Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ ngành Hóa hữu cơ (mã số: 62440114) của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Ngọc Lan, thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lưu Thị Xuân Thi, tập trung vào đề tài: "Nghiên cứu tổng hợp một số sulfoxide và sulfone từ sự sulfinyl và sulfonyl hóa Friedel-Crafts".
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Sulfoxide và sulfone là các nhóm hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh có ứng dụng trong tổng hợp hóa dược và hoạt tính sinh học (kháng viêm, kháng khuẩn, kháng nấm, chống ung thư), đồng thời đóng vai trò làm xúc tác thủ tính hoặc chất trung gian trong các phản ứng hình thành liên kết C–C. Một trong những phương pháp điều chế sulfoxide và sulfone là phản ứng sulfinyl hóa và sulfonyl hóa Friedel-Crafts giữa các hợp chất hương phương (arene) với các tác nhân chứa lưu huỳnh dưới sự xúc tác của các Lewis acid.
Tuy nhiên, các quy trình truyền thống sử dụng xúc tác Lewis acid đồng thể thông thường (như $\text{AlCl}_3$) bộc lộ nhiều hạn chế: điều kiện phản ứng khắc nghiệt, tiêu hao lượng lớn xúc tác, tạo nhiều chất thải độc hại, không thể thu hồi tái sử dụng và thường yêu cầu dung môi hữu cơ dễ bay hơi. Để đáp ứng các tiêu chí của Hóa học Xanh, việc tìm kiếm và phát triển các hệ xúc tác mới như chất lỏng ion (Ionic Liquids – IL) và chất lỏng ion gắn trên hạt nano từ tính, kết hợp việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng bằng phương pháp toán học thống kê, là yêu cầu cấp thiết mà luận án hướng tới giải quyết.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố (loại xúc tác, cấu trúc chất nền và tác chất, nhiệt độ, tỉ lệ mol, thời gian phản ứng) nhằm xác định điều kiện thích hợp nhất để tổng hợp các hợp chất sulfoxide và sulfone từ phản ứng sulfinyl hóa và sulfonyl hóa Friedel-Crafts.
Các nội dung nghiên cứu cụ thể được triển khai gồm:
- Đối với phản ứng sulfinyl hóa Friedel-Crafts: Tìm xúc tác thích hợp cho phản ứng của arene với tác chất sulfinate và thionyl chloride; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp theo phương pháp đơn yếu tố dưới sự chiếu xạ siêu âm; tối ưu hóa phản ứng bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) theo mô hình phức hợp trung tâm (CCD); tổng hợp một số sulfoxide hương phương khác và khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác.
- Đối với phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts: Khảo sát xúc tác thích hợp; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng tác chất sulfonyl chloride và sulfonic anhydride theo phương pháp đơn yếu tố; tối ưu hóa điều kiện phản ứng bằng phương pháp RSM-CCD; tổng hợp một số sulfone hương phương từ sulfonic anhydride với sự hỗ trợ của vi sóng; khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Phản ứng sulfinyl hóa Friedel-Crafts và phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts giữa các hợp chất hương phương với các tác nhân sulfinyl hóa (alkyl arenesulfinate, thionyl chloride) và tác nhân sulfonyl hóa (sulfonyl chloride, sulfonic anhydride).
- Phạm vi nghiên cứu:
- Hệ xúc tác: Các chất lỏng ion Lewis acid dạng lỏng đồng thể ($[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$, $[\text{Bpy}]\text{Cl-2AlCl}_3$) và xúc tác dị thể từ tính ($\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$).
- Phương pháp kích hoạt năng lượng: Gia nhiệt truyền thống, chiếu xạ siêu âm và vi sóng.
- Phạm vi thời gian và địa điểm: Công trình được hoàn thành và bảo vệ năm 2023 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TP.HCM.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã hệ thống hóa lịch sử nghiên cứu về phản ứng sulfinyl hóa và sulfonyl hóa Friedel-Crafts qua các giai đoạn:
Các hướng nghiên cứu về phản ứng sulfinyl hóa Friedel-Crafts
- Năm 1926, phenyl p-tolyl sulfoxide được tổng hợp từ benzene và p-toluenesulfinyl chloride sử dụng xúc tác $\text{AlCl}_3$. Sau đó, Douglass và cộng sự điều chế methyl phenyl sulfoxide với hiệu suất 26%.
