Nghiên cứu về xúc tác acid silica sulfuric trong tổng hợp hóa học

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp hóa học acidsilica sulfuric xúc tác phản ứng ngưng tụ ba thành phần giữa aldehyde β, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Vũ Ngọc Lan Chi
• Người hướng dẫn: Th.S Phạm Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Tp.HCM
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Acid Silica Sulfuric Xúc Tác Phản Ứng Ngưng Tụ Ba Thành Phần Giữa Aldehyde, p-Naphthol Và Cyclohexane-1,3-Dione
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về chất xúc tác
• 1.2. Các phản ứng đã sử dụng SSA trên thế giới
• 1.2.1. Tổng hợp dẫn xuất Indazole
• 1.2.2. Phản ứng formyl hóa rượu bằng cách sử dụng ethyl formate dưới điều kiện không đồng nhất
• 1.2.3. Phản ứng acetyl hóa rượu trong điều kiện không dung môi
• 1.3. Phản ứng đa thành phần
• 1.3.1. Khái niệm
• 1.3.2. Ưu điểm
• 1.3.3. Giới thiệu phản ứng
• 1.4. Sử dụng ZrOCl3·8H2O làm chất xúc tác
• 1.5. Sử dụng HClO4-SiO2 làm chất xúc tác
• 1.6. Sử dụng tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Điều chế xúc tác
• 2.3. Điều chế xanthene
• 2.4. Quá trình tối ưu hóa

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phản ứng xúc tác acid silica sulfuric

Nghiên cứu về xúc tác acid silica sulfuric (SSA) đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong tổng hợp hóa học. SSA là một chất xúc tác linh hoạt, tiết kiệm và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng SSA trong các phản ứng hóa học không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu sản phẩm phụ không mong muốn. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các ứng dụng và lợi ích của SSA trong tổng hợp hóa học.

1.1. Đặc điểm và cấu trúc của acid silica sulfuric

Acid silica sulfuric là một chất xúc tác mạnh, được tạo ra từ sự kết hợp giữa silica gel và acid chlorosulfonic. Chất xúc tác này có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều phản ứng hóa học, đặc biệt là trong các phản ứng đa thành phần.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của SSA

SSA đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hóa học. Các nghiên cứu trước đây cho thấy SSA có thể thay thế các chất xúc tác độc hại khác, mang lại hiệu quả cao hơn trong nhiều phản ứng tổng hợp.

II. Thách thức trong việc sử dụng xúc tác acid silica sulfuric

Mặc dù xúc tác acid silica sulfuric mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình sử dụng. Các vấn đề như hiệu suất thấp trong một số phản ứng và sự cần thiết phải tối ưu hóa điều kiện phản ứng là những yếu tố cần được xem xét. Việc hiểu rõ các thách thức này sẽ giúp cải thiện quy trình tổng hợp và nâng cao hiệu quả của SSA.

2.1. Hiệu suất thấp trong một số phản ứng

Một số phản ứng sử dụng SSA vẫn gặp khó khăn trong việc đạt được hiệu suất tối ưu. Điều này có thể do nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng và tỷ lệ các chất tham gia.

2.2. Cần tối ưu hóa điều kiện phản ứng

Để nâng cao hiệu suất của các phản ứng, việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng là rất cần thiết. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh nhiệt độ và tỷ lệ xúc tác có thể cải thiện đáng kể kết quả.

III. Phương pháp tổng hợp sử dụng xúc tác acid silica sulfuric

Phương pháp tổng hợp với xúc tác acid silica sulfuric đã được áp dụng trong nhiều phản ứng hóa học khác nhau. Các nghiên cứu cho thấy rằng SSA có thể được sử dụng hiệu quả trong các phản ứng như phản ứng ngưng tụ, phản ứng ester hóa và phản ứng alkyl hóa. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu chất thải.

3.1. Phản ứng ngưng tụ giữa aldehyde và naphthol

Phản ứng ngưng tụ giữa aldehyde và naphthol sử dụng SSA đã cho thấy hiệu suất cao. Quá trình này diễn ra nhanh chóng và hiệu quả, tạo ra sản phẩm mong muốn với ít sản phẩm phụ.

