Khảo sát phản ứng mannich với xúc tác zeolite trao đổi ion kim loại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO KHÓA LUẬN
TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI
KHẢO SÁtT PHẢN ỨNG MANNICH VỚI XÚC TÁC
ZEOLITE TRAO ĐỔI ION KIM LOẠI
GVHD: TS. Lê Tín Thanh
SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận
MSSV: K38.106.123

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2016


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên em xin cám ơn cô, Tiến sĩ Lê Tín Thanh – cô đã trực tiếp tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em để hoàn thành khóa
luận tốt nghiệp này.
Em gửi lời cám ơn chân thành đến các Thầy, Cô trong Khoa đã luôn chỉ
bảo, khuyến khích và hỗ trợ em rất nhiều trong suốt bốn năm học tập tại Trường
Đại học Sư phạm TP.Hồ Chí Minh. Đây là khoảng thời gian em được tiếp thu
rất nhiều kiến thức và kỹ năng cần thiết để trang bị cho tương lai phía trước.
Em xin cám ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên, hỗ trợ, cho
em những lời khuyên bổ ích để em có được như ngày hôm nay.
Tuy nhiên, vì thời gian và khả năng có hạn nên bài khóa luận này không

tránh được những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý chân thành của
Thầy Cô và các bạn để bài khóa luận trở nên hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cám ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 5 năm 2016

B


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................................2
1. Tổng quan về Zeolite ...............................................................................................2
1.1. Khái niệm...........................................................................................................2
1.2. Phân loại Zeolite ................................................................................................3
Zeolite được chia làm 2 loại chính: zeolite tự nhiên và zeolite tổng hợp. ......................3
1.3. Ứng dụng của zeolite .........................................................................................5
2. Zeolite trao đổi ion kim loại trong tổng hợp hữu cơ ................................................6
2.1. Khái niệm zeolite trao đổi ion ...........................................................................6
2.2. Zeolite trao đổi ion kim loại trong tổng hợp hữu cơ .........................................7
3. Phản ứng Mannich ...................................................................................................8
3.1. Giới thiệu về phản ứng Mannich .......................................................................8
3.2. Xúc tác trong phản ứng Mannich ......................................................................9
Chương 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................................14
1. Hóa chất - Dụng cụ ................................................................................................14
2. Thực nghiệm ..........................................................................................................15
2.1. Điều chế xúc tác..............................................................................................15
2.2. Khảo sát phản ứng Mannich ............................................................................16
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................17
1. Diện tích bề mặt riêng của xúc tác .........................................................................17
2. Khảo sát tỉ lệ mol của các chất tham gia phản ứng ................................................17

3. Khảo sát lượng xúc tác ...........................................................................................17
4. Khảo sát nhiệt độ phản ứng ....................................................................................18
5. Khảo sát phản ứng khi sử dụng các dẫn xuất khác nhau của benzaldehyde ..........18
6. Khảo sát khả năng tái sử dụng của xúc tác ............................................................19
7. Định danh sản phẩm Mannich ...............................................................................19
7.1 Phổ hồng ngoại (IR)..........................................................................................19
7.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR .............................................................20
Chương 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................24
1. Kết luận ..................................................................................................................24
2. Kiến nghị ................................................................................................................24
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................25


DANH MỤC CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1: Cấu trúc của zeolite

2

Hình 2: Cấu trúc của zeolite A

4

Hình 3: Giản đồ cắt ngang của mordenite

5

Hình 4: Hệ thống mao quản của ZSM-5

5

Hình 5: Phổ IR của 1,3-diphenyl-3-(phenylamino)propan-1-one

20

Hình 6: Phổ 1H-NMR của 1,3-diphenyl-3-(phenylamino)propan-1-one

21

Hình 7: Phổ 1H-NMR của 3-(4-chlorophenyl)-1-phenyl-3-

22

(phenylamino)propan-1-one

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

BẢNG

TRANG

Bảng 1: Hiệu suất tái sử dụng của Nagrik

12

Bảng 2: Dụng cụ thí nghiệm

14

Bảng 3: Hóa chất thí nghiệm

14

Bảng 4: Kết quả khảo sát phản ứng theo tỉ lệ mol 1:2:3

17

Bảng 5: Kết quả khảo sát phản ứng theo lượng xúc tác

17

Bảng 6: Kết quả khảo sát phản ứng theo nhiệt độ

18

Bảng 7: Kết quả khảo sát phản ứng của các dẫn xuất benzaldehyde

21

khác nhau
Bảng 8: Khảo sát khả năng tái sử dụng của xúc tác

18

Bảng 9: Số liệu phổ 1H-NMR (dung môi CDCl 3 ) (δ, ppm và J, Hz) của

19

1,3-diphenyl-3-(phenylamino)propan-1-one
Bảng 10: Số liệu phổ 1H-NMR của 3-(4-chlorophenyl)-1-phenyl-3-

23

(phenylamino)propan-1-one

A


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
KÍ HIỆU
RT
DMSO
NMP
THF
TMG
DMF

TÊN
Room Temperature
Dimetylsulfoxide
N-methyl-2-pyrrolidinone
Tetrahydrofuran
1,1,3,3-tetra-methylguanidine

