DẪN XUẤT 3,4-DIHYDROPYRIMIDINE-2-ONE DÙNG XÚC TÁC MONTMORILLONITE TRAO ĐỔI CATION BIẾN TÍNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA HÓA HỌC


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Hóa Hữu cơ

TỔNG HỢP
DẪN XUẤT 3,4-DIHYDROPYRIMIDINE-2-ONE
DÙNG XÚC TÁC MONTMORILLONITE
TRAO ĐỔI CATION BIẾN TÍNH

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Phạm Đức Dũng
Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Hoài
Mã số sinh viên: K39.106.037

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 5 năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực của chính
bản thân em còn có sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô và các bạn sinh viên khoa Hóa
học, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh.
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến:
ThS. Phạm Đức Dũng, người thầy đã tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý
kiến quý báu cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt
nghiệp.
Các phòng ban quản lý phòng thí nghiệm Hóa học của Trường Đại học Khoa
Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho em được thực nghiệm ở
phòng thí nghiệm hóa hữu cơ trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí

Minh.
Ban chủ nhiệm Khoa Hóa, các phòng ban quản lý phòng thí nghiệm Hóa học
của Trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho
em được tiến hành thực nghiệm tại phòng thí nghiệm hóa đại cương trường Đại học Sư
Phạm Thành phố Hồ Chí Minh.
Quý thầy cô, gia đình, bạn bè và đặc biệt là các bạn sinh viên trong nhóm khóa
luận đã luôn dành nhiều tình cảm, động viên và hỗ trợ cho em trong suốt thời gian theo
học tập tại trường và trong thời gian thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp.
Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên khóa luận không tránh khỏi
những thiếu sót. Vì vậy em xin ghi nhận và biết ơn những ý kiến đóng góp quý báu từ
thầy/cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn.
Kính chúc quý thầy cô, các bạn và những người thân của em lời chúc sức khỏe,
lời cảm ơn chân thành nhất!

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i
MỤC LỤC .......................................................................................................................... ii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT..................................................................... vii
1. MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài ........................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 1
1.3 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 2
2. TỔNG QUAN ................................................................................................................. 3
2.1 Phản ứng đa thành phần ............................................................................................... 3
2.2 Phản ứng Biginelli ......................................................................................................... 3

2.2.1 Sơ đồ tổng hợp ..................................................................................................... 3
2.2.2 Cơ chế phản ứng .................................................................................................. 3
2.2.3 Một số phương pháp tổng hợp theo Biginelli đã được thực hiện trên thế giới ... 4
2.3 Về xúc tác....................................................................................................................... 8
2.3.1 Khoáng sét ........................................................................................................... 8
2.3.2 Về Montmorillonite .............................................................................................. 9
3. THỰC NGHIỆM ......................................................................................................... 12
3.1 Điều chế xúc tác .......................................................................................................... 12
3.1.1 Tinh chế montmorillonite ................................................................................... 12
3.1.2 Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng........................................................ 12
3.1.3 Phương pháp trao đổi cation với montmorillonite hoạt hóa acid ..................... 12
3.2 Điều chế 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM) ................................................ 12
3.3 Quá trình tối ưu hóa .................................................................................................... 13
3.4 Phương pháp tái sử dụng xúc tác ................................................................................ 13
3.5 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM ........................................................................ 13
3.6 Xác định cơ cấu các sản phẩm .................................................................................... 14
3.7 Xác định cơ cấu xúc tác ............................................................................................... 14
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................................... 15
4.1 Nghiên cứu xác định thành phần khoáng sét của đất sét Lâm Đồng .......................... 15
4.2 Tổng hợp 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM) ............................................... 15
4.2.1 Sơ đồ tổng hợp ................................................................................................... 16
4.2.2 Khảo sát xúc tác sử dụng ................................................................................... 16
ii


4.2.3 Khảo sát nhiệt độ nung ...................................................................................... 17
4.2.4 Tối ưu hóa thời gian .......................................................................................... 17
4.2.5 Tối ưu hóa nhiệt độ ............................................................................................ 18
4.2.6 Tối ưu hóa tỷ lệ chất tham gia phản ứng ........................................................... 18
4.2.7 Tối ưu hóa khối lượng xúc tác ........................................................................... 19

4.3 Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác .................................................................................. 20
4.4 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM ........................................................................ 20
5. ĐỊNH DANH SẢN PHẨM .......................................................................................... 22
5.1 Hợp chất Bi-1: 5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-4-phenyl-3,4-dihydropyrimidin2(1H)-one........................................................................................................................... 22
5.2
Hợp
chất
Bi-2:
5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-methylphenyl)-6-methyl-3,4dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 25
5.3
Hợp
chất
Bi-3:
5-(ethoxycarbonyl)-4-(3-fluorophenyl)-6-methyl-3,4dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 27
5.4
Hợp
chất
Bi-4:
5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-fluorophenyl)-6-methyl-3,4dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 30
5.5
Hợp
chất
Bi-5:
4-(3-clorophenyl)-5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-3,4dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 32
5.6
Hợp
chất
Bi-6:
4-(4-clorophenyl)-5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-3,4dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 35
5.7

