nghiên cứu thực hiện phản ứng heck hình thành liên kết carbon-carbon trong điều kiện hóa học xanh

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ







BÁO CÁO NGHIỆM THU
(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu)

NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG
HECK HÌNH THÀNH LIÊN KẾT CARBON-
CARBON TRONG ĐIỀU KIỆN
HÓA HỌC XANH



CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
(Ký tên)




TS. PHAN THANH SƠN NAM


CƠ QUAN QUẢN LÝ CƠ QUAN CHỦ TRÌ

(Ký tên/đóng dấu xác nhận) (Ký tên/đóng dấu xác nhận)














THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 06 / 2009
i


TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính được điều chế theo phương pháp trao đổi
cation với dung dịch PdCl
2
, có hàm lượng palladium là 0,12 - 0,14 mmol/g (ICP-MS).
Hoạt tính xúc tác được đánh giá thông qua phản ứng ghép đôi Heck giữa các dẫn xuất
aryl halide và styrene để hình thành sản phẩm là các hợp chất họ stilbene. Phản ứng được
thực hiện ở hàm lượng xúc tác 0,5 mol%, có mặt base là Na
2

CO
3
, ở nhiệt độ 120
o
C đối
với trường hợp dẫn xuất của iodobenzene, và ở nhiệt độ 140
o
C đối với trường hợp các
dẫn xuất của bromobenzene. Các phản ứng đạt độ chuyển hóa cao mà không cần phải sử
dụng thêm các ligand họ phosphine độc hại. Các nhóm thể hút điện tử có mặt trên vòng
benzene của các dẫn xuất aryl halide sẽ làm tăng tốc độ phản ứng ghép đôi Heck. Sau khi
phản ứng kết thúc, xúc tác được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng bằng phương
pháp lọc hoặc ly tâm, và tái sử dụng cho phản ứng tiếp theo mà hoạt tính không giảm
đáng kể. Bên cạnh đó, tốc độ phản ứng Heck sử dụng xúc tác bentonite biến tính tăng
một cách đáng kể khi có sự hỗ trợ của vi sóng.
Các chất lỏng ion 1-butyl-, 1-hexyl-, và 1-octyl-3-methylimidazolium bromide
được tổng hợp từ phản ứng giữa n-butyl-, n-hexyl-, và n-octyl bromide và N-
methylimidazole trong điều kiện vi sóng, được nhận danh bằng phương pháp
1
H kết hợp
với
13
C NMR, và MS. Các chất lỏng ion này được sử dụng làm dung môi xanh cho phản
ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene trong điều kiện vi sóng để hình thành
sản phẩm chính là các hợp chất trans-stilbene. Trong điều kiện này, tốc độ phản ứng
ghép đôi tăng một cách đáng kể, đạt độ chuyển hóa tổng cộng khoảng 99% chỉ trong thời
gian 2.5 - 3 phút, cao hơn độ chuyển hóa đạt được sau 7 h trong điều kiện gia nhiệt thông
thường. Đặc biệt, phản ứng Heck thực hiện với sự hỗ trợ của vi sóng xảy ra mà không
cần phải sử dụng thêm các ligand phosphine đắt tiền và độc hại, trong khi đó phản ứng
tương tự thực hiện trong điều kiện gia nhiệt thông thường xảy ra khó khăn khi không có

mặt phosphine. Kết hợp xúc tác bentonite biến tính với chất lỏng ion làm dung môi xanh,
hàm lượng palladium cần sử dụng giảm một cách đáng kể so với trường hợp sử dụng xúc
tác đồng thể là PdCl
2
hoặc Pd(OAc)
2
. Bên cạnh đó, hệ chất lỏng ion - xúc tác palladium
có thể được thu hồi và tái sử dụng mà không cần phải bổ sung thêm nguồn palladium.











ii


SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

Modified Binh Thuan bentonite catalyst was prepared by exchanging with
aqueous solution of PdCl
2
, affording a catalyst loading of 0.14 mmol of Pd/g (ICP-MS).
The Pd
2+

-exchanged bentonite catalyst was assessed for its activity in the the Heck cross-
coupling reaction between several aryl halide derivatives and styrene to form stilbenes as
principal products. The reaction was performed using 0.5 mol% catalyst at 120
o
C for
iodobenzene derivatives and 140
o
C for bromobenzene derivartives in
dimethylformamide (DMF) and in the presence of Na
2
CO
3
as a base, with stilbenes being
formed in excellent conversions (GC) without added phosphine ligands. A favourable
effect of electron-withdrawing substituents on benzene ring was observed for the cross-
coupling reaction. The modified bentonite catalyst could be facilely separated from the
reaction mixture by centrifugation or simple filtration, and could be reused in subsequent
reactions without significant degradation in activity. It was also observed that the reaction
rate was dramatically enhanced in the presence of microwave irradiation.
Easily accessible ionic liquids, 1-butyl-, 1-hexyl-, and 1-octyl-3-
methylimidazolium bromide, were synthesized from n-butyl-, n-hexyl-, and n-octyl
bromide with N-methylimidazole under microwave irradiation condition, and
characterized by
1
H and
13
C NMR, and MS. The ionic liquid was demonstrated to be an
efficient and recyclable solvent for the Heck cross-coupling reaction between several aryl
halides and styrene under microwave irradiation to form trans-stilbenes as the principal
products. Using the ionic liquid as the reaction solvent in conjuction with microwave

irradiation, the reaction rate was dramatically enhanced, with 99% conversion being
achieved within 2.5 - 3 minutes, compared to conversions obtained after 7 hours under
conventional conditions. Interestingly, the Heck reaction in the ionic liquid under
microwave irradiation could afford qualitative conversions without the presence of any
triphenylphosphine, while the corresponding reaction under conventional heating
proceeded with difficulty in the absence of phosphine ligand. Using the modified Binh
Thuan betonite in conjunction with ionic liquids as green solvents, the palladium
concentration necessary for the reaction could be decreased significantly. Furthermore,
the ionic liquid - Pd
2+
system could be reused in subsequent reaction without significant
degradation in activity.





iii



BÁO CÁO NGHIỆM THU
Tên đề tài: Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck hình thành liên kết
carbon-carbon trong điều kiện hóa học xanh

Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Thanh Sơn Nam
Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM
Thời gian thực hiện đề tài: 07/2008 – 07/2009
Kinh phí được duyệt: 282 triệu đồng
Mục tiêu (theo đề cương đã duyệt):