Dimetylformamide

B


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

MỞ ĐẦU
Sử dụng xúc tác dị thể giúp cho quá trình tinh chế sản phẩm trở nên dễ dàng hơn
so với trường hợp của xúc tác đồng thể. Đồng thời, sau khi phản ứng kết thúc, xúc tác
cũng được tách ra khỏi hỗn hợp dễ dàng để thu hồi và tái sử dụng. Do đó, xúc tác dị
thể ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các quy trình tổng hợp hữu cơ.
Phản ứng Mannich là một phương pháp cổ điển để tổng hợp β-amino carbonyl và
là một trong những phản ứng cơ bản trong hóa học hữu cơ được sử dụng trong tổng
hợp hợp chất thiên nhiên và tổng hợp dược.
Sự thay thế các chất xúc tác có hại cho môi trường bằng cách sử dụng các chất xúc
tác acid rắn thân thiện với môi trường như xúc tác dị thể là một việc cần thiết. Với
những lợi thế về mặt kinh tế và môi trường, việc thay thế xúc tác đồng thể bằng các
xúc tác dị thể trong tổng hợp hữu cơ được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên
cứu. Trong đó, xúc tác trong phản ứng Mannich cũng được nghiên cứu rất nhiều
nhưng ít các nghiên cứu về việc sử dụng xúc tác zeolite.
Với mong muốn góp phần tìm hiểu khả năng xúc tác của chất xúc tác dị thể,
zeolite, trong phản ứng Mannich để tổng hợp các hợp chất β-amino carbonyl, chúng
tôi đã chọn đề tài “Khảo sát phản ứng Mannich với xúc tác zeolite trao đổi ion kim
loại”.

1

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

Chương 1: TỔNG QUAN
1. Tổng quan về Zeolite
1.1. Khái niệm
Zeolite là các aluminosilicate tinh thể có cấu trúc không gian ba chiều với hệ
thống lỗ xốp đồng đều và rất trật tự. Không gian bên trong gồm những hốc nhỏ được
nối với nhau bằng những đường hầm ổn định. Nhờ hệ thống lỗ và đường hầm này mà
zeolite có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ và đường
hầm của chúng và đẩy ra những phân tử có kích thước lớn hơn. [1]
Thành phần chủ yếu của zeolite là Si, Al, O và một số kim loại kiềm, kiềm thổ
khác.
Trên phương diện cấu trúc, các zeolite là các cấu trúc tinh thể mô tả bởi các mạng
lưới 3D tứ diện của [AlO 4 ]5- hay [SiO 4 ]4- được liên kết cùng nhau bằng một nguyên tử
oxy chung tạo thành mạng lưới zeolite, các tứ diện này được sắp xếp theo các trật tự
khác nhau sẽ hình thành các đơn vị thứ cấp khác nhau. Các hình dạng bên trong khác
nhau của mỗi loại zeolite cho phép thay đổi khả năng phản ứng và gây ra sự khác biệt.
Vì vậy, zeolite còn được gọi là hợp chất rây phân tử. [2]

Hình 1: Cấu trúc của zeolite
Công thức chung của zeolite là:
M 2/n O.Al 2 O 3 .xSiO 2 .y H 2 O
Trong đó: M: Cation có khả năng trao đổi.
2


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

n: Hoá trị của cation
x: Tỉ số mol SiO 2 /Al 2 O 3 .
Y: Số phân tử nước trong đơn vị cơ sở ( khoảng từ 1 ÷ 12 ).
Tỷ số x ≥ 2 thay đổi đối với từng loại zeolite cho phép xác định thành phần và
cấu trúc của từng loại.
Ví dụ:

Zeolite A có x = 2.
Zeolite X có x = 2,3 ÷ 3.
Zeolite Y có x = 3,1 ÷ 6.

Mordenite tổng hợp có x ≈ 10. Đặc biệt các zeolite họ pentasit có x = 20 ÷ 1000.
Riêng đối với zeolite ZSM-5 được tổng hợp dùng chất cấu trúc có 7 ≤ x ≤ 200.
Gần đây người ta đã tổng hợp được các loại zeolite có thành phần đa dạng có tỷ
lệ mol SiO 2 /Al 2 O 3 cao thậm chí có những loại cấu trúc tương tự zeolite mà hoàn toàn
không chứa các nguyên tử nhôm.
1.2. Phân loại Zeolite
Zeolite được chia làm 2 loại chính: zeolite tự nhiên và zeolite tổng hợp.
Các zeolite tự nhiên thường ở gần bề mặt của trái đất nên việc khai thác dễ dàng
và xử lý đơn giản, dẫn đến có giá thành thấp, rẻ tiền. Vì vậy, các zeolite tự nhiên có
nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp và bảo vệ môi trường.[3]
Zeolite tự nhiên có trên 40 loại, độ tinh khiết không cao và kém bền nên khả
năng ứng dụng hạn chế, thường chỉ phù hợp với các ứng dụng cần khối lượng lớn và
không yêu cầu nhiều về chất lượng, chẳng hạn như dùng làm chất độn trong chất tẩy
rửa, chất hấp phụ. Hơn nữa do thành phần hoá học biến đổi đáng kể nên chỉ có một
vài loại zeolite tự nhiên có khả năng ứng dụng thực tế như: Analcime, chabazite,
hurdenite, clinoptilonit... và chúng chỉ phù hợp với những ứng dụng mà không yêu cầu

tinh khiết cao. Hiện nay, các zeolite tự nhiên được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực làm
khô và tách các chất lỏng và khí, làm mềm nước cứng, xử lý nước thải và khả năng
trao đổi ion tốt.[3]
Zeolite tổng hợp có trên 200 loại, zeolite tổng hợp có nhiều ưu điểm như tính
tinh khiết cao, kích thước các hạt đồng nhất, và khả năng trao đổi ion tốt hơn nên rất
phù hợp cho việc nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp như: zeolite A, zeolite X,
zeolite Y, zeolite ZSM-5, ZSM-11... Các zeolite này đã được áp dụng rộng rãi trong
3


