TIỂU LUẬN môn hóa học XANH kết hợp VI SÓNG và SIÊU âm TRONG TỔNG hợp hữu cơ

Đồ thị hiệu suất theo thời gian của phản ứng trans‒ester hóa vi tảo bằng ba phương pháp là vi sóng, siêu âm và si sóng kết hợp siêu âm...13... Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -ĐẶNG ĐÌNH MINH HUY

TIỂU LUẬN MÔN HÓA HỌC XANH

KẾT HỢP VI SÓNG VÀ SIÊU ÂM TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ

CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC HỮU CƠ

MSHV: 19C51001 GVHD: GS TS LÊ NGỌC THẠCH

TP Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2020

Nô ̣i dung

Danh mục hình ảnh ii

Danh mục bảng biểu iii

Đặt vấn đề 1

I Giới thiệu về vi sóng và siêu âm 2

1 Vi sóng 2

2 Siêu âm 3

II Giới thiệu về vi sóng kết hợp siêu âm 4

III Kết hợp vi sóng và siêu âm trong tổng hợp hữu cơ 7

1 Phản ứng Knoevenagel‒Doebner tổng hợp acid 3-arilacrilic 6 7

2 Phản ứng Mannich tổng hợp β-aminoceton 7 8

3 Phản ứng Williamson tổng hợp ester 8 9

4 Phản ứng tổng hợp các dẫn xuất của 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol9 10

5 Phản ứng Suzuki ghép cặp C‒C 10 11

6 Phản ứng trans‒ester hóa vi tảo 11 12

IV Kết luận 13

Tài liệu tham khảo 14

Danh mục hình ảnh

Hình 1 Hiện tượng làm nóng lên bởi vi sóng4 2 Hình 2 Sự nóng lên của vật chất bằng (a) vi sóng và (b) gia nhiệt truyền thống3 3 Hình 3 Hiện tượng tạo và vỡ bọt trong siêu âm 4 Hình 4 Sơ đồ hệ thống vi sóng kết hợp siêu âm với bộ phận siêu âm nằm bên ngoài lò vi sóng.5 5 Hình 5 Các loại thanh siêu âm làm từ thạch anh, thủy tinh pyrex và PEEK.4 6 Hình 6 (a) Hệ thống siêu âm kết hợp với lò vi sóng gia dụng và (b) Hệ thống vi sóng/siêu

âm đa chế độ.4 6 Hình 7 Hệ thống siêu âm/vi sóng kết hợp phản ứng dòng chảy4 7 Hình 8 Sự thay đổi độ chuyển hóa theo thời gian của phản ứng tổng hợp 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol trong điều kiện khuấy từ, vi sóng, siêu âm và vi sóng kết hợp siêu âm 10 Hình 9 Đồ thị hiệu suất theo thời gian của phản ứng trans‒ester hóa vi tảo bằng ba

phương pháp là vi sóng, siêu âm và si sóng kết hợp siêu âm 13

Danh mục bảng biểu

Bảng 1 So sánh hiệu suất giữa các phương pháp tổng hợp acid cinnamic 8 Bảng 2 So sánh hiệu suất giữa các phương pháp trong phản ứng Mannich 9 Bảng 3 So sánh hiệu suất giữa các phương pháp trong phản ứng Williamson 9

Bảng 4 Hiệu suất cô lập của các dẫn suất 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol và thời gian tổng hợp

nên chúng 11 Bảng 5 Hiệu suất của các phản ứng Suzuki trong điều kiện siêu âm, vi sóng và vi sóng kết hợp siêu âm 12

Đặt vấn đề

Ngày nay, cùng với sự gia tăng dân số, ngành công nghiệp dược phẩm và nhiên liệu cũng

đã không ngừng phát triển cho nhu cầu của con người Để giải quyết vấn đề này, lĩnh vực tổng hợp hữu cơ đã được mở rộng và đạt được nhiều thành tựu Tổng hợp hữu cơ tạo ra nhiều hợp chất và phát triển các dẫn xuất của chúng để hy vọng tìm thấy các ứng dụng mới hoặc tăng khả năng tương thích sinh học Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của các phản ứng hữu cơ là sử dụng nhiều dung môi, tốn thời gian, sử dụng nhiều năng lượng Do đó, nâng cao hiệu quả và khả năng cơ động của phản ứng là một trong những thách thức thú vị nhất đối với các nhà hóa học tổng hợp

