khóa luận tốt nghiệp tổng hợp dẫn xuất 3,4 dihydropyrimidin 2(1h) one dùng xúc tác montmorillonite hoạt hóa axit trong điều kiện không dung môi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO
TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

---------KHOA HÓA HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP DẪN XUẤT
3,4-DIHYDROPYRIMIDIN-2(1H)-ONE DÙNG
XÚC TÁC MONTMORILLONITE HOẠT HÓA AXIT
TRONG ĐIỀU KIỆN KHÔNG DUNG MÔI

SVTH: NGUYỄN THỊ LỆ QUYÊN
GVHD: ThS.PHẠM ĐỨC DŨNG

TP.Hồ Chí Minh, tháng 5-2016


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................1
Tổng quan..................................................................................................2
Chương 1:
Phản ứng Biginelli.....................................................................................3
1.1
Khái niệm ..................................................................................................3
1.1.1
Phản ứng đa thành phần ............................................................................3
1.1.1.1
Phản ứng Biginelli.....................................................................................3
1.1.1.2
Cơ chế phản ứng........................................................................................3

1.1.2
Ứng dụng của một số dẫn xuất DHPM .....................................................4
1.2
Một số phương pháp tổng hợp theo Biginelli đã được thực hiện..............5
1.3
Xúc tác phản ứng.......................................................................................9
1.4
Cơ cấu khoáng sét .....................................................................................9
1.4.1
Tấm tứ diện ...............................................................................................9
1.4.1.1
Tấm bát diện..............................................................................................9
1.4.1.2
Phân loại ....................................................................................................9
1.4.2
Lớp 1:1 ......................................................................................................9
1.4.2.1
Lớp 2:1 ....................................................................................................10
1.4.2.2
Montmorillonite.......................................................................................10
1.4.3
Cơ cấu......................................................................................................10
1.4.3.1
Tính chất vật lý........................................................................................10
1.4.3.1.1
Tính chất hóa học ....................................................................................11
1.4.3.1.2
Tính trao đổi ion ......................................................................................11
1.4.3.1.2.1
Hấp phụ ...................................................................................................11

1.4.3.1.2.2
Tính trương nở.........................................................................................11
1.4.3.1.2.3
Khả năng xúc tác của MMT....................................................................11
1.4.3.1.2.4


Chương 2:

Thực nghiệm............................................................................................12

2.1

Hóa chất và thiết bị..................................................................................13

2.1.1

Hóa chất...................................................................................................13

2.1.2

Thiết bị ....................................................................................................13

2.2

Điều chế chất xúc tác...............................................................................13

2.3

Điều chế 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one (DHPM)..............................13

2.4

Quá trình tối ưu hóa.................................................................................14

2.5

Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM....................................................14

2.6

Xác định sản phẩm ..................................................................................14

Chương 3:

Kết quả và thảo luận................................................................................15

3.1

Mục đích và phạm vi nghiên cứu ............................................................16

3.2

Quy trình tổng hợp ..................................................................................16

3.3

Khảo sát xúc tác sử dụng.........................................................................16

3.4

Tối ưu sản phẩm ......................................................................................17

3.4.1

Tối ưu hóa thời gian ................................................................................17

3.4.2

Tối ưu hóa nhiệt độ .................................................................................18

3.4.3.

Tối ưu hóa tỉ lệ các chất ..........................................................................18

3.4.4

Tối ưu hóa khối lượng xúc tác ................................................................19

3.4.5

Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác ..............................................................20

3.5

Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM....................................................21

3.6

Định danh sản phẩm................................................................................21

3.6.1

Hợp chất 4A ............................................................................................21

3.6.2.

Hợp chất 4B.............................................................................................23

3.6.3

Hợp chất 4C ............................................................................................25

3.6.4

Hợp chất 4D ............................................................................................27

3.6.5

Hợp chất 4E.............................................................................................29


Chương 4:

Kết luận - Đề xuất...................................................................................32

Tài liệu tham khảo .........................................................................................................34
Phụ lục

.................................................................................................................37

DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Sơ đồ tổng hợp DHPM.......................................................................................3
Hình 2: Sơ đồ cơ chế theo Sweet và Fissekis..................................................................4
Hình 3: Sơ đồ tổng hợp DHPM xúc tác FeCl3.6H2O .....................................................6
Hình 4: Sơ đồ tổng hợp DHPM xúc tác Fe(NO3)3.9H2O ...............................................7
Hình 5: Sơ đồ tổng hợp DHPM xúc tác silica sulfuric acid ............................................7
Hình 6: Sơ đồ tổng hợp DHPM xúc tác zeolite...............................................................8
Hình 7: Mô hình cơ cấu không gian của MMT.............................................................10
Hình 8: Sơ đồ tổng hợp DHPM.....................................................................................16
Hình 9: Phổ 1H-NMR của chất 4A ................................................................................22
Hình 10: Phổ 1H-NMR của chất 4B ..............................................................................24
Hình 11: Phổ 1H-NMR của chất 4C ..............................................................................26
Hình 12: Phổ 1H-NMR của chất 4D ..............................................................................28
Hình 13: Phổ 1H-NMR của chất 4E ..............................................................................29
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Kết quả tổng hợp DHPM xúc tác FeCl3.6H2O..................................................6
Bảng 2: Kết quả tổng hợp DHPM xúc tác Fe(NO3)3.9H2O ...........................................7
Bảng 3: Kết quả tổng hợp DHPM xúc tác silica sulfuric acid ........................................8
Bảng 4: Kết quả tổng hợp dẫn xuất DHPM xúc tác zeolite. ...........................................9
Bảng 5: Kết quả khảo sát xúc tác sử dụng.....................................................................16
Bảng 6: Kết quả tối ưu theo thời gian ...........................................................................17
Bảng 7: Kết quả tối ưu theo nhiệt độ.............................................................................18
Bảng 8: Kết quả tối ưu theo tỉ lệ các chất......................................................................19


Bảng 9: Kết quả tối ưu theo khối lượng xúc tác............................................................19
Bảng 10: Kết quả tái sử dụng xúc tác............................................................................20
Bảng 11: Kết quả tổng hợp một số dẫn xuất DHPM.....................................................21
Bảng 12: Quy kết các proton trong phổ 1H-NMR của chất 4A.....................................23

Bảng 13: Quy kết các proton trong phổ 1H-NMR của chất 4B.....................................25
Bảng 14: Quy kết các proton trong phổ 1H-NMR của chất 4C.....................................27
Bảng 15: Quy kết các proton trong phổ 1H-NMR của chất 4D.....................................28
Bảng 16: Quy kết các proton trong phổ 1H-NMR của chất 4E.....................................30
Bảng 17: Độ dịch chuyển hóa học trong phổ 1H-NMR của DHPM và một số dẫn xuất.
.......................................................................................................................................31


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận, em đã nhận được sự hướng
dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ từ các Thầy cô, các anh chị, bạn bè, các em và từ gia
đình. Em luôn ghi nhớ và với lòng biết ơn sâu sắc, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả
mọi người đã giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Phạm Đức Dũng, Thầy đã hướng dẫn, chỉ bảo và
giúp đỡ em rất tận tình để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa hóa, các phòng
ban quản lí phòng thí nghiệm của trường đại học Khoa học tự nhiên đã tạo điều kiện
cho em trong việc sử dụng phòng thí nghiệm cũng như cơ sở vật chất và các trang thiết bị
của trường trong quá trình em thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô đã tạo điều kiện học
tập, dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Sư phạm
Tp.HCM.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến Cha Mẹ, anh chị em, bạn bè đã tạo điều
kiện, luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành luận văn tốt
nghiệp này.
Em xin gửi lời chúc sức khỏe chân thành đến mọi người!


LỜI MỞ ĐẦU
Ngành sản xuất hóa chất đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống. Việc sản

xuất các hóa chất là nguồn gốc của nhiều sản phẩm cần thiết cho cuộc sống như các loại
dược phẩm, chất dẻo, xăng và các loại nhiên liệu khác hay các hóa chất sử dụng trong
nông nghiệp như phân bón, thuốc bảo vệ thực vật. Tuy nhiên một số hóa chất hay qui
trình tạo ra chúng lại gây tổn hại cho môi trường, và sức khỏe của con người cũng như
làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên. Đó chính là những thách thức mà ngành sản xuất
hóa chất công nghiệp đang gặp phải. Đứng trước những thách thức này, hóa học xanh là
một hướng đổi mới quan trọng để giúp ngành công nghiệp hóa chất phát triển theo
hướng bền vững, đem lại những lợi ích tích cực cả về kinh tế, môi trường và
xã hội cho nhân loại
Công nghệ xúc tác đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của ngành công
nghiệp hóa chất. Thiết kế và lựa chọn xúc tác thích hợp sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho
việc sản xuất các sản phẩm hóa chất bằng các quy trình không chất thải. Một lĩnh vực của
công nghệ xúc tác phát triển nhanh chóng và càng thu hút sự quan tâm của cộng đồng
hóa học là sử dụng xúc tác trên chất mang rắn. Bằng cách sử dụng chất xúc tác rắn,
quá trình tách và tinh chế sản phẩm trở nên dễ dàng hơn so với trường hợp xúc tác đồng
thể. Sau khi phản ứng kết thúc, xúc tác rắn được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng dễ
dàng bằng phương pháp lọc hay ly tâm đơn giản. Xúc tác sau khi tách ra có khả năng
thu hồi và tái sử dụng. Montmorillonite là một trong những chất xúc tác mang rắn hiệu
quả được sử dụng trong các phản ứng hữu cơ hiện nay do có tính acid mạnh, rẻ tiền,
đem lại hiệu suất phản ứng cao, dễ sử dụng và thân thiện với môi trường. Có hai loại
montmorilonite được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ là montmorilonite hoạt hóa acid
và montmorilonite trao đổi cation.
Nhằm mục đích phát triển các phương pháp tổng hợp chọn lọc thân thiện với môi
trường, chúng tôi chọn đề tài " Tổng hợp dẫn xuất 3,4- dihydropyrimidin-2(1H)-one
dùng xúc tác monmorillonite hoạt hóa acid trong điều kiện không dung môi".

