nghiên cứu thực hiện phản ứng n-aryl hóa trong chất lỏng ion họ imidazolium

Các chất lỏng ion đã và đang được 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 thàn

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 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 nước 10

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 10

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 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 tượng và phạm vi nghiên cứu 20

1.5 Phương pháp nghiên cứu 20

CHƯƠNG 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 Xác định cấu trúc chất lỏng ion họ imidazolium 24

2.1.2.1 Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR 24

2.1.2.2 Phương pháp phân tích phổ khối lượng MS 24

2.2 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

2.2.3 Quá trình thu hồi chất lỏng ion 27

2.3 Các phương pháp phân tích và tính toán độ chuyển hóa của phản ứng 27

2.3.1 Phương pháp xác định độ chuyển hoá của sản phẩm 27

2.3.2 Định danh sản phẩm 28

CHƯƠNG 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 hưởng đến phản ứng 36

3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa của phản ứng 36

3.3.2 Ảnh hưởng của chiều dài mạch alkyl gốc cation của chất lỏng ion 37

3.3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol tác chất tham gia phản ứng 39

3.3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng gốc anion của chất lỏng ion 40

3.3.5 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng 41

3.3.6 Ảnh hưởng của vị trí nhóm thế NO2 43

3.3.7 Ảnh hưởng 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

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

[Bmim]Br 1-Butyl-3-methylimidazolium bromide

[Bmim]BF4 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate

[Bmim]PF6 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate

[Emim]PF6 1-Ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate

[Emim]TfO 1-Etyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate

NMR Nuclear magnetic resonance spectroscopy

[Omim]PF6 1-Octyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phản ứng thế ái nhân vòng thơm SNAr 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 thường 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 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 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

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 được 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 hưởng 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 hưởng 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 hưởng của gốc anion lên độ chuyển hóa của phản ứng 41

Hình 3.14 Ảnh hưởng của dung môi lên độ chuyển hóa của phản ứng 42

Hình 3.15 Cơ chế phản ứng N-aryl hóa giữa 1-bromo-4-nitrobenzene và piperidine 43 Hình 3.16 Ảnh hưởng của vị trí nhóm thế đến độ chuyển hóa của phản ứng 44 Hình 3.17 Ảnh hưởng 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 N-

aryl hóa giữa 1-bromo-4-nitrobenzen và piperidine 46

Hình 3.19 Diễn biến phản ứng khi sử dụng ILs thu hồi 47

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 thường gây ra liên quan đến vấn đề cháy nổ và an toàn cho người lao động, cũng như ảnh hưởng của việc sử dụng dung môi hữu cơ độc hại dễ bay hơi đến môi trường sống và sức khỏe con người [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 như 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) được biết đến như một dung môi ―xanh‖ (green solvents) để thay thế cho các dung môi hữu cơ thông thường nhờ vào những tính chất hóa lý đặc biệt như không có áp suất hơi, độ bền nhiệt cao, có khả năng hòa tan được nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ [35]

Ngày nay, ILs đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tổng hợp và xúc tác, kỹ thuật điện hoá, hoá phân tích, năng lượng, 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 được 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 như 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 ngưng tụ khác cũng đã được nghiên cứu thực hiện trong chất lỏng ion [26; 46] Hàng năm, hàng ngàn công trình nghiên cứu về các phương 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 được công bố nhiều trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế có uy tín [1] Tuy nhiên, cho đến

nay, các nghiên cứu về ứng dụng của chất lỏng ion ở Việt Nam còn rất ít và chưa cập nhật so với các thành tựu đã đạt được 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 được ứng dụng rộng rãi để tạo ra các hợp chất trung gian làm nguyên liệu trong ngành công nghiệp dược phẩm, mỹ phẩm và hóa chất tinh khiết [45] Thông thường, phản ứng được xúc tác bởi phức kim loại chuyển tiếp như 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 thường 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 được 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 thường so với những dung môi hữu cơ truyền thống khác Hơn nữa, chất lỏng ion [Bmim]Br có thể được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà độ chuyển hóa của phản ứng không giảm đáng kể

CHƯƠNG 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 dược 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 như phức palladium, phức đồng [37; 10] có thể giúp phản ứng ghép đôi C-N được thực hiện thành công trên những aryl halide kém hoạt tính và các amine có tính base yếu như các dẫn xuất của aniline

 Phản ứng thế ái nhân vòng thơm S N Ar

Hình 1.1 Phản ứng thế ái nhân vòng thơm S N Ar

Phản ứng thế ái nhân vào nhân thơm thường khó xảy ra và hầu như không xảy ra

ở điều kiện thường Trong trường hợp nhân thơm có nhóm thế hút điện tử mạnh như –

NO2, -NO, -CN, -SO3H, -COOH… ở vị trí ortho- hay para- so với nhóm bị thế, phản

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 hưởng rõ rệt lên tốc độ phản ứng của phản ứng SNAr [30]