3.2. Phản ứng ester hóa với acid silica sulfuric

Phản ứng ester hóa là một trong những ứng dụng nổi bật của SSA. Việc sử dụng SSA trong phản ứng này giúp tăng tốc độ phản ứng và cải thiện hiệu suất tổng hợp.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của SSA

Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy xúc tác acid silica sulfuric có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của nhiều phản ứng hóa học. Các ứng dụng thực tiễn của SSA đã được chứng minh trong nhiều lĩnh vực, từ tổng hợp dược phẩm đến sản xuất hóa chất công nghiệp. Việc áp dụng SSA không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.1. Ứng dụng trong tổng hợp dược phẩm

SSA đã được sử dụng trong tổng hợp nhiều hợp chất dược phẩm quan trọng. Việc áp dụng SSA giúp tăng tốc độ tổng hợp và giảm thiểu chất thải trong quá trình sản xuất.

4.2. Kết quả nghiên cứu về hiệu suất phản ứng

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng SSA có thể đạt được hiệu suất lên đến 90% trong một số phản ứng. Điều này chứng tỏ tiềm năng lớn của SSA trong tổng hợp hóa học.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu SSA

Nghiên cứu về xúc tác acid silica sulfuric đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực tổng hợp hóa học. Với những lợi ích vượt trội, SSA hứa hẹn sẽ trở thành một trong những chất xúc tác quan trọng trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển SSA sẽ giúp tối ưu hóa quy trình tổng hợp và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về SSA sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu phát triển các phương pháp tổng hợp mới và hiệu quả hơn. Các nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chất thải trong quá trình sản xuất.

5.2. Tác động đến môi trường và kinh tế

Việc sử dụng SSA không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Điều này sẽ góp phần vào việc phát triển bền vững trong ngành hóa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng Quan See Vii Ngoc Lan Chi 8 Khóa luận tốt nghiệ Th.1 Giới thiệu về chất xúc tác 1.1 Các phan ứng đã sử dung SSA trên thé giới 1.1 Tống hợp dẫn xuất Indazole'” Phương trình phản ứng: R, R. R : _ SSA , Ñ h NH,-NH, —————*®> Va Ry On = hị R,=H, CH, Hình 1: So đề phản ứng tổng hợp dẫn xuất Indazole Cách tiến hảnh: Cho andehydethomo-hydroxy hoặc acetophenone và hydrazine hydrate trong DMSO với một lượng các chất xúc tác khác nhau được sử dụng: CsF, TBAF, iodine, SSA được khuấy ở nhiệt độ phòng. với thời gian phan img khác nhau, quá trình phan img được theo ddi bằng phương pháp sắc kí lớp mỏng. Kết quả thu được khi cho các chất phản ứng tác dụng lần lượt các chất xúc tác khác nhau được trình bay ở bảng |.

Vũ Ngọc Lan Chi 9 Khóa luận tốt nghiệp Th.S Phạm Đức Dũng Bảng 1: Phản ứng sử dụng các chất xúc tác khác nhau LG | Id EEE oe | | ee ae = |e sn er ae | Sau đó tiến hành trộn salicylaldehyde 1,22 mg (10 mmol), hydrazine hydrate | mg (20 mmol) và xúc tac SSA 0,158 mg (1 mmol) trong DMSO (5 ml) được khuấy trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng. Phản ứng được theo dõi bởi sắc ki lớp mỏng, hon hop duge lam lạnh và tiếp tục khuấy trong 30 phút, sau đó hỗn hợp được chiết với diethyl ether (3x10 ml).sau đó được kết tinh lại trong ethanol. Người ta tiến hành phản ứng như trên với dẫn xuất của 3-methyl, 3-methyl-6- methoxy, 3-methyl-4,6-dimethoxy, 3,5-dimethy]. Người ta tiến hành phản ửng với chất xúc tác SSA với các dẫn xuất khác nhau kết quả thu được được trình bảy trong bảng 2.

