Chương 1 TỔNG QUAN NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG Trang 3 Luan van KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 1.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG SONOGASHIRA 1.1 Sơ lược về phản ứng Sonogashira Phản ứng Sonogashira là một phản ứng ghép cặp của alkyne đầu mạch với vinyl hay aryl halide do Kenkichi Sonogashira và Nobue Hagihara đề xuất vào năm 1975[8]. Phản ứng được xúc tác bởi phức Pd(0) và muối copper(I) halide trong môi trường base. Phản ứng Sonogashira là một trong những phản ứng ghép cặp quan trọng và hiệu quả nhất để hình thành liên kết carbon - carbon (sp2 - sp) trong tổng hợp hữu cơ[3]. Pd cat, Cu cat R1 X + CH C R2 R1 C C R2 + HX base, rt R1= aryl, vinyl hay pyridyl X= halogen Sơ đồ 1 Phản ứng Sonogashira tổng quát NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG Trang 4 Luan van KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 1.2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira Ph3P II Cl Pd Ph3P Cl Pd(0) = (PPh3)2Pd(II)= [(PPh3)2Pd(II)]X- CuC CR2 HX.amine chu ki B' công oxi hóa CuX R1 HC CR2 R1 X Pd(II) X CuC C R2 HX.amine Ph3P II C CR2 Pd Pd(0) C CR2 chu ki A chu ki B Ph3P HC C R2 R2C C C CR2 CuX chuyÓn kim lo¹i R1 R1 C C R2 Pd(II) khö t¸ch C CR2 Sơ đồ 2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira Cơ chế của phản ứng Sonogashira gồm có ba bước chính[8]: 1) Cộng hợp oxi hoá xúc tác Pd(0) vào dẫn xuất halogen tạo thành hợp chất trung gian R1−Pd(II)−X 2) Tạo hợp chất trung gian R1−Pd−C≡CR2(+ CuX) bằng phản ứng chuyển kim loại, ngoài vai trò xúc tác của Pd, trong quá trình xảy ra phản ứng Sonogashira còn có thể có sự hình thành hợp chất copper(I) acetylide cùng tham gia trong giai đoạn chuyển kim loại (chu kỳ B) 3) Khử tách loại R1C≡CR2 và xúc tác Pd(0)từ hợp chất cơ kim R1−Pd−C≡CR2, amine đóng vai trò chất khử, khử Pd (II) về Pd (0) 1.3 Điều kiện phản ứng Phản ứng dễ xảy ra trong điều kiện có mặt của các nhóm thế khác nhau ở cả hai tác chất, phản ứng Sonogashira đã thật sự tạo điều kiện để tổng hợp nhiều dẫn xuất acetylene của arene và heteroarene[9,10].
Tiếp theo sau đó là nhiều nghiên cứu ứng dụng xúc tác Pd NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG Trang 5 Luan van KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC trong tổng hợp hữu cơ cũng không kém phần hiệu quả như phản ứng Stille với sự tham gia của các dẫn xuất cơ kim Sn của acetylene[11,12] hay phản ứng Suzuki[13,14]. Trong phản ứng Sonogashira, xúc tác thường được sử dụng là phức Pd(0) và muối copper(I) halide. Phức Pd(II) như (PPh 3 ) 2 PdCl 2 (bis(triphenylphosphine)palladium(II) chloride) được dùng làm nguồn nguyên liệu cung cấp Pd(0) do bị khử bởi alkyne đầu mạch trong phản ứng trung gian. Trong khi đó sự hiện diện của copper(I) halide đóng vai trò chuyển kim loại, phản ứng với alkyne đầu mạch tạo thành copper(I) acetylide - hoạt động như một chất hoạt hóa của phản ứng ghép cặp.
