tổng hợp 2,3 bis(phenylethynyl)quinoxaline từ 2,3 dichloroquinoxaline bằng phản ứng sonogashira sử dụng xúc tác nano pd (0)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.33 MB, 63 trang )
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA HÓA HỌC
* *
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỮU CƠ
Nguyễn Thị Hồng Nhung
TỔNG HỢP
2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE TỪ
2,3-DICHLOROQUINOXALINE
BẰNG PHẢN ỨNG SONOGASHIRA SỬ DỤNG
XÚC TÁC NANO Pd (0)
TP. HỒ CHÍ MINH 05-2012
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang i
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA HÓA HỌC
* *
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỮU CƠ
TỔNG HỢP
2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE TỪ
2,3-DICHLOROQUINOXALINE
BẰNG PHẢN ỨNG SONOGASHIRA SỬ DỤNG
XÚC TÁC NANO Pd (0)
Người hướng dẫn khoa học : TS. Đặng Chí Hiền
Người thực hiện
: Nguyễn Thị Hồng Nhung
Niên khóa
: 2008-2012
TP. HỒ CHÍ MINH 05-2012
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang i
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
LỜI CẢM ƠN
-----Tôi xin chân thành cảm ơn:
TS. Đặng Chí Hiền - Thầy đã tận tình truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý
báu đồng thời luôn động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Th.S Nguyễn Thành Danh và Th.S Trần Thị Hồng Ngân - Phòng Công nghệ Hóa
Dược, Viện Công nghệ Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã dành nhiều
thời gian, công sức, tạo mọi điều kiện và hướng dẫn tôi nhiệt tình về kỹ thuật thực hành
cũng như đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài.
Các quý thầy cô khoa Hóa trường Đại Học Sư Phạm TP HCM đã truyền đạt những
kiến thức hữu ích cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường.
Các chị học viên cao học K16, K17- Đại học Cần Thơ luôn động viên giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Cám ơn những người thân trong gia đình đã luôn bên cạnh hỗ trợ tôi cả về vật chất
lẫn tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Bạn bè thân thiết đã luôn bên cạnh động viên, quan tâm giúp đỡ và cho tôi những lời
khuyên quý nhất trong suốt những năm học ở trường.
Xin chân thành cảm ơn
Nguyễn Thị Hồng Nhung
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang i
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1
Chương 1 TỔNG QUAN ......................................................................................................... 3
1.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG SONOGASHIRA ........................................................................4
1.1.1 Sơ lược về phản ứng Sonogashira .......................................................................... 4
1.1.2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira ......................................................... 5
1.1.3 Điều kiện phản ứng................................................................................................. 5
1.2 GIỚI THIỆU VỀ XÚC TÁC PALLADIUM TRONG PHẢN ỨNG SONOGASHIRA....6
1.2.1 Xúc tác Pd không ligand, không chất mang ........................................................... 6
1.2.2 Xúc tác nano Pd ..................................................................................................... 7
1.3 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ 2,3-DICHLOROQUINOXALINE (DCQ) ..............................9
1.4 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ PHENYL ACETYLENE .............................................................9
1.5 GIỚI THIỆU VỀ SIÊU ÂM ..............................................................................................................10
1.5.1 Định nghĩa siêu âm ............................................................................................... 10
1.5.2 Vai trò của siêu âm trong tổng hợp ...................................................................... 12
1.5.3 Thiết bị siêu âm .................................................................................................... 12
1.5.4 Ưu nhược điểm của siêu âm ................................................................................. 13
1.6 NHỮNG NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY......................................................................................13
1.6.1 Ngoài nước ........................................................................................................... 13
1.6.2 Trong nước .......................................................................................................... 16
Chương 2 NGHIÊN CỨU ...................................................................................................... 18
2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................18
