Ultrasonik Olarak Desteklenen Michael Katılma Reaksiyonu

Asimetrik Michael reaksiyonları, sonikasyondan büyük ölçüde yararlanabilen bir organokatalitik reaksiyon türüdür. Michael reaksiyonu veya Michael katılması, karbon–karbon bağlarının ılımlı koşullarda oluşturulduğu kimyasal sentezlerde yaygın olarak kullanılır. Ultrasonikasyon ve sonokimyasal etkileri, Michael reaksiyonlarını ilerletmede ve desteklemede son derece etkilidir; daha yüksek verimler ve önemli ölçüde kısalan reaksiyon süreleri sağlarken aynı zamanda çevre dostu yeşil kimyaya katkıda bulunur.

Sonokimya ve Michael Katılması

Sonokimyanın kimyasal reaksiyonlar üzerindeki yararlı etkileri iyi bilinmektedir – bu etkiler çoğu zaman daha yüksek verimler, artan reaksiyon hızı, daha ılımlı ve çevre dostu koşullar ile güvenli ve basit çalışma sağlar. Bu, sonokimyanın sentetik ve katalitik kimyasal reaksiyonları etkinleştirmek, desteklemek ve ilerletmek için verimli ve zararsız bir yöntem olduğu anlamına gelir. Ultrasonik işlemenin ve sonokimyanın mekanizması, sıvı bir ortamda kabarcıkların şiddetle çökmesi yoluyla çok yüksek basınç ve sıcaklıkların meydana geldiği benzersiz koşullar oluşturan akustik kavitasyon olgusuna dayanır. Ultrasonik veya akustik kavitasyonun etkileri, yüksek enerji sağlayarak reaksiyonları başlatır ve kütle transferini iyileştirir; böylece kimyasal dönüşümleri kolaylaştırır.
Michael reaksiyonu veya Michael katılması, bir karbanyonun veya başka bir nükleofilin, elektron çekici bir grup içeren α,β-doymamış bir karbonil bileşiğine nükleofilik katılmasıdır. Michael reaksiyonu, daha geniş bir sınıf olan konjuge katılmalar içinde yer alır. Karbon–karbon bağlarının ılımlı koşullarda oluşturulması için en yararlı yöntemlerden biri olarak değerlendirilen Michael katılması, çok çeşitli maddelerin organik sentezinde yaygın olarak kullanılır. Michael katılmasının, bir organokatalitik reaksiyon türü olan birçok asimetrik varyantı vardır.

Sonokataliz ve Bazik Kil Katalizli İmidazol Michael Katılması

Martin-Aranda et al. (2002), bazik killerin, yani Li+ ve Cs+ montmorillonitlerinin katalizlediği imidazolün etil akrilata Michael katılması yoluyla N-sübstitüe imidazol türevleri 21 için yeni bir sentez yolu geliştirmek amacıyla ultrasonikasyondan ve sonokimyasal etkilerinden yararlandı. Ultrasonik etkinleştirme altında imidazol, iki bazik kil – Li+ ve Cs+ montmorillonitleri – kullanılarak etil akrilat ile kondense edildi. Li+ ve Cs+ montmorillonitleri gibi alkali killer, sonikasyon altında aktif ve çok seçici katalizörlerdir ve böylece imidazolün etil akrilata Michael katılması üzerinde olumlu etkiler gösterir. Sonokimyasal olarak desteklenen kataliz, diğer geleneksel termal ısıtma reaksiyonlarıyla karşılaştırıldığında N-sübstitüe imidazol türevlerinin oluşumunu destekler ve iyileştirir. Dönüşüm, killerin bazikliği ve ultrasonikasyon süresi arttıkça artar. Cs+ montmorillonitleri kullanıldığında verim, Li+ montmorillonitlerine kıyasla daha yüksekti; bu durum daha yüksek baziklikle açıklanabilir. (Aşağıdaki reaksiyon şemasına bakın)

Sonokatalitik reaksiyon: İmidazolün etil akrilata Michael katılması
(şema Mohapatra et al, 2018.’den uyarlanmıştır.)

Ultrason destekli bir diğer Michael katılması, silika sülfürik asidin desteklediği indol katalizidir. Li et al. (2006), oda sıcaklığında %50–85 verimle β-indolilketonlar elde etmek amacıyla silika sülfürik asidi ve α,β-doymamış ketonları ultrasonikasyon altında reaksiyona soktu.

