nghiên cứu mở rộng các phản ứng oxi hóa trên các alcohol thành ketone tương ứng

1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề
Ngày nay phản ứng oxi hóa không quá xa lạ với ngành tổng hợp hữu cơ, nhưng liệu

với những công trình nghiên cứu về phản ứng oxi hóa trong tổng hợp hữu cơ trước nay
đã đạt được điều kiện tối ưu chưa? Với mong muốn cải thiện các điều kiện của phản
ứng oxi hóa, tôi đưa ra hướng nghiên cứu mở rộng các phản ứng oxi hóa trên các
alcohol thành ketone tương ứng.
1.2.

Cơ sở khoa học của việc chọn đề tài
Các phản ứng oxi hóa hợp chất hữu cơ nói chung và alcohol nói riêng theo phương

pháp cổ điển thường vướn phải những vấn đề về kinh nghiệm thực hiện liên quan trực
tiếp đến hiệu suất phản ứng cũng như tính nguy hiểm của phương pháp, nhưng đối với
phương pháp thực hiện trong bài luận này tương đối đơn giản và dễ khống chế, ít gây
nguy hiểm đối với người thực hiện.
1.3.

Tính mới của đề tài
Cho đến nay chưa có những công trình nghiên cứu về các phản ứng oxi hóa tạo

ketone có nhánh methyl liền kề từ các alcohol tương ứng bằng phương pháp sử dụng
tác nhân oxi hóa 2-iodoxybenzoic acid, vì vậy công trình nghiên cứu này là hướng đi
mới cho phương pháp này.
1.4.

Mục tiêu đề tài
Khảo sát phản ứng tạo thành ketone có nhánh methyl liền kề từ các alcohol tương

ứng, các alcohol được sử dụng nghiên cứu là những alcohol mạch thẳng với tác nhân
oxi hóa 2-iodoxybenzoic acid trong một số dung môi khác nhau.


2

Trên cơ sở điều kiện tối ưu thực hiện tổng hợp một số ketone có nhánh methyl liền
kề từ alcohol tương ứng.
1.5.

Nội dung đề tài
Khảo sát, tổng hợp 4-methylnonan-5-one từ 4-methylnonan-5-ol bằng phương pháp

đun hồi lưu sử dụng tác nhân oxi hóa 2-iodoxybenzoic acid trong các dung môi
dimethyl formamide, dimethyl sulfoxide, acetronitrile, tetrahydrofuran, acetone,
dicloromethane.
Khảo sát phản ứng tạo 4-methylnonan-5-one từ 4-methylnonan-5-ol bằng phương
pháp vi sóng sử dụng tác nhân oxi hóa 2-iodoxybenzoic acid trong dung môi cho độ
chuyển hóa tối ưu.
Tổng hợp một số ketone có nhánh methyl liền kề từ alcohol tương ứng tại điều kiến
tối ưu.
1.6.

Ý nghĩa khoa học của đề tài
Nghiên cứu với hy vọng mở rộng con đường oxi hóa các alcohol thành ketone trên

các hợp chất mạch thẳng bằng phương pháp êm dịu hơn, ít gây nguy hiểm hơn.

3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1.

Giới thiệu về phản ứng oxi hóa
2.1.1. Phản ứng oxi hóa
− Phản ứng oxi hóa là phản ứng liên quan đến quá trình cho nhận electron, bao
gồm tất cả các phản ứng hóa học trong đó các nguyên tử có trạng thái oxi hóa
thay đổi. Các chất cho electron được gọi là chất bị oxi hóa và quá trình mất
electron là quá trình oxi hóa[1].
− Trong hóa học hữu cơ các phản ứng oxi hóa thường được chuyển hóa thành
dạng ion hydrua 1 proton và 2 electron do sự xuất hiện cùng với sự chuyển đổi
của 1 proton thêm vào một phân tử hydro. Khi đó, các nguyên tử carbon trong
một hợp chất hữu cơ mất đi một liên kết với hydro và tạo thành liên kết mới với
một nguyên tử khác loại khác hoặc một carbon khác thì hợp chất đó bị oxi
hóa.Đối với sự hiểu biết về phản ứng oxi hóa thì phản ứng oxi hóa của hợp chất
hữu cơ được xem là trung tâm của sự trao đổi chất trong sinh vật sống.
− Một số tác nhân oxi hóa đã được sử dụng trong thời gian qua:
+ NaClO là một chất oxi hóa cực mạnh, trước đây được sử dụng rất nhiều
trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp tẩy trắng, NaClO kết hợp với
xúc tác chuyển pha có thể oxi hóa alcohol thành hợp các hợp chất
carbonyl tương ứng như là aldehyde hay ketone. NaClO cũng có thể oxi
hóa sunfide hữu cơ thành các sulfuxide hay sulfone; chuyển hóa disulfide
hay thiol thành sulfonyl chloride hay bromide; hoặc chuyển hóa imine
thành oxaziridine. Tuy nhiên thông qua một thời gian sử dụng chất oxi
hóa này được phát hiện ra gây oxi nhiễm môi trường, nên ngày này việc
sử dụng NaClO giảm mạnh và được thay bằng một số chất oxi hóa khác

