Kết quả tính hiệu suất tạo phức được thể hiện trên Hình 1.. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào thể tích HPF 6 Từ Hình 1 thấy rằng, khi tăng thể tích tác nhân phản ứng HPF6 từ 2,1 đến 3,7 mL
Trang 1ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 83
RESEARCHING INTO THE SYNTHESIS OF THE [Cu(CH3CN)4]PF6 COMPLEX
Đinh Văn Tạc, Nguyễn Trần Nguyên, Vũ Thị Duyên
Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng; dvtac@ued.udn.vn
Tóm tắt - Bài báo nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
tạo phức [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 bao gồm: tỉ lệ Cu 2 O, HPF 6 và CH 3 CN;
thể tích dung môi (C 2 H 5 ) 2 O; nhiệt độ; thời gian phản ứng tạo phức
và thời gian kết tinh Từ đó, tìm điều kiện cho phản ứng tạo phức
[Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 với hiệu suất cao nhất là: m(Cu 2 O) = 1,000 g;
V(HPF 6 ) = 2,9 mL; V(CH 3 CN) = 11 mL; V((C 2 H 5 ) 2 O) = 40 mL; nhiệt
độ trong quá trình khuấy là 40 o C; thời gian khuấy là 25 phút và thời
gian kết tinh là 30 phút Khi đó hiệu suất thu được là 61,45 % Đặc
tính hóa lý của phức [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 được tổng hợp và mua trên
thị trường được đánh giá qua phổ hồng ngoại (IR), phổ XRD và
phổ EDX Kết quả cho thấy, đã tổng hợp thành công phức
[Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6
Abstract - Various parameters affecting the synthesis of
[Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 were investigated: the ratio of Cu 2 O, HPF 6 and
CH 3 CN; the volume of the solvent (C 2 H 5 ) 2 O; temperature; reaction time and crystallization time These formed a basis for finding out conditions for the reaction to create the complex [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 with the highest yield as follows: [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 , 61.45%: m(Cu 2 O) = 1.000g; V(HPF 6 ) = 2.9mL; V(CH 3 CN) = 11mL; V((C 2 H 5 ) 2 O) = 40mL; the reaction temperature was 40 o C; the reaction time 25 minutes and the time for crystallization 30 minutes As a result, the yield was 61.45% Chemical and physical properties of the complex [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6, which had either been synthesized or purchased from the market, were evaluated by means of the infrared spectrum (FTIR), XRD and EDX spectra These spectra showed that the [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 complex had been successfully synthesized
Từ khóa - phức chất; xúc tác; đồng (I) oxit; axit
hexaflorophotphoric (HPF 6 ); acetonitrile (CH 3 CN); đietyl ete
((C 2 H 5 ) 2 O)
Key words - complex; catalysis; copper(I) oxide; hexafluorophosphoric acid ((HPF6); acetonitrile (CH3CN); diethyl ether ((C2H5)2O)
1 Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, hoá học phức chất phát triển
một cách mạnh mẽ không những trong nghiên cứu hàn lâm
mà cả trong nghiên cứu ứng dụng vào công nghiệp Trong
công nghiệp hoá học, xúc tác phức chất đã làm thay đổi cơ bản
quy trình sản xuất nhiều hoá chất như anđehit, axit axetic,
dược liệu và nhiều loại vật liệu như chất dẻo, cao su [1]
Hiện nay xúc tác [Cu(CH3CN)4]PF6 đang được sử dụng
phổ biến trong các phòng thí nghiệm tổng hợp hữu cơ và
ngành công nghiệp hóa dược ở các quốc gia tiên tiến trên thế
giới, như trong phản ứng Click Năm 2002, Sharpless và