Vũ Ngọc Lan Chỉ 10 Khỏa luận tốt nghiệ Th.S Pham Đức Din 1.2 Phan ứng formyl hóa rượu bằng cách sử dung ethyl formate đưới điều kiện không đông nhat ? Phương trình phản ứng: O O A SSA ROH + SS R EO oH = i Hình 2: Sơ đồ phản ứng formyl hóa của rượu Cách tiền hành: Người ta tiến hành formyl hóa rượu với lần lượt các chất xúc tác khác nhau:Fe(HSO,)›, Ca(HSO,);. MgCl), SSA trong ethyl formate (3ml) trong các điều kiện không đồng nhất. Kết quả thu được khi tiến hành phản ứng formyl hóa rượu với các chất xúc tác khác nhau được trình bảy trong bảng 3. Bang 3: Phản ứng formylhóa củabenzyl alcoholtrongethylformate với các chất xúc táckhác nhau ở nhiệt độphòng.

Chat xúc tác = | a | a ae ST oe 4 | SSA | R.n Nhiệt độ phòng HH. Ngay lập tức Vũ Ngoc Lan Chi II Khóa luận tốt nghiệp Th.S Pham Đức Dũng Xúc tác SSA được thêm vao ethyl formate (3 ml) và hỗn hợp được khuấy trong vài phút.sau đó thêm PhCH;OH va khuấy ở nhiệt độ phong.Qua trình phản img được theo di bởi phương pháp sắc kí lớp mỏng. Sau khi phản ứng kết thúc, hỗn hợp được lọc ra và thêm 10 ml H;O với 10 ml CH;C! vào phan dung dich.Pha hữu cơ được tách ra, sản pham thu được bằng cách loại bỏ dung môi trong điều kiện áp suất kém. Tién hành phan ứng như trên với các dẫn xuất của alcohol: cyclohexyl, 4-FPhCH;, menthy! đã thu được hiệu suất cao.

Kết quả thu được khi tiến hành phản ứng với các dẫn xuất khác nhau sử dụng xúc tác SSA được trình bảy trong bảng 4. Bang 4: Phản ứng với các dẫn xuất của alcohol sử dụng xúc tác SSA ở nhiệt độ phòng _== Tu pm Hiệu suât (%) HI nll eens LS 90 x | ae | eae | Oc Rand X— 1.3 Phản ứng acetyl hóa rượu trong điều kiện không dung moi”! Phương trình phản ứng: (CH;CO);O/ SSA ROH ——————» _ RCOCH, Solvent free, r.t Hình 3: Sơ đồ phản ứng acetyl hóa rượu Vũ Ngọc Lan Chi 12 Khóa luận tốt nghiệ Th.S Phạm Đức Dũn Cách tiễn hành: Trộn đều hỗn hợp củarượu(Immol), acetic anhydride(I.05g), khuẩyở nhiệt độphòng. Phản img đượctheo đổi bởiphương pháp sắc kí lớp monghoacphuong pháp sắc kí khi. Sau khi hoàn thanhphan ửng.

Hin hợp nảy được chiết bằng CH;Cl; (2xl0ml ). Lớp hữu cơđượctách ra. rửa sạch bangNaHCO, bão héa(2* 12ml)và H;O (7 ml) sau đólàm khan H;O bang MgSO, khan. Người ta tiến hành phan ứng với các dẫn xuất của alcohol như: C„H„CH;OH, 2- CIC,H„CH;OH.

2-BrC,H,CH;OH, 3-NO;C,H„CH;OHkết quả thu được hiệu suất cao. Kết quả thu được khi tiến hành phản ứng với các dẫn xuất của alcohol được trình bay trong bang 5. Bang 5: Phan ứng với các dẫn xuất của rượu khi sử dụng xúc tac SSA [1 | Gdemon | + — [ah 2 |2eeduehon| + — |mm | 3 |zmeaehon|3 — |nm | + |>NOcuaemom| s — [mm 1.2 Phản ứng đa thành phần 1.1 Khái niệm! Phản ứng đa thành phần (multi-component reaction, MCR) là một phản ứng hóahọc có từ 3 tác chất trở lên cùng tham gia trong một quá trình (one-pot operation) gồmnhiều giai đoạn dé tạo thành sản phẩm chứa đựng hau hết các nguyên tử của các nguyênliệu ban dau. Vũ Ngọc Lan Chi 13 Khóa luận tốt nghiệp Th.S Phạm Đức Dũng Phan img đa thành phan có khả năng tạo thành các phân tử phức tạp với sự đơngiản va ngắn gọn nhất.