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

nhiều lĩnh vực tách và làm sạch khí, các quá trình tinh lọc dầu mỏ, hóa dầu, và trao đổi
ion. [3]
Số lượng zeolite tự nhiên và tổng hợp đã biết hiện nay lên đến hàng trăm, nhưng
có ứng dụng thực tế thì chỉ một số ít các zeolite. Những zeolite thông dụng như zeolite
A, zeolite faujasit (X và Y), zeolite ZSM-5, mordenite hay clinoptilotit. Dưới đây là
cấu trúc một số zeolite tiêu biểu :[4]
 Zeolite A: là zeolite có tỉ số Si/Al = 1, ở dạng natri có công thức chung là

(Na 2 O).Al 2 O 3 .2SiO 2 .4,5H 2 O

và

công

thức

tế

bào

đơn

vị:

Na 12 [(AlO 2 ) 12 (SiO 2 ) 12 ].27H 2 O. Trong zeolite A, tỉ số Si/Al bằng từ 0,7 đến 1,2, số
cation Na+ bằng đúng số nguyên tử Al trong mạng lưới. Tinh thể lập phương, hằng số
tế bào nguyên tố a = 12,3 Å. Hệ thống mao quản của zeolite A có kích thước cửa sổ là
4 Å.

Hình 2: Cấu trúc của zeolite A
 Zeolite Mordenite (MOR) là một zeolite tự nhiên, nhưng cũng đã được tổng hợp ở
9

nguồn không có tự nhiên. Công thức chung là Na 2 O.Al 2 O 3 . H 2 O.6H 2 O. Công thức tế
10

bào đơn vị: Na 8 [(AlO 2 ) 8 (SiO 2 ) 40 ].24H 2 O. Trong zeolite mordenite, tỉ số Si/Al bằng từ
4,5 đến 5. Mạng lưới của mordenite gồm 2 hệ thống kênh giao nhau. Kênh lớn tạo
thành từ các vòng 12 oxy có kích thước ~ 7,2 x 6,5 Å, kênh nhỏ gồm 8 vòng oxy ~ 5,7
x 2,9 Å.

4


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

Hình 3: Giản đồ cắt ngang của mordenite
Oxi nằm trên đường thẳng, Silic và nhôm nằm ở điểm cắt các đường
 Zeolite ZSM-5 là một zeolite tổng hợp, có mạng lưới không gian ZSM-5 thuộc nhóm
cấu trúc MFI. Công thức chung là Na n Al n Si 96-n O 192 , trong đó n < 27. Tỉ số
SiO2 / Al 2 O 3 từ 20 đến 8000. ZSM-5 gồm hệ thống những đường ống cắt nhau, trong
đó, các đường ống thẳng có tiết diện ngang hình elip (5,1 x 5,7 Å) và đường ống
zigzag gần tròn (5,4 x 5,6 Å). Hai kiểu đường ống cắt nhau tạo thành mạng lưới ba
chiều của zeolite.
5,1 × 5,7 Å

5,4 × 5,6 Å

Hình 4: Hệ thống mao quản của ZSM-5
1.3. Ứng dụng của zeolite
Do zeolite có nhiều tính chất đặc biệt nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau như công nghiệp, nông nghiệp, môi trường và y học. Zeolite được sử dụng chủ
yếu để làm khô tác chất, làm khô dung môi, tách chiết chọn lọc đặc thù, xúc tác chọn
lọc đặc thù và trao đổi ion chọn lọc. Dưới đây là một vài ứng dụng của zeolite: [5]
 Sản xuất chất tẩy rửa: phần lớn các zeolite được sử dụng theo hướng này, do tính chất
trao đổi cation của zeolite. Zeolite cũng không gây ảnh hưởng đến môi trường và các
sinh vật khác như các chất giặt rửa trước đây.

