Tài liệu Nghiên cứu thực hiện phản ứng n-aryl hóa trong chất lỏng ion họ imidazolium

  • Số trang: 82 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 79 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

i MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ iv DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... v LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ............................................ 3 1.1 Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 3 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ......................................... 10 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc .............................................................................. 10 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ............................................................................... 19 1.3 Mục tiêu của đề tài ............................................................................................... 19 1.3.1 Mục tiêu khoa học kỹ thuật ........................................................................................ 19 1.3.2 Mục tiêu kinh tế xã hội ............................................................................................... 19 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu........................................................................ 20 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 20 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................... 22 2.1 Tổng hợp và xác định cấu trúc chất lỏng ion họ imidazolium............................. 22 2.1.1 Thí nghiệm tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium bromide ([Amim]Br)................................................................................................................................. 22 2.1.2 2.2 Xác định cấu trúc chất lỏng ion họ imidazolium ...................................................... 24 2.1.2.1 Phƣơng pháp phân tích phổ cộng hƣởng từ hạt nhân NMR ............................. 24 2.1.2.2 Phƣơng pháp phân tích phổ khối lƣợng MS ...................................................... 24 Thực hiện phản ứng ghép đôi C-N giữa aryl halide và amine trong dung môi xanh là chất lỏng ion họ imidazolium ............................................................................ 25 2.2.1 Thí nghiệm mẫu .......................................................................................................... 25 ii 2.2.2 Các yếu tố khảo sát ảnh hƣởng lên độ chuyển hóa của phản ứng............................ 26 2.2.3 Quá trình thu hồi chất lỏng ion................................................................................... 27 2.3 Các phƣơng pháp phân tích và tính toán độ chuyển hóa của phản ứng............... 27 2.3.1 Phƣơng pháp xác định độ chuyển hoá của sản phẩm ............................................... 27 2.3.2 Định danh sản phẩm.................................................................................................... 28 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN................................................................... 29 3.1 Kết quả tổng hợp chất lỏng ion ............................................................................ 29 3.1.1 Kết quả tổng hợp chất lỏng ion 1-akyl-3-methylimidazolium bromide ([Amim]Br) …………………………………………………………………………………….29 3.1.1.1 Kết quả xác định cấu trúc chất lỏng ion [Amim]Br .......................................... 29 3.1.1.2 Kết quả hiệu suất tổng hợp chất lỏng ion [Amim]Br ........................................ 31 3.2 Kết quả phân tích thành phần hỗn hợp sau phản ứng N-aryl hóa ........................ 35 3.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng ......................................... 