2.1.1 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 19
2.1.2 Các phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 21
2.2 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP 2,3-BIS(PHENYLETHYNYL) QUNIXALINE ..................21
2.2.1 Qui trình tổng hợp .............................................................................................. 21
2.2.2 Giải thích quy trình ............................................................................................. 22
2.2.3 Thực hiện khảo sát các điều kiện tiến hành phản ứng ........................................ 23
2.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................................................24
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang ii
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2.3.1 Tổng hợp xúc tác Pd(0) trên chất mang PEG ..................................................... 24
2.3.2 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline với xúc tác nano Pd(0) trên chất
mang PEG ...................................................................................................................... 24
2.4
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC ...............................................................................................................32
2,3-BIS(PHENYNYL)QUINOXALINE(DAPQ)...............................................................................32
2.5 XÁC ĐỊNH CẦU TRÚC 2-CHLORO-3-(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE (mDAPQ)............................................................................................................................................................33
Chương 3 THỰC NGHIỆM ................................................................................................... 34
3.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ, DỤNG CỤ XỬ LÝ DUNG MÔI .............................................35
3.1.1 Hóa chất .............................................................................................................. 35
3.1.2 Dụng cụ ............................................................................................................... 36
3.1.3 Thiết bị ................................................................................................................ 36
3.2 XỬ LÝ DUNG MÔI ...........................................................................................................................37
3.3 ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC NANO Pd(0) TRÊN CHẤT MANG PEG .......................................37
3.4 TỔNG HỢP 2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE VỚI XÚC TÁC
Pd(0)/PEG .....................................................................................................................................................38
KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 40
KIẾN NGHỊ ........................................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 42
PHỤ LỤC
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang iii
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
------
DAPQ
2,3-Bis(phenylethynyl)quinoxaline
m-DAPQ
2-chloro-3-(phenylethynyl)quinoxaline
DMF
Dimethylformamide
DCQ
2,3 dichloroquinoxaline
PEG
Poly(ethylene glycol)
PVP
Poly(vinylpyrrolidone)
PE
Petroleum ether
R.T
Room temperature
GC
Gas chromatography
cm-1
Wave number
TLC
Thin layer chromatography
Rf
Retention factor
MHz
Megahertz
NMR
Nuclear Magnetic Resonance
J
Scalar coupling constant
Quint
Quint
1
Proton Nuclear Magnetic Resonance
XRD
X-Ray Diffraction
TEM
Transmission Electron Microscopy
SEM
Scanning Electron Microscope
MS
Mass Spectroscopy
H-NMR
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang iv
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ppm
Parts per million
Hz
Hertz
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang v
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
------Sơ đồ 1
Phản ứng Sonogashira tổng quát...........................................................................4
Sơ đồ 2
Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira........................................................5
Sơ đồ 3
Tổng hợp aryl alkyne bằng xúc tác Pd không ligand, không chất mang………...6
Sơ đồ 4
Chu trình xúc tác nano Pd - cluster trong phản ứng Sonogashira……………….8
Sơ đồ 5
Tổng hợp phenylacetylene……………………………………………………...10
Sơ đồ 6
Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0)/PVP………………14
Sơ đồ 7
Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0) dưới điều kiện siêu
âm……………………………………………………………………………….15
Sơ đồ 8
Tổng hợp 1-cyano-4-phenylethynylbenzene bằng xúc tác nano Pd(0)…………16
Sơ đồ 9
Tổng hợp aryl acetylene bằng phản ứng Sonogashira với xúc tác không chứa kim
