Nghiên cứu phản ứng acyl hóa alcol nhờ siêu âm và vi sóng

Ngày nay hóa xúc tác là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn, có tác dụng đẩy nhanh tốc độ của các phản ứng hóa học. Kết quả là giảm được việc sinh ra những sản phẩm phụ không cần thiết hoặc giảm lượng chất thải độc hại đồng thời tiết kiệm được nguyên liệu và năng lượng… Bên cạnh đó phương pháp siêu âm và vi sóng là những phương pháp để “xanh hóa” những công nghệ hóa học. Phương pháp này có thể thực hiện riêng lẻ hay phối hợp trong các qui trình của công nghệ hóa học nhằm mục tiêu làm tăng hiệu suất và giảm lượng thải độc hại và rút ngắn thời gian phản ứng. Cho nên đây là những vấn đề đáng quan tâm hiện nay đối với lĩnh vực hóa tổng hợp. Nhóm hydroxy của alcol là nhóm chức phổ biến trong hợp chất hữu cơ và thường được chuyển hóa thành dẫn xuất acetat nhằm mục đích bảo vệ nhóm chức hoặc do đặc tính của cấu trúc. Phản ứng acyl hóa là một trong những phản ứng được sử dụng để thực hiện mục đích trên. Dẫn xuất acetat tương ứng được chú ý nhiều là do việc dễ chuẩn bị và tính ổn định cao của nó. Acyl hóa alcol thường được thực hiện bởi phản ứng của alcol với anhydric axetic hoặc acetyl cloride trong sự có mặt của base như pyridine, triethylamine. Ngoài ra nhiều nổ lực gần đây tập trung vào nghiên cứu sử dụng các xúc tác cơ kim hay muối của kim loại như VOSO4.3H20, Ln(TSO)3, TMSOTf, Sc(OTf)3, Bi(OTf)3, Cu(OTf)2, LiOTf … Tuy nhiên các phương pháp trên có một vài hạn chế như thời gian phản ứng dài, dung môi hữu cơ độc, điều kiện phản ứng nghiêm ngặt. Hơn nữa một số xúc tác cơ kim không có tính thương mại. Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra phương pháp đơn giản và thân thiện môi trường cho phản ứng acyl hóa alcol là điều cần thiết.

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay hóa xúc tác là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn, có tác dụng đẩy nhanh tốc độ của các phản ứng hóa học Kết quả là giảm được việc sinh ra những sản phẩm phụ không cần thiết hoặc giảm lượng chất thải độc hại đồng thời tiết kiệm được nguyên liệu và năng lượng… Bên cạnh đó phương pháp siêu âm và vi sóng là những phương pháp để “xanh hóa” những công nghệ hóa học Phương pháp này có thể thực hiện riêng lẻ hay phối hợp trong các qui trình của công nghệ hóa học nhằm mục tiêu làm tăng hiệu suất và giảm lượng thải độc hại và rút ngắn thời gian phản ứng Cho nên đây là những vấn đề đáng quan tâm hiện nay đối với lĩnh vực hóa tổng hợp

Nhóm hydroxy của alcol là nhóm chức phổ biến trong hợp chất hữu cơ và thường được chuyển hóa thành dẫn xuất acetat nhằm mục đích bảo vệ nhóm chức hoặc

do đặc tính của cấu trúc Phản ứng acyl hóa là một trong những phản ứng được sử dụng để thực hiện mục đích trên Dẫn xuất acetat tương ứng được chú ý nhiều là do việc dễ chuẩn bị và tính ổn định cao của nó Acyl hóa alcol thường được thực hiện bởi phản ứng của alcol với anhydric axetic hoặc acetyl cloride trong sự có mặt của base như pyridine, triethylamine Ngoài ra nhiều nổ lực gần đây tập trung vào nghiên cứu

sử dụng các xúc tác cơ kim hay muối của kim loại như VOSO4.3H20, Ln(TSO)3, TMSOTf, Sc(OTf)3, Bi(OTf)3, Cu(OTf)2, LiOTf … Tuy nhiên các phương pháp trên

có một vài hạn chế như thời gian phản ứng dài, dung môi hữu cơ độc, điều kiện phản ứng nghiêm ngặt Hơn nữa một số xúc tác cơ kim không có tính thương mại Vì vậy việc nghiên cứu tìm ra phương pháp đơn giản và thân thiện môi trường cho phản ứng acyl hóa alcol là điều cần thiết

Xuất phát từ yêu cầu và ý nghĩa thực tiễn đó tôi chọn và thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu phản ứng acyl hóa alcol nhờ siêu âm và vi sóng”