Phản ứng thế ái nhân vào nhân thơm được cho là xảy ra theo cơ chế thế ái nhân lưỡng 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 tương tự như phức α nhưng mang điện tích âm Anion này được 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 dưới sự hỗ trợ của vi sóng (Hình 1.2)[11] Theo đó phản ứng của 5-methoxyindole và ethyl 4-fluorobenzoate được tiến hành trong lò vi sóng ở

160 oC sử dụng dung môi DMSO thu được 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 thường Hơn nữa, khi tăng hàm lượng 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

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 như một chất xúc tiến, phản ứng ghép đôi giữa 4-chloroacetophenone và piperidine đã đạt hiệu suất 80% sau 6 giờ ở 140 o

C 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 được 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 được Buchwald – Hartwig phát triển vào đầu những năm 1990 Đó là thực hiện phản ứng ghép đôi giữa aryl halide và các amine được xúc tác bởi phức palladium [15; 39] Đây là một phương 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

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 thường sử dụng các dung môi phân cực không chứa proton như DMF, DMSO kết hợp với các base như NaOH , KOH trong điều kiện nhiệt độ phòng hay gia nhiệt thông thường Dưới 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 được thu hồi và tái sử dụng nên thường được thải ra môi trường Những nghiên cứu trước đây cho thấy các dung môi hữu cơ này độc hại và gây ảnh hưởng xấu đến

sức khoẻ của người lao động Ngoài ra, việc sử dụng các dung môi này luôn đi kèm với nguy cơ cháy nổ, ảnh hưởng đến an toàn cho quá trình sản xuất và an toàn cho người lao động [35]

Theo định hướng của phát triển bền vững, các quá trình tổng hợp hữu cơ ngày nay có nhiệm vụ giải quyết vấn đề tối ưu hóa cả về phương diện hóa học xanh bên cạnh phương diện kinh tế truyền thống Một quá trình tổng hợp lý tưởng ngày nay phải cho hiệu suất và độ chuyển hóa tiến đến 100% và quá trình phải được thực hiện trong điều kiện thân thiện với môi trường 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 thường gây ra liên quan đến vấn đề cháy nổ và vấn đề an toàn cho người lao động, cũng như ảnh hưởng của việc sử dụng dung môi hữu cơ độc hại dễ bay hơi lên môi trường sống [35]

N R

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 thường được cấu tạo từ một cation hữu cơ và một anion hữu cơ hoặc vô cơ [36; 44; 17] Các cation thường gặp trong cấu trúc chất lỏng ion thường 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) được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất vì có nhiệt

độ nóng chảy thấp (dạng lỏng ở nhiệt độ phòng) [36; 44; 17] Các anion thường 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 được sử dụng làm dung môi sẽ có một số tính chất đặc biệt như được liệt kê dưới đây Nhờ vào những tính chất này, chất lỏng ion thể hiện được nhiều ưu điểm so với các dung môi hữu cơ truyền thống, và cũng nhờ đó chúng được xem như là những dung môi xanh cho tổng hợp hữu cơ Các tính chất đặc trưng tổng quát của các chất lỏng ion thường gặp là [18]:

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 người vận hành cũng như đối với môi trường sống – là các vấn đề thường 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 như các hợp chất cơ kim

4 Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan khá tốt các khí như H2, O2, CO, CO2

Do đó chúng là dung môi có nhiều hứa hẹn cho các phản ứng cần sử dụng pha khí như 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 tương ứng Bằng cách thay đổi cấu trúc của các ion này, có thể điều chỉnh được độ tan của chúng phù hợp với yêu cầu

6 Các chất lỏng ion mặc dù phân cưc nhưng thông thường 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 thường có tốc độ phản ứng lớn hơn so với trường hợp sử dụng các dung môi hữu cơ thông thường, đặc biệt là khi có sự hỗ trợ của vi sóng (microwave)

8 Hầu hết các chất lỏng ion có thể được lưu trữ trong một thời gian dài mà không bị phân huỷ

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 như 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 nước

Các chất lỏng ion đã và đang được 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 như liên kết carbon-oxygen, carbon-nitrogen, carbon-phosphor và carbon-lưu huỳnh Các phản ứng oxy hóa và một số phản ứng cần quan tâm khác cũng đã được nghiên cứu thực hiện trong chất lỏng ion [18] Hàng năm, hàng ngàn công trình nghiên cứu về các phương 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 được 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 được biết đến một cách rộng rãi như một trong những phản ứng đặc biệt được 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 được 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 được tổng hợp nhờ phản ứng Heck [2] Vào năm 2001, tác giả J Muzart đã thực hiện phản ứng Heck giữa iodobenzene,

