Phần Mở Đầu Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh (green solvent) thay thế dung môi hữu cơ thông thường trong phản ứng Knoevenagel và phản ứng Sonogashira. Chủ nhiệm đề tài: Lê Khắc Anh Kỳ Cơ quan chủ trì: Trung Tâm Phát Triển Khoa Học và Công Nghệ Trẻ Thời gian thực hiện đề tài: 12 tháng Kinh phí được duyệt: 80 triệu đồng Kinh phí đã cấp: 61.000 theo TB số: 112/TB-SKHCN ngày 01/11/2011 Mục tiêu: • Nghiên cứu thực hiện phản ứng Sonogashira và phản ứng Knoevenagel trong dung môi xanh là chất lỏng ion - nhằm tiến đến việc 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 trong các phản ứng này. • Góp phần thúc đẩy các nghiên cứu về hóa học xanh ở Việt Nam, là xu thế tất yếu của của ngành hóa học và công nghệ hoá học trên thế giới nhưng vẫn chưa được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam. • Góp phẩn đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học của đội ngũ cán bộ giảng dạy, học viên cao học và sinh viên đại học tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM.
Trực tiếp phục vụ công tác đào tạo đại học, từ đó góp phần nâng cao chất lượng luận văn tốt nghiệp đại học tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Nội dung: Công việc dự kiến Công việc đã thực hiện Điều chế chất lỏng ion 1-alkyl-3- Đã tổng hợp thành công và phân tích methylimidazolium bromide, xác -1- định các đặc trưng của chất lỏng ion cấu trúc của 3 loại chất lỏng ion [BMIM][PF6], [HMIM][PF6], [OMIM][PF6] Nghiên cứu thực hiện phản ứng Đã nghiên cứu thành công sử dụng Knoevenagel trong dung môi xanh là chất lỏng ion làm dung môi cho phản chất lỏng ion ứng Knoevenagel. Nghiên cứu khả năng thu hồi và tái Chất lỏng ion đã được thu hồi và tái sử dụng dung môi chất lỏng ion sử dụng 5 lần. trong phản ứng Knoevenagel. Nghiên cứu thực hiện phản ứng Đã nghiên cứu thành công sử dụng Shonogashira trong dung môi xanh là chất lỏng ion làm dung môi cho phản chất lỏng ion.
Nghiên cứu khả năng thu hồi và tái Chất lỏng ion đã được thu hồi và tái sử dụng dung môi chất lỏng ion sử dụng 5 lần. trong phản ứng Shonogashira. Tổng quan Một lĩnh vực nghiên cứu hiện 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 [1]. Bên cạnh đó, việc thay thế các dung môi hữu cơ truyền thống bằng các dung môi xanh hơn còn liên quan đến vấn đề cải thiện 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.
Một trong các dung môi được xem là xanh hơn so với các dung môi hữu cơ truyền thống đang được nghiên cứu là chất lỏng ion (ionic liquid). Chất lỏng ion được định nghĩa là những chất lỏng chỉ chứa toàn bộ ion mà không có các phân tử trung hòa trong đó [2]. Thường gặp nhất là những muối chứa các cation hữu cơ như tetraalkylammonium, alkylpyridinium, 1,3-dialkylimidazolium, tetraalkylphosphonium. 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 [3]: 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.
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. 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. 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. 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. 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.
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). Hầu hết các chất lỏng ion có thể được lưu trữ trong một thời gian dài mà không bị phân huỷ. 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.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.
-4- R2 R2 R2 cations: N+ P+ S+ R1 R R1 R R1 R3 R4 3 R4 3 + + N R2 N N R1 R anions: BF4-, PF6-, SbF6-, NO3-, (CF3SO3)2N, ArSO3-, CF3CO2-, CH3CO2-, Al2Cl7- Hình 1. 1: Cấu trúc một số chất lỏng ion thường gặp 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-phospor 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 [3].