Meldal đã phát hiện ra rằng việc sử dụng xúc tác
[Cu(CH3CN)4]PF6 đã làm tăng tốc độ phản ứng đóng vòng
giữa azide và ankin-1 (một loại phản ứng Click) lên gấp 107
lần và phản ứng có thể tiến hành ở nhiệt độ phòng Khi đó,
chỉ tạo duy nhất một sản phẩm chứa vòng 1,2,3-triazole thế
ở vị trí 1,4, điều này là rất quan trọng trong hóa học [2], [3]
Ở nước ta xúc tác này chưa được nghiên cứu tổng hợp
và ứng dụng Vì vậy, nếu muốn nghiên cứu xúc tác này,
chúng ta phải nhập khẩu [Cu(CH3CN)4]PF6 với giá thành
rất đắt và phải mất thời gian khá lâu để nhận sản phẩm này
từ nhà cung cấp Mặt khác, khi tổng hợp các tác giả ngoài
nước chưa đưa ra được các biện pháp tối ưu nhằm hạ giá
thành sản phẩm [4]
Vì vậy việc nghiên cứu và tối ưu hóa quá trình tổng hợp
xúc tác [Cu(CH3CN)4]PF6 để có thể chủ động được nguồn
xúc tác quan trọng này tại các phòng thí nghiệm trong nước
là điều vô cùng cần thiết
2 Phương pháp nghiên cứu
Phức [Cu(CH3CN)4]PF6 được tổng hợp theo phản ứng
hóa học sau:
Cu2O + 2HPF6+ 8CH3CN→2[Cu(CH3CN)4]PF6+ H2O (1)
Cho 1,000 g Cu2O vào bình tam giác đặt trên máy khuấy
từ gia nhiệt ở ToC, sau đó cho vào bình V1 mL CH3CN Tiếp đến nhỏ từ từ từng giọt V2 mL HPF6 60% (d = 1,65 g/cm3) Sau khi nhỏ xong HPF6 tiếp tục khuấy trong thời gian t1 phút Dung dịch thu được đem lọc trên giấy lọc qua phễu Buchner
để loại bỏ tạp chất màu đen Cho V3 mL (C2H5)2O vào dung dịch thu được sau khi lọc, sau đó làm lạnh ở nhiệt độ 0oC trong thời gian t2 phút Lọc sản phẩm thu được chất rắn màu trắng hơi xanh là [Cu(CH3CN)4]PF6 Sau đó sấy chân không
ở 40oC trong 2 h Cân sản phẩm và tính hiệu suất điều chế phức Từ hiệu suất chọn ra quy trình tổng hợp tối ưu nhất Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phức cần khảo sát là: lượng các tác nhân, nhiệt độ và thời gian Đặc tính của sản phẩm và mẫu bán trên thị trường (singapore) được xác định bằng các phương pháp phân tích hóa lý như: phổ IR, phổ XRD
và phổ EDX Các phổ của mẫu tổng hợp được được so sánh với mẫu có bán trên thị trường nước ngoài (Singapore) Hóa chất sử dụng: Cu2O (Sigma-Aldrich), CH3CN (Trung Quốc), HPF6 (Trung Quốc), (C2H5)2O (Trung Quốc) Phổ hồng ngoại (FT-IR) được ghi trên máy Nicolet
6700, Thermo, USA, trường Đại học Bách khoa, Đà Nẵng Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu được ghi trên máy Bruker D4
sử dụng bức xạ Cu-Kα, trường Đại học Bách khoa, Đà Nẵng Thành phần các nguyên tố trong mẫu được xác định bằng phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX, JEOL - JSM 6490) tại trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu, Hà Nội
3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận
3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phức [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6
3.1.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng HPF 6
Phức [Cu(CH3CN)4]PF6 được điều chế theo quy trình mục 2 ở điều kiện:
2
Cu O
m = 1,000 g;
3
CH CN
V = 7 mL; 6
HPF
V = 2,1; 2,5; 2,9; 3,3; 3,7 mL; Thời gian khuấy: 25 phút
Trang 284 Đinh Văn Tạc, Nguyễn Trần Nguyên, Vũ Thị Duyên
ở nhiệt độ T = 30oC;
2 5 2 (C H ) O
V = 40 mL; thời gian kết tinh
ở 0oC là 30 phút
Kết quả tính hiệu suất tạo phức được thể hiện trên Hình 1
Hình 1 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào thể tích HPF 6
Từ Hình 1 thấy rằng, khi tăng thể tích tác nhân phản
ứng HPF6 từ 2,1 đến 3,7 mL hiệu suất tổng hợp phức lúc