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã chứng minh vi sóng và siêu âm là hai phương pháp kích hoạt phản ứng hiệu quả giúp giảm thời gian cũng như làm giảm dung môi trong phản ứng Sự kết hợp hai phương pháp thường ít được đề cập do thiết kế hệ thống phức tạp tuy nhiên hiệu quả mang lại rất đáng mong đợi

I Giới thiệu về vi sóng và siêu âm

1 Vi sóng

Vi sóng là sóng điện từ với tần số từ 100 Mhz đến 3Ghz Dưới tác dụng của điện trường một chiều, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp theo chiều của điện trường này Nếu điện trường là một điện trường xoay chiều, sự định hướng của các lưỡng cực sẽ thay đổi theo chiều xoay đó Năng lượng của bức xạ vi sóng làm chuyển động các ion và chuyển động quay của các lưỡng cực, nhưng không ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử Sự chuyển động của các ion hoặc lưỡng cực trong điện trường xoay chiều có tần số rất cao trong chiếu xạ vi sóng gây ra một sự xáo động ma sát rất lớn giữa các phân tử Đó chính

là nguồn gốc sự nóng lên của vật chất.1-3

Hình 1 Hiện tượng làm nóng lên bởi vi sóng4

Vi sóng có đặc tính là có thể đi xuyên được qua không khí, gốm sứ, thủy tinh, polyme và phản xạ trên bề mặt các kim loại Gia nhiệt bằng vi sóng sử dụng tính chất của một số hợp chất (chất lỏng hoặc chất rắn) để biến đổi năng lượng điện từ thành nhiệt Chiếu xạ vi

sóng nhanh chóng với toàn bộ vật liệu được làm nóng đồng thời Ngược lại, gia nhiệt thông thường chậm và sự nóng lên bắt đầu từ bên ngoài vào trong (hình 2).1

Hình 2 Sự nóng lên của vật chất bằng (a) vi sóng và (b) gia nhiệt truyền thống3

Bên cạnh đó, chiếu xạ vi sóng còn gây nên hiện tượng quá nhiệt đối với những chất lỏng phân cực Hiện tượng này được mô tả là có sự tăng lên về nhiệt độ sôi từ 13‒26 oC so với điểm sôi thông thường Hiện tượng này được dùng để giải thích cho sự gia tăng tốc độ phản ứng quan sát được trong hóa học hữu cơ và hóa học hữu cơ ‒ kim loại Hiệu ứng nhiệt này không dễ dàng tái tạo bằng cách gia nhiệt thông thường và có thể được sử dụng

để cải thiện năng suất và hiệu quả của một số quá trình nhất định.3

2 Siêu âm

Siêu âm là âm thanh có tần số từ 20 kHz đến 1 MHz Siêu âm cung cấp năng lượng thông qua hiện tượng tạo bọt và vỡ bọt có kích thước micromet được tạo ra khi một sóng áp suất

có cường độ đủ lớn truyền qua chất lỏng Trong môi trường chất lỏng, bọt có thể hình thành trong nửa chu ky đầu và sẽ vỡ trong nữa chu kì sau và giải phóng năng lượng rất lớn Sự vỡ bọt tạo ra các điều kiện cục bộ với hàng nghìn độ Kelvin và hàng trăm khí quyển kèm theo các sóng xung kích có thời gian cực ngắn Năng lượng này có thể sử dụng để tẩy rửa các chất bẩn ngay trong những vị trì không thể tẩy rửa bằng phương pháp thông thường, khoan cắt những chi tiết tinh vi, hoạt hóa nhiều phản ứng hóa học, …

Ngoài ra trong hóa học hợp chất thiên nhiên, siêu âm hỗ trợ tẩm trích làm rút ngắn thời gian của quá trình Thiết bị siêu âm hiện nay bao gồm hai dạng: bồn siêu âm (40 kHz) và thanh siêu âm (20 kHz).1,4

