Ултразвучно поспешена реакција Михаелове адиције

Асиметричне Михаелове реакције су врста органокаталитичких реакција којима соникација може знатно користити. Михаелова реакција или Михаелова адиција широко се користи у хемијским синтезама у којима се везе угљеник–угљеник формирају у благим условима. Ултразвучна обрада и њени сонохемијски ефекти веома су ефикасни у покретању и поспешивању Михаелових реакција, што доводи до већих приноса, знатно скраћеног времена реакције и истовремено доприноси еколошки прихватљивој зеленој хемији.

Сонохемија и Михаелова адиција

Сонохемија је добро позната по повољним ефектима на хемијске реакције – често доводи до већих приноса, повећане брзине реакције, блажих, еколошки прихватљивих услова, као и безбедног и једноставног рада. То значи да је сонохемија ефикасна и нешкодљива метода за активирање, поспешивање и покретање синтетичких и каталитичких хемијских реакција. Механизам ултразвучне обраде и сонохемије заснива се на појави акустичке кавитације, која наглим колапсом мехурића у течној средини ствара јединствене услове веома високих притисака и температура. Ефекти ултразвучне или акустичке кавитације иницирају реакције уношењем велике количине енергије и побољшавају пренос масе, чиме олакшавају хемијске трансформације.
Михаелова реакција или Михаелова адиција представља нуклеофилну адицију карбанјона или другог нуклеофила на α,β-незасићено карбонилно једињење које садржи електрон-привлачну групу. Михаелова реакција припада широј класи конјугованих адиција. Цењена као једна од најкориснијих метода за формирање веза угљеник–угљеник у благим условима, Михаелова адиција широко се користи за органску синтезу разноврсних супстанци. Постоје многе асиметричне варијанте Михаелове адиције, које су врста органокаталитичких реакција.

Сонокатализа и Михаелова адиција имидазола катализована базним глинама

Martin-Aranda и сар. (2002) искористили су ултразвучну обраду и њене сонохемијске ефекте како би развили нови пут синтезе N-супституисаних деривата имидазола 21 Михаеловом адицијом имидазола на етилакрилат, катализованом базним глинама, односно Li+ и Cs+ монтморилонитима. Уз ултразвучну активацију, имидазол је кондензован са етилакрилатом коришћењем две базне глине – Li+ и Cs+ монтморилонита. Алкалне глине као што су Li+ и Cs+ монтморилонити активни су и веома селективни катализатори при соникацији, чиме показују позитивне ефекте на Михаелову адицију имидазола на етилакрилат. Сонохемијски поспешена катализа подстиче и побољшава формирање N-супституисаних деривата имидазола у поређењу са другим конвенционалним реакцијама уз термичко загревање. Конверзија се повећава са базношћу глина и трајањем ултразвучне обраде. Принос је био већи када су коришћени Cs+ монтморилонити у поређењу са Li+, што би се могло објаснити већом базношћу. (Погледајте реакциону шему у наставку)

Сонокаталитичка реакција: Михаелова адиција имидазола на етилакрилат
(шема прилагођена према Mohapatra и сар., 2018.)

Још једна Михаелова адиција потпомогнута ултразвуком јесте катализа индола поспешена сумпорном киселином на силицијум-диоксиду. Li и сар. (2006) извели су реакцију сумпорне киселине на силицијум-диоксиду и α,β-незасићених кетона уз ултразвучну обраду како би добили β-индолилкетоне у приносима од 50–85% на собној температури.

Аза-Михаелове реакције без растварача и катализатора

Конјугована адиција амина на конјуговане алкене – позната као аза-Михаелова реакција – кључни је хемијски корак у синтези различитих сложених природних производа, антибиотика, a-аминоалкохола и хиралних помоћних реагенаса. Показано је да ултразвучна обрада може поспешити такву реакцију аза-Михаелове адиције у условима без растварача и катализатора.

Аза-Михаелова реакција у води изазвана ултразвуком испитана је са неколико амина и незасићених кетона, незасићеним нитрилом и незасићеним естром. Сонохемијски поспешена реакција дала је високе приносе у брзом и једноставном поступку.
студија и табела: © Bandyopadhyay и сар., 2012

Једноставна Михаелова адиција фероцениленона са алифатичним аминима може се извести сонохемијски поспешеном реакцијом без употребе растварача и катализатора на собној температури. Овом сонохемијском Михаеловом адицијом могу се добити 1-фероценил-3-амино карбонилна једињења у брзом поступку са високим приносима, који је ефикасан и за аза-Михаелову реакцију других α,β-незасићених карбонилних једињења, као што су халкон, естар карбоксилне киселине итд. Ова сонохемијска реакција није само веома једноставна и лака за извођење, већ је и брз, еколошки прихватљив и јефтин процес, што су одлике зелене хемије. (Yang и сар., 2005)
Истраживачка група Banik развила је још један једноставан, непосредан и брз протокол без катализатора, у воденој средини, за реакцију аза-Михаелове адиције неколико амина на α,β-незасићена карбонилна једињења применом ултразвучне обраде. Сонохемијски изазвана адиција неколико амина на α,β-незасићене кетоне, естре и нитриле изведена је веома ефикасно у води, као и у условима без растварача. У овој методи нису коришћени катализатори ни чврсти носачи. Применом методе изазване ултразвуком у води уочено је знатно повећање брзине реакције. Овај еколошки нешкодљив поступак омогућио је чисто формирање производа уз повећану селективност. (Bandyopadhyay и сар., 2012)

Ефекти растварача и сонохемијске обраде на аза-Михаелову реакцију пиперидина (1 mL) и метилакрилата (1 mL) у 1 mL растварача.
студија и табела: © Bandyopadhyay и сар., 2012

Ултразвучне сонде и реактори за сонохемијске реакције

Софистицирани хардвер и интелигентни софтвер ултрасоникатора Hielscher пројектовани су да гарантују поуздану сонохемијску обраду, нпр. извођење органске синтезе и каталитичких реакција са поновљивим резултатима и на начин једноставан за корисника.
Системи Hielscher Ultrasonics користе се широм света за сонохемијске процесе, укључујући реакције органске синтезе као што су Михаелове адиције, Манихова реакција, Дилс–Алдерова реакција и многе друге реакције спрезања. Доказано поуздани за синтезу висококвалитетних хемијских производа са високим приносима, ултрасоникатори Hielscher користе се не само у лабораторијским условима већ и у индустријској производњи. Захваљујући робусности и малим потребама за одржавањем, наши ултрасоникатори често се инсталирају за примене са великим оптерећењем и у захтевним окружењима.
Ултразвучни процесори Hielscher за сонохемијске синтезе, катализу, кристализацију и друге реакције већ су инсталирани широм света у комерцијалним размерама. Контактирајте нас сада да разговарамо о вашем сонохемијском производном процесу! Наше искусно особље радо ће вам пружити више информација о путу сонохемијске синтезе, ултразвучним системима и ценама!

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултрасоникатора:

Литература / Референце

• 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.