1


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

Chương 1:
Tổng quan

2


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

1.1 Phản ứng Biginelli
1.1.1 Khái niệm
1.1.1.1 Phản ứng đa thành phần
Phản ứng đa thành phần (multi-component reaction, MCR) là một phản ứng hóa
học có sự tham gia của ba hay nhiều thành phần phản ứng với nhau trong một quá
trình để tạo ra một sản phẩm chứa đựng hầu hết các nguyên tử của các nguyên liệu
đầu vào.[1]
Phản ứng đa thành phần có khả năng tạo thành các phân tử phức tạp với sự đơn
giản và ngắn gọn nhất. Một lợi ích điển hình của phản ứng này là dễ dàng thu được
sản phẩm tinh khiết, vì hầu hết tác chất ban đầu đều được kết hợp tạo thành sản phẩm
cuối.[1]
1.1.1.2 Phản ứng Biginelli
Năm 1893, một phương pháp đơn giản và trực tiếp để tổng hợp 3,4dihydropyrimidin-2(1H)-one (DHPM), được báo cáo bởi nhà hóa học người Ý Pietro
Biginelli, gồm một quá trình ngưng tụ vòng của một aldehyde, một β-ketoester và urea
hay thiourea trên điều kiện xúc tác acid mạnh. Phản ứng Biginelli là phản ứng đa
thành phần tạo ra 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one từ ethyl acetoacetate, aldehyde
thơm (như benzaldehyde), và urea (Hình 1).[2]

CHO

O

O

+

O

EtOOC

+
H2N

NH2

Xúc tác
OEt

NH
H3C

N
H

+

H2O

O

Hình 1: Sơ đồ tổng hợp DHPM.
1.1.2 Cơ chế phản ứng
Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis được đề ra năm 1973 qua ion carbenium
trung gian (Hình 2).[3]

3


Khóa Luận Tốt Nghiệp

CHO

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

H

H+

EtOOC
O
+

O

O

O

O

OEt

HO

O

OEt

OEt
O
H 2N
O

Ph
HN

H

CO2Et

NH2
OEt

O
O

N

H

Me

H
O
2

NH O
H2N

Hình 2: Sơ đồ cơ chế theo Sweet và Fissekis
1.2 Ứng dụng của một số dẫn xuất DHPM
Vào năm 2009 hơn 33 triệu người nhiễm virus HIV, tác nhân gây hội chứng suy
giảm miễn dịch (AIDS). Hiện có 25 thuốc thuộc về 6 lớp chất ức chế khác nhau cho
điều trị lây nhiễm HIV. Sự ra đời của liệu pháp kháng retrovirus hoạt tính cao
(HAART) - một chế độ điều trị kết hợp 3-4 loại thuốc kháng virus từ các lớp chất ức
chế khác nhau đã cải thiện được đáng kể chất lượng cuộc sống của người bị nhiễm
bệnh bằng cách trì hoãn sự tiến triển của bệnh và giảm sự ốm yếu do bệnh. Tuy nhiên,
HAART có những nhược điểm nghiêm trọng do HIV-1 có khuynh hướng thay đổi
nhanh chóng. Điều trị HAART kéo dài dẫn đến sự xuất hiện của các chủng kháng
thuốc của virus. Ngoài ra, các tác dụng phụ của liệu pháp phối hợp đã làm giới hạn tác
dụng lâm sàn của nó. Vì vậy, tiếp tục phát triển thuốc chống HIV mới với tính độc có
thể chấp nhận được và có khả năng chống HIV đặc trưng là cần thiết.[4]
Trong một cuộc chiến dịch có tính sàng lọc cao để phát hiện thuốc kháng virus
mới, người ta đã phát hiện ra một loạt các chất có khung của dihydropyrimidone có
hoạt tính ức chế sự nhân lên của HIV.
Các dẫn xuất của dihydropyrimidione đã được báo cáo để trình bày các hoạt tính
sinh học đa dạng của nó như chống vi khuẩn, chống nấm, chống ung thư và chất chống
oxi hóa.[4]

