Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp Decane-2,3-Dione từ Acrolein

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM ------------ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP DECANE-2,3-DIONE TỪ ACROLEIN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGHÀNH: HÓA HỮU CƠ KHÓA: 2009 – 2013 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S ĐẶNG CHÍ HIỀN SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN VĂN HẢI TP.HCM Tháng 05 – 2013 Mục Lục Mở Đầu........................................................................................................................ 5 Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................ 7 1.1 PHEROMONE ............................................................................................... 7 1.1.1 Khái niệm ................................................................................................. 7 1.1.2 Phân loại [3,4,9,10] .................................................................................. 7 1.1.3 Cấu trúc pheromone [8,9,10]. .................................................................. 9 1.1.4 Những thành tựu trong lĩnh vực tổng hợp pheromone .......................... 10 1.1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pheromone trên thế giới ................ 11 1.1.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pheromone ở Việt Nam ................. 12 1.2 PHẢN ỨNG GRIGNARD ........................................................................... 13 1.2.1 Phản ứng Grignard ................................................................................. 13 1.2.2 Tác chất Grignard .................................................................................. 13 1.2.3 Phản ứng ghép cặp Grignard[2,9] .......................................................... 15 1.3 Phản Ứng Epoxy Hóa ................................................................................... 16 1.4 Phản Ứng Khử Các Epoxit (oxiran) Bằng Lithi Nhôm Hidrua .................... 18 1.5 Các Phản Ứng Đehidro Hóa Và Oxi Hóa Ancol [9] .................................... 19 1.6 Tình Hình Sản Xuất Cà Phê Và Sâu Bệnh Hại Cây Cà Phê ........................ 22 1.6.1 Tình hình sản xuất cà phê của thế giới .................................................. 22 1.6.2 Sâu bệnh chính hại cây cà phê ............................................................... 23 1.6.3 Đặc điểm sinh thái học côn trùng .......................................................... 24 1.7 Pheromone Giới Tính Của Sâu Đục Thân Cà Phê Mình Trắng (Xylotrechus quadripes Chevrolat) ........................................................................................................ 24 1.7.1 Pheromone giới tính của sâu đục thân cà phê (Xylotrechus quadripes Chevrolat) ............................................................................................................... 24 1.7.2 Các công trình nghiên cứu pheromone trước đây.................................. 25 Chương 2 NGHIÊN CỨU ......................................................................................... 29 2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................... 29 2.1.1 Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 29 2.1.2 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 31 1.2 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 33 2.2.1 Nghiên cứu tổng hợp allyl ancol từ acrolein ............................................ 33 2.2.2 Tổng hợp 1-(oxiran-2-yl)octan-1-ol ......................................................... 38 2.2.3 Tổng hợp 2,3-decandiol ........................................................................... 