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 o

C với sự có mặt của base là NaHCO3 (Hình 1.8) [3]

Phản ứng được 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 phương pháp trích

ly với diethyl ether, chất lỏng ion được 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 được tách ra khỏi hỗn hợp bằng phương 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 được 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 được hình thành trong [Bmim]PF6 bằng phản ứng khử phức (1,5-cycloctadiene)dichloropalladium(II) [PdCl2(cod)] về Pd(0) dưới khí quyển hidro Kết quả phân tích TEM thể hiện các cụm hạt hình sao của Pd(0) được hình thành trong chất lỏng ion bao gồm nhiều hạt nhỏ có đường 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]

Hình 1.9 Hình ảnh TEM của hạt nano Pd(0) từ [PdCl 2 (cod)] phân tán trong [Bmim]PF 6 : (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

Chất lỏng ion còn được sử dụng làm dung môi cho các phản ứng xúc tác sinh học cũng như các quá trình tách chiết trong kỹ thuật sinh học Một số enzyme như 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 được 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 như 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 dược phẩm và hóa sinh Phản ứng Fisher tổng hợp indole bằng xúc tác acid được xem là công cụ hiệu quả và đơn giản được sử dụng phổ biến để tổng hợp các dẫn xuất khác nhau của indole [38] Tuy nhiên, như đã đề cập

ở trên, các xúc tác acid đồng thể gây ra các vấn đề về ô nhiễm môi trường cũng như khó khăn trong việc tái sử dụng xúc tác [34]

-Hình 1.11 Quy trình tổng hợp chất lỏng ion [cmmim]BF 4

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]

NHNH 2 + R-CO-CH 2 -R' [cmmim][BF4]

130 - 150 oC, 2 - 3 h

N H

Hình 1.12 Phản ứng Fisher tổng hợp indole

Kết quả khảo sát hàm lƣợng xúc tác cho thấy khi với hàm lƣợng 50 mol% [cmmim]BF4, phản ứng giữa phenylhydrazine và 2-butanone đạt hiệu suất 80% sau 2 giờ ở 130 oC Việc tăng lƣợng xúc tác không cải thiện đƣợc hiệu suất phản ứng Bên cạnh 2-butanone, các dẫn xuất ketone khác đã đƣợc sử dụng trong phản ứng tổng hợp indole và đều cho kết quả tốt với hiệu suất trên 80% sau 2-3 giờ trong khoảng nhiệt độ 130-150 oC (Bảng 1.1) Hơn nữa, khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác [cmmim]BF4

đã đƣợc nhóm nghiên cứu thực hiện Sau phản ứng, dung môi CH2Cl2 đƣợc thêm vào

để trích ly sản phẩm khỏi pha xúc tác và [cmmim]BF4 đƣợc tiếp tục sử dụng trong 5 lần với hiệu suất thay đổi không đáng kể (Hình 1.13) Kết quả nghiên cứu đã cho thấy khả năng ứng dụng đa dạng của chất lỏng ion trong tổng hợp hữu cơ bằng việc biến tính cấu trúc của cation hoặc anion

Bảng 1.1 Phản ứng Fisher tổng hợp các dẫn xuất khác nhau của indole sử dụng xúc tác

[cmmim]BF 4

(oC)

Thời gian phản ứng (giờ)

Hiệu suất

cô lập (%)

Hình 1.13 Kết quả khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác [cmmim]BF 4 cho phản ứng

tổng hợp indole từ phenylhydrazine và 2-butanone

Phản ứng benzyl hóa Friedel-Crafts

Các dẫn xuất của diphenylmethane được tổng hợp qua phản ứng benzyl hóa Friedel-Crafts là nguyên liệu quan trọng cho ngành dược phẩm và hóa chất cao cấp [47] Diphenylmethane được sử dụng làm chất định hương và tạo hương trong mỹ phẩm, giúp tăng hoạt tính của thuốc trừ sâu, cải thiện độ bền nhiệt của polyester và còn

là một dung môi phổ biến trong kỹ thuật hữu cơ [47; 34] Với những ứng dụng quan trọng, phản ứng benzyl hóa điều chế nên diphenylmethane cũng như các dẫn xuất khác luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học ở những khía cạnh khác nhau, đặc biệt

là xúc tác trong phản ứng Trước đây, các acid Bronsted như H2SO4, HF hay acid Lewis như FeCl3, ZnCl2 được sử dụng như những xúc tác phổ biến cho phản ứng này Tuy nhiên, chúng rất độc hại, ăn mòn thiết bị và gây ra những vấn đề về môi trường

Để khắc phục những nhƣợc điểm này, xúc tác acid tẩm trên chất mang rắn đã đƣợc thay thế nhƣng với điều kiện phản ứng khắc nghiệt hơn [47]

