ปฏิกิริยาการเติม Michael ที่ส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์

ปฏิกิริยา Michael แบบอสมมาตรเป็นปฏิกิริยาประเภทหนึ่งที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ ซึ่งสามารถได้รับประโยชน์อย่างมากจากการใช้อัลตราซาวนด์ ปฏิกิริยา Michael หรือการเติม Michael ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์ทางเคมี โดยเกิดพันธะคาร์บอน–คาร์บอนภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง การใช้อัลตราซาวนด์และผลทางโซโนเคมีมีประสิทธิผลสูงในการขับเคลื่อนและส่งเสริมปฏิกิริยา Michael ส่งผลให้ได้ผลได้สูงขึ้น ลดเวลาในการเกิดปฏิกิริยาลงอย่างมีนัยสำคัญ และในขณะเดียวกันยังช่วยสนับสนุนเคมีสีเขียวที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

โซโนเคมีและการเติม Michael

โซโนเคมีเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางว่ามีผลดีต่อปฏิกิริยาเคมี – มักทำให้ได้ผลได้สูงขึ้น เร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยา ใช้สภาวะที่ไม่รุนแรงมากนักและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม รวมทั้งดำเนินการได้อย่างปลอดภัยและง่ายดาย ซึ่งหมายความว่าโซโนเคมีเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพและไม่ก่ออันตรายสำหรับกระตุ้น ส่งเสริม และขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีในการสังเคราะห์และการเร่งปฏิกิริยา กลไกของกระบวนการอัลตราซาวนด์และโซโนเคมีอาศัยปรากฏการณ์คาวิเทชันเชิงอะคูสติก ซึ่งก่อให้เกิดสภาวะเฉพาะที่มีความดันและอุณหภูมิสูงมากผ่านการยุบตัวอย่างรุนแรงของฟองในตัวกลางของเหลว ผลของคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์หรือคาวิเทชันเชิงอะคูสติกทำให้ปฏิกิริยาเริ่มต้นโดยป้อนพลังงานสูง และปรับปรุงการถ่ายเทมวล จึงช่วยให้การเปลี่ยนแปลงทางเคมีเกิดขึ้นได้สะดวกขึ้น
ปฏิกิริยา Michael หรือการเติม Michael คือการเติมแบบนิวคลีโอฟิลิกของคาร์แบนไอออนหรือนิวคลีโอไฟล์ชนิดอื่นเข้ากับสารประกอบคาร์บอนิลไม่อิ่มตัวที่ตำแหน่ง α,β ซึ่งมีหมู่ดึงอิเล็กตรอน ปฏิกิริยา Michael จัดอยู่ในกลุ่มปฏิกิริยาการเติมแบบคอนจูเกตที่กว้างกว่า การเติม Michael ได้รับการยกย่องว่าเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประโยชน์ที่สุดสำหรับการสร้างพันธะคาร์บอน–คาร์บอนภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรง และใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์สารอินทรีย์หลากหลายชนิด การเติม Michael มีรูปแบบอสมมาตรหลายรูปแบบ ซึ่งเป็นปฏิกิริยาประเภทหนึ่งที่เร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์

การเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลตราซาวนด์และการเติม Michael ของ imidazole ที่เร่งด้วยดินเหนียวที่มีสมบัติเป็นเบส

