TỔNG HỢP DẪN XUẤT 1,8- DIOXODECAHYDROACRIDINE DÙNG XÚC TÁC RẮN MONTMORILLONITE HOẠT HÓA ACID TRONG ĐIỀU KIỆN KHÔNG DUNG MÔI

Header Page 1 of 161.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

KHOA HÓA HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP DẪN XUẤT 1,8DIOXODECAHYDROACRIDINE DÙNG XÚC TÁC
RẮN MONTMORILLONITE HOẠT HÓA ACID
TRONG ĐIỀU KIỆN KHÔNG DUNG MÔI
SVTH: TRẦN VĂN HÙNG
GVHD:ThS. PHẠM ĐỨC DŨNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 - 2016

Footer Page 1 of 161.


Header Page 2 of 161.
MỤC LỤC
Mở đầu ............................................................................................................................ 1
Chương1 Tổng quan ............................................................................................................ 2
1.1
Phản ứng Hantzsch............................................................................................. 3
1.1.1
Khái niệm ........................................................................................................... 3
1.1.1.1
Phản ứng đa thành phần ..................................................................................... 3
1.1.1.2

Phản ứng Hantzsch............................................................................................. 3
1.1.2
Cơ chế phản ứng ................................................................................................ 3
1.1.2.1
Cơ chế phản ứng ................................................................................................ 4
1.1.2.2
Một số phương pháp tổng hợp đã được sử dụng ............................................... 4
1.1.2.2.1 Sử dụng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2 .............................................................................. 4
1.1.2.2.2 Sử dụng xúc tác SSA (silica-supported sulfuric acid) ....................................... 6
1.1.2.2.3 Sử dụng xúc tác PPA-SiO 2 (silica-supported polyphosphoric acid) ................. 6
1.2
Ứng dụng của một số dẫn xuất 1,8-Dioxodecahydroacridine............................ 7
1.3
Hóa học vi sóng .................................................................................................. 7
1.3.1
Lịch sử ................................................................................................................ 7
1.3.2
Cơ chế hoạt động ................................................................................................ 7
1.3.3
Ứng dụng vi sóng vào tổng hợp hữu cơ .............................................................. 9
1.4
Montmorillonite ................................................................................................. 9
1.4.1
Lịch sử – Khái niệm ........................................................................................... 9
1.4.2
Cơ cấu – Phân loại .............................................................................................. 9
1.4.3
Tính chất ........................................................................................................... 10
1.4.3.1
Tính chất vật lý ................................................................................................. 10

1.4.3.2
Tính chất hóa học ............................................................................................. 10
1.4.3.2.1 Tính trao đổi ion ............................................................................................... 10
1.4.3.2.2 Khả năng xúc tác của MMT ............................................................................. 11
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 xúc tác ............................................................................................... 13
2.3
Điều chế 1,8-Dioxodecahydroacridine ............................................................ 14
2.4
Quá trình tối ưu hóa ......................................................................................... 14
2.5
So sánh với xúc tác khác .................................................................................. 15
2.6
Tổng hợp các dẫn suất...................................................................................... 15
2.7
Định danh sản phẩm ......................................................................................... 15
Chương 3 Kết quả và thảo luận ......................................................................................... 16

Footer Page 2 of 161.


Header Page 3 of 161.
Mục đích và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 17

Quy trình tổng hợp ........................................................................................... 17
Tối ưu hóa nồng độ acid sulfuric hoạt hóa MMT ............................................ 17
Tối ưu sản phẩm ............................................................................................... 18
Tối ưu hóa nhiệt độ .......................................................................................... 18
Tối ưu thời gian ................................................................................................ 18
Tối ưu tỉ lệ các chất .......................................................................................... 19
Tối ưu xúc tác................................................................................................... 19
So sánh với xúc tác khác .................................................................................. 20
Tổng hợp dẫn xuất ........................................................................................... 21
Định danh sản phẩm ......................................................................................... 21
3,3,6,6-tetramethyl-9-phenyl-3,4,6,7,9,10-hexahydroacridine-1,8(2H,5H)dione (4A) ........................................................................................................ 21
3.7.2
9-(4-nitrophenyl)-3,3,6,6-tetramethyl-3,4,6,7,9,10-hexahydroacridine1,8(2H,5H)-dione (4B) ..................................................................................... 23
3.7.3
9-(4-bromophenyl)-3,3,6,6-tetramethyl-3,4,6,7,9,10-hexahydroacridine1,8(2H,5H)-dione (4C) ..................................................................................... 25
3.7.4
9-(4-methylphenyl)-3,3,6,6-tetramethyl-3,4,6,7,9,10-hexahydroacridine1,8(2H,5H)-dione (4D) .................................................................................... 27
Chương 4 Kết luận và Đề xuất .......................................................................................... 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 34
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 36
3.1
3.2
3.3
3.4
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.5
3.6

3.7
3.7.1

Footer Page 3 of 161.