đầu tăng mạnh, sau gần như không đổi Hiệu suất cao nhất
đạt được khoảng 56% khi V ≥ 2,9 mL
Điều này có thể được giải thích là do phản ứng (1) thuộc
loại phản ứng thuận nghịch, khi tăng nồng độ của chất tham
gia cân bằng dịch chuyển theo chiều tạo ra sản phẩm nên
hiệu suất phản ứng tăng Tuy nhiên khi thể tích HPF6 đủ
lớn thì sự tăng V không còn ảnh hưởng nhiều đến cân bằng,
do vậy hiệu suất tăng chậm
Do đó thể tích HPF6 phù hợp là V = 2,9 mL và được sử
dụng để tiếp tục khảo sát các yếu tố còn lại
3.1.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng CH 3 CN
Để khảo sát ảnh hưởng của CH3CN đến hiệu suất tổng
hợp phức, thể tích CH3CN được thay đổi từ 3 tới 19 mL
Sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng vào thể tích
CH3CN được thể hiện trên Hình 2
Kết quả thực nghiệm cho thấy, sự phụ thuộc của hiệu
suất tạo phức vào thể tích CH3CN có dạng gần giống với
đồ thị của HPF6, tuy nhiên ảnh hưởng của CH3CN đến hiệu
suất không mạnh bằng tác nhân HPF6 (Hình 1 và Hình 2)
Tăng thể tích CH3CN từ 3 đến 11 mL hiệu suất phản ứng
tăng không nhiều từ 52 % đến 58 %, tiếp tục tăng
3
CH CN
V
hiệu suất tăng không đáng kể
Hình 2 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào thể tích CH 3 CN
Thể tích CH3CN được lựa chọn cho các khảo sát tiếp
theo là V = 11 mL
3.1.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thể tích dung môi (C 2 H 5 ) 2 O
Thể tích dung môi được thay đổi: 20; 30; 40; 50 và 60
mL Kết quả thực nghiệm được thể hiện trên Hình 3
Hình 3 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào thể tích (C 2 H 5 ) 2 O
Tăng thể tích dung môi từ 20 đến 60 mL hiệu suất tạo phức tăng dần (Hình 3) Điều này được giải thích là do (C2H5)2O được sử dụng trong quy trình tổng hợp với mục đích tinh chế phức tổng hợp được bằng cách hòa tan phức sau đó kết tinh lại Tăng thể tích dung môi lượng sản phẩm được hòa tan nhiều hơn nên hiệu suất tăng Tuy nhiên khi lượng phức đã hòa tan hết thì tăng thể tích dung môi hiệu suất không tăng nữa Thể tích dung môi phù hợp là V = 40 mL và sẽ được cố định để tiếp tục khảo sát các yếu tố còn lại
3.1.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Nhiệt độ của quá trình tạo phức được thay đổi lần lượt
là 30; 35; 40; 45 và 50oC Kết quả tính hiệu suất được thể hiện trên Hình 4
Thay đổi nhiệt độ phản ứng từ 30 đến 50oC hiệu suất phản ứng tăng không nhiều, khoảng 3% Tuy nhiên đường phụ thuộc của hiệu suất tạo phức vào nhiệt độ phản ứng có dạng hình chữ S (Hình 4) Khoảng nhiệt độ làm thay đổi hiệu suất mạnh nhất là (35oC; 40oC)
Hình 4 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ phản ứng
Kết quả thực nghiệm có thể được giải thích là do khi tăng nhiệt độ tốc độ phản ứng tạo phức tăng, tuy nhiên đây
là phản ứng tỏa nhiệt nên tăng nhiệt độ lại khiến cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch
Do đó nhiệt độ tạo phức phù hợp được chọn là T = 40oC
3.1.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian
a Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tạo phức
Tiến hành thí nghiệm với các thông số phù hợp đã được lựa chọn ở các mục trên, thời gian phản ứng thay đổi lần lượt là 5; 15; 25; 35 và 45 phút Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất tổng hợp phức vào thời gian phản ứng
H, %
Thể tích HPF6, mL
H, %
Thể tích CH3CN, mL
H, %
Thể tích (C2H5)2O, mL
H, %
ToC
Trang 3ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(130).2018 85 được thể hiện trên Hình 5