Hình 3 Hiện tượng tạo và vỡ bọt trong siêu âm

II Giới thiệu về vi sóng kết hợp siêu âm

Ban đầu, sự kết hợp giữa vi sóng và siêu âm gặp khó khăn bởi công nghệ và độ an toàn Năng lượng siêu âm được tạo bởi một bộ chuyển đổi (chuyển đổi năng lượng cơ hoặc điện thành năng lương siêu âm) được đưa đến bình phản ứng bằng một thanh siêu âm, thường được làm bằng hợp kim titan Tuy nhiên, sự hiên diện của kim loại đặt bên trong buồng vi sóng sẽ dẫn đến phóng điện hồ quang có thể làm vỡ mạch hoặc có thể gây nổ nếu có các hợp chất dễ cháy.4

Để khắc phục tình trạng trên, Chemat và cộng sự đã thiết kế một hệ thống vi sóng kết hợp siêu âm mà bộ phận siêu âm nằm bên ngoài lò vi sóng (hình 4) Việc phát sóng siêu âm (20 kHz) được thực hiện ở đáy lò phản ứng Đầu dò siêu âm không tiếp xúc trực tiếp với

hỗn hợp phản ứng Nó được đặt cách trường điện từ một khoảng để tránh tương tác và đoản mạch Sự lan truyền của sóng siêu âm trong lò phản ứng được thực hiện nhờ hợp chất decalin Chất lỏng này được chọn vì có độ nhớt thấp tạo ra sự truyền sóng siêu âm tốt

và không hoạt động đối với vi sóng.5

Hình 4 Sơ đồ hệ thống vi sóng kết hợp siêu âm với bộ phận siêu âm nằm bên ngoài lò vi

sóng.5

Ngoài ra, để khắc phục những hạn chế này, có thể thực hiện chiếu xạ siêu âm với các thanh siêu âm làm từ thạch anh, thủy tinh pyrex và gốm (hình 5) Tuy nhiên, thạch anh, thùy tinh pyrex và gốm có chung nhược điểm là dễ vỡ Năm 2006, Cravotto và các cộng

sự đã báo cáo về thanh siêu âm được làm từ polime chẳng hạn PEEK (polieter eter ceton) hoặc PTFE (politetrafloroetilen) Những vật liệu có khả năng chống va đập cao hơn nhiều

và có thể được nối chắc chắn hơn với bộ tăng áp (hình 5).4

Hình 5 Các loại thanh siêu âm làm từ thạch anh, thủy tinh pyrex và PEEK.4

Có nhiều hệ thống siêu âm kết hợp vi sóng khác nhau Một trong số đó là siêu âm kết hợp với lò vi sóng gia dụng (hình 6a) Tuy nhiên nhược điểm của các lò vi sóng gia dụng là độ lặp lại thấp và không cho phép kiểm soát chính xác các thông số phản ứng Do đó nên áp dụng chiếu xạ song song hoặc đồng thời vi sóng và siêu âm với các hệ thống đa chế độ chuyên nghiệp hiện có trên thị trường (hình 6b).4

Hình 6 (a) Hệ thống siêu âm kết hợp với lò vi sóng gia dụng và (b) Hệ thống vi sóng/siêu

âm đa chế độ.4

Ngoài ra, một số lò phản ứng vi sóng kết hợp siêu âm còn được thết kế thêm hệ thống dòng chảy để phù hợp cho các quy trình tổng hợp tự động (hình 7).4

Hình 7 Hệ thống siêu âm/vi sóng kết hợp phản ứng dòng chảy4

III Kết hợp vi sóng và siêu âm trong tổng hợp hữu cơ

1 Phản ứng Knoevenagel‒Doebner tổng hợp acid 3-arilacrilic 6

Acid cinamic và các dẫn xuất của nó là những chất nền quan trọng trong tổng hợp hữu cơ Thông thường, chúng được tổng hợp từ phản ứng giữa aldehid hương phương và acid malonic (phản ứng Knoevenagel – Doebner) hoặc anhidrid acetic (phản ứng Perkin) Trong đó, Phản ứng Knoevenagel – Doebner được thực hiện trong dung môi hữu cơ là các amin bậc 1 hoặc bậc 2 Tuy nhiên, dung môi hữu cơ được sử dụng trong phản ứng này được xếp hạng cao trong danh sách các hóa chất gây hại vì tính chất dễ bay hơi, độc tính đáng kể và được sử dụng với số lượng lớn cho phản ứng Mặt khác, các amin bậc hai được sử dụng như chất xúc tác trong các quy trình này rất khó thu hồi và thường kéo theo