Header Page 4 of 161.
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Kết quả sử dụng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2 ..................................................................... 4
Bảng 2: Kết quả sử dụng xúc tác SSA................................................................................. 6
Bảng 3: Kết quả sử dụng xúc tác PPA-SiO 2 ....................................................................... 7
Bảng 4: Kết quả tối ưu hóa nồng độ acid sulfuric hoạt hóa MMT.................................... 17
Bảng 5: Kết quả tối ưu hóa theo nhiệt độ .......................................................................... 18
Bảng 6: Kết quả tối ưu hóa theo thời gian ......................................................................... 19
Bảng 7: Kết quả tối ưu hóa theo tỉ lệ tác chất ................................................................... 19
Bảng 8: Kết quả tối ưu hóa theo khối lượng xúc tác ......................................................... 20
Bảng 9: So sánh các loại xúc tác ....................................................................................... 20
Bảng 10: Kết quả tổng hợp dẫn xuất ................................................................................. 21
Bảng 11: Quy kết các mũi proton của chất 4A trong phổ 1H-NMR ................................. 23
Bảng 12: Quy kết các mũi proton của chất 4B trong phổ 1H-NMR .................................. 25
Bảng 13: Quy kết các mũi proton của chất 4C trong phổ 1H-NMR ................................. 27
Bảng 14: Quy kết các mũi proton của chất 4D trong phổ 1H-NMR ................................. 29
Bảng 15: Quy kết phổ 1H-NMR của một số dẫn xuất 1,8-Dioxodecahydroacridine ........ 30

DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Sơ đồ phản ứng Hantzsch ....................................................................................... 3
Hình 2: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2 ......................................... 4
Hình 3: Cơ chế phản ứng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2 .................................................................... 5
Hình 4: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác SSA .................................................... 6
Hình 5: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác PPA-SiO 2 ........................................... 6

Hình 6: Cơ chế hoạt động của vi sóng ..................................................................................... 8
Hình 7: Mô hình cơ cấu không gian của MMT. .................................................................. 9
Hình 8: Sơ đồ tổng hợp 1,8-Dioxodecahydroacridine và dẫn xuất ................................... 17
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

Footer Page 4 of 161.


Header Page 5 of 161.
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4A ........................................................ 37
Phụ lục 2: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4A ......................................................... 38
Phụ lục 3: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4B ......................................................... 39
Phụ lục 4: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4B ......................................................... 40
Phụ lục 5: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4C ......................................................... 41
Phụ lục 6: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4C ......................................................... 42
Phụ lục 7: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4D ......................................................... 43
Phụ lục 8: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4D ......................................................... 44

Footer Page 5 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 6

TốtofNghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Mở đầu

Kể từ khi nhiều thảm kịch xảy ra trong nền công nghiệp hóa chất, thế giới quan tâm
nhiều vào phát triển bền vững. Năm 1998, Natas và Warner đề xuất 12 nguyên tắc hóa
học xanh như là thước đo “độ sạch” của các qui trình công nghệ hóa chất. Một năm sau
đó, tạp chí Hóa học Xanh (Green Chemistry) chính thức ra đời để xuất bản những bài báo
khoa học liên quan đến lĩnh vực này. Nổi bật trong lĩnh vực hóa học xanh có thể kể đến là
việc áp dụng dung môi xanh (chất lỏng ion), kích hoạt xanh (vi sóng) hay phản ứng trong
điều kiện không dung môi,…
Hầu như tất cả các phản ứng hóa học hữu cơ đều đòi hỏi phải có sự hiện diện của
xúc tác. Trong Hóa học Xanh, một xúc tác “xanh” là một xúc tác an toàn khi thao tác,
thân thiện với môi trường khi hoàn tất phản ứng và hơn nữa là nếu nó có nguồn gốc từ tự
nhiên.
Montmorillonite là một xúc tác xanh được sử dụng thông dụng, thân thiện với môi
trường, an toàn khi sử dụng và có thể tái sử dụng nhiều lần. Trong nhiều phản ứng nó
đóng vai trò như một acid rắn.
Trong báo cáo này, tôi trình bày việc điều chế một số xúc tác montmorillonite và
nghiên cứu việc sử dụng các xúc tác vào việc tổng hợp 1,8-Dioxodecahydroacridine.

