Phản ứng cộng Michael được thúc đẩy bằng siêu âm

Phản ứng Michael bất đối xứng là một loại phản ứng xúc tác hữu cơ có thể hưởng lợi rất lớn từ việc xử lý bằng siêu âm. Phản ứng Michael hay phản ứng cộng Michael được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hóa học, trong đó các liên kết cacbon–cacbon được hình thành trong điều kiện ôn hòa. Xử lý bằng siêu âm và các hiệu ứng hóa siêu âm có hiệu quả rất cao trong việc thúc đẩy và tăng cường phản ứng Michael, mang lại hiệu suất cao hơn, rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng, đồng thời góp phần phát triển hóa học xanh thân thiện với môi trường.

Hóa siêu âm và phản ứng cộng Michael

Hóa siêu âm đã được công nhận rộng rãi nhờ những tác động có lợi đối với các phản ứng hóa học – thường mang lại hiệu suất cao hơn, tốc độ phản ứng nhanh hơn, điều kiện ôn hòa hơn và thân thiện với môi trường, cũng như vận hành an toàn và đơn giản. Điều này có nghĩa là hóa siêu âm là một phương pháp hiệu quả và không gây hại để hoạt hóa, tăng cường và thúc đẩy các phản ứng tổng hợp và xúc tác hóa học. Cơ chế xử lý bằng siêu âm và hóa siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm, tạo ra các điều kiện đặc biệt với áp suất và nhiệt độ rất cao thông qua sự sụp đổ dữ dội của các bọt khí trong môi trường lỏng. Các hiệu ứng xâm thực siêu âm hay xâm thực âm khởi phát phản ứng bằng cách đưa vào năng lượng cao, cải thiện sự truyền khối, qua đó tạo thuận lợi cho các chuyển hóa hóa học.
Phản ứng Michael hay phản ứng cộng Michael là phản ứng cộng ái nhân của một carbanion hoặc một tác nhân ái nhân khác vào hợp chất cacbonyl không no α,β có chứa nhóm hút electron. Phản ứng Michael thuộc nhóm phản ứng cộng liên hợp rộng hơn. Được đánh giá là một trong những phương pháp hữu ích nhất để hình thành liên kết cacbon–cacbon trong điều kiện ôn hòa, phản ứng cộng Michael được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ nhiều loại chất. Có nhiều biến thể bất đối xứng của phản ứng cộng Michael, thuộc loại phản ứng xúc tác hữu cơ.

Xúc tác siêu âm và phản ứng cộng Michael của imidazole được xúc tác bằng đất sét có tính bazơ

Martin-Aranda và cộng sự (2002) đã tận dụng siêu âm và các hiệu ứng hóa siêu âm để phát triển một con đường tổng hợp mới cho các dẫn xuất imidazole thế ở N 21 thông qua phản ứng cộng Michael của imidazole vào ethyl acrylate, được xúc tác bằng các loại đất sét có tính bazơ, cụ thể là montmorillonite Li+ và Cs+. Khi hoạt hóa bằng siêu âm, imidazole được ngưng tụ với ethyl acrylate bằng hai loại đất sét có tính bazơ – montmorillonite Li+ và Cs+. Các loại đất sét có tính kiềm như montmorillonite Li+ và Cs+ là những chất xúc tác hoạt tính và có độ chọn lọc rất cao khi xử lý bằng siêu âm, qua đó cho thấy tác động tích cực đối với phản ứng cộng Michael của imidazole vào ethyl acrylate. Quá trình xúc tác được thúc đẩy bằng hóa siêu âm tăng cường và cải thiện sự hình thành các dẫn xuất imidazole thế ở N so với các phản ứng gia nhiệt thông thường khác. Độ chuyển hóa tăng theo tính bazơ của đất sét và thời gian xử lý bằng siêu âm. Hiệu suất khi sử dụng montmorillonite Cs+ cao hơn so với Li+, điều này có thể được giải thích bởi tính bazơ cao hơn. (Xem sơ đồ phản ứng bên dưới)

Phản ứng xúc tác siêu âm: phản ứng cộng Michael của imidazole vào ethyl acrylate
(sơ đồ được điều chỉnh từ Mohapatra và cộng sự, 2018.)

Một phản ứng cộng Michael khác được hỗ trợ bằng siêu âm là quá trình xúc tác phản ứng của indole được thúc đẩy bởi axit sulfuric trên silica. Li và cộng sự (2006) đã cho axit sulfuric trên silica phản ứng với các xeton không no α,β dưới tác động của siêu âm để thu được các β-indolylketone với hiệu suất 50–85% ở nhiệt độ phòng.