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Tìm ra những xúc tác thân thiện môi trường cho phản ứng acyl hóa alcol

Sử dụng phương pháp mới siêu âm và vi sóng vào phản ứng acyl hóa alcol Tìm ra phương pháp tổng hợp đạt hiệu suất cao cho phản ứng acyl hóa alcol Trên cơ sở kết quả nghiên cứu rút ra những kết luận và đưa ra phương pháp tốt nhất cho phản ứng acyl hóa alcol

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Trước nguy cơ ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng như hiện nay thì việc nghiên cứu tìm ra các xúc tác thân thiện môi trường và sử dụng các phương pháp mới nhằm giảm tính độc hại, tiết kiệm thời gian là hết sức cần thiết Kết quả của đề tài góp phần trong việc phát triển hướng nghiên cứu áp dụng hóa học xanh vào một phản ứng phổ biến trong tổng hợp hữu cơ

4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Phản ứng acyl hóa các alcol: dodecanol, citronelol, oleyl alcol với anhydride acetic sử dụng các xúc tác thân thiện môi trường và hai phương pháp siêu âm, vi sóng

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu phản ứng acyl hóa alcol với anhydride acetic

5 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Năm 1997 Hasan SEÇEN and A Hamit KALPAR thuộc khoa hóa, khoa nghệ thuật và khoa khoa học, đại học Atatürk, Erzurum, Thổ Nhĩ Kỳ đã công bố nghiên cứu

về phản ứng acetyl hóa alcol aliphatic bậc một và bậc hai với anhydride acetic sử dụng graphite bisulphate làm xúc tác trong dung môi cyclohexane đạt hiệu suất gần 90%

Năm 2003 Farhad Shirini, Kamal Mohammadi thuộc khoa hóa, khoa khoa học, đại học Guilan, Rasht, Iran và Mohammad Ali Zolfigol thuộc khoa hóa, ban khoa học, đại học Bu-Ali Sina, Hamadan, Iran đã công bố nghiên cứu silica sufuric acid là một tác nhân có hiệu quả cho phản ứng acetyl hóa alcol bằng anhydric acetic dưới điều kiện không dung môi hoặc sử dụng dung môi hexane

A: (CH3CO)2O/ silica sufuric acid/ Solvent free, r.t

B: (CH3CO)2O/ silica sufuric acid/ n-hexane, r.t

Năm 2004 Jong Chan Lee, Seung Jun Lee, and Jin Seo Lee thuộc khoa hóa, đại học Chung-Ang, Seoul, Hàn Quốc đã công bố nghiên cứu phương pháp đơn giản và

hiệu quả cho phản ứng acetyl hóa alcol bằng anhydride acetic với xúc tác Pyridinium

p-toluenesulfonate (PPTS) dưới điều kiện chiếu xạ vi sóng

R 1 R 2

OH

Ac 2 O, PPTS MWI, 20-120 sec R 1 R 2

OAc

Năm 2004 F Shirini, A Safari thuộc khoa hóa, khoa khoa học, đại học Guilan, Rasht, Iran và M A Zolfigol thuộc khoa hóa, ban khoa học, đại học Bu-Ali Sina, Hamadan, Iran đã công bố nghiên cứu phương pháp acetyl hóa alcol bằng anhydric acetic với sự có mặt của xúc tác Zr(HSO4)4 trong dung môi hexane cho hiệu suất cao

Năm 2008 A Rostamia thuộc khoa hóa học, khoa khoa học, đại học Kurdistan

Sanandaj, F Mantashlob và A Khazaei thuộc khoa hóa đại học Bu-Ali Sina, Hamadan của Iran đã công bố nghiên cứu p-Toluenesulfonyl Chloride (p-TsCl) là chất xúc tác

mới có hiệu quả cho phản ứng acetyl hóa một số loại alcol và phenol trong điều kiện

có dung môi và không dung môi Ngoài ra một số cấu trúc alcol khác nhau được formyl hóa với acid formic sử dụng làm xúc tác trong điều kiện không dung môi Các phản ứng này được thực hiện trong thời gian ngắn và đạt hiệu suất cao ở nhiệt độ phòng

ROH + p-TsCl (Cat.)

R = Benzylic, Linear, Cyclic

HCOOH (3 mL), rt

Ac 2 O (1.5 mL)

CH 2 Cl 2 or Solvent-Free, r.t.