Hợp
chất
Bi-7:
5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-methoxyphenyl)-6-methyl-3,4dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 37
6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................................... 40
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 41
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 44

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion .............................. 5
Bảng 2. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác acid trichloaxetic trong điều kiện
không dung môi ............................................................................................................... 6
Bảng 3. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi
sóng .................................................................................................................................. 7
Bảng 4. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện
không dung môi ............................................................................................................... 7
Bảng 5. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều
kiện không dung môi ....................................................................................................... 8
Bảng 6. Vị trí các mũi khoáng sét ................................................................................. 15
Bảng 7. So sánh xúc tác trao đổi các cation khác nhau ................................................ 16
Bảng 8. Khảo sát nhiệt độ nung .................................................................................... 17
Bảng 9. So sánh khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung ............................... 17
Bảng 10. Kết quả tối ưu hóa theo thời gian .................................................................. 18
Bảng 11. Kết quả tối ưu hóa theo nhiệt độ.................................................................... 18
Bảng 12. Kết quả tối ưu hóa tỉ lệ chất tham gia phản ứng ............................................ 19
Bảng 13. Kết quả tối ưu hóa lượng xúc tác ................................................................... 20
Bảng 14. Khả năng tái sử dụng xúc tác......................................................................... 20

Bảng 15. Tổng hợp một số dẫn xuất DHPM ................................................................. 21
Bảng 16. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-1 ...................................... 23
Bảng 17. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-1 ..................................... 25
Bảng 18. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-2 ...................................... 25
Bảng 19. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-2 ..................................... 26
Bảng 20. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-3 ...................................... 28
Bảng 21. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-3 ..................................... 29
Bảng 22. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-4 ...................................... 30
Bảng 23. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-4 ..................................... 32
Bảng 24. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-5 ...................................... 33
Bảng 25. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-5 ..................................... 34
Bảng 26. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-6 ...................................... 36
Bảng 27. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-6 ..................................... 37
Bảng 28. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-7 ...................................... 37
iv


Bảng 29. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-7 ..................................... 39

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Sơ đồ tổng hợp DHPM ...................................................................................... 3
Hình 2. Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis ........................................................... 4
Hình 3. Cơ chế phản ứng theo De Souza ........................................................................ 4
Hình 4. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion tiến hành bằng
phương pháp siêu âm ....................................................................................................... 5
Hình 5. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác acid trichloaxetic trong điều kiện
không dung môi ............................................................................................................... 6

Hình 6. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi
sóng .................................................................................................................................. 6
Hình 7. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện
không dung môi ............................................................................................................... 7
Hình 8. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều
kiện không dung môi ....................................................................................................... 8
Hình 9. Cơ cấu lớp 2:1 .................................................................................................... 9
Hình 10. Mô hình cấu trúc không gian của MMT ........................................................ 10
Hình 11. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu montmorillonite tinh chế .................................. 15
Hình 12. Sơ đồ tổng hợp DHPM dùng xúc tác Mn+_Mont_nung ................................. 16
Hình 13. Phổ 1H-NMR của chất Bi-1 ........................................................................... 22
Hình 14. Phổ 13C-NMR của chất Bi-1 .......................................................................... 24
Hình 15. Phổ 1H-NMR của chất Bi-2 ........................................................................... 26
Hình 16. Phổ 13C-NMR của chất Bi-2 .......................................................................... 27
Hình 17. Phổ 1H-NMR của chất Bi-3 ........................................................................... 28
Hình 18. Phổ 13C-NMR của chất Bi-3 .......................................................................... 29
Hình 19. Phổ 1H-NMR của chất Bi-4 ........................................................................... 31
Hình 20. Phổ 13C-NMR của chất Bi-4 .......................................................................... 31
Hình 21. Phổ 1H-NMR của chất Bi-5 ........................................................................... 33
Hình 22. Phổ 13C-NMR của chất Bi-5 .......................................................................... 34
Hình 23. Phổ 1H-NMR của chất Bi-6 ........................................................................... 35
Hình 24. Phổ 13C-NMR của chất Bi-6 .......................................................................... 36
Hình 25. Phổ 1H-NMR của chất Bi-7 ........................................................................... 38
Hình 26. Phổ 13C-NMR của chất Bi-7 .......................................................................... 39

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
+ 1H-NMR: phổ cộng hưởng từ proton.