5


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

 Ứng dụng làm chất làm khô và tách chiết: zeolite còn có khả năng làm khô: làm khô
khí công nghiệp và chất chống ẩm trong bảo quản, khả năng tách chiết và tinh chế các
chất do hiệu ứng lưới trong cấu trúc ứng với nhiều loại chất và phân tử đa dạng về kích
thước, hình thù. Zeolite đã được sử dụng để tách các chất khí như CO, CO 2 , N 2 ,
SO 2 ,O 2 và các hydrocarbon.
 Ứng dụng trong y học: zeolite được sử dụng để sản xuất oxy cho bệnh viện từ không
khí do có khả năng hấp phụ khí nitơ mạnh hơn khí oxy và zeolite còn có thể tách các
chất khí khác và loại bỏ hơi nước ra khỏi dòng khí giàu oxy. Ngoài ra, zeolite được sử
dụng để kháng khuẩn, kích thích sự hình thành xương, chữa trị tiểu đường, chữa tiêu
chảy, làm giảm axit trong hệ tiêu hóa và làm các chất mang dược phẩm.
2. Zeolite trao đổi ion kim loại trong tổng hợp hữu cơ
2.1. Khái niệm zeolite trao đổi ion
Gần đây, việc sử dụng zeolite trao đổi ion kim loại đang được nhiều nhà khoa
học quan tâm. Các xúc tác này được tổng hợp dễ dàng, bền trong vài tháng, thu hồi dễ
dàng bằng cách lọc và tái tạo. Thí nghiệm có thể sử dụng dung môi an toàn và ngay cả
không cần dung môi, và điều này hoàn toàn đáp ứng được quy tắc của hóa học xanh.
Sự xuất hiện của các cation bù trong cấu trúc tạo nên tính trao đổi ion một cách
chọn lọc của zeolite. Các cation bù rất linh động và dễ dàng bị trao đổi với các cation
khác. Qua việc trao đổi cation, zeolite có khả năng biến tính để tạo thành nhiều vật liệu
có hoạt tính đa dạng, đáp ứng được nhiều yêu cầu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.[6]
Thông thường, trong zeolite tự nhiên hay tổng hợp ban đầu đều có cation bù là
Na+. Phản ứng trao đổi ion có thể mô tả như sau :
nNa+- Zeol- + Mn+ → Mn+-(Zeol-) n + nNa+
Mn+ là cation kim loại hóa trị n, Zeol- là một điểm mang điện tích âm trên khung
zeolite.
Những ion phổ biến nhất (Cu2+, Zn2+, Fe3+...) đều dễ dàng trao đổi với zeolite. Tuy
nhiên, zeolite có hệ thống lỗ trống với kích thước phân tử đồng đều và xác định nên sự
trao đổi ion cũng có tính chọn lọc, gọi là hiệu ứng lưới. Hiệu ứng lưới này chỉ cho các
ion có kích thước bé hơn hay bằng kích thước của lỗ trống trao đổi qua zeolite. Dung

lượng trao đổi ion của zeolite phụ thuộc vào tỉ lệ SiO 2 /Al 2 O 3 . Vì mỗi tứ diện [AlO 4 ]56


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

trong khung sườn của zeolite có một điểm trao đổi ion. Dung lượng trao đổi ion còn
phụ thuộc vào dạng cation trao đổi.
Độ lựa chọn và khả năng trao đổi ion trên zeolite phụ thuộc vào pH (vì H+ là ion
cạnh tranh), nhiệt độ và độ hoạt hóa của nước. Các cation cạnh tranh, dung môi, sự tồn
tại các tác nhân tạo phức, nồng độ dung dịch và các anion là những yếu tố có thể thay
đổi khả năng tách các ion trong dung dịch. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của các yếu tố
trên đối với zeolite không quá phức tạp và có thể dự đoán dễ dàng hơn so với các loại
nhựa trao đổi ion (vì zeolite có khung sườn chắc chắn hơn).
Sự tạo phức sẽ làm thay đổi rõ rệt tính chất của các ion trao đổi. Ví dụ, trong
zeolite A, ion Ag+ trao đổi thích hợp với Na+, nhưng Na+ lại thích hợp hơn so với phức
Ag(NH 3 ) 2 +. Do đó, zeolite có thể được tái sinh qua việc ngâm trong dung dịch có tác
nhân tạo phức với ion trao đổi. Điều này cũng là lợi thế cho việc tách chất khi có tác
nhân tạo phức, mà các phương pháp khác không thể đạt được. Dung lượng trao đổi của
zeolite sẽ tăng hơn khi ở nhiệt độ cao.
2.2. Zeolite trao đổi ion kim loại trong tổng hợp hữu cơ
Trong việc nghiên cứu xúc tác dị thể, Loh tại Singapore đã nghiên cứu sử dụng
xúc tác Indium tricloride (InCl 3 ) trong phản ứng Mannich “one-pot”. Phản ứng tiến
hành được tiến hành với nhiều dung môi khác nhau (H 2 O, CH 3 CN, THF). Kết quả cho
thấy trong dung môi THF, hiệu suất thu được khá cao (82%) và xúc tác có thể tái sử
dụng.[7]
PhCHO + PhNH2

OTMS

InCl3 (20 mol%)

Ph

Ph

THF, r.t, 24h

Ph

+

NH

O
Ph

82%

Năm 2008, K. Patil đã thực hiện một công trình nghiên cứu khảo sát các xúc tác
zeolite trao đổi với ion kim loại đồng như là xúc tác “xanh”. Tác giả đã tiến hành sử
dụng xúc tác trên phản ứng ba thành phần để tổng hợp các propargylamine ở điều kiện
không dung môi.[8]

7


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

H
N

CuI-USY
+ PhCHO +

Ph

Ph
N

80oC

Ph
95%

Một trong những công trình tiêu biểu cho xúc tác zeolite trao đổi ion là công trình
của nhóm tác giả Chassaing. Tác giả đã sử dụng xúc tác dị thể đồng(I)-zeolite trong
các phản ứng đóng vòng. Ví dụ điển hình như phản ứng giữa (Z)-1-benzylidene-5,5dimethyl-3-oxopyrazolidin-1ium-2-ide và ethyl propiolate, hiệu suất thu được là
85%.[9]
O