43 2.2.4 Tổng hợp 2,3-decandione ............................................................................. 47 Chương 3 THỰC NGHIỆM ...................................................................................... 51 3.1 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT THÍ NGHIỆM ............................... 51 3.1.1 Thiết bị và dụng cụ ................................................................................... 51 3.1.2 Hóa chất ................................................................................................... 51 3.1.3 Tinh chế một số hóa chất ......................................................................... 53 3.2 TỔNG HỢP CÁC HỢP CHẤT....................................................................... 53 3.2.1 Tổng hợp n-heptyl bromua ....................................................................... 53 3.2.2 Tổng hợp 1-decen-3-ol theo phản ứng Grignard ..................................... 54 3.2.3 Tổng hợp 1,2-epoxy-3-decanol.(3) .......................................................... 54 3.2.4 Tổng hợp 2,3-decanediol.......................................................................... 55 3.2.5 Tổng hợp 2,3-decanedione ....................................................................... 56 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 56 KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 59 PHỤ LỤC .................................................................. Error! Bookmark not defined. Mở Đầu Hiện nay, cây cà phê được trồng tại hơn 75 quốc gia trên thế giới với diện tích trên 10 triệu hecta và sản lượng hàng năm biến động trên dưới 6 triệu tấn. Cà phê là một trong những thức uống thông dụng toàn cầu, nhu cầu đòi hỏi của người tiêu dùng không ngừng tăng lên, chưa có những sản phẩm nhân tạo được chấp nhận để thay thế cho cà phê, vì vậy việc trồng, xuất khẩu, nhập khẩu loại hàng hóa đặc biệt này vẫn có một ý nghĩa kinh tế lớn đối với nhiều nước, Vấn đề quan trọng cần có nhận thức đầy đủ là: sản phẩm cà phê đem ra thị trường phải đảm bảo chất lượng. Ở nước ta, cây cà phê là 1 loại cây công nghiệp có giá trị lớn, và được trồng nhiều ở vùng Tây Nguyên và đã đem lại nhiều lợi ích cho người dân và góp phần phát triển đất nước. Tuy nhiên, hiện nay, do tình trạng sâu bệnh phát triển, đặc biệt là sâu đục thân, làm ảnh hưởng không nhỏ đến năng suất cây trồng tại đây. Sự phun thuốc trừ sâu bừa bãi của người dân, không theo quy hoạch sẽ làm tàn dư thuốc bảo vệ tăng cao, gây ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe người tiêu dùng. Vậy làm thế nào để người dân vừa tiêu diệt được dịch bệnh mà không ảnh hưởng gì đến sức khỏe người tiêu dùng. Thứ nhất đó là khuyến cáo người dân phun thuốc bảo vệ thực vật đúng liều lượng, thu hoạch sản phẩm sau khi đã đủ thời gian ngưng sử dụng thuốc. Thứ hai, dùng 1 phương pháp tiên tiến, hiệu quả hơn đó là dùng chất dẫn dụ hay còn gọi là pheromone sinh vât. Với việc sử dụng pheromone thì chúng ta vừa tiêu diệt được sâu hại trên cơ sở dẫn dụ sâu hại đến và tiêu diệt mà không cần phải phun trực tiếp như các thuốc hóa học thông thường nên không ảnh hưởng gì đến hàm lượng hóa chất trong cây trồng Pheromone của sâu đục thân cà phê mình trắng Xylotrechus quadripes có nhiều loại. Chúng tôi chọn tổng hợp 2,3-decanedione, việc đem vào ứng dụng thực tiễn sẽ có lợi về mặt kinh tế. Từ những yêu cầu trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp DECAN-2,3-DIONE TỪ ACROLEIN”. Nhằm tạo ra một loại pheromone của sâu đục thân cây cà phê, từ đó tạo nền tảng để sản xuất pheromone sâu đục thân cây cà phê, áp dụng vào thưc tế để