SEMINAR MÔN HỌC HÓA HỌC XANH PHẢN ỨNG THỂ RẮN

SEMINAR MÔN HỌC HÓA HỌC XANH PHẢN ỨNG THỂ RẮN

PHẢN ỨNG THỂ RẮN

GVHD: GS TS Lê Ngọc Thạch

SEMINAR MÔN HỌC HÓA HỌC XANH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- 1970-1985: Leznoff, Camps, Fréchet

nghiên cứu toàn diện hơn trên nền

hữu cơ, (1974) Camps công bố tổng

hợp benzodiazepin

Robert Bruce Merrifield

Hermkens P H H., Ottenheijm H C J and Rees D., Solid-phase organic reactions: A review of the recent literature, Tetrahedron, 52 (13), 4527-4554

(1996)

2 Định nghĩa, đặc điểm

- Phản ứng thể rắn: phản ứng hóa học trong môi trường khô, các chất tham gia phản ứng trực tiếp với nhau mà không sử dụng dung môi

- Phản ứng thông thường: hòa tan tác chất vào dung môi, loại bỏ dung môi thu được sản phẩm

Minh họa phản ứng thể rắn

http://www.wisegeek.com/what-is-a-solid-state-reaction.htm

Hermkens P H H., Ottenheijm H C J and Rees D., Solid-phase organic reactions: A review of the recent literature, Tetrahedron, 52 (13), 4527-4554

(1996)

Nguyễn Hữu Khánh Hưng, Giáo trình vô cơ 1

3 Phản ứng thể rắn

Cơ chế gồm 6 giai đoạn:

Bao phủ - tiếp xúc của các hạt với nhau.

Hoạt hóa lần một: tạo nên màng nguyên tố từ những cấu tử linh động đến bề mặt những cấu tử kém linh động hơn.

 Phá vỡ hoạt tính: sự giảm tính linh động của những hạt vật chất bên trong màng mới tạo thành.

 Hoạt hóa lần hai: bắt đầu quá trình khuyếch tán của cấu tử linh động hơn vào bên trong mạng lưới của cấu tử kém linh động hơn.

 Tạo thành sản phẩm tinh thể của phản ứng, mạng lưới sản phẩm phản ứng mới tạo thành có nhiều khuyết tật về cấu trúc.

 Điều chỉnh khuyết tật mạng lưới của sản phẩm mới tạo thành.

Đỗ Quang Minh, Hóa học chất rắn, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh (2009).

3.1 Phản ứng ngưng tụ amin và aldehid

thành azometin

- 4-aminotoluen và 2-hidroxi-3-metoxibenzaldehid (o-vanilin).

- Hai tác chất dạng bột rắn đặt kế nhau hóa lỏng ngay lập tức (25 oC), có thể lấy ra bằng pipet pasteur Azometin rắn bắt đầu tách biệt và tạo thành khối tinh thể trong vòng 10 phút

Gadi Rothenberg, Andrew P Downie, Colin L Raston, Janet L Scott, Understanding Solid/Solid Organic Reactions, J Am Chem Soc., 123, 8701-8708

(2001).

7

3.2 Phản ứng Baeyer-Villiger

- Nghiền: 1.12 g m-CPBA, 0.25 g 4-tert-butilciclohexanon ở

25 oC, tạo chất lỏng như thủy tinh, đông đặc lại nhanh

3.3 Phản ứng ngưng tụ aldol

thêm NaOH rắn, tạo chất lỏng nâu nhạt, đông đặc thành chất rắn nâu, nghiền nhỏ, thêm 2 ml 0,02 M HCl, lọc, rửa với nước, sấy khô: 1,33 g

Gadi Rothenberg, Andrew P Downie, Colin L Raston, Janet L Scott, Understanding Solid/Solid Organic Reactions, J Am Chem Soc., 123, 8701-8708 (2001).

9

hiệu suất 94%, tốc độ nhanh

- Phản ứng xảy ra nhanh hơn trong điều kiện không dung môi Sự tồn tại của một pha lỏng nóng chảy là điều kiện tiên quyết cho phản ứng trong hệ thống này.