+ 13C-NMR: phổ cộng hưởng từ cacbon-13.
+ CEC: khả năng trao đổi cation.
+ DHPM: 3,4-dihydropyrimidine-2-one
+ LD30: Montmorillonite tinh chế hoạt hóa acid H2SO4 có nồng độ 30%.
+ LDTC: Montmorillonite tinh chế chưa hoạt hóa acid.
+ MCR: phản ứng đa thành phần.
+ Mn+_Mont: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với Mn+.
+ Mn+_Mont_nung: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với
Mn+ sau đó được nung ở nhiệt độ cao.
+ Mn+_M300: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với Mn+ sau
đó được nung ở 300 oC.
+ MMT: Montmorilonite.
+ MRC: phản ứng đa thành phần.
+ MW: vi sóng.

vii


1. MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Trong Hóa học Hữu cơ nói chung và đặc biệt là tổng hợp hữu cơ nói riêng, xu
hướng sử dụng những phản ứng đơn giản, dễ thực hiện nhưng có khả năng thu được
sản phẩm có độ tinh khiết cao đang được ưu tiên phát triển hơn cả. Một trong những
đại diện tiêu biểu là phản ứng Biginelli. Ngoài những ưu điểm trên, sản phẩm tạo
thành của phản ứng này đã và đang có rất nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng trong
đời sống như: kháng vi khuẩn, kháng vi rút, chống tăng huyết áp,...
Trong quá trình nghiên cứu, phát triển phản ứng trên, việc cải tiến xúc tác luôn là
một vấn đề được quan tâm hơn cả. Tuy nhiên, những xúc tác cho điều kiện phản ứng
đơn giản (thời gian ngắn, nhiệt độ thấp,…) lại có khả năng thu hồi kém, gây ô nhiễm
môi trường. Trong khi đó, những xúc tác cho khả năng thu hồi tốt lại có điều kiện phản

ứng tương đối khó khăn (nhiệt độ cao, thời gian phản ứng kéo dài,…) gây tốn nhiên
liệu. Việc kết hợp ưu điểm của các loại xúc tác để tạo nên một loại xúc tác có nhiều ưu
điểm hơn như xúc tác rắn trao đổi cation với một số loại muối thông dụng đã được đề
ra, tuy nhiên khả năng thu hồi vẫn còn nhiều hạn chế do sự hao hụt cation trong quá
trình phản ứng và xử lý sản phẩm. Để giải quyết vấn đề này, một giải pháp đã được đề
ra là tiến hành nung xúc tác ở nhiệt độ cao, biến các nhóm hydroxyl trên bề mặt thành
oxide (montorillonite trao đổi cation biến tính) để giữ cố định lượng cation đã được
trao đổi trước đó. Tuy nhiên, giải pháp này chưa được đưa vào nghiên cứu và áp dụng
thực tiễn.
Với những lí do trên, em quyết định chọn đề tài: “Tổng hợp dẫn xuất 3,4dihydropyrimidine-2-one dùng xúc tác montmorillonite trao đổi cation biến tính”.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
+ Khảo sát nhiệt độ nung thích hợp xúc tác montmorillonite trao đổi cation với
một số muối vô cơ.
+ Khảo sát khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung.
+ Tiến hành áp dụng xúc tác đã điều chế trên phản ứng Biginelli để chọn ra xúc
tác tốt nhất.

1


+ Tối ưu hóa phản ứng Biginelli giữa ba tác chất là 4-methyl benzaldehyde, urea
và ethyl acetoacetate dựa trên nền xúc tác đã chọn.
+ Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác và tổng hợp một số dẫn xuất khác.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
+ Tổng hợp các tài liệu khoa học liên quan.
+ Tiến hành điều chế montmorillonite hoạt hóa acid trao đổi cation, nung ở nhiệt
độ cao.
+ Tiến hành tối ưu hóa phản ứng Biginelli giữa ba tác chất là 4-methyl
benzaldehyde, urea và ethyl acetoacetate, khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác và
tổng hợp một số dẫn xuất khác.

+ Định danh sản phẩm thu được thông qua đo nhiệt độ nóng chảy, phổ cộng
hưởng từ proton (1H-NMR) và phổ cộng hưởng từ cacbon (13C-NMR).