Phản ứng aza-Michael không sử dụng dung môi và chất xúc tác

Phản ứng cộng liên hợp của amin vào anken liên hợp – được gọi là phản ứng aza-Michael – là một bước hóa học then chốt trong quá trình tổng hợp nhiều sản phẩm tự nhiên phức tạp, kháng sinh, ancol a-amino và chất phụ trợ bất đối. Xử lý bằng siêu âm đã được chứng minh là có khả năng thúc đẩy phản ứng cộng aza-Michael này trong điều kiện không sử dụng dung môi và chất xúc tác.

Phản ứng aza-Michael trong nước được kích hoạt bằng siêu âm đã được thử nghiệm với một số amin và các xeton không no, nitrile không no và este không no. Phản ứng được thúc đẩy bằng hóa siêu âm cho hiệu suất cao với quy trình nhanh chóng và đơn giản.
nghiên cứu và bảng: © Bandyopadhyay và cộng sự, 2012

Phản ứng cộng Michael đơn giản của ferrocenylenone với các amin béo có thể được thực hiện bằng phản ứng được thúc đẩy bởi hóa siêu âm mà không sử dụng dung môi và chất xúc tác ở nhiệt độ phòng. Phản ứng cộng Michael bằng hóa siêu âm này có thể tạo ra các hợp chất cacbonyl 1-ferrocenyl-3-amino trong một quá trình nhanh chóng với hiệu suất cao; phương pháp này cũng hiệu quả đối với phản ứng aza-Michael của các hợp chất cacbonyl không no α,β khác như chalcone, este cacboxylic, v.v. Phản ứng hóa siêu âm này không chỉ rất đơn giản và dễ thao tác mà còn là một quá trình nhanh chóng, thân thiện với môi trường và ít tốn kém, vốn là những đặc tính của hóa học xanh. (Yang và cộng sự, 2005)
Nhóm nghiên cứu của Banik đã phát triển một quy trình khác đơn giản, dễ thực hiện, nhanh chóng, không sử dụng chất xúc tác và có nước làm môi trường cho phản ứng cộng aza-Michael của một số amin vào các hợp chất cacbonyl không no α,β bằng cách áp dụng siêu âm. Phản ứng cộng của một số amin vào các xeton, este và nitrile không no α,β được kích hoạt bằng hóa siêu âm đã được thực hiện rất hiệu quả trong nước cũng như trong điều kiện không sử dụng dung môi. Phương pháp này không sử dụng chất xúc tác hay chất mang rắn. Đã quan sát thấy tốc độ phản ứng tăng đáng kể trong nước khi áp dụng phương pháp kích hoạt bằng siêu âm. Quy trình thân thiện với môi trường này tạo ra các sản phẩm sạch với độ chọn lọc được cải thiện. (Bandyopadhyay và cộng sự, 2012)

Ảnh hưởng của dung môi và xử lý hóa siêu âm đối với phản ứng aza-Michael của piperidine (1 mL) và methyl acrylate (1 mL) trong 1 mL dung môi.
nghiên cứu và bảng: © Bandyopadhyay và cộng sự, 2012

Đầu dò siêu âm và thiết bị phản ứng cho các phản ứng hóa siêu âm

Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của các thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để bảo đảm quá trình xử lý hóa siêu âm đáng tin cậy, ví dụ như thực hiện các phản ứng tổng hợp hữu cơ và xúc tác với kết quả có thể tái lập và cách vận hành thân thiện với người dùng.
Các hệ thống của Hielscher Ultrasonics được sử dụng trên toàn thế giới cho các quá trình hóa siêu âm, bao gồm các phản ứng tổng hợp hữu cơ như phản ứng cộng Michael, phản ứng Mannich, phản ứng Diels-Alder và nhiều phản ứng ghép cặp khác. Đã được chứng minh là đáng tin cậy trong việc tổng hợp các sản phẩm hóa học chất lượng cao với hiệu suất cao, các thiết bị siêu âm Hielscher không chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm mà còn trong sản xuất công nghiệp. Nhờ độ bền và nhu cầu bảo trì thấp, các thiết bị siêu âm của chúng tôi thường được lắp đặt cho các ứng dụng cường độ cao và trong những môi trường khắc nghiệt.
Các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher dành cho tổng hợp hóa siêu âm, xúc tác, kết tinh và các phản ứng khác đã được lắp đặt ở quy mô thương mại trên toàn thế giới. Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để thảo luận về quy trình sản xuất bằng hóa siêu âm của bạn! Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẵn lòng chia sẻ thêm thông tin về con đường tổng hợp hóa siêu âm, các hệ thống siêu âm và giá cả!

Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.