Thực hiện các phản ứng ghép đôi carbon - carbon Heck của các dẫn xuất
halobenzene và styrene trong một số điều kiện hóa học xanh (green chemistry). Đây là
loại phản ứng mới đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới nhưng ở Việt
Nam vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu và vẫn chưa được đưa vào giảng dạy chi tiết tại
các trường đại học. Mục tiêu cụ thể của đề tài là:
- Nghiên cứu sử dụng bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác rắn cho phản ứng, nhằm
tận dụng được nguồn khoáng sét tự nhiên có sẵn trong nước làm xúc tác mà không cần
phải sử dụng các xúc tác phức có chi phí cao.
- Nghiên cứu thực hiện phản ứng trong dung môi là chất lỏng ion (ionic liquid) - là một
trong những loại dung môi xanh (green solvent) đang được quan tâm trên thế giới, nhằm
khắc phục những khuyết điểm của các dung môi hữu cơ thông thường.
Nội dung (theo đề cương đã duyệt):
• Bentonite nguyên khai được lấy từ mỏ Bình Thuận do Sở Khoa Học Công Nghệ &
Môi Trường Tỉnh Bình Thuận cung cấp. Tiến hành sơ chế và tinh chế bentonite Bình
Thuận để loại đất cát, các khoáng calcium … Bentonite sau khi sơ chế được hoạt hóa
bằng dung dịch acid HCl để loại các kim loại nằm giữa các lớp cấu trúc
montmorrilonite như Ca, Mg, Na, K … Sau giai đoạn hoạt hóa sẽ thu được bentonite
chứa proton giữa các lớp mạng cấu trúc.
• Tiến hành trao đổi bentonite hoạt hóa với dung dịch PdCl
2
để thay thế các proton giữa
các lớp cấu trúc bằng cation Pd
2+
, thu được xúc tác Pd rắn.
• Xác định các đặc trưng của xúc tác điều chế được như hàm lượng Pd có trong xúc tác
bentonite biến tính, bề mặt riêng của bentonite hoạt hóa và của xúc tác, đo độ acid
của bentonite hoạt hóa và của xúc tác, phân tích phổ nhiễu xạ tia X và so sánh với các
mẫu montmorrilonite chuẩn.
• Nghiên cứu sử dụng xúc tác bentonite biến tính với Pd
2+

điều chế được cho phản ứng
Heck giữa iodobenzene và styrene. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên độ chuyển hóa
của phản ứng như: loại dung môi hữu cơ sử dụng cho phản ứng Heck (DMF, xylene,
alcohol …), loại base sử dụng cho phản ứng Heck (Na
2
CO
3
, CH
3
COONa,
triethylamine …), nhiệt độ phản ứng (80 – 120
o
C), hàm lượng xúc tác (0.1 – 1 mol%
so với iodobenzene), thời gian phản ứng.
iv

• Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác bentonite biến tính cho phản ứng
Heck giữa iodobenzene và styrene. Sau khi thực hiện phản ứng, xúc tác bentonite
biến tính được lọc rửa nhiều lần bằng các dung môi hữu cơ để loại các tác chất và sản
phẩm bám trên xúc tác, sau đó được sử dụng lại cho phản ứng Heck với các điều kiện
tương tự như phản ứng sử dụng xúc tác mới. So sánh độ chuyển hóa của phản ứng
trong trường hợp xúc tác thu hồi với xúc tác mới.
• Thực hiện phản ứng Heck giữa các dẫn xuất của iodobenzene có mang nhóm thế hút
điện tử (4-iodoacetophenone), hoặc mang nhóm thế đẩy điện tử (4-iodotoluene) với
styrene. Từ đó so sánh ảnh hưởng của các hiệu ứng hút hay đẩy điện tử của các nhóm
thế lên độ chuyển hóa của phản ứng sử dụng xúc tác bentonite biến tính.
• Thực hiện phản ứng ghép đôi giữa các dẫn xuất bromobenzene, 4-
bromoacetophenone, 4-bromotoluene với styrene, sử dụng xúc tác bentonite biến tính.
Ngoài ra, khảo sát hoạt tính của xúc tác bentonite biến tính trên phản ứng Heck của
một số dẫn xuất dị vòng như bromopyridine, bromothiophene.

• Tổng hợp chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide bằng phản ứng giữa
1-bromohexane và N-methylimidazole, tinh chế chất lỏng ion, xác định các thông số
hoá lý của chất lỏng ion điều chế được.
• Sử dụng chất lỏng ion điều chế được làm dung môi xanh cho phản ứng Heck giữa
iodobenzene và các dẫn xuất với styrene. Xúc tác sử dụng cho phản ứng này là PdCl
2

hoặc Pd(OAc)
2
hoà tan trong chất lỏng ion. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên độ
chuyển hóa của phản ứng như nhiệt độ, tỷ lệ dung môi, hàm lượng xúc tác, thời gian
phản ứng.
• Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion và xúc tác trong phản ứng
Heck giữa iodobenzene và styrene.
• Kết quả nghiên cứu sử dụng chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide làm
dung môi cho phản ứng Heck giữa iodobenzene và dẫn xuất với styrene sẽ làm tiền đề
cho các đề tài tiếp theo về việc sử dụng các loại chất lỏng ion khác nhau làm dung
môi xanh cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ khác nhau.

Các thành viên tham gia thực hiện đề tài:
1. TS Phan Thanh Sơn Nam 7. ThS Ngô Thị Thanh An
2. TS Tống Thanh Danh 8. ThS Phan Thị Mỹ Dung
3. ThS Phan Thị Hoàng Anh 9. KS Nguyễn Việt Thịnh
4. ThS Lê Xuân Tiến 10. KS Nguyễn Thị Hoài Ân
5. KS Trương Vũ Thanh 11. KS Nguyễn Thị Mỹ Hiền
6. ThS Bùi Thị Hồng Hương 12. KS Vương Quang Thạo
Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM

v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT


VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ
DMF Dimethylformamide
Pd(OAc)
2
Palladium acetate
Et
3
N Triethylamine
NMR Cộng hưởng từ hạt nhân
MS Khối phổ
GC Sắc ký khí
AAS Quang phổ hấp thu
ICP Ghép plasma
NMR Cộng hưởng từ hạt nhân
XRD Nhiễu xạ tia X
TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua
SEM Kính hiển vi điện tử quét

vi


DANH SÁCH HÌNH



SỐ TÊN HÌNH ẢNH TRANG
Hình 1.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene 1
Hình 1.2. Cơ chế tổng quát của phản ứng Heck 2
Hình 1.3 Một số chất lỏng ion thường gặp 5
Sơ đồ 2.1 Quy trình tinh chế bentonite 9
Sơ đồ 2.2 Quy trình điều chế bentonite biến tính với Pd
2+

10
Sơ đồ 2.3 Quy trình thực hiện phản ứng tổng quát 11
Hình 2.1 Thực hiện phản ứng trong điều kiện gia nhiệt
thông thường
12
Hình 2.2 Thực hiện phản ứng trong điều kiện vi sóng 13
Sơ đồ 2.4 Quy trình thu hồi xúc tác 14
Sơ đồ 3.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất arylhalide với
styrene
18
Hình 3.1 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng lên độ chuyển hóa của
phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene
19
Hình 3.2 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng lên độ chuyển hóa của
phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và styrene
19
Hình 3.3 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hoá của phản ứng
Heck giữa iodobenzene và styrene
20
Hình 3.4 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hoá của phản ứng
Heck giữa 4-iodotoluene và styrene
21
Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng
Heck giữa iodobenzene và styrene
21
Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng
Heck giữa 4-iodotoluene và styrene
22
Hình 3.7 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của
phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene

22
Hình 3.8 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của
phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và styrene
23
Hình 3.9 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck giữa
iodobenzene và styrene
23
Hình 3.10 Số lần thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck
giữa iodobenzene và styrene
24
Hình 3.11 Độ chọn lọc sản phẩm trans- trong quá trình thu hồi và tái
sử dụng xúc tác
24
Hình 3.12 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene lên độ
chuyển hóa của phản ứng Heck
25
vii