CH O RO

CCH 3 O RO

Năm 2008 Hossein A Oskooie, Bita Baghernezhad, Majid M Heravi và Y Sh Beheshtiha thuộc khoa hóa, khoa khoa học, đại học Azzahra, Vanak, Tehran, Iran công bố nghiên cứu sử dụng Vanadyl Sulfate (VOSO4.3H2O) làm chất xúc tác có hiệu quả cho phản ứng acyl hóa alcol và phenol với anhydride acetic dưới điều kiện không dung môi ở nhiệt độ phòng cho hiệu suất cao

VOSO 4 .3H 2 O

Ac 2 O, r.t

Năm 2008 M Moghadam, S Tangestaninejad, V Mirkhani, I Mohammadpoor Baltork, M Babaghanbari, M Zarea, L Shariati and S.A Taghavi thuộc khoa hóa, bộ phận xúc tác, đại học Isfahan, Isfahan, Iran đã công bố nghiên cứu về zirconyl triflate ZrO(OTf)2 một loại xúc tác mới, cho hiệu xuất cao và tái sử dụng Đây là xúc tác tốt cho phản ứng acetyl hóa và benzoyl hóa alcol, phenol, amine, thiol với anhyride acetic

và anhydride benzoic

ZrO(OTf) 2

CH 3 CN, rt or 50 o C

R'COXR + R'COOH

Năm 2011 R Tayebee, F.Z Mohammadi thuộc khoa hóa, đaih học Sabzevar Tarbiat Moallem, Sabzevar, Iran đã công bố nghiên cứu một phương pháp để bảo vệ các alcol khác nhau với axit cacboxylic dưới điều kiện vi sóng trong sự có mặt của H5PM10V2O40, M= W, Mo

5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện tại chưa có nghiên cứu nào di sâu vào phản ứng acyl hóa alcol

6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

6.1 Phản ứng acyl hóa alcol

Nhóm acyl là nhóm carbonyl có gắn nhóm alkyl và liên kết với phân tử khác ở carbon carbonyl Khi đưa nhóm acyl vào một phân tử khác gọi là phản ứng acyl hóa Phản ứng acyl hóa alcol là một trong những phản ứng được sử dụng để chuyển đổi nhóm hydroxy thành dẫn xuất acetat Acyl hóa alcol thường được thực hiện bởi phản ứng của alcol với anhydric axetic hoặc acetyl cloride trong sự có mặt của xúc tác acid hoặc base như ZnCl2, H2SO4 đặc, Et3N nhưng phổ biến nhất là pyridine

6.1.1 Tác nhân acyl hóa

Acid carboxylic có nhóm acyl nhưng nhóm OH liên kết với nhóm acyl là nhóm rời yếu nên acid carboxylic không được sử dụng là tác nhân acyl hóa Thay vào đó hai dẫn xuất của acid carboxylic là acyl cloride và anhydride acid được sử dụng Phản ứng acyl hóa alcol thường sử dụng tác nhân acyl hóa là acetyl cloride và anhydride acetic

Anhydric acetic thì có hoạt tính yếu hơn acetyl clorua tuy nhiên nhìn chung các phản ứng gần như giống hệt nhau nên chúng dùng để thay thế cho nhau

Hoạt tính của acetyl cloride đối với alcol có thể sắp xếp theo thứ tự như sau:

Alcol bậc 1 > alcol bậc 2 > alcol bậc 3 Trong hai tác nhân acyl hóa này thì anhydride acetic thường được sử dụng hơn

vì những lý do sau:

- Nó có giá thành rẻ

- Hoạt tính của nó yếu hơn acetyl ccloride nên trong phản ứng sẽ ít nguy hiểm hơn và dễ dàng kiểm soát hơn

- Sản phẩm của acetyl cloride trong phản ứng acyl hóa là HCl có tính ăn mòn trong khi anhydride acetic sinh ra sản phẩm acid acetic là acid yếu

- Acetyl cloride thì dễ dàng bị thủy phân trong khi anhydride acetic thì ít bị thủy phân hơn

Những bất lợi chính của việc sử dụng anhydride acetic là khi phản ứng với alcol thì sản phẩm là acid acetic Sản phẩm này không dễ dàng tách ra trong khi sản phẩm của acyl cloride là HCl dễ bay hơi và dễ tách Tuy nhiên acid acetic có thể loại bỏ bằng cách trung hòa bằng NaHCO3 tạo muối natri acetat từ đó có thể tinh chế ester dễ dàng hơn