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trong quá trình xử lý chất thải Do đó, cần phải nghiên cứu để đưa ra các phương pháp mới, chất nền rẻ tiền và các điều kiện thân thiện với môi trường

Năm 2003, Peng và Song đã thực hiện phản ứng Knoevenvagel – Doebner trong dung môi là nước và sử dụng phương pháp vi sóng kết hợp siêu âm Việc kết hợ cà hai phương pháp trên giúp làm giảm được thời gian phản ứng (65 giây) rất nhiều so với gia nhiệt truyền thống (7 giờ) hoặc làm riêng lẽ siêu âm (2,5 giờ) và vi sóng (30 phút) (bảng 1) Bảng 1 So sánh hiệu suất giữa các phương pháp tổng hợp acid cinnamic

2 Phản ứng Mannich tổng hợp β-aminoceton 7

Phản ứng Mannich là một trong những phản ứng quan trọng nhất trong hóa học hữu cơ

Nó là một phương pháp tạo liên kết cacbon‒cacbon hữu ích và được áp dụng rộng rãi như một bước quan trọng trong quá trình tổng hợp nhiều dược phẩm Phản ứng bao gồm các chất nền là formaldehid, một amin và một hợp chất carbonil với dung môi truyền thống là etanol Tuy nhiên, phản ứng vẫn gặp hạn chế do etanol là dung môi dễ bay hơi và dễ cháy Năm 2005, Peng và cộng sự đã thực hiện phản ứng Mannich trong dung môi là nước và trong điều kiện vi sóng kết hợp siêu âm Với phương pháp trên, phản ứng cũng dã rút ngắn được thời gian so với những điều kiện khác đồng thời đã thay dung môi etanol thành nước than thiện với môi trường

Bảng 2 So sánh hiệu suất giữa các phương pháp trong phản ứng Mannich.

3 Phản ứng Williamson tổng hợp ester 8

Phản ứng Williamson là phản ứng rất hữu ích trong tổng hợp hữu cơ vì các sản phẩm có giá trị trong công nghiệp Tổng hợp Williamson sử dụng tác chất và chất nền muối kim loại kiềm của các hợp chất hidroxil và halogenur Các phản ứng này thường được thực hiện bằng cách đun hoàn lưu hỗn hợp phản ứng trong dung môi hữu cơ hoặc với chất xúc tác tác chuyển pha Nhiều năm trước đây đã có báo cáo rằng quá trình tổng hợp Williamson được thúc đẩy bằng cách chiếu xạ siêu âm với sự có mặt của các chất xúc tác chuyển pha Tuy nhiên sự kết hợp giữa vi sóng và siêu âm bên cạnh làm giảm thời gian phản ứng nó cũng không cần sử dụng dung môi hữu cơ lẫn xúc tác chuyển pha như những phương pháp truyền thống Đây được xem như một phương pháp hiệu quả, tiết kiệm và thân thiện với môi trường để tổng hợp nên các eter

Bảng 3 So sánh hiệu suất giữa các phương pháp trong phản ứng Williamson

4 Phản ứng tổng hợp các dẫn xuất của 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol9

Các dẫn xuất khung 4H-pyran được báo cáo có nhiều hoạt tính sinh học quan trọng Trong nghiên cứu về phản ứng tổng hợp hợp chất 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol từ 5-etoxicarbonil-2-amino-4-phenil-3-ciano-6-metil-4H-pyran và hidrazin, nhóm tác giả đã

báo cáo rằng phản ứng trên được thực hiện trong điều kiện vi sóng kết hợp siêu âm đã rút ngắn được thời gian phản ứng cũng như tăng đựơc hiệu suất và thay thế dung môi hữu cơ truyền thống bằng nước Sự thay đổi độ chuyển hóa theo thời gian của các phương pháp được thể hiện ở đồ thị hình 8 Nhận thấy sự kết hợp hai phương pháp cho độ chuyển hóa

