Trong vai năm qua, nhiều loại chất lỏng ion đã được nghiên cứu, trong đó chất lỏng ion họ dialkylimidazolium có một số ưu điểm như vẫn ở trạng thái lỏng ở một khoảng nhiệt độ rộng và có
Trang 1LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC
THUC HIEN PHAN UNG NGUNG TU
PAAL-KNORR TRONG DUNG MOI
XANH LA CHAT LONG ION HO
IMIDAZOLIUM
PGS TS Phan Thanh Sơn Nam Bùi Văn Hoa Huỳnh
Kỹ sư Lê Vũ Hà MSSV: 207157
Lớp: Công nghệ Hóa học K33
— Cần Thơ, tháng 04/2011 <<
Trang 2
Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy PGS TS Phan Thanh Sơn Nam và kỹ sư Lê Vũ Hà đã truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như đã hướng dẫn rất tận tình trong suốt quá trình làm luận văn Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến các cán bộ trong Bộ môn hóa hữu cơ trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài được dễ dàng và thuận lợi nhất
Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến các bạn cùng lớp và các bạn trường Đại học Bách Khoa vì những giúp đỡ của các bạn trong học tập và trong đề tài này
Cuối cùng, con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ba mẹ với sự hi sinh to lớn cùng với sự khuyến khích và ủng hộ con trong những lúc khó khăn khi thực hiện luận văn cũng như những gì con đã đạt được trong suốt quá trình học tập
il
Trang 3Chat long ion ho imidazolium d4 duoc tổng hợp thành công thu được hiệu suất cao với sự hỗ trợ của vi sóng và IL được xác định cầu trúc bằng phương pháp phân tích 'H và '?C NMR và MS Sự ngưng tụ Paal-Knorr của 2,5-hexandione với những amin bậc một đã được thực hiện thành công trong chất lỏng ion 1-alkyl-3- methylimidazolium Trong bài báo cáo này chúng tôi đã khảo sát phản Ứng ngưng
tụ Paal-Knorr trong chất lỏng lon họ 1midazolium, mà không sử dụng thêm xúc tác acid nào, các điều kiện phản ứng đã được khảo sát dé dat duoc độ chuyén hoa cao nhất Ngoài ra, khả năng thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion cũng được nghiên cứu nhằm tiết kiệm dung môi và hạn chế chất thải ra môi trường Kết quả cho thấy độ chuyên hoá giảm không đáng kể sau nhiều lần thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion
ill
Trang 4nhiệt độ cao nên có thể làm giảm bớt các hợp chất hữu cơ độc hại và tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách các sản phẩm từ các dung môi phản ứng!° ” ? Trong vai năm qua, nhiều loại chất lỏng ion đã được nghiên cứu, trong đó chất lỏng ion họ dialkylimidazolium có một số ưu điểm như vẫn ở trạng thái lỏng ở một khoảng
nhiệt độ rộng và có tính hòa tan tốt đối với nhiều tác chất và chất xúc tác, đặc biệt
là khả năng thu hồi và tái sử đụng sau phản ứng, do đó chất lỏng ion được xem là
dung môi thân thiện với môi trường !° °!
Gần đây, trên thế giới việc nghiên cứu và sử dụng chất lỏng ion trong tổng hợp hữu cơ đã được phát triển mạnh Một trong những loại chất lỏng lon mà được
sự quan tâm chú ý nhiều là chất lỏng ion họ imidazolium Cụ thể là các chất lỏng
ion alkylimidazolTum với gốc anion thay đôi như BEa-, PEa-, NIÍ;- .Ở Việt Nam,
tổng hợp các chất lỏng ion được nghiên cứu đầu tiên bởi nhóm tác giả Lê Ngọc Thạch vào năm 2006 2009" 7, Tuy nhién, van chua thay báo cáo cụ thê về việc ứng đụng chúng trong tông hợp các hợp chất hữu cơ
Tổng hợp Paal-Knorr là sự ngưng tụ của hợp chất 1,4-đicarbonyl với một lượng thừa của amine bậc một hoặc la ammonia để tạo thành một pyrrole!®! Day la phản ứng ngưng tụ quan trọng trong việc chuẩn bị những dẫn xuất pyrrole, pyrazoles, tổng hợp các dẫn xuất ứng dụng trong ngành dược, ví dụ, lamellarin L, funebrine, magnolamide, reseophilin Trong bài báo cáo này, chúng tôi sử dụng chất lỏng 1on họ 1midazolium với vai trò dung môi xanh, cho phản ứng ngưng tụ Paal- Knorr pyrrole giữa 2,5-hexandione với những amin bậc một thu được những dẫn xuất N-pyrrole Độ chuyển hoá thu được cao nhất với dẫn xuất N-benzyl-2,5-
methypyrrole sau 12 phút phản ứng trong dung môi xanh IL 1-butyl-3-
methyimidazolium hexaflourophosphate
1V
Trang 5LOI CAM ON oieeeccccccsccccsscscsscscsscscsssssssssssssscessscsuescssssrssssesacsesssseseusassnsesensecensesaneeseneaes i TOM TẮT LUẬN VĂN .-¿ +56 4 12k 1 112122111015 1511111111 11 11011111 iii
MUC LUC.ioccececcccessescsccsscscsscsesscsesscsessssscsssscsssscsesssssssrssssesassesecsesessassesesensecsnsessneeseeeaes V DANH PHÁP CÁC TỪ VIẾT TẮTT - 2 £ 6 2 +k£Se+k£EEE+E£EEE£ESEEEkerk ke ckớp X DANH SÁCH CÁC HÌNH - - 2-5222 E212 3121 21525231513E11 7111115217151 1xx xi DANH SÁCH CAC BANG ueeececcccssccsessessssssscssessesssssssessssscsecsesstssesucsessesscsessnesesssese xiii DANH SÁCH CÁC DO THI eecsscsccsccscssessesssssesecsesssssesscsessessesesseesesscsecsesassesscssessees XV CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN 5 5< S633 EE E333 TH 111111 crrrrrkd 1
1.1 Chat 16mg iOn eee eccceccscccescsscecsesscecsscscssscscsacacsesecsnsesassesesatsesavsnsesatsnsacersseas 1
1.1.1 GiGi thiQu eee ccccescesessescescesessesessessesssseesessesessessesssssesessessteeeseeetene 1
1.1.2 Cau trúc của chất Long tot scececescesessescscestssescesesesssssstssesessesees 2
L.1.2.1 Cation — 2 522/759 aa ILIII II AB 3
1.1.3 Tính chất của chất lỏng ion -¿- 2-2 S£+E+EE£E£EE£EECEEEkeExckerrrereở 3
II CN? 8 -.‹“‹‹-1j 8 1.1.3.5 Sức căng bề mmặt 5+ S1 SE TRE T111 11101511 11x 10
IS TS n0 uc 10
1.1.3.7 Độ dẫn - Sàn TH H1 HH 1010111111111 01 11111 1x tre 11
Trang 61.1.5 Ung dung ctia chat Long 100 ost essesesesseseseseseesestsessseseeeteeeseeee 13
