tổng hợp dẫn xuất 4h piran dùng xúc tác k2co3 tẩm trên chất mang rắn montmorillonite k 10

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN HÓA HỌC
Chuyên ngành: HÓA HỮU CƠ



TỔNG HỢP DẪN XUẤT 4H-PIRAN
DÙNG XÚC TÁC K2CO3 TẨM TRÊN
CHẤT MANG RẮN
MONTMORILLONITE K-10
GVHD: ThS. Phạm Đức Dũng
SVTH: Nguyễn Thị Bích Ngọc
Lớp: Hóa 4C

Tp.

Hồ

Chí

Minh,

tháng

05

năm

2013


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................... 2
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................... 3
Chương 1: TỔNG QUAN ...................................................................... 5
1.1 Giới thiệu 4H-piran[4] ................................................................................ 5
1.2 Hoạt tính và ứng dụng dẫn xuất 4H-piran ............................................... 8
1.3 Phương pháp tổng hợp dẫn xuất 4H-piran .............................................. 8
1.4 Khoáng sét[8] ............................................................................................. 12
1.5 Montmorillonite......................................................................................... 14

Chương 2: THỰC NGHIỆM ............................................................... 18
2.1 Hóa chất và thiết bị ................................................................................... 18
2.2 Điều chế xúc tác tẩm K2CO3 trên chất mang rắn Montmorillonite K10 ......................................................................................................................... 18
2.3 Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran (4a-f) .......................................................... 19
2.4 Định danh sản phẩm ................................................................................. 19

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................... 20
3.1 Quy trình tổng hợp dẫn xuất 4H-piran................................................... 20

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .............................................. 56
4.1 Kết luận ...................................................................................................... 56
4.2 Đề xuất ........................................................................................................ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... 58


LỜI MỞ ĐẦU

Lí do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nói chung và Hóa học nói riêng, trong
đó Hóa học về tổng hợp các hợp chất hữu cơ ngày càng phát triển nhằm tạo ra các hợp
chất phục vụ đời sống con người. Trong lĩnh vực y học, những hợp chất dị vòng ngày
càng tổng hợp nhiều và có những hoạt tính sinh học, khả năng ứng dụng cao. Vì vậy, các
chất

này

góp

phần

vào

việc

chữa

trị

các

căn

bệnh

hiểm

nghèo.

Trong đó phản ứng đa thành phần (MCRs) có rất nhiều đóng góp cho sự tổng hợp
các phân tử hữu cơ phức tạp và các cấu trúc thú vị từ các vật liệu đơn giản và sẵn có trên
thị trường như là một công cụ mạnh mẽ cho những phát minh thuốc hiện nay và sự phát
triển ngành dược trong tương lai[1-2].
Phản ứng tổng hợp đa thành phần trong điều kiện không dung môi hay dung môi
không độc hại và sử dụng xúc tác rắn là một quy trình tổng hợp hữu cơ được quan tâm
nhiều nhất hiện nay do nó thỏa mãn được những yêu cầu của một mô hình tổng hợp hiện
đại như đã nêu ở trên. Sự thay thế những xúc tác thông thường bằng xúc tác rắn góp phần
làm giảm ô nhiễm môi trường và chi phí phản ứng do giá thành rẻ, dễ sử dụng và thu hồi,
có thể tái sử dụng nhiều lần, sản phẩm có hiệu suất và độ chọn lọc cao.
Nhiều nghiên cứu cho thấy dẫn xuất 4H-piran là hợp chất có nhiều ứng dụng do có
các hoạt tính sinh học và dược lý quan trọng. Trong đó, dị vòng 4H-piran cho thấy hoạt
động dược lý mạnh hơn và đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh hóa. Những
hợp chất này được sử dụng như thuốc chống đông, chống ung thư và đặc biệt được sử
dụng để điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh (bệnh Alzheimer, bệnh tâm thần phân
liệt)…[3]
Với ý nghĩa trên, tôi đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Tổng hợp dẫn xuất 4Hpiran dùng xúc tác K 2 CO 3 tẩm trên chất mang rắn montmorillonite K-10”.
Đề tài này nghiên cứu dùng xúc tác K 2 CO 3 tẩm trên chất mang rắn montmorillonite
K-10 để tổng hợp một số dẫn xuất 4H-piran có hoạt tính sinh học được ứng dụng trong
thực tế.


 Mục đích nghiên cứu của đề tài:
• Nghiên cứu phương pháp tổng hợp dẫn xuất 4H-piran bằng phản ứng đa thành
phần với xúc tác K 2 CO 3 /MMT K−10.
• Dựa trên phương thức tốt nhất để tiến hành tối ưu hóa phản ứng bằng cách khảo
sát những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất, bao gồm: nhiệt độ phản ứng, thời gian
phản ứng, tỉ lệ giữa các tác chất và khối lượng xúc tác.
•

Tổng hợp một số dẫn xuất của 4H–piran bằng cách thay thế trực tiếp trên vòng
thơm bởi các nhóm clo, brom, metyl, nitro…dựa trên các điều kiện tối ưu.

