Ultradźwiękowo promowana reakcja addycji Michaela

Asymetryczne reakcje Michaela są rodzajem reakcji organokatalitycznych, które mogą w dużym stopniu korzystać z sonikacji. Reakcja Michaela lub addycja Michaela jest szeroko stosowana w syntezach chemicznych, w których wiązania węgiel-węgiel powstają w łagodnych warunkach. Ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne są bardzo skuteczne w napędzaniu i promowaniu reakcji Michaela, co skutkuje wyższą wydajnością, znacznie skróconym czasem reakcji, a jednocześnie przyczynia się do przyjaznej dla środowiska zielonej chemii.

Sonochemia i addycja Michaela

Sonochemia jest dobrze znana ze swojego korzystnego wpływu na reakcje chemiczne – Często skutkuje to wyższą wydajnością, przyspieszoną szybkością reakcji, łagodniejszymi, przyjaznymi dla środowiska warunkami, a także oszczędnością i prostą obsługą. Oznacza to, że sonochemia jest skuteczną i nieszkodliwą metodą aktywacji, promowania i napędzania syntetycznych i katalitycznych reakcji chemicznych. Mechanizm obróbki ultradźwiękowej i sonochemii opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej, która wywołuje unikalne warunki bardzo wysokich ciśnień i temperatur poprzez gwałtowne zapadanie się pęcherzyków w ciekłym ośrodku. Efekty kawitacji ultradźwiękowej lub akustycznej inicjują reakcje poprzez wprowadzenie wysokiej energii, poprawiają przenoszenie masy, ułatwiając w ten sposób przemiany chemiczne.
Reakcja Michaela lub addycja Michaela to nukleofilowa addycja karbanionu lub innego nukleofila do α,β-nienasyconego związku karbonylowego, który zawiera grupę odbierającą elektrony. Reakcja Michaela należy do większej klasy addycji sprzężonych. Ceniona jako jedna z najbardziej użytecznych metod łagodnego tworzenia wiązań węgiel-węgiel, addycja Michaela jest szeroko stosowana w syntezie organicznej różnorodnych substancji. Istnieje wiele asymetrycznych wariantów addycji Michaela, które są rodzajem reakcji organokatalitycznych.

Sonokataliza i katalizowana podstawową glinką addycja Michaela imidazolu

Martin-Aranda i wsp. (2002) wykorzystali ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne w celu opracowania nowej drogi syntezy N-podstawionych pochodnych imidazolu 21 przez addycję Michaela imidazolu do etyloakrylanu katalizowanego przez podstawowe glinki, a mianowicie montmorylonity Li+ i Cs+. Stosując aktywację ultradźwiękową, imidazol został skondensowany z akrylanem etylu przy użyciu dwóch podstawowych glinek – Montmorylonity Li+ i Cs+. Glinki alkaliczne, takie jak montmorylonity Li+ i Cs+, są aktywnymi i bardzo selektywnymi katalizatorami pod wpływem sonikacji, wykazując tym samym pozytywny wpływ na addycję Michaela imidazolu do akrylanu etylu. Sonochemicznie promowana kataliza promuje i poprawia tworzenie N-podstawionych pochodnych imidazolu w porównaniu z innymi konwencjonalnymi reakcjami ogrzewania termicznego. Konwersja wzrasta wraz z zasadowością glinek i czasem do ultradźwięków. Wydajność była wyższa, gdy zastosowano montmorylonity Cs + w porównaniu z Li +, co można wyjaśnić wyższą zasadowością. (Patrz schemat reakcji poniżej)

Reakcja sonokatalityczna: Addycja Michaela imidazolu do akrylanu etylu
(schemat dostosowany na podstawie Mohapatra i in., 2018).

Inną wspomaganą ultradźwiękami addycją Michaela jest kataliza indolu promowana kwasem siarkowym krzemionki. Li i wsp. (2006) poddali reakcji kwas siarkowy krzemionki i α,β-nienasycone ketony pod wpływem ultradźwięków w celu uzyskania β-indoliloketonów z wydajnością 50-85% w temperaturze pokojowej.