- Năm 1973, Olah và Nishimura thực hiện phản ứng sulfinyl hóa giữa toluene và các dẫn xuất benzenesulfinyl chloride có mặt $\text{AlCl}_3$, đạt hiệu suất dẫn xuất para là 87%. Cùng thời kỳ, Fujisawa và cộng sự khảo sát phản ứng giữa p-toluenesulfinyl chloride với anisole ở 0–15 °C bằng các xúc tác $\text{AlCl}_3$ (hiệu suất 81%), $\text{SnCl}_4$ (40%) và $\text{SbCl}_5$ (22%).
- Năm 2010, Sun và cộng sự nghiên cứu thứ tự nạp liệu giữa benzene, $\text{SOCl}_2$ và $\text{AlCl}_3$ để tổng hợp diphenyl sulfoxide, đạt hiệu suất 85% khi cho từ từ $\text{AlCl}_3$ vào hỗn hợp $\text{PhH-SOCl}_2$ ở 70 °C. Shockravi và cộng sự phát triển hệ xúc tác rắn $\text{SiO}_2/\text{Lewis acid}$ ($\text{AlCl}_3, \text{FeCl}_3$) điều chế diaryl sulfoxide đối xứng với hiệu suất 81–95%.
- Năm 2011, Yuste và cộng sự sử dụng methyl benzenesulfinate phản ứng với arene giàu điện tử dưới xúc tác $\text{AlCl}_3$ trong dung môi 1,2-dichloroethane ở 25 °C.
Các hướng nghiên cứu về phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts
- Tác nhân sulfonyl chloride: Hajipour và cộng sự (2000) dùng $\text{AlCl}_3$ không dung môi (hiệu suất 50–85%); Nara và cộng sự (2001) dùng chất lỏng ion $[\text{Bmim}]\text{Cl-AlCl}_3$ (hiệu suất >80%); Bandgar và Kasture dùng bột $\text{Zn}$ kích hoạt bằng gia nhiệt hoặc vi sóng (hiệu suất 58–91%); Jin và cộng sự (2003) dùng $\text{Fe(OH)}_3$ không dung môi ở >100 °C (hiệu suất 74–85%); xúc tác $\text{ZrO}_2/\text{S}_2\text{O}_8^{2-}$ (hiệu suất 78–93%); Borujeni và Tamami dùng $\text{Ps-AlCl}_3$ (hiệu suất >85%); Bahrami và cộng sự (2008) dùng $[\text{BTBA}]\text{Cl-FeCl}_3$ ở 60 °C; Nguyen và cộng sự (2014) dùng triflate đất hiếm $\text{Dy(OTf)}_3, \text{Ho(OTf)}_3, \text{Tm(OTf)}_3, \text{Yb(OTf)}_3, \text{Lu(OTf)}_3$ (hiệu suất 71–100%); Falconnet và cộng sự (2022) dùng $\text{TfOH}$ 20 mol% ở 160 °C (hiệu suất 66–99%).
- Tác nhân sulfonic anhydride, sulfonic acid và sulfonamide: Choudary và cộng sự dùng $\text{Fe}^{3+}$-montmorillonite và zeolite beta; các hệ xúc tác $\text{Nafion-H}$, $\text{P}_2\text{O}_5/\text{SiO}_2$ (75% w/w), $\text{SiO}_2\text{-AlCl}_3$, $\text{Ps-Al(OTf)}_3$; Yao và cộng sự (2008) dùng tác nhân 4-methylbenzenesulfonamide với xúc tác triflic anhydride $(\text{CF}_3\text{SO}_2)_2\text{O}$ trong 1,2-dichloroethane ở 80–140 °C (hiệu suất 42–86%).