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. Phần này chỉ giới thiệu một số công trình nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến việc sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh (green solvent) trong tổng hợp hữu cơ. Tác giả Welton đã thực hiện phản ứng Suzuki trong các chất lỏng ion họ imidazolium tetrafluoroborate, với xúc tác phức (CH3CN)PdCl2 và có mặt các ligand cũng là dẫn xuất của imidazole [4]. Kết quả thực nghiệm cho thấy cấu trúc của ligand họ imidazole có ảnh hưởng lớn đến kết quả của phản ứng.
Ví dụ với các ligand là imidazole, 2-methylimidazole, 2-phenylimidazole thì phản ứng hầu như không xảy ra. Trong trường hợp ligand là 1-methylbenzimidazole thì phản ứng đạt hiệu suất 88% trong cùng điều kiện. Phản ứng trong chất lỏng ion còn được so sánh với trường hợp các dung môi hữu cơ thông thường khác như toluene, dioxane, -5- THF … Chỉ riêng với trường hợp phản ứng trong chất lỏng ion thì xúc tác mới có khả năng thu hồi và tái sử dụng được. Sau khi phản ứng kết thúc, sản phẩm và tác chất dư được tách ra bằng cách trích ly với hexane.
Chất lỏng ion chứa xúc tác được rửa nhiều lần bằng nước, sấy khô và tái sử dụng lại năm lần mà hoạt tính không thay đổi đáng kể. Tác giả Sun sử dụng các chất lỏng ion 1-butyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate và 1-ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate làm dung môi cho phản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất của naphthalene boronic acid với một số dẫn xuất chloride của quinoline [5]. Các phản ứng Suzuki của các hợp chất dị vòng này khi thực hiện trong các dung môi hữu cơ thông thường đều cho nhiều sản phẩm phụ từ các phản ứng tự ghép đôi. Nếu thực hiện phản ứng trong các dung môi chất lỏng ion họ imidazolium, phản ứng phụ hầu như không xảy ra và thường chỉ thu được một sản phẩm duy nhất.
Điều này chứng tỏ phản ứng trong chất lỏng ion thuộc loại phản ứng sạch hơn trong trường hợp này. Thường thì phản ứng của các dẫn xuất chloride cho hiệu suất thấp, và phản ứng đòi hỏi một số điều kiện khắc nghiệt. Tuy nhiên hầu hết các phản ứng thực hiện trong nghiên cứu này cho hiệu suất khá tốt. Tác giả Gnaneshwar đã sử dụng dung môi là chất lỏng ion 1-butyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate kết hợp với xúc tác InCl3 cho các phản ứng hình thành liên kết carbon-oxygen [6].
Đây là những phản ứng bảo vệ nhóm chức quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là các quá trình tổng hợp nhiều giai đoạn các hợp chất có cấu trúc phức tạp tương tự như các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên. Phản ứng giữa cinnamyl alcohol với 3,4-dihydro-2H-pyran trong chất lỏng ion sử dụng 5 mol% xúc tác InCl3 ở nhiệt độ thường cho hiệu suất sản phẩm 92%. Tương tự như vậy, rất nhiều hợp chất alcohol có cấu trúc khác nhau chứa các liên kết đôi trong phân tử có thể được chuyển hóa thành các dẫn xuất ether tương ứng bằng quy trình tương tự. Điều kiện phản ứng rất êm dịu, đảm bảo các liên kết đôi trong phân tử không bị polymer hóa hoặc đồng phân hóa, cũng như có thể xảy -6- ra khi có mặt các nhóm chức bảo vệ không bền với acid khác.
Điều này không thể đảm bảo được trong các điều kiện phản ứng thông thường trước đây. Sau khi phản ứng kết thúc, sản phẩm được tách ra bằng cách trích ly với ether, và chất lỏng ion chứa xúc tác được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà không cần phải bổ sung xúc tác.