36 3.3.1 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa của phản ứng ....................................... 36 3.3.2 Ảnh hƣởng của chiều dài mạch alkyl gốc cation của chất lỏng ion ......................... 37 3.3.3 Ảnh hƣởng của tỷ lệ mol tác chất tham gia phản ứng .............................................. 39 3.3.4 Kết quả khảo sát ảnh hƣởng gốc anion của chất lỏng ion ........................................ 40 3.3.5 Ảnh hƣởng của dung môi phản ứng ........................................................................... 41 3.3.6 Ảnh hƣởng của vị trí nhóm thế NO 2 .......................................................................... 43 3.3.7 Ảnh hƣởng của các amine bậc hai khác nhau ........................................................... 44 3.3.8 Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion [Bmim]Br ......................... 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. PHỤ LỤC ........................................................................................................................... iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT [Bmim]Br 1-Butyl-3-methylimidazolium bromide [Bmim]Cl 1-Butyl-3-methylimidazolium chloride [Bmim]BF4 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [Bmim]PF6 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate DEF N,N-Diethylformamide DMF N,N-Dimethylformamide DMSO Dimethyl sulfoxide [Emim]BF4 1-Etyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [Emim]PF6 1-Ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate [Emim]TfO 1-Etyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate GC Gas chromatography Ils Ionic liquids MS Mass spectrometry NMP N-Methyl-2-pyrrolidone NMR Nuclear magnetic resonance spectroscopy [Omim]Br 1-Octyl-3-methylimidazolium bromide [Omim]PF6 1-Octyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phản ứng Fisher tổng hợp các dẫn xuất khác nhau của indole sử dụng xúc tác [cmmim]BF4. .................................................................................................................. 14 Bảng 1.2 Kết quả khảo sát phản ứng giữa benzyl chloride và benzene sử dụng các xúc tác khác nhaua. ................................................................................................................ 16 Bảng 2.1 Các thông số của quá trình tổng hợp 3 loại chất lỏng ion [Amim]Br ........... 24 Bảng 3.1 Kết quả hiệu suất tổng hợp [Amim]Br. ......................................................... 32 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phản ứng thế ái nhân vòng thơm S NAr............................................................ 3 Hình 1.2 Phản ứng ghép đôi giữa 5-methoxyindole và aryl fluoride chứa nhóm hút điện tử ............................................................................................................................... 4 Hình 1.3 Phản ứng N-aryl hóa của các aryl halide chứa nhóm hút điện tử .................... 5 Hình 1.4 Phản ứng ghép đôi Buchwald-Hartwig giữa aryl halide và amine.................. 6 Hình 1.5 Cơ chế của phản ứng Buchwald-Hartwig[16] ................................................. 6 Hình 1.6 Một số chất lỏng ion thƣờng gặp ...................................................................... 7 Hình 1.7 Tính đa dạng của chất lỏng ion họ imidazolium [13]. ................................... 8 Hình 1.8 Phản ứng Heck thực hiện trong chất lỏng ion tetraalkylammonium bromide ........................................................................................................................................ 11 Hình 1.9 Hình ảnh TEM của hạt nano Pd(0) từ [PdCl2(cod)] phân tán trong [Bmim]PF6: (a) một cụm hạt, (b) một đơn vị ―hình sao‖ (c) ―cánh sao‖....................... 