1.1.5.1 Ứng dụng chất lỏng ion làm dung mơi cho phản ứng hữu cơ 14 1.1.5.2 Ứng dụng chất lỏng ion làm chất xúc tác cho phản ứng 17
1.2 Phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr DYVTTỌe <5 5 2S S* 13255 S51Eseree 20
IVUĐAN Gối nh 20
so na 21
8/0217 22 E04 08:00 26
2.2.3.1 Mơ tả thí nghiệm tổng hợp chất lỏng ion [RMIM]PE¿ 31 2.2.3.2 Tổng hợp chất lỏng ion [RMIM]PF, 2 25552552: 34 2.3 Phương pháp phân tích chất lỏng ion . 2-5252 S2 S2 222 ‡x££Ezcxecsesed 34
2.3.1 Phương pháp phân tích phơ cộng hưởng từ hạt nhân NMR 34
2.3.2 Phương pháp phân tích phố khối lượng MS -. -5- 25+: 35
2.4 Thực hiện phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr pyrrole trong dung mơi xanh là chất
VI
Trang 72.4.1 Tính chất vật lý của tác chất - 5 sex xxx 1111 xe 36
2.4.2 Thực hiện phản ứng Paal-Knorr DYTTỌ€ . 5 +S< + se es4 39
2.4.2.1 Sơ đồ quy trình thí nghiệm - - + - 252 +S+ sex xxcrxee 39 2.4.2.2 Mơ tả thí nghiệm .-. - - SE S3 SE E2 1121112 xe 40 2.4.2.3 Các yêu tố khảo sát + + Set S32 2121121711111 21 11311 1x xe 40 2.4.3 Quá trình thu hồi chất lỏng ion .-. 2-2 2-5 2 S2 S£+S+EE£Sz£xeEcxez 40
2.5 Phân tích xác định sản phẩm . - 2 Sẻ SE EESEEEEE SE S3 E ctchrế chư 41
2.5.1 Phương pháp xác định độ chuyển hố của sản phâẩm - 41
2.5.2 Định danh sản phẩm - + - Sex ke SE TEE 3E H331 1xx xe 42
CHƯƠNG 3 KÉT QUÁ VÀ BÀN LUẬN 2222 SESeSEcEEzEcEererkreerered 45
3.1 Kết quả tổng hợp chất lỏng ion 2 - + SE+E+EE+E£ESEEEEEEECEEEEErkrrerererrsred 45 3.1.1 Kết quả xác định cấu trúc của chất lỏng ion gốc Br 45
3.1.1.1 Xác định cấu trúc của IL [BMIM]Br - 5-5 5sscs x2 45 3.1.1.2 Xác định cấu trúc của IL [HMIM]Br - 5-5 ©c+cszszx+ 46 3.1.1.3 Xác định cấu trúc cầu IL [OMIM]Br 5-5- 5ccssssx2 46
3.1.1.4 Hiệu suất tổng hợp chất lỏng ion gốc Br 5-5-5: 47 3.1.2 Kết quả xác định cấu trúc của chất lỏng ion gốc PF¿ 50
3.1.2.1 Xác định cấu trúc của IL [BMIM]PFEạ 5 se S2 50 3.1.2.2 Xác định cấu trúc của IL [HMIM]PF6 2-5 <2 sẻ 51 3.1.2.3 Xác định cấu trúc của IL [OMIM]PFc 5 5 cscs+cxcs+ 52 3.1.2.4 Hiệu suất tổng hợp IL gốc PF +5 2+2 *+s£x+E+zx£t 53
3.2 Kết quả khảo sát phản ứng Paal-Knorr Pyrrole 2s 2 s+s+s+£+e+zszxd 55
3.2.1 Anh hurong ctia nhiét 46 oo csceecesccseseseceesessestsesesessssesesseareeeseaes 55
Trang 83.2.3 Ảnh hưởng của chiều dài mạch alkyl của chất lỏng ion 60
3.2.4 Ảnh hưởng của loại dung môi - 2- 2 25+ s++*£2 +2 +2 +e+zxee 63 3.2.5 Ảnh hưởng của tác chất - ¿+ sex 322 +kEEEEEE2 11312132122 65
3.2.6 Khảo sát độ chuyển hoá của phản ứng theo khả năng thu hồi và tái sử
8101411891014150401018 1 0001 69 3.2.6.1 Tái sử dụng IL cho phản ứng Paal-Knorr pyrrole giữa 2,5- hexandione và BenzyÏamIne - - - < << «+ 1S S4 3 S9 1 1k 69 3.2.6.2 Tái sử dụng IL cho phản ứng Paal-Knorr pyrrole giữa 2,5- hexandione và CyclohexyÏamine - - - <5 5+4 1S 1 1 me 71
CHUONG 4 KET LUAN VA KIEN NGHI oiecececcecscescssssceseesesescssessesesssssssesnssseeeaes 75
4.1 Điều chế chất lỏng iom 5< E+S2 SE SE SE SE 1E E115 112111 rkee 75
4.2 Khảo sát phản ứng Paal-Knorr PyFTOÌe - << 5+4 Y1 1 99 11H ng re 76
8 ‹ 6ï ececccccsccscsesscsescsecscscscsesscscsesscsessscsessssesesavstssstsesasatsesavatsessssesneass 77
TAI LIEU THAM KHAO cceccccccccccsessesessesesessescssesssesssscsecssssssssessssesesansesenseseeeacs 78 PHỤ LLỤC - ¿5-56 SE SEEEE SE 1521011215111111 1511111111111 150111111 tri 84 PHỤ LỤC 1: KẾT QUÁ PHÔ CỦA IL [BMIM]Br 5-5-5522 *c5e£ 85 PHU LUC 2: KET QUA PHO CUA IL [HMIM]Br ccececcesecscsesesecessesesesecsseneseeees 86 PHỤ LỤC 3: KÉT QUÁ PHÔ CỦA IL [OMIM]Br - 5< 5 5+2 xseee 87 PHỤ LỤC 4: KẾT QUÁ PHÔ CỦA IL [BMIM]PE, -5- 5 SE £*+5££ 88 PHỤ LỤC 5: KẾT QUÁ PHÔ CỦA IL [HMIM]PF - 5-5 2 5E +£s£sxzxd 89
PHỤ LỤC 6: KẾT QUÁ PHÔ CỦA IL [OMIM]PFc, 5-5 < + 5SzE£SsEssesxd 90 PHU LUC 7: KET QUA PHO CUA SAN PHAM N-CYCLOHEXYL-2,5-
DIMETHYLPYRROLE .u ccccsccccccssssssssscsssscesssscsesucacsesscsesusassnsucaesesusassnsacatsnsasseseeaes 91
Vill
Trang 91X
Trang 10IL: Chat long ion
IM: Imidazolium
[BMIM]Br: 1-Butyl-3-methylimidazolium bromide
[HMIM]Br: 1-Hexyl-3-methylimidazolium bromide
[OMIM]Br: 1-Octyl-3-methylimidazolium bromide
[BMIM]PF,: 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate [HMIM]PF,: 1-Hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate [HMIM]PF;: 1-Octyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate [BDMIM]: 1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium
[C,MIM]: 1-Ethyl-3-dimethylimidazolium
[C,MIM]: 1-Butyl-3-methylimidazolium
[CgMIM]: 1-Octyl-3-methylimidazolium
[CsMIM]: 1-Hexyl-3-methylimidazolium
EtOAc : Ethyl acetate
Et,O: Diethyl ether
Trang 11Hình 1-1 Cấu trúc của một số cation thông dụng thường gặp voces 3
Hình 1-2 Ảnh hướng của nhiệt độ lên độ nhớt của các chất lỏng ion [Camim]PFs-
dạng khan (tô đậm) và đạng cân bằng với nước (không tô đậm)!” Ì - - 5 +: 6 Hình 1-3 Mối quan hệ giữa tỷ trọng và kích thước cation của IL [R¡R;Im]AICLj'Ì 8
Hình 1-4 Tổng hợp một số chất lỏng ion họ imidazolium -. 22-252 s52: 12 Hình 1-5 Quy trình tổng quát tổng hợp chất lỏng ionÏỶ 2-2 s+zs+£s+£E+£s+zxzvxez 12
Hình 1-6 Phản ứng giữa 1-methylimidazole với 1-bromobutanel?† s- s- 13 Hình 1-7 Phản ứng giữa [BMIM][Br] với sodium hexaflourophosphate!?Ì 13 Hình 1-8 Tổng hợp chất lỏng ion tetraalkylammonium bromide và ứng đụng trong
011815:1580si-v 0 14
Hình 1-9 Phản ứng Heck trong dung môi chất lỏng ion trén co sé guanidine 15 Hinh 1-10 Phản ứng giữa hợp chất alcohol với 3,4-dihydropyran (a) hoặc 2,3—
dihydrofuran (b) trong chất lỏng ion ¿2° 6-5652 SE£SE£EESEEEEEEtEEErrkrrerrererred 15
Hình 1-11 Phản ứng ghép đôi C-P thực hiện trong chất lỏng ion . - 16