tăng giá trị kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu tổng hợp decan-2,3-dione –một thành phần pheromone của sâu đục thân cây cà phê mình trắng, góp phần ứng dụng vào công tác kiểm soát dịch hại mà không gây ô nhiễm môi sinh, tạo nên một nền nông nghiệp xanh. Nội dung đề tài - Tổng hợp decan-2,3-dione từ những nguyên liệu dễ tìm mua hoặc có thể tổng hợp được trong điều kiện của Việt Nam như acrolein và heptanbromua. - Phản ứng quan trọng là phản ứng ghép Grignard trong dung môi THF, được tiến hành dưới điều kiện siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất và rút ngắn thời gian phản ứng. Và phản ứng epoxy hóa bất đối xứng Sharpless. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ứng dụng phương pháp và kỹ thuật mới trong tổng hợp hữu cơ như siêu âm trong tổng hợp pheromone giới tính của sâu đục thân cây cà phê mình trắng (Xylotrechus quadripes Chevrolat)”, góp phần làm đa dạng và phong phú nguồn chế phẩm có hoạt tính sinh học phục vụ nông nghiệp. Kết quả nghiên cứu còn góp phần tìm hiểu sâu hơn về pheromone decan-2,3-dione, vừa là cơ sở khoa học đồng thời là dữ liệu để ứng dụng trong việc phòng trừ và kiểm soát dịch hại mà không gây ô nhiễm môi trường. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 PHEROMONE 1.1.1 Khái niệm Pheromone là hợp chất dễ bay hơi có hoạt tính sinh học cao lại được tiết ra môi trường ngoài cơ thể, nhờ không khí vận động mà nó được truyền đến các cơ quan cảm giác của cơ thể khác để gây nên tác dụng. Chúng được các nhà khoa học nghiên cứu từ thế kỷ XX. Đến nay đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu sâu và có nhiều ứng dụng. Karlson và Lüscher (1959) đã đưa ra thuật ngữ pheromone. Thuật ngữ này là một từ ghép bắt nguồn từ hai chữ Hy Lạp: pherein có nghĩa là mang đi, truyền đi và hormone có nghĩa là kích thích. [3,4] Pheromone, theo định nghĩa của Karlson và Lüscher (1959) là một chất được tiết ra môi trường bên ngoài từ một cá thể và được nhận biết ở một cá thể thứ hai cùng loài, ở đây xảy ra một phản ứng đặc trưng, thí dụ nó giải quyết những tập tính nhất định hoặc một phản ứng sinh lý nhất định.[4] 1.1.2 Phân loại [3,4,9,10] 1.1.2.1 Nhóm các pheromone có tác dụng hấp dẫn Thuộc nhóm này là những pheromone gây nên tác dụng hóa hướng động dương đối với con vật. Trong nhóm này bao gồm các loại pheromone như sau: Pheromone tập hợp Là một loại pheromone có chức năng như một yếu tố để tập hợp các cá thể của cả hai giới đực và cái. Đặc biệt khi bị tấn công, việc tập hợp rõ ràng mang tính chất bảo vệ cao. Việc tồn tại các pheromone tập hợp là cần thiết cho nhiều loài côn trùng, đặc biệt những loài côn trùng sống thành xã hội, nửa xã hội hoặc có quan hệ tạo tổ hay nơi trú ngụ tạm thời. Pheromone giới tính Bao gồm các chất do con cái hay con đực tiết ra nhằm hấp dẫn bạn đời. Các loại pheromone giới tính rất đặc trưng cho từng loài côn trùng và có tác dụng rất mạnh, chúng đóng một vai trò quan trọng trong đời sống côn trùng. Các pheromone giới tính cũng thuộc trong hệ thống affine, về hình thức là một sự tập hợp nhưng nội dung lại là những kích thích làm tăng việc chuẩn bị sẵn sàng giao phối. Trong những năm gần đây, pheromone giới tính được đặc biệt nghiên cứu mạnh mẽ không chỉ xác định bản chất sinh học của chúng, mà còn đi sâu phân tích cơ chế tác dụng sinh lý của chúng cũng như nghiên cứu cách tổng hợp nhân tạo để đưa ra ứng dụng. Việc sản sinh ra pheromone thường có liên hệ chặt chẽ với hoạt động sinh dục của con cái. Mặt khác, cường độ phản ứng của con đực đối với pheromone giới tính còn được thể hiện theo nhịp điệu thời gian nhất định. Pheromone đánh dấu đường đi hay địa điểm Pheromone này cũng thuộc vào nhóm các chất có tác dụng thu hút cá thể, thuộc hệ thống affine, chỉ có một điều khác biệt là “kẻ phát tin” lại không có mục đích cần gắn liền với “con vật nhận tin”. Các tín hiệu bằng hóa hoc (pheromone) được để lại trên đường đi (pheromone đánh dấu đường đi) hay để lại ở một nơi nhất định (pheromone đánh dấu địa điểm). 