Ultraljudsfrämjad Michael-additionsreaktion

Asymmetriska Michael-reaktioner är en typ av organokatalytiska reaktioner som kan dra stor nytta av ultraljudsbehandling. Michael-reaktionen eller Michael-additionen används i stor utsträckning för kemiska synteser där kol–kolbindningar bildas under milda betingelser. Ultraljudsbehandling och dess sonokemiska effekter är mycket effektiva för att driva och främja Michael-reaktioner, vilket ger högre utbyten, avsevärt kortare reaktionstid och samtidigt bidrar till miljövänlig grön kemi.

Sonokemi och Michael-additionen

Sonokemi är väletablerad för sina gynnsamma effekter på kemiska reaktioner – ofta med högre utbyten, ökad reaktionshastighet, mildare och miljövänliga betingelser samt säker och enkel drift som resultat. Detta innebär att sonokemi är en effektiv och ofarlig metod för att aktivera, främja och driva syntetiska och katalytiska kemiska reaktioner. Mekanismen bakom ultraljudsbehandling och sonokemi bygger på fenomenet akustisk kavitation, som skapar unika betingelser med mycket höga tryck och temperaturer genom att bubblor i ett flytande medium kollapsar våldsamt. Effekterna av ultraljudskavitation eller akustisk kavitation initierar reaktioner genom tillförsel av hög energi och förbättrar massöverföringen, vilket underlättar kemiska omvandlingar.
Michael-reaktionen eller Michael-additionen är den nukleofila additionen av en karbanjon eller en annan nukleofil till en α,β-omättad karbonylförening som innehåller en elektronattraherande grupp. Michael-reaktionen ingår i den större klassen konjugerade additioner. Michael-additionen uppskattas som en av de mest användbara metoderna för att bilda kol–kolbindningar under milda betingelser och används i stor utsträckning för organisk syntes av en mängd olika ämnen. Det finns många asymmetriska varianter av Michael-additionen, vilka är en typ av organokatalytiska reaktioner.

Sonokatalys och Michael-addition av imidazol katalyserad av basiska leror

Martin-Aranda et al. (2002) utnyttjade ultraljudsbehandling och dess sonokemiska effekter för att utveckla en ny syntesväg för N-substituerade imidazolderivat 21 genom Michael-addition av imidazol till etylakrylat, katalyserad av basiska leror, närmare bestämt Li+- och Cs+-montmorilloniter. Med ultraljudsaktivering kondenserades imidazol med etylakrylat med hjälp av de två basiska lerorna – Li+- och Cs+-montmorilloniter. Basiska leror såsom Li+- och Cs+-montmorilloniter är aktiva och mycket selektiva katalysatorer under ultraljudsbehandling och har därmed positiva effekter på Michael-additionen av imidazol till etylakrylat. Sonokemiskt främjad katalys främjar och förbättrar bildningen av N-substituerade imidazolderivat jämfört med andra konventionella reaktioner med termisk uppvärmning. Omsättningen ökar med lerornas basicitet och ultraljudsbehandlingens varaktighet. Utbytet var högre när Cs+-montmorilloniter användes jämfört med Li+, vilket skulle kunna förklaras av den högre basiciteten. (Se reaktionsschemat nedan)

Sonokatalytisk reaktion: Michael-addition av imidazol till etylakrylat
(schema bearbetat efter Mohapatra et al, 2018.)

En annan ultraljudsassisterad Michael-addition är katalys av indol som främjas av kiseldioxidbunden svavelsyra. Li et al. (2006) lät kiseldioxidbunden svavelsyra och α,β-omättade ketoner reagera under ultraljudsbehandling för att erhålla β-indolylketoner med utbyten på 50–85% vid rumstemperatur.

Lösningsmedelsfria och katalysatorfria aza-Michael-reaktioner

Konjugerad addition av aminer till konjugerade alkener – känd som aza-Michael-reaktionen – är ett kemiskt nyckelsteg vid syntes av olika komplexa naturprodukter, antibiotika, a-aminoalkoholer och kirala hjälpämnen. Ultraljudsbehandling har visat sig kunna främja en sådan aza-Michael-additionsreaktion under lösningsmedelsfria och katalysatorfria betingelser.

Den ultraljudsinducerade aza-Michael-reaktionen i vatten har testats med flera aminer och omättade ketoner, omättad nitril och omättad ester. Den sonokemiskt främjade reaktionen gav höga utbyten genom ett snabbt och enkelt förfarande.
studie och tabell: © Bandyopadhyay et al., 2012

En enkel Michael-addition av ferrocen-ylenoner med alifatiska aminer kan genomföras som en sonokemiskt främjad reaktion utan användning av lösningsmedel och katalysatorer vid rumstemperatur. Denna sonokemiska Michael-addition kan ge 1-ferrocenyl-3-aminokarbonylföreningar i en snabb process med höga utbyten, som också är effektiv vid aza-Michael-reaktionen med andra α,β-omättade karbonylföreningar såsom kalkon, karboxylsyraester osv. Denna sonokemiska reaktion är inte bara mycket enkel och lätt att hantera, utan också en snabb, miljövänlig och billig process, vilket är egenskaper som kännetecknar grön kemi. (Yang et al., 2005)
Baniks forskargrupp utvecklade ett annat enkelt, okomplicerat, snabbt och vattenmedierat katalysatorfritt protokoll för aza-Michael-additionsreaktionen mellan flera aminer och α,β-omättade karbonylföreningar med hjälp av ultraljudsbehandling. Den sonokemiskt inducerade additionen av flera aminer till α,β-omättade ketoner, estrar och nitriler har genomförts mycket effektivt både i vatten och under lösningsmedelsfria betingelser. Inga katalysatorer eller fasta bärare har använts i denna metod. En anmärkningsvärd ökning av reaktionshastigheten har observerats i vatten med den ultraljudsinducerade metoden. Detta miljövänliga förfarande har gett ren bildning av produkterna med förbättrad selektivitet. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Effekter av lösningsmedel och sonokemisk behandling på aza-Michael-reaktionen mellan piperidin (1 mL) och metylakrylat (1 mL) i 1 mL lösningsmedel.
studie och tabell: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ultraljudssonder och reaktorer för sonokemiska reaktioner

Hielschers ultraljudsapparaters avancerade hårdvara och smarta programvara är utformade för att garantera tillförlitlig sonokemisk bearbetning, t.ex. genomförande av organisk syntes och katalysreaktioner med reproducerbara resultat och på ett användarvänligt sätt.
System från Hielscher Ultrasonics används över hela världen för sonokemiska processer, däribland organiska syntesreaktioner såsom Michael-additioner, Mannich-reaktionen, Diels–Alder-reaktionen och många andra kopplingsreaktioner. Hielschers ultraljudsapparater har visat sig tillförlitliga för syntes av högkvalitativa kemiska produkter med höga utbyten och används inte bara i laboratorier utan även inom industriell produktion. Tack vare sin robusthet och sitt låga underhållsbehov installeras våra ultraljudsapparater ofta för krävande tillämpningar och i krävande miljöer.
Hielschers ultraljudsprocessorer för sonokemiska synteser, katalyser, kristallisation och andra reaktioner är redan installerade i kommersiell skala över hela världen. Kontakta oss nu för att diskutera din sonokemiska tillverkningsprocess! Vår mycket erfarna personal delar gärna med sig av mer information om den sonokemiska syntesvägen, ultraljudssystem och priser!

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Litteratur / Referenser

• 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.