Reakcja addycji Michaela wspomagana ultradźwiękami

Asymetryczne reakcje Michaela są rodzajem reakcji organokatalitycznych, które mogą w znacznym stopniu korzystać z sonikacji. Reakcja Michaela, czyli addycja Michaela, jest szeroko stosowana w syntezach chemicznych, w których wiązania węgiel–węgiel powstają w łagodnych warunkach. Sonikacja i jej efekty sonochemiczne są wysoce skuteczne w wywoływaniu i wspomaganiu reakcji Michaela, prowadząc do wyższych wydajności, znacznego skrócenia czasu reakcji, a jednocześnie przyczyniając się do rozwoju przyjaznej dla środowiska zielonej chemii.

Sonochemia i addycja Michaela

Sonochemia jest dobrze znana ze swojego korzystnego wpływu na reakcje chemiczne – często prowadzi do wyższych wydajności, zwiększenia szybkości reakcji, łagodniejszych i przyjaznych dla środowiska warunków, a także bezpiecznej i prostej obsługi. Oznacza to, że sonochemia jest skuteczną i nieszkodliwą metodą aktywowania, wspomagania i wywoływania reakcji syntezy oraz katalitycznych reakcji chemicznych. Mechanizm obróbki ultradźwiękowej i sonochemii opiera się na zjawisku kawitacji akustycznej, które w wyniku gwałtownego zapadania się pęcherzyków w ciekłym ośrodku wytwarza wyjątkowe warunki bardzo wysokich ciśnień i temperatur. Efekty kawitacji ultradźwiękowej, czyli akustycznej, inicjują reakcje poprzez dostarczanie dużych ilości energii i poprawiają transport masy, ułatwiając tym samym przemiany chemiczne.
Reakcja Michaela, czyli addycja Michaela, jest nukleofilową addycją karboanionu lub innego nukleofila do α,β-nienasyconego związku karbonylowego zawierającego grupę elektronoakceptorową. Reakcja Michaela należy do szerszej klasy addycji sprzężonych. Ceniona jako jedna z najbardziej użytecznych metod tworzenia wiązań węgiel–węgiel w łagodnych warunkach, addycja Michaela jest szeroko stosowana w syntezie organicznej różnorodnych substancji. Istnieje wiele asymetrycznych wariantów addycji Michaela, które są rodzajem reakcji organokatalitycznych.

Sonokataliza i addycja Michaela z udziałem imidazolu katalizowana przez zasadowe minerały ilaste

Martin-Aranda i współautorzy (2002) wykorzystali sonikację i jej efekty sonochemiczne do opracowania nowej drogi syntezy N-podstawionych pochodnych imidazolu 21 poprzez addycję Michaela imidazolu do akrylanu etylu, katalizowaną przez zasadowe minerały ilaste, a mianowicie montmorylonity Li+ i Cs+. Stosując aktywację ultradźwiękową, przeprowadzono kondensację imidazolu z akrylanem etylu przy użyciu dwóch zasadowych minerałów ilastych – montmorylonitów Li+ i Cs+. Zasadowe minerały ilaste, takie jak montmorylonity Li+ i Cs+, są aktywnymi i bardzo selektywnymi katalizatorami podczas sonikacji, wykazując tym samym korzystny wpływ na addycję Michaela imidazolu do akrylanu etylu. Kataliza wspomagana sonochemicznie sprzyja tworzeniu N-podstawionych pochodnych imidazolu i poprawia ten proces w porównaniu z innymi konwencjonalnymi reakcjami prowadzonymi przy ogrzewaniu. Stopień konwersji wzrasta wraz z zasadowością minerałów ilastych i czasem sonikacji. Wydajność była wyższa przy zastosowaniu montmorylonitów Cs+ niż Li+, co można by wyjaśnić ich większą zasadowością. (Patrz schemat reakcji poniżej)

Reakcja sonokatalityczna: addycja Michaela imidazolu do akrylanu etylu
(schemat na podstawie Mohapatra i współautorów, 2018.)

Innym przykładem addycji Michaela wspomaganej ultradźwiękami jest kataliza reakcji indolu wspomagana kwasem siarkowym na krzemionce. Li i współautorzy (2006) przeprowadzili reakcję kwasu siarkowego na krzemionce z α,β-nienasyconymi ketonami podczas sonikacji, aby otrzymać β-indoliloketony z wydajnością 50–85% w temperaturze pokojowej.