Hình 1-12 Phản ứng fluorine hóa thực hiện trong chất lỏng ion .-. - 16 Hình 1-13 Phản ứng Diels—Alđer trong chất lỏng ion 2-2-2 2 s2 £e+eSze 17 Hình 1-14 Các chất lỏng ion có tính acid được sử đụng làm xúc tác cho phản ứng
Prins giữa styrene và formaldehyde - - - - << S + 1S S9 411 1 1 HH ng 18 Hình 1-15 Tổng hợp các hợp chất carbamate từ amine béo và đimethyl carbonate
sử dụng xúc tác chất lỏng ion có tính acid - + + 2 2 s+E+£k+E£E+EE+keEsSeckrxrkee 19
Hình 1-16 Tổng hợp các dẫn xuất 1,1-diacetal sử dụng xúc tác chất lỏng ion có tính
Hình 1-17 Tổng hợp Paal-Knorrl” Ì ¿+ 2 sẻ Ek+E£E+E+EE£EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEecrsrkrred 20
Hình 1-18 Phản ứng tổng hợp pyrrole từ 1,4-đicarbonyl hoặc 2,5-dimethoxytetra-
hydrofuran với amin sơ cấp!” Ï - «se k9 ke EkEESEEEE E111 1114811111111 xcrsrkd 21
Hình 1-19 Co ché tong hop pyrrole c.ccccsscsccccsscssessessessessesessesssscsessesseseseessessseessessees 22
Hình 1-20 Tổng hợp 2,3,5-triarylpyrrolel ”Ì - s- «+ s+exx£Ex+ke+k#Ek+Eerkerkerkrerrereered 23
Hình 1-21 Tông hợp magnolaminde với xúc tác acid Lewis titanium isopropoxide 23
XI
Trang 12Hình 1-23 Phản ứng Paal-Knorr tổng hợp chất ức chế lipoxygenase - 24 Hình 1-24 Tổng hợp polymer 2,5-bis(1-argio-5(thiophen-2-yl)-1H-pyrrole-2-
40/0199): 11118 24 Hình 1-25 Phản ứng tổng hợp bipyrrÏe - 2 - + Sex Sex xxx re, 24
Hình 1-26 Tổng hợp roseophillin từ 1,4-diketon và amin sơ cấp!ŸÌ 5- 25 Hình 1-27 Tổng hợp Hemes và perphyrins thông qua phản ứng Paal-Knorr 25
Hình 2-1 Quá trình tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl—3-methylimidazolium bromide 30 Hình 2-2 Tổng hợp chất lỏng ion [RMIM]Bï 2-5-5552 52+52 +2 S*‡£2£v+zxsd 31
Hình 2-3 Quá trình tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium
hexafluorophosphafe - - «<< 1n TH HT ch 33
Hình 2-4 Tổng hợp chất lỏng ion [RMIM]P, 2-52 555252 SE £Ez2£E ve 34
Hình 2-5 Sơ đồ thực hiện phản ứng Paal-Knorr pyrroÌe - 2-22 2s 2 s2 s52: 39 Hình 2-6 Chương trình nhiệt độ của phương pháp phân tích GC 42 Hình 3-1 Cấu trúc 1-Butyl—3-methylimidazolium bromide - 2 - 5 2 45 Hình 3-2 Cấu trúc 1-hexyl—3-methylimidazolium bromiđe - - 5 2: 46 Hình 3-3 Cấu trúc 1-octy]-3-methylimidazolium bromide 2 +52 s- 46 Hình 3-4 Cầu trúc 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate 50 Hình 3-5 Cấu trúc 1-Hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate 51 Hình 3-6 Cầu trúc 1-octyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate 52
XI
Trang 13Bang 1-1 Nhiệt độ nóng chảy của một số chất lỏng ion - 2 5+ + ezz+xccez 4 Bảng 1-2 Ảnh hưởng của kích thước anion lên nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion 5 Bảng 1-3 Độ nhớt của một số chất lỏng ion ở 25°C -2-2- 2 s+s+E++E£E+EE+errzceceee 6 Bang 1-4 Độ nhớt động lực của muối 1-butyl—3-methylimidazolium (BMIM) với các anion khác nhau ở 2 C - - G 5< <1 191 S10 KT ng ng rh 7 Bang 1-5 Tý trọng của một số chất lỏng ioñ - 2-2 + s+E+ESEE£EeEEEEEeEErkererereee 7 Bang 1-6 Độ tan của một số chất lỏng ion ở nhiệt độ phòng 2 5-52: 9 Bang 1-7 Sức căng bề mặt của một số chất lỏng ion thường gặp - 10 Bang 1-8 Độ dẫn và chiết suất của một số chất lỏng ion ¿- - 2 se cececcee: 11
Bảng 2-1 Các thông số của hoá chất chính . 2 2 2+2 E2SE+E+£x+ExeEzvrzcesred 27
Bang 2-2 số liệu của tác chất phản ứng - ¿5< SE SE E311 1311121112 3.0, 29 Bảng 2-3 Số liệu các chất tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl_3—
methylimidazoliumbrOTmide - - << << 5533310118939 1 1899 30 1 1 1 1 03x ng r 31 Bang 2-4 S6 liéu cia tac chat phan Ung eee ccesssesessesesesseeesecetsesssersteseetsesaeees 32 Bảng 2-5 Số liệu các chất tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphafe - - «<< 1n TH HT ch 34 Bảng 3-1 Hiệu suất tông hợp chất lỏng ion 1-alkyl—3-methylimidazolium bromide trong điều kiện vi SÓng - + se SE E33 E113 31151115 1115111151111 47 Bảng 3-2 Hiệu suất tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl—-3-methylimidazolium
hexafluorophosphate trong điều kiện vi sóng . ¿- - 6-5252 +2 x+Exvresrsrerred 53
Bang 3-3 Số liệu khảo sát nhiệt độ phản Ứng - ĂĂ Ă S9 ng 56 Bảng 3-4 Số liệu khảo sát tỉ lệ tác chất giữa 2,5-hexandione : Cyclohexylamine 58 Bảng 3-5 Số liệu khảo sát chiều đài mạch alkyl gốc cation của IL . - 61
Bảng 3-6 Số liệu khảo sát đung môôi ¿- 2 25+ +E+S££Ee+EEE£EEtEEkrrxrrerrerkrred 63
Bảng 3-7 Các thông số cần khảo sát - 5£ S3 SE E311 1311113112 xe, 66
Bảng 3-8 Số liệu khảo sát tác chất . -¿- + 5+ Sát E1 1111101111111 111cc 66
Bảng 3-9 số liệu thu hi va tai str Wooo ececccesesscsesecsesesecsesesseecsecarsessearstessetsesaeaees 70
Trang 14XIV
Trang 15Đồ thị 3-1 Biểu diễn hiệu suất trung bình tổng hợp IL gốc Br - - 49
Đồ thị 3-2 Biểu diễn hiệu suất trung bình tổng hợp IL gốc PFg, . - -:- 54
Đồ thị 3-3 Khảo sát độ chuyển hoá của phán ứng Paal-Knorr pyryole theo nhiệt độ 57
Đồ thị 3-4 Khảo sát độ chuyển hoá của phản ứng theo tỉ lệ tác chất 59
Đồ thị 3-5 Khảo sát độ chuyển hoá theo chiều dài mạch alkyl gốc cation cua IL 62 D6 thi 3-6 Khao sat d6 chuyén hoa theo dung méi khdc nhaw oo - 64
Đồ thị 3-7 Khảo sát độ chuyển hoá theo tác chất khác nhau . - - + +s+s+szs£: 67
Đồ thị 3-8 Khảo sát độ chuyển hoá với tác chất Benzylamine - -««««: 68
Đồ thị 3-9 Khảo sát thu hồi và sử dụng chất lỏng ion . 5-5-52Sscs2cezeccze 71
Đồ thị 3-10 Khảo sát thu hồi và tái sử đụng IL - ¿5-52 6+2 +E£EeE+EcEe re, 73
XV
Trang 16CHUONG 1 TONG QUAN
1.1 Chat léng ion
1.1.1 Giới thiệu