2


2. TỔNG QUAN
2.1 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 hơn ba thành phần, những thành phần chính phản
ứng với nhau trong một quá trình để tạo ra một sản phẩm bao gồm hầu hết các nguyên
tử của các nguyên liệu đầu vào [7].
Phản ứng đa thành phần có khả năng tạo thành các phân tử phức tạp với sự đơn
giản, nhanh gọn và đặc biệt 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 [2].
2.2 Phản ứng Biginelli
Năm 1893, nhà hóa học người Ý-Pietro Biginelli báo cáo về sự ngưng tụ vòng
cyclo trên xúc tác acid với chất tham gia gồm một aldehyde, một β-ketoester và urea
(hoặc thiourea) để tạo thành một dihydropyrimidine. Ông đã dự đoán rằng khả năng
tổng hợp các phản ứng đa phần bằng cách kết hợp các chất phản ứng của hai phản ứng
khác nhau có một phần chung, kết quả là tạo nên 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one và
các dẫn xuất [6][23].
Phản ứng đa thành phần tạo ra 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one (DHPM) từ ethyl
acetoacetate, aldehyde hương phương và urea được gọi là phản ứng Biginelli (Hình 1)
[8].
2.2.1 Sơ đồ tổng hợp
R

CHO
O

O
+

R
1

H2N

NH2
2

O

+

Xúc tác

EtOOC

NH

OEt
3

Hình 1. Sơ đồ tổng hợp DHPM
2.2.2 Cơ chế phản ứng
 Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis

3

H3C

N
H

O


O
EtO2C

H

O

O

O

O

2

1

H+

H

O

HO

O

OEt

OEt

OEt
O

H2N

NH2
3

Ph

Ph
CO2Et

HN

O

CO2Et

HN

H

Me
O

N
H

Me

O

H2O

N
H

6

NH

O

OH

O
4

NH2

5

OEt

Hình 2. Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis [9][22]
Cơ chế được đề ra năm 1973. Ban đầu sẽ xảy ra phản ứng ngưng tụ giữa
benzaldehyde 1 và ethyl acetoacetate 2 trong môi trường acid tạo ra trung gian
carbocation. Carbocation này sẽ tác dụng với urea 3 tạo thành 4, đóng vòng 4 thu được
5, tách nước tạo thành DHPM 6.
 Cơ chế phản ứng theo De Souza
+

O
O

H
H2N
1

OH

Ph
NH2

-

HN

Ph

+

H

NH2

H

HN

O

2

O

O
NH2

H2N
NH2

O

Ph

NH2
NH

HN

NH2

2'' O

2'

EtO2C
3
EtO2C

O

Ph

Ph

Ph
EtO2C

NH

NH

EtO2C

Me
Me

N
H
6

O
H2O

HO

N
H

O

5

Me

NH
O
H2N

O

4

Hình 3: Cơ chế phản ứng theo De Souza [6][22]
Cơ chế được đề ra năm 2009. Trung gian N-acyliminium 2’ được hình thành bởi
sự ngưng tụ giữa benzaldehyde 1 và urea 2 trong môi trường acid. Sau đó trung gian
này sẽ tiếp tục phản ứng với ethyl acetoacetate 3, tạo thành sản phẩm 4, đóng vòng 4

thu được 5, tách nước tạo thành DHPM 6. Nếu urea dư, trung gian 2’’ sẽ tạo thành.
2.2.3 Một số phương pháp tổng hợp theo Biginelli đã được thực hiện trên thế
giới
2.2.3.1 Dùng xúc tác chất lỏng ion tiến hành bằng phương pháp siêu âm
4


+ Cách tiến hành
Hỗn hợp bao gồm: aldehyde (10 mmol), ethyl acetoacetate (10 mmol) và urea
hoặc thiourea (11 mmol) trong hỗn hợp [cmmim][BF4] và [bmim][BF4] (2:1, 2 g) tiến
hành siêu âm ở 30 ºC. Khi hoàn thành các phản ứng sản phẩm được đổ vào nước đá và
khuấy trong 15-20 phút. Chất rắn tách ra được lọc và rửa lại với nước, ethanol đến khi
sạch [3].
+ Sơ đồ phản ứng
R
R

O

X

O
H

R=1a-o

H2N

O

NH

OEt

NH2

X=O,S

30 oC, ))))

EtOOC
N
H

30-70 min
EAA

X

2a-o

Hình 4. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion
tiến hành bằng phương pháp siêu âm
+ Kết quả
Kết quả thu được khi thực hiện với tỉ lệ và thời gian khác nhau thu được trong
Bảng 1.
Bảng 1: Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion
Stt
1
2

3
4
5

[cmmim][BF4]:
[bmim][BF4] (v/v)
1:0
3:1
2:1
1:1
0:1

Thời gian
(phút)
60
55
40
50
60

Hiệu suất (%)
83
90
96
92
81

2.2.3.2 Dùng xúc tác acid trichloroacetic trong điều kiện không dung môi
+ Cách tiến hành
Hỗn hợp của aldehyde (1 mmol), alkyl acetoacetate (1 mmol), urea (1 mmol) và

acid trichloroacetic (0,032 g, 20 % mol) được khuấy ở 70 oC. Sau khi hoàn thành các
phản ứng, chất rắn được tạo thành ở nhiệt độ phòng và cho tiếp 5 ml ethanol vào. Xúc
tác được thu hồi bằng cách lọc [24].
+ Sơ đồ phản ứng