• Dựa trên đặc tính ưu việt của MMT K-10 là giá thành rẻ, dễ sử dụng, dễ xử lý và
thu hồi, chúng tôi nghiên cứu khả năng tái sử dụng xúc tác để xanh hóa phản ứng
một cách kinh tế nhất.
• Khảo sát tính chất vật lí (nhiệt độ, nhiệt độ nóng chảy, màu sắc…) của các hợp
chất điều chế được.
• Khảo sát cấu trúc các hợp chất điều chế được bằng các phổ cộng hưởng từ hạt
nhân.
 Phương pháp nghiên cứu
• Tham khảo các tài liệu khoa học liên quan
• Thực hiện tổng hợp trong phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ Khoa Hóa học, trường
Đại học khoa học tự nhiên TP.HCM.
• Phương pháp kết tinh trong dung môi thích hợp được sấy khô thu được sản phẩm
tinh khiết sẽ được dùng để xác định hiệu suất phản ứng.
Khảo sát cấu trúc của các hợp chất thu được thông qua phổ cộng hưởng từ hạt nhân.


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu 4H-piran[4]
1.1.1 Khái niệm
Piran là những eter vòng sáu cạnh không no.
Piran không phải là hợp chất thơm nên không quan trọng mà dẫn xuất piron quan
trọng hơn do có trong thành phần nhiều hợp chất thiên nhiên. Piron có thể xem như là
dẫn xuất cacbonyl của piran (α và γ-piran).

1.1.2

Phân loại

1.1.2.1 α-piran, 2H-piran hay 1,2-oxin
• α-piran có hệ thống liên hợp, không tồn tại dạng tự do mà khung α-piran chỉ có
trong hợp chất muối pirilium, thường gặp hợp chất của α-piran dưới dạng α-piron và αcromon.

O

O

O

α –piron( 2H-piron -2) α-cromon(2H-cromon)

O

O

Coumarin
(2H-Benzopiramon-2)

Hình 1.1: Hợp chất α-piron và α-cromon
• Muối pirilium thường gặp dạng benzopirilium, có trong thành phần cấu tạo của
hợp chất màu thực vật cyanin. Cyanin tồn tại ở các dạng cấu tạo khác nhau có giá trị pH
thay đổi.


O - glucose

O

O

HO

O

-

OH

+

Cl

OOH
HO

-

O

OH

O

OOOH

O-

O

Hình 1.2: Cyanin (cân bằng acid–base của cyanin)

O

• α-piron có trong khung coumarin. Coumarin có thể được tổng hợp bằng cách cho
aldehid salicylic tác dụng với anhidrid acetic có xúc tác natri acetat.
CHO
(CH3CO)2O
OH

+

CH3COONa

O

CH3COOH

O

Sơ đồ 1.1: Tổng hợp coumarin
Khung coumarin có trong công thức cấu tạo của hợp chất varfarin có tác dụng
chống đông máu.
OH

C6H5

O

O

COCH3

Hình 1.3: Varfarin


1.1.2.2 γ-pian, 4H-piran hay 1,4-dioxin
•

Thường gặp ở dạng γ-piron và γ-cromon.Trong các hợp chất flavonoid có chứa

khung γ-cromon.
O

O

O

O

γ-piron

γ-cromon
O

O
OH

O

O

Flavon

Flavonol

Hình 1.4: Hợp chất chứa khung γ-cromon
•

Các chất màu thực vật thương chứa khung Flavon. Một số chất hữu cơ chứa khung

γ-cromon dùng trong dược phẩm như nedocromilnatri.
OH

O

O

O

N

O

Et

CH(CH3)2

R

OH
HO

O

NaOOC

OH

( R = H, OH hay O – gốc đường )
Các flavon màu vàng

Nedocromilnatri

Hình 1.5: Hợp chất chứa khung Flavon

COONa


1.2 Hoạt tính và ứng dụng dẫn xuất 4H-piran
4H-piran là một bộ khung quan trọng của dị vòng bởi vì đoạn cốt lõi được cấu
thành bởi một loạt các sản phẩm tự nhiên và các hợp chất khác có giá trị. Hiện nay, dẫn
xuất 4H-piran đang được quan tâm đáng kể do các hoạt tính sinh học và dược lý của nó,
thí dụ chống co thắt, lợi tiểu, thuốc chống đông máu, chống ung thư, điều trị các bệnh
thoái hóa thần kinh, bao gồm cả bệnh Alzheimer, cũng như để điều trị tâm thần phân liệt
và rung giật cơ. Đặc biệt, chúng có thể được sử dụng như là các chất tăng cường nhận
thức cho việc điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh[3].
Ngoài ra, nó đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh hóa , bao gồm một
chất ức chế chọn lọc kích thích subtype vận chuyển amino axit 1, IKCa thuốc chẹn kênh,
A3 thuốc đối kháng thụ adenosine như tiềm năng chống viêm đại lý, và proapoptotic hoạt