1

Footer Page 6 of 161.


Header
Page

161.
Khóa
Luận 7
TốtofNghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Chương1
Tổng quan

2

Footer Page 7 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 8
TốtofNghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Phản ứng Hantzsch

1.1

1.1.1

Khái niệm

1.1.1.1

Phản ứng đa thành phần

Phản ứng đa thành phần (multi–component reaction, MCR) là quá trình mà trong
đó ba hoặc nhiều thành phần dễ dàng phản ứng với nhau trong một bình phản ứng
duy nhất để tạo ra sản phẩm cuối cùng hiển thị đặc điểm của tất cả 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.
1.1.1.2

Phản ứng Hantzsch

Năm 1881, nhà hóa học người Đức Arthur Rudolf Hantzsch báo cáo về phản ứng
ngưng tụ vòng cyclo trên xúc tác acid của một aldehyde, hai β-cetoester và một
ammonium acetate (hoặc amine). Phản ứng Hantzsch là phản ứng đa thành phần tạo ra
pyridine hay dihydropyridine[2].
Phản ứng Hantzsch tạo ra 1,8-Dioxodecahydroacridine từ benzaldehyde, 5,5dimethylcyclohexane-1,3-dione

(dimedone),

ammonium

acetate.
R

O

CHO

+

R

O

2

+

xúc tác
NH4OAc

to

O

2

1

N
H

4

3

Hình 1: Sơ đồ phản ứng Hantzsch
1.1.2

Cơ chế phản ứng
3

Footer Page 8 of 161.

O


Header
Page
161.
Khóa
Luận 9
TốtofNghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Cơ chế phản ứng

1.1.2.1

Cơ chế phản ứng sử dụng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2 [3]
Ban đầu dimedone bị proton hóa bởi xúc tác ZnCl 2 .SiO 2 sau đó tác dụng với
benzaldehyde rồi tách nước tạo chất trung gian I. Chất trung gian I tác dụng với

dimedone đã bị proton hóa bởi xúc tác tạo ra chất trung gian II. Chất trung gian II tác
dụng với ammonium acetate, tách nước tạo ra chất trung gian III. Cuối cùng trung gian
III đóng vòng và tách nước tạo ra sản phẩm 1,8-Dioxodecahydroacridine (hình 3).
Một số phương pháp tổng hợp đã được sử dụng

1.1.2.2

Sử dụng xúc tác ZnCl2.SiO2

1.1.2.2.1

R
O

CHO

+

R

O

2

+

NH4OAc

2

1

ZnCl2.SiO2
to
Solvent free

O

O

N
H

4

3

Hình 2: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2
Thực hiện phản ứng với xúc tác ZnCl 2 .SiO 2 và tỉ lệ mol các tác chất 1:2:3=1:2:1[3]
Kết quả sử dụng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2 được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1: Kết quả sử dụng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2
Nhiệt độ (oC)

Lượng xúc tác (g)

Thời gian (phút)

Hiệu suất (%)

60

80
100
120
120
120
120

0,002
0,002
0,002
0,002
0,003
0,003
0,004

180
60
30
15
45
45
30

43
75
83
93
80
82
87

4

Footer Page 9 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 10
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng
ZnCl2.SiO2
O

1
O

O

Ar

O

H

OH

H

H2O

Ar

O

OH

O

ZnCl2.SiO2

2
OH
O

O

Ar

O

O

O

2

O
O

O

O

OH

OH

ZnCl2.SiO2

ZnCl2.SiO2

I

II

O

3

O

O

O

H2O

O
NH2

O

NH2

H

ZnCl2.SiO2

O

O

O

III

O

H

H2O

OH

N
H

N
H

1,8-dioxodecahydroacridine

Hình 3: Cơ chế phản ứng xúc tác ZnCl 2 .SiO 2

5

Footer Page 10 of 161.

NH4OAc


Header
Page
161.
Khóa
Luận 11
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Sử dụng xúc tác SSA (silica-supported sulfuric acid)

1.1.2.2.2

R

O

CHO

+

R

O

O

SSA
0.8 mol%

2

+

NH4OAc

Water

O

N
H

70 oC

2

1

4

3

Hình 4: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác SSA
Thực hiện phản ứng với xúc tác SSA, tỉ lệ mol các tác chất 1:2:3=1:2:1,5 ở nhiệt độ
70 C trong dung môi nước[4].
o

Kết quả sử dụng xúc tác SSA được trình bày trong bảng 2.
Bảng 2: Kết quả sử dụng xúc tác SSA
Lượng xúc tác (mol%)