thân thiện với môi trường, điều quan trọng là NaClO có tính ăn mòn do
tác dụng oxi hóa mạnh, đồng thời các sản phẩm sinh ra từ quá trình oxi


4

hóa của nó sinh ra một số acid hoặc amoniac, tạo ra khói độc gây mất an
toàn đối với người sử dụng.
+ H2SO4 là một acid vô cơ mạnh, đồng thời là chất oxi hóa mạnh được sử
dụng cả trong công nghiệp sản xuất và trong phòng thí nghiệm. Do là
acid mạnh nên trong một số trường hợp H 2SO4 làm đứt mạch carbon của
hợp chất hữu cơ trong phản ứng hóa học, cũng có thể dẫn đến phân hủy
hoàn toàn hợp chất hữu cơ. Mặc dù loại acid này trong tổng hợp hữu cơ
được sử dụng ở dạng pha loãng nhưng vẫn cần chú ý đến đặc tính phân
hủy của nó, do khi H2SO4 làm đứt mạch hoặc phá hủy hợp chất hữu cơ
sẽ dẫn đến sản phẩm thu được có chứa nhiều sản phẩm phụ không mong
muốn đồng thời làm giảm hiệu suất tổng hợp hữu cơ.
+ KMnO4là một thuốc thử vô cơ được sử dụng làm sạch vết thương đồng
thời là một tác nhân oxi hóa mạnh và được sử dụng phổ biến trong cả vô
cơ và tổng hợp hữu cơ. KMnO4 được xem là tác nhân oxi hóa phổ biến
nhất, dễ sử dụng trong hóa học hữu cơ. Vì là một tác nhân oxi hóa mạnh
nên các phản ứng oxi hóa với KMnO 4 thường là phản ứng oxi hóa hoàn
toàn, sản phẩm cuối của quá trình oxi hóa thường là acid carboxylic, do
đó alcohol sẽ bị oxi hóa thành hợp chất carbonyl như aldehyde và ketone
và aldehyde sẽ bị oxi hóa thành acid carboxylic. Khi sử dụng KMnO 4
làm tác nhân oxi hóa thì các sản phẩm phụ tạo ra không gây độc hại. Tuy
nhiên KMnO4 được xác định là hóa chất gây hại với môi trường.
+ K2Cr2O7 là thuốc thử vô cơ được sử dụng phổ biến, đây là một tác nhân
oxi hóa được sử dụng đồng thời với acid mạnh rất phổ biến trong công
nghiệp và phòng thí nghiệm. Trong hữu cơ K 2Cr2O7 là tác nhân oxi hóa

nhẹ hơn so với KMnO4, nó chuyển các alcohol bậc 1 thành các aldehyde,
trong điều kiện cưỡng bức chuyển thành acid carboxylic, alcohol bậc 2
chuyển thành các ketone. Sự phát triển của K 2Cr2O7 quan trọng đối với
tổng hợp hữu cơ và phản ứng oxi hóa được thực hiện bởi K 2Cr2O7 được