6.1.2 Cơ chế phản ứng

* Cơ chế phản ứng acyl hóa alcol bằng acyl cloride

Cơ chế xảy ra trong hai giai đoạn Giai đoạn đầu là cộng nucleophile vào carbon carbonyl để hình thành tứ diện trung gian Giai đoạn hai là ion cloride bị tách

ra và khôi phục lại nhóm carbonyl sau đó deproton thu được ester tương ứng

R C Cl

O

O

O R' H

R C O R' H

O

O R' + HCl

* Cơ chế phản ứng acyl hóa alcol bằng anhydride acid

R C O

O

O

O R' H anhydride alcohol

C R

O

C R

O

R C O O

H H

O C R

O

R C O

O R' + ester

R C OH O

acid

Tứ diện trung gian

Tứ diện trung gian

Cơ chế xảy ra trong hai giai đoạn Giai đoạn đầu là cộng nucleophile vào carbon carbonyl để hình thành tứ diện trung gian Giai đoạn hai là nhóm acid bị tách ra

và khôi phục lại nhóm carbonyl sau đó deproton thu được ester tương ứng

6.1.3 Xúc tác

Phản ứng acyl hóa alcol với anhydride acetic trước đây thường sử dụng xúc tác pyridine Nhưng những hạn chế của pyridine là khá độc hại và thời gian phản ứng dài

Xúc tác graphite bisulfate có vai trò quan trọng trong việc xúc tiến phản ứng acyl hóa alcol Nó làm cho phản ứng xảy ra nhanh hơn và cho hiệu suất cao hơn so với khi sử dụng pyridine Bên cạnh đó với xúc tác này sự tinh chế sản phẩm cũng thực hiện dễ dàng bằng cách lọc lấy xúc tác ra sau đó trung hòa lượng acid dư

Silica sufuric acid là những nhóm acid sufuric được cố định trên bề mặt của silica gel Nó được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng acyl hóa alcol với điều kiện

êm dịu, dễ thực hiện và thu được sản phẩm với hiệu suất cao Xúc tác sử dụng được trong điều kiện không dung môi hoặc có dung môi

Trong quá trình nghiên cứu về các xúc tác hữu cơ cho hóa học hữu cơ người ta

đã thấy p-toluenesulfonyl chloride là một chất rẻ tiền có giá trị thương mại được sử

dụng rộng rãi như là tác nhân chuyển đổi nhóm sulfonyl, có ứng dụng nhỏ là được sử

dụng như tác nhân clo hóa Ngoài ra p-toluenesulfonyl chloride còn được sử dụng là

chất xúc tác cho phản ứng acetyl hóa trong điều kiện không dung môi Nó giúp cho phản ứng xảy ra trong thời gian ngắn và đạt hiệu suất cao

6.2 Vi sóng

Vi sóng là sóng điện từ có tần số từ 30 GHz − 300 MHz tương ứng với độ dài sóng từ 1 cm đến 1 m Năng lượng vi sóng rất thấp không quá 3.10-3 Kcal.mol-1, do đó

không thể làm đứt nối cộng hóa trị của hợp chất hữu cơ (E c-c = 83 Kcal.mol-1), đồng thời cũng không có khả năng ion hóa phân tử vật chất

Lò vi sóng gia dụng có thể cải tiến để sử dụng cho một số phản ứng trong tổng hợp hữu cơ

Hình 1 Lò vi sóng

• Ưu điểm của vi sóng

- Rút ngắn thời gian phản ứng

- Không cần bếp đun, bình phản ứng cũng như sinh hàn hồi lưu

- Thể tích dung môi nhỏ, tiết kiệm điện và giảm thiểu chất thải

• Hạn chế: Sự tăng nhiệt cục bộ dễ gây vỡ bình, gây nổ

• Ứng dụng vi sóng trong tổng hợp hữu cơ:

Vi sóng được sử dụng trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ như:

- Phản ứng ester hóa, phản ứng deacetyl hóa

- Gỡ bỏ nhóm bảo vệ nhóm chức acid dạng ester

- Gỡ bỏ nhóm bảo vệ t-butyldimethylsilyl ether (TBDMS)

- Phản ứng decarboxyl hóa indole-2-carboxylic acid

- Savon hóa ester

- Alkyl hóa nhóm methylene

- N-alkyl hóa saccarin

- Phản ứng ngưng tụ aldehyde với methylene hoạt hóa

- Phản ứng thủy phân

- Tổng hợp enaminoketon

6.3 Siêu âm

Siêu âm là sóng âm thanh có tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người (nghĩa

là lớn hơn 16 KHz) Giới hạn của siêu âm không xác định rõ ràng, thường được sử dụng là 5 MHz đối với chất khí, và 500 MHz đối với chất lỏng và rắn