Thời gian (giờ)

Hiệu suất (%)

0
4,0
64
0,4
3,0
72
0,6
2,5
83

0,8
1,5
95
1,0
1,0
90
1,2
1,0
82
Sử dụng xúc tác PPA-SiO2 (silica-supported polyphosphoric

1.1.2.2.3
acid)

R
O

CHO

+

R

2

O

+

O

PPA-SiO2
NH4OAc

Solvent-Free
O

2

1

3

N
H

4

Hình 5: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác PPA-SiO 2
Thực hiện phản ứng với xúc tác PPA-SiO 2 , tỉ lệ mol các tác chất 1:2:3=1:2:1, lượng
xúc tác 0,02 g trong điều kiện có và không có dung môi[5].
Kết quả sử dụng xúc tác PPA-SiO 2 được trình bày trong bảng 3.

6

Footer Page 11 of 161.


Header
Page

161.
Khóa
Luận 12
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Bảng 3: Kết quả sử dụng xúc tác PPA-SiO 2

1.2

Dung môi

Nhiệt độ (oC)

Thời gian (phút)

Hiệu suất (%)

EtOH
CH 3 CN
H2O
Không
Không
Không
Không

78
81

100
70
80
100
120

300
300
300
110
10
10
10

82
85
72
62
75
92
93

Ứng dụng của một số dẫn xuất 1,8-Dioxodecahydroacridine
Hợp chất 1,8-dioxodecahydroacridine và dẫn xuất của nó có một phần cấu tạo giống

1,4-dihydropyridin, nhận được ít sự quan tâm hơn các dẫn suất của 1,4-dihydropyridine.
Các hợp chất này đã được chứng minh là có hiệu quả phát laser rất cao, khi phản ứng với
acid nucleic có khả năng gây đột biến trên vi sinh vật[6]. Hợp chất 1,8dioxodecahydroacridine và dẫn xuất của nó thu hút được sự chú ý do tiềm năng về hoạt
tính sinh học chống lại bệnh sốt rét, ung thư và bệnh leishmania[4].
1.3

Hóa học vi sóng

1.3.1

Lịch sử

Vào năm 1884, “đèn” Bunsen (một loại đèn khí đốt hình ống nhỏ) được phát
minh và trong suốt thế kỷ 20, thiết bị này được xem là công cụ gia nhiệt tiêu chuẩn
dùng trong công việc gia nhiệt cho các thí nghiệm của các nhà hóa học.
Vào những thập niên cuối thế kỷ 20, bếp đun cách dầu và bếp đun với bề mặt
kim loại phủ kín được xem là những thiết bị đun nóng chủ yếu trong phòng thí nghiệm.
Vào thế kỷ 21, sự phát triển mạnh mẽ của vi sóng trong tổng hợp hữu cơ đã và đang mở
ra một kỷ nguyên gia nhiệt mới. Bên cạnh đó, lò vi sóng là công cụ kích hoạt phản
ứng thân thiện với môi trường, cung cấp nhiệt nhanh cho hiệu suất cao với độ chọn
lọc đồng phân tốt, năng lượng thất thoát ra bên ngoài ít, không cần sử dụng dung môi
nhưng vẫn cho phản ứng với chất nền ở thể rắn[7].
1.3.2

Cơ chế hoạt động
7

Footer Page 12 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 13

Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Tần số của vi sóng nằm giữa bước sóng hồng ngoại và sóng radio có tần số vào
khoảng 0,3-300 GHz. Để tránh làm nhiễu sóng viễn thông và sóng radar nên tần số
của vi sóng trong tất cả các thiết bị dùng trong cuộc sống hằng ngày và công nghiệp đều
sử dụng độ dài sóng 12,2 cm (2450 MHz)[9].
Magnetron (thiết bị tạo ra vi sóng) phát ra vi sóng để tạo nhiệt cung cấp cho
phản ứng. Dưới tác dụng của từ trường, các phân tử lưỡng cực sắp xếp lại thẳng hàng,
sự quay lưỡng cực dưới tác dụng của từ trường tạo nên hiện tượng ma sát giữa các
phân tử là cơ chế phát sinh nhiệt (hình 6). Khả năng hấp thu vi sóng được tính theo
công thức:

Tan δ = ε''
ε'
Trong đó ε’’: năng lượng bức xạ điện từ chuyển thành nhiệt năng
ε’: hằng số điện môi.
Tan δ càng lớn thì khả năng hấp thu vi sóng càng cao. Nói chung, chất càng
phân cực thì khả năng hấp thu vi sóng càng cao. Ví dụ: hằng số điện môi của aceton
va ethanol lần lượt là 20,6 và 24,6 nhưng tan δ của ethanol lại lớn hơn (0,941 so
với 0,054), điều này được giải thích là do ethanol phân cực hơn aceton nên hấp thu
vi sóng tốt hơn[8].

