Cơ chế của xúc tác chuyển pha

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
===  ===

TIỂU LUẬN CHUYÊN ĐỀ XÚC TÁC CHUYỂN PHA

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CỦA XÚC TÁC CHUYỂN PHA TRONG MÔI
TRƯỜNG TRUNG TÍNH, PHẢN ỨNG N-ANKYL HÓA,
TÍNH HIỆU QUẢ CỦA CHẤT XÚC TÁC

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
Mã số: 62.44.01.14

Giảng viên:

GS. TSKH. Ngô Thị Thuận

Người thực hiện:

Hà Nội – 2015
1


MỞ ĐẦU
Để thực hiện một phản ứng, điều cần thiết là các loại tác nhân: phân tử,
ion,… có thể tiến lại gần nhau. Do đó, xu hướng tự nhiên để thực hiện phản
ứng hóa học là trong môi trường đồng thể, trong các dung môi có thể hòa tan,
ít nhất là có một phần nào đó các phần tử tham gia phản ứng. Ví dụ khi các
chất phản ứng là ion tương tác với các hợp chất hữu cơ không phân cực, sự
hình thành môi trường đồng thể cho một phản ứng gặp nhiều khó khăn nghiêm
trọng. Trong trường hợp này và nhiều trường hợp khác, xúc tác chuyển pha

(phase transfer catalysis-PTC) hay XTCP là một giải pháp hiệu quả và đơn
giản.
XTCP là một phương pháp chung và ứng dụng cho các phản ứng mà ở
đó các anion vô cơ, hữu cơ, cacben và những tác nhân hoạt động khác phản
ứng với các hợp chất hữu cơ. Ngược với xu hướng chung thực hiện phản ứng
trong môi trường đồng thể, theo khái niệm XTCP, phản ứng được thực hiện
trong môi trường dị thể hệ hai pha (1 pha là nơi chứa các anion hoặc bazơ cho
sự hình thành anion hữu cơ, ngược lại chứa các chất hữu cơ và chất xúc tác các cation ưa dầu được chứa trong pha thứ hai, pha hữu cơ). Các anion được
liên tục đưa vào pha hữu cơ dưới dạng cặp anion ưa dầu với các cation được
cung cấp bởi chất xúc tác. Hầu hết các cation tetra ankyl amoni (TTA) đáp
ứng yêu cầu này. XTCP được công bố đầu tiên bởi Jarausse năm 1951. Trong
XTCP thì một chất tham gia phản ứng nằm trong pha hữu cơ phản ứng với
một tác nhân nằm trong một pha khác thường là pha nước hay pha rắn. Phản
ứng được thực hiện nhờ một tác nhân chuyển được gọi là xúc tác chuyển pha.
Tác nhân này có khả năng hòa tan hay tách các ion hữu cơ hay vô cơ dưới
dạng các cặp ion vào trong môi trường hữu cơ và phản ứng tạo thành sản
phẩm mong muốn xảy ra ở pha hữu cơ này [2].
Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều chất xúc tác chuyển pha, trong các
XTCP này, các muối amoni bậc 4 và các photphoni được sử dụng rộng rãi
nhất. Các phản ứng XTCP được chia thành: các phản ứng xảy ra trong các môi
trường axit hay trung tính và các phản ứng xảy ra khi có mặt các bazơ vô cơ
đậm đặc. Trong bài tiểu luận này chúng ta cùng tìm hiểu về cơ chế của XTCP
trong môi trường trung tính, XTCP trong phản ứng N-ankyl hóa và đánh giá
tính hiệu quả của chất xúc tác.
2


PHẦN 1: CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CỦA XÚC TÁC CHUYỂN PHA
TRONG MÔI TRƯỜNG TRUNG TÍNH
1.1. VÀI NÉT VỀ XÚC TÁC CHUYỂN PHA

1.1.1. Bản chất [1], [2]
XTCP là một lĩnh vực tương đối mới của hóa học. Năm 1969,
M.Makosza xây dựng các giả thuyết cơ học đầu tiên về XTCP và đến năm
1971, các khái niệm về XTCP được mô tả bởi C.M.Starks và phát triển không
ngừng đến tận ngày nay.
Khi cho một muối hòa tan trong nước hoặc một chất rắn tác dụng với
một chất khác tan trong dung môi hữu cơ không tan trong nước thì phản ứng
này xảy ra rất chậm, không hiệu quả, thậm chí không xảy ra nếu không có xúc
tác. Xúc tác chuyển pha là quá trình chuyển hóa hóa học của các hợp chất nằm
trong pha khác nhau. XTCP cho phép hay tăng cường các phản ứng giữa
những hợp chất ion và những chất hữu cơ không tan trong nước và trong các
dung môi phân cực thấp.
Các chất xúc tác được sử dụng tiện lợi nhất là các muối oni hay các tác
nhân tạo phức, chúng có thể che chắc và hòa tan các ion kim loại kiềm. Chức
năng cơ bản là chuyển các anion của muối vào môi trường hữu cơ dưới dạng
cặp ion, các cặp ion này gần như không bị hòa tan và che chắn trong dung môi
phi proton, do đó nó rất hoạt động.
Các phản ứng XTCP bao gồm việc tách các anion vào các dung môi
hữu cơ nhờ cation xúc tác do đó khái niệm về XTCP được hiểu rộng hơn: đó
là quá trình tách cation (thậm chí là các phân tử trung hòa) từ một pha nọ vào
pha kia với sự có mặt của chất xúc tác.
Như vậy có thể định nghĩa một chất xúc tác chuyển pha là một chất xúc
tác tạo điều kiện cho sự di chuyển của một chất phản ứng trong một hệ thống
không đồng nhất từ một pha vào một pha khác mà phản ứng có thể xảy ra.
Chất phản ứng ion thường tan trong pha nước nhưng không tan trong pha hữu
cơ trừ khi có mặt các chất xúc tác chuyển pha.
1.1.2. Cặp ion trong pha hữu cơ [1]
Nói chung XTCP bao gồm việc tách hoặc hòa tan các phần tử mang
điện vào trong dung môi hữu cơ. Trong XTCP, các muối của anion vô cơ và
3

các cation hữu cơ có kích thước như (CH 3)4N+ không tan trong các dung môi
hữu cơ không phân cực, tuy vậy chúng có thể tan trong CHCl 3 và CH2Cl2. Các
anion có kích thước lớn có thể làm cho các muối kali của chúng tan được
trong các dung môi thơm như benzen. Tương tự các cation oni lớn làm cho
muối của anion kị hữu cơ có kích thước nhỏ hòa tan trong hidrocacbon.
Ionophore (nhóm nguyên tử hay phân tử mang điện tích trong mạng lưới tinh
thể) phân li (hay phân li một phần) thành các anion và các cation bị solvat hóa
trong các dung môi có hằng số điện môi cao (dẫn điện tốt). Trong các dung
môi không phân cực, các chất điện li mạnh có thể bị hòa tan cho những dung
dịch có độ dẫn điện thấp. Điều này cho thấy chỉ một phần muối hòa tan bị
phân li thành các ion tự do. Các muối phân li ở trên được gọi là cặp ion. Cặp
ion là sự kết hợp của các ion trái dấu để tạo nên một phần tử trung hòa điện
tích. Điểm phân biệt cặp ion với các ion tự do là các dung dịch chỉ chứa ion tự
do thì không dẫn điện:
Q+