CuI-USY
COOEt

+

N N

O
N N

Toluene, 60oC
Ph

Ph

EtOOC

85%

3. Phản ứng Mannich
3.1. Giới thiệu về phản ứng Mannich
Trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ tạo liên kết C-C và C-N thì Mannich là một
trong những phản ứng được sử dụng khá phổ biến.
Phản ứng Mannich là phản ứng tạo các hợp chất β-aminoalkyl carbonyl thông qua
con đường cho enol phản ứng với imine, imine này được hình thành bằng cách cho
một aldehyde tác dụng với môt amine bậc một hay bậc hai. [10]
Phản ứng Mannich diễn ra được giải thích theo nhiều cơ chế tùy thuộc vào chất
tham gia và điều kiện phản ứng được tiến hành.
• Sơ đồ tổng quát

R1

H
N

O

R2

+

R3

H

+

R5

R4
O

R1

Xúc tác
R2

R4

N

R5
R3

O

• Cơ chế tổng quát

8


Khóa luận tốt nghiệp

H+

O
R3

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

H

R3

R5

R4

R3

N

-H+

OH

OH

H

R1

NH

R3

R2

N
H

R2

R3

R1

H+

OH
N

OH2

R2

R3

R1

N

R2
R1

R2
R1

H+

H H
R5

R4

O

-H+

R5

R4

R3

OH

OH

N

R2

R2

R1

R1

R3

OH
R5

N
R4
-H+
R1

R2

R4

N

R5
R3

O

3.2. Xúc tác trong phản ứng Mannich
3.2.1. Xúc tác hữu cơ
Xúc tác hữu cơ (đồng thể) thường được sử dụng trong phản ứng Mannich với
các ưu điểm trội, điều kiện phản ứng không quá phức tạp và cho độ chọn lọc lập thể
cao.
Proline là một xúc tác khá phổ biến cho phản ứng Mannich với hiệu suất và độ
chọn lọc lập thể cao. Năm 2002, lần đầu tiên Benjamin List và các cộng sự sử dụng Lproline làm xúc tác cho phản ứng Mannich ba thành phần.[11]
CHO
O

NH2

(S)-Proline
(35 mol%)

+

+
NO2

OMe

1 e.q

1.1 e.q

OMe
O

HN

DMSO
50%
NO2

94% ee

Yujiro Hayashi và các cộng sự đã khảo sát phản ứng Mannich của các aldehyde
khác nhau cũng với xúc tác L-proline. Kết quả các sản phẩm sau khi khử bằng NaBH 4
thu được với hiệu suất từ 90-93%.[12]
OMe
O
PhCHO +

+
NH2

OMe

10 mol%
L-Proline

NaBH4

H NMP -20o
C
,

MeOH

HN
Ph

OH
90%
98%ee

9


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

OMe

CHO

O
+
NO2

+

OMe

10 mol%
L-Proline

H

NaBH4

NMP, -10oC

HN

MeOH

NH2

OH
O2N

93%
99%ee

Ibrahem đã hoàn thành công trình nghiên cứu vào năm 2005 về việc sử dụng
các xúc tác amino acid và amine bất đối mạch hở trong phản ứng Mannich ba thành
phần. Công trình cho thấy các xúc tác này đem lại hiệu suất phản ứng cũng như là độ
chọn lọc lập thể khá cao.[13]
OMe

O
+

OMe

O

+

( S)-serine
H2O

H

NO2

OMe

OMe

O

+

+

( S)-alanine
H2O

H

OMe

O
+

Catalyst (1)

H2O

H

89%
94% ee

O HN

NO2 DMSO, RT, 12h

NH2

NO2
O

Catalysts

68%
86% ee
NO2

OMe
+

O HN

NO2 DMSO, RT, 48h

NH2

O

60%
94% ee

NO2 DMSO, RT, 48h

NH2

O

O HN

HO

O
OH

NH2
( S)-Serine

OH
NH2
( S)-Alanine

H2N

N
N

HN N
(1)

Năm 2012, nhóm tác giả Guo tại San Antonio đã tiến hành nghiên cứu và khảo
sát phản ứng Mannich của benzaldehyde (1), p-toluenesulfonamide (2) và ketone (3)
với xúc tác base. Sau một thời gian khảo sát, nhóm đã thành công khi tìm ra xúc tác và
điều kiện tối ưu nhất với hiệu suất 97%

khi sử dụng xúc tác là 1,1,3,3-tetra-

methylguanidine (TMG) trong dung môi toluene (tại nhiệt độ phòng).[14]
10


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

O

O

O

Ts

NH

TMG

H + s
T NH2 +

Toluene
2

1

97%

3

3.2.2. Xúc tác dị thể
Năm 2007, Maggi đã tiến hành khảo sát phản ứng ba thành phần để tổng hợp
propargylamine từ aldehyde, alkyne và amine bậc hai với xúc tác zeolite trong đổi ion
kim loại.[15]
H
N
PhCHO +