1.1.2.2 Nhóm các pheromone có tác dụng xua đuổi Thuộc nhóm này là những pheromone gây nên tác dụng hóa hướng động âm đối với con vật. Trong nhóm này bao gồm các loại pheromone như sau: Pheromone báo động Chất báo động còn được gọi là “chất sơ tán”, chức năng chủ yếu là “báo động” cho đồng bọn khi có các yếu tố gây nguy hiểm cho chúng từ môi trường ngoài. Chất này được chủ động tạo ra tùy theo mức độ “bị gây rối loạn” hay sau khi con vật bị thương. Chúng đặc biệt có ý nghĩa ở những côn trùng sống thành xã hội hoặc sống nửa xã hội. Pheromone phân tán Trong khi sự tập hợp đưa đến hệ thống affine thì các yếu tố pheromone phân tán lại tạo ra hệ thống diffuse, tức là làm cho các cá thể “xa cách” nhau. Ở hàm lượng nhỏ thì chất này có tác dụng hấp dẫn (appellent), còn khi ở nồng độ cao hơn sẽ hình thành có tính chất quy luật, một khoảng cách xác định giữa các con vật; còn nếu ở những nồng độ cao hơn nữa thì chất này là chất gây tác dụng xua đuổi (repellent). Pheromone xua đuổi và pheromone bảo vệ Ngược với chức năng của pheromone báo động, pheromone xua đuổi chủ yếu làm chức năng bảo vệ khỏi sự tấn công và ăn thịt của kẻ thù, đồng thời những chất này cũng được phân biệt với các chất phân tán điển hình bởi ý nghĩa tác dụng sinh học của nó trong đời sống con vật. Vì thế, loại hình pheromone này còn được gọi là pheromone bảo vệ. 1.1.3 Cấu trúc pheromone [8,9,10]. Cho đến nay, không phải người ta đã biết đầy đủ cấu trúc hóa học của tất cả các pheromone đã được tìm ra từ các kết quả thí nghiệm sinh học. Khó khăn cơ bản ở đây là các pheromone có rất ít trong cơ thể sinh vật. Do vậy, để chiết suất và phân tích chúng hoàn toàn không dễ dàng. Hầu hết những pheromone đã được nghiên cứu cho thấy chúng là các rượu, acid mỡ (chủ yếu là acid mỡ đối với mạch carbon có nối đôi); một số khác là các alkaloid và các dẫn suất của alkaloid. Về cấu trúc hóa học, cho đến nay mới phát hiện được một số pheromone và căn cứ vào các dạng cấu trúc hóa học này, bằng phương pháp tổng hợp nhân tạo đã có một số chế phẩm pheromone được đem ứng dụng vào thực tế của công tác phòng chống côn trùng gây hại. Mặc dù chỉ với nồng độ ≤ 10-12 g, người ta vẫn xem chúng là một trong những chất có hoạt tính sinh học mạnh nhất mà con người phát hiện ra. Thành phần hóa học của pheromone rất đa dạng, có thể là: các hợp chất mạch thẳng chứa một vài nối đôi; các hợp chất dị vòng; các lactone vòng 5, 6, …. Ngoài ra, còn có các hợp chất có chứa carbon bất đối xứng, sự hiện diện của các carbon bất đối xứng này khiến cho việc nghiên cứu, cô lập, tổng hợp cấu trúc của pheromone càng phức tạp hơn. Khi đó hoạt tính dẫn dụ côn trùng không chỉ phụ thuộc vào công thức nguyên, cấu trúc hình học mà còn phụ thuộc vào độ sạch quang học của các tâm bất đối xứng. 1.1.4 Những thành tựu trong lĩnh vực tổng hợp pheromone Trong tổng hợp hữu cơ nói chung, tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học (pheromone) nói riêng, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu đa dạng phong phú và được ứng dụng rộng rãi. Theo tổng kết của K. Mori thì từ giữa năm 1990 đến đầu năm 2003 trên thế giới người ta đã áp dụng bốn loại phản ứng trong tổng hợp pheromone: thứ nhất là phản ứng cơ Boran; thứ hai là hóa học cơ kim loại của kim loại chuyển tiếp bao gồm chuyển vị olefine; thứ ba là epoxide bất đối xứng, hydroxyl hóa bất đối xứng