Khoảng trống luận án giải quyết
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu, việc ứng dụng chất lỏng ion chloroaluminate có tính acid điều chỉnh được, cũng như việc cố định chất lỏng ion lên chất mang nano từ tính ($\text{Fe}_3\text{O}_4$) nhằm kết hợp ưu điểm của xúc tác đồng thể và dị thể (dễ thu hồi bằng từ trường ngoài, độ phân tán cao) trong phản ứng tổng hợp sulfoxide và sulfone chưa được nghiên cứu toàn diện. Đồng thời, việc kết hợp các phương thức kích hoạt năng lượng sạch (siêu âm, vi sóng) và tối ưu hóa toán học đa biến (RSM-CCD) thay thế cho phương pháp khảo sát biến đơn lẻ còn thiếu vắng trong các công bố trước đó.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
- Lý thuyết phản ứng thế thân điện tử Friedel-Crafts: Phản ứng sulfinyl hóa và sulfonyl hóa xảy ra qua sự tạo thành các tiểu phân mang điện tích dương (ion sulfinylium $[\text{R-S}^+=\text{O}]$ hoặc ion sulfonylium $[\text{R-SO}_2^+]$) dưới tác dụng của Lewis acid, sau đó tấn công vào nhân thơm tạo phức chất trung gian $\sigma$ và tách proton để hình thành liên kết $\text{C-S}$.
- Lý thuyết về chất lỏng ion và Lewis acid: Chất lỏng ion gồm cation hữu cơ ($[\text{Bmim}]^+, [\text{Bpy}]^+, [\text{Prmim}]^+$) và anion vô cơ. Với hệ chloroaluminate, tính chất acid phụ thuộc tỉ lệ mol $x_{\text{AlCl}_3}$:
- $x_{\text{AlCl}_3} < 0.5$: tạo anion $[\text{AlCl}_4]^-$ và dư $\text{Cl}^-$ (môi trường base).
- $x_{\text{AlCl}_3} = 0.5$: tạo $[\text{AlCl}_4]^-$ (môi trường trung tính).
- $x_{\text{AlCl}_3} > 0.5$: xuất hiện các anion đa nhân $[\text{Al}_2\text{Cl}_7]^-$ và $[\text{Al}3\text{Cl}{10}]^-$ (thể hiện tính Lewis acid mạnh).
- Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM): Ứng dụng mô hình thiết kế phức hợp trung tâm (Central Composite Design – CCD) để xây dựng phương trình hồi quy bậc hai mô tả mối quan hệ giữa hiệu suất phản ứng ($Y$) với các biến độc lập ($X_i, X_j$), tính toán sự tương tác giữa các yếu tố thông qua phần mềm JMP Pro 14.
Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
- Quy trình tổng hợp xúc tác:
- Điều chế chất lỏng ion chloroaluminate $[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ và $[\text{Bpy}]\text{Cl-2AlCl}_3$ trong điều kiện khan.
- Điều chế xúc tác dị thể từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$ bằng phương pháp hóa học kết hợp tạo liên kết cộng hóa trị của 3-methyl-1-(trimethoxysilylpropyl)-1H-imidazol-3-ium chloride lên hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$, sau đó phối trí với $\text{AlCl}_3$.
- Kỹ thuật phân tích đặc trưng vật liệu xúc tác: Nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), từ kế mẫu rung (VSM), phương pháp đo diện tích bề mặt Brunauer-Emmet-Teller (BET).
- Phương pháp theo dõi và xác định cấu trúc sản phẩm: Sắc ký lớp mỏng (TLC), sắc ký khí đầu đò ion hóa ngọn lửa (GC/FID), sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H NMR}, ^{13}\text{C NMR}, \text{HMBC}$) và khối phổ phân giải cao (HRMS).
- Công thức xác định hiệu suất:
- Hiệu suất cô lập:
$$H = \frac{m_{\text{tt}}}{m_{\text{lt}}} \times 100%$$
(trong đó $m_{\text{tt}}$ là khối lượng sản phẩm thực tế thu được, $m_{\text{lt}}$ là khối lượng sản phẩm lý thuyết tính theo phương trình).
- Hiệu suất theo GC/FID:
$$H = \frac{a \times b}{M \times n} \times 100%$$
(trong đó $a$ là khối lượng hỗn hợp sản phẩm thu được, $b$ là hàm lượng phần trăm sản phẩm trong hỗn hợp xác định bằng GC/FID, $M$ là khối lượng phân tử của sản phẩm, $n$ là số mol chất nền ban đầu).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Mở đầu
Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu tổng quát, các nội dung nghiên cứu trọng tâm, đối tượng nghiên cứu, phương pháp tiếp cận thực nghiệm và tóm tắt những đóng góp mới của luận án đối với chuyên ngành Hóa hữu cơ.