Chất lỏng ion được định nghĩa là những chất lỏng chỉ chứa toàn bộ ion mà không có phân tử trung hòa trong đó” Hay nói cách khác chất lỏng ion (IL) là
những muối nóng chảy ở nhiệt độ thấp (dưới 100°C)!” '°Ì, Thường gặp nhất là
những muối có chứa cation hữu cơ như tetraakylammonium, alkylpyridium, 1,3—
đialkylimidazolium, PÌ
Các chất lỏng ion được xem là loại dung môi có tính chất thay đổi do các tính chất vật lý như nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt, tỷ trọng, cân bằng ái nước-ái dầu, của chúng có thể thay đổi theo yêu cầu của phản ứng cần thực hiện Những
thông số này có thê được điều chỉnh bằng cách thay đổi cau tric cia cdc cation va
anion hình thành nên chất lỏng ion.”
Chất lỏng ion thể hiện được nhiều ưu điểm hơn so với các dung môi hữu cơ truyền thống, nhờ các tính chất hoá lý có thê thay đổi được như trên mà chất lỏng ion được xem như là những dung môi xanh và là một giải pháp mới trong tông hợp hữu cơ hiện đại Sau đây là một số tính chất tổng quát của các chất lỏng ion thường
xa [11, 12
gặp:
% Các chất lỏng ion hoản toàn không bay hơi và không có áp suất hơi
% _ Các chất lỏng ion có độ bền nhiệt cao và không bị phân hủy vì nhiệt trong
một khoảng nhiệt độ khá rộng
% — Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan một dãy khá rộng các chất hữu cơ, chất vô cơ cũng như các chất hợp kim
% _ Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan khá tốt các khí như Hạ, O;, CO, CO¿
+ Độ tan của chất lỏng 1on phụ thuộc vào bản chất cation và anion tương Ứng
Trang 17% Cac chat long ion mic di phan cuc nhưng thông thường không tạo phức phối trí với các hợp chât cơ kim, các enzyme và với các hợp chât hữu cơ khác
% — Hầu hết các chất lỏng ion có thể được lưu trữ trong một thời gian dài mà
không bị phân hủy
% Các chất lỏng ion là dung môi có nhiêu triển vọng cho các phản ứng cân độ chọn lọc quang học tốt
% — Các chất lỏng ion chứa chloroaluminate ion là những Lewis acid mạnh, có khả năng thay thế cho các acid độc hại
+ — Bên cạnh đó, một tính chất khác góp phần xếp loại chất lỏng ion đứng cùng với các dung môi xanh khác là khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác hòa tan trong
IL, dic biệt là các xúc tác phức của các kim loại chuyền tiếp
1.1.2 Câu trúc của chất lỏng ion
Chất lỏng 1on thường được cầu tạo từ một cation hữu cơ và một anion hữu cơ hoặc vô cơ, các cation và anion thường gặp như dưới đây!® ® !° 1l:
1.1.2.1 Cation
Chất lỏng ion ngày càng được nghiên cứu phổ biến, nhưng cation nói chung vẫn có cấu trúc cồng kênh, với sự bất đối xứng, tương tác phân tử yếu các
cation co ban: ammonium, sulfonium, phosphonium, imidazolium, pyridinium,
picolinium, pyrrolidinium, thiazolium, oxazolium and pyrazolium.!"“!
Bén canh do, dé chat lỏng ion co thể tồn tại ở nhiệt độ phòng, cation có
cầu trúc bất đối xứng được sử dụng nhiều hơn, ví dụ R¿ và R¿ phải là những nhóm alkyl khác nhau trong cation đialkylimidazolium, đây là cation có cấu trúc bất đối xứng, và là muối có nhiệt độ nóng chảy thấp, mac du cation co mach alkyl dai nhu dibutyl, dioctyl, dinonyl va didecylimidazolium hexafluorophosphates 1—butyl—3—
methyl ([BMIM]” va 1-ethyl-3-methylimidazolium ([EMIMT”) là hai cấu trúc
cation được sử đụng phổ biến trong hầu hết IL
Trang 18Tetraalkylphosphomum Trialkylsufomum Dialkylpyraolium N-alkylthiazolium
Hình 1-1 Cấu trúc của một số cation thông dụng thường gặp 1.1.2.2 Anion
Các anion thường gặp của chất lỏng ion ngoài một số ít các halide anion có
thé là BF¿, PF¿, Sb;, ZnCl¿, CuCl;, SnClz, N(CF;SO,), N(C,F;SO,),,
N(FSO;);, C(CFzSO;);, CFazCO;, CEFzSOx và CHzSO+; Ngoài ra, còn có các anion
đa nhân (polynuclear amion) khác như: Al;C1;, AlaClịo, Au;CH;, Fe;C1; và Sb›Fi Trong đó, các chất lỏng ion chứa các anion đa nhân như vậy thường để bị phân hủy đưới tác động của không khí và nước!"!1
1.1.3 Tính chất của chất lỏng ion
1.1.3.1 Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion thường ở giới hạn thấp Đa số chất
lỏng ion nóng chảy ở nhiệt độ phòng Độ bền nhiệt của chất lỏng ion là khá cao
(350- 450°C), nhiệt độ nóng chảy là thông số quan trọng đầu tiên được sử dụng để đánh giá chất lỏng ion Nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion có thể được điều chỉnh bằng cách thay đối cấu trúc của phần cation và cá phần anion Tuy nhiên, rất khó để xác định chính xác nhiệt độ nóng chảy của một sô chat long lon Nguyên nhân của
3
Trang 19điều này liên quan đến sự biến đổi pha của chất lỏng ion tùy thuộc vào điều kiện cụ
thé,”
Mỗi tương quan giữa cấu trúc cũng như thành phần hóa học của chất lỏng với nhiệt độ nóng chảy của chúng là một vẫn đề rất được quan tâm Bằng cách khảo
sát tính chất của một dãy các chất lỏng ion trên cơ sở imidazolium, tác giả Rogers
đã rút ra kết luận rằng thông thường nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion giảm khi kích thước cũng như tính bất đối xứng của cation tăng 1%
Bảng 1-1 Nhiệt độ nóng chảy của một số chất lỏng ion
Trang 20Việc thay đổi anion hoặc kích thước của nó trong chất lỏng ion cũng có tác dụng làm thay đổi nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion Đối với chất lỏng ion có
cation là 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMIM)”, khi kết hợp với các anion có
kích thước khác nhau thì nhiệt độ nóng chảy cũng thay đổi theo (như Bảng 1-2 bên
nhớt của l-butyl—-3-methylimidazolium hexafluorophosphate tăng lên khoảng 27%
khi nhiệt độ giảm 5°C từ 298K xuống 293KUŠ | chang hạn độ nhớt của [C,C,IM][BF,] 1a 154 cP & 20°C gidm xuống 40 cP khi 50°C va 12 cP khi 90°C."”!