Hình 6: Cơ chế hoạt động của vi sóng
So sánh giữa gia nhiệt cổ điển và vi sóng: Khi sử dụng phương pháp gia nhiệt
cổ điển (bếp đun cách dầu) nhiệt lượng truyền từ bề mặt bếp qua lớp dầu đến bình
phản ứng và cuối cùng mới làm nóng hỗn hợp phản ứng. Do đó, hao phí một lượng lớn
nhiệt năng do thất thoát ra môi trường xung quanh. Trong khi đó, vi sóng xuyên qua

bình chứa và làm nóng hỗn hợp từ bên trong tránh thất thoát nhiệt.
8

Footer Page 13 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 14
Tốt of
Nghiệp
1.3.3

SVTH: Trần Văn Hùng

Ứng dụng vi sóng vào tổng hợp hữu cơ

Vi sóng được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ. Cả vi sóng gia
dụng (multimode) và vi sóng chuyên dụng (monomode) đều được khảo sát trong
nhiều phản ứng trong điều kiện không dung môi. Chẳng hạn như phản ứng: acyl hóa
và alkyl hóa Friedel-Crafts, súc hợp, cộng đóng vòng, bảo vệ và tháo nhóm bảo vệ,
ester và transester hóa, tổng hợp dị hoàn, oxide hóa, hoàn nguyên, chuyển vị, phản
ứng với tác chất hữu cơ kim loại,…[9,10,11,12]
1.4

Montmorillonite

1.4.1

Lịch sử – Khái niệm

Montmorillonite (MMT) là một khoáng sét phillosilicat rất mềm, là thành
phần chính của bentonite (khoảng 80–90 % theo khối lượng) – sản phẩm phong hóa tro
núi lửa. MMT được phát hiện vào năm 1847 tại Montmorillon trong tỉnh Vienne của
Pháp, sau đó được tìm thấy ở nhiều nơi khác trên thế giới và được biết đến với các tên
gọi khác nhau[13].
1.4.2

Cơ cấu – Phân loại

Hình 7: Mô hình cơ cấu không gian của MMT.
9

Footer Page 14 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 15
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

MMT thuộc nhóm smectite, có cơ cấu lớp 2:1 bao gồm hai tấm tứ diện và một tấm
bát diện, mỗi lớp có độ dày khoảng 1 nm và có thể mở rộng theo hai hướng khác nhau

đến vài trăm nm[13]. Cơ cấu của MMT được minh họa trong hình 7.
1.4.3

Tính chất

1.4.3.1

Tính chất vật lý

MMT là dạng đơn khoáng, gần giống sáp nến, màu trắng, xám, vàng nhạt, nâu,
nâu đỏ, có thể màu xám xanh hoặc xanh lục… khi sờ cảm thấy nhờn và trơn.
Tỷ trọng MMT trong khoảng 2,2–2,6, độ cứng Mohs tương đối khoảng 1,5. Tốc
độ lắng đọng thấp, thường có hiện tượng kết bông khi gặp môi trường kiềm, có độ
pH cao hoặc khi thay đổi môi trường nhanh chóng.
MMT có diện tích bề mặt lớn, diện tích lớp cao, kích thước hạt rất mịn, độ dẻo cao
và có tính thấm ướt thấp[14].
1.4.3.2

Tính chất hóa học

1.4.3.2.1

Tính trao đổi ion
4+

− Si
[ Si4O10 ]4− 
→[ AlSi3O10 ]5−
+ Al 3+ ( Fe3+ )

Kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí
oxygen đáy (Ob) của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực van der Waals hoặc
nối hydrogen. Nguyên nhân tạo ra khả năng này là sự thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+
(Fe3+) trong mạng tứ diện và Al3+ bởi Mg2+ (Fe2+) trong mạng bát diện làm xuất hiện
điện tích âm trong cơ cấu. Điện tích âm đó được trung hòa bởi các cation trao đổi
giữa các lớp, thông thường là các cation kiềm: K+, Na+… và kiềm thổ: Ca2+, Ba2+…
Chính các điện tích sinh ra này làm thay đổi lực hút tĩnh điện giữa các lớp và ảnh
hưởng nhiều đến khả năng xúc tác của MMT. Bằng cách thay thế các cation giữa các
lớp bằng các cation khác có thể tạo ra nhiều loại MMT khác nhau có tính chất phù hợp
với yêu cầu sử dụng.
Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity, CEC) của MMT thay
10