và những quá trình bất đối xứng khác và cuối cùng là xúc tác sinh học lựa chọn lập thể. [3,8,10]. Tuy nhiên, ngoài những phương pháp trên người ta còn sử dụng các phương pháp khác trong tổng hợp pheromone đặc biệt là những pheromone bất bão hòa dạng monoene, diene liên hợp hoặc không liên hợp. Chúng được sử dụng trong những phản ứng tạo nối đôi như: phản ứng Wittig; tạo hợp chất acetylenic rồi sau đó khử hợp chất acetylenic thành alkene; phản ứng chuyển vị allyl; sử dụng tác chất lithium cuprate bằng cách tác dụng với hợp chất epoxide hoặc tác dụng với acetylene hoặc hợp chất dạng acetylenic. Bên cạnh đó các nhà khoa học còn sử dụng ngay cả những chất nền có sẵn cấu hình (Z) hoặc (E) để tổng hợp. Cùng với sự phát triển của thế giới, ở Việt Nam lĩnh vực tổng hợp pheromone cũng có những bước phát triển, nhóm nghiên cứu đi đầu trong lĩnh vực này với sự chủ trì của GS.TSKH Nguyễn Công Hào đã có những thành tựu đáng kể. Một số công trình nghiên cứu đã được công bố. Hormone sâu non: JH-1 COOCH3 JH-1 O Pheromone và chất dẫn dụ côn trùng như pheromone côn trùng hại rau, côn trùng hại màu, côn trùng hại cây ăn trái, côn trùng hại rừng. Ví dụ: (Z)-11-hexadecenol - pheromone của sâu tơ Plutella xylostella. (Z)-3-dodecen-1-ol-(E)-2-butenoate - pheromone của bọ hà khoai lang Cylasformicarius. ethyl 4-methyloctanoate - pheromone của kiến vương hại dừa Oryctes rhinoceros L. (2S,3S)-2-acetoxy-3,7-dimethylpentadecane - pheromone của ong cắn lá thông Neodiprion lecontei. 1.1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pheromone trên thế giới Hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng pheromone đã phát triển mạnh mẽ và phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Tại Anh, Pháp, Đức, Mỹ nhiều sản phẩm pheromone tổng hợp đã được sử dụng và công nghiệp hóa gần 20 năm nay, chủ yếu là để phát hiện và dự tính dự báo. Riêng tại Pháp, pheromone tổng hợp đã được sử dụng để dự tính dự báo trên 25 loài côn trùng gây hại phổ biến cho nhiều loại cây trồng. Đặc biệt, pheromone giới tính của hơn 20 loài bướm đã được thương mại hóa dưới hình thức chất quấy rối sự bắt cặp. Ngày nay, trên thế giới việc cung ứng pheromone trong việc quản lý côn trùng gây hại ngày trở nên phổ biến và đa dạng hơn với nhiều hướng khác nhau như: Phát hiện sự hiện diện và xác định vùng nhiễm côn trùng: Việc sử dụng pheromone trong chiến lược quản lý dịch hại tổng hợp (IPM) cho việc kiểm dịch thực vật trước khi nhập nội một loại cây trồng mới là điều cần thiết và phù hợp với xu hướng hiện nay của thế giới. Đây là biện pháp ngăn ngừa sự xâm nhập các loài côn trùng gây hại từ nước ngoài vào trong nước, hoặc lây lan giữa các vùng trong nước và là công việc hết sức quan trọng của bất cứ một quốc gia nào. [13]. Sử dụng làm công cụ khảo sát sự biến động quần thể: Pheromone giới tính của cá thể cái có tác dụng hấp dẫn mạnh mẽ đối với cá thể đực trong cùng một loài. Do đó, việc sử dụng chúng như là một công cụ theo dõi sự xuất hiện và đánh giá mức độ biến động mật số quần thể gây hại trong chiến lược quản lý dịch hại tổng hợp (IPM) là hết sức cần thiết. Sử dụng làm công cụ phòng trị bằng biện pháp bẫy tập hợp: Biện pháp sử dụng bẫy pheromone làm bẫy tập hợp đã được nghiên cứu và áp dụng trên 98 loài côn trùng gây hại, trong đó có 45 loài thuộc Bộ cánh vẩy, 39 loài thuộc Bộ cánh cứng và một số loài thuộc những Bộ khác. Quấy rối sự bắt cặp: Cho đến nay, đã có khoảng 140 loài côn trùng gây hại được quản lý nhờ áp dụng biện pháp quấy rối sự bắt cặp. Trong đó, Bộ cánh vẩy chiếm đa số với 121 loài, Bộ cánh cứng 9 loài. 1.1.