5


H2N

H

O

O
Cl3CCOOH

+

+
R1

O

X

O

R2

NH2

R1

R2

NH

solvent-free, 70 oC

N
H

X

Hình 5. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác trichloroacetic
trong điều kiện không dung môi
+ Kết quả
Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và dẫn xuất thu được trong Bảng 2.
Bảng 2: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác acid trichloroaxetic
trong điều kiện không dung môi
Stt

R1

R2

X

1

2
3
4
5
6

C6H5
4-ClC6H4
4-HOC6H4
4-BrC6H4
4-NO2C6H4
4-MeOC6H4

OEt
OEt
OEt
OEt
OEt
OEt

O
O
O
O
O
O

Thời gian Hiệu suất
(phút)
(%)

4
85
9
92
40
90
11
90
5
85
20
95

2.2.3.3 Dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng
+ Cách tiến hành
Hỗn hợp chất tham gia phản ứng gồm: acylal (1 mmol), urea (1,5 mmol),
FeCl3.6H2O (1 mmol) được cho phản ứng trong lò vi sóng trong thời gian 15 phút. Sau
khi phản ứng kết thúc làm sạch với nước và kết tinh sản phẩm lại bằng dung môi
ethanol 70 % [16].
+ Sơ đồ phản ứng
+

R
OAc

O

X

OAc

H2N

O

O
MW

+

OEt

NH2

FeCl3.6H2O

R

EtO

NH
N
H

X

Hình 6. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O
trong điều kiện vi sóng
+ Kết quả
Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng
được thể hiện trong Bảng 3.

6


Bảng 3: Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O
trong điều kiện vi sóng
Stt
1
2
3
4
5
6
7

R
Ph
4-ClC6H4
4-CH3C6H4
4-MeO-C6H4
4-ClC6H4
4-CH3C6H4
4-CH3OC6H4

X
O
O
O
O
S

S
S

Hiệu suất (%)
85
92
88
76
60
68
55

2.2.3.4 Dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện không dung môi
+ Cách tiến hành
Hỗn hợp của aldehyde (3 mmol), alkyl acetoacetate (4,5 mmol), urea (6 mmol) và
Cu(NO3)2.3H2O (2-10 % mol) được khuấy ở 70 oC. Sau khi hoàn thành các phản ứng,
chất rắn tạo thành được cho tiếp 10 ml H2O vào khuấy và hòa tan trong 10 phút. Sản
phẩm được rửa lại với nước [11].
+ Sơ đồ phản ứng
O
O

O

+

+
H2N

O

O
R2

NH2

R1

Cu(NO3)2.3H2O
H

R1

R2

solvent-free, 70 oC

NH
N
H

O

Hình 7. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O
trong điều kiện không dung môi
+ Kết quả
Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và các dẫn xuất thu được trong
Bảng 4.
Bảng 4: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O
trong điều kiện không dung môi.

Stt

R1

R2

Thời gian
(phút)

Hiệu suất
(%)

1
2
3
4
5
6

C6H5
4-MeO-C6H4
4-CH3-C6H4
4-Cl-C6H4
4-NO2-C6H4
3-NO2-C6H4

OEt
OEt
OEt
OEt

OEt
OEt

40
40
30
50
40
40

93
94
93
95
96
89

7


2.2.3.5 Dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi
+ Cách tiến hành
Hỗn hợp của aldehyde (10 mmol), alkyl acetoacetate (10 mmol), urea (15 mmol)
và montmorillonite KSF (0,5 g) được khuấy ở 130 oC trong vòng 48 h. Sản phẩm tạo
thành được kết tinh lại với ethanol, xúc tác được thu hồi bằng cách lọc nóng với
ethanol và tái sử dụng được 2 lần với hiệu suất 80-81% [10].
+ Sơ đồ phản ứng
O
O

O
+
H2N

NH2

O

O
+

R''

R'

R

KSF, 130 oC
H

R

R''

solvent-free, 48h

NH
R'

N

H

O

Hình 8. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF
trong điều kiện không dung môi
+ Kết quả
Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và các dẫn xuất được tóm tắt trong
Bảng 5.
Bảng 5: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF
trong điều kiện không dung môi.
Stt

R

R1

R2

1
2
3
4
5
6

C6H5
4-MeO-C6H4
4-OH-C6H4
4-Cl-C6H4

C6H5-CH=CH
C6H5

CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3

OEt
OEt
OEt
OEt
OEt
CH3

Hiệu suất
(%)
82
79
88
76
70
74

2.3 Về xúc tác
2.3.1 Khoáng sét
2.3.1.1 Khái niệm
Hội đồng danh pháp (Joint Nomenclature Committees, JNCs) của Hiệp hội quốc tế

nghiên cứu về đất sét (Association Internationale pour l’Etude des Argiles, AIPEA)
định nghĩa khoáng sét là những phyllosilicate, có tính dẻo và trở nên cứng khi khô hay
bị nung nóng. Các khoáng sét có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc tổng hợp.

