Реакция присоединения Михаэля, стимулируемая ультразвуком

Асимметрические реакции Михаэля представляют собой разновидность органокаталитических реакций, эффективность которых может значительно повыситься при обработке ультразвуком. Реакция Михаэля, или присоединение Михаэля, широко применяется в химическом синтезе для образования углерод–углеродных связей в мягких условиях. Обработка ультразвуком и её сонохимические эффекты весьма эффективны для осуществления и стимулирования реакций Михаэля, обеспечивая более высокие выходы, значительно сокращая время реакции и одновременно способствуя развитию экологически безопасной зелёной химии.

Сонохимия и присоединение Михаэля

Сонохимия хорошо известна своим благоприятным воздействием на химические реакции – она часто обеспечивает более высокие выходы, увеличение скорости реакции, более мягкие и экологически безопасные условия, а также безопасную и простую эксплуатацию. Это означает, что сонохимия является эффективным и безвредным методом активации, стимулирования и осуществления синтетических и каталитических химических реакций. Механизм ультразвуковой обработки и сонохимии основан на явлении акустической кавитации, которая создаёт уникальные условия с очень высокими давлениями и температурами вследствие интенсивного схлопывания пузырьков в жидкой среде. Эффекты ультразвуковой, или акустической, кавитации инициируют реакции за счёт ввода большого количества энергии и улучшают массоперенос, тем самым облегчая химические превращения.
Реакция Михаэля, или присоединение Михаэля, представляет собой нуклеофильное присоединение карбаниона или другого нуклеофила к α,β-ненасыщенному карбонильному соединению, содержащему электроноакцепторную группу. Реакция Михаэля относится к более широкому классу реакций сопряжённого присоединения. Присоединение Михаэля считается одним из наиболее полезных методов образования углерод–углеродных связей в мягких условиях и широко применяется для органического синтеза разнообразных веществ. Существует множество асимметрических вариантов присоединения Михаэля, представляющих собой разновидность органокаталитических реакций.

Сонокатализ и присоединение Михаэля с участием имидазола, катализируемое основными глинами

Martin-Aranda et al. (2002) использовали преимущества обработки ультразвуком и её сонохимических эффектов для разработки нового пути синтеза N-замещённых производных имидазола 21 посредством присоединения Михаэля имидазола к этилакрилату, катализируемого основными глинами, а именно монтмориллонитами Li+ и Cs+. При ультразвуковой активации имидазол конденсировали с этилакрилатом, используя две основные глины – монтмориллониты Li+ и Cs+. Щелочные глины, такие как монтмориллониты Li+ и Cs+, являются активными и весьма селективными катализаторами при обработке ультразвуком, тем самым оказывая положительное влияние на присоединение Михаэля имидазола к этилакрилату. Катализ, стимулируемый сонохимическими эффектами, способствует образованию N-замещённых производных имидазола и улучшает его по сравнению с другими традиционными реакциями с термическим нагревом. Степень превращения увеличивается с ростом основности глин и продолжительности обработки ультразвуком. При использовании монтмориллонитов Cs+ выход был выше, чем при использовании Li+, что может объясняться более высокой основностью. (См. схему реакции ниже)

Сонокаталитическая реакция: присоединение Михаэля имидазола к этилакрилату
(схема адаптирована из Mohapatra et al, 2018.)

Другой вариант присоединения Михаэля с применением ультразвука – катализ реакции индола, стимулируемый серной кислотой на силикагеле. Li et al. (2006) проводили реакцию серной кислоты на силикагеле с α,β-ненасыщенными кетонами при обработке ультразвуком для получения β-индолилкетонов с выходами 50–85% при комнатной температуре.

Реакции аза-Михаэля без растворителей и катализаторов

Сопряжённое присоединение аминов к сопряжённым алкенам – известное как реакция аза-Михаэля – является ключевой химической стадией синтеза различных сложных природных соединений, антибиотиков, a-аминоспиртов и хиральных вспомогательных реагентов. Было показано, что обработка ультразвуком способна стимулировать такую реакцию присоединения аза-Михаэля без растворителей и катализаторов.

Реакция аза-Михаэля в воде, инициируемая ультразвуком, была испытана с несколькими аминами и ненасыщенными кетонами, ненасыщенным нитрилом и ненасыщенным сложным эфиром. Сонохимически стимулируемая реакция обеспечила высокие выходы при быстрой и простой процедуре.
исследование и таблица: © Bandyopadhyay et al., 2012

Простое присоединение Михаэля ферроцениленонов к алифатическим аминам можно осуществить в сонохимически стимулируемой реакции без применения растворителей и катализаторов при комнатной температуре. Это сонохимическое присоединение Михаэля позволяет получать 1-ферроценил-3-аминокарбонильные соединения в ходе быстрого процесса с высокими выходами, который также эффективен для реакции аза-Михаэля с другими α,β-ненасыщенными карбонильными соединениями, такими как халкон, сложный эфир карбоновой кислоты и т. д. Эта сонохимическая реакция не только очень проста и удобна в проведении, но и представляет собой быстрый, экологически безопасный и недорогой процесс, что соответствует характеристикам зелёной химии. (Yang et al., 2005)
Исследовательская группа Banik разработала ещё один простой, несложный и быстрый протокол проведения реакции присоединения аза-Михаэля нескольких аминов к α,β-ненасыщенным карбонильным соединениям в водной среде без катализатора с применением обработки ультразвуком. Сонохимически инициируемое присоединение нескольких аминов к α,β-ненасыщенным кетонам, сложным эфирам и нитрилам осуществлялось весьма эффективно как в воде, так и без растворителей. В этом методе не использовались ни катализаторы, ни твёрдые носители. При использовании метода с ультразвуковой инициацией в воде наблюдалось заметное увеличение скорости реакции. Эта экологически безопасная процедура обеспечила чистое образование продуктов с повышенной селективностью. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Влияние растворителей и сонохимической обработки на реакцию аза-Михаэля пиперидина (1 mL) и метилакрилата (1 mL) в 1 mL растворителя.
исследование и таблица: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ультразвуковые зонды и реакторы для сонохимических реакций

Совершенное аппаратное обеспечение и интеллектуальное программное обеспечение ультразвуковых гомогенизаторов Hielscher разработаны для гарантированно надёжной сонохимической обработки, например проведения реакций органического синтеза и катализа с воспроизводимыми результатами и удобством для пользователя.
Системы Hielscher Ultrasonics используются во всём мире для сонохимических процессов, включая реакции органического синтеза, такие как присоединение Михаэля, реакция Манниха, реакция Дильса–Альдера и многие другие реакции сочетания. Ультразвуковые гомогенизаторы Hielscher, доказавшие свою надёжность при синтезе высококачественных химических продуктов с высокими выходами, применяются не только в лабораториях, но и в промышленном производстве. Благодаря своей прочности и низкой потребности в техническом обслуживании наши ультразвуковые гомогенизаторы часто устанавливаются для работы при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Ультразвуковые процессоры Hielscher для сонохимического синтеза, катализа, кристаллизации и других реакций уже установлены по всему миру для работы в коммерческом масштабе. Свяжитесь с нами прямо сейчас, чтобы обсудить ваш сонохимический производственный процесс! Наши опытные сотрудники будут рады предоставить дополнительную информацию о пути сонохимического синтеза, ультразвуковых системах и ценах!

В приведённой ниже таблице указана приблизительная производительность наших ультразвуковых гомогенизаторов:

Литература / Ссылки

• 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.