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pheromone ở Việt Nam Ở Việt Nam, pheromone giới tính là một lĩnh vực tương đối mới với số lượng nghiên cứu còn hạn chế. Tại Đồng Bằng Sông Cửu Long, thử nghiệm ngẫu nhiên ngoài đồng đã xác định được chất hấp dẫn giới tính của 19 loài bướm. Trong đó, có 4 loài bướm thuộc họ Noctuidae, họ phụ Plusiinae là những loài bướm sâu hại rau màu. Diễn biến mật số quần thể của 3 trong 4 loài bướm này đã được ghi nhận. Tại Hải Dương, thí nghiệm đặt 400 bẫy pheromone/hecta cho thấy khả năng khống chế sâu tơ (Plutella xylostella Linnaeus, Lepidoptera: Plutellidae) và sâu ăn tạp (Spodoptera litura Fabricius, Lepidoptera: Noctuidae) mà không cần phải phun thuốc trừ sâu.14 Những kết quả trên cho thấy tính khả thi của việc ứng dụng pheromone giới tính trong phòng trị sâu hại theo hướng hạn chế hoặc thay thế thuốc trừ sâu hóa học ở Việt Nam. Các thí nghiệm về khả năng hấp dẫn của pheromone đối với một số đối tượng sâu hại trên rau hoa thập tự, cà chua, nho, hành tây, hành ta, dưa hấu, lạc và vải thiều được tiến hành tại Hà Nội, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Phòng và nhiều địa phương khác (diện tích mỗi điểm triển khai 5-10 hecta/vụ). Kết quả ghi nhận số lượng bướm sâu tơ (Plutella xylostella), sâu ăn tạp (Spodoptera litura), sâu xanh (Helicoverpa armigera) và sâu xanh da láng (Spodoptera exigua) vào bẫy khá lớn (125,8-139,2 con/bẫy/ngày), riêng sâu đục cuống quả vải (Camellia sinensis) thì rất ít (7,6 con/bẫy/ngày). Năm 2003 đã triển khai áp dụng với tổng diện tích 656,8 hecta tại 9 tỉnh trong cả nước, phòng trừ 6 loại sâu trên 7 loại cây trồng là rau hoa thập tự, hành tây, cà chua, lạc, dưa hấu, nho và vải thiều. Trong đó, cây trồng áp dụng pheromone lớn nhất là rau hoa thập tự với tổng diện tích 245 hecta.14 1.2 PHẢN ỨNG GRIGNARD 1.2.1 Phản ứng Grignard Phản ứng Grignard được biết đến đầu tiên vào năm 1899, do Barbier nghiên cứu [32]. Khi đó, Barbier thực hiện phản ứng giữa xeton với magie kim loại có mặt iodometan trong eter tạo ra alcol. Đến năm 1900, phản ứng này mới được nghiên cứu kĩ về quá trình tạo tác chất cũng như sự ghép cặp của chúng và được công bố bởi Victi Grignard (học trò của Barbier). Với những ứng dụng và phát triển rộng rãi trong việc nối dài mạch cacbon đã giúp V. Grignard nhận giải thưởng Nobel vào năm 1912. Ngày nay, phản ứng Grignard đóng vai trò hết sức quan trọng trong hóa học hữu cơ nói chung và tổng hợp hữu cơ nói riêng. 1.2.2 Tác chất Grignard 1.2.2.1 Điều chế và tính chất Tác chất Grignard (RMgX) được điều chế từ dẫn xuất halogenur alkyl (RX) với Magie kim loại (Mg0) trong dung môi eter hoặc THF. R X + Mg eter hay THF R MgX Trường hợp trong quá trình điều chế tác chất grignard là sự tự ghép của RX tạo ra hợp chất tương ứng R – R. Về bản chất, tác chất Grignard rất khó phản ứng với alkyl halogenur, trừ các halogenur có hoạt tính mạnh như iodometan, allyl halogenur, benzyl halogenur. Để tránh trường hợp này, trong quá trình tạo tác chất cần nhỏ giọt chậm dung dịch halogenur vào Mg kim loại. Về cơ chế, phản ứng tạo tác chất Grignard xảy ra theo cơ chế gốc tự do. [31] 2R X + Mg R R + MgX2 + MgX2 2 MgX MgX R + R X + R Mg + MgX MgX2 R Mg X Điều quan trọng nhất của tác chất Grignard là sự trái ngược giữa liên kết C–X và C–Mg–X. Một liên kết C–X thông thường thì cacbon có tính thân điện tử, còn trong tác chất Grignard, cacbon lại có tính thân hạch. Vì thế, tác chất Grignard đóng vai trò như một cacbanion, có tính bazo rất mạnh (pK a = 25 – 40). Trong tất cả các loại tác chất Grignard thì metylmagiesium halogenur mạnh nhất, còn tác chất Grignard của vinyl và allyl yếu nhất. Trong khi đó, tính bazo của RMgCl lại mạnh hơn RMgBr. 