Ultrasonisch bevorderde Michael additie reactie

Asymmetrische Michael reacties zijn een type organokatalytische reacties die veel baat kunnen hebben bij sonicatie. De Michael-reactie of Michael-additie wordt veel gebruikt voor chemische syntheses, waarbij koolstof-koolstofverbindingen worden gevormd onder milde omstandigheden. Ultrasoon geluid en de sonochemische effecten ervan zijn zeer effectief in het aansturen en bevorderen van Michael reacties die resulteren in hogere opbrengsten, aanzienlijk kortere reactietijden en tegelijkertijd bijdragen aan milieuvriendelijke groene chemie.

Sonochemie en de Michael toevoeging

Sonochemie staat bekend om zijn gunstige effecten op chemische reacties – vaak resulterend in hogere opbrengsten, versnelde reactiesnelheid, mildere, milieuvriendelijke omstandigheden en een veilige en eenvoudige bediening. Dit betekent dat sonochemie een efficiënte en onschadelijke methode is om synthetische en katalytische chemische reacties te activeren, bevorderen en sturen. Het mechanisme van ultrasone verwerking en sonochemie is gebaseerd op het fenomeen van akoestische cavitatie, dat unieke omstandigheden van zeer hoge druk en temperaturen opwekt door het gewelddadig uiteenvallen van bellen in een vloeibaar medium. De effecten van ultrasone of akoestische cavitatie zetten reacties in gang door de introductie van hoge energie, verbeteren de massaoverdracht en vergemakkelijken zo chemische transformaties.
De Michael reactie of Michael additie is de nucleofiele additie van een carbanion of een ander nucleofiel aan een α,β-onverzadigde carbonylverbinding die een elektron-onttrekkende groep bevat. De Michael-reactie wordt gegroepeerd in de grotere klasse van conjugaataddities. De Michael additie wordt gewaardeerd als een van de meest bruikbare methoden voor de milde vorming van koolstof-koolstofverbindingen en wordt veel gebruikt voor de organische synthese van allerlei stoffen. Er bestaan veel asymmetrische varianten van de Michael additie, die een soort organokatalytische reacties zijn.

Sonokatalyse en basische klei gekatalyseerde Michael toevoeging van imidazool

Martin-Aranda et al. (2002) maakten gebruik van ultrasone trillingen en de sonochemische effecten daarvan om een nieuwe syntheseroute te ontwikkelen voor N-gesubstitueerde imidazolderivaten 21 door de Michael-additie van imidazool aan ethylacrylaat, gekatalyseerd door basische klei, namelijk Li+ en Cs+ montmorillonieten. Met behulp van ultrasone activering werd imidazool gecondenseerd met ethylacrylaat met behulp van de twee basische kleisoorten – Li+ en Cs+ montmorillonieten. Alkalische klei zoals Li+ en Cs+ montmorillonieten zijn actieve en zeer selectieve katalysatoren onder sonicatie en hebben daardoor positieve effecten op de Michael-additie van imidazool aan ethylacrylaat. Sonochemisch gestimuleerde katalyse bevordert en verbetert de vorming van N-gesubstitueerde imidazolderivaten in vergelijking met andere conventionele thermische verwarmingsreacties. De omzetting neemt toe met de basiciteit van de klei en de tijd tot de ultrasoonbehandeling. De opbrengst was hoger bij gebruik van Cs+ montmorillonieten in vergelijking met Li+, wat verklaard zou kunnen worden door de hogere basiciteit. (Zie reactieschema hieronder)

Sonokatalytische reactie: Michael additie van imidazool aan ethylacrylaat
(schema aangepast van Mohapatra et al, 2018.)

Een andere door ultrasone trillingen ondersteunde Michael additie is de door siliciumzwavelzuur bevorderde katalyse van indool. Li et al. (2006) reageerden met silicazwavelzuur en α,β-onverzadigde ketonen onder ultrasone trillingen om de opbrengst van β-indolylketonen te verkrijgen van 50-85% bij kamertemperatuur.