8


Khoáng sét được hình thành do sự phong hóa hóa học các loại đá chứa silicate
dưới tác dụng của acid carbonic hoặc do các hoạt động thủy nhiệt. Thành phần chính
bao gồm Al2O3, SiO2, H2O và một số oxid của kim loại kiềm, kiềm thổ, sắt, mangan,
kẽm… Phần lớn khoáng sét được tìm thấy dưới dạng hạt mịn và có khả năng hấp phụ
nước trở thành vật liệu có tính dẻo.
2.3.1.2 Cơ cấu lớp 2:1
Cơ cấu lớp 2:1 bao gồm một tấm bát diện nằm giữa hai tấm tứ diện, mỗi ô mạng
gồm 6 ô bát diện và 8 ô tứ diện, 2/3 nhóm hydroxyl của tấm bát diện được thay thế bởi
các nguyên tử oxi nằm trên đỉnh của tấm tứ diện.

Hình 9. Cơ cấu lớp 2:1
Ooct: tâm anion bát diện

T: cation tứ diện

Oa: oxigen tại đỉnh tứ diện

Ob: oxigen tại đáy tứ diện

2.3.2 Về Montmorillonite
2.3.2.1 Khái niệm
Montmorillonite (MMT) là một khoáng sét phyllosilicate rất mềm thuộc họ
smectite, được phát hiện năm 1847 tại Montmorillon trong tỉnh Vienne của Pháp,

nhưng nó cũng được tìm thấy ở nhiều nơi khác trên thế giới và được biết đến với các
tên gọi khác nhau. MMT là thành phần chính của bentonite (chiếm khoảng 80-90%
theo khối lượng của bentonite) [5][19].
2.3.2.2 Cấu trúc
Gồm 2 tấm tứ diện kẹp 1 tấm bát diện (khoáng sét 2:1). Mỗi lớp có độ dày khoảng
1 nm [20]. Cấu trúc được minh họa trong Hình 10.

9


Hình 10. Mô hình cấu trúc không gian của MMT
2.3.2.3 Tính chất vật lý
2.3.2.3.1 Trạng thái tự nhiên
MMT tồn tại ở dạng đơn khoáng, gần giống sáp nến, thường có màu trắng, xám,
vàng nhạt, nâu, nâu đỏ, có thể màu xám xanh hoặc xanh lục…khi sờ cảm thấy nhờn và
trơn [18].
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 [12].
2.3.2.3.2 Tính trao đổi ion
- Si4+

[Si4O10]4-

+

Al3+

(Fe3+)

[AlSi3O10]5-

Nguyên nhân tạo ra khả năng này là do sự thay thế đồng hình cation Si4+ bằng Al3+
trong mạng tứ diện hay 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 tính 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
cation khác, có thể tạo ra nhiều loại MMT có tính chất khác nhau, phù hợp với yêu cầu
của người sử dụng [18].
Khả năng tao đổi cation (Cation Exchange Capacity-CEC) của MMT thay đổi
trong một khoảng rộng từ 80-140 meq/100 g.

10


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+ [18].
2.3.2.3.3 Khả năng hấp phụ
Sự hấp phụ bề mặt trong của MMT có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô
cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực
có kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các
cation trao đổi nằm ở lớp xen giữa (interlayer) hoặc liên kết với các cation đó qua liên
kết với nước [4].
Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polymer và đặc biệt là vi khuẩn
chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của MMT [14].
2.3.2.4 Tính chất hóa học

MMT có công thức hóa học: (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2.nH2O.
Tính chất đặc biệt của MMT là có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ
nhờ vào 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. Do vậy tâm acid Lewis được tạo thành từ ion Al3+
và ion Mg2+. Trên bề mặt MMT tồn tại các nhóm hydroxyl (-OH) có khả năng nhường
proton để hình thành trên bề mặt MMT những tâm acid Brönsted [19].

11


3. THỰC NGHIỆM
3.1 Điều chế xúc tác
3.1.1 Tinh chế montmorillonite
Đất sét thô được nghiền sơ hòa tan vào nước với nồng độ 4 %, sau đó thêm vào
(NaPO3)6 5 % với tỷ lệ 5 ml dung dịch (NaPO3)6 cho 20 g đất sét khô. Hỗn hợp được
khuấy liên tục trong 24 h, sau đó tiến hành sa lắng. Thời gian và khoảng cách thu lớp
huyền phù được tính theo định luật sa lắng Stock. Lớp huyền phù hút ra được sấy,
nghiền mịn qua rây 80 mesh [1]. Kí hiệu LDTC.
3.1.2 Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng
Cân 10 g montmorillonite tinh chế Lâm Đồng, khuấy với 200 ml dung dịch acid
H2SO4 có nồng độ 30% 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 [1].
3.1.3 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 CuSO4
1 M, khuấy từ trong 5 h ở nhiệt độ phòng. Chất rắn sau đó được lọc, rửa sạch dung
dịch CuSO4, 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 [1].

