Michaelova adičná reakcia podporovaná ultrazvukom

Asymetrické Michaelove reakcie sú typom organokatalytických reakcií, ktorým môže sonikácia výrazne prospieť. Michaelova reakcia alebo Michaelova adícia sa široko využíva pri chemických syntézach, pri ktorých sa za miernych podmienok tvoria väzby uhlík–uhlík. Pôsobenie ultrazvuku a jeho sonochemické účinky sú veľmi účinné pri poháňaní a podpore Michaelových reakcií, čo vedie k vyšším výťažkom, výrazne skrátenému reakčnému času a zároveň prispieva k ekologickej zelenej chémii.

Sonochémia a Michaelova adícia

Sonochémia je dobre známa svojimi priaznivými účinkami na chemické reakcie – často vedie k vyšším výťažkom, zvýšeniu reakčnej rýchlosti, miernejším a ekologickým podmienkam, ako aj k bezpečnej a jednoduchej prevádzke. To znamená, že sonochémia je účinná a neškodná metóda aktivácie, podpory a poháňania syntetických a katalytických chemických reakcií. Mechanizmus ultrazvukového spracovania a sonochémie je založený na jave akustickej kavitácie, ktorá prudkým kolapsom bublín v kvapalnom prostredí vytvára jedinečné podmienky s veľmi vysokými tlakmi a teplotami. Účinky ultrazvukovej alebo akustickej kavitácie iniciujú reakcie dodaním vysokej energie a zlepšujú prenos hmoty, čím uľahčujú chemické premeny.
Michaelova reakcia alebo Michaelova adícia je nukleofilná adícia karbaniónu alebo iného nukleofilu na α,β-nenasýtenú karbonylovú zlúčeninu, ktorá obsahuje skupinu priťahujúcu elektróny. Michaelova reakcia patrí do širšej triedy konjugovaných adícií. Michaelova adícia, cenená ako jedna z najužitočnejších metód tvorby väzieb uhlík–uhlík za miernych podmienok, sa široko využíva pri organickej syntéze rozmanitých látok. Existuje mnoho asymetrických variantov Michaelovej adície, ktoré sú typom organokatalytických reakcií.

Sonokatalýza a Michaelova adícia imidazolu katalyzovaná zásaditými ílmi

Martin-Aranda et al. (2002) využili pôsobenie ultrazvuku a jeho sonochemické účinky na vývoj novej syntetickej cesty k N-substituovaným derivátom imidazolu 21 prostredníctvom Michaelovej adície imidazolu na etylakrylát katalyzovanej zásaditými ílmi, konkrétne Li+ a Cs+ montmorillonitmi. Pri ultrazvukovej aktivácii imidazol kondenzoval s etylakrylátom za použitia dvoch zásaditých ílov – Li+ a Cs+ montmorillonitov. Zásadité íly, ako sú Li+ a Cs+ montmorillonity, sú pri sonikácii aktívnymi a veľmi selektívnymi katalyzátormi, a tak priaznivo ovplyvňujú Michaelovu adíciu imidazolu na etylakrylát. Sonochemicky podporovaná katalýza podporuje a zlepšuje tvorbu N-substituovaných derivátov imidazolu v porovnaní s inými reakciami využívajúcimi konvenčný tepelný ohrev. Konverzia sa zvyšuje so zásaditosťou ílov a dĺžkou pôsobenia ultrazvuku. Pri použití Cs+ montmorillonitov bol výťažok vyšší než pri použití Li+ montmorillonitov, čo by sa mohlo vysvetliť vyššou zásaditosťou. (Pozri reakčnú schému nižšie)

Sonokatalytická reakcia: Michaelova adícia imidazolu na etylakrylát
(schéma upravená podľa Mohapatra et al, 2018.)

Ďalšou Michaelovou adíciou podporovanou ultrazvukom je katalýza indolu podporovaná kyselinou sírovou na silikagéli. Li et al. (2006) nechali pri pôsobení ultrazvuku reagovať kyselinu sírovú na silikagéli a α,β-nenasýtené ketóny s cieľom získať β-indolylketóny s výťažkami 50–85% pri izbovej teplote.