Bảng 1.2 Kết quả khảo sát phản ứng giữa benzyl chloride và benzene sử dụng các xúc tác

khác nhau a

TT Dung môi – Xúc tác Thời gian phản ứng

(giờ)

Hiệu suất (%)

Độ chọn lọc (%)

8799.198.593.279.3

7899.110010098.7a

phản ứng thực hiện ở 80 oC, 50 mmol benzene và 5 mmol benzyl chloride trong 1 ml chất lỏng ion (tỷ lệ mol MX/BmimCl = 2/1)

b

phản ứng sử dụng xúc tác 0.1 g ZnCl2/HAP

Qua khảo sát, dễ dàng nhận thấy rằng nhiệt độ và thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ chọn lọc phản ứng Ở nhiệt độ 25 oC, độ chuyển hóa 57.3% chỉ đạt được sau 47 giờ và độ chọn lọc cho sản phẩm monoalkyl hóa là 68.7%, trong khi sau 2 giờ, phản ứng xảy ra hoàn toàn với độ chọc lọc trên 98% ở 80 oC Ảnh hưởng của các gốc anion acid Lewis khác nhau cũng được khảo sát, kết quả cho thấy, trên cation kim loại có mật độ điện tích trên càng lớn, hoạt tính xúc tác càng mạnh, theo thứ tự BmimCl-AlCl3 > BmimCl-FeCl3 > BmimCl-FeCl2 > BmimCl-ZnCl2 (Bảng 1.2)

Phản ứng ester hóa của acid oleic và butanol

Y Jiang và các đồng nghiệp đã nghiên cứu về chất lỏng ion cố định trên hạt nano

từ tính để tẩm enzyme lipase với hàm lượng cao [19] Sau đó, liên kết cộng hóa trị giữa chất lỏng ion và hạt nano từ tính được hình thành qua cầu nối silane (Hình 1.16) Sau

đó, enzyme lipase Candida rugosa được tẩm lên bề mặt vật liệu bằng sự hấp phụ vật lý Hoạt tính và độ bền của enzyme đã được khảo sát trong phản ứng ester hóa acid oleic

và butanol

O

O O H

lipase

2 O +

giảm dần theo thứ tự gốc anion PF6− > BF4− > Cl− Ngoài ra, với những chất lỏng ion cùng gốc anion PF6−, hoạt tính lại tăng dần theo chiều tăng của mạch anlkyl Điều này được giải thích là do tính kỵ nước của gốc anion tăng dần từ Cl-

, BF4- đến PF6- và chiều dài nhóm alkyl trên gốc cation tăng cũng làm tăng tính ái dầu nhờ đó làm tăng khả năng tiếp xúc giữa xúc tác và tác chất hữu cơ Đặc biệt, hệ xúc tác có thể được thu hồi

và tái sử dụng ít nhất 5 lần mà hoạt tính vẫn duy trì trên 90% (Hình 1.17)

Hình 1.16 Quy trình tổng hợp chất lỏng ion cố định trên hạt nano từ tính

Hình 1.17 Khả năng tái sử dụng enzyme lipase tự nhiên và enzyme lipase cố định trên

chất mang nano từ tính

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Chất lỏng ion được xem là một trong những dung môi xanh (green solvent) cho tổng hợp hữu cơ, và trên thế giới có rất nhiều phản ứng hữu cơ đã được thực hiện trong dung môi xanh này Ở Việt Nam, việc thăm dò sử dụng chất lỏng ion xử lý dầu diesel

đã được nhóm nghiên cứu của tác giả Lê Ngọc Thạch và cộng sự ở Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG TP Hồ Chí Minh lần đầu tiên thực hiện vào những năm 2006-2007 [40]

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi cũng đã có nghiên cứu thăm dò việc sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh cho phản ứng Sonogashira hình thành liên kết carbon-carbon giữa các dẫn xuất của iodo- và phenylacetylene, và bước đầu cũng đã có một số thành công nhất định [27]

Nhóm nghiên cứu của chúng tôi cũng đã sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh thành công cho phản ứng tổng hợp pravadoline [31]

1.3 Mục tiêu của đề tài

1.3.1 Mục tiêu khoa học kỹ thuật

Nghiên cứu và khảo sát phản ứng N-Aryl hóa nhằm tổng hợp các dẫn xuất của aniline có hoạt tính sinh học, sử dụng chất lỏng ion họ imidozolium ở điều kiện gia nhiệt thường nhằm mục đích thay thế các dung môi hữu cơ truyền thống độc hại cũng như không an toàn cho người lao động và cho môi trường bằng một dung môi xanh và sạch hơn