Trang 21Bang 1-3 D6 nhớt của một số chất lỏng ion ở 25°C
Chất lỏng ion | D6 nhét(cP) (T°C) | Chat long ion | Độ nhớt(cP)(T°C)
[EMIMI [PE4| 450 (25°C) [BMIMI [BE4| 233 (25°C)
Các tạp chất có mặt trong chất lỏng ion cũng sẽ gây ra sai số đáng kế cho việc xác định độ nhớt Chẳng hạn, chỉ cần có mặt 2% khối lượng nước trong chất lỏng lon l-butyl_-3-methylimidazolium tetrafluoborate, độ nhớt sẽ giảm khoảng
50% so với trường hợp chất lỏng ion tỉnh khiết.”
Bản chất anion có mặt trong chất lỏng ion cũng có ảnh hưởng lớn đến độ nhớt, bảng số liệu sau đây (Bảng 1-4) cho thấy sự ảnh hưởng của các anion khác nhau lên độ nhớt của muối 1—n-butyl]-3-methylimidazolium!!?! Độ nhớt càng tăng
6
Trang 22khi chat lỏng lon sử dung anion theo thir tu sau: [(CF3;SO2)2N] < [CF3;CO.] <
[CF3SO3] < [C3F7CO2] <[C,F9SO3]
Bảng 1-4 Độ nhớt động lực của muối 1—-butyl—3—methylimidazolium
(BMIM) với các anion khác nhau ở 20°C
/@` [ AT n-CaFoSOx 373
n-C;F;COO 182 (CFsSO;);N' 52
1.1.3.3 Tỷ trọng
Tỷ trọng của các chất lỏng ion được công bố thay đổi từ 1,12 g/cm” đối với
trường hợp [(n-C;H¡;)(C„H¿)zN][CEzSO;);N], và đến khoảng 2,4 g/cm” đối với trường hợp [(CH:)zS]Br / AIClạ Tỷ trọng của chất lỏng ion là thông số vật lý ít bị
ảnh hưởng bởi sự thay đổi của nhiệt độ nhất Tạp chất ảnh hưởng đến sự biến đôi của tỷ trọng không đáng kẻ
Bảng 1-5 Tỷ trọng của một số chất lỏng ion
Chat lỏng ion TY trong (25°C) (g mI’) Chất lỏng ion Ty trong (25°C) (g ml’)
Trang 23
~ MOLE FRACTION Alci, = 0.50
Téng số Cacbon trên mạch alkyl
Hình 1-3 Mối quan hệ giữa tỷ trọng và kích thước cation của IL
[RiR2ImJAICL”)
Trong một vài trường hợp, sự thay đổi anion có ảnh hưởng đến tỷ trọng của
chất lỏng ion Khi tăng khối lượng anion làm cho tỷ trọng của chất lỏng ion tăng
lên Nhìn chung, tỷ trọng tăng khi chất lỏng ion chứa lần lượt các anion: [CHaSOs]
>[BE4] < [CEaCO;] < [CFzSOs] < [C3F;CO,] < [(CF3SO,)2N]
1.1.3.4 Độ tan
a Hoà tan chất lỏng
Các chất lỏng ion được xếp vào loại dung môi phân cực, rất nhiều chất lỏng 1on hiện tại có độ phân cực tương tự như các hợp chất alcohol mạch ngăn hoặc
tương tự các dung môi phân cực không có proton như DME hay DMSO Như vậy
có thể thấy độ phân cực của chất lỏng ion đang sử dụng hiện tại nằm trong khoảng giữa nước và các dung môi chứa chlorine, tùy thuộc vào cấu trúc cụ thể của các chất lỏng ion tương ứng.!'®
Độ tan của chât lỏng 1on phụ thuộc nhiêu vào chiêu dài gôc alkyl, ban chat
1on và cả nhiệt độ Băng cách thay đôi câu trúc của các catlon hoặc anion, có thê điêu chỉnh độ tan của chât lỏng 1on từ tan hoàn toàn đên không tan hoàn toàn trong nước, ví dụ điều này có thê thực hiện bằng cách thay anion CÏ bằng PEs.1* !8Ì
Trang 24Khi chiều dai géc alkyl tăng lên, độ tan của chất lỏng ion họ alkyllimiđazolium trong nước giảm xuống Ví đụ 1—hexyl-3—methylimidazolium
tuy nhiên 1,3-
[18]
hexafluorophosphate tan rất ít trong nước ở 25°C,
dimethylimidazolium hexafluorophosphate lai tan tốt trong nước
Báng 1-6 Độ tan của một số chất lồng ion ở nhiệt độ phòng
- Độ tan trong các dung môi STT Chat long ion
H,0 [g/l] Et,0 EtOAc EtOH
1 | [(C,OH MIM][PF.] | Hoan toan | Khong tan | 1 phan | Hoàn toàn
2 | [C,OH MIM][BF,] | Hoan toan | Khong tan | 1 phan | Hoàn toàn
3 [C30 MIM][PFe] | Hoàn toàn | Không tan 1 phần 1 phan
4 [C30 MIM][BF,] | Hoàn toàn | Không tan 1 phần ] phan
5_ | [CzOa MIM|[PFạ] 0/438 | Không tan | Không tan| 1 phan
6 [C502 MIM][BF4] 0,43 Không tan | Không tan | Không tan
7 [CaO MIM]IPE¿] 0,57 Không tan | Không tan | Không tan
8 [C,O MIM][BF,] | Hoàn toàn | Không tan | Không tan | Không tan
9 [Cg MIM][PFe] 0,22 Không tan | Không tan | Không tan
10 [Cs MIM][BE4] 0,30 Không tan | Không tan | Không tan
11 [Cio MIM][BF4] 0,59 Không tan | Không tan | Không tan
b Hoà tan chất khí
Độ tan của một số chất khí trong chất lỏng ion cũng được quan tâm nghiên cứu Một số phản ứng quan trọng như hydrogen hóa hay hydroformyl hóa trong chất long ion cần phải thực hiện với sự có mặt của một pha khí Ngoài ra, việc nghiên cứu độ tan của chất lỏng ion trong chất khí được quan tâm để ứng dụng chất
lỏng ion vào các quá trinh phan riéng hay lam sach khi."* "7!