Sản phẩm trung gian của phản ứng là các hydrogen halide, vì vậy các hợp chất alkylamine như triethylamine và diethylamine hay piperidine được sử dụng làm môi trường base cho phản ứng, bên cạnh đó còn có sự tham gia của dung môi DMF, các base K 2 CO 3 hay CsCO 3 còn có thể được dùng để thay thế cho các alkylamine. Ngoài ra, điều kiện quan trọng cần thiết cho phản ứng Sonogashira là phản ứng xảy ra trong hệ thống kín hạn chế không khí lọt vào vì phức Pd(0) không ổn định trong không khí và oxygen thúc đẩy sự hình thành của sản phẩm phụ dialkynylarene[38].2 GIỚI THIỆU VỀ XÚC TÁC PALLADIUM TRONG PHẢN ỨNG SONOGASHIRA Bên cạnh những xúc tác Pd thông dụng được trình bày ở trên, ngày nay xúc tác Pd ngày càng được đa dạng hóa dưới nhiều hình thức khác nhau nhằm vào mục tiêu là xúc tác không ligand, không muối CuX và không alkylamine trong phản ứng Sonogashira.1 Xúc tác Pd không ligand, không chất mang Phản ứng ghép cặp Sonogashira không có sự hiện diện của CuI, sử dụng xúc tác là muối Pd không ligand trong dung môi DMF xảy ra ở nhiệt độ phòng, TBAA (tetrabutylammonium acetate) được dùng như một base. Muối tetrabutylammonium carboxylate được sử dụng để khử Pd(OAc) 2 thành những hạt nano Pd(0).2 Xúc tác nano Pd Hạt nano kim loại chuyển tiếp là chất xúc tác có hiệu quả cho quá trình chuyển kim loại[15].Nhiều nghiên cứu cho rằng hạt nano kim loại chuyển tiếp có diện tích bề mặt lớn[16,17,18,19], tính chất này đã tạo ra những ứng dụng thú vị trong nhiều phản ứng khác nhau như phản ứng hydrogene hóa[20,21], phản ứng ghép cặp tạo nối C−C[22,23], phản ứng Fisher – Tropch, phản ứng oxi hóa. Sự phát triển của xúc tác nano cho hiệu quả và độ chọn lọc của phản ứng cũng như việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác.
Hạt nano kim loại chuyển tiếp được quan tâm trong hệ thống xúc tác đồng thể và dị thể phụ thuộc vào kích thước hạt[24]. Kích thước hạt nano liên quan đến khả năng phản ứng của nó, những hạt nano có kích thước nhỏ cho phép sự cộng oxi hóa của kim loại vào liên kết carbon - halogen dễ dàng hơn. Tuy nhiên hạt nano thường không bền và bị keo tụ hóa trong một vài trường hợp làm mất hoạt tính xúc tác và việc tái sử dụng xúc tác thường khó khăn. Chính vì thế mà một số chất như polymer, chất hoạt động bề mặt, và ligand đã được ứng dụng để điều chế hạt nano nhằm ngăn cản sự keo tụ hóa này.
Trong một vài trường hợp, một số chất làm bền này cũng hấp phụ mạnh những hạt nano trên bề mặt làm mất hoạt tính của chúng[15]. Gần đây, xúc tác nano Pd được ứng dụng để nghiên cứu phản ứng Heck[22] , phản ứng Suzuki và phản ứng Sonogashira[25]. Hạt nano Pd trong dung dịch colloid cũng như trên các chất mang khác nhau như PVP, Fe 3 O 4 , PEG. được dùng làm xúc tác trên phản ứng Sonogashira.
Nano Pd colloid được bền vững hóa trên chất mang PVP (poly(vinylpyrrolidone)) bằng cách đun nóng Pd(OAc) 2 trong sự hiện diện của PVP với tác nhân khử là MeOH[26] hay khử H 2 PdCl 2 trong sự hiện diện của PVP với tác nhân khử là EtOH. Kích thước của nano Pd/PVP bị ảnh hưởng nhiều bởi loại tác nhân khử và nồng độ tác nhân khử. Do đó, sự lựa chọn alcohol với nồng độ thích hợp là quan trọng trong việc điều khiển kích thước hạt nano Pd. PVP làm bền vững hóa hạt nano Pd ngăn cản sự keo tụ NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG Trang 7 Luan van KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC hóa.
Hirai và cộng sự[27] cho rằng nhóm carbonyl trên PVP tạo liên kết phối trí trên bề mặt nguyên tố Pd của hạt nano Pd. Đồng thời chuỗi mạch chính của PVP cũng được cho là hấp phụ nguyên tố Pd trên bề mặt bởi tương tác kỵ nước. Nano Pd cluster trên chất mang PEG được điều chế bằng cách đun nóng PdCl 2 trong PEG[6]. Khả năng phản ứng của nano Pd/PEG tương tự như hầu hết các nano Pd colloid khác.