1.3.2 Mục tiêu kinh tế xã hội

Góp phần ―xanh hóa‖ các phòng thí nghiệm về hóa học tại Tp Hồ Chí Minh Góp phần thúc đẩy nghiên cứu về hóa học xanh ở Việt Nam, đây chính là xu hướng tất yếu của ngành công nghệ hóa học trên thế giới nhưng vẫn chưa được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tổng hợp và phân tích chất lỏng ion họ 1-alkyl-3-methylimidazolium bromide với các gốc alkyl có chiều dài khác nhau như butyl, hexyl, octyl

- Sử dụng các chất lỏng ion tổng hợp được làm dung môi cho phản ứng ghép đôi C-N cụ thể là phản ứng giữa 1-bromo-4-nitrobezene với piperidine

- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ mol, thời gian phản ứng, nhiệt độ, chiều dài mạch alkyl… lên phản ứng

- Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion methylimidazolium bromide

1-Butyl-3-1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Các hóa chất sử dụng cho đề tài được mua từ Merck, Acros, và Sigma-Aldrich, loại sử dụng cho tổng hợp hữu cơ Riêng các dung môi sử dụng cho quá trình

rửa, bao gồm acetone, ethanol và n-hexane có xuất xứ từ Việt Nam, Trung

Quốc (Chemsol) với độ tinh khiết trên 99% (GC) Các hóa chất được sử dụng trực tiếp mà không qua các quá trình tinh chế lại

- Quy trình tổng hợp chất lỏng ion 1-akyl-3-methylimidazolium bromide được thực hiện dưới sự hỗ trợ của vi sóng, dựa trên quy trình điều chế đã công bố trước đây theo tài liệu tham khảo Thiết bị lò vi sóng gia dụng công suất 800

W (hiệu Sanyo EM–S1057, Nhật Bản) được sử dụng để tổng hợp chất lỏng ion 1-akyl-3-methylimidazolium bromide

- Xác định cấu trúc và nhận danh chất lỏng ion bằng phương pháp phân tích cộng hưởng từ hạt nhân NMR (1

H- và 13C-) và phổ khối lượng MS

- Tiến hành thực hiện phản ứng N-Aryl hóa giữa 1-bromo-4-nitrobenzene và piperidine trong chất lỏng ion Tại thời điểm ban đầu và sau mỗi khoảng thời gian 30 phút, lấy mẫu t0 và ti (i=1-6) trích ly với Et2O và làm khan với

Na2SO4 Sau đó, tiến hành định danh sản phẩm có trong mẫu bằng phương pháp phân tích GC/MS và tính độ chuyển hóa của phản ứng bằng phương pháp GC với chất nội chuẩn 4-bromoanisole

- Sau khi phản ứng kết thúc, hỗn hợp được rửa nhiều lần với lượng dư Et2O (15 ml/lần) để tách sản phẩm và tác chất chưa phản ứng ra khỏi chất lỏng ion Sau khi chất lỏng ion đã sạch (kiểm tra bằng GC), tiến hành cô quay chân không

để loại bỏ Et2O Chất lỏng ion sau đó được sử dụng lại cho phản ứng ghép đôi

để khảo sát hiệu quả của chất lỏng ion

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Tổng hợp và xác định cấu trúc chất lỏng ion họ imidazolium

2.1.1 Thí nghiệm tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium

bromide ([Amim]Br)

Sử dụng 1-methylimidazole (41.36 g, 0.504 mol) và 60 ml 1-bromobutane (76.26

g, 0.556 mol) cho vào bình cầu cổ nhám có cá từ loại 2 cm Thực hiện phản ứng trong điều kiện có sự hỗ trợ của vi sóng sử dụng lò vi sóng (hiệu Sanyo EM–S1057, công suất 800 W, Nhật Bản) Phản ứng được thực hiện ở mức công suất 80W (Low-medium)

Thời gian thực hiện phản ứng là gián đoạn, mỗi lần chiếu xạ để phản ứng là 10 giây, sau đó tắt lò vi sóng, làm nguội Quá trình được thực hiện lặp lại như trên cho đến khi phần lớn chất lỏng ion hình thành thì dừng lại Trong đó dung dịch ban đầu từ trong chuyển sang đục rồi sau đó chuyển trở lại trong hoàn toàn, chất lỏng phân thành hai pha (pha chất lỏng ion nằm ở pha dưới và có màu vàng nhạt) Thời gian chiếu xạ vi sóng cho phản ứng tổng cộng là 180 giây

Tách chiết lấy phần chất lỏng ion Loại bỏ tác chất dư bằng cách rửa chất lỏng ion với ethyl acetate ba lần, mỗi lần khoảng 50 ml, khuấy trộn mạnh trong thời gian 30 phút Tách lấy pha chất lỏng ion sau đó rửa sản phẩm lại bằng diethyl ether trong 3 lần, mỗi lần dùng 50 ml và kết hợp khuấy trộn mạnh trong thời gian 30 phút Loại bỏ phần dung môi rửa, lấy phần chất lỏng ion và tiến hành quá trình cô quay đuổi vết dung môi