động chống lại các tế bào ung thư. Dẫn xuất 4H-piran cũng có tiềm năng đối kháng kênh
canxi có cấu trúc tương tự như hoạt tính sinh học 1,4-dihidropiridin[2,5].
Hơn nữa, dẫn xuất 4H-piran đại diện cho các khối xây dựng bộ khung của một loạt
các sản phẩm tự nhiên. Một số dẫn xuất 2-amino-4H-piran được sử dụng làm vật liệu
quang hoạt, bột màu và khả năng phân hủy sinh học hóa chất nông nghiệp[3,5-7].
Như vậy, tổng hợp dẫn xuất 4H-piran có tầm quan trọng đang thu hút nhiều sự chú
ý trong tổng hợp hữu cơ thông qua một số phương pháp đã được báo cáo tổng hợp các
dẫn xuất 4H-piran bằng nhiều phương pháp đa dạng trong đó phương pháp phản ứng
ngưng tụ ba thành phần của hợp chất β-dicarbonyl với andehit và malononitrile đạt thành
công nhất và đưa đến ứng dụng thực tiễn tốt nhất.

1.3 Phương pháp tổng hợp dẫn xuất 4H-piran
1.3.1 Phản ứng đa thành phần[1]
Phản ứng đa thành phần (multi–component reaction, MCR) có thể được phân loại
là chỉ đơn giản là một phản ứng, trong đó ba hoặc nhiều hơn các thành phần được kết hợp
với nhau trong một bình phản ứng duy nhất của một quá trình (one–pot operation) gồm
nhiều giai đoạn để tạo thành sản phẩm cuối cùng chứa đựng hầu hết các nguyên tử của
các nguyên liệu ban đầu.


Người đầu tiên báo cáo MCR là Strecker tổng hợp các axit amin ở những năm
1850. Strecker tổng hợp axit amin kết hợp một aldehyde, hydrogen cyanide và amoniac
theo một phương pháp đơn giản dẫn đến một loạt các axit amin. Với hơn 150 năm lịch sử
và phát triển, MCRs gần đây đã thấy một sự nghiên cứu và phát triển sâu hơn, một phần
là do sự dễ dàng phản ứng tạo một loạt các hợp chất đa dạng các nhóm chức hữu ích, đặc
biệt là nhiều dị vòng nhỏ của thuốc hóa học quan trọng trong tổng hợp.
Phản ứng đa thành phần có khả năng tạo thành các phân tử phức tạp với sự đơn
giản và ngắn gọn nhất. Một lợi ích điển hình của phản ứng này là dễ dàng thu được sản
phẩm tinh khiết, vì hầu hết tác chất ban đầu đều được kết hợp tạo thành sản phẩm cuối.
1.3.2 Các phương pháp tổng hợp dẫn xuất 4H-piran



Theo tài liệu tham khảo [2], các tác giả Arturo Sasnchez, Fernando Hernadez và

Joaquin Tamariz tổng hợp thành công các dẫn xuất 4H-piran dưới sự thúc đẩy của bức xạ
hồng

ngoại

trong

điều

kiện

không

dung

môi,

sử

dụng

tỉ

lệ

benzaldehid:malononitril:acetoacetate etil = 3:3:3 (mmol), xúc tác amoni hydroxid (3

mmol) và thời gian phản ứng là 10 phút. Sản phẩm cuối cùng kết tinh bằng dung môi
etanol/H 2 O. Kết quả một số dẫn xuất được trình bày trong Bảng 1.1.
• Phương trình tổng hợp
EtO
O
H

R

NH4OH

CN

+

R

O

O

+

CN
EtO

O

+

IR

CN
CH3

H3C

Sơ đồ 1.2: Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran [2]

O

NH2

H2O


Bảng 1.1: Kết quả tổng hợp dẫn xuất 4H-piran[2]



STT

R

Hiệu suất (%)

1

C6H5

98

2

4-NO 2 C 6 H 5

98

3

4-FC 6 H 4

80

4

3-CHOC 6 H 4

40

Theo tài liệu tham khảo [3], các tác giả Majid M. Heravi và Mina Adibi tổng hợp

dẫn xuất 4H-piran bằng phương pháp đun hoàn lưu 1h trong điều kiện tỉ lệ tác chất
benzaldehid:malononitril:acetoacetate etil = 10:12:10 (mmol), sử dụng 10 ml dung môi
CH 3 CN và xúc tác Cu(II) oxymetasilicate (0,3 mmol). Sản phẩm cuối cùng được kết tinh
bằng etanol. Kết quả được trình bày trong Bảng 1.2.
• Phương trình phản ứng
R

CHO

EtO

O

O

Catalyst

CN

+

+

O

CN

Reflux

R

H3C

CH3

Sơ đồ 1.3:
Bảng 1.2:



CN
EtO

+
O

H2O

NH2

Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran [3]

Kết quả tổng hợp dẫn xuất 4H-piran sử dụng Cu (II) oxymetasilicate
STT

R

Hiệu suất (%)

1

H

88

2

4-NO 2

92

3

3-NO 2

91

4

4-Cl

92

5

4-OMe

85

6

4-Me

83

7

4-OH

84

Theo tài liệu tham khảo [5], các tác giả A. Moshtaghi zonouz, I.Eskandari và D.

