķīmiskā Mihaela pievienošanās ātrā procesā var nodrošināt 1-ferrocenil-3-amino karbonilsavienojumus ar lieliem iznākumiem; process ir efektīvs arī citu α,β-nepiesātinātu karbonilsavienojumu, piemēram, halkona, karbonskābes estera u. c., aza-Mihaela reakcijā. Šī sonoķīmiskā reakcija ir ne tikai ļoti vienkārša un viegli veicama, bet arī ātrs, videi draudzīgs un lēts process – īpašības, kas raksturīgas zaļajai ķīmijai. (Yang et al., 2005)
Banik pētnieku grupa izstrādāja vēl vienu vienkāršu, viegli īstenojamu un ātru protokolu vairāku amīnu aza-Mihaela pievienošanās reakcijai ar α,β-nepiesātinātiem karbonilsavienojumiem ūdens vidē bez katalizatora, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu. Vairāku amīnu sonoķīmiski ierosināta pievienošanās α,β-nepiesātinātiem ketoniem, esteriem un nitriliem ir veikta ļoti efektīvi gan ūdenī, gan bez šķīdinātājiem. Šajā metodē netika izmantoti ne katalizatori, ne cieti nesēji. Izmantojot ultraskaņas ierosinātu metodi ūdenī, tika novērots ievērojams reakcijas ātruma pieaugums. Šī videi nekaitīgā procedūra nodrošināja tīru produktu veidošanos ar paaugstinātu selektivitāti. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Šķīdinātāju un sonoķīmiskās apstrādes ietekme uz piperidīna (1 mL) un metilakrilāta (1 mL) aza-Mihaela reakciju 1 mL šķīdinātāja.
pētījums un tabula: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultraskaņas zondes un reaktori sonoķīmiskām reakcijām

Hielscher ultraskaņas ierīču izsmalcinātā aparatūra un viedā programmatūra ir izstrādāta, lai garantētu uzticamu sonoķīmisko apstrādi, piemēram, organiskās sintēzes un katalīzes reakciju veikšanu ar reproducējamiem rezultātiem un lietotājam ērtā veidā.
Hielscher Ultrasonics sistēmas visā pasaulē izmanto sonoķīmiskos procesos, tostarp organiskās sintēzes reakcijās, piemēram, Mihaela pievienošanās reakcijās, Manniha reakcijā, Dīlsa–Aldera reakcijā un daudzās citās savienošanas reakcijās. Hielscher ultraskaņas ierīces, kuru uzticamība augstas kvalitātes ķīmisko produktu sintēzē ar lieliem iznākumiem ir pierādīta, izmanto ne tikai laboratorijās, bet arī rūpnieciskajā ražošanā. Pateicoties to izturībai un nelielajām apkopes prasībām, mūsu ultraskaņas ierīces bieži uzstāda lielas slodzes lietojumiem un prasīgā vidē.
Hielscher ultraskaņas procesori sonoķīmiskai sintēzei, katalīzei, kristalizācijai un citām reakcijām jau ir uzstādīti komerciālā mērogā visā pasaulē. Sazinieties ar mums tagad, lai apspriestu savu sonoķīmiskās ražošanas procesu! Mūsu pieredzējušie darbinieki labprāt sniegs vairāk informācijas par sonoķīmiskās sintēzes ceļu, ultraskaņas sistēmām un cenām!

Tālāk sniegtā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:

Literatūra / Atsauces

• 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.