ở nhiệt độ khoảng 40 oC trong thời gian khoảng 20 phút

Thu sản phẩm, cân và tính hiệu suất

Quá trình điều chế 02 chất lỏng ion [Hmim]Br và [Omim]Br được thực hiện tương tự như đối với trường hợp [Bmim]Br đã được trình bày chi tiết ở trên (Hình 2.1) Quy mô của các thí nghiệm này lần lượt như sau:

Sinh hàn nước lạnh Làm nguội

Nhiệt độ phòng Lớp dưới

Lớp dưới

50 ml x 30 phút x 3 lần Khuấy từ mạnh

Nhiệt độ phòng

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình tổng hợp [Amim]Br

- Quá trình điều chế chất lỏng ion [Hmim]Br: sử dụng 40 ml methylimidazole và 80 ml 1-bromohexane (93.92 g, 0.568 mol)

- Quá trình điều chế chất lỏng ion [Omim]Br: sử dụng 40 ml 1-methylimidazole và 100 ml 1-bromooctane (111.20 g, 0.576 mol)

1-Bảng 2.1 Các thông số của quá trình tổng hợp 3 loại chất lỏng ion [Amim]Br

(0.556 mol)

80(0.568 mol)

100(0.576 mol)

V1-methylimidazole - ml 40 (0.504 mol)

2.1.2 Xác định cấu trúc chất lỏng ion họ imidazolium

2.1.2.1 Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR

2.1.2.2 Phương pháp phân tích phổ khối lượng MS

Phổ MS của chất lỏng ion được xác định tại phòng thí nghiệm của Trung tâm phân tích công nghệ cao Hoàn Vũ, Công ty TNHH MTV Khoa học công nghệ Hoàn

Vũ, 112 Lương Thế Vinh, P Tân Thới Hòa, Quận Tân Phú, TP HCM

Phân tích phổ khối lượng (MS) được ghi lại sử dụng thiết bị Thermo Finigan TSQ7000 triple quadrupole

2.2 Thực hiện phản ứng ghép đôi C-N giữa aryl halide và amine trong dung môi xanh là chất lỏng ion họ imidazolium

2.2.1 Thí nghiệm mẫu

khuấy đều

t = 90 o C

t = 90 o C time = 3 h khuấy đều

Phản ứng ghép đôi C-N

Hình 2.2 Sơ đồ khối quy trình thực hiện phản ứng N-aryl hóa

Tiến hành lắp hệ thống thí ngiệm bao gồm sinh hàn nước lạnh, bình cầu 3 cổ nhám loại 25 ml có cá từ loại 1 cm Cho một lượng 0.202 g 1-bromo-4-nitrobenzene vào bình cầu đã có sẵn 4 ml chất lỏng ion [Bmim]Br Sau đó cho thêm 0.1 ml chất nội chuẩn 4-bromoanisole vào bình cầu Sau khi hỗn hợp được khuấy đều và gia nhiệt trên bếp từ đến 90 oC, lấy 0.1 ml mẫu t0 Sau đó cho vào bình cầu phản ứng một lượng 0.19

ml piperidine và tiến hành phản ứng trong 3 giờ ở 90 oC Sau mỗi 30 phút trong quá trình phản ứng, lấy các mẫu ti (i = 1 – 6) Tất cả các mẫu được trích ly với 3 ml Et2O và thu lấy pha hữu cơ làm khan bằng Na2SO4 Sau đó, các mẫu được đem đi phân tích

GC và tính độ chuyển hoá của 1-bromo-nitrobenzene dựa trên chất nội chuẩn bromoanisole Thành phần và cấu trúc các chất trong hỗn hợp phản ứng còn được kiểm tra bằng phương pháp GC/MS

4-2.2.2 Các yếu tố khảo sát ảnh hưởng lên độ chuyển hóa của phản ứng

1-2.2.3 Quá trình thu hồi chất lỏng ion

Hỗn hợp sau phản ứng được rửa nhiều lần với lượng dư Et2O (15 ml/lần) để tách sản phẩm và tác chất chưa phản ứng ra khỏi chất lỏng ion Sau khi chất lỏng ion đã sạch (kiểm tra bằng GC), tiến hành cô quay chân không để loại bỏ Et2O Chất lỏng ion sau đó được sử dụng lại cho phản ứng ghép đôi

2.3 Các phương pháp phân tích và tính toán độ chuyển hóa của phản ứng

2.3.1 Phương pháp xác định độ chuyển hoá của sản phẩm

Độ chuyển hoá của 1-bromo-4-nitrobenzene được tính dựa trên phần trăm độ giảm tỷ lệ diện tích peak 1-bromo-4-nitrobenzene và diện tích peak nội chuẩn 4-bromoanisole tại thời điểm lấy mẫu so với thời điểm ban đầu t0