Hình 3.13 Độ chọn lọc của sản phẩm trans- trong phản ứng Heck 25
Sơ đồ 3.2 Giai đoạn cộng hợp oxy hóa (oxidative addition) quyết
định tốc độ phản ứng trong chu trình phản úng Heck
26
Hình 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng
Heck giữa bromobenzene và styrene
27
Hình 3.15 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hoá của phản ứng
Heck giữa bromobenzene và styrene
27
Hình 3.16 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của
phản ứng Heck giữa bromobenzene và styrene

28
Hình 3.17 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck giữa
bromobenzene và styrene
29
Hình 3.18 Độ chọn lọc của sản phẩm trans- trong phản ứng Heck
giữa bromobenzene và styrene
29
Hình 3.19 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene lên độ
chuyển hóa của phản ứng Heck của bromobenzene
30
Hình 3.20 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và
styrene trong điều kiện có hỗ trợ của vi sóng
31
Hình 3.21 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa bromobenzene và dẫn
xuất với styrene trong điều kiện có hỗ trợ của vi sóng
32
Hình 3.22 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa 2-bromothiophene, 3-
bromothiophene, 3-bromopyridine với styrene trong điều
kiện có hỗ trợ của vi sóng
32
Hình 3.23 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck giữa
bromobenzene và styrene trong điều kiện vi sóng
33
Hình 3.24 Độ chọn lọc của sản phẩm trans- trong phản ứng Heck
giữa bromobenzene và styrene trong điều kiện vi sóng
33
Sơ đồ 3.3 Điều chế các chất lỏng ion 1-butyl-, 1-hexyl-, và 1-octyl-
3-methylimidazolium bromide trong điều kiện có sự hỗ
trợ của vi sóng
34

Hình 3.25 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa của
phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene thực hiện
trong chất lỏng ion
38
Hình 3.26 Ảnh hưởng của tỷ lệ triphenylphosphine:palladium lên độ
chuyển hóa của phản ứng Heck giữa iodobenzene và
styrene thực hiện trong chất lỏng ion

38
Hình 3.27 Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene thực hiện
trong chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi sóng
40
Hình 3.28 Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene thực hiện
trong chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi sóng, lần lượt sử
dụng xúc tác Pd(OAc)
2
và PdCl
2

41
Hình 3.29 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa của 41
viii

phản ứng Heck thực hiện trong chất lỏng ion với sự hỗ
trợ của vi sóng
Hình 3.30 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa iodobenzene và dẫn
xuất với styrene trong chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi
sóng
42
Hình 3.31 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa iodobenzene,

bromobenzene, chlorobenzene với styrene trong chất lỏng
ion với sự hỗ trợ của vi sóng
43
Hình 3.32 Ảnh hưởng của chiều dài gốc alkyl lên độ chuyển hóa của
phản ứng Heck thực hiện trong chất lỏng ion với sự hỗ
trợ của vi sóng
44
Hình 3.33 Ảnh hưởng của chiều dài gốc alkyl lên độ chọn lọc của
sản phẩm trans trong phản ứng Heck thực hiện trong chất
lỏng ion với sự hỗ trợ của vi sóng
44
Hình 3.34 Thu hồi và tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác
trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene trong
điều kiện gia nhiệt thông thường
45
Hình 3.35 Thu hồi và tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác
trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene trong
điều kiện vi sóng
46
Hình 3.36 Số lần thu hồi và tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc
tác trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene với
sự hỗ trợ của vi sóng
46
Hình 3.37 Độ chọn lọc sản phẩm trans- trong quá trình thu hồi và tái
sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác trong phản ứng
Heck giữa iodobenzene và styrene với sự hỗ trợ của vi
sóng
47
Hình 3.38 Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene sử dụng xúc
tác bentonite biến tính thực hiện trong dung môi chất lỏng

ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide với sự hỗ trợ
của vi sóng

48
Hình 3.39 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa iodobenzene,
bromobenzene, chlorobenzene với styrene sử dụng xúc tác
bentonite biến tính trong chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi
sóng
48
Hình 3.40 Ảnh hưởng của chiều dài gốc alkyl lên độ chuyển hóa của
phản ứng Heck sử dụng xúc tác betonite biến tính trong 3
chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi sóng
49
Hình 3.41 Độ chọn lọc sản phẩm trans- của phản ứng Heck sử dụng
xúc tác betonite biến tính trong 3 chất lỏng ion với sự hỗ
trợ của vi sóng
49
ix

Hình 3.42 Thu hồi và tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác
bentonite biến tính trong phản ứng Heck giữa
iodobenzene và styrene trong điều kiện vi sóng
50
Hình 3.43 Độ chọn lọc sản phẩm trans trong quá trình thu hồi và tái
sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác bentonite biến
tính trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene
trong điều kiện vi sóng
51

x

MỤC LỤC

Trang
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1
CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK VỚI XÚC TÁC
BENTONITE BÌNH THUẬN BIẾN TÍNH
2.1.1. Nguyên liệu
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu
9
9

9
9
2.1.2.2 Xác định một số đặc trưng của xúc tác 10
2.1.2.3. Kiểm tra hoạt tính xúc tác trong phản ứng Heck 10
2.1.2.4. Xử lý kết quả 13
2.1.2.5. Thu hồi và tái sử dụng xúc tác 13
2.2. NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK TRONG DUNG
MÔI XANH LÀ CHẤT LỎNG ION
2.2.1. Nguyên liệu
14

14
2.2.2 Phương pháp nghiên cứu
2.2.2.1. Điều chế chất lỏng ion
15
15

2.2.2.2. Xác định cấu trúc của chất lỏng ion 15
2.2.2.3. Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck trong dung môi là chất
lỏng ion
15
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK VỚI XÚC TÁC
BENTONITE BÌNH THUẬN BIẾN TÍNH
3.1.1. Điều chế xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính với Pd
2+

17
17

17
3.1.2. Phản ứng Heck của iodobenzene và dẫn xuất với styrene 17
3.1.2.1. Ảnh hưởng của dung môi phản ứng 18
3.1.2.2. Ảnh hưởng của loại base được sử dụng 20
3.1.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 21
3.1.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 22
3.1.2.5. Thu hồi và tái sử dụng xúc tác 23
3.1.2.6. Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene 25
3.1.3. Phản ứng Heck của bromobenzene và dẫn xuất với styrene 26
3.1.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 26
3.1.3.2. Ảnh hưởng của loại base được sử dụng 27
3.1.3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 28
3.1.3.4. Thu hồi và tái sử dụng xúc tác 28
3.1.3.5. Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene 30
3.1.4. Phản ứng Heck thực hiện với sự hỗ trợ của vi sóng 30
3.2. NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK TRONG DUNG
MÔI XANH LÀ CHẤT LỎNG ION

34

xi

3.2.1. Điều chế chất lỏng ion 34
3.2.2.Xác định cấu trúc của chất lỏng ion 36
3.2.3. Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck trong dung môi là chất lỏng
ion trong điều kiện gia nhiệt thông thường
37
3.2.4. Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck trong dung môi là chất lỏng
ion trong điều kiện có sự hỗ trợ của vi sóng
39
3.2.5. Nghiên cứu khả năng thu hồi và tái sử dụng hệ dung môi chất lỏng
ion - xúc tác palladium trong phản ứng Heck
45
3.2.6. Nghiên cứu kết hợp xúc tác bentonite biến tính với chất lỏng ion
làm dung môi xanh cho phản ứng Heck
47
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 54
PHỤ LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

I. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC
Phản ứng ghép đôi carbon-carbon (cross-coupling reactions) xây dựng bộ khung
carbon phức tạp từ những phân tử đơn giản nhờ vào các xúc tác kim loại chuyển tiếp đã
và đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của cộng đồng các nhà khoa học trong những năm
vừa qua [1]. Trong đó, các phản ứng ghép đôi carbon-carbon Heck giữa các dẫn xuất

haloarene và các alkene đầu mạch chứa nhóm thế hút điện tử liên kết trực tiếp với liên kết
đôi (hình 1.1) được xem là một trong những loại phản ứng quan trọng nhất, được ứng
dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất dược phẩm, sản xuất các hoá chất cao cấp cũng
như các vật liệu kỹ thuật có tính năng cao [2]. Ví dụ phản ứng ghép đôi Heck là một giai
đoạn trong quá trình điều chế dược phẩm CP-724,714 (quinazoline) [3] - là dược phẩm
có khả năng ngăn ngừa bệnh ung thư, hoặc trong quá trình điều chế dược phẩm BMS-
204352 - là dược phẩm có khả năng chống đột qụy [4]. Phản ứng ghép đôi Heck cũng là
một hay nhiều giai đoạn trong quá trình điều chế một số dược phẩm khác có cấu trúc
phức tạp dựa trên cơ sở các hoạt chất có nguồn gốc tự nhiên như rosavin và dẫn xuất [5],
resveratrol và dẫn xuất [6]. Phản ứng ghép đôi Heck cũng là một hay nhiều giai đoạn
trong quá trình tổng hợp một số loại thuỷ tinh hữu cơ hoặc polymer dẫn điện có tính năng
đặc biệt [7]. Ngoài ra, rất nhiều quá trình điều chế những dược phẩm quan trọng khác
cũng như những hợp chất trung gian có giá trị cần sử dụng đến phản ứng ghép đôi Heck
[2].
X
+
[Pd]
+
+
R
R
R
R
trans-isomer
geminal-isomer
cis-isomer

Hình 1.1. Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene
1

Các xúc tác truyền thống sử dụng cho phản ứng ghép đôi Heck là các phức
phosphine palladium đồng thể. Các xúc tác phức này có hoạt tính và độ chọn lọc cao [1].
Cơ chế phản ứng Heck tổng quát của trường hợp sử dụng xúc tác phức phosphine
palladium đồng thể cũng đã được đề nghị (hình 1.2). Chu trình phản ứng Heck gồm có
các giai đoạn tổng quát như sau: (i) cộng hợp oxy hóa (oxidative addition), (ii) cộng hợp
kiểu syn (syn-addition), (iii) quay nội phân tử và tách loại kiểu syn (internal rotation and
syn-elimination). Sản phẩm chính của phản ứng Heck luôn luôn là đồng phân dạng
trans- (hoặc dạng E-) bền, sản phẩm phụ của phản ứng có thể là đồng phân cis- hoặc
đồng phân geminal-, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể [8]. Tuy nhiên tương tự như các
xúc tác đồng thể khác, các xúc tác phức phosphine palladium có nhược điểm là khó tách
ra khỏi hỗn hợp sản phẩm, không có khả năng thu hồi và tái sử dụng. Vấn đề sản phẩm bị
nhiễm vết kim loại nặng là một vấn đề quan trọng cần phải giải quyết triệt để của ngành
công nghiệp hóa dược. Ngoài ra, phosphine là loại hóa chất có độc tính cao và có chi phí
cao, không thể thu hồi và tái sử dụng.

Hình 1.2. Cơ chế tổng quát của phản ứng Heck
Trong nhiều trường hợp, chi phí dành cho phosphine và xử lý các vấn đề liên
quan đến phosphine cao hơn chi phí dành cho palladium [8]. Để giải quyết vấn đề này
trong bối cảnh hóa học xanh đang được quan tâm, với tiêu chí tìm ra những loại xúc tác
xanh hơn và sạch hơn cho phản ứng ghép đôi Heck, nhiều loại xúc tác trên chất mang rắn
đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu. Xúc tác trên chất mang rắn
có ưu điểm dễ tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng và có khả năng tái sử dụng, cũng như giải
quyết được vấn đề sản phẩm phản ứng bị nhiễm vết kim loại nặng, đáp ứng được một tiêu
chí của hóa học xanh. Hàng năm, hàng trăm bài báo về nhiều khía cạnh khác nhau của
phản ứng ghép đôi Heck, đặc biệt là vấn đề liên quan đến xúc tác, đã được công bố trên
các tạp chí chuyên ngành có uy tín. Ở đây chỉ giới thiệu một số công trình tiêu biểu được
công bố trong thời gian gần đây.
Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm là cố định các phức
palladium lên các chất mang silica làm xúc tác rắn cho phản ứng ghép đôi Heck. Nhóm
tác giả Mingzhong Cai và cộng sự [9] đã nghiên cứu điều chế xúc tác rắn trên cơ sở phức

poly(γ-mercaptopropylsiloxane palladium) từ γ-mercaptopropyltriethoxysilane, qua giai
đoạn cố định lên silica MCM-41, sau đó là giai đoạn phản ứng với palladium chloride và
khử bằng hydrazine hydrate. Xúc tác rắn điều chế được có hoạt tính và độ chọn lọc cao
trong phản ứng ghép đôi Heck giữa các alkene liên hợp và aryl halide, và có khả năng thu
hồi và tái sử dụng mà hoạt tính xúc tác giảm không đáng kể. Nhóm tác giả Garima Singh
và cộng sự [10] đã nghiên cứu điều chế phức palladium họ (P,P) hay (P,N), sau đó cố
định lên silica gel làm xúc tác rắn cho phản ứng Heck giữa aryl bromide, aryl iodide và
dẫn xuất với styrene, acrylic acid và dẫn xuất. Các phản ứng có độ chọn lọc cao, chỉ cho
chủ yếu sản phẩm dạng trans Xúc tác rắn có thể tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng,
2

3

có thể thu hồi và tái sử dụng khoảng 15 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm đáng kể.
Tương tự như vậy, nhóm nghiên cứu của tác giả Özge Aksın và cộng sự [11] cũng đã
điều chế xúc tác phức Pd-N-heterocyclic carbenes cố định trên chất mang silica gel và sử
dụng cho phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene. Tuy nhiên nghiên cứu
cho thấy xúc tác không bền trong quá trình phản ứng, mặc dù bản thân xúc tác bền với
nhiệt độ.
Cũng sử dụng các xúc tác phức cố định trên chất mang silica, một số công bố gần
đây tập trung nghiên cứu sử dụng xúc tác silica dạng nano cho phản ứng Heck. Xúc tác
dạng nano được quan tâm nhờ kết hợp được các ưu điểm của xúc tác đồng thể và các ưu
điểm của xúc tác dị thể. Nhóm nghiên cứu của tác giả Vivek Polshettiwar và cộng sự [12]
đã điều chế các xúc tác phức palladium trên cơ sở pyridine bằng cách sử dụng N,N-
dimethyl-pyridin-4-yl-(3-triethoxysilyl-propyl)-ammonium iodide cố định trên silica
dạng nano, sau đó xử lý với palladium acetate. Xúc tác nano điều chế có hoạt tính cao
trong phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide với styrene hoặc ester acrylate. Xúc
tác có khả năng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng, thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt
tính xúc tác không giảm đáng kể. Các tác giả Shikchya Tandukar và cộng sự [13] đã điều
chế xúc tác phức N-heterocyclic carbene-palladium (NHC-Pd) cố định trên chất mang

