Ultrasoon bevorderde Michael-additiereactie

Asymmetrische Michael-reacties zijn een type organokatalytische reactie dat sterk kan profiteren van sonicatie. De Michael-reactie of Michael-additie wordt veel gebruikt voor chemische syntheses, waarbij onder milde omstandigheden koolstof-koolstofbindingen worden gevormd. Ultrasone behandeling en de bijbehorende sonochemische effecten zijn zeer effectief bij het aandrijven en bevorderen van Michael-reacties, wat leidt tot hogere opbrengsten en een aanzienlijk kortere reactietijd en tegelijkertijd bijdraagt aan milieuvriendelijke groene chemie.

Sonochemie en de Michael-additie

Sonochemie staat bekend om haar gunstige effecten op chemische reacties – die vaak leiden tot hogere opbrengsten, een hogere 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, te bevorderen en aan te drijven. Het mechanisme van ultrasone verwerking en sonochemie berust op het verschijnsel akoestische cavitatie, dat door het hevig imploderen van bellen in een vloeibaar medium unieke omstandigheden met zeer hoge drukken en temperaturen veroorzaakt. De effecten van ultrasone of akoestische cavitatie initiëren reacties door de inbreng van hoge energie en verbeteren de massaoverdracht, waardoor chemische omzettingen worden vergemakkelijkt.
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 elektronenzuigende groep bevat. De Michael-reactie behoort tot de grotere klasse van geconjugeerde addities. De Michael-additie wordt gewaardeerd als een van de nuttigste methoden voor de vorming van koolstof-koolstofbindingen onder milde omstandigheden en wordt veel gebruikt voor de organische synthese van uiteenlopende stoffen. Er bestaan veel asymmetrische varianten van de Michael-additie, die een type organokatalytische reactie zijn.

Sonokatalyse en door basische klei gekatalyseerde Michael-additie van imidazool

Martin-Aranda et al. (2002) maakten gebruik van ultrasone behandeling en de bijbehorende sonochemische effecten om een nieuwe syntheseroute voor N-gesubstitueerde imidazoolderivaten 21 te ontwikkelen via de Michael-additie van imidazool aan ethylacrylaat, gekatalyseerd door basische kleien, namelijk Li+- en Cs+-montmorillonieten. Met ultrasone activering werd imidazool gecondenseerd met ethylacrylaat met behulp van de twee basische kleien – Li+- en Cs+-montmorillonieten. Basische kleien zoals Li+- en Cs+-montmorillonieten zijn actieve en zeer selectieve katalysatoren onder sonicatie en hebben daardoor gunstige effecten op de Michael-additie van imidazool aan ethylacrylaat. Sonochemisch bevorderde katalyse bevordert en verbetert de vorming van N-gesubstitueerde imidazoolderivaten ten opzichte van andere conventionele reacties met thermische verwarming. De omzetting neemt toe met de basiciteit van de kleien en de duur van de ultrasone behandeling. De opbrengst was hoger bij gebruik van Cs+-montmorillonieten dan bij gebruik van Li+-montmorillonieten, wat mogelijk kan worden verklaard door de hogere basiciteit. (Zie het reactieschema hieronder)

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

Een andere ultrasoon ondersteunde Michael-additie is de door zwavelzuur op silica bevorderde katalyse van indool. Li et al. (2006) lieten zwavelzuur op silica en α,β-onverzadigde ketonen onder ultrasone behandeling reageren om bij kamertemperatuur β-indolylketonen te verkrijgen met opbrengsten van 50–85%.

Aza-Michael-reacties zonder oplosmiddel en katalysator

De geconjugeerde additie van aminen aan geconjugeerde alkenen – bekend als de aza-Michael-reactie – is een belangrijke chemische stap voor de synthese van diverse complexe natuurproducten, antibiotica, a-aminoalcoholen en chirale hulpstoffen. Er is aangetoond dat ultrasone behandeling een dergelijke aza-Michael-additiereactie kan bevorderen onder omstandigheden zonder oplosmiddel en katalysator.

De door ultrageluid geïnduceerde aza-Michael-reactie in water is getest met verschillende aminen en onverzadigde ketonen, een onverzadigd nitril en een onverzadigde ester. De sonochemisch bevorderde reactie leverde hoge opbrengsten op via een snelle en eenvoudige procedure.
onderzoek en tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Een eenvoudige Michael-additie van ferrocenyl-enonen met alifatische aminen kan bij kamertemperatuur worden uitgevoerd in een sonochemisch bevorderde reactie zonder gebruik van oplosmiddelen en katalysatoren. Deze sonochemische Michael-additie kan 1-ferrocenyl-3-aminocarbonylverbindingen opleveren via een snel proces met hoge opbrengsten, dat ook efficiënt is bij de aza-Michael-reactie van andere α,β-onverzadigde carbonylverbindingen, zoals chalcon, carbonzuuresters enz. Deze sonochemische reactie is niet alleen zeer eenvoudig en gemakkelijk uit te voeren, maar is ook een snel, milieuvriendelijk en goedkoop proces, kenmerken die bij groene chemie horen. (Yang et al., 2005)
De onderzoeksgroep van Banik ontwikkelde een ander eenvoudig, rechttoe rechtaan, snel en katalysatorvrij protocol in water voor de aza-Michael-additiereactie van verschillende aminen aan α,β-onverzadigde carbonylverbindingen met behulp van ultrasone behandeling. De sonochemisch geïnduceerde additie van verschillende aminen aan α,β-onverzadigde ketonen, esters en nitrillen is zeer efficiënt uitgevoerd, zowel in water als onder oplosmiddelvrije omstandigheden. Bij deze methode werden geen katalysatoren of vaste dragers gebruikt. Bij de door ultrageluid geïnduceerde methode werd in water een opmerkelijke verhoging van de reactiesnelheid waargenomen. Deze milieuvriendelijke procedure zorgde voor een zuivere vorming van de producten met een verhoogde selectiviteit. (Bandyopadhyay et al., 2012)

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

Ultrasone sondes en reactoren voor sonochemische reacties

De geavanceerde hardware en slimme software van de sonicatoren van Hielscher zijn ontworpen om betrouwbare sonochemische verwerking te garanderen, bijvoorbeeld het op een gebruiksvriendelijke manier uitvoeren van organische synthese- en katalysereacties met reproduceerbare resultaten.
Systemen van Hielscher Ultrasonics worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische processen, waaronder organische synthesereacties zoals Michael-addities, de Mannich-reactie, de Diels-Alder-reactie en vele andere koppelingsreacties. De sonicatoren van Hielscher hebben bewezen betrouwbaar te zijn voor de synthese van hoogwaardige chemische producten met hoge opbrengsten en worden niet alleen in laboratoria gebruikt, maar ook in de industriële productie. Dankzij hun robuustheid en geringe onderhoudsbehoefte worden onze sonicatoren vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Ultrasone processoren van Hielscher voor sonochemische syntheses, katalyse, kristallisatie en andere reacties zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw sonochemische productieproces te bespreken! Onze zeer ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over de sonochemische syntheseroute, ultrasone systemen en prijzen!

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:

Literatuur / Referenties

• 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.