loại chuyển tiếp Pd................................................................................................16
Sơ đồ 10 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethylnyl)quinoxaline bằng phản ứng Sonogashira với
xúc tác là phức Pd(0)…………………………………………………………...17
Sơ đồ 11 Phản ứng ghép cặp Glaser tạo diphenyldiacetylene..............................................20
Sơ đồ 12 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline từ 2,3-dichloroquinoxaline...........20
Sơ đồ 13 Tổng hợp DAPQ bằng xúc tác nano Pd(0)/PEG..................................................24
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang vi
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
DANH MỤC CÁC HÌNH
-----Hình 1
Tần số sóng âm………………………………………………………………….11
Hình 2
Quá trình phát triển của bọt khí............................................................................12
Hình 3
Thanh siêu âm.......................................................................................................12
Hình 4
Tổng hợp DAPQ với tỉ lệ mol chất nền và tác chất là (1) 1:2, (2) 1:3, (3) 1:4.....25
Hình 5
Tổng hợp DAPQ với môi trường base (1) K 2 CO 3, (2) K 3 PO 4, (3)
CH 3 COONa...27
Hình 6
Tổng hợp DAPQ với biên độ siêu âm. (1) 30%, (2) 50%, (3) 70%.....................29
Hình 7
TLC của DAPQ…………………………………………………………………32
Hình 8
Hợp chất DAPQ…………………………………………………………………32
Hình 9
TLC của m-DAPQ ..............................................................................................33
Hình 10
Hợp chất m-DAPQ...............................................................................................33
Hình 11
Hệ thống chưng cất DMF……………………………………………………...37
Hình 12
Điều chế nano Pd(0)/PEG trên máy khuấy từ.......................................................38
Hình 13
Tổng hợp DAPQ bằng xúc tác nano Pd(0)/PEG thanh siêu âm...........................39
Hình 14
Cột sắc ký tách sản phẩm DAPQ……………………………………………...39
Hình 15
Sản phẩm DAPQ sau lọc cột sắc kí…………………………………………..39
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang vii
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
DANH SÁCH PHỤ LỤC
------
PHỤ LỤC 1
PHỔ MS CỦA 2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE (DAPQ)
PHỤ LỤC 2
PHỔ MS CỦA m-DAPQ
PHỤ LỤC 3
PHỔ SEM CỦA NANO Pd(0)
PHỤ LỤC 4
PHỔ XRD CỦA NANO Pd(0)
PHỤ LỤC 5
PHỔ TEM CỦA NANO Pd(0)
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang viii
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
MỞ ĐẦU
------
Cùng với sự phát triển của xã hội, tốc độ phát triển của ngành hóa hữu cơ gần đây
hết sức nhanh chóng. Hàng triệu các hợp chất đã được tổng hợp ra với nhiều ứng dụng.
Trong đó, các hợp chất có cấu trúc dạng enediyne đã thu hút được sự chú ý bởi hoạt tính
kháng sinh và những hoạt động sinh hóa[2]. Các hợp chất enediyne thường được tổng hợp
bằng phản ứng Sonogashira.
Trong phản ứng Sonogashira, với xúc tác palladium truyền thống phản ứng xảy ra
trong điều kiện êm dịu, nhiều phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, xúc tác
palladium trong sự hiện diện của muối CuI thường tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn
là dialkynylarene (ghép cặp Glaser)[3] làm giảm hiệu suất của phản ứng chính và rất khó để
loại bỏ được chúng. Triethylamine hay piperidine là các base được dùng trong phản ứng
Sonogashira thường có mùi khó chịu và ảnh hưởng đến sức khỏe. Thêm vào đó, ligand
triphenylphosphine là một hóa chất mang tính độc hại lại vừa đắt tiền. Chính vì thế mà việc
sử dụng xúc tác palladium không ligand, không muối CuX trong phản ứng Sonogashira
được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm.
Thời gian gần đây, xúc tác nano Pd(0) được nghiên cứu và ứng dụng nhiều vào
phản ứng Sonogashira góp phần giải quyết tất cả các vấn đề trên. Xúc tác nano Pd(0) đã
được tổng hợp trên các chất mang khác nhau như PVP[4], Fe 3 O 4 [5], PEG[6] và được sử dụng
làm xúc tác cho các phản ứng ghép cặp Suzuki[5], Heck [6]và Sonogashira[7]. Dựa trên những
cơ
sở
khoa
học
đó,
chúng
tôi
đã
thực
hiện
đề
tài
“Tổng
hợp
2,3-
bis(phenylethynyl)quinoxaline từ 2,3-dichloroquinoxaline bằng phản ứng Sonogashira
sử dụng xúc tác nano Palladium(0)” đồng thời ứng dụng kỹ thuật mới trong tổng hợp hữu
cơ - kỹ thuật siêu âm để thực hiện phản ứng Sonogashira nhằm rút ngắn thời gian phản ứng
và cải tiến hiệu suất của quá trình.
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 1
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Mục tiêu của đề tài
-
Tổng
hợp
2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline
(DAPQ)
từ
2,3-dichloroquinoxaline và phenyl acetylene bằng phản ứng Sonogashira sử dụng xúc tác
nano Pd(0) trên chất mang PEG, đồng thời khảo sát tìm ra điều kiện phản ứng tối ưu.