4


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

Ngoài ra, DHPM và các dẫn xuất của nó đóng vai trò quan trọng trong cơ thể
người. DHPM có cấu trúc là một loạt các hợp chất thiên nhiên (acid nucleic, vitamin
B1), tổng hợp các loại thuốc hóa trị liệu (florouracil).[5]
Một số dẫn xuất của pyrimidin có giá trị trong dược liệu như :
 Monastrol là một phát hiện mới nó có khả năng chống ung thư.[5]
OH

O
O

NH

H3C

N
H

S

Monastrol

 Thuốc hạ huyết áp[5]
NO2

O

O

PrO
H 3C

N
N
H

NH2
O

1.3 Một số phương pháp tổng hợp theo Biginelli đã được thực hiện.
 Sử dụng xúc tác FeCl3.6H2O để tổng hợp dihydropyrimidinones dưới điều
kiện vi sóng.
Những lợi ích chính của việc thực hiện phản ứng dưới điều kiện vi sóng là cải
thiện tốc độ phản ứng đáng kể và đem lại hiệu suất sản phẩm cao.
Phản ứng Biginelli tiếp tục được nghiên cứu với sự ngưng tụ vòng của acyl, ethyl
acetoacetate và urea hoặc thiourea dưới điều kiện chiếu xạ vi sóng, không dung môi
(Hình 3). FeCl3.6H2O được sử dụng như một chất xúc tác đồng thể, không bay hơi,
giá rẻ, mang tính kinh tế và có sẵn.[6]
5


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên
O

R
H

OAc

X

O

+

O

FeCl 6H O
3.

+

2

EtO

N

OEt

R
OAc

H
N

NH

N

HC

2

3

O

H

2

Hình 3: Sơ đồ tổng hợp DHPM xúc tác FeCl3.6H2O
Hỗn hợp gồm FeCl3.6H2O (1 mmol), acyl (1 mmol), ethyl acetoacetate (1 mmol)
và urea (1,5 mmol) được trộn trong một ống nghiệm chiếu xạ vi sóng (Hình 3). Hỗn hợp
thu được được chiếu xạ vi sóng ở 180 W. Tổng thời gian chiếu xạ vi sóng là 15 phút.
Sau khi phản ứng xong, hỗn hợp được hòa tan trong ethanol và đổ vào trong nước
lạnh. Kết tủa được lọc ra, rửa sạch với nước, kết tinh từ ethanol 70% để thu được
dihydropyrimidinone tinh khiết. Sử dụng điều kiện phản ứng tối ưu này và sau đó
nghiên cứu phản ứng của các loại acyl khác nhau, ethyl acetoacetate và urea hoặc
thiourea.[6]
Bảng 1: Kết quả tổng hợp DHPM xúc tác FeCl3.6H2O
STT

R

X

Hiệu suất (%)

1

Ph

O

85

2

4-ClC6H4

O

92

3

2-CH3C6H4

O

84

4

Ph

S

72

5

4-ClC6H4

S

60

6

2-CH3C6H4

S

68

7

4-CH3OC6H4

S

55

 Tổng hợp dihydropyrimidinones trong điều kiện nghiền không dung môi sử
dụng Fe(NO3)3.9H2O hoặc clayfen làm xúc tác.
Các ưu điểm của phương pháp này là tránh các dung môi hữu cơ, đem lại hiệu
suất cao, hiệu quả năng lượng, biến đổi chất nền và sử dụng xúc tác rẻ tiền. Xúc tác
clayfen có thể tái sử dụng hơn 3 lần. Hơn nữa, xúc tác Fe(NO 3)3.9H2O vẫn giữ được
hoạt tính của nó trong methanol và acetone là môi trường phản ứng.[7]