Chương 2. Tổng quan
Nội dung chương 2 chia thành 4 phần chính:
- Phản ứng sulfinyl hóa Friedel-Crafts: Điểm luận chi tiết các nghiên cứu sử dụng tác nhân sulfinyl chloride, thionyl chloride và sulfinate; cơ chế hình thành liên kết và các hệ xúc tác đã được công bố.
- Phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts: Tổng quan về tác nhân sulfonyl halide, sulfonic anhydride, sulfonic acid và sulfonamide; phân tích cơ chế phản ứng hai giai đoạn và hiệu quả của các nhóm xúc tác đồng thể, acid rắn và chất lỏng ion.
- Chất lỏng ion: Cấu trúc, tính chất vật lý (điểm nóng chảy, áp suất hơi, độ bền nhiệt, độ nhớt, độ hòa tan); phân loại chất lỏng ion Lewis acid (anion nhận điện tử, cation nhận điện tử, Brønsted–Lewis acid) và các phương pháp cố định chất lỏng ion trên chất mang rắn vô cơ (silica, alumina, hạt nano oxide sắt từ) và polymer hữu cơ.
- Giới thiệu về tối ưu hóa: Nguyên lý của phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), so sánh thiết kế Box-Behnken (BBD) và thiết kế phức hợp trung tâm (CCD), cùng ứng dụng của mô hình bậc hai trong việc xác định điểm cực trị thực nghiệm.
Chương 3. Thiết bị và hóa chất - Quy trình thực hiện
Chương này mô tả chi tiết danh mục trang thiết bị phân tích, hóa chất thương mại và các quy trình thực nghiệm:
- Quy trình điều chế chất lỏng ion chloroaluminate ($[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$).
- Quy trình tổng hợp chất lỏng ion gắn trên hạt nano oxide sắt từ ($\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$).
- Quy trình phản ứng sulfinyl hóa Friedel-Crafts dưới các điều kiện kích hoạt (gia nhiệt, siêu âm).
- Quy trình phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts (gia nhiệt, vi sóng).
- Quy trình thu hồi, xử lý và tái sử dụng xúc tác bằng phương pháp phân tách pha hoặc hút từ tính.
- Phương pháp lập bảng dữ liệu phổ để xác định cấu trúc của sulfinate, chất lỏng ion, 18 hợp chất sulfoxide và 38 hợp chất sulfone.
Chương 4. Kết quả và thảo luận
Chương 4 là phần nội dung thực nghiệm chính của luận án, bao gồm các kết quả:
1. Phản ứng sulfinyl hóa Friedel-Crafts
- Khảo sát phản ứng với tác nhân sulfinate: Khảo sát ảnh hưởng của các muối Lewis acid và chất lỏng ion đến phản ứng giữa methyl benzenesulfinate và 1,3-dimethoxybenzene. Chất lỏng ion $[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ cho hoạt tính vượt trội. Dưới sự chiếu xạ siêu âm, thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể.
- Tối ưu hóa phản ứng: Sử dụng mô hình CCD khảo sát 3 biến (thời gian, tỉ lệ mol chất nền:tác chất, lượng xúc tác). Phương trình hồi quy bậc hai và bề mặt đáp ứng 3D đã xác định được vùng điều kiện tối ưu. Mô hình được mở rộng tổng hợp thành công 18 dẫn xuất sulfoxide hương phương.
- Khảo sát tái sử dụng xúc tác: Đánh giá độ ổn định phổ $^1\text{H NMR}$ của $[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ và $[\text{Bpy}]\text{Cl-2AlCl}_3$ trước và sau phản ứng; xúc tác $[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ tái sử dụng được 3 lần.
- Khảo sát phản ứng với tác nhân thionyl chloride: Đánh giá hoạt tính xúc tác cho phản ứng sulfinyl hóa giữa toluene hoặc 1,3-dimethoxybenzene với $\text{SOCl}_2$.
2. Phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts
- Đặc trưng xúc tác từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$: Kết quả XRD xác nhận cấu trúc tinh thể của hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$; phổ FT-IR chứng minh sự gắn kết của nhóm chức imidazolium và phối trí $\text{AlCl}_3$; hình ảnh SEM, TEM chỉ ra kích thước hạt phân bố đều từ 6–14 nm; phổ EDX xác nhận thành phần nguyên tố ($\text{Fe, O, Si, C, N, Al, Cl}$); giản đồ TGA cho thấy độ bền nhiệt của vật liệu đạt đến 300 °C; đường cong VSM chứng minh đặc tính siêu thuận từ giúp thu hồi nhanh bằng nam châm ngoài.
