Реакція Майкла, активована ультразвуком

Асиметричні реакції Майкла є типом органікаталітичних реакцій, які можуть значно вигравати від ультразвукової обробки. Реакція Майкла або приєднання Майкла широко використовується для хімічних синтезів, де зв’язки вуглець-вуглець утворюються в м’яких умовах. Ультразвукова обробка та її сонохімічні ефекти є надзвичайно ефективними для прискорення та стимулювання реакцій Майкла, що призводить до вищих виходів, значного скорочення часу реакції та водночас сприяє екологічно чистій зеленій хімії.

Сонохімія та приєднання Майкла

Сонохімія добре зарекомендувала себе своїми корисними ефектами на хімічні реакції – часто призводячи до вищих виходів, прискореної швидкості реакції, м’якших, екологічно чистих умов, а також безпечної та простої експлуатації. Це означає, що сонохімія є ефективним і нешкідливим методом активації, стимулювання та прискорення синтетичних і каталітичних хімічних реакцій. Механізм ультразвукової обробки та сонохімії базується на явищі акустичної кавітації, яке створює унікальні умови дуже високих тисків і температур через бурхливе схлопування бульбашок у рідкому середовищі. Ефекти ультразвукової або акустичної кавітації ініціюють реакції за рахунок введення високої енергії, покращують масоперенос, тим самим сприяючи хімічним перетворенням.
Реакція Майкла або приєднання Майкла – це нуклеофільне приєднання карбаніону або іншого нуклеофіла до α,β-ненасиченої карбонільної сполуки, яка містить електроноакцепторну групу. Реакція Майкла відноситься до більшого класу кон’югованих приєднань. Цінна як один із найкорисніших методів для м’якого утворення зв’язків вуглець–вуглець, реакція приєднання Майкла широко використовується для органічного синтезу різноманітних речовин. Існує багато асиметричних варіантів приєднання Майкла, які є типом органікаталітичних реакцій.

Сонокатализ та приєднання Майкла імідазолу, каталізоване основними глинами

Martin-Aranda et al. (2002) скористалися перевагами ультразвукової обробки та її сонохімічних ефектів для розробки нового маршруту синтезу N-заміщених похідних імідазолу 21 шляхом приєднання Майкла імідазолу до етилакрилату, каталізованого основними глинами, а саме монтморилонітами Li+ та Cs+. Використовуючи ультразвукову активацію, імідазол конденсували з етилакрилатом за допомогою двох основних глин – монтморилонітів Li+ та Cs+. Лужні глини, такі як монтморилоніти Li+ та Cs+, є активними та дуже селективними каталізаторами під час ультразвукової обробки, тим самим демонструючи позитивні ефекти на приєднання Майкла імідазолу до етилакрилату. Сонохімічно активований каталіз сприяє та покращує утворення N-заміщених похідних імідазолу порівняно з іншими звичайними реакціями термічного нагрівання. Конверсія зростає зі збільшенням основності глин і тривалістю ультразвукової обробки. Вихід був вищим, коли використовували монтморилоніти Cs+ порівняно з Li+, що може пояснюватися вищою основністю. (Див. схему реакції нижче)

Сонокаталітична реакція: приєднання Майкла імідазолу до етилакрилату
(схема адаптована з Mohapatra et al, 2018.)

Іншим приєднанням Майкла, активованим ультразвуком, є каталіз індолу, стимульований силіка-сірчаною кислотою. Li et al. (2006) реагували силіка-сірчану кислоту та α,β-ненасичені кетони під дією ультразвуку, щоб отримати β-індолілкетони з виходом 50–85% при кімнатній температурі.

Аза-реакції Майкла без розчинника та каталізатора

Кон’юговане приєднання амінів до кон’югованих алкенів – відоме як аза-реакція Майкла – є ключовим хімічним етапом для синтезу різноманітних складних природних продуктів, антибіотиків, a-аміноспиртів та хіральних допоміжних речовин. Показано, що ультразвукова обробка здатна стимулювати такі реакції аза-приєднання Майкла в умовах без розчинника та каталізатора.

Аза-реакцію Майкла, ініційовану ультразвуком у воді, перевірено з кількома амінами та ненасиченими кетонами, ненасиченим нітрилом та ненасиченим естером. Сонохімічно активована реакція дала високі виходи в швидкій та простій процедурі.
дослідження та таблиця: © Bandyopadhyay et al., 2012

Легке приєднання Майкла ферроценіленонів з аліфатичними амінами можна провести в сонохімічно активованій реакції без використання розчинників та каталізаторів при кімнатній температурі. Це сонохімічне приєднання Майкла може забезпечити 1-ферроценіл-3-аміно карбонільні сполуки в швидкому процесі з високими виходами, який також ефективний у аза-реакції Майкла інших α,β-ненасичених карбонільних сполук, таких як халкон, карбоновий естер тощо. Ця сонохімічна реакція не лише дуже проста та легка в поводженні, вона також є швидким, екологічно чистим і недорогим процесом, що є атрибутами зеленої хімії. (Yang et al., 2005)
Дослідницька група Баніка розробила ще одну просту, прямолінійну, швидку, водну, безкаталітичну протоколу для реакції аза-приєднання Майкла кількох амінів до α,β-ненасичених карбонільних сполук, застосовуючи ультразвукову обробку. Сонохімічно ініційоване приєднання кількох амінів до α,β-ненасичених кетонів, естерів та нітрилів було проведено дуже ефективно у воді, а також в умовах без розчинника. У цьому методі не використовувалися каталізатори або тверді носії. Помітне підвищення швидкості реакції спостерігалося у воді за допомогою методу, ініційованого ультразвуком. Ця екологічно безпечна процедура забезпечила чисте утворення продуктів з підвищеною селективністю. (Bandyopadhyay et al., 2012)

Вплив розчинників та сонохімічної обробки на аза-реакцію Майкла піперидину (1 mL) та метилакрилату (1 mL) у 1 mL розчинника.
дослідження та таблиця: © Bandyopadhyay et al., 2012

Ультразвукові зонди та реактори для сонохімічних реакцій

Складне апаратне забезпечення та розумне програмне забезпечення ультразвукових гомогенізаторів Hielscher розроблені для гарантування надійної сонохімічної обробки, напр., виконання реакцій органічного синтезу та каталізу з відтворюваними результатами та в зручному для користувача режимі.
Системи Hielscher Ultrasonics використовуються у всьому світі для сонохімічних процесів, включаючи реакції органічного синтезу, такі як приєднання Майкла, реакція Манніха, реакція Дільса–Альдера та багато інших реакцій сполучення. Доведено, що вони є надійними для синтезу високих виходів високоякісних хімічних продуктів; ультразвукові гомогенізатори Hielscher використовуються не лише в лабораторних умовах, але і в промисловому виробництві. Завдяки своїй надійності та низьким вимогам до обслуговування, наші ультразвукові гомогенізатори зазвичай встановлюються для важких умов експлуатації та в складних середовищах.
Ультразвукові процесори Hielscher для сонохімічних синтезів, каталізів, кристалізації та інших реакцій вже встановлені у всьому світі в промислових масштабах. Зв’яжіться з нами зараз, щоб обговорити ваш сонохімічний виробничий процес! Наш досвідчений персонал буде радий надати більше інформації про маршрут сонохімічного синтезу, ультразвукові системи та ціни!

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових гомогенізаторів:

Література / Посилання

• 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.