6


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

O

O
CH3

CHO +
R

X
+
H2N

Fe(NO3)3.9H2O

HN

NH

NH2

R= -OMe, Me, Br, Cl, OH

R

Hình 4: Sơ đồ tổng hợp DHPM xúc tác Fe(NO3)3.9H2O
Hỗn hợp của acetophenone (1 mmol), aldehyde (1 mmol), urea (1,5 mmol), và
Fe(NO3)3.9H2O (hoặc clayfen) (0,1 mmol) được nghiền mịn đến kích thước thích hợp
(Hình 4). Hỗn hợp trở thành một hỗn hợp nhão, nhớt trong quá trình phản ứng và cuối
cùng rắn lại. Hỗn hợp sản phẩm được rửa bằng dung dịch bão hòa lạnh NaHCO 3 (5
ml) và sau đó được lọc qua phễu để thu được sản phẩm thô, tiếp tục tinh chế bằng cách
kết tinh trong ethanol. Đối với chất xúc tác clayfen hỗn hợp phản ứng được hòa tan
trong ethanol nóng và lọc. Lượng clayfen không tan rửa nhiều lần với ethanol nóng và
để khô trong bình hút ẩm để tái sử dụng.[7]
Bảng 2: Kết quả tổng hợp DHPM xúc tác Fe(NO3)3.9H2O
STT

R

X

Hiệu suất (%)

Thời gian (Phút)

1

C6H5

O

90

35

2

4ClC6H4

O

95

75

3

4-MeOC6H4

O

92

90

4

2-ClC6H4

O

85

25

5

3-NO2C6H4

S

80

80

6

4-NO2C6H4

S

85

2

 Tổng hợp 3,4-Dihydropyrimidin-2(1H)-on xúc tác silica sulfuric acid.
O
O

O

Silica Sulfuric Acid

+

R1-CHO +

2

R

1

R

X

R

3

H
N

NH

EtOH, 6h, heat
2

3

N

R

R2

2

X=O,S

N

H

X

H

Hình 5: Sơ đồ tổng hợp DHPM xúc tác silica sulfuric acid
Một hỗn hợp gồm aldehyde (2 mmol), hợp chất dicarbonyl (2 mmol), urea hoặc
thiourea (3 mmol) và sulfuric silica acid (0,23 g, tương ứng với 0,6 mmol H+) trong
7

Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

ethanol (10 ml) được đun hồi lưu 6 h (Hình 5). Sau khi hoàn thành phản ứng, dung
môi được làm bay hơi dưới áp suất thấp. Hỗn hợp rắn đã được rửa sạch bằng nước
lạnh (20 ml) để loại bỏ urea hoặc thiourea dư và sau đó được lọc. Chất rắn còn lại đã
được rửa sạch bằng ethyl acetate nóng (30 ml). Dung dịch lọc được làm bay hơi hết
dung môi và sản phẩm rắn được kết tinh từ ethyl acetate/n-hexane hoặc ethanol.[8]
Bảng 3: Kết quả tổng hợp DHPM xúc tác silica sulfuric acid
STT

R1

R2

R3

X

Hiệu suất (%)

1

C6H5

Me

OEt

O

91

2

4-NO2C6H4

Me

OEt

O

94

3

4ClC6H4

Me

OEt

O

95

4

4-NO2C6H4

Me

OEt

S

91

5

4-OHC6H4

Me

OEt

S

92

 Tổng hợp 3,4-Dihydropyrimidin-2(1H)-one xúc tác zeolite trong điều kiện
không dung môi.
O

EtOOC
+

H
R

COOEt

R

+

O

H 2N

NH2
X

Zeolite (TS-1)
50°C

H

N

N
H
X

Hình 6: Sơ đồ tổng hợp DHPM xúc tác zeolite
Một hỗn hợp của benzaldehyde (0,50 g, 4,71 mmol), ethyl acetoacetate (0,613 g,
4,71 mmol), urea (0,424 g, 7,07 mmol), và chất xúc tác TS-1 (0,01 g, 2% trọng lượng

của benzaldehyde đã sử dụng) được đun ở 50 °C trong 10 phút (Hình 6). Hỗn hợp
phản ứng sau khi làm nguội đến nhiệt độ phòng được đổ vào nước đá vụn và khuấy
trong 5-10 phút. Chất rắn tách ra được rửa sạch với nước lạnh và lọc. Để tách chất xúc
tác từ sản phẩm, hỗn hợp được xử lí bằng ethanol nóng và lọc. Phần còn lại là chất xúc
tác được sấy khô và tái sử dụng.[2]

8


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

Bảng 4: Kết quả tổng hợp dẫn xuất DHPM xúc tác zeolite.
STT

R

X

Hiệu suất (%)

Thời gian (Phút)