100 % chỉ sau chưa đầy một phút, hơn hẳng những phương pháp truyền thống

O

CN

NH2

O EtO

H3C

N2H4 cat piperazin

CN

NH2

N N H

H3C

Hình 8 Sự thay đổi độ chuyển hóa theo thời gian của phản ứng tổng hợp 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol trong điều kiện khuấy từ, vi sóng, siêu âm và vi sóng kết hợp siêu âm

Bên cạnh đó, các dẫn xuất cũng được tổng hợp Tất cả đều cho hiệu suất cao với thời gian

ít hơn 1 phút (bảng 4)

Bảng 4 Hiệu suất cô lập của các dẫn suất 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol và thời gian tổng hợp

nên chúng

5 Phản ứng Suzuki ghép cặp C‒C 10

Các hợp chất biaril có mặt trong rất nhiều hợp chất hữu cơ phổ biến như hợp chất thiên nhiên, dược phẩm, thuốc diệt cỏ, polyme dẫn và vật liệu kết tinh lỏng Do đó, việc phát triển các phản ứng đơn giản và thân thiện với môi trường để ghép cặp aril-aril là một vấn

đề đáng được quan tâm Phản ứng Suzuki tổng hợp nên các hợp chất biaril từ các dẫn xuất của acid arilboronic với aril halogenur từ lâu đã được ứng dụng trong quy mô phòng thí nghiệm lẫn công nghiệp Để làm cho nó thân thiện với môi trường hơn, mục tiêu quan trọng là sử dụng nước làm dung môi và loại bỏ được palladium trên carbon Báo cáo của Cravoto và cộng sự đã thực hiện phản ứng Suzuki bằng phương pháp vi sóng kết hợp siêu

âm cho hiệu suất của phản ứng cao hơn so với tách riêng lẻ ra từng phương pháp (bảng 5) Bên cạnh đó, nhóm tác giả đã nỗ lực giảm việc sử dụng dung môi hữu cơ bằng các thêm nước vào hệ thống

Bảng 5 Hiệu suất của các phản ứng Suzuki trong điều kiện siêu âm, vi sóng và vi sóng

kết hợp siêu âm

6 Phản ứng trans‒ester hóa vi tảo 11

Nhiên liệu sinh học là nguồn năng lượng bền vững hấp dẫn hơn so với nhiên liệu hóa thạch truyền thống khi chúng ta đang phải đối mặt với thách thức ngày càng gia tăng của khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường Vi tảo đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong những năm gần đây như một nguyên liệu đầy hứa hẹn để sản xuất nhiên liệu sinh học do các đặc tính bao gồm tăng trưởng nhanh, hàm lượng lipid cao, hấp thu CO2 và xử

lý nước thải Một trong những phương pháp phổ biến nhất để sản xuất nhiên liệu sinh học

là phản ứng trans‒ester hóa triglycerid (hợp chất lipid trong vi tảo) với sự có mặt của metanol và chất xúc tác Sản phẩm thu được là các metil ester của axit béo được đặt tên là biodiesel và glixerol Dưới sự kích hoạt của vi sóng đồng thời siêu âm, hiệu suất của phản ứng đạt hiệu suất lên đến 90 % chỉ sau 30 phút, cao hơn hẳn khi làm riêng lẽ bằng hai phương pháp (hình 9)

Hình 9 Đồ thị hiệu suất theo thời gian của phản ứng trans‒ester hóa vi tảo bằng ba

phương pháp là vi sóng, siêu âm và si sóng kết hợp siêu âm

IV Kết luận

Vi sóng kết hợp siêu âm có thể được áp dụng một cách đơn giản cho nhiều phản ứng hóa học Phương pháp này giúp làm giảm thời gian phản ứng nhiều lần so với phương pháp truyền thống cũng như tăng hiệu suất phản ứng Bên cạnh đó trong nhiều phản ứng, phương pháp này còn thay thế những dung môi hữu cơ bằng dung môi nước thân thiện với môi trường Tuy nhiên, cho đến nay chỉ có một số nghiên cứu hạn chế mô tả các thí nghiệm được thực hiện song song vi sóng và siêu âm do trở ngại về thiết bị cũng như việc khảo sát các tham số tối ưu của cả hai quá trình Vì vậy, cần nhiều hơn nữa các nghiên cứu về sự kết hợp vi sóng và siêu âm để xác định ưu và nhược điểm của quy trình này trong tổng hợp hữu cơ