Footer Page 15 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 16
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

đổi trong một khoảng rộng từ 80–140 meq/100 g.
Khả năng trao đổi ion còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi,
các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation có hóa trị lớn theo thứ tự M+ > M2+ >
M3+. Với các cation có cùng hóa trị, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng

lớn theo thứ tự Li+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+ [14,15].
1.4.3.2.2

Khả năng xúc tác của MMT

MMT có tính chất cơ bản có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ đó
là độ acid cao. Nó có thể được xem là acid Lewis do sự thay thế đồng hình các ion
Si4+ bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở bát diện làm bề
mặt của MMT mang điện tích âm. Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử
nếu tại đó điện tích âm của chúng không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm
acid Lewis được tạo thành từ ion Al3+ và ion Mg2+. Trên bề mặt MMT tồn tại các
nhóm hydroxyl có khả năng nhường proton để hình thành trên bề mặt MMT những tâm
acid Brönsted. Những cation ở bề mặt liên lớp cũng có khả năng phân ly ra H+ tạo ra
tính acid Brönsted[14,15].

M m+ (H 2O)n → M m+ (H 2O)n-1 (OH)- + H +

11

Footer Page 16 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 17
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Chương 2
Thực nghiệm

12

Footer Page 17 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 18
Tốt of
Nghiệp
2.1

SVTH: Trần Văn Hùng

Hóa chất và thiết bị

2.1.1

Hóa chất

•

Montmorillonite (Lâm Đồng)

•

Benzaldehyde (Trung Quốc)

•

Ammonium acetate (Sigma-Aldrich)

•

5,5-dimethylcyclohexane-1,3-dione (Dimedone) (Sigma-Aldrich)

•

Ethanol (Chemsol)

•

Acetone (Chemsol)

•

p-Nitrobenzaldehyde (Sigma-Aldrich)

•

p-Bromobenzaldehyde (Sigma-Aldrich)

•

p-Methylbenzaldehyde (Sigma-Aldrich)
2.1.2

Thiết bị

•

Cân điện tử Sartotius

•

Máy khuấy từ điều nhiệt IKARET

•

Máy tổng hợp vi sóng CEM

•

Máy hút chân không

•

Máy đo nhiệt độ nóng chảy Buchi

•

Máy đo NMR

2.2

Điều chế xúc tác

 Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng
Cân 10 g montmorillonite Lâm Đồng, khuấy với 200 ml dung dịch acid H 2 SO 4 có
các nồng độ 10 %, 20%, 30%, 40% và 50 % trong 4 giờ tại nhiệt độ 70 oC. Sản phẩm
được lọc, rửa trên phễu Büchner tới khi hết ion SO 4 2- (thử bằng dung dịch BaCl 2 1 M,
13

Footer Page 18 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 19
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

hoặc sử dụng quỳ tím nhận biết ion H+), sấy khô đến khối lượng không đổi tại nhiệt độ
110 oC. Sản phẩm được nghiền mịn qua rây 120 mesh. Kí hiệu xúc tác lần lượt là LD10,
LD20, LD30, LD40, LD50.
 Phương pháp trao đổi cation với montmorillonite hoạt hóa acid
Thêm từ từ 3 g montmorillonite hoạt hóa acid vào 100 ml dung dịch muối CuSO 4
2 M, khuấy từ trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng. Chất rắn sau đó được lọc, rửa sạch dung
dịch CuSO 4 , sấy khô và nghiền mịn thu được xúc tác montmorillonite hoạt hóa acid trao

đổi ion Cu2+, ký hiệu Cu2+-Mont. Phương pháp này được áp dụng cho một số muối vô
cơ khác để trao đổi những cation khác. Ký hiệu chung là Mn+-Mont.
2.3

Điều chế 1,8-Dioxodecahydroacridine
Cho vào ống nghiệm chuyên dụng cho máy tổng hợp vi sóng CEM 0,110 g (1,5

mmol) ammonium acetate và 0,106 g (1 mmol) benzaldehyde rồi khuấy đều. Tiếp đó
cho thêm 0,280 g (2 mmol) dimedone khuấy đều và gia nhiệt trên bếp khuấy từ ở nhiệt
độ 100 oC đến khi dimedone nóng chảy hết. Sau đó thêm 0,1 g xúc tác khuấy đều. Thực
hiện phản ứng trong máy tổng hợp vi sóng CEM ở điều kiện 100 oC, công suất 50 W,
trong thời gian 10 phút. Sau khi thực hiện phản ứng sử dụng ethanol nóng để hòa tan sản
phẩm và lọc bỏ xúc tác. Cô quay hỗn hợp để loại bỏ ethanol rồi kết tinh lại trong 10 ml
ethanol nước tỉ lệ thể tích 1:1 (làm lạnh khoảng 1 giờ thu được tinh thể màu vàng nhạt).
Sau cùng lọc chất rắn, để khô ở nhiệt độ phòng, cân và tính hiệu suất.
2.4