3.1.4 Phương pháp nung xúc tác montmorillonte đã trao đổi cation
Nung xúc tác Mn+_Mont ở các nhiệt độ khác nhau: 100 oC, 200 oC, 300 oC, 400 oC
và 500 oC. Xúc tác sau khi thu được, được kiểm tra khả năng tái sử dụng như mục 3.4,
xúc tác này được kí hiệu Mn+_Mont_nung.
3.2 Điều chế 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM)
Cho vào bình phản ứng 0,212 g 4-methylbenzaldehyde (2 mmol), 0,120 g urea (2
mmol), 0,260 g ethyl acetoacetate (2 mmol) và 100 mg Mn+_Mont_nung. Hỗn hợp
được trộn đều, thực hiện phản ứng tại 100 oC. Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp
được hòa trong ethanol nóng, lọc xúc tác, dung dịch qua lọc được cho bay hơi dung
môi dưới áp suất thấp, chất rắn kết tinh lại trong ethanol thu được sản phẩm DHPM
tinh khiết.

12


3.3 Quá trình tối ưu hóa
Điều kiện phản ứng ban đầu: 0,212 g 4-methylbenzaldehyde (2 mmol), 0,120 g
urea (2 mmol), 0,260 g ethyl acetoacetate (2 mmol) và 100 mg xúc tác khuấy từ điều
nhiệt trên bếp dầu trong điều kiện không dung môi trong 120 phút ở nhiệt độ 100 oC.
Các yếu tố được tiến hành tối ưu:
 Khảo sát xúc tác sử dụng
Giữ cố định điều kiện phản ứng ban đầu, thay đổi lần lượt các xúc tác Mn+
Mont_nung.
 Tối ưu hóa thời gian
Sử dụng xúc tác đã tối ưu, tiến hành thay đổi thời gian phản ứng từ 90-360 phút.
Các điều kiền phản ứng khác không đổi.
 Tối ưu hóa nhiệt độ
Tiến hành phản ứng với xúc tác và thời gian tối ưu. Thay đổi nhiệt độ phản ứng từ
80-120 oC, các điều kiện phản ứng khác không thay đổi.
 Tối ưu hóa tỉ lệ chất tham gia phản ứng

Giữ cố định xúc tác, nhiệt độ và thời gian đã tối ưu, tiến hành thay đổi tỉ lệ các
chất tham gia phản ứng. Khối lượng xúc tác 100 mg.
 Tối ưu hóa khối lượng xúc tác
Cố định các điều kiện đã tối ưu: xúc tác, nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ chất tham gia
phản ứng. Tiến hành thay đổi khối lượng xúc tác từ 50-250 mg.
3.4 Phương pháp tái sử dụng xúc tác
Xúc tác thu được sau quá trình lọc nóng được rửa lại bằng ethanol nóng, sấy khô
tại 110 oC. Chất rắn sau đó được nghiền mịn qua rây 80 mesh, xúc tác này được sử
dụng cùng điều kiện tối ưu ban đầu để nghiên cứu khả năng tái sử dụng.
3.5 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM
Áp dụng điều kiện đã tối ưu ở trên để xác định ảnh hưởng của nhóm thế bằng
cách:
Thay đổi 4-methylbenzaldehyde bằng benzaldehyde và các dẫn xuất khác của
benzaldehyde

như

4-methoxybenzaldehyde,

3-chlorobenzaldehyde,

chlorobenzaldehyde, 3-fluorobenzaldehyde, 4-fluorobenzaldehyde.

13

4-


3.6 Xác định cơ cấu các sản phẩm
Các dẫn xuất được định danh bằng phương pháp đo nhiệt độ nóng chảy, phổ cộng

hưởng từ hạt nhân (1H-NMR, 13C-NMR).
3.7 Xác định cơ cấu xúc tác
Xúc tác điều chế được xác định bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X.

14


4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Xác định thành phần khoáng sét của đất sét Lâm Đồng
Phổ đồ nhiễu xạ tia X của mẫu montmorillonite tinh chế cho thấy các mẫu chứa
chủ yếu khoáng sét: montmorillonite, illite, kaolinite và quartz (Hình 11). Phổ đồ
nhiễu xạ tia X của các mẫu montmorillonite được trình bày trong Phụ Lục 1.

