Z ultrazvokom pospešena reakcija Michaelove adicije

Asimetrične Michaelove reakcije so vrsta organokatalitskih reakcij, pri katerih lahko sonikacija prinese velike koristi. Michaelova reakcija oziroma Michaelova adicija se pogosto uporablja pri kemijskih sintezah, pri katerih v blagih pogojih nastajajo vezi ogljik–ogljik. Ultrazvočna obdelava in njeni sonokemijski učinki so zelo učinkoviti pri poganjanju in pospeševanju Michaelovih reakcij, kar omogoča višje izkoristke, znatno skrajša reakcijski čas in hkrati prispeva k okolju prijazni zeleni kemiji.

Sonokemija in Michaelova adicija

Sonokemija je dobro uveljavljena zaradi svojih koristnih učinkov na kemijske reakcije – pogosto omogoča višje izkoristke, večjo hitrost reakcije, blažje in okolju prijazne pogoje ter varno in preprosto delovanje. To pomeni, da je sonokemija učinkovita in neškodljiva metoda za aktiviranje, pospeševanje in poganjanje sinteznih in katalitskih kemijskih reakcij. Mehanizem ultrazvočne obdelave in sonokemije temelji na pojavu akustične kavitacije, ki s silovitim kolapsom mehurčkov v tekočem mediju ustvari edinstvene pogoje zelo visokih tlakov in temperatur. Učinki ultrazvočne oziroma akustične kavitacije sprožajo reakcije z vnosom velike količine energije in izboljšujejo prenos snovi ter tako olajšajo kemijske pretvorbe.
Michaelova reakcija oziroma Michaelova adicija je nukleofilna adicija karbaniona ali drugega nukleofila na α,β-nenasičeno karbonilno spojino, ki vsebuje elektrone privlačno skupino. Michaelova reakcija spada v širši razred konjugiranih adicij. Michaelova adicija je cenjena kot ena najuporabnejših metod za tvorbo vezi ogljik–ogljik v blagih pogojih in se pogosto uporablja pri organski sintezi raznovrstnih snovi. Obstajajo številne asimetrične različice Michaelove adicije, ki so vrsta organokatalitskih reakcij.

Sonokataliza in Michaelova adicija imidazola, katalizirana z bazičnimi glinami

Martin-Aranda et al. (2002) so izkoristili ultrazvočno obdelavo in njene sonokemijske učinke za razvoj nove sintezne poti N-substituiranih derivatov imidazola 21 z Michaelovo adicijo imidazola na etil akrilat, katalizirano z bazičnimi glinami, in sicer z montmoriloniti Li+ in Cs+. Z ultrazvočno aktivacijo so imidazol kondenzirali z etil akrilatom ob uporabi dveh bazičnih glin – montmorilonitov Li+ in Cs+. Bazične gline, kot so montmoriloniti Li+ in Cs+, so med sonikacijo aktivni in zelo selektivni katalizatorji, zato ugodno vplivajo na Michaelovo adicijo imidazola na etil akrilat. Sonokemijsko pospešena kataliza spodbuja in izboljšuje nastajanje N-substituiranih derivatov imidazola v primerjavi z drugimi običajnimi reakcijami s toplotnim segrevanjem. Stopnja pretvorbe se povečuje z bazičnostjo glin in trajanjem ultrazvočne obdelave. Izkoristek je bil pri uporabi montmorilonitov Cs+ višji kot pri uporabi Li+, kar bi lahko pojasnili z večjo bazičnostjo. (Glejte spodnjo reakcijsko shemo)

Sonokatalitska reakcija: Michaelova adicija imidazola na etil akrilat
(shema prirejena po Mohapatra et al, 2018.)

Druga Michaelova adicija s pomočjo ultrazvoka je kataliza indola, ki jo spodbuja žveplova kislina na silicijevem dioksidu. Li et al. (2006) so pri ultrazvočni obdelavi izvedli reakcijo žveplove kisline na silicijevem dioksidu z α,β-nenasičenimi ketoni, da bi pri sobni temperaturi dobili β-indolilketone z izkoristki 50–85%.