12 Hình 1.10 Ảnh hƣởng của các loại dung môi khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng tổng hợp biodiesel từ dầu đậu nành và methanol đƣợc xúc tác bởi Novozym 435. ...... 12 Hình 1.11 Quy trình tổng hợp chất lỏng ion [cmmim]BF4 ........................................ 13 Hình 1.12 Phản ứng Fisher tổng hợp indole .................................................................. 14 Hình 1.13 Kết quả khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác [cmmim]BF4 cho phản ứng tổng hợp indole từ phenylhydrazine và 2-butanone ....................................................... 15 Hình 1.14 Phản ứng tổng hợp dẫn xuất của diphenylmethane trong chất lỏng ion acid Lewis. ............................................................................................................................. 16 Hình 1.15 Phản ứng tổng hợp ester giữa acid oleic và n-butanol sử dụng enzyme lipase............................................................................................................................... 17 vi Hình 1.16 Quy trình tổng hợp chất lỏng ion cố định trên hạt nano từ tính. ................. 18 Hình 1.17 Khả năng tái sử dụng enzyme lipase tự nhiên và enzyme lipase cố định trên chất mang nano từ tính. .................................................................................................. 18 Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình tổng hợp [Amim]Br ..................................................... 23 Hình 2.2 Sơ đồ khối quy trình thực hiện phản ứng N-aryl hóa .................................... 25 Hình 2.3 Hệ thống GC Shimadzu 2010 Plus ................................................................ 28 Hình 3.1 Công thức cấu tạo của [Bmim]Br. ................................................................. 29 Hình 3.2 Công thức cấu tạo của [Hmim]Br. ............................................................... 30 Hình 3.3 Công thức cấu tạo của [Omim]Br. ............................................................... 30 Hình 3.4 Phản ứng N-alkyl hóa tổng hợp [Amim]Br. ................................................. 31 Hình 3.5 Kết quả tổng hợp chất lỏng ion [Amim]Br. .................................................. 33 Hình 3.6 Cơ chế phản ứng N-alkyl hóa 1-methylimidazole [5]. ................................. 34 Hình 3.7 Các chất lỏng ion tổng hợp đƣợc bao gồm: [Bmim]Br, [Hmim]Br, [Omim]Br ....................................................................................................................... 34 Hình 3.8 Phản ứng ghép đôi C-N giữa 1-bromo-4-nitrobenzene và piperidine ........... 35 Hình 3.9 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa .................................................. 37 Hình 3.10 Cấu trúc chất lỏng ion 1-akyl-3-methylimidazolium bromide .................... 37 Hình 3.11 Ảnh hƣởng của gốc akyl trên cation lên độ chyển hóa phản ứng ................ 38 Hình 3.12 Khảo sát độ chuyển hoá theo tỷ lệ mol tác chất 1-bromo-4-nitrobenzene : piperidine ........................................................................................................................ 40 Hình 3.13 Ảnh hƣởng của gốc anion lên độ chuyển hóa của phản ứng ....................... 41 Hình 3.14 Ảnh hƣởng của dung môi lên độ chuyển hóa của phản ứng ....................... 42 vii Hình 3.15 Cơ chế phản ứng N-aryl hóa giữa 1-bromo-4-nitrobenzene và piperidine . 43 Hình 3.16 Ảnh hƣởng của vị trí nhóm thế đến độ chuyển hóa của phản ứng .............. 44 Hình 3.17 Ảnh hƣởng của nhóm amine lên độ chuyển hóa của phản ứng.................... 45 Hình 3.18 Kết quả thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion [Bmim]Br cho phản ứng Naryl hóa giữa 1-bromo-4-nitrobenzen và piperidine ...................................................... 