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-koolstofbindingen worden gevormd onder milde omstandigheden. Ultrasoonbehandeling en de sonochemische effecten daarvan zijn zeer efficiënt bij het aanjagen en bevorderen van Michael-reacties, wat leidt tot hogere opbrengsten, een aanzienlijk kortere reactietijd en tegelijkertijd bijdraagt tot milieuvriendelijke groene chemie.

Sonochemie en de Michael Toevoeging

Sonochemie is bekend om zijn gunstige effecten op chemische reacties – vaak resulterend in hogere opbrengsten, versnelde reactiesnelheid, mildere, milieuvriendelijke omstandigheden, alsmede een veilige en eenvoudige bediening. Dit betekent dat sonochemie een efficiënte en onschadelijke methode is om synthetische en katalytische chemische reacties te activeren, te bevorderen en te sturen. Het mechanisme van ultrasone verwerking en sonochemie is gebaseerd op het verschijnsel van akoestische cavitatie, waarbij unieke omstandigheden van zeer hoge druk en temperatuur worden opgewekt door het gewelddadig ineenstorten 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 daardoor chemische omzettingen.
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 elektrononttrekkende groep bevat. De Michael-reactie wordt gegroepeerd in de grotere klasse van geconjugeerde addities. De Michael-additie, die als een van de nuttigste methoden voor de milde vorming van koolstof-koolstofbindingen wordt beschouwd, wordt op grote schaal gebruikt voor de organische synthese van een groot aantal stoffen. Er bestaan veel asymmetrische varianten van de Michael-additie, die een soort organokatalytische reacties zijn.

Sonokatalyse en basische klei gekatalyseerde Michael-additie van imidazool

Martin-Aranda et al. (2002) maakten gebruik van ultrasoonbehandeling en de sonochemische effecten daarvan om een nieuwe syntheseroute te ontwikkelen van N-gesubstitueerde imidazoolderivaten 21 door de Michael-additie van imidazool aan ethylacrylaat, gekatalyseerd door basische klei, namelijk Li+ en Cs+ montmorilloniet. Met 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 vertonen daarbij positieve effecten op de Michael-additie van imidazool aan ethylacrylaat. Sonochemisch gestimuleerde katalyse bevordert en verbetert de vorming van N-gesubstitueerde imidazoolderivaten in vergelijking met andere conventionele thermische verhittingsreacties. De omzetting neemt toe met de basiteit van de klei en de tijd tot de ultrasoonbehandeling. De opbrengst was hoger wanneer Cs+ montmorillonieten werden gebruikt 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 ultrageluid ondersteunde Michael-additie is de door silica zwavelzuur bevorderde katalyse van indool. Li et al. (2006) reageerden met silica zwavelzuur en α,β-onverzadigde ketonen onder ultrasoonbehandeling om de opbrengst aan β-indolylketonen te verkrijgen van 50-85% bij kamertemperatuur.

Oplosmiddelvrije en katalystervrije Aza-Michaëlreacties

De geconjugeerde additie van aminen aan geconjugeerde alkenen – bekend als aza-Michaël reactie – is een chemische sleutelstap voor de synthese van diverse complexe natuurlijke producten, antibiotica, a-aminoalcoholen en chirale hulpstoffen. Ultrasoonbehandeling is in staat gebleken deze aza-Michael-additie-reactie te bevorderen in een oplosmiddelvrije en katalysatorvrije omgeving.

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

Een gemakkelijke Michael-additie van ferrocenylenonen met alifatische amines kan worden uitgevoerd in een sonochemisch gestimuleerde reactie zonder het gebruik van oplosmiddelen en katalysatoren bij kamertemperatuur. Deze sonochemische Michael-additie kan zich 1-ferrocenyl-3-amino carbonylverbindingen veroorloven in een snel proces met hoge opbrengsten, dat ook efficiënt is in de aza-Michaelreactie van andere α,β-onverzadigde carbonylverbindingen zoals chalcone, carboxylic ester enz. Deze sonochemische reactie is niet alleen zeer eenvoudig en gemakkelijk te hanteren, het is ook een snel, milieuvriendelijk en goedkoop proces, wat eigenschappen zijn van groene chemie. (Yang et al., 2005)
De onderzoeksgroep van Banik heeft een ander eenvoudig, ongecompliceerd, snel, waterig-gemedieerd katalysator-vrij protocol ontwikkeld voor de aza-Michael additie reactie van verschillende amines aan α,β-onverzadigde carbonyl verbindingen met toepassing van ultrasoonbehandeling. De sonochemisch geïnduceerde additie van verschillende amines aan α,β-onverzadigde ketonen, esters en nitrillen is zeer efficiënt uitgevoerd, zowel in water als onder oplosmiddelvrije omstandigheden. Bij deze methode zijn geen katalysatoren of vaste dragers gebruikt. Een opmerkelijke verhoging van de reactiesnelheid is waargenomen in water onder ultrasoon geïnduceerde methode. Deze milieuvriendelijke procedure heeft gezorgd voor een 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 ultrasoonapparaten zijn ontworpen om betrouwbare sonochemische verwerking te garanderen, bijv. het uitvoeren van organische synthese- en katalysereacties met reproduceerbare resultaten en op gebruiksvriendelijke wijze.
Hielscher ultrasoon 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 ultrasoonapparaten zijn betrouwbaar gebleken voor de synthese van hoge opbrengsten van chemische producten van hoge kwaliteit en worden niet alleen in laboratoriumomgevingen gebruikt, maar ook in de industriële productie. Vanwege hun robuustheid en geringe onderhoud worden onze ultrasoonapparaten vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher ultrasoonprocessoren 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, de ultrasone systemen en de prijzen!

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

Literatuur / Referenties