+

Ph

Ph
Ph

Ag-NaY (5%)
N

100oC, 15h

81%
91%ee

Công trình nghiên cứu về Scandium (III) zeolite đã được Olmos tiến hành trên
phản ứng aldol Mukaiyama vào năm 2009. Xúc tác này cho các kết quả khá khả
quan.[16]
OSiMe3

O
ScIII-USY

O
+

Ph
H

Ph

O
Ph

CH2Cl2, rt
100%
Sy n:Anti 33:66
O
OSiMe3
ScIII-USY

Ph

OSiMe3
+

OSiMe3

H

CH2Cl2, rt
100%
Sy n:Anti 56:44

Nhóm tác giả Nagrik tại Ấn Độ đã khảo sát phản ứng Mannich của ba hợp chất
aldehyde, ketone và amine để tạo thành các hợp chất 𝛽𝛽-amino carbonyl với xúc tác dị

thể MgO/ZrO 2 . Công trình nghiên cứu cho thấy việc sử dụng xúc tác này mang lại
nhiều ưu điểm như hiệu suất phản ứng cao, thời gian phản ứng thấp và xúc tác có thể
tái sử dụng nhiều lần.[17]
11


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

O

NH2

O

O

HN

MgO/ZrO2 (035:0.65)
H

+

+

CH3CN, 80oC, 8h
91%

Bảng 1: Hiệu suất tái sử dụng của Nagrik
STT

Tái sử dụng

Hiệu suất (%)

1

Lần 1

91

2

Lần 2

90

3

Lần 3

89

4

Lần 4

87

5

Lần 5

87

Sharghi đã sử dụng hạt nano Cu/C làm xúc tác dị thể trong phản ứng Mannich
của các amine bậc hai, aldehyde và alkyne. Đồng thời, xúc tác này dễ dàng thu hồi
bằng cách lọc và tái sử sụng ít nhất 10 lần. Phản ứng giữa morpholine, formalin,
phenylacetylene thực hiện trong dung môi nước đạt hiệu suất khá cao.[18]
Ph
Cu/C (5 mol%)

O
+
N
H

HCHO +

Ph

O

N

H2O, 3h, rt/H2O
92%

Năm 2013, Vadivel đã tiến hành phản ứng Mannich của các aniline với
aldehyde để tổng hợp các hợp chất 𝛽𝛽-amino carbonyl có sự có mặt của MCM-41 như
là một xúc tác acid rắn. Phương pháp này có nhiều ưu điểm và dễ tiến hành với thời
gian phản ứng ngắn và hiệu suất sản phẩm cao.

Một phản ứng tiêu biểu mà tác giả thực hiện giữa benzaldehyde, acetophenon
và aniline trong dung môi là ethanol cho hiệu suất 95%.[19]

12


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

O

NH2

O

HN

O
MCM-41

H

+

+

EtOH, reflux, 6h
95%

Các zeolite trao đổi ion kim loại được biết đến là các xúc tác dị thể tuyệt vời.
Các xúc tác zeolite trao đổi đồng (I) được sử dụng trong phản ứng các phản ứng 1-3dipolar hay ngưng tụ Mannich. Trong khi đó các zeolite trao đổi Scandium (III) làm
xúc tác cho phản ứng aldol hóa Mukaiyama. Các xúc tác này dễ dàng chuẩn bị, bền
trong vài tháng, thu hồi dễ dàng bằng cách lọc và tái sử dụng. Phản ứng có thể sử dụng
dung môi an toàn và đôi khi không cần dung môi. Do đó điều này hoàn toàn đáp ứng
được quy tắc của hóa học xanh.
Ứng dụng khá tiêu biểu cho nhóm xúc tác dị thể là công trình của nhóm tác giả
người Iran, Ahmad Reza Massah, với việc sử dụng xúc tác là ZSM-SO 3 H có vai trò là
một tâm acid xúc tác cho phản ứng Mannich diễn ra dưới điều kiện không dung môi.

Sản phẩm thu được với hiệu suất cũng như độ chọn lọc lập thể cao.[20]

NH2

CHO

O
ZSM-5-SO3H, rt

+

NH

NH

O

O

+

+
Solvent f ree, 1h
Syn

Anti
97%
Anti/Syn 100:0

13

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

Chương 2: THỰC NGHIỆM
1. Hóa chất - Dụng cụ
Bảng 2: Dụng cụ thí nghiệm
STT

Tên dụng cụ thí nghiệm

1

Pipet

2

Máy khuấy từ có bộ phận điều nhiệt

3

Cốc

4

Bình cầu (100ml, 25ml)