46 Hình 3.19 Diễn biến phản ứng khi sử dụng ILs thu hồi. ............................................... 47 1 LỜI MỞ ĐẦU Một trong những lĩnh vực nghiên cứu ngày càng thu hút sự quan tâm của cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới là vấn đề thay thế các dung môi hữu cơ dễ bay hơi truyền thống bằng các dung môi xanh (green solvent), nhằm hạn chế các bất lợi do các dung môi hữu cơ thông thƣờng gây ra liên quan đến vấn đề cháy nổ và an toàn cho ngƣời lao động, cũng nhƣ ảnh hƣởng của việc sử dụng dung môi hữu cơ độc hại dễ bay hơi đến môi trƣờng sống và sức khỏe con ngƣời [20; 44]. Bên cạnh đó, việc thay thế các dung môi hữu cơ truyền thống bằng các dung môi xanh hơn còn liên quan đến sự cải thiện trong quá trình tách và tinh chế sản phẩm, cũng nhƣ vấn đề thu hồi và tái sử dụng xúc tác, đặc biệt là các xúc tác kim loại chuyển tiếp đắt tiền [44]. Trong những năm gần đây, chất lỏng ion (ILs) đƣợc biết đến nhƣ một dung môi ―xanh‖ (green solvents) để thay thế cho các dung môi hữu cơ thông thƣờng nhờ vào những tính chất hóa lý đặc biệt nhƣ không có áp suất hơi, độ bền nhiệt cao, có khả năng hòa tan đƣợc nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ [35]. Ngày nay, ILs đã đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ tổng hợp và xúc tác, kỹ thuật điện hoá, hoá phân tích, năng lƣợng, sinh hoá, và kỹ thuật tách chiết. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của ILs là làm dung môi cho các phản ứng hữu cơ. Các chất lỏng ion đã và đang đƣợc nghiên cứu sử dụng làm dung môi xanh cho nhiều loại phản ứng tổng hợp hữu cơ khác nhau bao gồm các phản ứng ghép đôi mạch carbon, các phản ứng hình thành liên kết carbon-dị tố nhƣ liên kết C-O, C-N, C-P, và C-S [17]. Ngoài ra, các phản ứng oxy hóa – khử và một số phản ứng ngƣng tụ khác cũng đã đƣợc nghiên cứu thực hiện trong chất lỏng ion [26; 46]. Hàng năm, hàng ngàn công trình nghiên cứu về các phƣơng diện khác nhau của chất lỏng ion nói chung và việc sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh cho tổng hợp hữu cơ nói riêng đã đƣợc công bố nhiều trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế có uy tín [1]. Tuy nhiên, cho đến 2 nay, các nghiên cứu về ứng dụng của chất lỏng ion ở Việt Nam còn rất ít và chƣa cập nhật so với các thành tựu đã đạt đƣợc về chất lỏng ion trên thế giới. Phản ứng N-aryl hóa giữa một aryl halide và amine là một công cụ hữu hiệu trong tổng hợp hữu cơ nhằm hình thành các cấu trúc amine phức tạp và có nhiều ứng dụng hơn. Ngày nay, phản ứng đã đƣợc ứng dụng rộng rãi để tạo ra các hợp chất trung gian làm nguyên liệu trong ngành công nghiệp dƣợc phẩm, mỹ phẩm và hóa chất tinh khiết [45]. Thông thƣờng, phản ứng đƣợc xúc tác bởi phức kim loại chuyển tiếp nhƣ phức palladium, phức đồng...[37; 10]. Đặc biệt, với những aryl halide chứa nhóm thế hút điện tử (-NO2, -CN, -COCH3 …), phản ứng có thể xảy ra dễ dàng trong dung môi phân cực mà không cần đến xúc tác [30]. Tuy nhiên, việc sử dụng các dung môi hữu cơ không mang lại hiệu suất cao, khó thu hồi, tái sử dụng và thƣờng đòi hỏi sự có mặt của một base mạnh. Trong đề tài này này, chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([Bmim]Br) đã đƣợc sử dụng làm dung môi cho phản ứng ghép đôi C-N giữa 4-bromonitrobenzene và piperidine mà không cần sử dụng xúc tác và base. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi đã chứng minh hiệu quả của chất lỏng ion [Bmim]Br với độ chuyển hóa trên 95% chỉ sau 3 giờ ở điều kiện gia nhiệt thông thƣờng so với những dung môi hữu cơ truyền thống khác. Hơn nữa, chất lỏng ion [Bmim]Br có thể đƣợc thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà độ chuyển hóa của phản ứng không giảm đáng kể. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Phản ứng ghép đôi C-N giữa một aryl halide và amine là một công cụ hữu hiệu để tổng hợp nên các hợp chất có ứng dụng rộng rãi trong trong ngành công nghiệp dƣợc phẩm, mỹ phẩm và hóa chất tinh khiết [45]. Đối với những aryl halide chứa nhóm thế hút điện tử (-NO2, -CN, -COCH3 …) và amine no bậc hai, phản ứng có thể xảy ra dễ dàng theo cơ chế ái nhân vòng thơm (SNAr) trong dung môi phân cực và có mặt một base mạnh mà không cần đến xúc tác [30]. Tuy nhiên, việc sử dụng xúc tác là các phức của kim loại chuyển tiếp nhƣ phức palladium, phức đồng...[37; 10] có thể giúp phản ứng ghép đôi C-N đƣợc thực hiện thành công trên những aryl halide kém hoạt tính và các amine có tính base yếu nhƣ các dẫn xuất của aniline.  Phản ứng thế ái nhân vòng thơm SNAr Hình 1.1 Phản ứng thế ái nhân vòng thơm SNAr Phản ứng thế ái nhân vào nhân thơm thƣờng khó xảy ra và hầu nhƣ không xảy ra ở điều kiện thƣờng. Trong trƣờng hợp nhân thơm có nhóm thế hút điện tử mạnh nhƣ – NO2, -NO, -CN, -SO3H, -COOH… ở vị trí ortho- hay para- so với nhóm bị thế, phản 4 ứng SNAr sẽ xảy ra dễ dàng hơn nhiều, tuy nhiên nhóm thế ở vị trí meta- so với nhóm bị thế không có ảnh hƣởng rõ rệt lên tốc độ phản ứng của phản ứng S NAr [30]. Phản ứng thế ái nhân vào nhân thơm đƣợc cho là xảy ra theo cơ chế thế ái nhân lƣỡng phân tử (Hình 1.1). Giai đoạn đầu phản ứng thế ái nhân vào nhân thơm tạo thành một anion trung gian có cấu trúc tƣơng tự nhƣ phức α nhƣng mang điện tích âm. Anion này đƣợc ổn định do nhóm thế hút điện tử ở vị trí ortho hay para giải tỏa điện tích âm của nó. Giai đoạn tạo anion này là giai đoạn chậm, quyết định tốc độ phản ứng. Sau đó anion trung gian này thực hiện phản ứng tách loại để cho sản phẩm thế [30]. Gary M. Green và cộng sự đã thực hiện phản ứng N-aryl hóa giữa các dẫn xuất của indole với aryl fluoride dƣới sự hỗ trợ của vi sóng (Hình 1.2)[11]. Theo đó phản ứng của 5-methoxyindole và ethyl 4-fluorobenzoate đƣợc tiến hành trong lò vi sóng ở 160 oC sử dụng dung môi DMSO thu đƣợc sản phẩm với hiệu suất 64% sau 2 giờ với sự có mặt của một base rắn KF/Al2O3. Với sự hỗ trợ của vi sóng, thời gian phản ứng đã rút ngắn đáng kể so với điều kiện gia nhiệt thông thƣờng. Hơn nữa, khi tăng hàm lƣợng base hiệu suất phản ứng tăng lên đáng kể. Nghiên cứu cũng cho thấy các nhóm đẩy điện tử trên indole giúp phản ứng xảy ra dễ dàng hơn. Hình 1.2 Phản ứng ghép đôi giữa 5-methoxyindole và aryl fluoride chứa nhóm hút điện tử 5 Trong một nghiên cứu khác, Laurent Djakovitch và các cộng sự đã thực hiện phản ứng N-aryl hóa của aryl chloride và các amine bậc hai (Hình 1.3)[45]. Với sự có mặt của LiBr nhƣ một chất xúc tiến, phản ứng ghép đôi giữa 4-chloroacetophenone và piperidine đã đạt hiệu suất 80% sau 6 giờ ở 140 oC trong dung môi NMP. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy khả năng phản ứng của aryl fluoride cao hơn hẳn so với aryl chloride đƣợc so sánh ở cùng điều kiện. Thật vậy, phản ứng của 2-chlorobenzonitrile với piperidine chỉ cho hiệu suất khoảng 40% trong khi 2-fluorobenzonitrile lại phản ứng hoàn toàn. Ngoài ra, sự có mặt của các nhóm thế đẩy điện tử trên aryl chroride bao gồm –CH3, -OCH3 làm tốc độ phản ứng giảm đi đáng kể. Nghiên cứu đã sử dụng thêm base mạnh KOtBu để thúc đẩy phản ứng ghép đôi của các tác chất này. Hình 1.3 Phản ứng N-aryl hóa của các aryl halide chứa nhóm hút điện tử  Phản ứng Buchwald – Hartwig được xúc tác bởi phức palladium Theo đó, việc sử dụng xúc tác cho phản ứng đã đƣợc Buchwald – Hartwig phát triển vào đầu những năm 1990. Đó là thực hiện phản ứng ghép đôi giữa aryl halide và các amine đƣợc xúc tác bởi phức palladium [15; 39]. Đây là một phƣơng pháp hữu hiệu để