Asymetryczne reakcje Michaela są rodzajem reakcji organokatalitycznych, które mogą odnieść duże korzyści z sonikacji. Reakcja Michaela lub addycja Michaela jest szeroko stosowana w syntezach chemicznych, gdzie wiązania węgiel-węgiel są tworzone w łagodnych warunkach. Ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne są bardzo skuteczne w napędzaniu i promowaniu reakcji Michaela, co skutkuje wyższą wydajnością, znacznie skraca czas reakcji i 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 wyższą wydajnością, przyspieszoną szybkością reakcji, łagodniejszymi, przyjaznymi dla środowiska warunkami, jak również oszczędnością i prostotą obsługi. Oznacza to, że sonochemia jest skuteczną i nieszkodliwą metodą aktywacji, promocji i napędzania syntetycznych i katalitycznych reakcji chemicznych. Mechanizm przetwarzania ultradźwiękowego i sonochemii oparty jest na zjawisku kawitacji akustycznej, która wywołuje unikalne warunki bardzo wysokich ciśnień i temperatur poprzez gwałtowne zapadanie się pęcherzyków powietrza w ośrodku ciekłym. Efekty kawitacji ultradźwiękowej lub akustycznej inicjują reakcje poprzez wprowadzenie wysokiej energii, usprawniają przenoszenie masy, ułatwiając tym samym przemiany chemiczne.
Reakcja Michaela lub addycja Michaela jest nukleofilową addycją karbanionu lub innego nukleofila do α,β-nienasyconego związku karbonylowego, który zawiera grupę odbierającą elektrony. Reakcja Michaela jest zaliczana do większej klasy addycji sprzężonych. Uważana za jedną 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 typem reakcji organokatalitycznych.

Sonokataliza i katalizowana gliną podstawową addycja Michaela do imidazolu

Martin-Aranda i wsp. (2002) wykorzystali ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne w celu opracowania nowej drogi syntezy N-podstawionych pochodnych imidazolu 21 poprzez addycję Michaela imidazolu do akrylanu etylu katalizowaną przez glinki zasadowe, tj. montmorylonity Li+ i Cs+. Za pomocą aktywacji ultradźwiękowej przeprowadzono kondensację imidazolu z akrylanem etylu przy użyciu dwóch glinek zasadowych – Li+ i Cs+ montmorylonity. Glinki alkaliczne, takie jak montmorylonity Li+ i Cs+ są aktywnymi i bardzo selektywnymi katalizatorami pod wpływem sonikacji, wykazując tym samym pozytywny wpływ na reakcję addycji Michaela imidazolu do akrylanu etylu. Sonochemicznie promowana kataliza sprzyja 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 w przypadku zastosowania montmorylonitów Cs+ w porównaniu do Li+, co można wytłumaczyć wyższą zasadowością. (Patrz schemat reakcji poniżej)

Reakcja sonokatalityczna: Addycja Michaela imidazolu do akrylanu etylu
(schemat zaadaptowany z Mohapatra i in., 2018.)

Inną wspomaganą ultradźwiękami addycją Michaela jest kataliza indolu wspomagana kwasem krzemionkowo-siarkowym. Li i wsp. (2006) prowadzili reakcję kwasu krzemionkowo-siarkowego z α,β-nienasyconymi ketonami pod wpływem ultradźwięków w celu otrzymania β-indoliloketonów z wydajnością 50-85% w temperaturze pokojowej.

Bezrozpuszczalnikowe i bezkatalizacyjne reakcje Aza-Michaela

Sprzężona addycja amin do sprzężonych alkenów – znana jako reakcja aza-Michaela – jest kluczowym etapem w syntezie różnych złożonych produktów naturalnych, antybiotyków, a-aminoalkoholi i chiralnych środków pomocniczych. Wykazano, że ultradźwięki mogą promować takie reakcje addycji aza-Michaela w warunkach bezrozpuszczalnikowych i bez katalizatora.

Przeprowadzono badania nad reakcją aza-Michaela w wodzie z udziałem kilku amin, nienasyconych ketonów, nienasyconych nitryli i nienasyconych estrów. Reakcja wspomagana ultradźwiękami dała wysokie wydajności 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 pozwolić na 1-ferrocenylo-3-amino karbonylowe związki w szybkim procesie dając 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 również jest procesem szybkim, przyjaznym dla środowiska i niedrogim, co jest atrybutem zielonej chemii. (Yang et al., 2005)
Grupa badawcza Banika opracowała kolejny prosty, nieskomplikowany, szybki, wodny, bezkatalizatorowy protokół reakcji addycji aza-Michaela kilku amin do α,β-nienasyconych związków karbonylowych z zastosowaniem ultradźwięków. Indukowaną sonochemicznie addycję kilku amin do α,β-nienasyconych ketonów, estrów i nitryli przeprowadzono bardzo wydajnie w wodzie, jak również w warunkach bezrozpuszczalnikowych. W metodzie tej nie zastosowano żadnych katalizatorów ani stałych nośników. Zaobserwowano znaczny wzrost szybkości reakcji w wodzie pod wpływem ultradźwięków. Ta przyjazna dla środowiska procedura zapewniła czyste tworzenie produktów o zwiększonej selektywności. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Wpływ rozpuszczalników i obróbki sonochemicznej na przebieg reakcji aza-Michaela piperydyny (1 mL) z akrylanem 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 ultradźwiękowych urządzeń firmy Hielscher gwarantują niezawodną obróbkę sonochemiczną, np. przeprowadzanie reakcji syntezy organicznej i katalizy z powtarzalnymi wynikami i w sposób przyjazny dla użytkownika.
Systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher są stosowane na całym świecie w procesach sonochemicznych, w tym w reakcjach syntezy organicznej, takich jak addycja Michaela, reakcja Mannicha, reakcja Dielsa-Aldera i wiele innych reakcji sprzęgania. Ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher sprawdzają się nie tylko w laboratoriach, ale również w produkcji przemysłowej, zapewniając wysoką wydajność syntezy i wysoką jakość produktów chemicznych. Ze względu na swoją wytrzymałość i niskie koszty utrzymania, nasze ultradźwiękowe urządzenia są powszechnie instalowane do ciężkich zastosowań i w wymagających środowiskach.
Procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher do syntez sonochemicznych, kataliz, krystalizacji i innych reakcji są już zainstalowane na całym świecie w skali komercyjnej. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić Twój proces produkcji sonochemicznej! Nasi doświadczeni pracownicy chętnie podzielą się z Państwem informacjami na temat przebiegu syntezy sonochemicznej, systemów ultradźwiękowych i cen!

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Literatura / materiały źródłowe