Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ hiện đại, xu hướng phát triển các quy trình phản ứng đơn giản, dễ vận hành và cho sản phẩm có độ tinh khiết cao đang nhận được sự quan tâm lớn. Phản ứng đa thành phần Biginelli là một trong những phản ứng điển hình đáp ứng các tiêu chí này, cho phép tạo khung cấu trúc 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one (DHPM). Khung hợp chất dị vòng DHPM cùng các dẫn xuất của nó mang nhiều hoạt tính sinh học quan trọng, được ứng dụng trong y dược học như các tác nhân kháng vi khuẩn, kháng virus và chống tăng huyết áp.

Tuy nhiên, các hệ xúc tác truyền thống áp dụng cho phản ứng Biginelli tồn tại một số hạn chế nhất định. Những hệ xúc tác cho điều kiện phản ứng êm dịu (thời gian ngắn, nhiệt độ thấp) thường là xúc tác đồng thể, khó thu hồi và có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Ngược lại, các hệ xúc tác rắn dị thể dễ thu hồi lại đòi hỏi điều kiện phản ứng tương đối khắt khe như nhiệt độ cao hoặc thời gian kéo dài (ví dụ montmorillonite KSF thương mại cần tới 48 giờ ở 130 °C). Hướng tiếp cận sử dụng khoáng sét montmorillonite trao đổi cation kim loại giúp tạo các tâm acid hoạt động nhưng dễ gặp hiện tượng rửa trôi (leaching) cation trong quá trình phản ứng và xử lý sản phẩm. Nhằm giải quyết vấn đề này, giải pháp nung xúc tác montmorillonite đã trao đổi cation ở nhiệt độ thích hợp để chuyển hóa các nhóm hydroxyl bề mặt thành cấu trúc oxide liên kết bền vững, giúp cố định lượng cation trao đổi đã được đề xuất và thực hiện trong khóa luận.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 5 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Khảo sát nhiệt độ nung thích hợp cho xúc tác montmorillonite trao đổi cation với một số muối vô cơ.
  2. Khảo sát khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung.
  3. Tiến hành áp dụng xúc tác đã điều chế trên phản ứng Biginelli để chọn ra xúc tác tốt nhất.
  4. Tối ưu hóa phản ứng Biginelli giữa ba tác chất là 4-methylbenzaldehyde, urea và ethyl acetoacetate dựa trên nền xúc tác đã chọn.
  5. Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác và tổng hợp một số dẫn xuất khác.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là khoáng sét montmorillonite có nguồn gốc từ mỏ đất sét Lâm Đồng (Việt Nam) được hoạt hóa acid, trao đổi cation với các ion kim loại và biến tính nhiệt; cùng phản ứng ngưng tụ đa thành phần Biginelli giữa aldehyde thơm (benzaldehyde và các dẫn xuất thế), urea và ethyl acetoacetate. Phạm vi thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Hóa Hữu cơ (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh) và Phòng thí nghiệm Hóa Đại cương (Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh) trong năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về phản ứng đa thành phần (Multi-Component Reactions - MCR) và phản ứng ngưng tụ Biginelli do Pietro Biginelli phát hiện năm 1893. Cơ chế của phản ứng Biginelli được phân tích qua hai mô hình lý thuyết chính:

  • Cơ chế theo Sweet và Fissekis (1973): Phản ứng mở đầu bằng sự ngưng tụ giữa benzaldehyde và ethyl acetoacetate dưới xúc tác acid tạo thành chất trung gian carbocation dạng carbenium; sau đó carbocation này phản ứng với urea, tiến hành đóng vòng và tách nước để tạo dẫn xuất DHPM.
  • Cơ chế theo De Souza (2009): Giai đoạn đầu xảy ra sự ngưng tụ giữa benzaldehyde và urea dưới tác dụng của acid tạo thành ion trung gian N-acyliminium; tiếp đó trung gian này phản ứng cộng với ethyl acetoacetate, đóng vòng và tách nước tạo thành sản phẩm DHPM. Sự tích tụ lượng urea dư thừa có thể dẫn đến việc tạo thành các sản phẩm phụ cản trở quá trình tạo vòng chính.