- Tối ưu hóa phản ứng với tác nhân sulfonyl chloride: Áp dụng mô hình CCD khảo sát 4 biến (nhiệt độ, thời gian, lượng xúc tác, tỉ lệ mol) cho phản ứng giữa toluene và benzenesulfonyl chloride.
- Tối ưu hóa phản ứng với tác nhân sulfonic anhydride: Khảo sát mô hình CCD 4 biến cho phản ứng giữa 1,3-dimethoxybenzene và p-toluenesulfonic anhydride. Kích hoạt bằng vi sóng giúp rút ngắn thời gian phản ứng xuống thang phút.
- Khảo sát cấu trúc chất nền và tái sử dụng: Tổng hợp 38 hợp chất sulfone với hiệu suất cao; xúc tác $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$ được thu hồi bằng từ trường và tái sử dụng 4–5 lần, phổ FT-IR cho thấy cấu trúc xúc tác được duy trì ổn định sau các chu trình.
3. Tổng hợp số liệu so sánh
Bảng số liệu dưới đây tổng hợp một số kết quả tiêu biểu của các hệ xúc tác được khảo sát trong luận án và tài liệu tham khảo:
| Hệ phản ứng |
Tác nhân lưu huỳnh |
Xúc tác |
Điều kiện / Kích hoạt |
Hiệu suất (%) |
Khả năng tái sử dụng |
| Sulfinyl hóa arene |
Methyl benzenesulfinate |
$[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ |
Siêu âm, nhiệt độ phòng |
Cao (tối ưu hóa CCD) |
3 lần |
| Sulfinyl hóa arene |
$\text{SOCl}_2$ |
$\text{SiO}_2/\text{AlCl}_3$ hoặc $\text{FeCl}_3$ |
Pha rắn, gia nhiệt |
81–95% |
Không nêu |
| Sulfonyl hóa arene |
Benzenesulfonyl chloride |
$\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$ |
Không dung môi, gia nhiệt |
Cao (tối ưu hóa CCD) |
4–5 lần |
| Sulfonyl hóa arene |
p-Toluenesulfonic anhydride |
$\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$ |
Vi sóng (MW) |
Cao (tối ưu hóa CCD) |
4–5 lần |
| Sulfonyl hóa arene |
Sulfonyl chloride |
$\text{AlCl}_3$ |
Không dung môi, $10\text{--}15\text{ phút}$ |
50–85% |
Không tái sử dụng |
| Sulfonyl hóa arene |
Sulfonyl chloride |
$\text{Ps-AlCl}_3$ |
$1.2\text{--}1.4\text{ giờ}$ |
89–93% |
Tái sử dụng được |
| Sulfonyl hóa arene |
4-Methylbenzenesulfonamide |
$(\text{CF}_3\text{SO}_2)_2\text{O}$ |
$\text{Cl}_2\text{CHCHCl}_2, 120\ ^\circ\text{C}, 12\text{h}$ |
42–86% |
Không nêu |
Chương 5. Kết luận và kiến nghị
Tóm tắt các kết quả đạt được về mặt điều chế xúc tác, tối ưu hóa quy trình, số lượng sản phẩm mới tổng hợp và đưa ra các đề xuất nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt lý luận khoa học và thực tiễn kỹ thuật như sau:
- Về xúc tác cho phản ứng sulfinyl hóa Friedel-Crafts: Đã tìm ra xúc tác $[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ cho phản ứng giữa arene và tác chất alkyl arenesulfinate trên cơ sở sàng lọc các muối Lewis acid và chất lỏng ion Lewis/Brønsted. Xúc tác này có khả năng thu hồi và tái sử dụng được 3 lần.
- Về chế tạo vật liệu xúc tác từ tính: Điều chế thành công vật liệu chất lỏng ion gắn trên hạt nano oxide sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$ có kích thước hạt trung bình từ 6–14 nm, đạt độ bền nhiệt lên đến 300 °C, mang đặc tính siêu thuận từ. Vật liệu này thể hiện hoạt tính xúc tác cao cho phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts và có khả năng thu hồi bằng nam châm ngoài để tái sử dụng 4–5 lần mà hoạt tính không suy giảm đáng kể.