Một lợi ich điển hình của phản ứng này 1a để dang thu được sanpham tỉnh khiétvi hau hết tác chất ban đầu đều được kết hợp tạo thanh sản phẩm cuối.2 Ưu diem!” Thời gian phản img ngăn hơn. VWV Hiệu suất cao. Vv Tổng hợp được các hợp chất có hoạt tính sinh học. Tuân thủ các nguyên tắc hóa học xanh.

vv Hạn chế 6 nhiễm môi trường. Vv Giam thiéu chi phi san xuat.3 Giới thiệu phản ứng 1.1 Phương trình phản ứng —R CHO OH SG oO R-- * 2 ————->+- 80°%C te) Hình 4: So đồ phản ứng tổng hợp xanthen 1.2 Cơ chế phản ứng!""! Dau tiên aldehyde tác dụng với ion H” của xúc tác SSA, tiếp tục tác dụng với cetone va naphthol tạo ra các chất trung gian, sau quá trình chuyển hóa sẽ tổng hợp được xanthen. Vũ Ngọc Lan Chi 14 Khóa luận tốt nghiệ Th.S Phạm Đức Dũng H H* +.1 Sử dụng ZrOCl;.8H;O làm chất xúc tác!”?! Phương trình phản ứng: oO OH ZrOCI;.8H;O 9 + * Ar-CHO ———————> EtOH, rt O 6) Hình 6: Sơ đồ phản ứng tong hợp xanthen dùng xúc tác ZrOCl;.8H;O Vũ Ngọc Lan Chi 15 Khóa luận tốt nghiệp Th.S Phạm Đức Dũng Cách tiến hành : Hon hợp gom ƒ-naphthol (1,0 mmol), benzaldehyde (1,1 mmol), và 5,5- dimethylcyclohexane-1,3-dione với xúc tác ZrOCl;. Trộn tat cả lại ở nhiệt độ phòng trong các khoảng thời gian thích hợp.Quá trình phản img được kiểm tra bởi phương pháp sắc kí lớp mỏng.Sau khi phan img kết thúc thêm H,O vào va sản phẩm được tách ra bằng dung môi ethy! acetate (3x10 mÌ).Chất hữu cơ được làm khan bảng MgSO, và bay hơi, sản phẩm sau đó được kết tinh bang ethyl acetate và hexane (7:3).

Dung dịch lọc được làm cô đặc ở áp suất thắp va làm khô & 100°C dé sử dụng lại chất xúc tác cho phản ứng tiếp theo. Tién hành phan ứng như trên với các dẫn xuất của aldehyd như: p-CH;C,H,. p- CIC,H¿p‡NO;C,H¿, p-FC,H, Kết quả thu được khi tiến hành phản ứng với các dẫn xuất của aldehyd được trinh bảy ở bang 6. Bang 6: Tổng hợp xanthen với xúc tác ZrOCl;.8H;O Vũ Ngọc Lan Chi 16 Khóa luận tốt nghiệp Th.S Phạm Đức Dũng Cách tiến hành: Trộn aldehyde (1.0 mmol) va 1,3-cyclohexandione (1,2 mmol) và HCIO¿-SiO; 0,1 g (0.05 mmol) được khuấy ở 80°C với khoảng thời gian thích hợp (được theo đõi bởi phương pháp sắc kí lớp mỏng).

Sau khi phản ứng kết thúc hỗn hợp được làm lạnh ở nhiệt độ phòng rồi cho thêm 15 ml ethyl acetate, lọc xúc tác và dung môi được làm bay hoi dé thu được chất rin. Chất rắn được tinh chế bằng sắc kí cột (ethyl acetate/eter dầu hỏa tí lệ 1:20) dé thu được sản phẩm tinh khiết. Tién hành phản ứng như trên với các dẫn xuất của aldehydenhu :4-BrC,H„CHO, 4-MeOC,H;CHO. 4-CICgH,CHO, 4-NO,C,H,CHO.