Martin-Aranda et al. (2002) ใช้ประโยชน์จากอัลตราซาวนด์และผลทางโซโนเคมีเพื่อพัฒนาเส้นทางการสังเคราะห์ใหม่ของอนุพันธ์ imidazole ที่มีหมู่แทนที่บน N หมายเลข 21 โดยการเติม Michael ของ imidazole เข้ากับ ethylacrylate ซึ่งเร่งด้วยดินเหนียวที่มีสมบัติเป็นเบส ได้แก่ Li+ และ Cs+ montmorillonites เมื่อใช้การกระตุ้นด้วยอัลตราซาวนด์ imidazole เกิดปฏิกิริยาควบแน่นกับ ethyl acrylate โดยใช้ดินเหนียวที่มีสมบัติเป็นเบสสองชนิด – Li+ และ Cs+ montmorillonites ดินเหนียวที่มีสมบัติเป็นด่าง เช่น Li+ และ Cs+ montmorillonites เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความว่องไวและมีความเลือกจำเพาะสูงมากภายใต้การใช้อัลตราซาวนด์ จึงแสดงผลดีต่อการเติม Michael ของ imidazole เข้ากับ ethyl acrylate การเร่งปฏิกิริยาที่ส่งเสริมด้วยโซโนเคมีช่วยส่งเสริมและปรับปรุงการเกิดอนุพันธ์ imidazole ที่มีหมู่แทนที่บน N เมื่อเทียบกับปฏิกิริยาอื่นที่ใช้การให้ความร้อนแบบดั้งเดิม อัตราการเปลี่ยนสารเพิ่มขึ้นตามความเป็นเบสของดินเหนียวและระยะเวลาการใช้อัลตราซาวนด์ ผลได้สูงกว่าเมื่อใช้ Cs+ montmorillonites เมื่อเทียบกับ Li+ ซึ่งอาจอธิบายได้ด้วยความเป็นเบสที่สูงกว่า (ดูแผนผังปฏิกิริยาด้านล่าง)

ปฏิกิริยาที่เร่งด้วยอัลตราซาวนด์: การเติม Michael ของ imidazole เข้ากับ ethyl acrylate
(แผนผังดัดแปลงจาก Mohapatra et al, 2018.)

การเติม Michael อีกแบบหนึ่งที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วยคือการเร่งปฏิกิริยาของ indole ที่ส่งเสริมด้วยกรดซัลฟิวริกบนซิลิกา Li et al. (2006) ทำให้กรดซัลฟิวริกบนซิลิกาและคีโตนไม่อิ่มตัวที่ตำแหน่ง α,β ทำปฏิกิริยาภายใต้การใช้อัลตราซาวนด์ เพื่อให้ได้ β-indolylketones ที่ผลได้ 50–85% ณ อุณหภูมิห้อง

ปฏิกิริยา aza-Michael ที่ไม่ใช้ตัวทำละลายและตัวเร่งปฏิกิริยา

การเติมแบบคอนจูเกตของเอมีนเข้ากับแอลคีนที่มีระบบคอนจูเกต – ซึ่งเรียกว่าปฏิกิริยา aza-Michael – เป็นขั้นตอนทางเคมีที่สำคัญในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่ซับซ้อนหลากหลายชนิด ยาปฏิชีวนะ a-amino alcohols และสารช่วยไครัล มีการแสดงให้เห็นว่าการใช้อัลตราซาวนด์สามารถส่งเสริมปฏิกิริยาการเติม aza-Michael ดังกล่าวในสภาวะที่ไม่ใช้ตัวทำละลายและตัวเร่งปฏิกิริยา

ปฏิกิริยา aza-Michael ในน้ำที่เหนี่ยวนำด้วยอัลตราซาวนด์ได้รับการทดสอบกับเอมีนหลายชนิดและคีโตนไม่อิ่มตัว ไนไตรล์ไม่อิ่มตัว และเอสเทอร์ไม่อิ่มตัว ปฏิกิริยาที่ส่งเสริมด้วยโซโนเคมีให้ผลได้สูงด้วยขั้นตอนที่รวดเร็วและง่ายดาย
การศึกษาและตาราง: © Bandyopadhyay et al., 2012