thực hiện phản ứng ghép đôi C-N giữa các aryl halide không chứa nhóm hút điện tử và các amine có tính base yếu. Với sự tham gia của xúc tác palladium, cơ chế phản ứng Buchwald – Hartwig hoàn toàn thay đổi so với phản ứng ghép đôi C-N theo cơ chế SNAr (Hình 1.4). Trong quá trình phản ứng sẽ sinh ra acid HX làm mất hoạt tính 6 của xúc tác Pd(0), do đó, cần có sự tham gia của một base làm tác nhân tiêu thụ HX. Ngoài ra, base còn đóng vai trò bền hóa dạng phức Pd(0) tiếp tục tham gia phản ứng. Hình 1.4 Phản ứng ghép đôi Buchwald-Hartwig giữa aryl halide và amine Hình 1.5 Cơ chế của phản ứng Buchwald-Hartwig[16] Quá trình tổng hợp các dẫn xuất của aniline truyền thống thƣờng sử dụng các dung môi phân cực không chứa proton nhƣ DMF, DMSO kết hợp với các base nhƣ NaOH , KOH trong điều kiện nhiệt độ phòng hay gia nhiệt thông thƣờng. Dƣới góc độ hóa học xanh (green chemistry), việc thực hiện quá trình tổng hợp hữu cơ trong các dung môi này có nhiều bất lợi, ví dụ khó tách sản phẩm khỏi dung môi, các dung môi khó đƣợc thu hồi và tái sử dụng nên thƣờng đƣợc thải ra môi trƣờng. Những nghiên cứu trƣớc đây cho thấy các dung môi hữu cơ này độc hại và gây ảnh hƣởng xấu đến 7 sức khoẻ của ngƣời lao động. Ngoài ra, việc sử dụng các dung môi này luôn đi kèm với nguy cơ cháy nổ, ảnh hƣởng đến an toàn cho quá trình sản xuất và an toàn cho ngƣời lao động [35]. Theo định hƣớng của phát triển bền vững, các quá trình tổng hợp hữu cơ ngày nay có nhiệm vụ giải quyết vấn đề tối ƣu hóa cả về phƣơng diện hóa học xanh bên cạnh phƣơng diện kinh tế truyền thống. Một quá trình tổng hợp lý tƣởng ngày nay phải cho hiệu suất và độ chuyển hóa tiến đến 100% và quá trình phải đƣợc thực hiện trong điều kiện thân thiện với môi trƣờng. Một lĩnh vực nghiên cứu ngày càng thu hút sự quan tâm của cộng đồng các nhà hóa học là vấn đề thay thế các dung môi hữu cơ dễ bay hơi truyền thống bằng các dung môi xanh (green solvent), nhằm hạn chế các bất lợi do các dung môi hữu cơ thông thƣờng gây ra liên quan đến vấn đề cháy nổ và vấn đề an toàn cho ngƣời lao động, cũng nhƣ ảnh hƣởng của việc sử dụng dung môi hữu cơ độc hại dễ bay hơi lên môi trƣờng sống [35]. cations: R2 R2 + P+ N R1 R3 R4 R1 R4 R2 R3 R1 + N R anions: N S+ R3 + N R2 R1 BF4-, PF6-, SbF6-, NO3-, (CF3SO3)2N, ArSO3-, CF3CO2-, CH3CO2-, Al2Cl7- Hình 1.6 Một số chất lỏng ion thường gặp Một trong các dung môi đƣợc xem là xanh hơn so với các dung môi hữu cơ truyền thống đang đƣợc nghiên cứu là chất lỏng ion (ionic liquid). Chất lỏng ion đƣợc định nghĩa là những chất lỏng chỉ chứa toàn bộ ion mà không có phần tử trung hòa trong đó [36]. Thƣờng gặp nhất là những muối chứa các cation hữu cơ nhƣ 8 tetraalkylammonium, alkylpyridinium, 1,3-dialkylimidazolium, tetraalkylphosphonium ... (Hình 1.6). Hình 1.7 Tính đa dạng của chất lỏng ion họ imidazolium [13]. Chất lỏng ion thƣờng đƣợc cấu tạo từ một cation hữu cơ và một anion hữu cơ hoặc vô cơ [36; 44; 17]. Các cation thƣờng gặp trong cấu trúc chất lỏng ion thƣờng là ammonium, sulfonium, phosphonium, imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium, thiazolium, oxazolium hay pyrazolium . Muối dialkylimidazolium bất đối xứng có các nhóm thế alkyl R1 khác R3 (Hình 1.7) đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều nhất vì có nhiệt độ nóng chảy thấp (dạng lỏng ở nhiệt độ phòng) [36; 44; 17]. Các anion thƣờng gặp của chất lỏng ion ngoài một số ít các halide anion có thể là BF4-, PF6-, Sb6-, ZnCl3-, CuCl2-, SnCl3-, N(CF3SO2)2-, N(C2F5SO2)2-, N(FSO2)2-, C(CF3SO2)3-, CF3CO2-, CF3SO3- và CH3SO3-. Các chất lỏng ion khi đƣợc sử dụng làm dung môi sẽ có một số tính chất đặc biệt nhƣ đƣợc liệt kê dƣới đây. Nhờ vào những tính chất này, chất lỏng ion thể hiện đƣợc nhiều ƣu điểm so với các dung môi hữu cơ truyền thống, và cũng nhờ đó chúng đƣợc xem nhƣ là những dung môi xanh cho tổng hợp hữu cơ. Các tính chất đặc trƣng tổng quát của các chất lỏng ion thƣờng gặp là [18]: 9 1. Các chất lỏng ion hoàn toàn không bay hơi và không có áp suất hơi. Do đó, chúng không gây ra các vấn đề liên quan đến cháy nổ, an toàn cho ngƣời vận hành cũng nhƣ đối với môi trƣờng sống – là các vấn đề thƣờng gặp khi sử dụng các dung môi hữu cơ dễ bay hơi truyền thống. 