Tác giả đã tổng hợp các phương pháp xúc tác phản ứng Biginelli từng được công bố trên thế giới để so sánh hiệu quả:

Hệ xúc tác Điều kiện phản ứng Thời gian Hiệu suất
Chất lỏng ion [cmmim][BF4] / [bmim][BF4] Siêu âm, 30 °C 30 - 70 phút 82 - 95%
Acid trichloroacetic ($20\text{ mol}%$) Không dung môi, 70 °C 4 - 40 phút 85 - 92%
$\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ Chiếu xạ vi sóng (MW) 15 phút 55 - 92%
$\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot3\text{H}_2\text{O}$ Không dung môi, 70 °C 30 - 50 phút 93 - 95%
Montmorillonite KSF Không dung môi, 130 °C 48 giờ 70 - 88%

Về mặt cấu trúc vật liệu, montmorillonite (MMT) là khoáng sét phyllosilicate 2:1 thuộc họ smectite, cấu tạo gồm một tấm bát diện $(\text{Al}, \text{Mg})(\text{O}, \text{OH})_6$ nằm kẹp giữa hai tấm tứ diện $\text{SiO}_4$. Do sự thay thế đồng hình $\text{Si}^{4+}$ bằng $\text{Al}^{3+}$ ở lớp tứ diện và $\text{Al}^{3+}$ bằng $\text{Mg}^{2+}$ hoặc $\text{Fe}^{2+}$ ở lớp bát diện, mạng lưới mang điện tích âm và được cân bằng bởi các cation trao đổi $(\text{Na}^+, \text{K}^+, \text{Ca}^{2+}, \text{Ba}^{2+})$ ở khoảng giữa các lớp với dung lượng trao đổi cation (CEC) từ $80 - 140\text{ meq}/100\text{ g}$. MMT sở hữu đồng thời các tâm acid Lewis (tạo bởi ion $\text{Al}^{3+}, \text{Mg}^{2+}$) và tâm acid Brønsted (tạo bởi các nhóm hydroxyl $-\text{OH}$ trên bề mặt và nước liên kết).

Quy trình thực nghiệm được triển khai tuần tự theo các giai đoạn:

  1. Tinh chế montmorillonite Lâm Đồng: Đất sét thô phân tán trong nước ở nồng độ 4%, bổ sung dung dịch $(\text{NaPO}_3)_6$ 5% theo tỷ lệ $5\text{ mL} / 20\text{ g}$ đất sét, khuấy 24 giờ và thu huyền phù theo định luật sa lắng Stokes, sấy khô và rây qua rây 80 mesh (ký hiệu LDTC).
  2. Hoạt hóa acid: Khuấy 10 g LDTC với $200\text{ mL}$ dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ 30% ở 70 °C trong 4 giờ, lọc rửa bằng phễu Büchner đến khi không còn ion $\text{SO}_4^{2-}$ (kiểm tra bằng dung dịch $\text{BaCl}_2$ 1M), sấy ở 110 °C và nghiền rây qua 80 mesh (ký hiệu LD30).
  3. Trao đổi cation: Cho 3 g LD30 vào $100\text{ mL}$ dung dịch muối kim loại 1M ($\text{Na}^+, \text{Ni}^{2+}, \text{Mg}^{2+}, \text{Cu}^{2+}, \text{Zn}^{2+}, \text{Co}^{2+}, \text{Cr}^{3+}, \text{Al}^{3+}, \text{Fe}^{3+}$), khuấy từ 5 giờ ở nhiệt độ phòng, lọc, rửa sạch, sấy khô tạo xúc tác $\text{M}^{n+}_\text{Mont}$.
  4. Nung biến tính: Nung $\text{M}^{n+}_\text{Mont}$ ở các mức nhiệt độ 100 °C, 200 °C, 300 °C, 400 °C và 500 °C tạo xúc tác $\text{M}^{n+}_\text{Mont_nung}$ (ở 300 °C ký hiệu là $\text{M}^{n+}_\text{M300}$).
  5. Phân tích và định danh: Thành phần khoáng sét được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Sản phẩm tổng hợp được kiểm tra độ sạch và cấu trúc thông qua điểm nóng chảy ($T_\text{nc}$), phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$, 500 MHz, dung môi $\text{DMSO-}d_6$) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân carbon ($^{13}\text{C-NMR}$, 125 MHz, dung môi $\text{DMSO-}d_6$).