การเติม Michael ของ ferrocenylenones กับเอมีนอะลิฟาติกที่ดำเนินการได้ง่ายสามารถทำได้ด้วยปฏิกิริยาที่ส่งเสริมด้วยโซโนเคมี โดยไม่ใช้ตัวทำละลายและตัวเร่งปฏิกิริยา ณ อุณหภูมิห้อง การเติม Michael ด้วยโซโนเคมีนี้สามารถให้สารประกอบคาร์บอนิล 1-ferrocenyl-3-amino ผ่านกระบวนการที่รวดเร็วและให้ผลได้สูง ซึ่งยังมีประสิทธิภาพสำหรับปฏิกิริยา aza-Michael ของสารประกอบคาร์บอนิลไม่อิ่มตัวที่ตำแหน่ง α,β ชนิดอื่น เช่น chalcone เอสเทอร์ของกรดคาร์บอกซิลิก เป็นต้น ปฏิกิริยาโซโนเคมีนี้ไม่เพียงเรียบง่ายมากและดำเนินการได้ง่ายเท่านั้น แต่ยังเป็นกระบวนการที่รวดเร็ว เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีค่าใช้จ่ายต่ำ ซึ่งเป็นคุณลักษณะของเคมีสีเขียว (Yang et al., 2005)
กลุ่มวิจัยของ Banik พัฒนาวิธีดำเนินการอีกวิธีหนึ่งที่เรียบง่าย ตรงไปตรงมา รวดเร็ว ใช้น้ำเป็นตัวกลาง และไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา สำหรับปฏิกิริยาการเติม aza-Michael ของเอมีนหลายชนิดเข้ากับสารประกอบคาร์บอนิลไม่อิ่มตัวที่ตำแหน่ง α,β โดยใช้อัลตราซาวนด์ การเติมของเอมีนหลายชนิดเข้ากับคีโตน เอสเทอร์ และไนไตรล์ไม่อิ่มตัวที่ตำแหน่ง α,β ซึ่งเหนี่ยวนำด้วยโซโนเคมี ดำเนินการได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงมากทั้งในน้ำและภายใต้สภาวะที่ไม่ใช้ตัวทำละลาย วิธีนี้ไม่ได้ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือวัสดุรองรับที่เป็นของแข็ง มีการสังเกตพบว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาในน้ำเพิ่มขึ้นอย่างเด่นชัดเมื่อใช้วิธีเหนี่ยวนำด้วยอัลตราซาวนด์ ขั้นตอนที่ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมนี้ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์อย่างสะอาดและมีความเลือกจำเพาะเพิ่มขึ้น (Bandyopadhyay et al., 2012)

ผลของตัวทำละลายและการใช้อัลตราซาวนด์ทางโซโนเคมีต่อปฏิกิริยา aza-Michael ของ piperidine (1 mL) และ methyl acrylate (1 mL) ในตัวทำละลาย 1 mL
การศึกษาและตาราง: © Bandyopadhyay et al., 2012

โพรบอัลตราซาวนด์และเครื่องปฏิกรณ์สำหรับปฏิกิริยาโซโนเคมี

ฮาร์ดแวร์ที่พัฒนาอย่างซับซ้อนและซอฟต์แวร์อัจฉริยะของเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ออกแบบมาเพื่อรับประกันกระบวนการโซโนเคมีที่เชื่อถือได้ เช่น การดำเนินปฏิกิริยาการสังเคราะห์สารอินทรีย์และการเร่งปฏิกิริยาโดยให้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้และใช้งานง่าย
ระบบ Hielscher Ultrasonics ใช้กันทั่วโลกสำหรับกระบวนการโซโนเคมี รวมถึงปฏิกิริยาการสังเคราะห์สารอินทรีย์ เช่น การเติม Michael ปฏิกิริยา Mannich ปฏิกิริยา Diels-Alder และปฏิกิริยาควบคู่อีกหลายชนิด เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเชื่อถือได้ในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เคมีคุณภาพสูงโดยให้ผลได้สูง และไม่ได้ใช้เฉพาะในห้องปฏิบัติการเท่านั้น แต่ยังใช้ในการผลิตระดับอุตสาหกรรมด้วย ด้วยความทนทานและความต้องการบำรุงรักษาต่ำ เครื่องอัลตราซาวนด์ของเราจึงมักติดตั้งสำหรับงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดการใช้งานสูง
เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ Hielscher สำหรับการสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี การเร่งปฏิกิริยา การตกผลึก และปฏิกิริยาอื่น ๆ ได้รับการติดตั้งในระดับเชิงพาณิชย์ทั่วโลกแล้ว ติดต่อเราตอนนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับกระบวนการผลิตด้วยโซโนเคมีของคุณ! บุคลากรของเราที่มีประสบการณ์สูงยินดีให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเส้นทางการสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี ระบบอัลตราซาวนด์ และราคา!

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:

เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง

• 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.