100)

(

)()((%)

0 2 1 2

1 0 2 1

x t

S S

t S

S t S

S1, S2: diện tích peak của 1-bromo-4-nitrobenzene và chất nội chuẩn

t0: thời điểm ban đầu

tx: thời điểm phân tích

Các mẫu sau khi được trích ly với ether và làm khan, được đem phân tích trên máy sắc ký khí Shimadzu GC 2010 plus tại Bộ môn kỹ thuật hữu cơ, Khoa kỹ thuật hoá học, Đại học Bách khoa TP HCM Phân tích sắc khí khí (GC) được thực hiện trên thiết bị Shimadzu GC 2010 plus gắn với đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID) và cột DB-5 (chiều dài 30 m, đường kính trong 0.25 mm, bề dày pha tĩnh trong cột = 0.25 µm) Chương trình nhiệt của phân tích GC: mẫu được gia nhiệt từ 100 đến 250 oC với tốc độ

40 oC/phút, sau đó từ 250 oC đến 300 oC với tốc độ 50 oC/phút, giữ ở 300 o

C trong 3.5 phút 4-Bromoanisole được sử dụng làm chất nội chuẩn để tính độ chuyển hóa

Hình 2.3 Hệ thống GC Shimadzu 2010 Plus

2.3.2 Định danh sản phẩm

Sản phẩm sau khi đã phân tích GC (đầu do FID) được kiểm chứng bằng phương pháp sắc khí ghép khối phổ GC/MS tại phòng thí nghiệm, Trung tâm phân tích công nghệ cao Hoàn Vũ, Công ty TNHH MTV Khoa học công nghệ Hoàn Vũ, 112 Lương Thế Vinh, P Tân Thới Hòa, Quận Tân Phú, TP HCM

Phân tích sắc ký khí kết hợp phổ khối lượng (GC/MS) được thực hiện trên thiết bị Hewlett Packard GC-MS 5972 với cột RTX-5MS (chiều dài 30 m, đường kính trong 0.25 mm, bề dày pha tĩnh trong cột = 0.5 µm) Chương trình nhiệt của phân tích GC/MS: mẫu được gia nhiệt từ 60 đến 280 oC với tốc độ 10 oC/phút và được giữ ở 280

oC trong 2 phút Nhiệt độ đầu vào thiết bị MS là 280 oC Phổ MS được so sánh với dữ liệu phổ chuẩn NIST

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Kết quả tổng hợp chất lỏng ion

3.1.1 Kết quả tổng hợp chất lỏng ion 1-akyl-3-methylimidazolium bromide

([Amim]Br)

3.1.1.1 Kết quả xác định cấu trúc chất lỏng ion [Amim]Br

Chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([Bmim]Br)

Hình 3.1 Công thức cấu tạo của [Bmim]Br

 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

 1H-NMR (500 MHz, DMSO): δ = 9.367 (s, 1H, C5), 7.864-7.856 (m, 1H, C6), 7.780-7.773 (m 1H, C7), 4.212-4.183 (t, 7.5 Hz, 2H, C1), 3.874 (s, 3H, C1’), 1.764-1.720 (m, 2H, C2), 1.250-1.205 (m, 2H, C3), 0.870-0.841 (t, 3H, C4)

C-NMR (125 MHz, DMSO): δ = 136.440 (C5), 123.448 (C6), 122.183 (C7), 48.389 (C1), 35.740 (C1’), 31.311 (C2), 18.660 (C3), 13.182 (C4)

Chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide ([Hmim]Br)

Hình 3.2 Công thức cấu tạo của [Hmim]Br

 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

1

H-NMR (500 MHz, DMSO): δ = 9.240 (s, 1H, C7), 7.810-7.803 (m, 1H, C9), 7.736-7.729 (m, 1H, C8), 4.186-4.157 (t, 7.5 Hz, 2H, C1), 3.863 (s, 3H, C1’), 1.789-1.761 (m, 2H, C2), 1.265-1.236 (m, 6H, C3, C4

& C5), 0.862-0.834 (m, 3H, C6)

13 C-NMR (125 MHz, DMSO): δ = 136.442 (C7), 123.504 (C9), 122.189 (C8), 48.687 (C1), 35.705 (C1’), 30.455 (C2), 29.267 (C3), 25.409 (C4), 21.773 (C5), 13.736 (C6)

 Phổ khối lượng (MS)

 m/z = 167 [Hmim]+

 m/z = 413 [(Hmim)2Br]+

Từ kết quả thu được ở trên cho thấy, cấu trúc của IL thu được là [HMIM]Br

Chất lỏng ion 1-otyl-3-methylimidazolium bromide ([Omim]Br)