1.2.2.2 Ảnh hưởng của dung môi Hiện nay, người ta vẫn biểu diễn dẫn xuất Grignard dưới dạng R – Mg – X. cấu tạo thực của chúng phức tạp hơn nhiều. [9] Trong dung dịch, tác chất Grignard không những tồn tại dạng monomer (RMgX) mà luôn xuất hiện một cân bằng giữa monomer, dime và trimer. Tùy theo loại dung môi mà nồng độ chúng cao hay thấp. Dạng monomer chiếm ưu thế khi ở nồng độ thấp tỏng dung môi nucleophin và đối với dẫn xuất bromua, iodua. Khi tăng nồng độ hợp chất cơ magie đối với dẫn xuất clorua thì chúng chuyển sang dạng dime (R 2 Mg 2 X 2 ) và polime. Trong dung dịch của hợp chất cơ magie trong ete có sự cân bằng giữa một số dạng khác nhau với các liên kết cộng hóa trị, liên kết ion và liên kết phức: X R Mg X Mg R 2R MgX R2Mg R R Mg + RMgX2 R Mg + MgX2 X Mg X Tác chất Grignard có thể được điều chế với 3 dung môi khác nhau: eter, tetrahidrofuran (THF) và trietylamin. Ứng với mỗi dung môi, chúng cho cấu trúc hóa học khác nhau. Với ether, tác chất Grignard có thể tồn tại tất cả các dạng cân bằng kể trên. Trong đó, trạng thái monomer tồn tại chủ yếu ở dạng RMgX cùng với lượng nhỏ R 2 Mg + MgX 2 . Phần còn lại chúng kết hợp với nhau tạo thành dime và trimer với nồng độ trên 0,3M. Do đó, dung dịch eter của tác chất Grignard thường rất ổn định trong môi trường khí trơ. Thật vậy, một dung dịch eter của CH 3 MgI 2N được bảo quản kín khí có thể giữ trên 20 năm mà nồng độ của chúng không thay đổi. Trong THF, sự kết hợp xảy ra rất ít, dạng chủ yếu tồn tại hai dạng monomer RMgX và R 2 Mg + MgX 2 với hàm lượng tương đương. Trong trimethylamin, phản ứng Grignard rất ít được thực hiện, chỉ dùng với các alkyl halogenur đơn giản. Ngoài ra, người ta còn sử dụng dung môi hidrocacbon nhưng phản ứng của alkyl halogenur và magie kim loại phải được thực hiện ở nhiệt độ trên 1000C. Chúng tồn tại chủ yếu ở dạng R 2 Mg + MgX 2 và dạng kết hợp nhiều phân tử với nhau. 1.2.3 Phản ứng ghép cặp Grignard[2,9] 1.2.3.1 Các loại phản ứng ghép cặp Grignard Tác chất Grignard có thể phản ứng với các hợp chất sau: - Oxi - Lưu huỳnh - Cacbon disulphid - Sulfur dioxid - Hợp chất alkyl halagenur - Hợp chất cacbonyl: aldehit, ceton, ester, clorua acid, amid. - Hợp chất chứa hidro hoạt động mạnh: H 2 O, ROH, NH 3 , RNH 2 . - Hợp chất epoxid. - Hợp chất cacbon dioxid Trong khi đó, xúc tác Li 2 CuCl 4 ( được điều chế từ LiCl và CuCl 2 trong THF) cũng được sử dụng trong phản ứng ghép cặp giữa tác chất Grignard và alkyl halogenur. Tolstikov và các cộng sự đã tổng hợp thành công từ một alkyl halogenur phức tạp là 1–bromo–4–pentadecen với isobutylmagnesium bromur với hiệu suất trên 80%. MgBr Br n- C7H15 Li2CuCl4, THF n- C7H15 Tác chất cơ đồng RCu tạo thành có hoạt tính yếu hơn tác chất Grignard (đồng có điện tích dương yếu hơn magie). Với tác chất Grignard có gốc R nhỏ (metyl, etyl) thì sự cộng vào hợp chất cacbonyl liên hợp ( C = C – C = O) theo kiểu 1:2. Trong trường hợp có muối Cu(I) làm xúc tác thì phản ứng xảy ra theo cơ chế 1:4 như các ví dụ dưới đây: O OMgBr CH3MgBr, CuCl, Et2O H3C CH3 1:2 CH3MgBr, Et2O HO H2O O CH3 H3C H3C CH3 H C 3 H3C CH3 CH3 H3C CH3 H3C H3C 1:4 H3C CH3 CH3 CH3 H3C 1.3 Phản Ứng Epoxy Hóa Epoxit là ete vòng ba cạnh, thường gọi là oxiran. Epoxit là chất trung gian trong tổng hợp hữu cơ, được dùng để chuyển ankel thành các nhóm chức khác nhau. Alken được chuyển thành epoxit bằng peoxiaxit (peaxit). [9] C C + R C O O H CH2Cl2 + R C OH C C O O O Epoxi hóa anken rõ ràng là phản ứng oxi hóa vì số nguyên tử oxi được cộng vào nối đôi. Peaxit là tác nhân oxi hóa chọn lọc cao. Một số peaxit thường gặp như là axit peefomic HCOOH, axit peaxetic CH 3 COOOH, axit pebenzoic C 6 H 5 COOOH. Peaxit epoxy hóa anken là quá trình một giai đoạn, trong đó đồng thời một vài liên kết bị