Reação de adição de Michael promovida por ultrassons

As reações de Michael assimétricas são um tipo de reações organocatalíticas que podem beneficiar muito da sonicação. A reação de Michael ou adição de Michael é amplamente utilizada em sínteses químicas, nas quais se formam ligações carbono-carbono em condições suaves. A aplicação de ultrassons e os seus efeitos sonoquímicos são altamente eficazes na condução e promoção das reações de Michael, resultando em rendimentos mais elevados, tempos de reação significativamente reduzidos e contribuindo simultaneamente para uma química verde respeitadora do ambiente.

Sonoquímica e adição de Michael

A sonoquímica é bem reconhecida pelos seus efeitos benéficos nas reações químicas – resultando frequentemente em rendimentos mais elevados, maior velocidade de reação, condições mais suaves e respeitadoras do ambiente, bem como numa operação segura e simples. Isto significa que a sonoquímica é um método eficiente e inócuo para ativar, promover e conduzir reações químicas de síntese e de catálise. O mecanismo do processamento ultrassónico e da sonoquímica baseia-se no fenómeno da cavitação acústica, que induz condições únicas de pressões e temperaturas muito elevadas através do colapso violento de bolhas num meio líquido. Os efeitos da cavitação ultrassónica ou acústica iniciam reações através da introdução de energia elevada e melhoram a transferência de massa, facilitando assim as transformações químicas.
A reação de Michael ou adição de Michael é a adição nucleofílica de um carbanião ou de outro nucleófilo a um composto carbonílico α,β-insaturado que contém um grupo eletroatrator. A reação de Michael integra a classe mais ampla das adições conjugadas. Considerada um dos métodos mais úteis para a formação de ligações carbono–carbono em condições suaves, a adição de Michael é amplamente utilizada na síntese orgânica de diversas substâncias. Existem muitas variantes assimétricas da adição de Michael, que são um tipo de reações organocatalíticas.

Sonocatálise e adição de Michael do imidazol catalisada por argilas básicas

Martin-Aranda et al. (2002) aproveitaram a aplicação de ultrassons e os seus efeitos sonoquímicos para desenvolver uma nova via de síntese de derivados N-substituídos do imidazol 21 através da adição de Michael do imidazol ao acrilato de etilo catalisada por argilas básicas, nomeadamente montmorilonites Li+ e Cs+. Com ativação ultrassónica, o imidazol foi condensado com acrilato de etilo utilizando as duas argilas básicas – montmorilonites Li+ e Cs+. As argilas alcalinas, como as montmorilonites Li+ e Cs+, são catalisadores ativos e muito seletivos sob sonicação, apresentando assim efeitos positivos na adição de Michael do imidazol ao acrilato de etilo. A catálise promovida sonoquimicamente promove e melhora a formação de derivados N-substituídos do imidazol em comparação com outras reações convencionais com aquecimento térmico. A conversão aumenta com a basicidade das argilas e com o tempo de aplicação de ultrassons. O rendimento foi mais elevado quando se utilizaram montmorilonites Cs+ em comparação com Li+, o que poderá explicar-se pela maior basicidade. (Ver o esquema da reação abaixo)

Reação sonocatalítica: adição de Michael do imidazol ao acrilato de etilo
(esquema adaptado de Mohapatra et al, 2018.)

Outra adição de Michael assistida por ultrassons é a catálise do indol promovida por ácido sulfúrico suportado em sílica. Li et al. (2006) fizeram reagir ácido sulfúrico suportado em sílica e cetonas α,β-insaturadas sob a ação de ultrassons para obter β-indolilcetonas com rendimentos de 50–85% à temperatura ambiente.

Reações aza-Michael sem solventes nem catalisadores

A adição conjugada de aminas a alcenos conjugados – conhecida como reação aza-Michael – é uma etapa química fundamental na síntese de vários produtos naturais complexos, antibióticos, a-aminoálcoois e auxiliares quirais. Demonstrou-se que a aplicação de ultrassons é capaz de promover esta reação de adição aza-Michael num contexto sem solventes nem catalisadores.

A reação aza-Michael induzida por ultrassons em água foi testada com várias aminas e cetonas insaturadas, um nitrilo insaturado e um éster insaturado. A reação promovida sonoquimicamente proporcionou rendimentos elevados num procedimento rápido e simples.
estudo e tabela: © Bandyopadhyay et al., 2012

Uma adição de Michael simples de ferrocenilenonas com aminas alifáticas pode ser realizada numa reação promovida sonoquimicamente sem utilização de solventes nem catalisadores à temperatura ambiente. Esta adição de Michael sonoquímica pode proporcionar compostos carbonílicos 1-ferrocenil-3-amino num processo rápido com rendimentos elevados, sendo também eficiente na reação aza-Michael de outros compostos carbonílicos α,β-insaturados, como a chalcona, ésteres carboxílicos, etc. Esta reação sonoquímica não só é muito simples e fácil de realizar, como também é um processo rápido, respeitador do ambiente e económico, características da química verde. (Yang et al., 2005)
O grupo de investigação de Banik desenvolveu outro protocolo simples, direto, rápido, em meio aquoso e sem catalisadores para a reação de adição aza-Michael de várias aminas a compostos carbonílicos α,β-insaturados, aplicando ultrassons. A adição de várias aminas a cetonas, ésteres e nitrilos α,β-insaturados induzida sonoquimicamente foi realizada de forma muito eficiente tanto em água como em condições sem solventes. Não foram utilizados catalisadores nem suportes sólidos neste método. Observou-se um aumento notável da velocidade de reação em água com o método induzido por ultrassons. Este procedimento benigno para o ambiente proporcionou a formação limpa dos produtos com maior seletividade. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Efeitos dos solventes e do tratamento sonoquímico na reação aza-Michael da piperidina (1 mL) e do acrilato de metilo (1 mL) em 1 mL de solvente.
estudo e tabela: © Bandyopadhyay et al., 2012

Sondas e reatores ultrassónicos para reações sonoquímicas

O hardware sofisticado e o software inteligente dos sonicadores Hielscher foram concebidos para garantir um processamento sonoquímico fiável, por exemplo, realizando reações de síntese orgânica e de catálise com resultados reprodutíveis e de forma fácil para o utilizador.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são utilizados em todo o mundo em processos sonoquímicos, incluindo reações de síntese orgânica como as adições de Michael, a reação de Mannich, a reação de Diels-Alder e muitas outras reações de acoplamento. Com fiabilidade comprovada na síntese de produtos químicos de elevada qualidade com rendimentos elevados, os sonicadores Hielscher são utilizados tanto em ambientes laboratoriais como na produção industrial. Devido à sua robustez e reduzida necessidade de manutenção, os nossos sonicadores são habitualmente instalados em aplicações de serviço intensivo e em ambientes exigentes.
Os processadores ultrassónicos Hielscher para sínteses sonoquímicas, catálises, cristalização e outras reações já estão instalados em todo o mundo à escala comercial. Contacte-nos agora para discutir o seu processo de fabrico sonoquímico! A nossa equipa experiente terá todo o gosto em partilhar mais informações sobre a via de síntese sonoquímica, os sistemas ultrassónicos e os preços!

A tabela abaixo indica a capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

Bibliografia / Referências

• 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.