Hình 3.3 Công thức cấu tạo của [Omim]Br

 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

1

H-NMR (500 MHz, DMSO): δ = 9.295 (s, 1H, C9), 7.834-7.827 (m, 1H, C11), 7.759-7.753 (m, 1H, C10), 4.193-4.164 (t, 7.5 Hz, 2H, C1), 3.870 (s, 3H, C1’), 1.789-1.761 (m, 2H, C2), 1.272-1.227 (m, 10H, C3,

C4, C5, C6 & C7), 0.854-0.826 (m, 3H, C8)

13 C-NMR (125 MHz, DMSO): δ = 136.437 (C9), 123.464 (C11), 122.167 (C10), 48.648 (C1), 35.684 (C1’), 31.047 (C2), 29.312 (C3), 28.359 (C4), 28.232 (C5), 25.389 (C6), 21.933 (C7), 13.807 (C8)

 Phổ khối lượng (MS)

 m/z = 195 [Omim]+

 m/z = 469 [(Omim)2Br]+

Từ kết quả thu được ở trên cho thấy, cấu trúc của IL thu được là [OMIM]Br

3.1.1.2 Kết quả hiệu suất tổng hợp chất lỏng ion [Amim]Br

Hình 3.4 Phản ứng N-alkyl hóa tổng hợp [Amim]Br

Chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium bromide ([Amim]Br) được điều chế

từ 1-methylimidazole và n-alkyl bromide trong điều kiện không sử dụng thêm dung môi hữu cơ và có sự hỗ trợ của vi sóng (Hình 3.4) Phản ứng được thực hiện trong lò vi sóng (hiệu Sanyo EM–S1057, công suất 800 W, Nhật Bản), ở mức công suất 80W (Low-medium) trong bình cầu có gắn sinh hàn hoàn lưu nước và thiết bị khuấy trộn Quá trình hình thành chất lỏng ion có thể được quan sát bằng mắt thường để tìm ra thời

gian phản ứng thích hợp, trong đó, ban đầu hỗn hợp phản ứng là một dung dịch đồng nhất trong suốt, trong quá trình phản ứng hỗn hợp này trở nên đục do sự hình thành chất lỏng ion không tan tốt trong pha nguyên liệu ban đầu Tuy nhiên sau khi hình thành nhiều chất lỏng ion, hỗn hợp lại có xu hướng chuyển trở lại thành dung dịch trong suốt do lượng tác chất dư còn ít có khả năng tan trong pha chất lỏng ion Sau khi phản ứng kết thúc, hỗn hợp phản ứng được để nguội đến nhiệt độ thường, rửa nhiều lần với ethyl acetate và diethyl ether để loại bỏ các tác chất chưa tham gia phản ứng Dung môi còn sót lại sau quá trình tách pha được loại bỏ bằng cách sử dụng hệ thống cô quay dưới áp suất chân không

Bảng 3.1 Kết quả hiệu suất tổng hợp [Amim]Br

Tác chất

R-Br

Thời gian chiếu xạ (a) (s)

[Amim]Br lý thuyết (b)

(g) TN

[Amim]Br thực tế (g)

Hiệu suất (%)

Hiệu suất trung bình (%) n-C4H9Br

1-Hình 3.5 Kết quả tổng hợp chất lỏng ion [Amim]Br

Các báo cáo trước đây đã chỉ ra rằng chiếu xạ vi sóng là một phương pháp truyền nhiệt rất tốt, hiệu quả hơn rất nhiều so với phương pháp gia nhiệt truyền thống [7] Chính vì vậy sự ứng dụng vi sóng vào tổng hợp hữu cơ đã giúp đạt hiệu suất cao chỉ trong thời gian chỉ vài phút thay vì hàng giờ như phương pháp gia nhiệt thông thường trước đây Ngoài ra, sự áp dụng kỹ thuật vi sóng vào quy trình tổng hợp chất lỏng ion gốc bromide như trong nghiên cứu này cho phép đạt hiệu suất cao mà không cần đến các dung môi hữu cơ độc hại hay sử dụng một lượng dư đáng kể haloalkane như các quy trình truyền thống Những ưu điểm này rõ ràng hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế lẫn môi trường Tuy nhiên, vì chất lỏng ion vừa sinh ra hấp thụ năng lượng từ

vi sóng rất mạnh nên hỗn hợp dễ xảy ra hiện tượng gia nhiệt cục bộ dẫn đến những phản ứng oxi hóa không mong muốn làm chất lỏng ion ngả sang màu vàng sậm Để hạn chế hiện tượng này, thời gian phản ứng đươc chia thành những khoảng gián đoạn

mà không gia nhiệt liên tục bằng vi sóng, làm lạnh bình phản ứng trong thời gian nghỉ

và không chiếu xạ thêm khi đã được hỗn hợp trong suốt Ngoài ra, do các lò vi sóng gia