đứt ra và hình thành một vài liên kết khác, không có sự tham gia của ion trung gian kiểu cation hidroxyl OH+. C C alken R O C O H O peaxit C C O O C R H O Trạng thái chuyển tiếp C O + R C OH C O epoxit axit Hiện nay, người ta thường dùng axit m-clopebenzoic để epoxi hóa. Axit này bền khi bảo quản trong thời gian dài (đến 1 năm) và hoàn toàn không nguy hiểm khi sử dụng và hiệu suất oxiran tương đối cao. CH2Cl2 + COOOH COOH O + 0oC Cl Cl Ngoài epoy hóa ankel dùng tác nhân peraxit. Tuy nhiên để epoxy hóa allyl ancol thì người ta hay sử dụng phản ứng epoxy hóa bất đối xứng Sharpless. Phản ứng epoxy hóa Sharpless là phản ứng hữu cơ được dùng để chuyển đổi allyl ancol đến expoxy ancol sử dụng xúc tác Titanium(IV) isopropoxide, tert–butyl hydroperoxit (TBHP) và đietyl tactrat (DET) hoặc Điisopropyl tactrat (DIPT). R2 (-)-DET R3 R2 Ti(OiPr)4, OH O R3 t - BuOOH R1 CH2Cl2, -20oC (+)-DET R2 R1 O OH (+)-DET = OH R1 EtO2C CO2Et OH (2R,3R)-diethyl 2,3-dihydroxysuccinate Cấu trúc Ti(OiPr) 4 có thể là: (+)- và (-)-DIPT, diisopropyl tactrarte cũng có thể được sử dụng và nhiều khi dẫn đến độ chọn lọc cao hơn. Cơ chế xảy ra có thể tóm tắt như sau: [24,40] R3 OH Sơ đồ 1: cơ chế phản ứng epoxy hóa bất đối xứng Sharpless Tuy nhiên phản ứng xảy ra thường không hoàn toàn, quy trình xử lí thu sản phẩm thường phức tạp và khó khăn. Trong đó điều kiện phản ứng cũng khắc nghiệt, cần nhiệt độ thấp (dùng đá khô). Và phải chống ẩm tốt, đặc biệt là xúc tác Titan (IV) isopropoxit rất dễ hút ẩm và khi đó chức năng xúc tác không còn nữa. 1.4 Phản Ứng Khử Các Epoxit (oxiran) Bằng Lithi Nhôm Hidrua Cấu trúc của phân tử Lithi nhôm hidrua.[44] Các phản ứng của lithi nhôm hidrua Sơ đồ 2: các phản ứng của Lithi Nhôm Hidrua - Khử epoxit (oxiran) đến ancol [9] Dưới tác dụng của LiAlH 4 trong ete hoặc THF, các epoxit được chuyển thành ancol. Phản ứng bao gồm sự tấn công nucleophin ion hidrua vào nguyên tử cacbon ít bị thế nhất hoặc không bị án ngữ không gian để tạo thành ancol bậc hai hoặc bậc ba. 1)LiAlH4, ete C6H5HC CH2 O C6H5HC CH3 2) H3O+ OH H3C O H 1)LiAlD4, ete C C H3C CH 3 2) H3O+ HO H H3C C C CH3 H3C D Phản ứng mở vòng epoxit xảy ra do sự tấn công axial của ion hidrua H (H3C)3C 1)LiAlH4, ete O 2) H3O (H3C)3C + OH 1.5 Các Phản Ứng Đehidro Hóa Và Oxi Hóa Ancol [9] Khi cho hơi ancol có bậc khác nhau đi qua xúc tác kim loại đồng kim loại ở 3000C, chúng có sự khử khác nhau. Các ancol bậc 1 và bậc 2 có thể bị đehidro hóa hoặc oxi hóa thành andehit hoặc xeton tương ứng, trong khi đó các ancol bậc ba lại bị đehidro hóa thành ankel. Người ta thường dùng các phản ứng đó để phân biệt các ancol có bậc khác nhau. R CH2 OH ancol bâc 1 Cu, toC -H2 O R C H aldehid O Cu, toC R R C CH OH R R -H ancol bâc 2 2 xeton R Cu, toC R CH2 C OH -H2 R R R C C R H alken ancol bâc 3 Phản ứng oxi hóa ancol bằng oxi chỉ dùng trong công nghiệp. Axit Cromic là tác nhân tốt nhất cho việc oxi hóa ancol bậc 2 thành xeton trong điều kiện phòng thí nghiệm. R CH R' OH Na2Cr2O7/H2SO4 R C R' O Ví dụ: H OH xiclohexanol O Na2Cr2O7/H2SO4 xiclohexanon (90%) Axit cromic được điều chế bằng cách hòa tan natri đicromat (Na 2 Cr 2 O 7 ) trong hôn hợp axit sunfuric và nước. Tác nhân hoạt động trong hỗn hợp có thể là axit cromic, H 2 CrO 4 hay là ion cromat axit, HCrO 4 -. Thêm crom oxit (CrO 3 ) vào H 2 SO 4 , ta cũng thu được kết quả tương tự. Tương tự như nhiều phản ứng khác, cơ chế phản ứng oxi hóa ancol bằng Cr(VI) xảy ra theo nhiều giai đoạn. Thí dụ phản ứng oxi hóa propan-2-ol thành axeton bằng axit cromic (H 2 CrO 4 ), giai đoạn ban đầu là sự tạo thành este cromat: CH3 O H3C C OH + HO Cr OH H O Propan-2-ol Axit Cromic CH3 O H3C C O Cr OH H O Este cromat + H2O