5

Ống sinh hàn

6

Tủ sấy

7

Chén sứ, chày sứ

8

Tủ nung

9

Bình định mức

10

Phễu lọc xốp

11

Máy lọc hút chân không

12

Máy cô quay chân không

13

Cột sắc kí

14

Cân phân tích

15

Máy đo nhiệt độ nóng chảy GALLEN KAMP 220V-50W

16

Máy đo phổ 1H-NMR BRUKER ADVANCED 500MHz

17

Máy đo phổ IR SHIMADZU FTIR 8400S

Bảng 3: Hóa chất thí nghiệm
STT

Tên hóa chất

Công thức

Xuất xứ
14

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

1

ZSM-5

2

Zinnitrate Hexahydrate

Zn(NO 3 ) 2 .6H 2 O

Trung Quốc

3

Aniline

C 6 H 5 NH 2

Aros organic

4

Benzaldehyde

C 6 H 5 CHO

Aros organic

5

Acetophenone

C 6 H 5 COCH 3

Aros organic

6

4-Methoxybenzaldehyde

p-CH 3 OC 6 H 5 CHO

Merck

7

4-Chlorobenzaldehyde

p-ClC 6 H 5 CHO

Merck

8

Hexane

C 6 H 14

Việt Nam

9

Ethyl Acetate

CH 3 COOC 2 H 5

Việt Nam

2. Thực nghiệm
2.1. Điều chế xúc tác
Quy trình điều chế xúc tác zeolite trao đổi ion kim loại (Zn-ZSM)
3g ZSM nghiền nhỏ

Bình cầu

30 ml Zn2+ 1M

Đun hồi lưu
8h

Đun hồi lưu trong 8 gio
Hỗn hợp
2 lần

Lọc, rửa bằng nước khử ion
Chất rắn
Sấy ởở120oC,
Sấy
120oC trong 8 giờ
8h

Chất rắn
Nung
Nungởở 550oC trong 4 giờ
550oC, 4h

Chất xúc tác
(Zn-ZSM 1M)

15


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

Cân 3g ZSM đã nghiền nhỏ cho vào bình cầu. Sau đó cho thêm vào 30ml dung
dịch Zn2+ 1M, đun hồi lưu trong 8 giờ. Đem hỗn hợp đi lọc chân không bằng phễu lọc
xốp và rửa sạch bằng nước khử ion. Thu lấy phần chất rắn, sấy khô ở 120°C trong 8
giờ. Tiếp tục bỏ phần chất rắn này vào bình cầu, thêm tiếp 30ml dung dịch Zn2+ 1M và
lặp lại một lần nữa các bước trên. Cuối cùng, đem chất rắn đi nung ở 550°C trong 4
giờ ta sẽ được xúc tác Zn-ZSM 1M. Phương pháp này có thể sử dụng để trao đổi với
các ion kim loại khác sử dụng các muối vô cơ khác.[21]
2.2. Khảo sát phản ứng Mannich

2.2.1. Tổng hợp 1,3-diphenyl-3-(phenylamino)propan-1-one (4a)
O

NH2

O

O

HN

Zn-ZSM 1M
H

1

Cân

+

+

0,212g

4a
1,3-diphenyl-3-(phenylamino)propan-1-one

3

2

benzaldehyde

(2mmol),

0,186g

aniline

(2mmol),

0,24g

acetophenone (2mmol) cho vào bình cầu. Thêm vào 0,05g xúc tác zeolite Zn-ZSM
1M. Khuấy và đun hỗn hợp bằng bếp điều nhiệt, ở 60oC trong 5 giờ. Sau 5 giờ, hỗn
hợp thu được lọc bằng phễu xốp. Rửa xúc tác nhiều lần bằng ethyl acetate. Tiếp theo,
đem dung dịch màu vàng thu được cô quay loại bỏ dung môi thu được sản phẩm thô.
Kết tinh lại trong ethyl acetate : hexane (1:3) thu được sản phẩm rắn màu trắng, nhiệt
độ nóng chảy đo được là 166,7oC – 168,8oC.
2.2.2. Khảo sát phản ứng Mannich
 Khảo sát tỉ lệ mol của chất tham gia phản ứng
 Khảo sát hàm lượng xúc tác
 Khảo sát nhiệt độ
 Phản ứng Mannich với các dẫn xuất của benzaldehyde
 Khảo sát khả năng tái sử dụng
2.2.3. Định danh sản phẩm và thông số hóa lý của xúc tác
 Đo diện tích bề mặt riêng của xúc tác zeolite Zn-ZSM 1M bằng phương pháp BET.
 Các sản phẩm thu được định danh bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR, IR

16

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Diện tích bề mặt riêng của xúc tác
Diện tích bề mặt riêng được đo bằng hấp phụ N 2 theo phương pháp của
Brunauer-Emmett-Teller (BET). Kết quả cho thấy mẫu Zn-ZSM 1M có diện tích bề
mặt riêng là 283 m2/g.
2. Khảo sát tỉ lệ mol của các chất tham gia phản ứng
Ảnh hưởng của tỉ lệ mol các chất tham gia phản ứng được khảo sát ở điều kiện
nhiệt độ 60oC, thời gian 5h, lượng xúc tác ZSM-5-Zn2+ (1 M) là 0,05 g. Các phản ứng
được thực hiện trong điều kiện không dung môi. Kết quả được trình bày trong Bảng 4.
Bảng 4: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol các chất tham gia phản ứng
STT

Tỉ lệ mol 1:2:3 (mmol)

Hiệu suất (%)

1

1:1:1,2

42,2

2

1:1:1

100

Từ bảng 4 ta thấy rằng khi cố định lượng aniline và benzaldehyde, thay đổi
lượng acetophenone khác nhau với cùng một nhiệt độ, thời gian phản ứng và cùng một
xúc tác có khối lượng giống nhau cho hiệu suất khác nhau. Với tỉ lệ 1:1:1 (mmol) của
các chất tham gia phản ứng cho hiệu suất đạt 100%. Khi tăng lượng acetophenone thì
hiệu suất giảm (42,2%).
3. Khảo sát lượng xúc tác
Với mong muốn khảo sát việc giảm lượng xúc tác ảnh hưởng đến hiệu suất của
phản ứng, chúng tôi thực hiện phản ứng với lượng xúc tác sử dụng lần lượt là 50mg và
25mg, tỉ lệ 1:2:3 là 1:1:1, thời gian 5 giờ, nhiệt độ 60ºC.
Bảng 5: Kết quả khảo sát phản ứng theo lượng xúc tác
STT