2. Các chất lỏng ion có độ bền nhiệt cao và không bị phân huỷ vì nhiệt trong một khoảng nhiệt độ khá rộng. Vì vậy, có thể thực hiện các phản ứng đòi hỏi nhiệt độ cao trong chất lỏng ion một cách hiệu quả. 3. Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan một dãy khá rộng các chất hữu cơ, chất vô cơ cũng nhƣ các hợp chất cơ kim. 4. Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan khá tốt các khí nhƣ H2, O2, CO, CO2. Do đó chúng là dung môi có nhiều hứa hẹn cho các phản ứng cần sử dụng pha khí nhƣ hydrogen hoá xúc tác, carbonyl hóa, hydroformyl hoá, oxy hoá bằng không khí. 5. Độ tan của chất lỏng ion phụ thuộc vào bản chất cation và anion tƣơng ứng. Bằng cách thay đổi cấu trúc của các ion này, có thể điều chỉnh đƣợc độ tan của chúng phù hợp với yêu cầu. 6. Các chất lỏng ion mặc dù phân cƣc nhƣng thông thƣờng không tạo phức phối trí với các hợp chất cơ kim, các enzyme, và với các hợp chất hữu cơ khác nhau. 7. Nhờ có tính chất ion, rất nhiều phản ứng hữu cơ thực hiện trong dung môi chất lỏng ion thƣờng có tốc độ phản ứng lớn hơn so với trƣờng hợp sử dụng các dung môi hữu cơ thông thƣờng, đặc biệt là khi có sự hỗ trợ của vi sóng (microwave). 8. Hầu hết các chất lỏng ion có thể đƣợc lƣu trữ trong một thời gian dài mà không bị phân huỷ. 10 9. Các chất lỏng ion là dung môi có nhiều triển vọng cho các phản ứng cần độ chọn lọc quang học tốt. Có thể sử dụng các chất lỏng ion có cấu trúc bất đối xứng để điều chỉnh độ chọn lọc quang học của phản ứng. 10. Các chất lỏng ion chứa chloroaluminate ion là những Lewis acid mạnh, có khả năng thay thế cho các acid độc hại nhƣ HF trong nhiều phản ứng cần sử dụng xúc tác acid. 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc Các chất lỏng ion đã và đang đƣợc nghiên cứu sử dụng làm dung môi xanh cho nhiều loại phản ứng tổng hợp hữu cơ khác nhau. Bao gồm các phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu, các phản ứng hình thành liên kết carbon-dị tố tiêu biểu nhƣ liên kết carbon-oxygen, carbon-nitrogen, carbon-phosphor và carbon-lƣu huỳnh. Các phản ứng oxy hóa và một số phản ứng cần quan tâm khác cũng đã đƣợc nghiên cứu thực hiện trong chất lỏng ion [18]. Hàng năm, hàng ngàn công trình nghiên cứu về các phƣơng diện khác nhau của chất lỏng ion nói chung và việc sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh cho tổng hợp hữu cơ nói riêng đã đƣợc công bố trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế có uy tín. Phần này chỉ giới thiệu một số công trình nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến việc sử dụng chất lỏng ion trong tổng hợp hữu cơ. Phản ứng ghép đôi Heck và Suzuki Phản ứng ghép đôi (cross – coupling) của các dẫn xuất arylhalogenua đã và đang đƣợc biết đến một cách rộng rãi nhƣ một trong những phản ứng đặc biệt đƣợc dùng để tổng hợp trực tiếp bộ khung carbon phức tạp từ những hợp chất đơn giản hơn [41]. Một trong những phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu đã và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu là phản ứng ghép đôi Heck, do nhiều sản phẩm hóa chất tinh khiết hoặc các hóa chất có hoạt tính sinh học đƣợc tổng hợp nhờ phản ứng Heck [2]. Vào năm 2001, tác giả J. Muzart đã thực hiện phản ứng Heck giữa iodobenzene, 11 bromobenzene hoặc dẫn xuất của naphthalene với các hợp chất allylic alcohol