Moghani bằng phương pháp khuấy trộn hỗn hợp benzaldeid:malononitril:acet


benzaldehid:malononitril:acetoacetat etil = 1:1:1 (mmol) trong 10 ml etanol/H 2 O với
lượng xúc tác amoni acetat (1,3 mmol) tại nhiệt độ 55oC. Sản phẩm cuối cùng kết tinh
bằng etanol. Kết quả được thể hiện trong Bảng 1.3.
• Phương trình phản ứng:
X

NH4OAc
Water:etanol
(1:1)

CHO
R

O

CN

+

+

CN
R

O

55oC,
5-25 phút

CN
X

O

CH3

+

H3C

O

H2O

NH2

Sơ đồ 1.4: Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran [5]
Bảng 1.3: Kết quả tổng hợp 2-amino-4H-piran trong H 2 O-etanol



STT

Aldehid

Thời gian (phút)

R

Hiệu suất (%)

1

H

5

OEt

87

2

4-NO 2

5

OEt

94

3

Br

10

OEt

84

4

CH 3

15

OEt

83

Ngoài ra, còn một số bài báo nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất 4H-piran như: phương

pháp sử dụng xúc tác dị thể MgO khuấy trộn trên bếp hoàn lưu 5h trong dung môi
methanol[6], phương pháp dùng xúc tác Mg-La đun hoàn lưu trong 1h với dung môi
methanol[7].


Những phương pháp trên tổng hợp thành công dẫn xuất 4H-piran nhưng chưa đáp

ứng được xu hướng tổng hợp “Hóa học Xanh” ngày nay vì còn sử dụng dung môi
methanol gây độc, đun hoàn lưu trong thời gian lâu và các xúc tác dị thể trong phòng thí
nghiệm chưa có sẵn nên chúng tôi mở ra một hướng nghiên cứu mới là khảo sát khả năng

xúc tác của K 2 CO 3 tẩm trên chất mang rắn Montmorillonite K-10 bằng phương pháp
khuấy từ điều nhiệt trong dung môi etanol/H 2 O.


1.4 Khoáng sét[8]
Khoáng sét được hình thành trong tự nhiên do sự phong hóa hóa học các loại đá
chứa silicate dưới tác động của acid carbonic hoặc do các hoạt động thủy nhiệt. Khoáng
sét là hỗn hợp bao gồm Al 2 O 3 , SiO 2 , H 2 O và một số oxid của kim loại kiềm, kiềm thổ,
sắt, mangan, kẽm… Phần lớn, khoáng sét thường gặp dưới dạng tập hợp hạt mịn. Khi hấp
phụ nước, chúng trở thành vật liệu với độ dẻo thay đổi.
1.4.1 Cơ cấu[9-10]
1.4.1.1 Tấm tứ diện
Mỗi tứ diện chứa một cation T liên kết với bốn nguyên tử oxigen, và liên kết với
các tứ diện kế cận bằng ba oxigen đáy (O b , the basal oxigen atom) tạo thành một mô hình
mạng lưới vòng sáu cạnh hai chiều vô tận. Cation tứ diện thường là Si4+, Al3+ và Fe3+.

Hình 1.6 :

Tấm tứ diện của lớp khoáng sét

(a) : Tứ diện [TO 4 ]; (b) : Tấm tứ diện (T)
O a và O b lần lượt là oxigen đỉnh và oxigen đáy

1.4.1.2 Tấm bát diện
Mỗi bát diện chứa một cation T liên kết với sáu nhóm hidroxil. Trong tấm bát
diện, sự liên kết giữa mỗi bát diện O và các bát diện kế cận là bởi các cạnh trải rộng theo
hai chiều trong mặt phẳng.
Cation bát diện thường là Al3+, Fe3+, Mg2+ và Fe2+. Ngoài ra còn có một số ion
khác như Li+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, V3+, Cr3+ và Ti4+.
Nguyên tử oxigen tự do ở mỗi tứ diện (O a , the tetrahedral apical oxigen atom)

trong tấm tứ diện cùng hướng về một phía so với tấm và liên kết với các tấm bát diện tạo
thành mặt phẳng chứa O oct (O oct = OH, F, Cl, O). O oct là anion của tấm bát diện, nằm ở


trung tâm của vòng sáu tứ diện và không liên kết với tấm tứ diện, nguyên tử oxigen này
liên kết với nguyên tử hidrogen tạo thành nhóm –OH trong cơ cấu của đất sét. Bát diện
có hai dạng hình học khác nhau phụ thuộc vào vị trí nhóm –OH : định hướng cis (2 O oct
nằm cùng phía) và trans (2 nhóm O oct nằm khác phía).