Nội dung nghiên cứu
-
Tổng hợp xúc tác Pd(0)
-
Tổng
hợp
2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline
(DAPQ)
từ
2,3-dichloroquinoxaline và phenyl acetylene sử dụng xúc tác nano Pd(0) trên chất mang
PEG.
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 2
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chương 1
TỔNG QUAN
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 3
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
1.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG SONOGASHIRA
1.1.1 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].
R1
X
+
Pd cat, Cu cat
CH
R2
C
base, rt
R1
C
C
R2
+
HX
R1= aryl, vinyl hay pyridyl
X= halogen
Sơ đồ 1 Phản ứng Sonogashira tổng quát
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 4
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
1.1.2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira
Ph3P
Cl
II
Pd
Ph3P
Cl
Pd(0) = (PPh3)2Pd(II)= [(PPh3)2Pd(II)]X-
CuC
CR2
HX.amine
chu ki B'
công oxi hóa
CuX
HC
R1
CR2
R1
X
Pd(II)
X
Ph3P
II
Pd
Ph3P
C
CR2
C
CR2
Pd(0)
R2C
C
C
CR2
C C
khö t¸ch
R2
C
R2
HX.amine
chu ki B
chu ki A
CuX
chuyÓn kim lo¹i
R1
R1
CuC
HC
C
R2
Pd(II)
C
CR2
Sơ đồ 2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira
1)
Cơ chế của phản ứng Sonogashira gồm có ba bước chính[8]:
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)
1.1.3 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
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(0) hoạt hóa các hợp chất halide bằng cách cộng oxi hóa vào liên
kết
giữa
carbon
và
halogen[38].
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].
1.2 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.
1.2.1 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).
Ph
H
+
Br
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
CN
Pd(OAc)2
Bu4NOAc, 50oC
Ph
CN
Trang 6
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Sơ đồ 3 Tổng hợp aryl alkyne bằng xúc tác Pd không ligand, không chất mang
Ngoài ra, phản ứng ghép cặp Sonogashira mà không có sự hiện diện của CuI còn có
thể xảy ra trong môi trường nước trong sự hiện diện của polyethylene glycol - 400 (PEG 400) như là xúc tác chuyển pha, nhưng hiệu suất của phản ứng thấp[15].
1.2.2 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
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
hóa. Năm 1986, H. 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
RCl
A
recluster
sau ph¶n øng
Pd(0) leaching
R
céng oxi hãa
Cl
Pd(0) nguyªn tö
B
céng oxi hãa
Ph
Pd(II) leaching
R
X + RCl
Cl
X
+
Pd
X
X
dung m«i
Ph
R
khö t¸ch
H
+
base
base -H+ + Cl
chuyÓn kim lo¹i
R
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
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] .
GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ 2,3-DICHLOROQUINOXALINE
1.3
(DCQ)
o
Công thức cấu tạo
N
Cl
Cl
N
oqu
uinnooxxaalinnee
22,33--dicchloorro
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).
1.4
o
GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ PHENYL ACETYLENE
Công thức cấu tạo
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 9
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
1.5.1 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.
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 10
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
-
Vùng thứ hai (20-100 KHz): sóng siêu âm có năng lượng cao, tần số thấp. Nó
được sử dụng trong việc rửa, hàn plastic và ảnh hưởng đến khả năng phản ứng hóa học.
Hình 1 Tần số sóng âm
Nếu trong môi trường có nước, dưới tác dụng của siêu âm nước sẽ bị phân giải
thành các gốc tự do.
H2O
→
H• + OH•
OH• + OH•
→
H2O2
OH• + OH•
→
H 2 O + O•
OH• + OH•
→
H2 + O2
H• + O 2
→
HO 2 •
OH• + H 2 O
→
H 2 O 2 + H• …
Các gốc tự do này sẽ oxide hóa hoặc hoàn nguyên các chất có trong môi trường và
kết quả là phát quang với độ dài sóng thuộc vùng khả kiến.