trong dung môi là chất lỏng ion tetraalkylammonium bromide ở nhiệt độ khoảng 80-120 oC với sự có mặt của base là NaHCO3 (Hình 1.8) [3]. Phản ứng đƣợc xúc tác bởi muối PdCl2, hình thành các hợp chất ketone chứa vòng thơm. Sau khi tách sản phẩm ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng phƣơng pháp trích ly với diethyl ether, chất lỏng ion đƣợc thu hồi và tái sử dụng cho các phản ứng tiếp theo. Kết quả nghiên cứu cho thấy không có sự hình thành palladium kim loại không hoạt tính (black palladium) và sản phẩm có thể đƣợc tách ra khỏi hỗn hợp bằng phƣơng pháp trích ly chọn lọc. Hình 1.8 Phản ứng Heck thực hiện trong chất lỏng ion tetraalkylammonium bromide Một phản ứng ghép đôi carbon-carbon khác đã và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu thực hiện trong chất lỏng ion là phản ứng Suzuki với sản phẩm hình thành là các dẫn xuất của biphenyl. Tác giả J. Durand đã thực hiện phản ứng Suzuki trong các chất lỏng ion họ imidazolium hexafluorophosphate với xúc tác là hạt nano palladium [8]. Theo đó, hạt nano Pd đƣợc hình thành trong [Bmim]PF6 bằng phản ứng khử phức (1,5cycloctadiene)dichloropalladium(II) [PdCl2(cod)] về Pd(0) dƣới khí quyển hidro. Kết quả phân tích TEM thể hiện các cụm hạt hình sao của Pd(0) đƣợc hình thành trong chất lỏng ion bao gồm nhiều hạt nhỏ có đƣờng kính từ 6-8 nm (Hình 1.9). Chất lỏng ion trong nghiên cứu này không những làm dung môi của phản ứng Suzuki mà còn đóng vai trò chất làm bền và phân tán xúc tác Pd(0) [49; 32; 33]. 12 Hình 1.9 Hình ảnh TEM của hạt nano Pd(0) từ [PdCl2 (cod)] phân tán trong [Bmim]PF6: (a) một cụm hạt, (b) một đơn vị “hình sao” (c) “cánh sao”. Phản ứng sử dụng enzyme sinh học Hình 1.10 Ảnh hưởng của các loại dung môi khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng tổng hợp biodiesel từ dầu đậu nành và methanol được xúc tác bởi Novozym 435. 13 Chất lỏng ion còn đƣợc sử dụng làm dung môi cho các phản ứng xúc tác sinh học cũng nhƣ các quá trình tách chiết trong kỹ thuật sinh học. Một số enzyme nhƣ lipase, protease hay nấm men đã thể hiện hoạt tính tốt trong chất lỏng ion [22; 25]. S. H. Ha và các đồng nghiệp đã tổng hợp thành công biodiesel (fatty acid methyl esters – FAMEs) từ dầu đậu nành bằng enzyme lipase Candida antarctica cố định trên nhựa acrylic (Novozym 435) trong chất lỏng ion [12]. Để tìm ra dung môi thích hợp nhất, 23 loại chất lỏng ion khác nhau đã đƣợc sử dụng và so sánh với dung môi tert-butanol và điều kiện không có dung môi. [Emim]TfO cho hiệu suất cao gấp 3 lần so với quá trình không sử dụng dung môi và cao hơn cả tert-butanol cũng nhƣ chất lỏng ion gốc [PF6] hay [Tf2N]. Thật vậy, sau 12 giờ, độ chuyển hóa của FAMEs trong [Emim][TfO] đạt 80% trong khi trong tert-butanol chỉ là 65% ở 60 oC (Hình 1.10). Phản ứng Fisher tổng hợp indole Indole và các dẫn xuất ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học với những ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực dƣợc phẩm và hóa sinh. Phản ứng Fisher tổng hợp indole bằng xúc tác acid đƣợc xem là công cụ hiệu quả và đơn giản đƣợc sử dụng phổ biến để tổng hợp các dẫn xuất khác nhau của indole [38]. Tuy nhiên, nhƣ đã đề cập ở trên, các xúc tác acid đồng thể gây ra các vấn đề về ô nhiễm môi trƣờng cũng nhƣ khó khăn trong việc tái sử dụng xúc tác [34]. N N H3C BF4- NaBF4 N N N N H3C Cl- ClCH2COOH COOH H3C COOH Hình 1.11 Quy trình tổng hợp chất lỏng ion [cmmim]BF4 Bên cạnh các chất lỏng ion có anion là acid Bronsted, F. P. Yi và các cộng sự đã tổng hợp chất lỏng ion họ imidazolium chứa nhóm carboxyl trên nhánh alkyl của cation, 1-carboxymethy1-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([cmmim]BF4), đóng vai trò là xúc tác acid Bronsted cho phản ứng đóng vòng indole (Hình 1.12) [14].
- Xem thêm -