Trong tất cả các khí thường gặp (trừ hơi nước), thì CO; là chất khí có độ tan lớn nhất trong chất lỏng ion CO; có thể hòa tan trong rất nhiều chất lỏng ion ở hàm
9
Trang 25luong đến 70% ở áp suất thích hợp Các khí như C;H¿, C;H; và CH¿ có độ tan đứng sau CO; Các chất khí khác như O; và Ar tan một ít trong chất lỏng 1on Tuy nhiên, cũng có những khí hầu như không tan trong chất lỏng ion như khí H;, N; và CO !'°! 1.1.3.5 Sức căng bề mặt
Thông thường, sức căng bề mặt phân chia pha lỏng / khí của chất lỏng ion cao hơn so với các dung môi hữu cơ thông thường Tuy nhiên, sức căng bề mặt của chất lỏng ion thấp hơn so với nước Sức căng bề mặt của chất lỏng ion phụ thuộc vào cấu trúc của cation và anion tương ứng Trong đó, chiều dài gốc alkyl tăng sẽ làm giảm sức căng bề mặt Với cùng một cation cụ thể, anion có kích thước lớn hơn
sẽ làm tăng sức căng bề mặt tương ứng.Š!
Bảng 1-7 Sức căng bề mặt của một số chất lỏng ion thường gặp
- Sức căng bề mat (dyn.cm”) STT Chat long ion :
Cân băng với nước Dạng khan
10
Trang 26Việc xác định mối quan hệ giữa độ phân cực của chất lỏng ion và cấu trúc của nó cũng gặp nhiều khó khăn Những nghiên cứu cho thấy rằng độ phân cực của chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium gần bằng với những alcohol mach ngắn Đối với trường hợp chất lỏng ion chứa gốc alkyl mạch ngắn thì sự biến đổi độ
phân cực bị ảnh hưởng nhiều bởi anion và đối với trường hợp gốc alkyl mạch dài
thì cấu trúc cation sẽ có ảnh hưởng nhiéu hon”! Chat long ion ho 1—-butyl-3-
methylimidazolium có độ phân cực giảm dần theo thứ tự các anion như sau: [NO]
> [NO] > [BE] > [NTíf;]' > [PF¿] Sự có mặt của các nhóm thế trên Ốc alkyl như -OH hay —OR sẽ làm giảm độ phân cực trong một khoảng rộng
1.1.3.7 Độ dẫn
Các chất lỏng ion có độ dẫn tương đương với các dung dịch chất điện ly trong môi trường không chứa nước Tuy nhiên, độ dẫn của nó thấp hơn nhiều so với trường hợp đung dịch chất điện ly đậm đặc trong môi trường chứa nước Do sự giảm độ linh động của ion đo kích thước lớn hơn nhiều so với các chất điện ly thông thường
Độ dẫn của chất lỏng ion không bị ảnh hưởng nhiều bởi kích thước và loại cation Tuy vậy, khi tăng kích thước cation của chất lỏng ion sẽ có xu hướng giảm
độ dẫn, chủ yếu do độ linh động ion giảm khi kích thước cation tăng lên Ảnh hưởng của sự biến đổi độ dẫn theo loại cation thường giảm theo trật tự sau đây: imidazolium > sulfonium > ammonium > pyridinium Tuy nhiên, độ dẫn phụ thuộc đáng kế vào độ nhớt, khi độ nhớt tăng sẽ làm giảm độ dẫn một cách đáng kế
Bảng 1-8 Độ dẫn và chiết suất của một số chất lỏng ion
STT Chất lồng ion Độ dẫn (mS.cm”) Chiết suất
Trang 27bằng các quy trình Ila va IIb (như sơ đồ 1-2) 1°” Hình 1-6 và Hình 1-7 là ví dụ
3 lon n oxchange resin
[NRaR'TT[MX.,.;]' INRA [A]
Hình 1-5 Quy trinh téng quat tong hop chat léng ion'®
12
Trang 28Hình 1-7 Phản ứng giữa [BMIM|I[Br| với sodium hexaflourophosphate?)
Do các chất lỏng ion này không bay hơi nên không thể tinh chế chúng bằng phương pháp chưng cất như các dung môi hữu cơ thông thường khác Các chất lỏng ion này được tinh chế bằng cách hòa tan chúng trong các dung môi như acetonitrile hoặc tetrehydrofuran, sau đó xử lý với than hoạt tính dé hap thu cac tap chất và cuối cùng đuôi đung môi dưới áp suất kém
Hiện nay, phương pháp tổng hợp được cải tiến nhờ sự hỗ trợ của vi sóng trong điều kiện phản ứng không dung môi Tác giả Varma và Namboodiri đã thực hiện tổng hợp chất lỏng ion họ imidazolium với điều kiện có hỗ trợ vi sóng như trên
và hiệu suất thu được đạt trên 70%, có trường hợp lên đến 94% trong thời gian dưới hai phút Trong khi đó để đạt được hiệu suất tương tự như vậy thì thời gian phản
ứng cần đến năm giờ đối với phương pháp gia nhiệt thông thường!”!! Ưu điểm của
phương pháp này là không cần phải dùng dư một lượng tác nhân alkyl halide như phương pháp gia nhiệt truyền thống Đồng thời khá an toàn cho người vận hành và môi trường do không sử dụng dung môi hữu cơ dễ bay hơi
1.1.5 Ứng dụng của chất lỏng ion
Ngày nay, chất lỏng ion được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: tổng hợp và xúc tác (synthesis and catalysis), kỹ thuật điện hoá (electrochemical engineering), hoá phân tích (analytical chemistry), năng lượng (energy), sinh hoá (biochemistry), xúc tác enzyme, tổng hợp protein, quá trình Biomass, quy trình kỹ thuat (process engineering)
13
Trang 29Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của chất lỏng ion là làm dung môi cho các phản ứng hữu cơ (phản ứng ái nhân và ái điện tử) và phản ứng được
xúc tác bởi các kim loại chuyển tiếp Chất lỏng ion còn là dung môi xanh cho các
phản ứng hydro hoá, hydroformyl hoá, epoxy hóa, đime hóa olefine, polymer hóa gốc tự do, Friefel—Crafts, Diel_Alder, Heck, Suzuki
1.1.5.1 Ứng dụng chất lỏng ion làm dung môi cho phản ứng hữu cơ
Phản ứng ghép đôi (cross-coupling) của các dẫn xuất arylhalogenua đã và đang được biết đến một cách rộng rãi như một trong những phản ứng đặc biệt được dùng đề tông hợp trực tiếp bộ khung carbon từ những phản ứng đơn giản
Một trong những phán ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu đã và
đang được quan tâm nghiên cứu là phản ứng ghép đôi Heck
Hình 1-8 Tổng hop chat long ion tetraalkylammonium bromide va img
dung trong phan tng Heck
14
Trang 30Ngoài các chât lỏng ion trén co sé mu6i imidazolium Chat lỏng 1on họ muôi gudanidinium su dung chat long ion này đê làm dung môi cho phản ứng Heck giữa
dân xuât của 1odobenzene, bromobenzene hoặc chlorobenzene với styrene hoặc các
Một trong những phản ứng hình thành liên kết carbon-oxygen tiêu biểu được
thực hiện trong IL là phản ứng tetrahydropyranyl hóa hoặc furalnyl hóa các hợp chất alcohol Tac giả Gnaneshwar đã sử dụng chất lỏng ion 1-butyl-3-
methylimidazolium hexafluorphosphate kết hợp với xúc tác InClz cho phản ứng
O [bmim][PF¢] O O
Hình 1-10 Phản ứng giữa hợp chất alcohol với 3,4-dihydropyran (a) hoặc
2,3-dihydrofuran (b) trong chất lỏng ion Đây là những phản ứng bảo vệ nhóm chức quan trọng trong tổng hợp hữu cơ
có cầu trúc phức tạp tương tự như các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên Phản ứng giữa cinamyl alcohol với 3,4-dihydropyran trong chất lỏng ion sử đụng 5% mol xúc
tác InCla ở nhiệt độ thường cho hiệu suất sản phẩm 92% Điều kiện thực hiện phản
ứng rất êm dịu, đám bảo các liên kết đôi trong phân tử không bị polymer hóa hoặc đồng phân hóa Một ưu điểm khác là sau phản ứng việc thu hồi và tái sử dụng nhiều
15
Trang 31lần chất lỏng ion cú chứa xỳc tỏc mà hiệu suất khụng thay đổi, trường hợp phản ứng giữa cinnamyl alcohol với 3,4-dihydropyran cho hiệu suất 92%, 91%, 92%, 91% và 90% sau năm lần sử dụng.”