silica dạng nano, kích thước khoảng 10 nm và sử dụng cho phản ứng Heck. Do xúc tác có
kích thước nano, sự tiếp xúc giữa tác chất và tâm hoạt động của xúc tác được cải thiện so
với các xúc tác rắn thông thường. Xúc tác trên chất mang nano silica có khả năng thu hồi
và tái sử dụng nhiều lần.
Một loại xúc tác palladium trên chất mang rắn cho phản ứng Heck đang được
quan tâm là xúc tác bao gồm các hạt palladium dạng nano được cố định trên chất mang
rắn. Nhóm nghiên cứu của các tác giả Nicoletta Panziera và cộng sự [14] đã điều chế xúc
tác hạt nano palladium theo phương pháp hơi kim loại, cố định trên
polydimethylphosphazene. Xúc tác điều chế được có hoạt tính cao trong phản ứng Heck
giữa iodobenzene và các acrylate ester, và hoạt tính của xúc tác này cao hơn so với các
xúc tác palladium thương mại khác dùng cho phản ứng Heck. Xúc tác này tan được trong
dung môi của phản ứng là 1-methyl-2-pyrrolidinone, sau phản ứng được thu hồi bằng
phương pháp kết tủa bằng cách thêm một dung môi thứ hai. Các tác giả Avelino Corma
[15] và cộng sự đã nghiên cứu điều chế xúc tác palladium cố định trên các ống carbon
nano đơn vách, làm xúc tác cho phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene. Xúc tác
nano này có hoạt tính cao hơn so với các xúc tác palladium thương mại khác như
palladium mang trên than hoạt tính. Nhóm nghiên cứu của các tác giả Michael A. R.
Meier và cộng sự [16] cũng đã nghiên cứu cố định các hạt palladium nano lên chất mang
copolymer của poly(ethylene oxide) và poly(e-caprolactone), sử dụng làm xúc tác cho
phản ứng Heck giữa 4-bromoacetophenone và styrene. Xúc tác có hoạt tính cao, cho độ
chuyển hóa trên 99% ở hàm lượng xúc tác 0.1%, có khả năng thu hồi và tái sử dụng.
Các xúc tác phức palladium sử dụng cho phản ứng Heck còn có thể cố định lên
các chất mang dạng polymer. Nhóm nghiên cứu của các tác giả Patrick G. Steel và cộng
sự [17] đã điều chế xúc tác phức N-heterocyclic carbene cố định trên chất mang rắn là
polymer. Xúc tác được sử dụng cho phản ứng Heck giữa aryl halide và dẫn xuất, có hoạt
4

Một loại chất mang rắn được quan tâm sử dụng làm chất mang xúc tác là các loại
khoáng sét tự nhiên. Các loại khoáng sét này được biến tính theo nhiều phương pháp
khác nhau để làm chất mang xúc tác cho nhiều loại phản ứng khác nhau, trong đó có các

phản ứng ghép đôi Heck. Nhóm nghiên cứu của các tác giả Macarena Poyatos và cộng sự
[21] đã cố định một loạt các phức bis-carbene-pincer của palladium (II) trên một loại
khoáng sét thương mại là montmorillonite K-10. Xúc tác rắn được đánh giá hoạt tính
trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và dẫn xuất với styrene. Cấu trúc của xúc tác
được xác định bằng các phương pháp phân tích hóa lý. Xúc tác có hoạt tính cao, có khả
năng thu hồi và tái sử dụng 10 lần mà hoạt tính không giảm đáng kể. Nhóm nghiên cứu
của các tác giả Zuhui Zhang và cộng sự [22] đã sử dụng khoáng sét diatomite làm chất
mang cho xúc tác palladium dạng nano, sử dụng làm xúc tác cho phản ứng Heck giữa các
dẫn xuất aryl halide với styrene và dẫn xuất. Xúc tác có hoạt tính cao, có khả năng thu
hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm đáng kể.
Nhóm nghiên cứu của chủ nhiệm đề tài và cộng sự [23] cũng đã nghiên cứu điều
chế phức palladium dạng salen, sau đó cố định lên chất mang là nhựa Merrifield trên cơ
sở polystyrene với liên kết ngang là divinylbenzene 2%. Xúc tác phức palladium trên
chất mang polymer này có hoạt tính cao trong phản ứng ghép đôi Heck giữa 4-
bromoanisole và dẫn xuất với styrene trong dung môi dimethylformalmide. Xúc tác có
khả năng thu hồi và tái sử dụng 5 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm đáng kể. Ngoài
ra, xúc tác này còn có hoạt tính cao, có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà
không giảm đáng kể hoạt tính trong phản ứng ghép đôi carbon-carbon khác là phản ứng
Suzuki [24]. Hàng trăm công trình về xúc tác palladium trên chất mang rắn sử dụng cho
phản ứng Heck, các vấn đề cơ chế phản ứng, các vấn đề thu hồi và tái sử dụng xúc tác và
một số vấn đề liên quan được cũng đã được chủ nhiệm đề tài tóm tắt lại trong bài báo
tổng quan (review) đăng trên tạp chí Advanced Synthesis & Catalysis năm 2006 [1].
N
+
R
2
R
1
R
4

R
3
P
+
R
2
R
1
R
4
R
3
S
+
R
2
R
1
R
3
cations:
N
R
+
N
N
+
R
2
R

1
anions:
BF
4
-
, PF
6
-
, SbF
6
-
, NO
3
-
, (CF
3
SO
3
)
2
N, ArSO
3
-
, CF
3
CO
2
-
, CH
3

CO
2
-
, Al
2
Cl
7
-


Hình 1.3. Một số chất lỏng ion thường gặp
Một lĩnh vực khác của việc nghiên cứu phản ứng ghép đôi Heck trong điều kiện
hóa học xanh là sử dụng chất lỏng ion (ionic liquid) làm dung môi xanh cho phản ứng.
Các chất lỏng ion (ionic liquids) là những muối hữu cơ (hình 1.3) có nhiệt độ nóng chảy
thấp (thường gặp nhất là muối ammonium bậc bốn), thường tồn tại ở trạng thái lỏng ở
nhiệt độ thường. Chất lỏng ion có một số tính chất đặc biệt mà các dung môi hữu cơ
thông thường không có, ví dụ chất lỏng ion không bay hơi, do đó so với các dung môi
hữu cơ thông thường thì chất lỏng ion không gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng
nhiều đến sức khoẻ người lao động cũng như hạn chế tối đa hiện tượng cháy nổ [25].
Chất lỏng ion còn có tính bền nhiệt cao, có thể thực hiện các phản ứng hữu cơ trong chất
lỏng ion ở nhiệt độ cao. Ngoài ra chất lỏng ion còn có khả năng hoà tan nhiều hợp chất
hữu cơ, cơ kim … Những tính chất đặc biệt của chất lỏng ion đã và đang thu hút sự quan
tâm của các nhà khoa học trên thế giới, có hàng ngàn công trình nghiên cứu về chất lỏng
ion ở nhiều khía cạnh khác nhau [26]. Chất lỏng ion được cho là một trong những dung
môi xanh (green solvent) cho tổng hợp hữu cơ, và có rất nhiều phản ứng hữu cơ đã được
thực hiện trong dung môi xanh này - trong đó các phản ứng ghép đôi carbon-carbon sử
dụng xúc tác là kim loại chuyển tiếp đang rất được quan tâm [27]. Ở đây chỉ giới thiệu
một số công trình tiêu biểu công bố trong những năm gần đây.
Nhóm nghiên cứu của các tác giả Ruihu Wang và cộng sự [28] đã thực hiện phản
ứng giữa 2-(2-pyridyl)imidazole với alkyl iodide ở 25 °C với sự có mặt của xúc tác base