Nội dung chính theo từng chương

4.1 Xác định thành phần khoáng sét của đất sét Lâm Đồng

Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu đất sét tinh chế Lâm Đồng cho thấy sự xuất hiện đặc trưng của 4 loại khoáng sét chính với vị trí góc quét $2\theta$:

  • Montmorillonite: $2\theta = 6 - 7^\circ$
  • Illite: $2\theta = 9^\circ$
  • Kaolinite: $2\theta = 12,5^\circ$
  • Quartz: $2\theta = 27^\circ$

Kết quả khẳng định mẫu đất sét Lâm Đồng sau tinh chế chứa thành phần chính là montmorillonite, đủ điều kiện làm vật liệu nền để tiến hành hoạt hóa và gắn cation kim loại.

4.2 Tổng hợp 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM) và tối ưu hóa điều kiện phản ứng

Nội dung này tập trung tuyển chọn cation kim loại, khảo sát nhiệt độ nung và tối ưu hóa 5 thông số phản ứng ngưng tụ giữa 4-methylbenzaldehyde (2 mmol), ethyl acetoacetate (2 mmol) và urea (2 mmol) trong điều kiện không dung môi:

Tuyển chọn cation kim loại: Khảo sát trên 9 mẫu xúc tác $\text{M}^{n+}_\text{M300}$ (nung ở 300 °C) ở điều kiện 100 °C trong 120 phút, lượng xúc tác 100 mg:

Mẫu xúc tác Cation kim loại Hiệu suất phản ứng (%)
Mẫu đối chứng Không sử dụng xúc tác 20
$\text{Na}^+_\text{M300}$ $\text{Na}^+$ 29
$\text{Ni}^{2+}_\text{M300}$ $\text{Ni}^{2+}$ 33
$\text{Mg}^{2+}_\text{M300}$ $\text{Mg}^{2+}$ 32
$\text{Cu}^{2+}_\text{M300}$ $\text{Cu}^{2+}$ 35
$\text{Zn}^{2+}_\text{M300}$ $\text{Zn}^{2+}$ 36
$\text{Co}^{2+}_\text{M300}$ $\text{Co}^{2+}$ 40
$\text{Cr}^{3+}_\text{M300}$ $\text{Cr}^{3+}$ 36
$\text{Al}^{3+}_\text{M300}$ $\text{Al}^{3+}$ 36
$\text{Fe}^{3+}_\text{M300}$ $\text{Fe}^{3+}$ 31

Mẫu xúc tác $\text{Co}^{2+}_\text{M300}$ cho hiệu suất ban đầu cao nhất (40%), do đó được lựa chọn để tiếp tục khảo sát.

Khảo sát nhiệt độ nung và khả năng tái sử dụng lần 1: Xúc tác $\text{Co}^{2+}_\text{Mont}$ được nung ở các nhiệt độ khác nhau, thử nghiệm phản ứng ở 100 °C trong 150 phút (100 mg xúc tác):

Nhiệt độ nung (°C) Hiệu suất ban đầu (%) Hiệu suất tái sử dụng lần 1 (%)
100 65 51
200 69 53
300 58 57
400 50 Chưa khảo sát
500 46 Chưa khảo sát

Mặc dù nung ở 200 °C cho hiệu suất ban đầu cao hơn (69%), nhưng khả năng duy trì hoạt tính khi tái sử dụng sụt giảm đáng kể (từ 69% xuống 53%). Ở 300 °C, hiệu suất ban đầu đạt 58% và khi tái sử dụng lần 1 đạt 57% (gần như không đổi). Mức nung 300 °C giúp cố định ion $\text{Co}^{2+}$ hiệu quả trên bề mặt oxide của MMT, do đó $\text{Co}^{2+}_\text{M300}$ được chọn làm xúc tác chuẩn cho các khảo sát tiếp theo.