- Về tối ưu hóa quá trình bằng mô hình toán: Ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) theo thiết kế phức hợp trung tâm (CCD) để mô tả chính xác tương quan giữa hiệu suất và các yếu tố công nghệ qua phương trình hồi quy bậc hai cho 3 phản ứng:
- Phản ứng giữa 1,3-dimethoxybenzene và methyl benzenesulfinate;
- Phản ứng giữa toluene và benzenesulfonyl chloride;
- Phản ứng giữa 1,3-dimethoxybenzene và p-toluenesulfonic anhydride.
- Về cải tiến kỹ thuật kích hoạt năng lượng: Rút ngắn thời gian phản ứng bằng việc sử dụng chiếu xạ siêu âm đối với phản ứng sulfinyl hóa (với tác chất sulfinate) và vi sóng đối với phản ứng sulfonyl hóa (với tác chất sulfonic anhydride).
- Về tổng hợp các hợp chất mới:
- Tổng hợp 18 hợp chất sulfoxide hương phương, trong đó có 12 hợp chất mới và 5 hợp chất chưa từng có dữ liệu phổ.
- Tổng hợp 38 hợp chất sulfone hương phương, trong đó có 6 hợp chất mới và 13 hợp chất chưa từng có dữ liệu phổ.
- Tất cả các cấu trúc đều được định danh bằng phổ $^1\text{H NMR}, ^{13}\text{C NMR}, \text{HMBC}$ và $\text{HRMS}$.
Kiến nghị của luận án
Tiếp tục mở rộng việc ứng dụng các hệ xúc tác chất lỏng ion từ tính đã điều chế sang các loại phản ứng Friedel-Crafts hình thành liên kết $\text{C-C}$ hoặc $\text{C-dị nguyên tử}$ khác, đồng thời nghiên cứu quy mô tổng hợp lớn hơn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên các dữ kiện thực nghiệm và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong luận án:
- Hạn chế về cấu trúc chất nền: Đối với các hợp chất hương phương chứa các nhóm thế rút điện tử mạnh (như $-\text{NO}_2, -\text{CN}$), phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts xảy ra khó khăn hoặc không chuyển hóa, hiệu suất giảm đáng kể so với các chất nền mang nhóm thế đẩy điện tử.
- Giới hạn số chu trình tái sử dụng: Xúc tác chất lỏng ion đồng thể $[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ chỉ tái sử dụng được 3 chu trình trước khi hoạt tính suy giảm do tính nhạy ẩm của liên kết chloroaluminate. Hệ xúc tác từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$ đạt độ bền trong 4–5 chu trình.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu gia tăng độ bền thủy phân của các anion kim loại gắn trên bề mặt hạt từ; thử nghiệm trên các hệ chất nền dị vòng phức tạp hơn; và đánh giá hoạt tính sinh học cụ thể của các dẫn xuất sulfoxide và sulfone mới tổng hợp được.
Giá trị tham khảo
Luận án cung cấp tài liệu tham khảo cho:
- Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Hóa hữu cơ, Hóa dược: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng sulfinyl hóa và sulfonyl hóa Friedel-Crafts; quy trình tổng hợp và cố định chất lỏng ion lên hạt nano oxide sắt từ.
- Các nhà nghiên cứu về xúc tác và Hóa học Xanh: Cung cấp phương pháp luận tổng hợp xúc tác dị thể từ tính có thể thu hồi bằng từ trường, giúp giảm thiểu dung môi và chất thải hóa chất.
- Kỹ sư hóa học và nhà thực nghiệm: Cung cấp phương pháp ứng dụng thiết kế thực nghiệm RSM-CCD kết hợp phần mềm JMP Pro 14 để tối ưu hóa các thông số phản ứng đa biến thay thế cho quy trình thử sai đơn lẻ.
- Phần đáng tham khảo nhất: Dữ liệu phổ ($^1\text{H NMR}, ^{13}\text{C NMR}, \text{HMBC}, \text{HRMS}$) của 18 hợp chất sulfoxide và 38 hợp chất sulfone (bao gồm các chất mới), cùng quy trình điều chế và đặc trưng vật liệu nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$.