1

Ph

O

98

10

2

CH3

O

93

10

3

4-OHC6H4

O

94

30

4

2-NO2C6H4

O

90

35

5

3-OHC6H4

S

33

25

6

4-ClC6H4

S

95

20

1.4 Xúc tác phản ứng
1.4.1 Cơ cấu khoáng sét
1.4.1.1 Tấm tứ diện
Mỗi tứ diện chứa một cation T (cation tứ diện thường là Si4+, Al3+ và Fe3+) liên kết
với bốn nguyên tử oxygen, và liên kết với các tứ diện kế cận bằng ba oxygen đáy (Ob, the
basal oxygen atom) tạo thành một mô hình mạng lưới vòng sáu cạnh hai chiều

vô tận.[9]
1.4.1.2 Tấm bát diện
Mỗi bát diện chứa một cation T (Cation bát diện thường là Al3+, Fe3+, Mg2+ và
Fe2+. Ngoài ra còn có một số ion khác như Li+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, V3+, Cr3+
và Ti4+) liên kết với sáu nhóm hydroxyl. Trong tấm bát diện, sự liên kết giữa mỗi bát
diện O và các bát diện kế cận là bởi các cạnh trải rộng theo hai chiều trong mặt
phẳng.[9]
1.4.2 Phân loại
Sự sắp xếp giữa tấm tứ diện và tấm bát diện thông qua các nguyên tử oxygen một
cách liên tục tạo nên mạng tinh thể của khoáng sét. Có 2 kiểu sắp xếp chính:[9]
1.4.2.1 Lớp 1:1
Cơ cấu của lớp 1:1 là sự sắp xếp trật tự tuần hoàn của một tấm bát diện và một
tấm tứ diện (TO).[9]

9


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

1.4.2.2 Lớp 2:1
Cơ cấu của lớp 2:1 bao gồm một tấm bát diện nằm giữa hai tấm tứ diện, mỗi ô
mạng bao gồm 6 bát diện và 8 tứ diện.[9]
1.4.3 Montmorillonite
1.4.3.1 Cơ cấu
Các khoáng montmorillonite thuộc nhóm smectite, trong đó tất cả các khoáng
chất có cấu trúc lớp nối với nhau. Độ dày của một lớp khoảng 1 nm và mở rộng ra theo hai
hướng khác nhau thì thường lên đến vài trăm nm. MMT có cơ cấu lớp 2:1 bao gồm

hai tấm tứ diện và một tấm bát diện.[10] Cơ cấu của

MMT được minh họa như sau:

Hình 7: Mô hình cơ cấu không gian của MMT
1.4.3.1.1 Tính chất vật lý
MMT ở dạng đơn khoáng, có màu trắng, xám, vàng nhạt, nâu, đỏ, có thể màu
xám xanh hoặc xanh lục..., gần giống sáp nến, khi sờ cảm thấy nhờn và trơn.[11]
MMT có kích thước hạt rất mịn, diện tích bề mặt lớn, diện tích lớp cao, độ dẻo cao
và có tính thấm ướt thấp. Độ cứng Mohs tương đối khoảng 1,5. Tỷ trọng MMT
trong khoảng 2,2-2,6.[10]


10


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

1.4.3.1.2 Tính chất hóa học
1.4.3.1.2.1 Tính trao đổi ion
Sự thay thế cation ở tâm tứ diện thể hiện khả năng trao đổi cation của MMT, khả
năng này thay đổi trong một khoảng rộng từ 80-140 meq/100g và phụ thuộc vào hóa trị,
bán kính của các cation trao đổi. Các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation
có hóa trị lớn theo thứ tự M+> M2+> M3+. Với các cation có cùng hóa trị, bán kính càng
nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng lớn theo thứ tự Li+> Na+> K+> Mg2+>
Ca2+> Fe2+> Al3+.[11]
1.4.3.1.2.2 Hấp phụ
Tính chất hấp phụ của MMT được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc xốp