[Q+X-]

X-

+

Sự hình thành cặp ion, các tính chất của chúng phụ thuộc nhiều vào sự
tương tác của dung môi. Có thể chia làm 3 nhóm: (1) dung môi protonic như
H2O; (2) dung môi phi protonic phân cực như DMSO, DMF; (3) dung môi phi
protonic phân cực thấp như CH 2Cl2, CHCl3, benzen, dietylete, các phản ứng
XTCP thường được tiến hành trong loại dung môi này.
1.1.3. Sự tách cặp ion từ dung dịch nước [1]

Xét một phản ứng thế ở hai pha của anion của muối và một chất hữu cơ
bao gồm một số quá trình sau:
a) Phản ứng chung
+

Nan Yn-

+ RXhc

[Q+X-]
XTCP

Nan+Xn-

+ RYhc

(1)

trong đó:
n: là pha nước ; hc : pha hữu cơ ; Q+ là cation xúc tác ; [Q+X-] là cặp ion
Phương trình (1) bao gồm 2 cân bằng
b) Phản ứng hóa học trong pha hữu cơ :
RXhc

+

[Q+Y-]hc

RYhc

4

+

[Q+X-]hc


c) Cân bằng tách:
[Q+X-]hc

d)

Qn+

+

+ Nan+ + YnXn-

[Q+Y-]hc + Nan+ + Xn[Q+X-]hc

Hằng số tách theo phương trình d) là
[Q+X-]hc
EQX =

e)

Qn+

+ Yn

[Q+]n.[X-]n

[Q+Y-]hc

Phương trình e) là cơ sở để hiểu tất cả quá trình XTCP.
Phương pháp XTCP khác với những phương pháp thường sử dụng để
tổng hợp hữu cơ là phản ứng được thực hiện trong hệ hai pha dị thể, ở đó sự
hòa tan giữa hai pha là không đáng kể. Trong những hệ như vậy thì chất xúc
tác (nguồn cation ưa dầu nằm trong pha hữu cơ) liên tục đưa anion ở dạng cặp
ion ưa dầu vào pha hữu cơ. Các phản ứng ở đó sử dụng XTCP được chia làm
hai nhóm chính:
1) Tác nhân anion ở dạng muối natri hoặc kali như NaCN, KN 3, KMnO4,
CH3COONa,…do đó các cation ưa dầu của chất xúc tác chuyển những anion
này vào pha hữu cơ ở dạng cặp ion ưa dầu tạo ra qua sự trao đổi liên tục.
2) Tác nhân anion sẽ được tạo ra trực tiếp từ tiền chất tương ứng như axit CH,
OH, NH và SH dưới tác dụng của một bazơ trong pha vô cơ. Ở đây xúc tác
tham gia vào sự hình thành và di chuyển tác nhân vào pha hữu cơ.
Trong XTCP, tác nhân phản ứng hữu cơ (nguyên chất hoặc trong dung môi
hữu cơ) được nằm trong pha hữu cơ lỏng, ngược lại muối vô cơ hoặc bazo
(dạng dung dịch hoặc dạng rắn) hình thành nên pha vô cơ. Xúc tác được hòa
tan trong pha hữu cơ và liên tục chuyển các tác nhân phản ứng vào pha hữu
cơ. Phản ứng XTCP được thực hiện trong hệ hai pha không hòa lẫn vào nhau:
lỏng-lỏng và lỏng- rắn. Trong các hệ lỏng-lỏng các tác nhân hữu cơ tinh khiết
hoặc hoặc trong dung môi hữu cơ hình thành pha hữu cơ không hòa tan lẫn
với dung dịch nước muối chứa các anion không mong muốn hoặc dung dịch
bazo, hầu hết là dung dịch nồng độ cao của KOH và NaOH. Chất xúc tác
chuyển anion vô cơ từ dung dịch nước và anion hữu cơ tạo thành qua sự đề
proton hóa của tiền chất tương ứng vào pha hữu cơ. Trong hệ lỏng-rắn, chất
5

rắn, các muối vô cơ dạng hạt hoặc bazo (K 2CO3, NaOH…) được huyền phù
hóa trong pha hữu cơ và chất xúc tác chuyển anion vô cơ từ bề mặt của muối
thể rắn hoặc anion hữu cơ tạo ra trên bề mặt của bazo rắn sang pha hữu cơ.
Các chất được sử dụng làm XTCP là các nguồn cation ưa dầu hoặc có thể tạo
ra cation ưa dầu:
-Nguồn cation bền ưa dầu như: TAA, triankylsunfoni, tetraankyphosphoni…
-Các phân tử hữu cơ trung hòa tạo ra các loại cation ưa dầu có thể chuyển
anion vào pha hữu cơ không phân cực: ete crown và cryptand, ete của
polyetylen glycol, một vài dung môi DMSO. DMF, HMPT.
Đặc trưng quan trọng nhất của các phản ứng XTCP là nồng độ của tác nhân
anion trong pha hữu cơ không vượt quá nồng độ của chất xúc tác (thông
thường 1% nồng độ mol của sản phẩm tách. Do đó hầu hết các phản ứng
XTCP có thể thực hiện không cần dung môi hữu cơ, miễn là nguồn hữu cơ ban
đầu ở dạng lỏng và do đó làm dung môi cho các tác nhân phản ứng.
1.1.4. Ưu điểm của xúc tác chuyển pha [3]
Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng XTCP có các ưu điểm sau:
-Hạn chế việc sử dụng các dung môi hữu cơ
-Sử dụng các chất phản ứng đơn giản và không tốn kém (NaOH, KOH,
K2CO3… thay vì NaH , KHMDS t-BuOK, …)
-Sản phẩm có hiệu suất và độ tinh khiết cao
-Quy trình đơn giản
-Khả năng mở rộng quy mô lớn
-Tiêu thụ năng lượng và chi phí thấp
-Giảm thiểu chất thải công nghiệp
Một số ví dụ về phản ứng XTCP

6

1.2. CƠ CHẾ PHẢN ỨNG CỦA XÚC TÁC CHUYỂN PHA TRONG
MÔI TRƯỜNG TRUNG TÍNH (Các phản ứng thế, oxi hóa và khử hóa xảy
ra ở môi trường trung tính) [1]
Cơ chế XTCP cho các phản ứng thế đã được Stark đưa ra như sau:
cation oni Q+ tách anion Y- vào pha hữu cơ hình thành nên cặp ion [Q +Y-]
được. Cặp ion này tham gia phản ứng thế nhanh với RX cho sản phẩm phản
ứng. Muối mới [Q+X-] quay trở lại pha nước mà ở đó Q+ lại nhận một ion Ymới để tạo nên vòng xúc tác tiếp theo.
Cơ chế trên có thể mô tả theo sơ đồ phản ứng sau