Câu hỏi thường gặp
1. Chất lỏng ion chloroaluminate $[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ thể hiện tính Lewis acid thông qua dạng tồn tại nào của anion?
Khi tỉ lệ mol giữa $\text{AlCl}3$ và $[\text{Bmim}]\text{Cl}$ lớn hơn 0.5 (cụ thể tỉ lệ 2:1 tương ứng $x{\text{AlCl}_3} = 0.67$), anion $[\text{AlCl}_4]^-$ sẽ tương tác với lượng $\text{AlCl}_3$ dư để hình thành các anion đa nhân nhận điện tử là $[\text{Al}_2\text{Cl}_7]^-$ và $[\text{Al}3\text{Cl}{10}]^-$, tạo ra môi trường Lewis acid mạnh cho phản ứng sulfinyl hóa.
2. Vật liệu nano xúc tác từ tính trong luận án có những đặc trưng cấu trúc và lý hóa nào?
Vật liệu $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$ có kích thước hạt phân bố trong khoảng 6–14 nm (xác định qua SEM và TEM), giữ nguyên cấu trúc tinh thể oxide sắt từ (qua XRD), có độ bền nhiệt lên đến 300 °C (qua TGA) và sở hữu đặc tính siêu thuận từ (qua đường cong từ hóa VSM), cho phép thu hồi hoàn toàn bằng nam châm ngoài sau 4–5 lần sử dụng.
3. Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) theo mô hình nào được sử dụng để tối ưu hóa phản ứng và phần mềm hỗ trợ là gì?
Luận án sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng theo mô hình thiết kế phức hợp trung tâm (Central Composite Design – CCD) để xây dựng phương trình hồi quy bậc hai mô tả ảnh hưởng đồng thời và sự tương tác giữa các yếu tố (nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ mol, lượng xúc tác) đến hiệu suất phản ứng, với sự hỗ trợ xử lý của phần mềm JMP Pro 14.
4. Tổng số hợp chất sulfoxide và sulfone mới được tổng hợp trong công trình là bao nhiêu?
Công trình đã tổng hợp thành công 18 hợp chất sulfoxide hương phương (gồm 12 chất mới và 5 chất chưa có dữ liệu phổ trước đó) cùng 38 hợp chất sulfone hương phương (gồm 6 chất mới và 13 chất chưa có dữ liệu phổ trước đó). Cấu trúc của tất cả các hợp chất đều được xác định đầy đủ bằng $^1\text{H NMR}, ^{13}\text{C NMR}, \text{HMBC}$ và $\text{HRMS}$.
5. Việc áp dụng sóng siêu âm và vi sóng đem lại hiệu quả cụ thể nào đối với các phản ứng nghiên cứu?
Chiếu xạ siêu âm giúp phân tán hệ phản ứng và rút ngắn thời gian tổng hợp sulfoxide từ tác nhân alkyl arenesulfinate ở nhiệt độ phòng. Chiếu xạ vi sóng cung cấp năng lượng đồng đều, giúp phản ứng sulfonyl hóa giữa 1,3-dimethoxybenzene và p-toluenesulfonic anhydride đạt hiệu suất cao trong thời gian ngắn (tính bằng phút) so với phương pháp gia nhiệt thông thường.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của Nguyễn Thị Ngọc Lan đã phát triển các quy trình tổng hợp sulfoxide và sulfone thông qua phản ứng sulfinyl hóa và sulfonyl hóa Friedel-Crafts sử dụng chất lỏng ion $[\text{Bmim}]\text{Cl-2AlCl}_3$ và xúc tác dị thể từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4@\text{O}_2\text{Si}[\text{Prmim}]\text{Cl}\cdot\text{AlCl}_3$. Công trình đã ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng CCD (phần mềm JMP Pro 14) để tối ưu hóa các thông số phản ứng, đồng thời kết hợp chiếu xạ siêu âm và vi sóng để nâng cao hiệu suất chuyển hóa. Kết quả thực nghiệm đã tổng hợp và xác định cấu trúc đầy đủ của 18 sulfoxide (12 chất mới) và 38 sulfone (6 chất mới), chứng minh khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác từ 3 đến 5 chu trình phản ứng.