Quá trình tối ưu hóa

•

So sánh xúc tác

•

Tối ưu hóa nhiệt độ

•

Tối ưu hóa thời gian

•

Tối ưu hóa tỷ lệ chất tham gia phản ứng

•

Tối ưu hóa khối lượng xúc tác

•

Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác
14

Footer Page 19 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 20
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

So sánh với xúc tác khác

2.5

Thực hiện phản ứng ở điều kiện tối ưu thu được, thay đổi xúc tác tối ưu bằng các
xúc tác Cu2+-Mont, Pb2+-Mont, Ni2+-Mont, Al3+-Mont, Cr3+-Mont, Fe3+-Mont, Cd2+Mont.
2.6

Tổng hợp các dẫn suất
Thực hiện phản ứng áp dụng điều kiện đã tối ưu hóa ở trên hay đổi benzaldehyde

bằng các dẫn xuất p-nitrobenzaldehyde, p-bromobenzaldehyde, p-methylbenzaldehyde.
2.7

Định danh sản phẩm
Đo nhiệt độ nóng chảy, 1H-NMR của sản phẩm từ đó định danh sản phẩm thu được.

15

Footer Page 20 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 21
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Chương 3

Kết quả và thảo luận

16

Footer Page 21 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 22
Tốt of
Nghiệp
3.1

SVTH: Trần Văn Hùng

Mục đích và phạm vi nghiên cứu
Xúc tác MMT còn có đặc tính ưu việt là giá thành rẻ, dễ sử dụng, dễ xử lý và thu

hồi. Mục đích của đề tài là nghiên cứu phương pháp tổng hợp 1,8Dioxodecahydroacridine bằng phản ứng đa thành phần Hantzsch với xúc tác MMT được
hoạt hóa acid. Sau đó, dựa trên phương thức tốt nhất để tiến hành tối ưu hóa phản ứng
bằng cách khảo sát những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bao gồm: nồng độ acid hoạt
hóa MMT, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, tỉ lệ giữa các tác chất và khối lượng
xúc tác.
3.2

Quy trình tổng hợp
R

O

CHO

+

R

2

O

+

xúc tác
NH4OAc

to

O

N

2

1

O

4

3

Hình 8: Sơ đồ tổng hợp 1,8-Dioxodecahydroacridine và dẫn xuất
3.3

Tối ưu hóa nồng độ acid sulfuric hoạt hóa MMT
Cố định thời gian phản ứng thời gian 10 phút, khối lượng xúc tác 0,1 g, nhiệt độ

100 oC, công suất 50 W, thay đổi loại xúc tác lần lượt dùng LD10, LD20, LD30, LD40,
LD50. Kết quả được trình bày trong bảng 4.
Bảng 4: Kết quả tối ưu hóa nồng độ acid sulfuric hoạt hóa MMT
Xúc tác

Hiệu suất (%)

LD10
LD20
LD30
LD40
LD50

36
46
51
57
40

Vậy nồng độ H 2 SO 4 dùng hoạt hóa MMT tốt nhất là 40 %. Sử dụng nồng độ này để
17

Footer Page 22 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 23
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

thực hiện phản ứng.
3.4

Tối ưu sản phẩm
Điều kiện phản ứng ban đầu: 0,110 g (1,5 mmol) ammonium acetate và 0,106 g (1

mmol) benzaldehyde, 0,280 g (2 mmol) dimedone, 0,1 g xúc tác.
3.4.1

Tối ưu hóa nhiệt độ

Cố định thời gian phản ứng thời gian 10 phút, khối lượng xúc tác 0,1 g, công suất 50
W và thay đổi nhiệt độ từ 70-120 oC. Kết quả được trình bày trong bảng 5.
Bảng 5: Kết quả tối ưu hóa theo nhiệt độ
Nhiệt độ oC
70