Hình 1.7 : Tấm bát diện của một lớp khoáng sét
(a): sự định hướng O oct (OH, F, Cl) trong cis-bát diện và trans-bát diện
(b): Vị trí tâm cis và tâm trans trong tấm bát diện

Oa

và

Ob

lần lượt là oxigen đỉnh và oxigen đáy

1.4.2 Phân loại[11-12]
Sự sắp xếp giữa tấm tứ diện và tấm bát diện thông qua các nguyên tử oxigen một
cách liên tục tạo nên mạng tinh thể của khoáng sét. Có 2 kiểu sắp xếp chính:
1.4.2.1 Lớp 1:1
Cơ cấu của lớp 1:1 là sự sắp xếp trật tự tuần hoàn của một tấm bát diện và một tấm
tứ diện (TO). Trong cơ cấu của lớp 1:1, mỗi ô mạng bao gồm 6 bát diện (4 bát diện định
hướng cis và 2 bát diện định hướng trans) và 4 tứ diện.

Hình 1.8: Cơ cấu lớp 1:1
O: Cation bát diện; T: Cation tứ diện; O a : oxigen tại đỉnh tứ diện
O b : oxigen tại đáy tứ diện; O oct : tâm anion bát diện

1.4.2.2 Lớp 2:1
Cơ cấu của lớp 2:1 bao gồm một tấm bát diện nằm giữa hai tấm tứ diện, mỗi ô
mạng bao gồm 6 bát diện và 8 tứ diện, 2/ 3 nhóm hidroxil của tấm bát diện được thay thế
bởi các oxigen đỉnh của tấm tứ diện.

Hình 1.9:

Cơ cấu lớp 2:1

O: Cation bát diện; T: Cation tứ diện; O a : oxigen tại đỉnh tứ diện
O b : oxigen tại đáy tứ diện; O oct : tâm anion bát diện

1.5 Montmorillonite
1.5.1 Lịch sử-Khái niệm[13]
Montmorillonite (MMT) là một khoáng sét phyllosilicate rất mềm, là thành phần
chính của bentonite (khoảng 80–90 % theo khối lượng) – sản phẩm phong hóa tro núi
lửa. MMT được phát hiện vào năm 1847 tại Montmorillon trong tỉnh Vienne của Pháp,


sau đó được tìm thấy ở nhiều nơi khác trên thế giới và được biết đến với các tên gọi khác
nhau.
Montmorillonite là một trong những xúc tác thông dụng được sử dụng rộng rãi
trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt trong lĩnh vực Hóa học Xanh do khả năng phản ứng tốt,
thân thiện với môi trường, không độc hại và dễ dàng thu hồi tái sử dụng. Montmorillonite
đóng vai trò như xúc tác acid rắn hay chất mang rắn “Xanh” trong các phản ứng hóa học
do có nguồn gốc từ tự nhiên, dễ sử dụng và bền vững trong thời gian dài.

1.5.2 Cơ cấu phân loại[14]
MMT thuộc nhóm smectit, có cơ cấu lớp 2:1 bao gồm hai tấm tứ diện và một tấm
bát diện, mỗi lớp có độ dày khoảng 1 nm và có thể mở rộng theo hai hướng khác nhau
đến vài trăm nm.
Cơ cấu và thành phần mỗi loại đất sét tùy thuộc vào đặc thù địa chất nơi tìm thấy.
Do đó mỗi loại đất sét có một công dụng khác nhau. Cơ cấu của MMT được minh họa
như sau:

Hình 1.10:

1.5.3 Tính chất
1.5.3.1 Tính chất vật lí[15]

Mô hình cơ cấu không gian của MMT K-10


MMT là dạng đơn khoáng, gần giống sáp nến, màu trắng, xám, vàng nhạt, nâu,
nâu đỏ, có thể màu xám xanh hoặc xanh lục…khi sờ cảm thấy nhờn và trơn.
Tỷ trọng MMT trong khoảng 2.2 – 2.6, độ cứng Mohs tương đối khoảng 1.5. Tốc
độ lắng đọng thấp, thường có hiện tượng kết bông khi gặp môi trường kiềm, có độ pH
cao hoặc khi thay đổi môi trường nhanh chóng.
MMT có diện tích bề mặt lớn, diện tích lớp cao, kích thước hạt rất mịn, độ dẻo cao
và có tính thấm ướt thấp.
1.5.3.2 Tính chất hóa học
1.5.3.2.1 Tính trao đổi ion[10,15]
4+

− Si
[ Si4O10 ]4− 
→[ AlSi3O10 ]5−

+ Al 3+ ( Fe3+ )

