Reacția de adiție Michael promovată cu ultrasunete

Reacțiile Michael asimetrice sunt un tip de reacții organocatalitice care pot beneficia considerabil de sonicare. Reacția Michael sau adiția Michael este utilizată pe scară largă pentru sinteze chimice în care legăturile carbon-carbon se formează în condiții blânde. Ultrasonicarea și efectele sale sonochimice sunt foarte eficace în antrenarea și promovarea reacțiilor Michael, conducând la randamente mai mari și la un timp de reacție semnificativ redus și contribuind, în același timp, la o chimie verde, ecologică.

Sonochimia și adiția Michael

Sonochimia este bine cunoscută pentru efectele sale benefice asupra reacțiilor chimice – având adesea ca rezultat randamente mai mari, o viteză de reacție accelerată, condiții mai blânde și ecologice, precum și o operare sigură și simplă. Aceasta înseamnă că sonochimia este o metodă eficientă și inofensivă de a activa, promova și antrena reacții chimice sintetice și catalitice. Mecanismul procesării cu ultrasunete și al sonochimiei se bazează pe fenomenul cavitației acustice, care induce condiții unice de presiuni și temperaturi foarte ridicate prin colapsul violent al bulelor într-un mediu lichid. Efectele cavitației ultrasonice sau acustice inițiază reacții prin aportul de energie ridicată și îmbunătățesc transferul de masă, facilitând astfel transformările chimice.
Reacția Michael sau adiția Michael este adiția nucleofilă a unui carbanion sau a unui alt nucleofil la un compus carbonilic α,β-nesaturat care conține o grupare atrăgătoare de electroni. Reacția Michael este încadrată în clasa mai largă a adițiilor conjugate. Apreciată drept una dintre cele mai utile metode pentru formarea în condiții blânde a legăturilor carbon–carbon, adiția Michael este utilizată pe scară largă pentru sinteza organică a numeroase substanțe. Există multe variante asimetrice ale adiției Michael, care reprezintă un tip de reacții organocatalitice.

Sonocataliza și adiția Michael a imidazolului catalizată de argile bazice

Martin-Aranda et al. (2002) au valorificat ultrasonicarea și efectele sale sonochimice pentru a dezvolta o nouă cale de sinteză a derivaților de imidazol N-substituiți 21 prin adiția Michael a imidazolului la etilacrilat, catalizată de argile bazice, și anume montmorilloniții Li+ și Cs+. Folosind activarea cu ultrasunete, imidazolul a fost condensat cu acrilatul de etil cu ajutorul celor două argile bazice – montmorilloniții Li+ și Cs+. Argilele alcaline, precum montmorilloniții Li+ și Cs+, sunt catalizatori activi și foarte selectivi sub sonicare, prezentând astfel efecte pozitive asupra adiției Michael a imidazolului la acrilatul de etil. Cataliza promovată sonochimic promovează și îmbunătățește formarea derivaților de imidazol N-substituiți în comparație cu alte reacții convenționale cu încălzire termică. Conversia crește odată cu bazicitatea argilelor și cu durata ultrasonicării. Randamentul a fost mai mare atunci când s-au utilizat montmorilloniți Cs+ în comparație cu Li+, ceea ce s-ar putea explica prin bazicitatea mai ridicată. (Vedeți schema de reacție de mai jos)

Reacție sonocatalitică: adiția Michael a imidazolului la acrilatul de etil
(schemă adaptată după Mohapatra et al, 2018.)

O altă adiție Michael asistată de ultrasunete este cataliza indolului promovată de acidul sulfuric pe silice. Li et al. (2006) au pus în reacție acidul sulfuric pe silice și cetone α,β-nesaturate sub ultrasonicare pentru a obține β-indolilcetone cu randamente de 50–85% la temperatura camerei.

Reacții aza-Michael fără solvent și fără catalizator

Adiția conjugată a aminelor la alchene conjugate – cunoscută drept reacția aza-Michael – este o etapă chimică cheie pentru sinteza diverselor produse naturale complexe, antibiotice, a-aminoalcooli și auxiliari chirali. S-a demonstrat că ultrasonicarea poate promova o astfel de reacție de adiție aza-Michael în condiții fără solvent și fără catalizator.

Reacția aza-Michael indusă de ultrasunete în apă a fost testată cu mai multe amine și cetone nesaturate, nitril nesaturat și ester nesaturat. Reacția promovată sonochimic a dat randamente ridicate într-o procedură rapidă și simplă.
studiu și tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

O adiție Michael facilă a ferocenilenonelor cu amine alifatice poate fi realizată într-o reacție promovată sonochimic, fără utilizarea solvenților și a catalizatorilor, la temperatura camerei. Această adiție Michael sonochimică poate furniza compuși 1-ferocenil-3-aminocarbonilici într-un proces rapid, cu randamente ridicate, care este eficient și în reacția aza-Michael a altor compuși carbonilici α,β-nesaturați, precum calcona, esterul carboxilic etc. Această reacție sonochimică nu este doar foarte simplă și ușor de manipulat, ci este și un proces rapid, ecologic și ieftin, acestea fiind atribute ale chimiei verzi. (Yang et al., 2005)
Grupul de cercetare al lui Banik a dezvoltat un alt protocol simplu, direct, rapid, în mediu apos și fără catalizator pentru reacția de adiție aza-Michael a mai multor amine la compuși carbonilici α,β-nesaturați, aplicând ultrasonicarea. Adiția indusă sonochimic a mai multor amine la cetone, esteri și nitrili α,β-nesaturați a fost realizată foarte eficient în apă, precum și în condiții fără solvent. În această metodă nu s-au folosit catalizatori sau suporturi solide. S-a observat o creștere remarcabilă a vitezei de reacție în apă prin metoda indusă de ultrasunete. Această procedură ecologică a asigurat formarea curată a produșilor, cu o selectivitate îmbunătățită. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Efectele solvenților și ale tratamentului sonochimic asupra reacției aza-Michael dintre piperidină (1 mL) și acrilatul de metil (1 mL) în 1 mL de solvent.
studiu și tabel: © Bandyopadhyay et al., 2012

Sonde și reactoare cu ultrasunete pentru reacții sonochimice

Hardware-ul sofisticat și software-ul inteligent ale ultrasonicatoarelor Hielscher sunt concepute pentru a garanta o procesare sonochimică fiabilă, de ex. efectuarea reacțiilor de sinteză organică și de cataliză cu rezultate reproductibile și într-un mod ușor de utilizat.
Sistemele Hielscher Ultrasonics sunt utilizate în întreaga lume pentru procese sonochimice, inclusiv reacții de sinteză organică precum adițiile Michael, reacția Mannich, reacția Diels-Alder și multe alte reacții de cuplare. Dovedindu-se fiabile pentru sinteza cu randamente ridicate a unor produse chimice de înaltă calitate, ultrasonicatoarele Hielscher sunt utilizate nu doar în laborator, ci și în producția industrială. Datorită robusteții și întreținerii reduse, ultrasonicatoarele noastre sunt instalate în mod obișnuit pentru aplicații de mare solicitare și în medii dificile.
Procesoarele cu ultrasunete Hielscher pentru sinteze sonochimice, catalize, cristalizare și alte reacții sunt deja instalate în întreaga lume la scară comercială. Contactați-ne acum pentru a discuta procesul dumneavoastră de fabricație sonochimică! Personalul nostru experimentat vă va oferi cu plăcere mai multe informații despre calea de sinteză sonochimică, sistemele cu ultrasunete și prețuri!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Literatură / Referințe

• 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.