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 11
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
1.5.2 Vai trò của siêu âm trong tổng hợp
Nó cung cấp một hình thức năng lượng để thúc đẩy phản ứng hóa học khác với các
hình thức trước đây như nhiệt, ánh sáng và áp suất. Siêu âm ảnh hưởng lên các phản ứng
thông qua sự tạo bọt. Bọt khí được hình thành trong suốt chu kỳ sóng khi chất lỏng bị tách
ra thành từng phần để hình thành những bọt nhỏ và bị vỡ trong chu kỳ nén kế tiếp. Sự vỡ
bọt khí sẽ tạo ra áp suất khoảng hàng trăm atm và nhiệt độ khoảng hàng ngàn độ.
Hình 2 Quá trình phát triển của bọt khí
1.5.3 Thiết bị siêu âm
Thiết bị siêu âm chủ yếu được sử dụng là thanh siêu âm (20 kHz)
Hình 3 Thanh siêu âm
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 12
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Năng lượng siêu âm được cung cấp trực tiếp đến phản ứng thông qua thanh siêu âm
được làm bằng hợp kim titanium. Năng lượng siêu âm được phát ra từ thanh và được tạo ra
bởi sự tạo rung của chóp thanh. Thông thường, thanh siêu âm chỉ có một tần số 20 kHz
nhưng trong một vài thiết bị hiện đại đã cho phép việc lựa chọn tần số. Loại thanh này có sự
tập trung năng lượng cao, gọn, có thể điều chỉnh những tần số khác nhau nhưng có thể làm
nhiễm bẩn chất lỏng vì chóp thanh bị gỉ sau một thời gian sử dụng[28] .
1.5.4 Ưu nhược điểm của siêu âm
1.5.4.1 Ưu điểm của siêu âm
−
Phản ứng được gia tốc mà không cần tác chất khác đưa vào.
−
Sản phẩm thu được không lẫn tạp chất.
−
Sử dụng tác nhân thô hơn, độ sạch thấp hơn phản ứng vẫn xảy ra.
−
Có thể giảm bớt các bước phản ứng trung gian.
Trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, siêu âm có những đóng góp đáng chú ý: xáo trộn
rất tốt hỗn hợp phản ứng, làm tăng sự tiếp xúc giữa các phân tử các chất đạt đến mức tối đa
giữa các pha khí - khí, khí - lỏng (phản ứng ozone hóa), lỏng - lỏng (phản ứng ester hóa),
lỏng - rắn (phản ứng Grignard) mà các phương tiện khác như khuấy cơ, khuấy từ,… không
tốt hơn được. Từ đó, siêu âm giúp làm gia tăng tốc độ của hầu hết các phản ứng hữu cơ[28] .
1.5.4.2 Nhược điểm của siêu âm
Bồn siêu âm chỉ có một tần số cố định, đôi khi không kiểm soát được nhiệt độ (khi
siêu âm trong thời gian dài), không thực hiện được ở nhiệt độ thấp.
1.6
NHỮNG NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY
1.6.1 Ngoài nước
Trong thời gian gần đây xúc tác nano Pd(0) trên các chất mang khác nhau được
nghiên cứu và ứng dụng nhiều vào phản ứng Sonogashira. Tuy nhiên, chúng tôi chỉ trình
bày một số công trình được xem là đáng chú ý liên quan đến đề tài.
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 13
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
1.6.1.2 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0)/PVP
Năm 2005, Lei Wang và cộng sự[25] đã tiến hành ghép các aryl halide với các alkyne
đầu mạch bằng xúc tác nano Pd(0)/PVP cho hiệu quả tốt (96%) và 90% khi sử dụng xúc tác
Pd(OAc) 2 /n-Bu 4 NBr (xúc tác Jeffery). Phản ứng Sonogashira được thực hiện mà không có
sự hiện diện của CuX, amine và PPh 3 trong phản ứng. Tác giả đã chỉ ra rằng các hạt nano
Pd(0) trên chất mang PVP (kích thước hạt 7 nm) được tìm thấy trong vùng từ 0,5-5,0 %mol
khi sử dụng 1 %mol xúc tác nano Pd(0)/PVP thì phản ứng cho hiệu suất cao nhất 95%.