Tối ưu hóa các thông số phản ứng:

  • Thời gian phản ứng (90 đến 360 phút): Hiệu suất tăng dần từ 29% (90 phút) lên đỉnh 63% tại 270 phút. Khi kéo dài thời gian lên 300 - 360 phút, hiệu suất suy giảm (còn 38 - 50%). Chọn 270 phút.
  • Nhiệt độ phản ứng (80 đến 120 °C): Hiệu suất đạt cực đại 63% ở 100 °C (so với 42% ở 80 °C, 49% ở 90 °C, 51% ở 110 °C và 35% ở 120 °C do chất phản ứng hoặc sản phẩm bị phân hủy nhiệt một phần). Chọn 100 °C.
  • Tỉ lệ mol tác chất (4-methylbenzaldehyde : ethyl acetoacetate : urea = 1 : 2 : 3): Tăng đơn lẻ aldehyde (1,5 : 1 : 1 đạt 69%) hoặc ethyl acetoacetate (1 : 1,5 : 1 đạt 70%) đều làm tăng nhẹ hiệu suất so với tỉ lệ 1 : 1 : 1 (63%). Tăng tỉ lệ urea làm giảm hiệu suất (1 : 1 : 1,5 còn 58%) do tạo sản phẩm phụ theo cơ chế De Souza. Khi tăng đồng thời cả aldehyde và ethyl acetoacetate lên tỉ lệ 1,5 : 1,5 : 1, hiệu suất tăng vọt lên 82%. Chọn tỉ lệ 1,5 : 1,5 : 1.
  • Khối lượng xúc tác (50 đến 250 mg trên 2 mmol tác chất): Hiệu suất tăng liên tục từ 79% (50 mg) lên 92% (200 mg). Dùng lượng xúc tác cao hơn (225 mg và 250 mg) làm hiệu suất giảm nhẹ xuống 82 - 83% do xúc tác rắn cản trở sự tiếp xúc pha của hỗn hợp phản ứng.

Tập hợp điều kiện tối ưu: Xúc tác $\text{Co}^{2+}_\text{M300}$, nhiệt độ 100 °C, thời gian 270 phút, tỉ lệ mol tác chất 1,5 : 1,5 : 1 (aldehyde : ester : urea), khối lượng xúc tác 200 mg trên 2 mmol phản ứng, không sử dụng dung môi.

4.3 Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác và 4.4 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM

Áp dụng điều kiện tối ưu, độ bền hoạt tính của xúc tác $\text{Co}^{2+}_\text{M300}$ được kiểm tra qua 3 chu kỳ tái sử dụng:

Số lần tái sử dụng Hiệu suất tổng hợp DHPM (%)
Lần 0 (ban đầu) 92
Lần 1 92
Lần 2 85
Lần 3 82

Xúc tác giữ được hiệu suất trên 80% sau 3 lần tái sinh bằng cách lọc nóng, rửa ethanol nóng và sấy ở 110 °C.

Áp dụng quy trình trên để tổng hợp 7 dẫn xuất DHPM có nhóm thế khác nhau trên vòng benzen của aldehyde:

Ký hiệu Nhóm thế R Hiệu suất ở 180 phút (%) Hiệu suất ở 270 phút (%) Hiệu suất ở 360 phút (%) $T_\text{nc}$ thực nghiệm (°C) $T_\text{nc}$ tham khảo (°C)
Bi-1 $-\text{H}$ Chưa làm 88 94 205 - 207 206 - 208
Bi-2 $4-\text{CH}_3$ 47 92 50 213 - 215 214 - 216
Bi-3 $3-\text{F}$ Chưa làm 71 94 206 - 209 208 - 210
Bi-4 $4-\text{F}$ 32 41 39 181 - 183 182 - 184
Bi-5 $3-\text{Cl}$ 58 79 66 191 - 193 192 - 193
Bi-6 $4-\text{Cl}$ Chưa làm 60 70 214 - 216 215 - 216
Bi-7 $4-\text{OCH}_3$ 56 78 78 200 - 202 201 - 202

5. Định danh sản phẩm

Cấu trúc hóa học của 7 dẫn xuất được xác định đầy đủ thông qua nhiệt độ nóng chảy và phổ NMR:

  • Bi-1 (5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-4-phenyl-3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one): $^1\text{H-NMR}$ xuất hiện tín hiệu triplet $\delta = 1,06 - 1,09\text{ ppm}$ ($J = 7\text{ Hz}, 3\text{H}, \text{H5c}$), singlet $\delta = 2,23\text{ ppm}$ ($3\text{H}, \text{H6a}$), quartet $\delta = 3,95 - 3,99\text{ ppm}$ ($J = 7\text{ Hz}, 2\text{H}, \text{H5b}$), doublet $\delta = 5,13 - 5,14\text{ ppm}$ ($J = 3,5\text{ Hz}, 1\text{H}, \text{H4}$), multiplet vòng thơm $\delta = 7,20 - 7,32\text{ ppm}$ ($5\text{H}$) và 2 mũi singlet nhóm $\text{N-H}$ tại $\delta = 7,69\text{ ppm}$ và $9,14\text{ ppm}$. $^{13}\text{C-NMR}$ ghi nhận tín hiệu $\text{C=O}$ ester tại $\delta = 165,31\text{ ppm}$ ($\text{C5a}$), $\text{C=O}$ urê tại $\delta = 152,09\text{ ppm}$ ($\text{C2}$), $\text{C6}$ tại $\delta = 148,29\text{ ppm}$, $\text{C5}$ tại $\delta = 99,28\text{ ppm}$ và $\text{C4}$ tại $\delta = 53,95\text{ ppm}$.
  • Bi-2 (dẫn xuất $4-\text{CH}_3$): Thêm tín hiệu singlet của nhóm methyl gắn vòng thơm tại $\delta = 2,27\text{ ppm}$ ($3\text{H}$) trên phổ $^1\text{H-NMR}$ và tín hiệu carbon $\delta = 21,10\text{ ppm}$ trên $^{13}\text{C-NMR}$; proton vòng thơm chẻ thành 1 tín hiệu tại $\delta = 7,10\text{ ppm}$ ($4\text{H}$).
  • Bi-3 (dẫn xuất $3-\text{F}$) và Bi-4 (dẫn xuất $4-\text{F}$): Phổ $^{13}\text{C-NMR}$ thể hiện rõ sự ghép spin-spin giữa hạt nhân fluorine ($^{19}\text{F}$) và carbon ($^{13}\text{C}$). Với Bi-3, carbon gắn trực tiếp với fluorine ($\text{C4c}$) có độ dịch chuyển $\delta = 161,59 - 163,53\text{ ppm}$ với hằng số ghép rất lớn $J = 242,38\text{ Hz}$. Với Bi-4, carbon $\text{C4d}$ xuất hiện tại $\delta = 160,81 - 162,75\text{ ppm}$ ($J = 241,5\text{ Hz}$), các carbon lân cận $\text{C4c, C4e}$ tại $\delta = 115,50 - 115,67\text{ ppm}$ ($J = 21,2\text{ Hz}$) và $\text{C4b, C4f}$ tại $\delta = 128,68 - 128,74\text{ ppm}$ ($J = 8,2\text{ Hz}$).
  • Bi-5 ($3-\text{Cl}$) và Bi-6 ($4-\text{Cl}$): Nhóm thế chloro làm thay đổi độ chắn của các proton và carbon trên nhân thơm; Bi-6 xuất hiện 2 mũi doublet đặc trưng cho hệ vòng thơm đối xứng para tại $\delta = 7,22 - 7,24\text{ ppm}$ ($J = 8,3\text{ Hz}, 2\text{H}$) và $7,36 - 7,38\text{ ppm}$ ($J = 8,3\text{ Hz}, 2\text{H}$).
  • Bi-7 (dẫn xuất $4-\text{OCH}_3$): Ghi nhận mũi singlet của nhóm methoxy $-\text{OCH}_3$ tại $\delta = 3,70\text{ ppm}$ ($3\text{H}$) trên $^1\text{H-NMR}$ và $\delta = 55,53\text{ ppm}$ trên $^{13}\text{C-NMR}$.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung nghiên cứu thực nghiệm với những kết quả định lượng cụ thể:

  1. Xác định được khoáng sét Lâm Đồng sau tinh chế chứa thành phần chính là montmorillonite, đi kèm illite, kaolinite và quartz thông qua phổ XRD.
  2. Thiết lập quy trình biến tính montmorillonite Lâm Đồng bằng hoạt hóa $\text{H}_2\text{SO}_4$ 30% kết hợp trao đổi cation $\text{Co}^{2+}$ và nung ở 300 °C ($\text{Co}^{2+}_\text{M300}$), giúp cố định ion kim loại trên khung sét silicate.
  3. Xác lập bộ thông số tối ưu cho phản ứng Biginelli không dung môi: xúc tác $\text{Co}^{2+}_\text{M300}$ (200 mg/2 mmol tác chất), 100 °C, 270 phút, tỉ lệ mol tác chất 1,5 : 1,5 : 1 (aldehyde : ester : urea), đạt hiệu suất 92% đối với dẫn xuất 4-methyl.
  4. Chứng minh khả năng tái sử dụng của xúc tác $\text{Co}^{2+}_\text{M300}$ qua 3 chu kỳ liên tiếp với hiệu suất đều duy trì trên 80% (lần 0: 92%, lần 1: 92%, lần 2: 85%, lần 3: 82%).
  5. Tổng hợp và định danh cấu trúc thành công 7 dẫn xuất DHPM (Bi-1 đến Bi-7) với hiệu suất tối đa dao động từ 41% đến 94%, cấu trúc phổ $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$ và nhiệt độ nóng chảy hoàn toàn trùng khớp với các công bố quốc tế.

So với các nghiên cứu trước đó, đề tài đóng góp một giải pháp xúc tác dị thể mới tận dụng nguồn khoáng sét tự nhiên trong nước (Lâm Đồng), rút ngắn thời gian phản ứng từ 48 giờ (của montmorillonite KSF thương mại) xuống còn 4,5 giờ trong điều kiện không dùng dung môi hữu cơ độc hại, đồng thời khắc phục triệt để hiện tượng rửa trôi ion kim loại thường gặp ở các xúc tác trao đổi cation chưa nung.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số mặt hạn chế và đề xuất hai định hướng phát triển tiếp theo từ nội dung thực nghiệm:

  • Mở rộng thư viện dẫn xuất: Tiến hành tổng hợp thêm các dẫn xuất DHPM gắn các dị vòng hoặc nhóm thế có dược tính quan trọng hơn phục vụ thử nghiệm hoạt tính sinh học sâu.
  • Khảo sát phạm vi xúc tác: Tiến hành thử nghiệm và đánh giá khả năng xúc tác của vật liệu $\text{Co}^{2+}_\text{Mont_nung}$ trên các loại phản ứng tổng hợp hữu cơ đa thành phần khác ngoài phản ứng Biginelli.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn thiết thực cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc chuyên ngành Hóa Hữu cơ, Công nghệ Hóa học và Hóa dầu quan tâm đến lĩnh vực hóa học xanh (Green Chemistry), phản ứng tổng hợp đa thành phần không dung môi.
  • Người làm đề tài nghiên cứu biến tính khoáng sét tự nhiên tại Việt Nam (Bentonite/Montmorillonite) làm vật liệu xúc tác rắn acid dị thể.
  • Phần quy trình thực nghiệm tinh chế sét sa lắng, quy trình trao đổi cation - nung nhiệt và bộ số liệu quy kết phổ NMR ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, hằng số ghép $J_{\text{C-F}}$) của 7 hợp chất DHPM là tài liệu đối sánh tin cậy cho các nghiên cứu tổng hợp dị vòng pyrimidine.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mẫu xúc tác nung ở 300 °C ($\text{Co}^{2+}_\text{M300}$) lại được chọn thay vì nung ở 200 °C dù ở 200 °C cho hiệu suất ban đầu cao hơn? Ở nhiệt độ nung 200 °C, hiệu suất phản ứng ban đầu đạt 69% nhưng khi tái sử dụng lần 1 bị giảm mạnh xuống còn 53%. Trong khi đó, mẫu nung ở 300 °C cho hiệu suất ban đầu 58% và tái sử dụng lần 1 vẫn đạt 57%. Nhiệt độ 300 °C giúp chuyển hóa các nhóm hydroxyl bề mặt thành liên kết oxide bền, giữ cố định lượng cation $\text{Co}^{2+}$ tốt hơn, ngăn ngừa sự hao hụt xúc tác khi thu hồi và tái sử dụng.