Nguyên nhân tạo ra khả năng này là sự thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ (Fe3+)
trong mạng tứ diện và Al3+ bởi Mg2+ (Fe2+) trong mạng bát diện làm xuất hiện điện tích
âm trong cơ cấu. Điện tích âm đó được trung hòa bởi các cation trao đổi giữa các lớp,
thông thường là các cation kiềm: K+, Na+… và kiềm thổ: Ca2+, Ba2+… Chính các điện
tích sinh ra này làm thay đổi lực hút tĩnh điện giữa các lớp và ảnh hưởng nhiều đến khả
năng xúc tác của MMT. Bằng cách thay thế các cation giữa các lớp bằng các cation khác
có thể tạo ra nhiều loại MMT khác nhau có tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity, CEC) của MMT thay đổi
trong một khoảng rộng từ 80–140 meq/100 g. Khả năng trao đổi ion còn phụ thuộc vào
hóa trị và bán kính của các cation trao đổi, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các
cation có hóa trị lớn theo thứ tự M+ > M2+ > M3+. Với các cation có cùng hóa trị, bán kính
càng nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng lớn theo thứ tự Li+> Na+> K+> Mg2+> Ca2+>
Fe2+> Al3+.
1.5.3.2.2 Hấp phụ[16]
Tính chất hấp phụ của MMT được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cơ cấu lớp
của chúng. Do MMT có cơ cấu tinh thể và độ phân tán cao nên có cơ cấu xốp phức tạp và
bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của MMT gồm diện tích bề mặt ngoài và diện tích bề
mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa
các lớp trong cơ cấu tinh thể. Bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt.


Sự hấp phụ bề mặt trong của MMT có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô
cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có
kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao
đổi nằm ở lớp xen giữa (interlayer) hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước.
Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết
hợp trực tiếp vào vị trí oxigen đáy (O b ) của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực
Van Der Waals hoặc nối hidrogen.

Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polymer và đặc biệt là vi khuẩn
chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của MMT.
1.5.3.2.3 Tính trương nở[17]
Sự trương nở (swelling capacity) của MMT có thể xảy ra do sự hấp phụ nước hoặc
dung môi hữu cơ phân cực vào giữa các tinh thể hoặc giữa các lớp trong tinh thể, hoặc
tiếp xúc trực tiếp với môi trường có áp suất hơi của chất lỏng cao, thậm chí có thể do sự
thay thế cation nhỏ ở lớp xen giữa bằng các cation hữu cơ lớn hơn. Mỗi dạng trương nở
khác nhau sẽ có những quá trình khác nhau và chịu sự điều khiển bởi các yếu tố khác
nhau.
1.5.3.2.4 Khả năng xúc tác của MMT K-10[18]
MMT có tính chất cơ bản có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ đó là độ
acid cao. Nó có thể được xem là acid Lewis do sự thay thế đồng hình các ion Si4+ bằng
ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở bát diện làm bề mặt của MMT
mang điện tích âm. Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện
tích âm của chúng không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm acid Lewis được tạo
thành từ ion Al3+ và ion Mg2+. Trên bề mặt MMT tồn tại các nhóm hidroxil có khả năng
nhường proton để hình thành trên bề mặt MMT những tâm acid Brönsted.
 Đặc tính của MMT K−10 [19]
Là dạng bột mịn, màu trắng, không độc, pH 2.5−3.5, diện tích bề mặt BET khoảng
250 m2.g-1, tỉ khối 300−370 kg.m-3.
Với những ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, không gây ăn mòn, có thể tái sử
dụng, thân thiện với môi trường và dễ xử lý, trong vài năm gần đây, xúc tác có nguồn gốc
từ đất sét, đặc biệt là MMT, nhận được nhiều sự quan tâm trong tổng hợp hữu cơ. Điển
hình là sét MMT K−10, một sản phẩm thương mại hóa, được nghiên cứu rộng rãi và trở
thành một xúc tác hữu ích cho nhiều loại phản ứng.


Chương 2: THỰC NGHIỆM
2.1 Hóa chất và thiết bị
2.1.1 Hóa chất

•

Acetoacetat etil (Merck)

• Benzaldehid (Sigma-Aldrich)
• 4-Clorobenzaldehid (Sigma-Aldrich)
• p-Tolualdehid (Sigma-Aldrich)
• 4-Nitrobenzaldehid (Sigma-Aldrich)
• 4-Bromobenzaldehid (Sigma-Aldrich)
• 4-Florobenzaldehid (Sigma-Aldrich)
• Malononitril (propane-1,3-dinitril, Sigma-Aldrich)
• Etanol (Chemson)
• Kali cacbonat (Trung Quốc)
• MMT K−10 (Fluka)
2.1.2 Thiết bị
• Cân điện tử Sartotius
• Tủ sấy
• Máy khuấy từ điều nhiệt IKARET
• Bếp điện
• Máy cô quay Heidolph
• Máy đo nhiệt độ nóng chảy Buchi

2.2 Điều chế xúc tác tẩm K2CO3 trên chất mang rắn Montmorillonite K-10
Hòa tan hoàn toàn 3,0 g kali cacbonat bởi 15 ml H 2 O trong cốc dung tích 50 ml.
Sau đó thêm 9,0 g montmorillonite K-10 từ từ vào dung dịch, khuấy trên máy khuấy từ
trong 15 phút ở nhiệt độ thường rồi cho vào bình cô quay. Cho bay hơi nước bằng cách
đem dung dịch cô quay ở nhiệt độ 70oC cho đến khi dung dịch khô cạn tạo thành chất
rắn. Sấy chất rắn lại trong 2h tại nhiệt độ 110oC và nghiền mịn thì thu được xúc tác
K 2 CO 3 /MMT K-10 theo tỉ lệ khối lượng là 1:3 (g).