Reakcje Aza-Michaela bez rozpuszczalników i katalizatorów

Sprzężona addycja amin do sprzężonych alkenów – znana jako reakcja aza-Michaela – jest chemicznym kluczowym etapem syntezy różnych złożonych produktów naturalnych, antybiotyków, a-aminoalkoholi i chiralnych środków pomocniczych. Ultrasonizacja okazała się zdolna do promowania takiej reakcji addycji aza-Michaela w warunkach bezrozpuszczalnikowych i bez katalizatora.

Wywołana ultradźwiękami reakcja aza-Michaela w wodzie została przetestowana z kilkoma aminami i nienasyconymi ketonami, nienasyconym nitrylem i nienasyconym estrem. Reakcja promowana sonochemicznie dała wysoką wydajność w szybkiej i prostej procedurze.
opracowanie i tabela: © Bandyopadhyay et al., 2012

Łatwa addycja Michaela ferrocenylenonów z aminami alifatycznymi może być prowadzona w reakcji promowanej sonochemicznie bez użycia rozpuszczalników i katalizatorów w temperaturze pokojowej. Ta sonochemiczna addycja Michaela może zapewnić 1-ferrocenylo-3-aminokarbonylowe związki w szybkim procesie dającym wysokie wydajności, co jest również skuteczne w reakcji aza-Michaela innych α,β-nienasyconych związków karbonylowych, takich jak chalkon, ester karboksylowy itp. Ta reakcja sonochemiczna jest nie tylko bardzo prosta i łatwa w obsłudze, ale jest także szybkim, przyjaznym dla środowiska i niedrogim procesem, które są atrybutami zielonej chemii. (Yang et al., 2005)
Grupa badawcza Banik opracowała kolejny prosty, nieskomplikowany, szybki, bezkatalityczny protokół reakcji addycji aza-Michaela kilku amin do α,β-nienasyconych związków karbonylowych z zastosowaniem ultradźwięków. Wywołana sonochemicznie addycja kilku amin do α,β-nienasyconych ketonów, estrów i nitryli została przeprowadzona bardzo skutecznie w wodzie, jak również w warunkach bezrozpuszczalnikowych. W metodzie tej nie zastosowano żadnych katalizatorów ani stałych nośników. Znaczne zwiększenie szybkości reakcji zaobserwowano w wodzie w metodzie indukowanej ultradźwiękami. Ta przyjazna dla środowiska procedura zapewniła czyste tworzenie produktów o zwiększonej selektywności. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Wpływ rozpuszczalników i obróbki sonochemicznej na reakcję aza-Michaela piperydyny (1 ml) i akrylanu metylu (1 ml) w 1 ml rozpuszczalnika.
opracowanie i tabela: © Bandyopadhyay et al., 2012

Sondy ultradźwiękowe i reaktory do reakcji sonochemicznych

Zaawansowany sprzęt i inteligentne oprogramowanie ultrasonografów Hielscher zostały zaprojektowane w celu zagwarantowania niezawodnego przetwarzania sonochemicznego, np. przeprowadzania syntezy organicznej i reakcji katalizy z powtarzalnymi wynikami i w sposób przyjazny dla użytkownika.
Systemy Hielscher Ultrasonics są stosowane na całym świecie w procesach sonochemicznych, w tym w organicznych reakcjach syntetycznych, takich jak addycja Michaela, reakcja Mannicha, reakcja Dielsa-Aldera i wiele innych reakcji sprzęgania. Udowodniono, że są niezawodne w syntezie wysokiej wydajności wysokiej jakości produktów chemicznych, ultrasonografy Hielscher są stosowane nie tylko w warunkach laboratoryjnych, ale także w produkcji przemysłowej. Ze względu na ich solidność i niskie koszty utrzymania, nasze ultradźwięki są powszechnie instalowane do ciężkich zastosowań i w wymagających środowiskach.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher do syntez sonochemicznych, kataliz, krystalizacji i innych reakcji są już instalowane na całym świecie na skalę komercyjną. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić swój sonochemiczny proces produkcyjny! Nasz doświadczony personel chętnie podzieli się dodatkowymi informacjami na temat ścieżki syntezy sonochemicznej, systemów ultradźwiękowych i cen!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Literatura / Referencje