Hình 5 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào thời gian khuấy
Từ Hình 5 thấy rằng, theo thời gian hiệu suất tổng hợp
phức tăng, sau đó gần như không đổi Điều này hoàn toàn
phù hợp với quy luật động học của một phản ứng hóa học,
sau khi đạt cân bằng hiệu suất phản ứng không thay đổi
Thời gian phản ứng phù hợp cho quá trình tạo phức
[Cu(CH3CN)4]PF6 được xác định là t = 25 phút
b Ảnh hưởng của thời gian kết tinh
Thời gian kết tinh trong nước đá thay đổi lần lượt là 10;
20; 30; 40 và 50 phút Kết quả ảnh hưởng của thời gian kết
tinh đến hiệu suất tạo phức được thể hiện trên Hình 6
Hình 6 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào thời gian kết tinh
Kết quả thực nghiệm cho thấy, tăng thời gian kết tinh
hiệu suất tổng hợp phức tăng mạnh, sau đó gần như không
đổi, đạt giá trị cao nhất tạo t = 30 phút
Tóm lại: điều kiện tổng hợp phức [Cu(CH3CN)4]PF6 cho
hiệu suất cao nhất (H = 61,45 %) là:
2
Cu O
m = 1,000 g;
3
CH CN
6 HPF
V = 2,9 mL;
2 5 2 (C H ) O
V = 40 mL; thời gian khuấy: 25 phút ở 40oC; thời gian kết tinh ở 0oC là 30 phút
3.2 Đặc tính lý hóa của sản phẩm [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6
Tiến hành tổng hợp phức ở điều kiện đã tìm được ở trên
thu được sản phẩm có dạng bột mịn màu trắng hơi xanh
nhạt (Hình 7)
Hình 7 Sản phẩm phức [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 tổng hợp
3.2.1 Phổ hồng ngoại (IR)
Phổ hồng ngoại của sản phẩm phức [Cu(CH3CN)4]PF6
tổng hợp được và mua trên thị trường được ghi trong vùng 4000-400 cm-1 Kết quả thu được thể hiện trên các Hình 8
và Hình 9
Hình 8 Phổ IR của mẫu [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 tổng hợp
Hình 9 Phổ IR của mẫu [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 mua trên thị trường
Phổ IR của mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 tổng hợp (Hình 8)
có các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho phức [Cu(CH3CN)4]PF6 Đỉnh ở khoảng 480 và 562 cm-1 là đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết cho nhận N→Cu Đỉnh 840 cm-1
tương ứng với dao động hóa trị của P-F trong PF6- Đỉnh dao động ở khoảng 750; 1079 và 1616 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết C-C trong CH3CN Đỉnh hấp thụ ở khoảng 2300 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng C≡N trong CH3CN, còn đỉnh hấp thụ ở khoảng 3440
cm-1 là dao động biến dạng của liên kết C-H trong CH3CN Phổ IR của mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 mua trên thị trường (Hình 9) có các đỉnh hấp phụ gần như trùng với mẫu tổng hợp Điều này chứng tỏ rằng đã thu được phức [Cu(CH3CN)4]PF6
3.2.2 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
Phổ XRD của sản phẩm phức [Cu(CH3CN)4]PF6 tổng hợp và mua trên thị trường được ghi trong vùng 2θ =
10-35o Kết quả thu được thể hiện trên Hình 10 và Hình 11
Hình 10 Phổ nhiễu xạ tia X của
mẫu [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 tổng hợp
H, %
t, phút
H, %
Thời gian kết tinh, phút
Trang 486 Đinh Văn Tạc, Nguyễn Trần Nguyên, Vũ Thị Duyên
Hình 11 Phổ nhiễu xạ tia X của
mẫu [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 mua trên thị trường
Từ giản đồ XRD Hình 10 cho thấy, sản phẩm thu được
chỉ có 1 pha duy nhất với các pic đặc trưng ở các vị trí
2θ = 11,38o; 13,22o; 14,28o; 17,68o; 20,80o; 21,80o; 22,42o;