7


Vì các chất xúc tác chuyển pha kiểu oni có thể làm giảm sức căng bề mặt hoặc
có tính chất giống như chất hoạt động bề mặt nên trước hết phải khẳng định
rằng phản ứng xảy ra ở trong pha hữu cơ chứ không phải ở bề mặt giữa hai
pha hay là trong pha nước.
Ảnh hưởng của tốc độ khuấy lên động học phản ứng đã được nghiên
cứu. Theo đó tốc độ của phản ứng giữa các bề mặt điển hình tỉ lệ với tốc độ
khuấy nằm trong khoảng từ 600 đến 1700 vòng/phút. Ngược lại các phản ứng
XTCP không bị ảnh hưởng bởi tốc độ khuấy khi tốc độ khuấy vượt qua một
giá trị tối thiểu cần thiết để làm triệt tiêu những gradient nồng độ ở cả hai phía
của bề mặt ngăn cách giữa hai pha. Thực nghiệm cho thấy với các chất tham
gia phản ứng trung tính thì tốc độ phản ứng là không đổi khi tốc độ khuấy vào
khoảng 200-300 vòng/phút. Trong phản ứng tổng hợp ete từ ancol và ankyl
clorua khi có mặt NaOH và XTCP thì tốc độ khuấy chỉ cần 80 vòng/phút. Từ
nhiều kết quả khác nữa về tốc độ khuấy người ta rút ra kết luận rằng phản ứng
không xảy ra ở bề mặt giữa hai pha. Thực tế cả hai chất phản ứng hữu cơ và
chất xúc tác ưa mỡ ít nhiều không tan trong pha nước chứng tỏ rằng phản ứng
xảy ra hoặc là trong pha hữu cơ hoặc có thể trong pha mixen. Các công trình
nghiên cứu khi sử dụng các điện cực chọn lọc ion đã khẳng định sơ đồ cơ chế

trên và người ta đã xác định được rằng cân bằng tách là nhanh. Bởi vậy bước
quyết định tốc độ phải xảy ra trong pha hữu cơ.
Các hằng số tốc độ bậc 2 đối với ankyl hóa tetrapentylamoni
nitrophenolat là như nhau trong phản ứng đồng thể với dung môi là
điclometan và trong CH2Cl2/H2O. Căn cứ vào động học của các phản ứng khác
người ta cũng xác định được các phản ứng trong XTCP phải xảy ra trong pha
hữu cơ. Hơn nữa, hằng số tốc độ phụ thuộc một cách tuyến tính vào nồng
độ xúc tác. Vì vậy các hằng số tốc độ đối với các chất xúc tác khác nhau đã
được chuẩn hóa.

8


Các hằng số tốc độ của các phản ứng XTCP đã được chứng minh là bậc
2 như ở trên. Nhưng tùy thuộc vào điều kiện tiến hành phản ứng, hằng số tốc
độ của các phản ứng XTCP có thể là bậc 1. Ví dụ, phản ứng giữa một lượng
dư lớn Cl-, Br- và I- trong nước và n-octylmetan sunfonat trong clobenzen với
tributylhexanđexylphosphoni halogenua làm xúc tác có hằng số động học giả
bậc 1.
k2t =

1

ln

C0 (QY)-C0 (RX)

C0 (RX)

K.q0.[Y-]n

.

C0 (QY)

[X-]n +K. [Y-]n [RX]

(9)

hay dạng đơn giản hơn:
const.t = const. ln

[Y-]n
[X-]n +K. [Y-]n [RX]

(10)

Khi vẽ đồ thị ln([Y-]n/ [RX]) hay nghịch đảo của đại lượng này theo
thời gian sẽ cho một đường thẳng nếu:
[X-]n + K.[Y-]n = const (11)
Phương trình thỏa mãn chỉ khi K=1, như đối với trường hợp bình
thường nhất của sự trao đổi đồng vị. Nếu K không khác 1 nhiều lắm thì thay
đổi không lớn lắm. Nếu K>>1 nghĩa là nồng độ của Y- rất lớn trong pha hữu
cơ và quá trình này gần như quá trình tự xúc tác. K< 0,1 thì phản ứng dừng lại,
đó là “hiệu ứng đầu độc chất xúc tác” không mong muốn, nghĩa là liên hợp
cation oni ngày càng mạnh với anion làm giảm dần nồng độ chất xúc tác. Sự
đầu độc này có thể tránh được nếu như lượng chất xúc tác dùng tương đương
về số mol. Đối với K= 0,01 thì việc tăng nồng độ chất xúc tác từ 1 đến 20%
mol cũng đủ để giữ cho phản ứng không bị dừng lại.
Động học giả bậc 1 của XTCP đã được nghiên cứu nhiều. Tuy nhiên

điều này có thể là đúng chỉ khi độ lớn của K và lượng dư [Y -]n kết hợp làm
cho [Q+Y-]hc luôn thật sự không đổi. Tỉ lệ [Y-]n/ [RX] yêu cầu cho quá trình
XTCP là bậc 1 đã được tính toán như trong bảng dưới đây:
Bảng 1.1. Tỉ lệ mol tối thiểu của [Y-]n/ [RX] đủ để có thể xác định được
động học của phản ứng XTCP là giả bậc 1
K

Tỉ lệ tối thiểu
của [Y-]n/ [RX]

K

Tỉ lệ tối thiểu của
[Y-]n/ [RX]

1

10

10

2

9


1,33
2

8

4

100
1000

0,8
0,4

Khi K rất lớn thì một nồng độ thấp hơn nồng độ đương lượng của Y - là
cần thiết cho quá trình động học giả bậc 1 cho đến khi Y - bị tiêu hết và phản
ứng kết thúc.
Chú trọng rằng hằng số tách E QX, EQY và K bị ảnh hưởng không chỉ bởi
độ hoạt động của các ion mà còn bởi nhiều yếu tố khác như các quá trình phụ
như đã nói ở trên. Thật vậy, K[2] và ko[2,4] tăng lên một cách rõ ràng khi pha
nước gần bão hòa hoặc chất tham gia phản ứng hoặc sản phẩm phản ứng.
Động học giả bậc 1 phù hợp với RX được quan sát thấy trong octan với dung
dịch NaCN trong nước và xúc tác là tributylhexađexylphosphoni bromua.
Trong trường hợp khi phản ứng tổng cộng là thuận nghịch:
RXhc + Y-n

K*

RYhc + X-n

(1ª)

Thì cân bằng có thể được biểu thị bằng các cân bằng thành phần sau đây:
[Q+X-]hc + Y-n

[Q+Y-]hc + RX

K
[Q+Y-]hc + X-n

Khc

[Q+X-]hc

+ RY

(2)
(3ª)

Như vậy sẽ dẫn đến:
K* = K.Khc

(12)

Tuy nhiên khi khảo sát chặt chẽ hơn người ta thấy rằng cân bằng được biểu thị
trong phương trình (12) có thể đạt được chỉ khi K gần bằng 1 hay khi lượng
xúc tác là tương đương vê số mol. Nếu như K rất khác 1 (từ 0,001 đến 1000)
thì vị trí cân bằng sẽ được xác định bởi dư lượng xúc tác đã sử dụng.
Giả sử khi nghiên cứu một phản ứng khi dùng 1% xúc tác (0,01M),
Khc=10.000, K=0,001 và các dung dịch 1M của RX và Y n-. Vì X- được giải
phóng ngày càng tăng trong quá trình phản ứng và đầu độc chất xúc tác nên
phản ứng (1ª) trở nên ngày càng chậm. Đồng thời phản ứng ngược theo
phương trình (1ª) đạt được trạng thái cân bằng. Bằng cách dùng phương trình
(4) thì số mol của chất xúc tác Z đã cặp đôi với Y - ở độ chuyển hóa 10% có
thể được tính như sau:
10