hình thành sản phẩm 1-alkyl-2-(2-pyridyl)imidazole. Tiếp tục phản ứng với alkyl hay
polyfluoroalkyl halide ở 100 °C, tiếp theo là giai đoạn trao đổi anion LiN(SO
2
CF
3
)
2
, hình
thành các chất lỏng ion tương ứng. Kết quả nghiên cứu cho thấy các chất lỏng ion điều
chế được là dung môi rất tốt cho phản ứng Heck giữa các aryl halide với styrene và dẫn
xuất, với sự có mặt của xúc tác palladium chloride. Hệ dung môi chất lỏng ion và xúc tác
palladium có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác không giảm
đáng kể. Các tác giả Nasser Iranpoor và cộng sự [29] đã nghiên cứu điều chế chất lỏng
ion trên cơ sở imidazole – phosphinite, sử dụng làm dung môi cho phản ứng Heck giữa
các dẫn xuất aryl halide với styrene và n-butyl acrylate. Hệ dung môi chất lỏng ion và
xúc tác palladium có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần trong phản ứng Heck nói
trên mà hoạt tính không giảm đáng kể. Trong các phản ứng sử dụng dung môi chất lỏng
5

6

Bên cạnh các chất lỏng ion trên cơ sở imidazole, nhiều loại chất lỏng ion khác
được điều chế làm dung môi xanh cho phản ứng Heck. Các tác giả Shenghai Li và cộng
sự [30] đã nghiên cứu điều chế chất lỏng ion trên cơ sở guanidine và acetic acid, sử
dụng làm dung môi cho phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene. Xúc tác
được sử dụng cho quá trình này là palladium chloride, hoà tan trong chất lỏng ion. Chất
lỏng ion ở đây vừa đóng vai trò là dung môi, vừa đóng vai trò một base, vừa đóng vai trò
làm ligand, ổn định xúc tác palladium. Hệ chất lỏng ion và palladium chloride cho hoạt
tính cao trong phản ứng, và có khả năng thu hồi và tái sử dụng mà không giảm hoạt tính
đáng kể. Nhóm nghiên cứu của các tác giả Vincenzo Calò và cộng sự [31] đã nghiên cứu

điều chế các chất lỏng ion tetrabutylammonium bromide hay acetate làm dung môi cho
phản ứng Heck. Xúc tác sử dụng là phức palladium benzothiazolidene. Các kết quả phân
tích hóa lý cho thấy trong điều kiện phản ứng, palladium được biến đổi về dạng hạt nano,
là xúc tác thật sự cho phản ứng ghép đôi. Hệ xúc tác palladium trong chất lỏng ion cho
hoạt tính và độ chọn lọc cao.
Các nghiên cứu gần đây quan tâm đến việc sử dụng chất lỏng ion trên chất mang
rắn, hoặc kết hợp xúc tác trên chất mang rắn với chất lỏng ion cho phản ứng Heck. Các
tác giả Babak Karimi và cộng sự [32] đã nghiên cứu cố định hệ phức N-heterocyclic
carbene palladium/ionic liquid lên bề mặt silica. Hệ phức palladium/ionic liquid được kết
hợp với dung môi NMP, sử dụng cho phản ứng Heck của 4-bromoanisole và dẫn xuất với
methyl acrylate. Hệ xúc tác rất bền nhiệt, có thể sử dụng ở nhiệt độ 280
o
C, có khả năng
thu hồi và tái sử dụng khoảng 4 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm đáng kể. Các kết
quả phân tích TEM cho thấy sự xuất hiện của các hạt palladium kích thước nano. Nhóm
nghiên cứu của các tác giả Xingang Xie và cộng sự [33] đã nghiên cứu điều chế chất lỏng
ion 1-octanyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, kết hợp xúc tác palladium trên chất
mang than hoạt tính, làm xúc tác cho phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide với
styrene và dẫn xuất. Hệ xúc tác có thể thu hồi và tái sử dụng 5 lần mà không mất hoạt
tính đáng kể.
Các tác giả Kumaravel Selvakumar và cộng sự [34] đã nghiên cứu sử dụng chất
lỏng ion là tributylammonium bromide làm dung môi cho phản ứng Heck giữa các dẫn
xuất aryl chloride và styrene, với sự có mặt của xúc tác phức monocarbenepalladium.
Phản ứng ghép đôi trong điều kiện này cho hiệu suất cao. Cần lưu ý là trong các dung
môi hữu cơ thông thường, các dẫn xuất aryl chloride thường tham gia phản ứng rất chậm
và trong nhiều trường hợp, phản ứng xảy ra không đáng kể. Các tác giả Vincenzo Calo và
cộng sự [35] cũng nghiên cứu sử dụng chất lỏng ion tetrabutylammonium bromide cho
phản ứng Heck của một số dẫn xuất aryl bromide và aryl chloride. Kết quả nghiên cứu
cho thấy phản ứng xảy ra với tốc độ nhanh hơn so với các dung môi hữu cơ thông
thường. Xúc tác sử dụng trong trường hợp này là palladium dạng nano cố định trên chất

mang rắn là chitosan. Hệ xúc tác có khả năng thu hồi và tái sử dụng.

Bên cạnh các phản ứng ghép đôi Heck, rất nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ khác
được tiến hành trong dung môi xanh là chất lỏng ion. Hàng năm, có hàng trăm công trình
7

Nhóm nghiên cứu của tác giả Ignacio López và cộng sự [39] đã điều chế chất lỏng
ion trên cơ sở imidazole, làm dung môi cho phản ứng đóng vòng Diels-Alder trong điều
kiện có sự hỗ trợ của vi sóng. Phản ứng cho hiệu suất cao, dung môi có khả năng thu hồi
và tái sử dụng nhiều lần. Các tác giả Xiang-Shan Wang và cộng sự [40] đã điều chế chất
lỏng ion [bmim
+
][BF
4
−
] và sử dụng làm dung môi xanh cho phản ứng tổng hợp rất nhiều
dẫn xuất của N-arylquinoline bằng phản ứng ba thành phần trong một bình phản ứng
(one-pot) từ arylaldehyde, 3-arylamino-5,5- dimethylcyclohex-2-enone, và các hợp chất
methylene linh động bao gồm malononitrile, meldrum's acid, và 1,3-indenedione. Các
phản ứng one-pot trong chất lỏng ion đều cho hiệu suất cao trên 99% mà không cần đi
qua giai đoạn tách và tinh chế sản phẩm trung gian, giảm được lượng chất thải cũng như
chi phí hóa chất cho quy trình. Nhóm nghiên cứu của các tác giả Brindaban C. Ranu và
cộng sự [41] đã điều chế chất lỏng ion 1-methyl-3-butylimidazolium hydroxide và sử
dụng làm dung môi, đồng thời dung môi có hoạt tính xúc tác cho phản ứng cộng hợp
Michael giữa các hợp chất methylene linh động với các hợp chất có nhóm carbonyl. Các
phản ứng cho hiệu suất cao, và chất lỏng ion có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều
lần.