Çözücüsüz ve Katalizörsüz Aza-Michael Reaksiyonları

Aminlerin konjuge alkenlere konjuge katılması – aza-Michael reaksiyonu olarak bilinir – çeşitli kompleks doğal ürünlerin, antibiyotiklerin, a-amino alkollerin ve kiral yardımcıların sentezi için temel bir kimyasal adımdır. Ultrasonikasyonun, bu tür bir aza-Michael katılma reaksiyonunu çözücüsüz ve katalizörsüz bir ortamda destekleyebildiği gösterilmiştir.

Suda ultrasonla indüklenen aza-Michael reaksiyonu, çeşitli aminler ve doymamış ketonlar, doymamış nitril ve doymamış ester ile test edilmiştir. Sonokimyasal olarak desteklenen reaksiyon, hızlı ve basit bir prosedürle yüksek verimler vermiştir.
çalışma ve tablo: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ferrosenilenonların alifatik aminlerle kolay bir Michael katılması, oda sıcaklığında çözücü ve katalizör kullanılmadan sonokimyasal olarak desteklenen bir reaksiyonla gerçekleştirilebilir. Bu sonokimyasal Michael katılması, yüksek verimler veren hızlı bir süreçle 1-ferrosenil-3-amino karbonil bileşikleri elde edilmesini sağlayabilir; bu süreç, kalkon, karboksilik ester vb. diğer α,β-doymamış karbonil bileşiklerinin aza-Michael reaksiyonunda da etkilidir. Bu sonokimyasal reaksiyon çok basit ve uygulanması kolay olmasının yanı sıra hızlı, çevre dostu ve düşük maliyetli bir süreçtir; bunlar yeşil kimyanın özellikleridir. (Yang et al., 2005)
Banik’in araştırma grubu, ultrasonikasyon uygulayarak çeşitli aminlerin α,β-doymamış karbonil bileşiklerine aza-Michael katılma reaksiyonu için basit, doğrudan, hızlı, su aracılı ve katalizörsüz başka bir protokol geliştirdi. Çeşitli aminlerin α,β-doymamış ketonlara, esterlere ve nitrillere sonokimyasal olarak indüklenen katılması, hem suda hem de çözücüsüz koşullarda çok verimli bir şekilde gerçekleştirildi. Bu yöntemde hiçbir katalizör veya katı destek kullanılmadı. Ultrasonla indüklenen yöntemde, suda reaksiyon hızında kayda değer bir artış gözlendi. Çevreye zararsız bu prosedür, ürünlerin artan seçicilikle temiz bir şekilde oluşmasını sağladı. (Bandyopadhyay et al., 2012)

1 mL çözücü içinde piperidin (1 mL) ve metil akrilatın (1 mL) aza-Michael reaksiyonu üzerinde çözücülerin ve sonokimyasal işlemin etkileri.
çalışma ve tablo: © Bandyopadhyay et al., 2012

Sonokimyasal Reaksiyonlar için Ultrasonik Problar ve Reaktörler

Hielscher sonikatörlerinin gelişmiş donanımı ve akıllı yazılımı, örneğin organik sentez ve kataliz reaksiyonlarının tekrarlanabilir sonuçlarla ve kullanıcı dostu bir şekilde gerçekleştirilmesi gibi güvenilir sonokimyasal işlemleri garanti etmek üzere tasarlanmıştır.
Hielscher Ultrasonics sistemleri, Michael katılmaları, Mannich reaksiyonu, Diels-Alder reaksiyonu ve diğer birçok eşleşme reaksiyonu gibi organik sentez reaksiyonlarını içeren sonokimyasal süreçlerde dünya çapında kullanılır. Yüksek kaliteli kimyasal ürünlerin yüksek verimle sentezinde güvenilir oldukları kanıtlanmış olan Hielscher sonikatörleri, laboratuvar ortamlarının yanı sıra endüstriyel üretimde de kullanılır. Sağlamlıkları ve düşük bakım gereksinimleri nedeniyle sonikatörlerimiz, ağır hizmet uygulamalarında ve zorlu ortamlarda yaygın olarak kurulur.
Sonokimyasal sentezler, katalizler, kristalizasyon ve diğer reaksiyonlar için Hielscher ultrasonik işlemcileri, dünya çapında ticari ölçekte hâlihazırda kurulmuş durumdadır. Sonokimyasal üretim sürecinizi görüşmek için hemen bizimle iletişime geçin! Deneyimli personelimiz, sonokimyasal sentez yolu, ultrasonik sistemler ve fiyatlandırma hakkında daha fazla bilgi paylaşmaktan memnuniyet duyacaktır!

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir:

Literatür / Kaynaklar

• 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.