Z. 0,1
(0,01-Z).0,9

= 0,001

Z = 8,9.10-5

Thật vậy, sau khi chuyển hóa 10% thì 99,1% chất xúc tác đã cặp đôi với X hơn là Y- và phản ứng thuận (1ª) dừng lại thật sự. Cân bằng tại thời điểm đó
phải nằm gần ở độ chuyển hóa 10% mặc dầu K* có thể có một giá trị cực đại
là 10.
Đối với xúc tác chuyển pha nói chung, cation xúc tác chuyển dời cùng với các
ion trái dấu khác nhau từ pha này sang pha kia. Khả năng này không đáng kể
khi chuyển các phương trình (1) hay (1ª) vào các phương trình (2) và (3) hay
(3ª) tương ứng. Tuy nhiên, người ta cũng phân vân: liệu sự chuyển đổi vật lý
của cation giữa hai pha có cần thiết hay không. Tùy thuộc vào dung môi và
vào độ ưa mỡ của muối oni được sử dụng mà chất xúc tác có thể ở pha hữu cơ
hoặc pha nước. Người ta đã chỉ ra rằng sự chuyển đồng thời cation xúc tác là
không cần thiết đối với XTCP. Thật vậy, từng giọt dung dịch amoni bậc 4
bromua trong điclometan được đưa vào phía dưới bề mặt chất lỏng của ống
đong nhỏ chứa đầy dung dịch nước của natri 4-(2,4-đinitrophenylazo)phenoxit. Trong nước, chỉ thị nay có màu đỏ ứng với dạng anion và màu xanh
trong điclometan dưới dạng cặp ion với Q +. Trong quá trình đi vào ống đong,
giọt thuốc thử chuyển thành màu xanh chỉ ra rằng có sự trao đổi anion. Nếu Q +
cùng được tách vào pha nước thì nó không thể quay trở lại vì giọt thuốc thử
rơi nhanh để Q+ lại đằng sau. Một thí nghiệm khác, trong một ống hình chữ U
có chứa hai pha hữu cơ độc lập được tách ra bởi dung dịch nước của muối vô
cơ. Người ta thay đổi các xúc tác khác nhau từ loại rất ưa mỡ được tách 100%
vào pha hữu cơ tới loại bị tách một phần vào trong pha nước. n-Octylmetan
sunfonat được đưa vào một trong các pha hữu cơ, và chất xúc tác vào trong

một pha hữu cơ khác. Với các xúc tác ít ưa mỡ, phản ứng XTCP bắt đầu xảy
ra sau một thời gian nhất định để khuếch tán qua pha trung gian và tốc độ tăng
lên từ 0 tới một giá trị không đổi. Ngược lại, chất xúc tác ưa mỡ 100%
(Noct4Br và Pbu3C16H33Br) không có khả năng khơi mào cho phản ứng XTCP
trong pha hữu cơ khác. Nhưng phản ứng sẽ xảy ra nhanh nếu thêm chất xúc
tác vào pha hữu cơ có chứa chất tham gia phản ứng.
Từ các thí nghiệm và phân tích trên, có thể mô tả quá trình XTCP xảy ra với
các xúc tác ưa mỡ như sau:
11


Một vấn đề khác về cơ chế là phản ứng xảy ra hoặc là trong pha hữu cơ qua
cặp ion hoặc qua anion tự do. Như ở phần trên đã chứng minh. Hằng số phân
ly của cặp ion trong môi trường phân cực của XTCP là bậc 10 -5. Vì vậy nồng
độ của các anion tự do là rất nhỏ nên các phản ứng từ anion là không lớn. Tuy
nhiên, khi nghiên cứu động học của XTCP trong phản ứng trao đổi halogenua
thì thấy rằng: Nếu phản ứng xảy ra qua giai đoạn tạo thành anion tự do thì tốc
độ sẽ tỉ lệ thuận với căn bậc hai của nồng độ [Q +X‾] trong pha hữu cơ. Vì tốc
độ tỉ lệ thuận với [Q+X‾] nên cặp ion phải là tác nhân nucleophin chủ yếu
trong vùng nồng độ đang nghiên cứu.
Ví dụ cụ thể: [3]
Xét phản ứng sau

Hai dung dịch 1-chlorooctane và sodium cyanide nằm ở hai lớp riêng biệt.
Đun hồi lưu và khuấy mạnh trong 1-2 ngày phản ứng không xảy ra.

Khi một muối amoni bậc bốn thích hợp được thêm vào, ở đây là
tetrahexylammonium clorua, sự thế xảy ra nhanh chóng gần 100 % trong 2-3h
Trong quá trình này, các muối amoni là chất xúc tác có vai trò :
1 ) Chuyển các xyanua vào pha hữu cơ .

2 ) Kích hoạt cyanide chuyển cho phản ứng với halogenua alkyl.
3 ) Chuyển các anion clorua thế lại vào pha lỏng để bắt đầu một chu kỳ xúc tác
mới
Quá trình này được biểu thị theo sơ đồ dưới đây

12


pha hữu cơ
mặt phân cách

mặt phân cách

pha nước

Ở đây phản ứng xảy ra theo ít nhất hai bước:
Bước 1: Phản ứng nội tại hay phản ứng thế ở pha hữu cơ
Nếu bước này quyết định tốc độ phản ứng thì cơ chế phản ứng là cơ chế phân
bố (extraction mechanism)
Bước 2: Bước chuyển
Nếu bước này quyết định tốc độ phản ứng thì cơ chế phản ứng là cơ chế bề
mặt (Interfacial Mechanism)
Chúng ta cùng xét cơ chế xảy ra ở các bước
Bước 1: Trong phản ứng trên dung dịch anion cyanide phải đủ hoạt động
để cho quá trình thế có thể xảy ra. Ở đây NaCN là một tác nhân kém hoạt
động do sự liên kết ion chặt chẽ của NaCN, hoặc năng lượng tương tác lớn
ràng buộc hai ion với nhau.