II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
Như đã trình bày ở trên, các phản ứng ghép đôi carbon-carbon Heck đang được

cộng đồng hoá học trên thế giới quan tâm - đặc biệt là thực hiện các phản ứng này trong
những điều kiện hoá học xanh. Tuy nhiên theo hiểu biết của chúng tôi, cho đến nay, ở
Việt Nam vẫn chưa có các công trình khoa học về các phản ứng ghép đôi quan trọng này,
đặc biệt là thực hiện trong điều kiện Hoá học xanh, được công bố trên các tạp chí chuyên
ngành hay các hội nghị khoa học. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi ở Trường Đại Học
Bách Khoa – ĐHQG Thành Phố Hồ Chí Minh đã bước đầu nghiên cứu thăm dò sử dụng
bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác cho phản ứng Heck giữa iodobenzene và
styrene dưới dạng một đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở (cấp trường) và bước đầu đã
có một số kết quả khả quan, mở ra một hướng nghiên cứu mới về việc tận dụng nguồn
khoáng sét tự nhiên có sẵn trong nước biến tính với palladium làm xúc tác cho phản ứng
ghép đôi Heck cũng như một số phản ứng ghép đôi khác [42].
8

Bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ đã
được các nhà khoa học trong nước nghiên cứu từ nhiều năm qua, đặc biệt là nhóm nghiên
cứu của tác giả Ngô Thị Thuận ở Đại học Quốc gia Hà Nội. Ở đây chỉ giới thiệu một số
công trình khoa học tiêu biểu của nhóm nghiên cứu này. Các công trình của nhóm nghiên
cứu này tập trung vào việc trao đổi bentonite Bình Thuận với các kim loại như Fe
3+
, Al
3+
,
Zn
2+
… làm xúc tác acid rắn trong các phản ứng alkyl hoá hydrocarbon thơm [43]. Cấu
trúc cũng như các đặc trưng của xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính cũng đã được
nghiên cứu [44]. Một số vấn đề về cơ chế phản ứng alkyl hoá trên xúc tác bentonite biến
tính đã được nhóm nghiên cứu công bố [45]. Các công trình nghiên cứu này cho thấy việc
sử dụng bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác cho tổng hợp hữu cơ có nhiều điểm
thuận lợi, ví dụ vấn đề tách và tinh chế sản phẩm dễ dàng hơn, cũng như xúc tác rắn sẽ có

khả năng thu hồi và tái sử dụng tốt hơn, hạn chế lượng chất thải độc hại.
Ngoài nhóm nghiên cứu của tác giả Ngô Thị Thuận, một số tác giả khác cũng tập
trung nghiên cứu về bentonite Bình Thuận dưới nhiều lĩnh vực khác nhau. Tác giả Đặng
Tuyết Phương và cộng sự [46] đã công bố các nghiên cứu về cấu trúc, tính chất hóa lý và
các ứng dụng của bentonite Bình Thuận Việt Nam. Nhóm nghiên cứu của tác giả Trần
Khắc Chương và cộng sự [47] đã nghiên cứu biến tính bentonite Bình Thuận với các
cation kim loại làm xúc tác acid rắn cho phản ứng Cracking dầu mỏ. Nhóm nghiên cứu
của tác giả Trần Thị Việt Hoa và chủ nhiệm đề tài cũng có nghiên cứu sử dụng bentonite
Bình Thuận biến tính với các cation kim loại như Fe
3+
, Al
3+
, Zn
2+
… làm xúc tác acid rắn,
thay thế các acid Lewis và acid lỏng truyền thống, cho phản ứng alkyl hóa toluene với
nhiều tác chất alkyl hóa khác nhau [48, 49]. Tuy nhiên, như đã nói ở trên, cho đến nay
vẫn chưa thấy công bố về việc sử dụng bentonite Bình Thuận biến tính với palladium làm
xúc tác cho phản ứng ghép đôi carbon-carbon Heck.
Chất lỏng ion được cho là một trong những dung môi xanh (green solvent) cho
tổng hợp hữu cơ, và có rất nhiều phản ứng hữu cơ đã được thực hiện trong dung môi xanh
này - trong đó các phản ứng ghép đôi carbon-carbon sử dụng xúc tác là kim loại chuyển
tiếp đang rất được quan tâm. Ở Việt Nam, việc thăm dò sử dụng chất lỏng ion xử lý dầu
diesel đã được nhóm nghiên cứu của tác giả Lê Ngọc Thạch và cộng sự ở Trường Đại
Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh thực hiện [50,51]. Tuy nhiên cho đến
nay, ở Việt Nam vẫn chưa có các nghiên cứu về việc nghiên cứu sử dụng dung môi xanh
này trong tổng hợp hữu cơ công bố trên các tạp chí chuyên ngành.

CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK VỚI XÚC TÁC
BENTONITE BÌNH THUẬN BIẾN TÍNH
2.1.1. Nguyên liệu
Bentonite nguyên khai được lấy từ mỏ Bình Thuận do Sở Khoa học Công nghệ
Tỉnh Bình Thuận cung cấp. PdCl
2
rắn được cung cấp bởi Công ty Kanto Chemical – Nhật
Bản. Các hóa chất hữu cơ gồm có iodobenzene, 4-iodotoluene, 4-idoacetophenone,
bromobenzene, 4-bromotoluene, 4-bromoacetophenone, chlorobenzene, triethylamine,
styrene, trans-stilben, cis-stilben, DMF, triethylamine được cung cấp bởi Công ty Sigma-
Aldrich và Merck. Các hóa chất khác bao gồm HCl đậm đặc, Na
2
CO
3
, CH
3
COONa,
toluene, rượu isoamyl, diethyl ether được cung cấp bởi Công ty Shantou Xiulong, Trung
Quốc. Styrene được tinh chế bằng phương pháp chưng cất dưới áp suất thấp và bảo quản
ở 0 – 5
o
C, tránh ánh sáng trực tiếp.
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

2.1.2.1. Điều chế xúc tác

Sơ đồ 2.1. Quy trình tinh chế bentonite
Bentonite Bình Thuận được sơ chế và tinh chế theo quy trình đã công bố trước
đây của tác giả Ngô Thị Thuận và của nhóm nghiên cứu chúng tôi [43,44,48,49]. Trong
đó, dựa trên các công bố của tác giả Ngô Thị Thuận [43,44], chúng tôi đã khảo sát ảnh
hưởng của các yếu tố lên quá trình tinh chế bentonite Bình Thuận, và tìm được các thông
9

số thực nghiệm thích hợp [48,49]. Bentonite tinh chế được hoạt hoá bằng dung dịch HCl
10% với tỷ lệ rắn:lỏng là 1:22 (tính trên khối lượng khô tuyệt đối), khuấy liên tục ở 70
o
C
trong 6 giờ. Hỗn hợp sau đó đem lọc, rửa bằng nước cất cho đến hết ion Cl
-
(kiểm tra
bằng dung dịch AgNO
3
), sấy khô và nghiền mịn, thu được bentonite-H
+
(Sơ đồ 2.1).
Bentonite-H
+
được tiến hành trao đổi với dung dịch muối PdCl
2
0,016 M với tỷ lệ
rắn lỏng là 1:8 (tính trên khối lượng khô tuyệt đối), khuấy liên tục ở 70
o
C trong 24 giờ.
Hỗn hợp sau khi trao đổi xong được đem lọc, rửa bằng nước cất cho đến hết ion Cl

-
(kiểm
tra bằng dung dịch AgNO
3
), sấy khô và nghiền mịn, rây qua rây 100 mesh, thu được xúc
tác bentonite-Pd
2+
, bảo quản trong bình hút ẩm (Sơ đồ 2.2).