Lượng xúc tác

Hiệu suất (%)

(mg)
1

50

100

2

25

33,0

17


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

Kết quả bảng 5 cho thấy với lượng xúc tác 50mg, phản ứng đạt hiệu suất cao
nhất, khi giảm lượng xúc tác xuống còn 25 mg thì hiệu suất giảm đáng kể, còn 33%.
Do đó, chúng tôi chọn lượng xúc tác 50 mg cho các khảo sát tiếp theo.
4. Khảo sát nhiệt độ phản ứng
Yếu tố nhiệt độ cũng được chúng tôi tiến hành khảo sát. Phản ứng được thực
hiện với tỉ lệ 1:2:3 là 1:1:1, thời gian 5 giờ, lượng xúc tác là 50 mg, nhiệt độ phản ứng
lần lượt là 70ºC, 60ºC và 50ºC.
Bảng 6: Kết quả khảo sát phản ứng theo nhiệt độ
STT

Nhiệt độ (oC)

Hiệu suất (%)

1

70

85,5

2

60

100

3

50

33,0

Kết quả bảng 6 cho thấy với lượng xúc tác 50mg phản ứng đạt hiệu suất cao
nhất (100%) khi tiến hành tại 60°C. Khi tăng hoặc giảm nhiệt độ thì hiệu suất phản
ứng giảm. Tại 70oC, hiệu suất giảm có thể do sản phẩm bị phân hủy. Do đó, nhiệt độ
phản ứng tối ưu là 60°C.
5. Khảo sát phản ứng khi sử dụng các dẫn xuất khác nhau của benzaldehyde
Thực hiện phản ứng với các điều kiện đã tối ưu ở trên với các dẫn xuất của
benzaldehyde (4-chlorobenzaldehyde và 4-mehoxybenzaldehyde), tỉ lệ mol dẫn xuất
benzaldehyde:2:3 = 1:1:1, lượng xúc tác 50mg, thời gian 5 giờ, nhiệt độ 60°C
Bảng 7: Kết quả khảo sát phản ứng của các dẫn xuất benzaldehyde khác nhau
O

NH2

O

Zn-ZSM 1M
R

H

O

HN

+

+

R
2

3

4a-c

18


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

STT

R

Sản phẩm

Hiệu suất
(%)

1

H

4a

100

2

4-OMe

4b

0

3

4-Cl

4c

2,6

Kết quả bảng 7 cho thấy khi thay benzaldehyde bằng các dẫn xuất khác thì
phản ứng không xảy ra trong trường hợp của 4-mehoxybenzaldehyde hoặc hiệu suất
thấp (2,6%) đối với 4-chlorobenzaldehyde.

6. Khảo sát khả năng tái sử dụng của xúc tác
Để khảo sát khả năng tái sử dụng của xúc tác Zn-ZSM, chúng tôi thực hiện tái
sử dụng xúc tác trên phản ứng Mannich với các điều kiện tối ưu bên trên: tỉ lệ mol
1:2:3 = 1:1:1, lượng xúc tác 50mg, thời gian 5 giờ, nhiệt độ 60°C.
Bảng 8: Khảo sát hiệu suất sau khi tái sử dụng xúc tác
Tái sử dụng xúc tác

Hiệu suất (%)

0

100

1

60,6

Kết quả tái sử dụng lần thứ nhất cho thấy hiệu suất giảm từ 100% xuống còn
60,6%. Điều này cho thấy việc tái sử dụng xúc tác kém hiệu quả. Để tăng hiệu suất của
phản ứng cần cho thêm xúc tác vào.
7. Định danh sản phẩm Mannich
7.1 Phổ hồng ngoại (IR)
Trên phổ hồng ngoại (IR) của 1,3-diphenyl-3-(phenylamino)propan-1-one (4a)
(Hình 5), chúng tôi nhận thấy trên phổ có xuất hiện các vân hấp thụ phù hợp với các
liên kết đặc trưng trong sản phẩm :
 Vân hấp thụ sắc nhọn ở khoảng 3387 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của
liên kết N-H trong phân tử.
19

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Nguyễn Hiếu Thuận

 Các đỉnh hấp thụ tại 1674 cm-1đặc trung cho dao động hóa trị của nhóm C=O.
 Các vân hấp thụ của Csp3-H no thể hiện ở vùng 2877-2916 cm-1.
 Trong vùng 1450-1388 cm-1, phổ xuất hiện các vân hấp thụ đặc trưng cho các
dao động biến dạng của C=C.
 Các vân hấp thụ vùng 3024-3055 cm-1 chứng tỏ có các liên kết Csp2-H.

O

HN

Hình 5: Phổ IR của 1,3-diphenyl-3-(phenylamino)propan-1-one (4a)
7.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR
a) 1,3-diphenyl-3-(phenylamino)propan-1-one (4a)

20