Sự khác biệt về bán kính ion có thể được suy ra từ năng lượng tương tác ion
bằng cách tính toán Coulomb đơn giản ở đây là 11,4 Kcal/mol với NaBr và 5,3

Kcal/mol với Bu4NBr. Các nghiên cứu cũng chỉ ra mỗi cặp ion giảm 5
Kcal/mol khác biệt về năng lượng hoạt hóa là tương đương với một thay đổi
4400 lần trong tốc độ phản ứng
13


Cation

Bán kính, A

Năng lượng Coulomb tương
tác với anion bromide,

Kcal/mol

Có thể nhận thấy rằng khi bán kính cation của muối bậc bốn tăng, hiệu ứng
kích hoạt trở nên lớn hơn. Tuy nhiên, bán kính cation không phát triển vô hạn.
Bước 2:
Có 2 cơ chế chung cho bước 2
1. Muối bậc 4 được tách từ pha
nước (Starks)

2. Muối bậc 4 vẫn ở ngoài pha nước
(Makosza)

Cả hai cơ chế trên phù hợp tùy thuộc vào kích thước cation, với cation nhỏ
đến trung bình thì cơ chế 1 có thể giải thích tốt hơn, trong khi đó cơ chế 2
chính xác hơn cho các cation từ vừa đến lớn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến bước chuyển cặp ion:
A. Diện tích tiếp xúc: Diện tích tiếp xúc tăng có ảnh hưởng tích cực tới sự

chuyển cặp ion .
• Khả năng chuyển cặp ion bất kỳ giữa hai pha bị chi phối bởi diện tích bề
mặt. Do đó, sự phát tán của một pha thành những giọt nhỏ trong pha thứ hai là
rất quan trọng .
• Ba yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến diện tích bề mặt
-Sức căng bề mặt: Sức căng bề mặt lớn làm giảm diện tích bề mặt. Nhiều dung
môi không phân cực
14


và dung dịch có nồng độ cao có sức căng thẳng bề mặt lớn hơn.
- Sự hiện diện của chất hoạt động bề mặt: Các chất hoạt động bề mặt lăm tăng
diện tích bề mặt do có tác động lên sự hình thành của những hạt li ti
- Khuấy : Với tốc khuấy thấp, diện tích bề mặt biến đổi theo bình phương tốc
độ khuấy (năng lượng kích thích = khối
lượng x vận tốc khuấy2 ) .
Việc siêu âm có thể mang lại năng lượng
kích thích cao.
B. Bản chất của anion :
Anion có khả năng hidrat yếu hoặc anion
hữu cơ như perchlorate, iodide và phenolat
có thể dễ dàng chuyển cặp trong khi các
anion có khả năng hidrat như florua hoặc hydroxide chuyển cặp kém.
C. Độ lớn của các cation xúc tác bậc bốn
Khi các nhóm alkyl càng lớn tốc thì tốc độ chuyển càng chậm hơn
Việc sử dụng của các cation bậc bốn không đối xứng dễ tiến gần đến
trung tâm của cation trên mặt phân cách pha

Độ lớn của xúc tác cũng làm giảm tốc độ chuyển theo hướng hạ thấp nồng độ
tối đa trên bề mặt phân cách pha

15


PHẦN 2: TÍNH HIỆU QUẢ CỦA CHẤT XÚC TÁC,
PHẢN ỨNG N-ANKYL HÓA

2.1. TÍNH HIỆU QUẢ CỦA CHẤT XÚC TÁC [1]
Mặc dầu có nhiều tác giả đã so sánh hiệu năng của một số chất xúc tác
đối với các phản ứng, song các dữ kiện là không hữu ích vì các điều kiện phản
ứng khác nhau. Để so sánh hiệu năng của xúc tác thường người ta phải tiến
hành dưới các điều kiện phản ứng gần như không đổi. Người ta có thể sử dụng
hiệu suất phản ứng hay các hằng số tốc độ trong việc so sánh này. Thí dụ:
Bảng 2.1. Các hằng số tốc độ bậc 2 đối với phản ứng của thiophenoxit với
1-bromoctan trong benzen/H2O
Xúc tác

Hằng số tốc độ k.103, M-1s-1

NMe4Br

<0,0016

NProp4Br
NBu4Br
NBu4I
NMeOct3Cl (Aliquat-336)
N(C2H5CH2)Et3Br (TEBA-bromua)
Pyridyl-BuBr

0,0056
5,2
7,4
31
<0,0016
<0,0016

Pyridyl-HepBr
Pyridyl-C12H25Br
NHexEt3Br

0,023
0,092
0,015

Như đã hi vọng, các hợp chất ưa mỡ lớn hơn có hiệu quả nhất và
những ion đối xứng hơn là tốt hơn những ion chỉ có mạch cacbon dài. Những
ion photphoni bị thế có tác dụng hơn một chút so với những ion amoni bị thế
tương tự. Các nhóm benzyl và phenyl có tác dụng xúc tác không giống các
gốc ankyl C7 và C6. Trong heptan, tốc độ phản ứng thấp hơn 100 lần, còn trong
dung môi phân cực hơn (orthodiclobenzen) thì tốc độ tăng từ 5 đến 300 lần
(đặc biệt khi dùng các xúc tác yếu). Hằng số tốc độ cực đại là 10 lần nhanh
hơn so với các phản ứng đồng thể trong etanol và khoảng 300 lần chậm hơn
trong DMF tuyệt đối khan. Dĩ nhiên cần nhớ rằng tốc độ thực nghiệm về phản
ứng XTCP có thể được điều chỉnh bằng lượng xúc tác.
16


Vừa mới đây, các thông số động học của nhiều phản ứng thế đã được
xác định đối với các xúc tác sau: 2-tetrađexyl-[2,2,2], pehiđrotribenzo-[2,2,2],

đixiclohexano-l8-crown-6, 2-đexyl-[2,2,2], 18-crown-6, đibenzo-18-crown-6
bị thế ankyl khác nhau và hexađexyltributylphotphoni. Các kết luận từ thực
nghiệm rút ra là: nếu các ete crown là đủ ưa mỡ thì mạch ankyl dài cho khả
năng cải thiện nhỏ. Độ hoạt động XTCP bị giảm với độ dài của mạch nhánh.
Nói chung không thuận lợi khi sử dụng các ete crown cho sự thế XTCP, và
đặc biệt chúng kém hoạt động khi các nucleophin là Cl‾ hay CN‾. Các
cryptand ưa mỡ phản ứng từ 2 đến 5 lần nhanh hơn muối oni, thang độ hoạt
động của chúng là N3‾ > CN‾ > Br‾ > I‾ > Cl‾ > SCN‾ trong H2O/C6H5C1.
Khả năng tách của xúc tác có thể là yếu tố quan trọng nhất trong phản
ứng oxi hoá bằng pemanganat. Người ta chỉ ra rằng lượng dư vừa phải của
muối amoni ưa mỡ có thể tách MnO4‾ hầu như toàn lượng.
Trong các phản ứng khử bằng BH3, các phản ứng xảy ra nhanh hơn
nhiều với các xúc tác amoni bậc 4 có chứa nhóm hiđroxyl ở vị trí p so với
nitơ, nghĩa là (-)-N-đođexyl-N -mety lepheđrini bromua, so vói hoặc Aliquat336 hoặc tert-butylhexađexylphotphoni bromua. Chất xúc tác “đặc biệt” này ít
hiệu quả hơn các chất xúc tác thông thường trong các phản ứng XTCP điển
hình khác. Một giải thích có thể đối với hiệu quả duy nhất chính là trong phản
ứng khử bằng BH3 thì ion BH4‾ tấn công vào nhóm cacbonyl được hoạt hoá
nhờ sự tạo thành trước đó liên kết hiđro. Một số tác giả đã tìm thấy sự cảm
ứng bất đối xứng nhẹ trong XTCP khử bằng BH 3 khi dùng chất xúc tác quang
hoạt có nhóm OH ở trung tâm không trùng vật ảnh.
Đối với XTCP rắn-lỏng, người ta đã so sánh khả năng xúc tác giữa
một

muối

amoni

bậc

4

điển

hình,

Aliquat-336,

18-crown-6

và

tetrametyletilenđiamin. Chất xúc tác amoni tỏ ra là tương đương hay cao hơn
so với các xúc tác khác trong các phản ứng thế các anion CH3COCT, F‾,
ađenyl. Tuy nhiên, anion CN‾ phản ứng với crown-ete xảy ra ít nhất 100 lần
nhanh hơn khi được xúc tác bằng Aliquat-336.
Bây giờ chúng ta hãy nghiên cứu phản ứng ankyl hoá khi có mặt
NaOH đậm đặc. Makosza đã so sánh một số xúc tác trong phản ứng etyl hoá
benzylxianua bằng etylclorua dưới các điều kiện chuẩn. Các kết quả được
trình bày trong bảng 2.2.
17