80
90
100
110
120

Hiệu suất (%)
38
56
57
57
61
51

Kết quả bảng 5 cho thấy nhiệt độ tốt nhất để thực hiện phản ứng là 110 oC. Phản
ứng gần như không xảy ra ở nhiệt độ thường nên cần cung cấp năng lượng bằng với năng
lượng hoạt hóa của phản ứng để phản ứng có thể xảy ra. Hơn nữa khi tăng nhiệt độ thì tốc
độ phản ứng cũng tăng theo, điều này thuận lợi trong tổng hợp cần rút ngắn thời gian
phản ứng. Nhưng khi tăng nhiệt độ quá cao thì sản phẩm bị phân hủy, thực nghiệm thấy
rằng khi tăng nhiệt độ đến 120 oC thì hỗn hợp phản ứng có màu đen (bị cháy).
3.4.2

Tối ưu thời gian

Cố định nhiệt độ phản ứng ở nhiệt độ tối ưu, khối lượng xúc tác 0,1 g, công suất 50
W và thời gian phản ứng được thay đổi từ 5-20 phút. Kết quả được trình bày trong bảng
6.
Kết quả bảng 6 cho thấy thời gian tối ưu thực hiện phản ứng là 14 phút. Thời gian
ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất phản ứng. Nếu không đủ thời gian thì phản ứng xảy ra
không hoàn toàn, ngược lại thời gian phản ứng quá lâu thì sản phẩm sẽ bị phân hủy.

18

Footer Page 23 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 24
Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

Bảng 6: Kết quả tối ưu hóa theo thời gian

3.4.3

Thời gian (phút)

Hiệu suất (%)

5
10
13
14
15
17
20

40
59
57
68
65
54
39

Tối ưu tỉ lệ các chất

Cố định nhiệt độ phản ứng, thời gian ở điều kiện tối ưu, khối lượng xúc tác 0,1g,
công suất 50 W và thay đổi tỷ lệ mol của tác chất. Kết quả được trình bày trong bảng 7.
Bảng 7: Kết quả tối ưu hóa theo tỉ lệ tác chất
1:2:3

Hiệu suất (%)

1:2:1,5
1,2:2:1,5
1,5:2:1,5
1,7:2:1,5
1:1,5:1,5
1:2,5:1,5
1:3:1,5
1:2:1
1:2:1,2
1:2:2,5

68

61
54
42
42
42
38
65
59
59

Kết quả bảng 7 cho thấy tỉ lệ mol tối ưu là 1:2:3=1:2:1,5.
3.4.4

Tối ưu xúc tác

Cố định nhiệt độ phản ứng, thời gian, tỷ lệ chất tham gia phản ứng ở điều kiện tối
ưu, công suất 50 W, thay đổi khối lượng xúc tác. Kết quả được trình bày trong bảng 8.
Kết quả bảng 8 cho thấy khi lượng xúc tác quá ít thì không đủ để xúc tác cho phản
ứng nên hiệu suất thu được cũng không cao. Mặt khác xúc tác ở thể rắn nên khi tăng
lượng xúc tác tỉ lệ pha lỏng giảm, diện tích tiếp xúc giữa các chất giảm dẫn đến hiệu suất
19

Footer Page 24 of 161.


Header
Page
161.
Khóa
Luận 25

Tốt of
Nghiệp

SVTH: Trần Văn Hùng

giảm. Khảo sát thấy lượng xúc tác tối ưu cho phản ứng là 0,15 g.
Bảng 8: Kết quả tối ưu hóa theo khối lượng xúc tác
Xúc tác (g)

Hiệu suất (%)

0
0,050
0,125
0,150
0,175
0,200

54
67
67
79
68
48

Kết quả sau quá trình tối ưu hóa điều kiện phản ứng:
• Thời gian tối ưu: 14 phút
• Nhiệt độ tối ưu: 110 oC
• Khối lượng xúc tác tối ưu: 0,15 g
• Tỉ lệ mol tối ưu: 1:2:3=1:2:1,5

3.5

So sánh với xúc tác khác
Thực hiện phản ứng ở điều kiện tối ưu thu được, thay đổi xúc tác tối ưu bằng các

xúc tác Cu2+-Mont, Pb2+-Mont, Ni2+-Mont, Al3+-Mont, Cr3+-Mont, Fe3+-Mont, Cd2+Mont. Kết quả được trình bày trong bảng 9.
Bảng 9: So sánh các loại xúc tác
Xúc tác

Hiệu suất (%)

LD40
Cu2+-Mont
Pb2+-Mont
Ni2+-Mont
Cd2+-Mont
Al3+-Mont
Cr3+-Mont
Fe3+-Mont

79
60
50
52
41
61
47
47

Kết quả bảng 9 cho thấy xúc tác trao đổi cation H+ bằng những cation kim loại cho

hiệu suất thấp hơn xúc tác LD40.
20

Footer Page 25 of 161.