Siêu âm cung cấp năng lượng thông qua hiện tượng tạo và vỡ bọt (là khoảng cách giữa các phân tử) Trong môi trường chất lỏng, bọt có thể hình thành trong nửa chu kỳ đầu và sẽ vỡ trong nửa chu kỳ sau, giải phóng một năng lượng rất lớn Năng lượng này có thể sử dụng để tẩy rửa các chất bẩn ngay trong những vị trí không thể tẩy rửa bằng phương pháp thông thường, hoạt hóa nhiều phản ứng hóa học hay làm các chất hòa tan lẫn vào nhau

Bồn siêu âm: Loại bồn siêu âm có ưu điểm là năng lượng được phân phối đồng

đều, thuận tiện và dễ sử dụng nhưng lại có khuyết điểm là chỉ có một tần số cố định, không kiểm soát được nhiệt độ

Hình 1 Bồn siêu âm

Thanh siêu âm: Năng lượng siêu âm được cung cấp trực tiếp đến phản ứng

thông qua thanh siêu âm được làm bằng hợp kim titan Năng lượng siêu âm được phát

ra từ thanh và được tạo ra bởi sự tạo rung của chóp thanh Thông thường, thanh siêu

âm chỉ có một tần số 20 kHz nhưng trong một vài thiết bị hiện đại đã cho phép việc lựa chọn tần số Loại thanh này có sự tập trung năng lượng cao, gọn, có thể điều chỉnh những tần số khác nhau nhưng có thể làm nhiễm bẩn chất lỏng vì chóp thanh bị gỉ sau một thời gian sử dụng

Hình 2 Thanh siêu âm

• Siêu âm có những ưu điểm sau:

- Phản ứng được gia tốc mà không cần tác chất khác đưa vào

- Sản phẩm thu được không lẫn tạp chất

- Sử dụng tác nhân thô hơn, độ sạch thấp hơn phản ứng vẫn xảy ra

- Có thể giảm bớt các bước phản ứng trung gian

Trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, siêu âm có những đóng góp đáng chú ý: xáo trộn rất tốt hỗn hợp phản ứng, làm tăng sự tiếp xúc giữa các phân tử các chất đạt đến mức tối đa giữa các pha khí - khí, khí - lỏng (phản ứng ozon hóa), lỏng - lỏng (phản ứng este hóa) lỏng - rắn (phản ứng Grignard), mà các phương tiện khác như khuấy cơ, khuấy từ… không tốt hơn được Từ đó, siêu âm giúp làm gia tăng tốc độ của hầu hết các phản ứng hữu cơ

• Nhược điểm

Bồn siêu âm chỉ có một tần số cố định, đôi khi không kiểm soát được nhiệt độ (khi siêu âm trong thời gian dài), không thực hiện được ở nhiệt độ thấp

• Ứng dụng siêu âm trong tổng hợp hữu cơ

Siêu âm được sử dụng rộng rãi trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ như:

- Phản ứng ester hóa

- Phản ứng xà phòng hóa

- Phản ứng thế (phản ứng Friedel-Crafts, tạo sản phẩm đa vòng)

- Phản ứng cộng hợp (phản ứng cộng hợp 1,4; phản ứng Diels-Alder)

- Phản ứng alkyl hóa, oxi hóa

- Phản ứng khử

- Phản ứng Grignard

7 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

7.1 Phương tiện

7.1.1 Thiết bị và dụng cụ

Các thiết bị sử dụng trong quá trình nghiên cứu gồm có :

Cân điện tử

Bồn siêu âm Đài Loan

Thanh siêu âm HP50H - Đức

Lò vi sóng

Máy khuấy từ

Máy cô quay

Máy ly tâm

Cột sắc kí sử dụng silica gel 60 (20-400 mesh, E Merck, Darmstadt, Đức) Sắc kí lớp mỏng (TLC) trên bản nhôm, lớp hấp phụ bằng silica gel

Phễu chiết

Bình hút ẩm

Cột sắc ký

Các dụng cụ thủy tinh cần thiết: bình hút 500 ml, phểu lọc, bình tam giác

250 ml, bình định mức, cốc thủy tinh

7.1.2 Hóa chất

Các alcol: dodecanol, citronelol, oleyl alcol

Sulfuric acid (H2SO4)

Nitric acid (HNO3)

Cyclohexane

Diethyl ether

Petroleum ether

Dicloromethane (CH2Cl2)

Ethylacetate (AcOEt)

Hexane

Pyridinium p-toluenesulfonate (PPTS)

p-Toluenesulfonyl chloride.

Sodium bicarbonate (NaHCO3)

Magnesium sulfate (MgSO4)