Bảng 2.2. Ảnh hưởng của câu trúc đến hiệu suất của phản ứng
giữa benzyl xianua và etyl clorua
Chất xúc tác

Hiệu suất Chất xúc tác

Hiệu suất

(%)

(%)

N(PhCH2)Me3Cl

32

p-H3CO-PhCH2-NE3Cl

54

N(PhCH2)Me2EtCl
N(PhCH2)Et3Cl (TEBA)
N(PhCH2)Et2Prop.Cl
N(PhCH2)EtProp2.Cl
N (PhCH2)MeEtProp. C1
N(PhCH2)Et2BuCl
N(PhCH2)Prop3Cl
N(PhCH2)2Et2Cl

40
50
47
44
43
45
43
15

p-Cl-PhCH2-NEt3Cl
N(PhCH2)Et2(CH2-CH=CH2)Cl
N-Allyl-N-benzyl-piperiđin clorua
CH2=CH-CH2-NEt3Cl
CH2=CH-CH2-NProp3Cl
N(PhCH2)Et3Br
NEtịCl

38
8
5
23
6
35
51

Các kết quả này chỉ ra rằng TEBA là xúc tác ít nhiều tối ưu. Người ta thấy
rằng hiệu suất là thấp khi dùng các đồng đẳng cao hơn của TEBA. Dường như
đây là những tương tác đặc biệt anion-cation trong cặp ion [NR 4+PhCH‾ CN].
Bước này làm tăng hiệu suất đến cực đại và sau đó giảm đi khi tăng tính ưa
mỡ của cation xúc tác.
Makosza cũng đã thấy rằng nhiều ion lạ vô cơ trong môi trường nước
loại bỏ một cách cạnh tranh phản ứng ankyl hoá. Trong số những ion này với
những hiệu ứng ngược mạnh nhất là I‾ và CIO 4‾. Các anion Br‾, NO2‾, CO32‾
và CN‾ có hiệu ứng yếu hơn F‾, Cl‾ và SO 42‾ tỏ ra không có hiệu ứng này.
Benzyl hoá C6H5CH2CN đã được nghiên cứu dưới các điều kiện XTCP. Trong
phản ứng này chỉ một lượng nhỏ ion lạ đã gây nên những hiệu ứng ảnh hưởng
đến quá trình xúc tác. Thậm chí người ta còn quan sát thấy những ảnh hưởng
mạnh của kiếu anion xúc tác đến hiệu suất sản phẩm.
Bảng 2.3. Ảnh hưởng của bản chất anion của xúc tác tetrabutylamoni đến

hiệu suất sản phẩm phản ứng benzyl hoá C6H5CH2CN bằng C6H5CH2Cl.
Anion xúc tác

% benzyl hoá một lần % Benzyl hoá hai lần

HSO4-

42,8

11,8

Cl‾
Br‾
I‾

40,6
35,1
8,6

9,3
7,4
0,5

18


C1O4‾
P-naphtalensunfonat
Benzoat
p-nitrobenzoat

24,1
40,2
45,3
44,1

3,5
12,8
12,2
12,2

picrat

15,1

3,7

Điều kiện: 0,05 mol mỗi chất C6H5CH2C1, 0,001 mol xúc tác, 0,1M NaOH
đậm đặc, l giờ ở 0°c.
Mặc dầu có một vài sai khác không dễ giải thích được; khuynh hướng
người ta cho rằng đó là do sự khác nhau về hệ số tách: những anion rất ưa mỡ
không dễ dàng trao đổi với phân tử chất tham gia phản ứng đã bị đeproton hoá
ở bề mặt giữa hai pha.
Docks đã nghiên cứu ảnh hưởng độ dài mạch của xúc tác lên sự tạo
thành stiren trong phản ứng của phenetyl bromua và NaOH đậm đặc.
Người ta cũng đã tiến hành so sánh các chất xúc tác cho phản ứng xà
phòng hoá. Nhưng cần phải nhấn mạnh rằng các kết quả này có giá trị chỉ đối
với một este có một anion axit rất ưa nước (bảng 2.4).
Ảnh hưỏrng rõ rệt của natri stearat lên phản ứng này chỉ ra khả năng
thực hiện các cơ chế khác nhau. Đáng chú ý là các poliete mạch hở cũng có

tác dụng trong phản ứng này như tetrabutylamoni hidrosunfat trong khi các
crown-ete lại không có tác dụng.
Khi so sánh hằng số tốc độ thuỷ phân p-nitrophenyl axetat được xúc
tác bằng PPh4+, NBu4+, GePh3+, PbPh3+, SnPh3+, SnR3+ và SnBu2Cl2 thì ra
NBu4Br có tác dụng 2,5 lần nhanh hơn các xúc tác khác.
Bảng 2.4. Hiệu suất xà phòng hoá đietylađipat bằng NaOH đậm đặc và
các xúc tác khác nhau
Xúc tác

Hiệu suất

Không

(%)11

NBU4HSO4
NBU4C1
NBu4Br
NBU4I
NC104BU4
NBU4OOCC6H5

Xúc tác

93
32
18
15
14
32

19

Hiệu suất(%)

18-crown-6

11

dibenzo-18-cro wn-6
NBu4Br
NPent4Br
NHex4Br
NHep4Br
NOct4Br

12
18
20
45
46
39


NOct4Br
Aliquat-336
N(C16H33)Me3Br
TEBA
Cetylpiriđinium
C115-crown-5

40
50
39
18
20
23

Stearat natri
NEt4+C5H17SO3‾
C16H33(OCH2CH2)20OCOCH3
C16H33(OCH2CH2)30OCH3
C16H33(OCH2CH2)30C1
C16H33(OCH2CH2)30OH