Aza-Michaelove reakcie bez rozpúšťadiel a katalyzátorov

Konjugovaná adícia amínov na konjugované alkény – známa ako aza-Michaelova reakcia – je kľúčovým chemickým krokom pri syntéze rôznych zložitých prírodných produktov, antibiotík, a-aminoalkoholov a chirálnych pomocných látok. Preukázalo sa, že pôsobenie ultrazvuku dokáže podporiť takúto aza-Michaelovu adičnú reakciu v prostredí bez rozpúšťadiel a katalyzátorov.

Ultrazvukom indukovaná aza-Michaelova reakcia vo vode bola testovaná s viacerými amínmi a nenasýtenými ketónmi, nenasýteným nitrilom a nenasýteným esterom. Sonochemicky podporovaná reakcia poskytla vysoké výťažky pri rýchlom a jednoduchom postupe.
štúdia a tabuľka: © Bandyopadhyay et al., 2012

Jednoduchú Michaelovu adíciu ferrocenyl enónov s alifatickými amínmi možno uskutočniť ako sonochemicky podporovanú reakciu bez použitia rozpúšťadiel a katalyzátorov pri izbovej teplote. Táto sonochemická Michaelova adícia môže poskytnúť 1-ferrocenyl-3-aminokarbonylové zlúčeniny v rýchlom procese s vysokými výťažkami, ktorý je účinný aj pri aza-Michaelovej reakcii iných α,β-nenasýtených karbonylových zlúčenín, ako sú chalkón, ester karboxylovej kyseliny atď. Táto sonochemická reakcia je nielen veľmi jednoduchá a ľahko uskutočniteľná, ale predstavuje aj rýchly, ekologický a nenákladný proces, čo sú charakteristiky zelenej chémie. (Yang et al., 2005)
Banikova výskumná skupina vyvinula ďalší jednoduchý, priamočiary a rýchly postup aza-Michaelovej adičnej reakcie viacerých amínov s α,β-nenasýtenými karbonylovými zlúčeninami vo vodnom prostredí bez katalyzátora s využitím ultrazvuku. Sonochemicky indukovaná adícia viacerých amínov na α,β-nenasýtené ketóny, estery a nitrily sa uskutočnila veľmi účinne vo vode aj za podmienok bez rozpúšťadiel. Pri tejto metóde sa nepoužili žiadne katalyzátory ani pevné nosiče. Pri metóde indukovanej ultrazvukom sa vo vode pozorovalo výrazné zvýšenie reakčnej rýchlosti. Tento ekologicky šetrný postup umožnil čistú tvorbu produktov so zvýšenou selektivitou. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Účinky rozpúšťadiel a sonochemického spracovania na aza-Michaelovu reakciu piperidínu (1 mL) a metylakrylátu (1 mL) v 1 mL rozpúšťadla.
štúdia a tabuľka: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultrazvukové sondy a reaktory na sonochemické reakcie

Sofistikovaný hardvér a inteligentný softvér ultrazvukových prístrojov Hielscher sú navrhnuté tak, aby zaručovali spoľahlivé sonochemické spracovanie, napr. uskutočňovanie organických syntéz a katalytických reakcií s reprodukovateľnými výsledkami a používateľsky prívetivým spôsobom.
Systémy Hielscher Ultrasonics sa celosvetovo používajú na sonochemické procesy vrátane organických syntetických reakcií, ako sú Michaelove adície, Mannichova reakcia, Dielsova–Alderova reakcia a mnohé ďalšie kopulačné reakcie. Ultrazvukové prístroje Hielscher, ktorých spoľahlivosť sa preukázala pri syntéze vysokokvalitných chemických produktov s vysokými výťažkami, sa používajú nielen v laboratórnych podmienkach, ale aj v priemyselnej výrobe. Vďaka svojej robustnosti a nízkym nárokom na údržbu sa naše ultrazvukové prístroje bežne inštalujú na použitie pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Ultrazvukové procesory Hielscher na sonochemické syntézy, katalýzy, kryštalizáciu a ďalšie reakcie sú už celosvetovo inštalované v komerčnom meradle. Kontaktujte nás už teraz a prediskutujte s nami svoj sonochemický výrobný proces! Naši skúsení pracovníci vám radi poskytnú ďalšie informácie o sonochemickej syntetickej ceste, ultrazvukových systémoch a cenách!

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Literatúra / Referencie

• 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.