Oplosmiddelvrije en katalysatorvrije Aza-Michael reacties

De geconjugeerde additie van amines aan geconjugeerde alkenen – bekend als aza-Michael reactie – is een chemische sleutelstap voor de synthese van verschillende complexe natuurlijke producten, antibiotica, a-amino alcoholen en chirale hulpstoffen. Ultrasoon bleek in staat om een dergelijke aza-Michael-additie reactie te bevorderen in een oplosmiddelvrije en katalysatorvrije omgeving.

De ultrasoon geïnduceerde aza-Michaëlreactie in water is getest met verschillende amines en onverzadigde ketonen, onverzadigde nitrillen en onverzadigde esters. De sonochemisch gestimuleerde reactie gaf hoge opbrengsten in een snelle en eenvoudige procedure.
studie en tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Een eenvoudige Michael-additie van ferrocenylenonen met alifatische amines kan worden uitgevoerd in een sonochemisch gestimuleerde reactie zonder gebruik van oplosmiddelen en katalysatoren bij kamertemperatuur. Deze sonochemische Michael additie kan 1-ferrocenyl-3-amino carbonylverbindingen opleveren in een snel proces met een hoge opbrengst, wat ook efficiënt is in de aza-Michael reactie van andere α,β-onverzadigde carbonylverbindingen zoals chalcon, carboxyl ester enz. Deze sonochemische reactie is niet alleen heel eenvoudig en gemakkelijk te hanteren, het is ook een snel, milieuvriendelijk en goedkoop proces, wat attributen zijn van groene chemie. (Yang et al., 2005)
De onderzoeksgroep van Banik ontwikkelde een ander eenvoudig, ongecompliceerd, snel, waterig-gemedieerd katalysatorvrij protocol voor de aza-Michael-additie reactie van verschillende amines aan α,β-onverzadigde carbonylverbindingen met behulp van ultrasone trillingen. De sonochemisch geïnduceerde additie van verschillende amines aan α,β-onverzadigde ketonen, esters en nitrillen is zeer efficiënt uitgevoerd in water en onder oplosmiddelvrije omstandigheden. Bij deze methode zijn geen katalysatoren of vaste dragers gebruikt. Er is een opmerkelijke verhoging van de reactiesnelheid waargenomen in water onder ultrasoon geïnduceerde methode. Deze milieuvriendelijke procedure heeft gezorgd voor schone vorming van de producten met verbeterde selectiviteit. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Effecten van oplosmiddelen en sonochemische behandeling op de aza-Michaëlreactie van piperidine (1 mL) en methylacrylaat (1 mL) in 1 mL oplosmiddel.
studie en tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultrasone sondes en reactoren voor sonochemische reacties

De geavanceerde hardware en slimme software van Hielscher ultrasone machines zijn ontworpen om betrouwbare sonochemische processen te garanderen, bijvoorbeeld voor het uitvoeren van organische synthese- en katalysereacties met reproduceerbare resultaten en op gebruiksvriendelijke wijze.
Hielscher ultrasone systemen worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische processen, waaronder organische synthetische reacties zoals de Michael-additie, Mannich-reactie, Diels-Alder-reactie en vele andere koppelingsreacties. Hielscher ultrasone systemen hebben bewezen betrouwbaar te zijn voor de synthese van hoge opbrengsten van chemische producten van hoge kwaliteit en worden niet alleen gebruikt in laboratoria maar ook in de industriële productie. Dankzij hun robuustheid en lage onderhoudskosten worden onze ultrasone apparaten vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher ultrasone processors voor sonochemische syntheses, katalyses, kristallisatie en andere reacties zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw sonochemische productieproces te bespreken! Onze ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over het sonochemische synthesetraject, ultrasone systemen en prijzen!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Literatuur / Referenties