24,22o; 28,85o; 25,32o; 28,76o; 30,35o; 31,72o; 32,58o;
34,66o ứng với cấu trúc tinh thể orthorhombic Pn21a giống
với cấu trúc của [Cu(CH3CN)4]ClO4 [5] Ion Cu+ liên kết
cho nhận với 4 phối tử CH3CN qua nguyên tử N tạo thành
hình tứ diện Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả đo
XRD của mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 mua trên thị trường
Điểm khác duy nhất của phổ XRD của hai mẫu là mẫu tổng
hợp có cường độ cao hơn, có thể do mức độ kết tinh của
mẫu tổng hợp được hoàn hảo hơn Điều này một lần nữa
chứng tỏ đã tổng hợp thành công phức [Cu(CH3CN)4]PF6
3.2.3 Thành phần các nguyên tố trong phức – phổ tán xạ EDX
Để kiểm tra sự có mặt của các nguyên tố trong mẫu,
tiến hành chụp phổ EDX của mẫu phức [Cu(CH3CN)4]PF6
tổng hợp và mẫu phức bán trên thị trường Kết quả thu được
đưa ra trên các Hình 12 và Hình 13 Phần trăm khối lượng
các nguyên tố có trong hai mẫu phức [Cu(CH3CN)4]PF6
được thể hiện trên Bảng 1 và Bảng 2
Hình 12 Phổ EDX của mẫu phức [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 tổng hợp
Bảng 1 Thành phần các nguyên tố có trong mẫu phức
[Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 tổng hợp
Các nguyên tố C N P F Cu Al Si
Phần trăm
khối lượng, % 23,98 8,67 11,34 28,26 27,27 0,28 0,20
Hình 13 Phổ EDX của mẫu phức [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 mua trên
thị trường
Bảng 2 Thành phần các nguyên tố trong mẫu phức
[Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 mua trên thị trường
Các nguyên tố C N P F Cu
Phần trăm khối lượng, % 24,12 8,96 11,98 29,73 25,22 Kết quả thực nghiệm cho thấy, trong mẫu phức mua trên thị trường có phần trăm khối lượng của các nguyên tố
C, N, P, Cu và F gần giống với mẫu tổng hợp Tuy nhiên ở mẫu tổng hợp xuất hiện thêm 2 nguyên tố là Si và Al với hàm lượng vết, có thể là do tạp chất có trong các hợp chất ban đầu như Cu2O…
4 Kết luận
Đã nghiên cứu và tìm ra điều kiện tổng hợp phức [Cu(CH3CN)4]PF6 cho hiệu suất cao nhất (H = 61,45 %) là: 2
Cu O
m = 1,000 g;
3
CH CN
V = 11 mL;
6 HPF
V = 2,9 mL;
2 5 2 (C H ) O
V = 40 mL; thời gian khuấy: 25 phút ở 40oC; thời gian kết tinh ở 0oC là 30 phút
Bằng các phương pháp: phổ hồng ngoại (IR), phổ nhiễu
xạ tia X (XRD) và phổ EDX đã chứng tỏ rằng mẫu phức tổng hợp có các thông số lý hóa giống với mẫu trên thị trường Điều này chứng minh phức [Cu(CH3CN)4]PF6 đã được tổng hợp thành công
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát
triển khoa học và công nghệ Đại học Đà Nẵng trong đề tài
mã số B2016-DNA-32-TT
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Thị Đà, Nguyễn Hữu Dĩnh, Phức Chất - Phương Pháp Tổng
Hợp Và Nghiên Cứu Cấu Trúc, NXB khoa học và kỹ thuật, 2007
[2] Tornoe CW, Christensen C, Meldal M, "Peptidotriazoles on solid phase: 1,2,3- triazoles by regiospecific copper (I)-catalyzed 1,3-dipolar cycloadditions of terminal alkynes to azides", J Org Chem 67:3057, 2002 [3] Rostovtsev V.V, Green L.G, Sharpless K.B, "A stepwise Huisgen cycloaddition proces: copper (I)- catalyzed regioselective ‘ ligation’ of azides and terminal alkynes", Angew Chem Int.Ed., Vol 41, p 2596, 2002
[4] Kubas G.J, "Tetrakis(acetonitirile)copper(I) hexaflurorophosphate",
Inorganic Syntheses Vol 28, p 90–91, 1990.
[5] Csoregh, Kierkegaard P, Norrestam R, " Copper (I) tetraacetonitrile
(BBT nhận bài: 01/9/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/9/2018)