60
39
95
84
76
74

Điều kiện: 0,01 mol cơ chất, 0,05 mol NaOH 50%, 5ml ete dầu hoả, 0,0001
mol xúc tác, 1 giờ, nhiệt độ phòng.
Gần đây có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của chất xúc tác đến việc
cộng hợp chọn lọc vào một hoặc hai liên kết đôi trong đien và trien liên hợp
hay không liên hợp. Người ta đã tìm thấy các hằng số tốc độ giả bậc 1 đối với
cộng họp 1 và 2 điclocacben vào isopren. Tỉ lệ của chúng tăng lên mạnh theo
trật

tự:

xetyl-

trimetylamoni

>

quinuclidin

>

NBu 3

>

l,4-

điazabixiclo[2,2,2]octan. Nói một cách khác, lượng sản phẩm cộng hợp hai lần
giảm đi khi đi từ xetyltrimetylamoni tới l,4-điazabixiclo[2,2,2]octan:
xetyltrimetylamoni cho hiệu suất 88% (tỉ lệ sản phẩm cộng hợp một lần: sản
phẩm cộng hợp 2 lần= 2:1) trong những điều kiện nhất định còn 1,4ddiazabiixxiclo [2,2,2] octan cho hiệu suất 23% sản phẩm cộng hợp một lần
tinh khiết. Những kết quả này thật khó phù hợp với các thông tin có giá trị
khác về tính chất xúc tác và tính chất của điclocacben. Người ta thấy rằng
amin bậc 3 là một trong những chất xúc tác hiệu quả nhất. Tuy nhiên, các điều
kiện có khác nhau chút ít (NaOH ít đậm đặc hơn).
2.2. PHẢN ỨNG N-ANKYL HÓA [1]
Theo cách phân loại các phản ứng N-ankyl hóa được tiến hành trong
một hệ hai pha có chứa Na2CO3 hay KOH. Các muối amoni bậc 2 hay 3 được
hình thành phải khuếch tán tới bề mặt các pha để chuyển hóa thành amin. Tốc
độ phản ứng sẽ được quyết định bởi độ ái nhân của amin và rõ ràng rằng chất

xúc tác chuyển pha sẽ không ảnh hưởng lớn tới phản ứng của các amin bình
thường. NaOH trong nước không đủ mạnh để tách proton của các amin chưa
được hoạt hóa. Tuy nhiên, nếu các nhóm NH được axit hóa bằng các nhóm hút
electron ở bên cạnh thì việc tách proton có thể xảy ra. Thật vậy, xúc tác có thể
tạo nên các anion amiđua rất ưa mỡ theo 1 trong 2 cách:
1/ Vận chuyển ion hiđroxi để tách proton trong lớp hữu cơ.
20


2/ Tách những phân tử đã bị đeproton hóa từ giới hạn pha
Hầu hết các công trình liên quan trong lĩnh vực này đều phù hợp với các dự
đoán trên. Thực tế có rất ít công trình công bố việc ankyl hóa liên kết NH
không hoạt động khi có mặt xúc tác là hợp chất amoni bậc 4. Các amin thơm
bị ankyl hóa bằng 1,3-điclobuten-2 và benzyl clorua/ KOH (hay NaOH) trong
nước. Nếu dùng R4NCl hay TEBA thì hiệu suất tăng lên 2-3 lần. Sự ankyl hóa
đóng vòng của ankyl bậc 1 (A) (R=CH 3, (CH3)2CH, tert-C4H9) với hợp chất
(B) được thực hiện thành công trong hỗn hợp dung môi CHCl 3/C2H5OH/H2O
với xúc tác (CH3)3(C6H5CH2)N+-OCH3
Br
BrH2C
RNH2

Br
Br

+
BrH2C

Br

Br

Br
A

Br

RN
Br

H : 65-90%

B

Không giống với hiđroxit trong nước, KH cùng với cryptand [2,2,2]
có thể chuyển anilin một cách định lượng thành anilit trong benzen hay THF ở
nhiệt độ phòng. Ankyl hóa được hoàn thành trong 3 phút. KF được làm khô
lạnh có thể dùng cho việc ankyl hóa anilin mà không cần thêm chất phụ gia
nào.
Trong hiddrazobenzen, liên kết NH có tính axit hơn, bởi vậy một nồng
độ cân bằng nhỏ của anion có thể được hình thành khi có mặt của K 2CO3 hay
KOH trong nước. Với K2CO3 trong etanol hay DMF, việc ankyl hóa một lần
cho kết quả tốt. Khi sử dụng kỹ thuật ankyl hóa chiết tách bằng dung môi
CH2Cl2 trong sự có mặt của 0,5-1 mol NBu4OH và 0,5-1 mol NaOH trong
nước, và đun sôi từ 1-24 giờ cho đến khi trung tính thì hiệu suất tăng lên rất
cao. Các iođua bậc 1, benzyl bromua và ankyl bromua cho hiệu suất tốt, các
iođua bậc 2 cho hiệu suất ít thỏa đáng hơn. Tương tự như vậy, phenylhiđrazon
(C) có thể bị ankyl hóa cho (D) với hiệu suất từ 43-98% bằng cách khuấy với
dung dịch NaOH 50% trong nước, một lượng dư tác nhân ankyl hóa và 5%
mol NBu4Cl trong 0,5 giờ ở 30-60ºC.

Thủy phân D bằng axit H2SO4 loãng cho 1-ankyl-1-phenyhiđrazin (E)

21


Hợp chất F bị ankyl hóa trong Cl 2H2C/NaOH 15% trong nước, xúc tác là
(CH3)3N+CH2C6H5 (8 giờ ở nhiệt độ phòng). Nếu không có tác nhân ankyl hóa
và dùng NaOH đậm đặc/ NBu4Cl(F) phân hủy cho hợp chất diazo.
R1

C

H
N N SO2

R1

CH3

R3
N N SO2

C

CH3

2

2

R

R

F

Việc ankyl hóa trong sự có mặt của NaOH được tiến hành với 1-10% mol xúc
tác, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng sẽ thay đổi với tác nhân ankyl
hóa. Thí dụ, đối với các hợp chất kiểu (G): với (CH 3)2SO4, chỉ cần 45 phút,
nhiệt độ phòng và với n-C4H9I: 22 giờ, 80 ºC. Hiệu suất đạt được là 80 đến 95
%
R2

NH C R1
O

R3X/NaOH

R2

N
R3

C R1
O

TEBA
G
O
C

NH

O
C

RX/NaOH

N-R

TEBA

(CH2)n

(CH2)n

Kali phtalimit rắn bị ankyl hóa trong toluen khi có mặt 10% mol Bu3C16H33PBr
ở 100ºC bằng benzyl clorua (20 phút); xyclohexyl hay neopentyl bromua (40
giờ), hiệu suất 85-100%

O
Bu3(C16H33)PBr
N-K
ran

Toluen, RX

O

O
N-R

O

Ankyl metan sunfonat tinh khiết quang hoạt cho sản phẩm với khoảng 90%
đảo ngược cấu hình. Đối với các chất tham gia phản ứng là bậc 2 và neopentyl
22


bromua thì xảy ra phản ứng tách loại cạnh tranh. Tốc độ phản ứng chậm hơn
nhiều trong dung môi C5H11OH. Quan sát này phù hợp với giả thiết cho rằng
các cặp ion không bị solvat hóa la cần thiết cho các phản ứng XTCP nhanh.
Các este 2-phtalimit quang hoạt có độ tinh khiết quang học từ thấp tới trung
bình có thể thu được từ phản ứng ankyl hóa XTCP rắn/lỏng bằng 2bromankanoat khi dùng các xúc tác chiral.
Ankyl hóa xianamit bằng lượng dư RX khi có mặt NaOH 50% và muối oni chỉ
cho các sản phẩm hai lần ankyl hóa. Các sản phẩm này có thể bị thủy phân
một cách dễ dàng cho các amin bậc 2. Người ta thấy rằng việc hoạt hóa các
liên kết NH cũng có thể thực hiện được bằng các nhóm axit phosphoric.
Zwierzak đã chuyển hóa các amin bậc 1 thành các amin bậc 2 qua hợp chất
trung gian đietyl phosphoramit. Các hợp chất trung gian này lại bị ankyl hóa
và tiếp theo bị phân hủy. Các bước (1) và (2) là các quá trình XTCP.
Bước 1:
O
(R O)2PH
1