Sơ đồ 2.2. Quy trình điều chế bentonite biến tính với Pd
2+
2.1.2.2 Xác định một số đặc trưng của xúc tác
Mẫu bentonite-H
+
được xác định phổ nhiễu xạ tia X tại Viện Dầu Khí Việt Nam,
sử dụng máy Siemens của Đức trong điều kiện ống phát tia bằng Cu, bước sóng K
α

=
1,5046 Å, cường độ ống phát 35 mA, điện áp 40 KV, góc quét 2θ thay đổi từ 3-65
o
, phím
lọc Ni.
Bề mặt riêng của xúc tác bentonite-Pd
2+
được xác định bằng phương pháp hấp
phụ BET theo N
2
ở 77 K. Mẫu được đo tại Phòng Thí nghiệm Phân tích thuộc Viện Công
nghệ Hoá học TP. Hồ Chí Minh. Hình ảnh TEM được xác định tại Phòng Thí nghiệm

Trọng điểm Polymer – thuộc Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM. Hình ảnh SEM
được xác định tại Viện Công nghệ Hoá học TP. Hồ Chí Minh.
Hàm lượng Pd trong xúc tác bentonite-Pd
2+
được xác định bằng phương pháp
quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS) và khối phổ ghép plasma (ICP-MS). Mẫu được đo
tại Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí Nghiệm TP. Hồ Chí Minh.
2.1.2.3. Kiểm tra hoạt tính xúc tác trong phản ứng Heck
10


11


Sơ đồ 2.3. Quy trình thực hiện phản ứng tổng quát
Hoạt tính của xúc tác bentonite-Pd
2+
được xác định trong phản ứng ghép đôi Heck
giữa iodobenzene (C
6
H
5
I) và styrene. Quy trình phản ứng được thực hiện dựa theo các tài
liệu đã công bố trước đây [23]. Pha 250 ml dung dịch gốc của iodobenzene trong các
dung môi tương ứng, có chứa một lượng hexadecane (C
16
H
34
) dùng làm nội chuẩn cho
phản ứng, với tỷ lệ mol C

6
H
5
I : C
16
H
34
là 1:1.
-Khuấy từ
-t
o
C
-thời gian 7h

Phản ứng
Heck
Iodobenzene
DMF
chất nội chuẩn
Base
bent-Pd
2+

styrene
base
Lấy 0,2 ml mẫu ở
thời điểm t
o

Lấy 0,2 ml mẫu sau

m
ỗ
i1
gi
ờ
Trích ly
Phân tích
GC
Hỗn hợp 1ml
diethylether và 1ml
nư
ớc
Trích ly
Phân tích
GC
Tương
tự quá
trình
trích
ly mẫu
có sản
phẩm
Na
2
SO
4
khan
Tính độ
chuyển hoá

Hình 2.1. Thực hiện phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường
Mỗi phản ứng thực hiện với 5 ml dung dịch hỗn hợp nói trên, tương ứng với 0,12
ml C
6
H
5
I. Dung dịch phản ứng được cho vào bình cầu 2 cổ có chứa sẵn một lượng xúc
tác tương ứng, và cho thêm một lượng base tương ứng với tỷ lệ mol C
6
H
5
I : base được cố
định là 1:3. Sau đó cho 0,2 ml styrene vào dung dịch phản ứng, tương ứng với tỷ lệ mol
C
6
H
5
I : styrene cố định là 1:1,5.
Hỗn hợp phản ứng được nâng đến nhiệt độ thích hợp bằng bếp khuấy từ gia nhiệt
(Hình 2.1). Tại thời điểm ban đầu và cách mỗi giờ phản ứng, dùng kim tiêm lấy 0,2 ml
mẫu, hoà tan vào 1 ml ether và trích ly với 1 ml nước cất. Tác chất và sản phẩm tan trong
pha ether và base tan trong pha nước. Pha ether được đem đi phân tích sắc ký khí (GC),
từ đó tính độ chuyển hoá của phản ứng theo phương pháp dựa trên nội chuẩn (Sơ đồ 2.3).
Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene còn được thực hiện trong điều kiện
có sự hỗ trợ của vi sóng, sử dụng lò vi sóng gia dụng Whirlpool, Model
AVM541/WP/WH có thể điều chỉnh được công suất và thời gian. Phản ứng được thực
hiện ở công suất 800 W trong bình cầu có gắn sinh hàn hoàn lưu nước đặt trong lòng lò vi
sóng (Hình 2.2). Tổng thời gian phản ứng trong lò vi sóng là 1 h, trong đó quá trình
chiếu xạ được gián đoạn sau mỗi 15 phút.
Sản phẩm của phản ứng còn được kiểm chứng bằng phương pháp sắc ký khí ghép

khối phổ (GC-MS) với điều kiện: cột Agilent 19091s, 30 m x 0,25 mm x 0,25 mm x 0,25
µm; detector MS, khí mang helium, nhiệt độ injector 300
o
C, nhiệt độ detector 300
o
C,
vận tốc khí mang 36 cm/s, chương trình nhiệt độ như sau:

60
o
C (1 phút) 100
o
C 145
o
C 300
o
C (3 phút)
12

5
o
C/ 10
o
C/ 25 C/
p
hú
t

p
hú

t
o
p
hú
t

Hình 2.2. Thực hiện phản ứng trong điều kiện vi sóng
2.1.2.4. Xử lý kết quả
Độ chuyển hóa của phản ứng được xác định dựa vào diện tích các mũi tương ứng
trên sắc ký đồ có so sánh với nội chuẩn sử dụng trong phản ứng, dựa trên công thức sau
đây:
%100
)(
)()(
%
o
chuannoi
ArX
chuannoi
ArX
o
chuannoi
ArX
t
S
S
t
S
S
t

S
S
X
−
−−
−
=

Sản phẩm của phản ứng được nhận danh bằng cách dựa vào khối lượng phân tử
và cách phân mảnh trên các khối phổ (MS) tương ứng. Trong trường hợp phản ứng giữa
iodobenzene và styrene, sản phẩm của phản ứng còn được nhận danh dựa trên thời gian
lưu của các chất chuẩn tương ứng (trans-stilben, cis-stilben từ Sigma-Aldrich) để phân
biệt các đồng phân của sản phẩm. Các đồng phân của sản phẩm còn có thể được phân biệt
dựa vào nhiệt độ sôi và thời gian lưu trên sắc ký đồ.
2.1.2.5. Thu hồi và tái sử dụng xúc tác
Sau khi các phản ứng kết thúc, lượng xúc tác bentonite-Pd
2+
được tách ra khỏi
hỗn hợp phản ứng bằng phương pháp lọc hoặc ly tâm, và tiến hành lọc rửa nhiều lần với
các dung môi như toluene, DMF, nước, và ethanol để loại bỏ các tác chất hấp phụ vật lý
trên bề mặt xúc tác. Sau đó xúc tác thu hồi được sấy khô và sử dụng lại cho phản ứng
mới giữa iodobenzene và styrene (Sơ đồ 2.4). Điều kiện phản ứng tương tự như phản ứng
13