Tỏc giả Gaumont đó sử dụng chất lỏng ion 1—butyl-3—methylimidazolium hexafluorophosphate là dung mụi cho phản ứng hỡnh hành liờn kết carbon-phosphor
giữa một hợp chất phosphine-borane với một dẫn xuất của iodobenzene Đõy là
phản ứng rất quan trọng, sản phẩm là những ligand khụng thể thiếu cho quỏ trỡnh phản ứng sử dụng hợp chất cơ kim.!đè
Hỡnh 1-11 Phản ứng ghộp đụi C-P thực hiện trong chất lỏng ion
Tỏc giả Chi đó thực hiện thành cụng phản ứng thế ỏi nhõn giữa 2-(3-
methanesulfonyloxypropoxy) naphthanelene và KF trong chất lỏng ion 1-butyl-3—
methylimidazolium tetrafluoroborate Điểm nỗi bật hơn hắn so với việc sử dụng cỏc dung mụi hữu cơ thụng thường trong phản ứng này là hiệu suất đạt 85% sau 1,5 h ở 100°C trong khi đú đối với dung mụi acetonitrile thỡ phản ứng xảy ra khụng đỏng kờ
sau 24 h cũng trong điều kiộn 6 100°C.” ”7
OV ~_OMs 5 eq KF OL UF
——
( I> [bmim][X], HzO ( >
1.5h, 100°C
[bmim][X] -| Noy | x | CX = BFa, PF¿, SbF¿, OTf, NTf;)
Hỡnh 1-12 Phản ứng fluorine húa thực hiện trong chất lỏng ion
16
Trang 32Trong phan tmg Diels—Alder str dung 1—ethyl—3—methylimidazolium clorua / chloroaluminate [emimCl/(AICI3) x], tỷ lệ endo / exo của các sản phẩm khác nhau chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ emimCl / (AIC1;) x Số lượng của dạng endo tăng bốn lần so với emimC] / (AICl3) x acid, so với các emimC] / (AIC]H;) xbaz Khi phản ứng tương tự được thực hiện với I-butyl-methylimidazolium-3tetrafluoroborate ([BMIMB]F¿), nó cho thấy phản ứng tương tự như phan img Lewis [EMIMICI /
emimCl(AICk), 51 (acidic) 22 18 g3 - l4
emimCl/(AICH), 51 (acidic) 72 19 74 'ã bmimBFa - 72 4,3 31 tb)
Hình 1-13 Phản ứng Diels—Alder trong chất lỏng ion 1.1.5.2 Ứng dụng chất lỏng ion làm chất xúc tác cho phản ứng
Như đã đề cập ở trên, chất lỏng ion đóng một vai trò quan trọng là làm dung
môi cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ Bên cạnh đó, chất lỏng cũng đóng một vai
trò khác là làm xúc tác cho phản ứng
17
Trang 33Một số chất lỏng lon chứa các nhóm chức acid hoặc bản thân có tính acid
cũng được sử dụng làm xúc tác Điển hình là phản ứng Prins giữa styrene với
formaldehyde để điều chế các dẫn xuất của dioxane Trước đây, các phản ứng này được thực hiện với điều kiện là sử dụng các acid mạnh như sulfuric acid, hydrochloric acid hoặc /-toluenesulfonic acid Nhược điểm của các acid này là có tính ăn mòn cao và không thể thu hồi và tái sử dụng, độc hại với môi trường Do đó,
sử dụng chất lỏng ion để làm xúc tác là một giải pháp phù hợp với định hướng
“xanh” của hoá học Tác giả Yang đã tổng hợp sáu loại chất lỏng ion trên cơ sở
alkylamidazolium:[HMIM]BF,, [(CH2)4SO3HMIM][HSOg,], [(Ac),BIM]Br,
[NMP][HSO,], [BMIM][HSO,] va [BMIM][H>PO,].""" Str dung cdc chat lỏng ion
này làm xúc tác cho phản ứng Prins giữa styrene với formaldehyde để điều chế các
dan xuat cua dioxane
phản ứng tổng hợp carbamate từ amine béo và dimethyl carbonate sử dụng chất xúc
tác là chất lỏng ion có tính acid Phản ứng có hiệu suất cao và hầu như không thay
As “A À At Nye 4 r r A 2 : 2
đổi sau nhiều lần thu hồi và tái sử dụng xúc tác chất lỏng ion.!””
18
Trang 34H,N(CH,),,NH, + 2DMC 2 ( 2)m 2 "=t se CF;SO = H,CO,CHN(CH,),, 3 2 ( 2m NHCO,CH, + 2CH,0H 2 3 3
nhiều hợp chất hữu cơ có giá trị Khi sử đụng xúc tác là chất lỏng ion thì khắc phục
được các nhược điểm theo phương pháp tổng hợp truyền thống như: không sử đụng acid mạnh, chất sử dụng không có tính oxy hoá mạnh, rẻ tiền, ít độc hại, nhiệt độ
phản ứng thấp và có hiệu suất cũng như độ chọn lọc cao ”Ì Tác giả Hajipour đã
nghiên cứu sử dụng chất lỏng ion trên cơ sở imidazolium hydrogen aldehyde thơm
và acetic anhydride trong điều kiện không dung môi ở nhiệt độ thường Các phản
ứng được khảo sát có hiệu suất cao trong điều kiện êm dịu hơn so với quy trình truyền thống Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cho thấy xúc tác có độ chọn lọc đối với các hợp chất aldehyde so với hợp chất keton Ví dụ đối với hỗn hợp benzaldehyde
và aceophenone với tỷ lệ mol 1 : 1, chỉ có benzaldehyde tham gia phản ứng cho hiệu suất 100%
Trang 351.2 Phan ing ngung tu Paal-Knorr pyrrole
chung của phản ứng pyrrole!”:
> Thực tế, bất kỳ các dẫn xuất của 1,4-dicarbonyl (chủ yếu là 1,4-diketone) hay
những đồng đẳng của chúng đều cho phản ứng với hiệu suất tốt
> Những hợp chất của 1,4-đialdehyde hay những ketone andehyde ít được sử dụng bởi vì chúng không bền và dễ tạo sản phẩm phụ
> Amine su dung co cau tric da dang tr ammonia, nhitng amine béo bậc một, dén nhitng amine mach vong chang han nhu aminopyridines, amnothoazoles
> Khi sử dụng axit yếu làm xúc tác như acid acetic sẽ làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng khi sử dụng amine hoac muéi ammonium hydrochloride hoac 1a phan tng
ở môi trường pH<3 thì sản phản chính là hợp chất furan!)