Kết qua thu được khi tiến hành phan ứng với các dẫn xuất của aldehyde được trình bày trong bảng 7. Bang 7: Tổng hợp xanthene với xúc tác HCIO,-SiO; mem [ee AT. sp | i NIH BE.NB re 4-NO,C.3 Si dụng tetradecyltrimethylammonium bromide (TT.AB)“ Phương trình phản ứng: is) OH O. ce) ’ + ——t R HH rt, strring Hình 8: Sơ 46 phản ứng xanthen dùng xúc tác TTAB Vũ Ngọc L.an Chi 17 Khóa luận tốt nghiệp Th.S Phạm Đức Dũng Cách tiễn hanh: Trộn đều hỗn hợp f-naphthol (0,144 g, Immol), 4-chlorobenzaldehyde (0,140g, Immol)vädimedone(0.

Immol)trongH;O(5 ml) với TTAB(0.050 g, 15%mol), hỗn hợp được khuấy ở nhiệt độ phong.Qua trinhphan ửngđã đượcgiám sat bởisắc kí lớp mỏng (ethyl acetate:z-hexane=2:8). Sau khi phan ứng hoàn thành (2,5 giờ), sản phẩm được lọc và rửa nhiêu lân với HO. sau đó kết tinh lại trong ethanol. Tiến hành phan ứng như trên với các dẫn xuất của aldehyde: 4-CIC,H;.

Kết quả thu được khi tiến hành phản ứng với các dan xuất của aldehyde được trình bày trong bảng 8. Bảng 8: Tổng hợp các dẫn xuất với xúc tác TTAB a | seCM | 35 |NhgAmam| mỌ — L2 | AM | 35 |NhRdemam ⁄: i 4-FC,H, Vũ Ngoc Lan Chi 18 Khóa luận tốt nghiệp Th.S Phạm Đức Dũng 5ằỄằỄỄẶ_Ầ_Ƒ}Ƒ}ửƯÐ_}]Ïy--- -—<“<5<“<“5“<T“5“T---ss===========— Chương 2 Thực nghiệm Khóa luận tốt nghiệp Th.S Phạm Đức Dũng 2.1 Hóa chất và thiết bị 2.1 Hóa chat ¢ Silicagel (0,015-0,040 nm) e Benzaldehyde (Trung Quốc) e Cyclohexan-l.3-dione e B-naphhtol e Chlorosulfonic acid « Ethanol(Trung Quốc) e 4-Chlorobenzaldehyde (Sigma-Aldrich) e 4-Nitrobenzaldehyde(Sigma-Aldrich) e 4-Bromobenzaldehyde(Sigma-Aldrich) e 4-Fluorobenzaldehyde(Sigma-Aldrich) 2.2 Thiet bj « Cain điện tử Sartotius © Máy khuấy từ điều nhiệt IKA e May cô quay Heldoph e Máy đo nhiệt độ nóng chảy Buchi « Máy do NMR « Bếp trần 2.2 Điều chế xúc tác Phan ứng được thực hiện trong một bình cau 500ml có gắn ống dẫn khí. Ong dẫn khí này dùng dé dan khí HCI sinh ra hap thụ vào nước. Cân 6g silica gel vào bình cau, acid chlorosulfonic (1.4ml, 20mmol) được thêm vao từng giọt ở nhiệt độ phòng.

Trộn đều hỗn hợp trong 30 phút thu được acid silica sulfuric trắng. min, sau đó được rửa bằng dung dich dichloromethane. Vũ Ngọc Lan Chi 20 Khóa luận tốt nghiệp Th.S Phạm Đức Dũng Tiến hành quy trình tương tự với lượng acid chlorosulfonic thay đổi: 2,8ml, 3. Tiến hành chuẩn độ các acid slica sulfuric thu được; Cân 0,5g acid silica sulfuric, thêm vải giọt nước, 2 giọt thuốc thử phenolphthalein và tiễn hanh chuẩn độ bing dung dich KOH 0,4M.3 Diéu ché xanthene Cho vao binh cau phan img 25ml : benzaldehyde (0,212 g.

2 mmol), cyclohexane- 1,3-dione (0,224 g. 2 mmol), 0,1g xúc tác SSA vaB-napthol (0,288 g, 2 mmol)( theo ti lệ tối ưu) trong điều kiện không dung môi. khuấy từ điều nhiệt trong | giờ ở 60°C. Sau khi phản ứng kết thúc, thêm vào 15ml dung địch cloroform.

Dun sôi hỗn hợp để sản phẩm tan hết.