của chúng quy định. Do MMT có cơ cấu tinh thể và độ phân tán cao nên có cơ cấu xốp
phức tạp và bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của MMT gồm diện tích bề mặt ngoài
và diện tích bề mặt trong. Diện tích bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt.[12]
1.4.3.1.2.3 Tính trương nở
Sự trương nở (swelling capacity) của MMT có thể xảy ra do sự hấp phụ nước
hoặc dung môi hữu cơ phân cực vào giữa các tinh thể hoặc giữa các lớp trong tinh thể,
hoặc tiếp xúc trực tiếp với môi trường có áp suất hơi của chất lỏng cao, thậm chí có thể
do sự thay thế cation nhỏ ở lớp xen giữa bằng các cation hữu cơ lớn hơn. Mỗi dạng
trương nở khác nhau sẽ có những quá trình khác nhau và chịu sự điều khiển bởi các
yếu tố khác nhau.[13]
1.4.3.1.2.4 Khả năng xúc tác của MMT
MMT có thể làm xúc tác cho các phản ứng hữu cơ là do nó có tính chất cơ bản là
tính acid. Nó có thể được xem là các acid Lewis do sự thay thế đồng hình các ion Si4+
bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở tâm bát diện làm bề mặt
của MMT mang điện tích âm. Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại
đó điện tích âm của chúng không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm acid
Lewis được tạo thành từ ion Al3+ và ion Mg2+. Trên bề mặt MMT tồn tại các nhóm
hydroxyl có khả năng nhường proton để hình thành trên bề mặt MMT những tâm acid
Bronsted.[14]
11


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

Chương 2:
Thực nghiệm

12

Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

2.1 Hóa chất và thiết bị
2.1.1 Hóa chất
Montmorillonite Lâm Đồng, benzaldehyde (Sigma-Aldrich), ethyl acetoacetate
(Sigma-Aldrich), urea (Merck).
Các dẫn xuất của benzaldehyde: 4-methylbenzaldehyde (Sigma-Aldrich), 4chlorobenzaldehyde (Sigma-Aldrich), 3-chlorobenzaldehyde (Sigma-Aldrich), 2chlorobenzaldehyde (Sigma-Aldrich).
2.1.2 Thiết bị

• Cân điện tử Sartotius
• Máy khuấy từ điều nhiệt IKARET
• Máy hút chân không
• Máy đo nhiệt độ nóng chảy Buchi
• Máy đo NMR
2.2 Điều chế chất xúc tác
Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng
Cân 10 g montmorillonite Lâm Đồng, khuấy với 200 ml dung dịch acid H2SO4
có nồng độ 20%, 30%, 40%, 50% trong 4 h tại nhiệt độ 70 oC. Sản phẩm được lọc, rửa
trên phễu Büchner tới khi hết ion SO42- (thử bằng dung dịch BaCl2 1 M), sấy khô tại
nhiệt độ 110 oC. Sản phẩm được nghiền mịn qua rây 80 mesh. Kí hiệu chung là LD20,
LD30, LD40, LD50 tương ứng với nồng độ acid.
2.3 Điều chế 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one (DHPM)
Cho vào bình phản ứng 0,212 g benzaldehyde (2 mmol), 0,120 g urea (2 mmol),
0,260 g ethyl acetoacetate (2 mmol) và 0,1 g xúc tác montmorillonite hoạt hóa acid.
Hỗn hợp được trộn đều, khuấy từ điều nhiệt trong điều kiện không dung môi tại 110 oC
trong thời gian 2 h. Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp được hòa trong ethanol nóng,

lọc để loại bỏ xúc tác, dung dịch qua lọc được cho bay hơi dung môi dưới áp suất kém,
chất rắn kết tinh lại trong ethanol tại nhiệt độ phòng thu được sản phẩm DHPM tinh
khiết.

13


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

2.4 Quá trình tối ưu hóa
Điều kiện phản ứng ban đầu: 0,212 g benzaldehyde (2 mmol), 0,120 g urea (2
mmol), 0,260 g ethyl acetoacetate (2 mmol) và 0,1 g xúc tác khuấy từ điều nhiệt trên
bếp dầu trong điều kiện không dung môi trong thời gian 2 h ở nhiệt độ 110 oC.
Tối ưu hóa các điều kiện phản ứng.

• Khảo sát xúc tác sử dụng
• Tối ưu hóa thời gian • Tối
ưu hóa nhiệt độ

• Tối ưu hóa tỷ lệ chất tham gia phản ứng
• Tối ưu hóa khối lượng xúc tác
2.5 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM
Thay đổi benzaldehyde bằng các dẫn xuất 4-methylbenzaldehyde, 4chlorobenzaldehyde, 3-chlorobenzaldehyde, 2-chlorobenzaldehyde.
Áp dụng điều kiện đã tối ưu ở trên để xác định ảnh hưởng của nhóm thế.
2.6 Xác định sản phẩm
Các dẫn xuất được định danh bằng phương pháp: Đo nhiệt độ nóng chảy, đo
phổ 1H-NMR của sản phẩm.