Aza-Michaelove reakcije brez topil in katalizatorjev

Konjugirana adicija aminov na konjugirane alkene – znana kot aza-Michaelova reakcija – je ključni kemijski korak pri sintezi različnih kompleksnih naravnih produktov, antibiotikov, a-aminoalkoholov in kiralnih pomožnih snovi. Pokazalo se je, da lahko ultrazvočna obdelava pospeši takšno reakcijo aza-Michaelove adicije v pogojih brez topil in katalizatorjev.

Z ultrazvokom sprožena aza-Michaelova reakcija v vodi je bila preizkušena z več amini in nenasičenimi ketoni, nenasičenim nitrilom in nenasičenim estrom. Sonokemijsko pospešena reakcija je s hitrim in preprostim postopkom omogočila visoke izkoristke.
študija in preglednica: © Bandyopadhyay et al., 2012

Preprosto Michaelovo adicijo ferocenilenonov z alifatskimi amini je mogoče izvesti kot sonokemijsko pospešeno reakcijo brez uporabe topil in katalizatorjev pri sobni temperaturi. Ta sonokemijska Michaelova adicija lahko s hitrim postopkom omogoči nastanek 1-ferocenil-3-amino karbonilnih spojin z visokimi izkoristki; postopek je učinkovit tudi pri aza-Michaelovi reakciji drugih α,β-nenasičenih karbonilnih spojin, kot so halkon, ester karboksilne kisline itd. Ta sonokemijska reakcija je zelo preprosta in enostavna za izvedbo, poleg tega pa je tudi hiter, okolju prijazen in poceni postopek, kar so značilnosti zelene kemije. (Yang et al., 2005)
Banikova raziskovalna skupina je razvila še en preprost, neposreden in hiter protokol brez katalizatorjev v vodnem mediju za reakcijo aza-Michaelove adicije več aminov na α,β-nenasičene karbonilne spojine z uporabo ultrazvočne obdelave. Sonokemijsko sprožena adicija več aminov na α,β-nenasičene ketone, estre in nitrile je bila zelo učinkovito izvedena tako v vodi kot v pogojih brez topil. Pri tej metodi niso uporabili katalizatorjev ali trdnih nosilcev. Pri metodi, sproženi z ultrazvokom, so v vodi opazili izrazito povečanje hitrosti reakcije. Ta okolju neškodljiv postopek je omogočil čisto nastajanje produktov s povečano selektivnostjo. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Učinki topil in sonokemijske obdelave na aza-Michaelovo reakcijo piperidina (1 mL) in metil akrilata (1 mL) v 1 mL topila.
študija in preglednica: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultrazvočne sonde in reaktorji za sonokemijske reakcije

Napredna strojna oprema in pametna programska oprema ultrazvočnih naprav Hielscher sta zasnovani tako, da zagotavljata zanesljivo sonokemijsko obdelavo, npr. izvajanje organske sinteze in katalitskih reakcij s ponovljivimi rezultati ter na uporabniku prijazen način.
Sistemi Hielscher Ultrasonics se po vsem svetu uporabljajo za sonokemijske procese, vključno z reakcijami organske sinteze, kot so Michaelove adicije, Mannichova reakcija, Diels-Alderjeva reakcija in številne druge reakcije spajanja. Ultrazvočne naprave Hielscher, ki so dokazano zanesljive pri sintezi visokokakovostnih kemijskih produktov z visokimi izkoristki, se uporabljajo tako v laboratorijih kot v industrijski proizvodnji. Zaradi robustnosti in majhnih potreb po vzdrževanju so naše ultrazvočne naprave pogosto nameščene za zahtevne aplikacije in v zahtevnih okoljih.
Ultrazvočni procesorji Hielscher za sonokemijske sinteze, katalize, kristalizacijo in druge reakcije so po vsem svetu že nameščeni v komercialnem obsegu. Kontaktirajte nas zdaj, da se pogovorimo o vašem sonokemijskem proizvodnem procesu! Naše izkušeno osebje vam bo z veseljem posredovalo več informacij o sonokemijski sintezni poti, ultrazvočnih sistemih in cenah!

Spodnja preglednica prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Literatura / Viri

• 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.