3.3 Phản ứng ngưng tụ aldol

- Giản đồ pha của hỗn hợp 2 ceton (1-indanon và 4-phenilciclohexanon), nhiệt

độ điểm tan và điểm nóng chảy theo phân mol Hai tác chất rắn tạo một hỗn hợp với Tnóng chảy thấp hơn nhiệt độ phòng

- Hệ eutectic là một hỗn hợp của các hợp chất mà trong đó có một hợp

phần hóa rắn ở nhiệt độ thấp hơn các hợp phần khác Hợp phần này được gọi

là thành phần eutectic và nhiệt độ kết tinh này gọi là nhiệt độ eutectic Điểm

eutectic: điểm nhiệt độ thấp nhất mà hỗn hợp chuyển đổi giữa pha lỏng và pha

rắn

Bowden F P., Yoffe A D., Fast Reactions in Solids, Butterworth Scientific, London, 57-77 (1958) 10

- Nhiều phản ứng được gọi là phản ứng thể rắn không phải hoàn toàn

ở trạng thái rắn, các kết quả thực nghiệm trên cho thấy có sự xuất hiện của một pha lỏng nóng chảy, pha lỏng này xuất hiện do sự tồn tại của hỗn hợp eutectic (được hình thành bởi hỗn hợp sản phẩm và các chất phản ứng) với điểm nóng chảy eutectic có nhiệt độ thấp Điều này giúp giải thích cho sự xuất hiện của pha lỏng và động học nhanh trong các ví dụ trên.

- Nhưng để có một hỗn hợp eutectic không hề dễ dàng, vì vậy cần nhiều nhân tố để kích hoạt phản ứng thể rắn xảy ra, nhanh hơn, hiệu suất cao hơn.

11

4 Các phương pháp kích hoạt

phản ứng thể rắn

 Phản ứng thể rắn kích hoạt siêu âm

 Phản ứng thể rắn kích hoạt chiếu xạ vi sóng.

 Phản ứng thể rắn xúc tác quang hóa.

- Âm thanh truyền đi theo sóng ngang trong chất rắn.

-Tốc độ phản ứng tăng lên khi sử dụng năng lượng siêu âm thay thế cho quá trình khuấy trộn cơ học trong phản ứng hữu

cơ pha rắn, hiệu suất cao

Lê Ngọc Thạch, Tinh Dầu, NXB Đại học quốc gia, TP HCM, 105, 2003

4.1 Phản ứng thể rắn kích hoạt siêu âm

- Nghiên cứu việc sử dụng năng lượng siêu âm trên phản ứng

thể rắn để sản xuất các hợp chất k-opioid receptor hay còn được gọi là các thụ thể k-opioid (một loại protein ở người có

khả năng liên kết với các peptid dynorphin opioid như một phối

tử nội sinh cơ bản) hỗ trợ trong trị liệu nghiện trong y học

Thụ thể k-opioid

J Manuel Perez, Eric J Wilhelm, Irving Sucholeiki, The Use of Power Ultrasound Coupled with Magnetic Separation for the Solid Phase Synthesis of

Compound Libraries, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 10,171-174 (2000)

4.1 Phản ứng thể rắn kích hoạt siêu âm

- (a) Dẫn xuất hidroximetil, lượng thừa florenilmetoxycarbonil (Fmoc) bảo vệ L-prolin, benzotriazol-1-il-oxi-tris-pirrolidino-phosphonium- hexaflorophosphat (PyBop) diisopropiletilamin (DIEA) + siêu âm để cho: nhựa Fmoc bảo vệ proline.

- (b) 50% piperidin trong DMF + siêu âm để tạo ra nhựa liên kết prolin.

L-Tác chất: (a): Fmoc-L-prolin, PyBop, DIEA, siêu âm (30% năng lượng); (b): 50%

piperidin-DMF, siêu âm (30% năng lượng); (c): DIEA, DMF, siêu âm (100% năng lượng)

J Manuel Perez, Eric J Wilhelm, Irving Sucholeiki, The Use of Power Ultrasound Coupled with Magnetic Separation for the Solid Phase Synthesis of

Compound Libraries, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 10,171-174 (2000)

4.1 Phản ứng thể rắn kích hoạt siêu âm

- Sự alkil hóa của nhựa liên kết L-prolin với 2-nitrobenzil bromid (5) và DIEA + siêu âm tạo thành sản phẩm cộng N-benzil (6) Kiểm soát bằng phổ UV cho thấy sự biến mất của tác chất 2-nitrobenil bromid (5)

Tác chất (c): DIEA, DMF, siêu âm (100% năng lượng)

J Manuel Perez, Eric J Wilhelm, Irving Sucholeiki, The Use of Power Ultrasound Coupled with Magnetic Separation for the Solid Phase Synthesis of

Compound Libraries, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 10,171-174 (2000)

4.1 Phản ứng thể rắn kích hoạt siêu âm

- Ở 25 o C, tốc độ phản ứng pha rắn tăng lên rõ rêt khi sử dụng siêu âm (t1/2 = 12.4 phút) so với trường hợp khuấy cơ học (t1/2 = 20.1 phút) Do năng lượng siêu âm giúp giảm thời gian để kích hoạt phân tử chất tan.