> Ngoài ra, những axit Lewis như Ti(O-¡-Pr);, zirconium photphat có thể sử dụng
Trang 362 3
protic or R2 R protic or R R Lewis acid Lewis acid
Hình 1-18 Phản ứng tổng hop pyrrole tir 1,4-dicarbonyl hoac 2,5-
dimethoxytetra-hydrofuran với amin bac mot?"
R' =H, alkyl, aryl; R’° = H, alkyl, aryl, CO,-alkyl, CO,-aryl; R* = H, alkyl,
aryl; R° = H, alkyl, aryl, heteroaryl, NR2:, NHR, NH2, OH; ammonia: NH,OAc, (NH,)CO3; xtic tac: zeolite, Al,O3, p-TSOH, CSA, zirconium photphat, Ti(O-i-Pr),,
vi song, dung m6i: MeOH, EtOH, H,O, toluene, DMF, ionic liquid
O
R =H, alkyl, aryl, heteroaryl, NR2, NHR, NH), OH
Hình 1-19 Tổng hop N-substiuted-2,5-dimethylpyrrole trong chat léng ion
1.2.2 Cơ chế
Mặc dù sự tổng hợp Paal-Knorr pyrrole đã được nghiên cứu trong vòng khoảng 120 năm, nhưng cơ chế phản ứng của nó là một đề tài còn nhiều tranh luận Năm 1991, V.Amareath đã đưa ra một cơ chế tương đối hoàn chỉnh cho phản ứng
F°l Phản ứng được nghiên cứu trên nhiều đồng phân
tổng hợp Paal-Knorr pyrrole
triệt quang và meso-3,4-diethyl-2,5-hexandione Tác giả đã nghiên cứu những tốc
độ tạo vòng khác nhau của hỗn hợp đồng phân meso và đối quang Ông thấy rằng
đồng phân đối quang phản ứng nhanh hơn nhiều so với đồng phân meso Ông đã rút
ra hai kết luận quan trọng!””!:
> Những đồng phân lập thể không hoán vị qua lại đưới điều kiện của phản ứng
> Khong có hiệu ứng đồng vị của nguyên tử hidro ở vi tri Cacbon 3 va Cacbon 4
21
Trang 37Nghiên cứu này rút ra kết luận rằng: quá trình hình thành hợp chất trung gian
hemiaminal là giai đoạn chậm, quyết định đến tốc độ của phản ứng!”
Hình 1-20 Co ché tong hop pyrrole
1.2.3 Những nghiên cứu về ứng dụng của phan ứng ngưng tụ Paal-Knorr pyrrole
Pyrrole là những dẫn xuất có hoạt tính sinh hoc!?>! , chúng được Ứng dụng phố biến trong y học, là những hợp chất trung gian quan trọng cho sự tổng hợp thuốc, và ngành công nghiệp dược phẩm Một trong những cấu trúc có hoạt tính sinh học quan trọng là các đẫn xuất vòng pyrrole như: indolozidine alkaloid, các
(36, 37, 38, 3 49 411 Chúng được tìm thấy trong hợp chất thiên nhiên như:
[35, 42, 43, 44]
lactam vong
vitamin Bj, heme, chlorophyll, cytochromes Đây là những hợp chat
thiên nhiên có hoạt tính sinh học như: kháng viêm, kháng khuẩn, chống oxi hoa,
kháng ôn thu !*°!
Do đó, tông hợp Paal-Knorr pyrrole càng được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn, phản ứng có vai trò trong việc chuẩn bị pyrrole, pyrazoles và những dẫn xuất của chúng, tổng hợp các hợp chất hữu cơ ứng dụng trong ngành công nghiệp được,
6Ì, Phản ứng sử dụng các axit khác nhau như zeolite!*” , Ti(OPr)4!*! ,
Trang 38Tổng hợp Paal-Knorr pyrrole 1a phan ứng tương đối đơn giản, vì vậy nó được ứng dụng phổ biến trong hoá học tong hợp hữu cơ hiện đại, dé tong hợp các pyrrole, pyrazoles và những dẫn xuất của chúng, các diarylpyrrole, ví dụ như, 2,3,5-triarylpyrrole như 4-(5-(4-chlorophenyl)-2-(4-fluorophenyl)-1H-pyrrole-3- y])pyridine được sử dụng làm chất ức chế quan trọng trong y học hiện đại
Z (CH2)3CO2Me CH>)3CO Me cali (CH,)3CCH,NH, CsHi4 Z r{ (CH2)3CO2
Hinh 1-21 Téng hop 2,3,5-triarylpyrrole?”!
W.Le Quesne đã ứng dụng phản ứng tổng hợp Paal-Knorr để tổng hợp
nên hợp chất magnolamide với xúc tác Tianium isopropoxideP”! Quá trình tổng
hợp magnolamide gồm hai giai đoạn, trước tiên tác giả sử dụng phản ứng Paal- Knorr pyrrole để thu được (9H-fluoren-9-yl)methyl 4-(2,5-bis(2-methylprop-1-
enyl)-IH-pyrrole-I-yl)butylcarbamate với sự hiện diện của xúc tac titantum
isopropoxide Bước tiếp theo là quá trình tổng hợp magnolamide
Trang 39NH» MeO™ yy“ OMe
CO,Et NH,OAc CO,Et
EtOH,4h 94% = ‘ny
Hình 1-24 Phản ứng Paal-Knorr tổng hợp chat tre ché lipoxygenase
Tương tự như thiophenes, pyrrole là thành phần quan trọng trong cấu
trúc của nhiều polymer, phản ứng Paal-Knorr duoc str dung dé tong hop polymer va những polymer đồng thể cao phân tử ví dụ nhw 2,5-bis(1-argio-5(thiophen-2-yl)- 1H-pyrrole-2-yl)thiophene va cac bipyrrole.!**!
/ứÚ \ @s / \ £a /) _ ˆ:,
Ss _ Toluene, HOAC HOAc
4,4'-(thiophene-2,5-diyl)bis(1-(thiophen-2-yl)butane-1,4-dione) 2,5-bis(1-argio-5-(thiophen-2-yl)- 14 -pyrrol-2-yl)thiophene
Hinh 1-25 Téng hop polymer 2,5-bis(1-argio-5(thiophen-2-yl)-1H-pyrrole-
R Rì
R;¡=Ph,CO;Et 2 N
Hình 1-26 Phản ứng tổng hợp bipyrrole Tổng hợp Paal-Knorr pyrrole được ứng dụng để tổng hợp các hợp chất
Trang 40giả đã sử dụng sự tổng hợp Paal-Knorr để gắn ba nhóm thế lên hợp chất 1,4-diketon
CSA (1 equiv) 4AMS, MeOH 50°C,5h TBSOWN
—
TBSOIIis:
2.DMF, 0°C
(1,5 equiv) SEM SEMCI (1,5 equiv)
0°C, 1: 10 min 76%
Reseophilin
[8]
Hình 1-27 Tổng hợp roseophillin từ 1,4-diketon và amin sơ cấp
Trong phòng thí nghiệm D.F.Taber đã thành công trong việc tổng hợp tetrasubstituted pyrrole, thành công này là chìa khóa cho sự chuẩn bị của những hemes và Perphyrins là một phức chất Fe-protoporphyrin liên kết với đơn vị
2] Hop chat 1,4- đicarbonyl thu được từ sự thủy phân polypeptide của hemoglobin
một ketal và ngay lập tức được đem đi tổng hợp Paal-Knorr pyrrole, nó được gia nhiệt với ammonium carbonate trong DME, phản ứng tiếp tục diễn ra giữa 1H-