14


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

Chương 3:
Kết quả và
thảo luận

15


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

3.1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của đề tài là nghiên cứu phương pháp tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin2(1H)-one bằng phản ứng đa thành phần Biginelli với xúc tác montmorillonite hoạt
hóa acid. Sau đó, tiến hành tối ưu hóa phản ứng bằng cách khảo sát những yếu tố ảnh
hưởng đến hiệu suất, bao gồm: nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, tỉ lệ giữa các
tác chất và khối lượng xúc tác. Cuối cùng, dựa trên những ưu điểm của xúc tác như dễ
sử dụng, giá thành rẻ, dễ thu hồi, tiếp tục nghiên cứu khả năng tái sử dụng xúc tác để
đem lại lợi ích kinh tế cao hơn.
3.2 Quy trình tổng hợp
R
CHO
O

+
R

+

O

OEt

NH2

H2N

H3C

1

3

2

NH

EtOOC

O

+
N
H

O

H 2O

4

Hình 8: Sơ đồ tổng hợp DHPM
3.3 Khảo sát xúc tác sử dụng
Phản ứng được khảo sát ở điều kiện nhiệt độ 110 oC, khối lượng xúc tác 0,1 g, tỉ lệ
của các chất 1:2:3=1:1:1 (mmol) và thời gian phản ứng là 120 phút. Kết quả được trình
bày trong Bảng 5.
Bảng 5: Kết quả khảo sát xúc tác sử dụng
STT

Xúc tác sử dụng

Hiệu suất (%)

1

LD20

56

2

LD30

62

3

LD40

6154

4

LD50

Kết quả Bảng 5 cho thấy xúc tác LD30, LD40 cho hiệu suất cao nhất. Sử dụng
nồng độ acid thấp hơn 30% hay cao hơn 40% thì hiệu suất phản ứng giảm vì vậy chọn
LD30 làm xúc tác để tiến hành tối ưu hóa phản ứng tổng hợp DHPM.
16


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

3.4 Tối ưu sản phẩm
3.4.1 Tối ưu hóa thời gian
Phản ứng được khảo sát ở điều kiện nhiệt độ 110 oC, khối lượng xúc tác 0,1 g, tỉ lệ
của các chất 1:2:3=1:1:1 (mmol) và thời gian phản ứng được thay đổi. Kết quả được trình
bày trong Bảng 6.
Bảng 6: Kết quả tối ưu theo thời gian
STT Thời gian phản ứng (phút) Hiệu suất (%)
1
60

43
2
90
44 3
105
55 4
120
62
5
135
56 6
150
44 7
180
42
70
60

62
55
43

50

44

56
44

42

40
30
20
10
0 50

H
i
ệ
u
s

100

150

200

Thời gian (Phút)
Đồ thị 1: Đồ thị kết quả tối ưu theo nhiệt độ
Kết quả Bảng 6 cho thấy thời gian phản ứng cho hiệu suất cao nhất là 120 phút,
thời gian thấp hơn 120 phút các chất chưa phản ứng hết, vẫn còn ở trạng thái trung
gian chưa đóng vòng nên hiệu suất thấp. Thời gian cao hơn 120 phút sản phẩm có thể bị
phân hủy. Do đó, chọn thời gian 120 phút để khảo sát những yếu tố theo.

17


Khóa Luận Tốt Nghiệp

SVTH: Nguyễn Thị Lệ Quyên

3.4.2 Tối ưu hóa nhiệt độ
Thực hiện phản ứng ở thời gian tối ưu là 120 phút, khối lượng xúc tác 0,1 g, tỉ lệ
của các chất 1:2:3=1:1:1 (mmol) và nhiệt độ phản ứng được thay đổi. Kết quả được
trình bày trong Bảng 7.
Bảng 7: Kết quả tối ưu theo nhiệt độ
STT Nhiệt độ (oC) Hiệu suất (%)
1
90
44
2
100
53 3
110
62
4
120
46 5
130
40
70
60
50
40
30
20
10
0

62
53
44

46
40

50

H
i
ệ
u
s

100

150

Nhiệt độ (oC)
Đồ thị 2: Kết quả tối ưu theo nhiệt độ.
Kết quả Bảng 7 cho thấy nhiệt độ thích hợp là 110 oC. Nhiệt độ thấp hơn 110 oC
chưa đủ để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nhiệt độ cao hơn 110 oC, sản phẩm có thể bị
phân hủy nên hiệu suất thấp. Do đó, chọn nhiệt độ 110 oC để tiếp tục khảo sát.
3.4.3. Tối ưu hóa tỉ lệ các chất
Thực hiện phản ứng ở nhiệt độ tối ưu là 110 oC, thời gian tối ưu là 120 phút, khối
lượng xúc tác là 0,1 g, tỉ lệ theo số mol của các chất 1:2:3 thay đổi. Kết quả được trình
bày trong Bảng 8.

18