Hình (a): biểu đồ của (1/ nồng độ của 2-nitrobenzil bromid) theo thời gian, với sự có mặt của 4 và DIEA với : không khuấy trộn, ∆: siêu âm 25 kHz, □: khuấy cơ học ᴑ

J Manuel Perez, Eric J Wilhelm, Irving Sucholeiki, The Use of Power Ultrasound Coupled with Magnetic Separation for the Solid Phase Synthesis of

Compound Libraries, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 10,171-174 (2000)

- Vi sóng: sóng cực ngắn, sóng siêu tần Năng lượng vi sóng

là năng lượng điện từ

- Năng lượng photon của vi sóng là 0.037 kcal/mol, năng lượng của một nối hóa học khoảng 80-120 kcal/mol

- Không ảnh hưởng đến cơ cấu hợp chất hữu cơ, kích thích phân tử về động học: làm quay phân tử và nóng lên

Lê Ngọc Thạch, Giáo trình Hóa Học Xanh

4.2 Phản ứng thể rắn kích hoạt chiếu xạ vi sóng

CEM

Personal Chemistry

4.2 Phản ứng thể rắn kích hoạt chiếu xạ vi sóng

Merrifield tổng hợp thành công peptit.

Camps tổng hợp 1,4-benzodiazepin sử dụng polymer thể rắn (hình tròn tô đậm là bề mặt polymer rắn)

Dale L Boger (1999), Modern Organic Synthesis

4.2 Phản ứng thể rắn kích hoạt chiếu xạ vi sóng

Tamar Zabrodski, Maria Baskin, Prathap Jeya Kaniraj, Galia Maayan (2014), Click To Bind: Microwave-Assisted Solid-Phase Synthesis of Peptoids Incorporating Pyridine–Triazole Ligands and Their Copper(II) Complexes, 25.

Tổng hợp 3-aril-4-hidroxiquinolin-2-on bằng cách amid hóa dẫn xuất của ester malonic với anilin rồi vòng hóa hợp chất malondianilid trung gian với sự hỗ trợ của vi sóng.

Carlos A M Afonso, João Goulão Crespo (2005), Green Separation Processes: Fundamentals and Applications Wiley-VCH, pp

53-83.

4.2 Phản ứng thể rắn kích hoạt chiếu xạ vi sóng

Nhờ chiếu xạ vi sóng, phản ứng ngưng tụ Biginelli giữa

các aldehid, ure hoặc thioure và hợp chất dicarbonil xảy

ra trong thời gian ngắn tạo ra 3,4-dihidropirimidin-2-on

với hiệu suất cao

Carlos A M Afonso, João Goulão Crespo (2005), Green Separation Processes: Fundamentals and Applications Wiley-VCH, pp

53-83.

4.2 Phản ứng thể rắn kích hoạt chiếu xạ vi sóng

4.3 Phản ứng thể rắn với xúc tác quang hóa

- Quang hóa: phản ứng diễn ra dưới tác dụng của ánh

sáng có bước sóng khoảng 8000-200Å

- Ánh sáng mặt trời: một năng lượng xanh

Nguyên tắc: dòng chảy liên tục, lưu lượng nhất định, nhận ánh sáng tối đa

Sơ đồ minh họa hệ thống oxy hóa bằng xúc tác quang.

http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104-66322009000300006

Thiết bị phản ứng quang hóa

Sự đồng phân hóa đồng phân hình học

Sự đồng phân hóa E, Z trong pha rắn được thực hiện trong

điều kiện quang hóa

Gerd Kaupp “Organic-State Reaction with 100% Yield” Top Curr Chem 254, 95-183 (2005).

Phản ứng cộng thân hạch thể rắn của các thiol hoặc amin hiệu quả cao với các chất nền dưới sự kích hoạt phản ứng bằng quang hóa.

Gerd Kaupp “Organic-State Reaction with 100% Yield” Top Curr Chem 254, 95-183 (2005).

5 Kết luận

- Các bằng chứng thực nghiệm trên đã cho thấy một số phản ứng hữu cơ có thể xảy ra trong thời gian ngắn, điều kiện nhẹ nhàng và hiệu suất cao khi được thực hiện ở trạng thái rắn Đặc biệt khi kích hoạt bằng siêu âm, vi sóng, xúc tác quang hóa, phản ứng thể rắn lại càng xảy ra càng nhanh và hiệu suất càng cao

- Là một phạm trù quan trọng của ngành hóa học xanh, xóa bỏ định kiến hóa hữu cơ luôn sử dụng dung môi độc hại

- Hy vọng phản ứng thể rắn sẽ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn trong tương lai

28

Xin cám ơn Thầy, các anh chị và các bạn đã lắng nghe !