2.3 Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran (4a-f)
 Phương trình phản ứng:
EtO
O
H

K2CO3/MMT K-10

CN

+

R

+

CN
EtO

O
Khuấy từ điều nhiệt

CN
CH3

(1a-f)

R

O

O

(2)

+

H3C

(3)

H2O

NH2

O

(4a-f)
4a: R=C 6 H 5 ,

4b: R=

4-

NO 2 C 6 H 4
4c: R= 4-FC 6 H 4 ,

4d: R= 4-ClC 6 H 4

4e: R= 4-BrC 6 H 4 , 4f: R= 4-CH 3 C 6 H 4
Sơ đồ 2.1: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran


Cách tiến hành:
Hòa tan 2 mmol arylaldehid (1a-f), 0,132 g malononitril (2 mmol), 0,260g

acetoacetate etil (2 mmol) và 0,1 g xúc tác K 2 CO 3 /MMT K-10 với 6 ml dung môi
EtOH:H 2 O=1:1 trong bình cầu 50 ml. Hỗn hợp phản ứng được khuấy trộn trên bếp
khuấy từ điều nhiệt với nhiệt độ 55 (oC), thời gian 20 (phút). Sau đó để nguội hỗn hợp
phản ứng, lọc lấy chất rắn, rửa lại bằng EtOH:H 2 O=1:1. Chất rắn trên được hòa tan bởi
30 ml ethanol nóng, lọc lấy dung dịch và thu hồi xúc tác nằm trên phễu. Sản phẩm cuối
cùng được cho vào cốc 50 ml rồi kết tinh lại bằng ethanol.
Từ điều kiện thực hiện phản ứng ban đầu tiếp tục quá trình tối ưu hóa các điều
kiện phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran. Sau đó áp dụng các điều kiện tối ưu để tổng
hợp dẫn xuất 4H-piran.

2.4 Định danh sản phẩm
Sản phẩm cuối cùng được định danh bằng cách xác định nhiệt độ nóng chảy và
nghiên cứu cấu trúc thông qua phổ 1H-NMR và phổ 13C-NMR.


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Quy trình tổng hợp dẫn xuất 4H-piran
3.1.1 Sơ đồ điều chế
Arylaldehid + Malononitril + Acetoacetat etil + xúc tác
K2CO3/MMT K-10 + dung môi EtOH:H2O
Để nguội hỗn hợp phản ứng rồi
lọc với EtOH:H2O
(1:1)

Dung dịch

Xúc tác và sản phẩm
1.
Làm khan.
2.
Lọc thu hồi xúc
tác lấy dung dịch bằng
ethanol nóng.
3.
Kết tinh lại bằng
ethanol.

Sản phẩm
Sấy sản phẩm
Hiệu suất

Sơ đồ 3.1: Sơ đồ điều chế sản phẩm

Xúc tác


3.1.2 Quá trình tối ưu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran [5]


Phương trình phản ứng:
EtO
O
H

+

CN
EtO

O
Khuấy từ điều nhiệt

CN
CH3

(1a)


R

K2CO3/MMT K-10

CN

+

R

O

O

(2)

(3)

H3C

+
O

H2O

NH2

(4a)

Cơ chế phản ứng [5-6]

Cơ chế phản ứng được nghiên cứu thực hiện qua 2 giai đoạn như sau:
•

Giai đoạn 1: Malononitril tạo thành cacbanion ổn định thực hiện phản ứng ngưng

tụ với arylaldehid (1a-f) tạo thành hợp chất benzylidenemalononitril không no.
NC

K2CO3/K10

H
NC

CH (CN)2

+

+
H

H

(2)
Đa số cacbanion ổn định được tạo ra bởi sự dị li các liên kết. Thông thường các
liên kết C-H khá bền vững, khó có thể tự phân li như trên. Vì vậy, để tăng tốc độ sự dị li
người ta thường phải sử dụng xúc tác base. Ở bài này có sự kết hợp mới mẻ giữa K-10
tẩm muối kalicacbonat tạo thành một xúc tác mang tính bazơ và được đưa vào tìm hiểu
qua tổng hợp hữu cơ.
Tiếp theo, thực hiện phản ứng ngưng tụ Knovenagel giữa benzaldehid và cacbanion của
malononitril tạo thành hợp chất benzylidenemalononitril không no (A) và loại một phân
tử nước.


O
H

R

O

CN

+

R - C - CH (CN)2
CN
H

(1a-f)

OH

+

H

- H2O

R - C - CH (CN)2

R
C = N
NC

H

(A)

Giai đoạn 2:

Thực hiện phản ứng cộng Michael của cacbanion là hợp phần methylen của hợp
chất acetoacetate etil vào hợp chất không no (A) trên tạo thành hợp chất trung gian quan
trọng (B).
Sau đó hợp chất (B) thực hiện chuyển hóa nhóm chức cacbonyl và đóng vòng

trung gian ( C ) cho ra sản phẩm dẫn xuất 4H-piran cần tổng hợp.
Phản ứng dễ dàng xảy ra vì trong hợp chất β – diceton, nguyên tử hidro ở -CH 2
nằm giữa 2 nhóm C=O của hợp chất acetoacetate etil rất linh động.