Trong trường hợp này PEG đóng vai trò là chất khử, khử Pd(II) thành Pd(0), đồng thời cũng là chất mang làm bền hạt nano Pd(0). Hệ xúc tác nano Pd/PEG đã được sử dụng cho phản ứng Heck hiệu quả. Phản ứng Sonogashira sử dụng xúc tác nano Pd có thể được thực hiện trong nhiều loại dung môi khác nhau như dung môi hữu cơ (DMF, EtOH, acetone,.), nước, hay chất lỏng ion. Chu trình xúc tác nano Pd(0) trong phản ứng Sonogashira[7] được trình bày theo sơ đồ sau: Pd - cluster A RCl Pd(0) leaching R recluster céng oxi hãa sau ph¶n øng Pd(0) nguyªn tö Cl B céng oxi hãa Pd(II) leaching X + RCl R X Ph Cl Pd X X + dung m«i R Ph H khö t¸ch + base base -H+ + Cl R chuyÓn kim lo¹i X: Cl, NO3, OAc Ph Pd X dung m«i Sơ đồ 4 Chu trình xúc tác nano Pd - cluster trong phản ứng Sonogashira NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG Trang 8 Luan van KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC − Con đường A liên quan đến việc gạn lọc Pd(0) (Pd(0) leaching) từ các vị trí khiếm khuyết trên các cluster rồi sau đó được ổn định bởi các anion phối hợp và các dung môi để tạo thành một phức đồng thể của Pd(0).
Tiếp theo là sự cộng oxi hóa của alkyl chloride (RCl) vào phức Pd(0) cho phức Pd(II), tham gia vào chu trình xúc tác. − Con đường B, đầu tiên alkyl chloride (RCl) tấn công vào một vị trí khiếm khuyết trên các cluster của Pd, giải phóng phức Pd(II) vào trong dung dịch, tham gia vào chu trình xúc tác. Sự tấn công ái nhân của phenylacetylene trên phức alkyl-Pd(II)-Cl(dung môi)X diễn ra đồng thời với quá trình deproton hóa của phenylacetylene. Cuối cùng, dung dịch của Pd có thể tạo cluster mới trở lại (re-cluster) nhưng các hạt nhỏ hơn sau khi qua bước khử tách.
Cơ chế này là phù hợp với kết quả thu được từ phân tích TEM và nghiên cứu động học[7] .3 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ 2,3-DICHLOROQUINOXALINE (DCQ) o Công thức cấu tạo N Cl N Cl 22,33--dicchloorro uinnooxxaalinnee oqu o Khối lượng phân tử 199,04 g/mol o 2,3-dichloroquinoxaline là một dihalide của quinoxaline, chất này ở dạng bột mịn màu vàng nhạt, nhiệt độ nóng chảy là 1520C (ghi trên nhãn lọ hóa chất).4 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ PHENYL ACETYLENE o Công thức cấu tạo NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG Trang 9 Luan van KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Phenyl acetylene o Khối lượng phân tử: 102,133 g/mol o Khối lượng riêng : 0,93 g/ml o Phenyl acetylene là một hydrocarbon thuộc hợp chất alkyne có chứa nhóm phenyl. Phenyl acetylene tồn tại ở thể lỏng không màu và nhớt. Trong nghiên cứu đôi khi người ta sử dụng phenyl acetylene như acetylene. Qui trình tổng hợp phenyl acetylene:Trong phòng thí nghiệm phenyl acetylene có thể được điều chế bằng cách tách hydrobromide từ dibromide styrene với xúc tác là NaNH 2 (amide natri) trong amoniac.
Ngoài ra cũng có thể điều chế phenyl acetylene bằng cách tách hydro bromide từ bromostyrene với xúc tác là KOH nóng chảy. N aaN H2 Brr N H3 Brr Sơ đồ 5 tổng hợp phenyl acetylene 1.5 GIỚI THIỆU VỀ SIÊU ÂM 1.1 Định nghĩa siêu âm Siêu âm là âm thanh có tần số nằm ngoài ngưỡng nghe của con người (16 Hz - 18 kHz). Sóng siêu âm ứng dụng trong lĩnh vực hóa học cũng như trong công nghệ tẩy rửa hóa chất,… thường là vùng có tần số khoảng (20-100 KHz)[28]. Công dụng của siêu âm trong dãy tần số cao được chia làm hai vùng[28] : - Vùng thứ nhất (2-10 MHz): sóng siêu âm có năng lượng thấp, tần số cao.
Nó được sử dụng trong y khoa, phân tích hóa học và nghiên cứu hiện tượng thư giãn.