Reakcje aza-Michaela bez rozpuszczalników i katalizatorów

Addycja sprzężona amin do sprzężonych alkenów – znana jako reakcja aza-Michaela – jest kluczowym etapem chemicznym w syntezie różnych złożonych produktów naturalnych, antybiotyków, a-aminoalkoholi i chiralnych substancji pomocniczych. Wykazano, że sonikacja może wspomagać taką reakcję addycji aza-Michaela w warunkach bez rozpuszczalników i katalizatorów.

Wywołaną ultradźwiękami reakcję aza-Michaela w wodzie przetestowano z kilkoma aminami oraz nienasyconymi ketonami, nienasyconym nitrylem i nienasyconym estrem. Reakcja wspomagana sonochemicznie zapewniła wysokie wydajności przy zastosowaniu szybkiej i prostej procedury.
badanie i tabela: © Bandyopadhyay i współautorzy, 2012

Prostą addycję Michaela enonów ferrocenylowych z aminami alifatycznymi można przeprowadzić w reakcji wspomaganej sonochemicznie bez użycia rozpuszczalników i katalizatorów, w temperaturze pokojowej. Ta sonochemiczna addycja Michaela pozwala otrzymać związki 1-ferrocenylo-3-aminokarbonylowe w szybkim procesie zapewniającym wysokie wydajności, który jest również skuteczny w reakcji aza-Michaela innych α,β-nienasyconych związków karbonylowych, takich jak chalkon, ester kwasu karboksylowego itp. Ta reakcja sonochemiczna jest nie tylko bardzo prosta i łatwa do przeprowadzenia, lecz także stanowi szybki, przyjazny dla środowiska i niedrogi proces, co odpowiada cechom zielonej chemii. (Yang i współautorzy, 2005)
Grupa badawcza Banika opracowała inną prostą, nieskomplikowaną i szybką procedurę prowadzoną w środowisku wodnym bez katalizatora, dotyczącą reakcji addycji aza-Michaela kilku amin do α,β-nienasyconych związków karbonylowych z zastosowaniem sonikacji. Wywołaną sonochemicznie addycję kilku amin do α,β-nienasyconych ketonów, estrów i nitryli przeprowadzono bardzo wydajnie zarówno w wodzie, jak i w warunkach bez rozpuszczalników. W tej metodzie nie stosowano katalizatorów ani stałych nośników. Przy zastosowaniu metody wywoływania reakcji ultradźwiękami zaobserwowano znaczny wzrost szybkości reakcji w wodzie. Ta przyjazna dla środowiska procedura zapewniła czyste tworzenie produktów o zwiększonej selektywności. (Bandyopadhyay i współautorzy, 2012)

Wpływ rozpuszczalników i obróbki sonochemicznej na reakcję aza-Michaela piperydyny (1 mL) i akrylanu metylu (1 mL) w 1 mL rozpuszczalnika.
badanie i tabela: © Bandyopadhyay i współautorzy, 2012

Sonotrody i reaktory do reakcji sonochemicznych

Zaawansowany sprzęt i inteligentne oprogramowanie sonikatorów Hielscher zostały zaprojektowane tak, aby zagwarantować niezawodną obróbkę sonochemiczną, np. prowadzenie syntezy organicznej i reakcji katalitycznych z powtarzalnymi wynikami oraz w sposób przyjazny dla użytkownika.
Systemy Hielscher Ultrasonics są stosowane na całym świecie w procesach sonochemicznych, w tym w reakcjach syntezy organicznej, takich jak addycje Michaela, reakcja Mannicha, reakcja Dielsa–Aldera i wiele innych reakcji sprzęgania. Sonikatory Hielscher, których niezawodność potwierdzono w syntezie wysokiej jakości produktów chemicznych z wysokimi wydajnościami, są stosowane nie tylko w laboratoriach, lecz także w produkcji przemysłowej. Ze względu na ich wytrzymałość i niewielkie wymagania konserwacyjne nasze sonikatory są powszechnie instalowane w zastosowaniach wymagających intensywnej pracy i w wymagających środowiskach.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher do syntez sonochemicznych, katalizy, krystalizacji i innych reakcji są już zainstalowane na całym świecie w skali komercyjnej. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić swój sonochemiczny proces produkcyjny! Nasz doświadczony personel chętnie udzieli dodatkowych informacji na temat sonochemicznej ścieżki syntezy, systemów ultradźwiękowych i cen!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Literatura / Źródła

• 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.