EtO

R
C = N

O

O

R
CN

+

O

EtO

NC

C = N
CH3

(3)

H3C

O


R

O

R

O
CN

CN

EtO

EtO
C = N

H3C

C=N

O

H3C

O

(B)
O

R

O

R

CN
EtO
H3C

CN
EtO

O

NH

(C)


H3C

O

NH2

(4a-f)

Điều kiện phản ứng ban đầu:
Tỉ lệ tác chất 1:2:3 = 2:2:2 (mmol), dung môi EtOH:H 2 O = 1:1 (6 ml), nhiệt độ 55

(oC), thời gian 20 (phút) và xúc tác K 2 CO 3 /MMT K-10 0,1 (g).
Từ điều kiện phản ứng ban đầu tôi tiến hành khảo sát tỉ lệ etanol:H 2 O, nhiệt độ tối
ưu của phản ứng, tiếp theo cố định nhiệt độ này rồi tiến hành thay đổi thời gian phản
ứng để tìm thời gian tối ưu của phản ứng. Tương tự, tiến hành khảo sát các yếu tố khác
của phản ứng như: tỉ lệ malononitril:benzaldehid, acetoacetat etil:benzaldehid,
benzaldehid: malononitril:acetoacetat etil và khối lượng xúc tác K 2 CO 3 /MMT K−10.
3.1.2.1 Tỉ lệ etanol:H 2 O
Khi thực hiện phản ứng không dung môi thì phản ứng không xảy ra. Do đó chúng
tôi tiến hành thêm vào dung môi etanol, tuy nhiên hiệu suất thu được khá thấp. Vì vậy
chúng tôi thay đổi hệ dung môi là etanol:H 2 O tỉ lệ 1:1 (ml) [5]. Sau đó tiến hành khảo sát
thay đổi tỉ lệ etanol:H 2 O cũng như lượng dung môi được thêm vào. Kết quả được trình
bày trong Bảng 3.1.


Bảng 3. 1: Khảo sát thay đổi tỉ lệ etanol:H 2 O
Thể tích
(ml)

Hiệu suất
(%)

STT

Dung môi

1

Etanol

6

18

2

H2O

6

33

3

Etanol/H 2 O (1:2)

6

52

4

Etanol/H 2 O (2:1)

6

63

5

Etanol/H 2 O (1:1)

6

68

6

Etanol/H 2 O (1:1)

3

63

7

Etanol/H 2 O (1:1)

9

66

Khi thay đổi hệ dung môi etanol:H 2 O thì tỉ lệ etanol:H 2 O (1:1) và lượng dung môi
được thêm vào là 6 ml cho hiệu suất tốt nhất (thí nghiệm 5), thêm nhiều dung môi hơn
không ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng (thí nghiệm 7).
3.1.2.2 Nhiệt độ phản ứng
Để khảo sát nhiệt độ tối ưu của phản ứng, tiến hành cố định thời gian phản ứng là

20 phút, khối lượng xúc tác K 2 CO 3 /MMT K−10 là 0,1 g, tỉ lệ benzaledhid
malononitril:acetoacetat etil lần lượt là 2:2:2 (mmol).
Bảng 3.2: Kết quả tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng
STT

Nhiệt độ (oC)

Khối lượng sản phẩm (g)

Hiệu suất (%)

1

45

0,400

70

2

50

0,405

71

3

55

0,42

74

4

60

0,409

72

5

65

0,386

68


Hiệu suất thực tế (%)

Nhiệt độ
o

( C)

Đồ thị 3.1:

Đồ thị biểu diễn kết quả tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng

Từ đồ thị 3.1 và bảng 3.2 cho thấy phản ứng tại nhiệt độ 45oC bắt đầu tăng dần và
đạt hiệu suất cao nhất tại 55 oC ( thí nghiệm 3, 74 %) sau đó giảm dần theo chiều tăng
nhiệt độ. Vì khi tăng nhiệt độ lên càng cao thì sản phẩm trung gian còn lại càng ít, do
dung môi đã bắt đầu bay hơi.
3.1.2.3 Thời gian phản ứng
Sau khi chọn nhiệt độ tối ưu của phản ứng là 55 oC, cố định khối lượng xúc tác và
tỉ lệ benzaledhid:malononitril:acetoacetat etil để khảo sát thời gian phản ứng từ 10 -60
phút.
Bảng 3.3: Kết quả tối ưu hóa thời gian phản ứng
Thời gian phản

Khối lượng sản phẩm

Hiệu suất

ứng (phút)

(g)

(%)

1

10

0,367

65

2

15

0,383

67

3

20

0,420

74

4

30

0,385

68

5

60

0,340

60

STT