2. Tại sao việc tăng lượng urea trong phản ứng lại làm giảm hiệu suất tổng hợp DHPM? Theo cơ chế phản ứng do De Souza đề xuất, phản ứng xảy ra qua giai đoạn tạo trung gian $N$-acyliminium giữa aldehyde và urea trước khi phản ứng với ethyl acetoacetate. Khi lượng urea dư thừa quá nhiều, nó có xu hướng phản ứng tạo thành các sản phẩm trung gian phụ khác, gây cản trở quá trình đóng vòng tạo sản phẩm chính DHPM. Do đó tỉ lệ tối ưu được xác định là dư aldehyde và ester so với urea (1,5 : 1,5 : 1).

3. Khác biệt cơ bản giữa cơ chế phản ứng Biginelli theo Sweet - Fissekis và De Souza là gì? Cơ chế Sweet - Fissekis (1973) cho rằng phản ứng ngưng tụ đầu tiên xảy ra giữa aldehyde và ethyl acetoacetate để tạo carbocation rồi mới tác dụng với urea. Ngược lại, cơ chế De Souza (2009) chứng minh phản ứng khởi đầu bằng sự kết hợp giữa aldehyde và urea tạo ion $N$-acyliminium, sau đó phân tử ethyl acetoacetate mới tấn công vào trung gian này để đóng vòng.

4. Vì sao trên phổ $^{13}\text{C-NMR}$ của chất Bi-3 và Bi-4 lại xuất hiện nhiều mũi tín hiệu bị tách chẻ đôi (doublet)? Hạt nhân fluorine ($^{19}\text{F}$) có spin hạt nhân $I = 1/2$, tương tác ghép spin-spin với các hạt nhân carbon ($^{13}\text{C}$) trên vòng benzen. Carbon liên kết trực tiếp với fluorine ($\text{C4c}$ ở Bi-3 hoặc $\text{C4d}$ ở Bi-4) bị tách chẻ với hằng số ghép $J_{\text{C-F}}$ lớn nhất ($241,5 - 242,38\text{ Hz}$). Các carbon ở vị trí ortho, meta, para càng xa nguyên tử fluorine thì cường độ tương tác ghép càng giảm, dẫn đến các hằng số ghép $J$ nhỏ dần ($21,2\text{ Hz}$; $8,2\text{ Hz}$; $3,0\text{ Hz}$).

5. Xúc tác $\text{Co}^{2+}_\text{M300}$ được thu hồi và tái sinh sau phản ứng bằng cách nào? Sau khi phản ứng kết thúc, hỗn hợp sản phẩm được hòa tan trong ethanol nóng và lọc nóng để tách riêng bã xúc tác rắn. Phần xúc tác thu hồi được rửa lại nhiều lần bằng ethanol nóng nhằm loại bỏ hoàn toàn các hợp chất hữu cơ bám dính, sấy khô ở 110 °C và nghiền mịn qua rây 80 mesh trước khi nạp vào mẻ phản ứng mới.

Kết luận

Khóa luận đã chế tạo thành công xúc tác rắn acid dị thể $\text{Co}^{2+}_\text{M300}$ từ nguồn khoáng sét montmorillonite tự nhiên Lâm Đồng qua các công đoạn hoạt hóa acid $\text{H}_2\text{SO}_4$ 30%, trao đổi cation $\text{Co}^{2+}$ và nung biến tính ở 300 °C. Hệ xúc tác này hoạt động hiệu quả trong phản ứng tổng hợp Biginelli không dung môi ở 100 °C trong 270 phút, đạt hiệu suất 92% và có khả năng tái sử dụng tốt qua 3 chu kỳ liên tiếp với hiệu suất trên 80%. Đề tài đã tổng hợp và xác định chính xác cấu trúc hóa học của 7 dẫn xuất 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one bằng các phương pháp hóa lý hiện đại, khẳng định tiềm năng ứng dụng của khoáng sét biến tính trong hóa học tổng hợp hữu cơ thân thiện với môi trường.