Hình 11. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu MMT tinh chế
Vị trí mũi các khoáng sét trên phổ đồ của được trình bày trong Bảng 6.
Bả g 6. Vị trí các mũi khoáng sét
Stt
Khoáng sét
2Ɵ
1 Montmorillonite 6-7
2
Illite
9
3
Kaolinite
12,5
4
Quartz
27

15


4.2 Tổng hợp 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM)
4.2.1 Sơ đồ tổng hợp
R

CHO

O
+

R

H2N

1

O
NH2

O

+

2

OEt

Mn+_Mont_nung

EtOOC
H3C

3

NH
N
H

O

4

Hình 12. Sơ đồ tổng hợp chất DHPM dùng xúc tác Mn+_Mont_nung
Sử dụng R=CH3 đối với các quá trình 4.2-4.7
Riêng với quá trình 4.2.3, dùng R=H.
4.2.2 Khảo sát xúc tác sử dụng
Điều kiện áp dụng khi tiến hành khảo sát xúc tác sử dụng là 1:2:3=1:1:1 (mmol),
thời gian 120 phút, nhiệt độ 100 oC, lượng xúc tác là 100 mg với các chất xúc tác
montmorillonite hoạt hóa acid trao đổi ion của 9 cation kim loại khác nhau lần lượt là:
Na+, Ni2+, Mg2+, Cu2+, Zn2+, Co2+, Cr3+, Al3+, Fe3+. Sau đó nung ở nhiệt độ bất kì, kí
hiệu: Mn+_Mont_nung. Ở đề tài này chọn 300 oC, kí hiệu Mn+_M300. Kết quả được
trình bày trong Bảng 7.
Bả g 7. So sánh xúc tác trao đổi các cation khác nhau
Stt
1
2
3
4

5
6
7
8
9
10

Xúc tác (Mn+_M300)
Na+_M300
Ni2+_M300
Mg2+_M300
Cu2+_M300
Zn2+_M300
Co2+_M300
Cr3+_M300
Al3+_M300
Fe3+_M300

Hiệu suất (%)
20
29
33
32
35
36
40
36
36
31

- Không sử dụng xúc tác

Kết quả Bảng 7 cho thấy xúc tác trao đổi cation H+ bằng những cation kim loại tại
điều kiện đã chọn cho hiệu suất tổng hợp DHPM đều không cao nhưng vẫn tốt hơn khi
không sử dụng xúc tác (20 %). Xúc tác Co2+_M300 cho hiệu suất tổng hợp DHPM cao
nhất (40 %). Vì vậy chọn mẫu xúc tác Co2+_M300 để tiến hành tối ưu hóa phản ứng
tổng hợp DHPM.

16


4.2.3 Khảo sát nhiệt độ nung
Tỉ lệ chất tham gia phản ứng (R=H) là 1:2:3=1:1:1, thời gian 150 phút, nhiệt độ
100 oC, xúc tác 100 mg (ứng với 2 mmol tác chất). Xúc tác Co2+_M300 được thay đổi
nhiệt độ nung từ 100-500 oC. Kết quả thu được trong Bảng 8.
Bảng 8. Khảo sát nhiệt độ nung.
Stt
1
2
3
4
5

Nhiệt độ nung (oC)
100
200
300
400
500

Hiệu suất (%)
65
69
58
50
46

Hiệu suất phản ứng tăng từ 65 % lên 69 % khi tăng nhiệt độ nung từ 100 oC lên
200 oC. Khi tăng lên nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất giảm (Bảng 8, thí nghiệm 3,4,5).
Xúc tác này được kiểm tra khả năng tái sử dụng lần 1 để so sánh, chọn ra xúc tác
có khả năng xúc tác và tái sử dụng tốt nhất, kết quả được tóm tắt trong Bảng 9.
Bảng 9. So sánh khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung.
Stt
1
2
3

Nhiệt độ nung
(oC)
100
200
300

Hiệu suất ban đầu
(%)
65
69
58

Tái sử dụng lần 1

(%)
51
53
57

Kết quả thu được từ Bảng 9 thì khả năng tái sử dụng lần 1 của xúc tác nung tại
200 oC thấp (tương tự khi nung ở 100 oC). Khi nung xúc tác ở 300 oC, hiệu suất phản
ứng khá, khả năng tái sử dụng tốt. Vậy sử dụng xúc tác Co2+_M300 được nung ở nhiệt
độ 300 oC để tiến hành các bước tối ưu tiếp theo.
4.2.4 Tối ưu hóa thời gian
Cố định tỉ lệ 1:2:3=1:1:1 (mmol), lượng xúc tác Co2+_M300 là 100 mg, thay đổi
thời gian phản ứng từ 90-360 phút. Kết quả được trình bày trong Bảng 10.
Kết quả Bảng 10 cho thấy thời gian phản ứng cho hiệu suất cao nhất là 270 phút
(thí nghiệm 8), tăng thêm (thí nghiệm 9,10,11,12) hay giảm thời gian phản ứng (thí
nghiệm 1,2,3,4,5,6) đều làm hiệu suất giảm.

17