R2NH2

+

+ CX4

O
(R1O)2P-NH-R3

NaOH
TEBA

+ HCX3

Bước 2:
O
(R O)2P-NH-R3
1

Toluen, NaOH
NBu4HSO4

O R3
(R O)2P-N-R3
1

Bước 3:
R3

O R3
(R1O)2P-N-R3

HCl

HN-R3

Ở đây nhắc tới một phản ứng N-ankyl hóa bất thường: đó la muối
ankylđiphenylsunfoni khan chuyển hóa nhóm ankyl của chúng cho amin trong
một quá trình rắn/lỏng.
RS+Ph2X-

+ HNR'2

+

K2CO3

RNR'2 + SPh2 + KX + KHCO3

Đôi khi ankyl hóa nội phân tử thuận lợi đến nỗi phản ứng xảy ra không cần
thêm xúc tác vào giới hạn pha. Thật vậy, sự tạo thành aziriđin từ (R) và (S)
được quan sát thấy bằng cách khuấy đơn giản dung dịch benzen với NaOH
50% trong nước. Phản ứng này rất thú vị về mặt điều chế vì các phản ứng tách
loại trong piriđin (phản ứng đồng thể) hay dung dịch KOH/etanol dẫn tới sự
tạo thành liên kết đôi hay sự phá vỡ không mong muốn của vòng aziriđin.
23


HN

COOMe
N

COOMe
I

N
CH3
(R)
HN

N
CH3

COOMe
N COOMe
I

Các phương pháp thực nghiệm điển hình của ankyl hóa amin
Akyl hóa axetanilit
a) Lượng mol xúc tác: 0,1 mol NBu 4HSO4 được hòa tan vào trong
100ml dung dịch NaOH 2M. Thêm vào dung dịch này 0,1 mol axetanilit và
0,18 mol CH3I trong 100 ml CH2Cl2. Hỗn hợp được hồi lưu trong 30 phút. Sau
khi tách hai pha, lớp hữu cơ được cho bay hơi. Thêm vào đó 100 ml ete để loại
bỏ NBu4I bằng cách lọc. Loại dung môi cho ta N-axetyl- N-metylanilin, hiệu
suất 90%.
b) Lượng nhỏ xúc tác: Một hỗn hợp gồm 0,02 mol axetanilit, 0,001 mol
TEBA, 50 ml benzen, 0,1 mol NaOH và 4 ml H 2O được khuấy mạnh ở nhiệt
độ phòng cho đến khi tạo thành một thể nhão. Đưa nhiệt độ của hỗn hợp phản
ứng lên đến 60-70ºC rồi nhỏ từ từ 0,04 mol n-C 3H7Br vào hỗn hợp đó. Hỗn
hợp được đun nóng và khuấy trong 200 phút sau khi chất phản ứng đã hòa tan
hết. Pha hữu cơ được tách ra, rửa bằng HCl 2N, bằng nước và làm khô. Sau
khi cất loại dung môi, sản phẩm được kết tinh. Điểm nóng chảy của sản phẩm
là 45-48 ºC. Hiệu suất 82%.
Ankyl hóa amit đơn giản: Hệ bazơ NaOH/K2CO3
Vừa khuấy vừa thêm từng giọt dung dịch 0,075 mol ankyl halogenua

trong benzen vào hỗn hợp sôi gồm 0,05 mol cacboxamit một lần thế ở nitơ, 7g
bột mịn NaOH, 14g K2CO3 và 0,005 mol tetra-n-butylamoni hiđrosunfat
((C4H9)4NHSO4) trong 50 ml benzzen. Sau 4 giờ hồi lưu, hỗn hợp được xử ly
bằng nước. Hiệu suất 73-96%.

24


KẾT LUẬN
Xúc tác chuyển pha là một giải pháp hiệu quả và đơn giản trong tổng hợp
hữu cơ, các nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng XTCP hạn chế việc sử dụng
các dung môi hữu cơ, sử dụng các chất phản ứng đơn giản và không tốn kém
(NaOH, KOH, K2CO3… thay vì NaH , KHMDS t-BuOK, …), sản phẩm có
hiệu suất và độ tinh khiết cao, quy trình đơn giản, có khả năng mở rộng ra quy
mô lớn, tiêu thụ năng lượng và chi phí thấp, giảm thiểu chất thải công nghiệp
phản ứng được thực hiện trong môi trường dị thể hệ hai pha.
Trong XTCP thì một chất tham gia phản ứng nằm trong pha hữu cơ phản
ứng với một tác nhân nằm trong một pha khác thường là pha nước hay pha
rắn. Các phản ứng XTCP được chia thành: các phản ứng xảy ra trong các môi
trường axit hay trung tính và các phản ứng xảy ra khi có mặt các bazơ vô cơ
đậm đặc. Đối với các phản ứng XTCP xảy ra trong các môi trường trung tính
cation oni Q+ tách anion Y- vào pha hữu cơ hình thành nên cặp ion [Q +Y-]
được. Cặp ion này tham gia phản ứng thế nhanh với RX cho sản phẩm phản
ứng. Muối mới [Q+X-] quay trở lại pha nước mà ở đó Q+ lại nhận một ion Ymới để tạo nên vòng xúc tác tiếp theo.
Trong quá trình XTCP các yếu tố diện tích tiếp xúc bề mặt (sức căng bề
mặt, chất hoạt động bề mặt, tốc độ khuấy), bản chất của anion hay độ lớn của
các cation xúc tác bậc bốn ảnh hưởng đến bước chuyển cặp ion.
Để so sánh hiệu năng của xúc tác thường người ta phải tiến hành dưới
các điều kiện phản ứng gần như không đổi. Người ta có thể sử dụng hiệu suất
phản ứng hay các hằng số tốc độ trong việc so sánh này. Tùy thuộc vào từng

loại phản ứng, môi trường phản ứng mà người ta đã đưa ra được những chất
XTCP phù hợp.
Các phản ứng N-ankyl hóa được tiến hành trong một hệ hai pha có
chứa Na2CO3 hay KOH. Các muối amoni bậc 2 hay 3 được hình thành phải
khuếch tán tới bề mặt các pha để chuyển hóa thành amin. Xúc tác có thể tạo
nên các anion amiđua rất ưa mỡ theo 1 trong 2 cách: vận chuyển ion hiđroxi
để tách proton trong lớp hữu cơ hoặc tách những phân tử đã bị đeproton hóa từ
giới hạn pha. Hầu hết các công trình liên quan trong lĩnh vực này đều phù hợp
với các dự đoán đưa ra.
25