R1
X
+
R
H
Pd(0)/PVP-K2CO3-EtOH
R1
R
X: F, Br
R: CH3, C6H5
R1: CH3, CF3, NO2, CN
Sơ đồ 6 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0)/PVP
Tác giả đã khảo sát hàng loạt các yếu tố khác như dung môi và base để tìm ra điều
kiện tối ưu cho phản ứng. Vì tính chất phân cực của PVP, phản ứng được thực hiện trong
dung môi MeOH và EtOH đem lại hiệu quả cao nhất. DMSO và DMF cũng được sử dụng
nhưng phản ứng xảy ra chậm hơn, và không có sản phẩm ghép cặp mong muốn khi sử dụng
toluene, dichloromethane, THF và acetonitrile.
Phản ứng được tiến hành với nhiều loại base khác nhau, K 2 CO 3 là base tốt nhất
trong trường hợp này. Những base khác như KOAc, KF và K 3 PO 4 về căn bản là kém hiệu
quả hơn. Khi dùng KOH thì sản phẩm chỉ thu được ở dạng vết. Với triethylamine,
piperidine và dibenzylamine phản ứng có xảy ra nhưng hiệu suất thấp.
Ngoài tính hiệu quả, đơn giản và dễ thực hiện của phản ứng, xúc tác nano
Pd(0) trên chất mang PVP có thể thu hồi và tái dụng sau 8 lần phản ứng mà không bị mất
hoạt tính.
1.6.1.2 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0) dưới điều kiện siêu âm
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 14
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
R1
X
+
R2
H
CH3COCH3 hay [bbim]BF4
TEA, PdCl2, 30OC, siêu âm
R1
R2
R1 = H, CH3, NO2, CHO
R2 = aryl, cyclohexyl
X = I, Br
Sơ đồ 7 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0) dưới điều
kiện siêu âm
Khác với L. Wang, K. V. Srinivasan và cộng sự
[37]
đã tổng hợp dẫn xuất aryl
acetylene bằng xúc tác nano Pd(0) trong dung môi acetone và chất lỏng ion ([bbim]BF 4 ,
1,3-di-n-butylimidazolium tetrafluoroborate) cho hiệu quả cao (65-93%). Phản ứng dưới sự
hỗ trợ của siêu âm đã diễn ra êm dịu ở nhiệt độ phòng. Thậm chí có sự hiện diện xúc tác của
muối CuX và PPh 3 . Khi thực hiện phản ứng trong dung môi acetone kích thước hạt nano
Pd(0) thu được từ 3-8 nm và phản ứng chuyển hóa tốt từ 15-90 phút. Còn khi thực hiện phản
ứng trong chất lỏng ion kích thước hạt nano Pd(0) thu được từ 10-20 nm và phản ứng
chuyển hóa từ 2-3 giờ. Trong dung môi acetone, việc thu hồi và tái sử dụng lại các hạt nano
palladium là rất khó khăn. Tuy nhiên, trong môi trường chất lỏng ion [bbim]BF 4 , xúc tác
nano Pd(0) có thể tái sử dụng 5 lần mà không bị giảm hoạt tính.
Sản phẩm ghép cặp Glaser chỉ thu được ở dạng vết đối với iodobenzene, và từ 6-7%
đối với bromobenzene. Đồng thời tác giả cũng chỉ ra rằng dưới sự hỗ trợ của siêu âm, phản
ứng diễn ra nhanh hơn. Siêu âm không chỉ tạo ra những hạt nano Pd(0) là xúc tác hoạt tính
cho phản ứng mà còn làm tăng hoạt tính của những xúc tác này trong chu trình xúc tác của
phản ứng Sonogashira. Đây là cơ sở để chúng tôi ứng dụng kỹ thuật siêu âm vào sơ đồ tổng
hợp.
1.6.1.3 Tổng hợp dẫn xuất 1-cyano-4-phenylethynylbenzene bằng xúc tác nano Pd(0)
Trong công trình nghiên cứu của B. Thathagar và cộng sự[7], hạt nano Pd(0) cluster được tổng hợp từ Pd(NO 3 ) 2 với tetraoctylammonium glycolate trong DMF. Sau đó,
chúng được dùng làm xúc tác cho phản ứng giữa phenylacetylene và 4-bromobenzonitrile
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Trang 15