5

xem là quan trọng nhất. K2Cr2O7 được sử dụng rộng rãi cho quá trình oxi
hóa các chất hữu cơ trong các điều kiện thích hợp khác nhau, tuy nhiên
phương pháp này có một số nhược điểm như nhiệt độ phản ứng cao, thời
gian phản ứng khá dài, hiệu suất phản ứng thấp, việc sử dụng K 2Cr2O7
trong phản ứng oxi hóa của tổng hợp hữu cơ cũng vướn phải một số khó
khăn do hạn chế về độ tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ.
+ H2O2 là peroxide đơn giản nhất được sử dụng như một tác nhân oxi hóa
mạnh dùng để tẩy trắng và khử trùng. Khi sử dụng với mục đích oxi hóa
H2O2 được xem là chất thay thế cho các chất có gốc clo do tính chất thân
thiện với môi trường bởi sản phẩm phụ tạo ra sau phản ứng thường là
nước. Ngoài ra H2O2 còn là một tác nhân khử.
+ IBX là một tác nhân oxi hóa được ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ được
chú ý trong thời gian gần đây, IBX đặc biệt phù hợp để thực hiện phản
ứng oxi hóa chuyển alcohol thành ketone, IBX được xem là một tác nhân
oxi hóa khá êm dịu, tạo phản ứng có chọn lọc và thân thiện với môi
trường do IBX không chứa các kim loại nặng gây hại cho môi trường.
Tuy nhiên độ hòa tan của IBX bị hạn chế, nó không thể hòa tan trong
nhiều dung môi hữu cơ thông dụng.IBX có thể phục hồi từ các phản ứng
có hiệu suất cao (79-81%) và có tinh khiết tốt (95%) bằng cách làm lạnh,
lọc và rửa tinh thể với nước và acetone. IBX là chất nổ dưới tác động
nhiệt trên 200 °C.
2.1.2. Một số công trình nghiên cứu trước đây về phản ứng oxi hóaalcohol

− Năm 2004, Ahmad Shaabani và cộng sự đã thực hiện phản ứng oxi hóasử dụng
kali permanganate,và nêu lên một số quan điểm như sau: [2]
+ Quá trình oxi hóa không dung môi được thực hiện với thuốc thử KMnO 4
và chất trợ như Al2O3 hay SiO2. MnO2 sinh ra từ phản ứng oxi hóa được
tái sinh theo quy trình bao gồm 2 bước quá trình oxi hóa không khí thành


6

kali manganate (VI) trong dung dịch kali hydroxide đậm đặc, tiếp theo là
quá trình điện hóa tạo KMnO4.
+ Sự kết hợp của KMnO4 và MnO2 có thể tạo ra một thuốc thử có thể sử
dụng cho quá trình oxi hóa các chất hữu cơ.
+ Các alcohol bậc 1 chuyển hóa thành aldehydes và cacalcohol bậc 2
chuyển thành các ketones.
+ Khi không có permanganate MnO2 có khả năng oxi hóa alcohol bậc 1 và
alcohol bậc 2 thành aldehyde và ketone tương ứng. Tuy nhiên nhược
điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng là vài ngày thay vì 1
giờ hay ít hơn khi có mặt permanganate.
− Năm 2005, Xinquan Hu và cộng sự nói về sự phát triển của quá trình oxi hóa
hiếu khí alcohol mạch vòng không cần kim loại chuyển tiếp trong nước mà vẫn
đạt hiệu quả cao bằng việc sử dụng xúc tác 1 mol% TEMPO và 1,3-dibromo5,5-dimethylhydantions và NaNO2. Trong các điều kiện tối ưu alcohol có thể
chuyển hóa thành aldehyde hoặc ketone tương ứng với hiệu suất cao[3].

Sơ đồ 2. 1Chuyển hóa của alcohol với xúc tác1,3-dibromo-5,5-dimethylhydantions và
NaNO2
+ Ưu điểm của phương pháp này là việc sử dụng dung môi nước do nước là
dung môi rẻ, an toàn, tiện lợi đồng thời thân thiện với môi trường.
+ Nhược điểm quy trình oxi này khá phức tạp và đòi hỏi kinh nghiệm kỹ
thuật của người thực hiện.

− Năm 2014, Yoshikazu Kimura cùng các cộng sự trình bày nghiên cứu về tinh thể
sodium hypochloride pentahydrate (NaOCl.5H2O) tham gia phản ứng oxi hóa
alcohol bậc 1 và alcohol bậc 2. Tinh thể NaOCl.5H2O có chứa ít lượng NaOH và
NaCl tự do do đó cải thiện được tính oxi hóa. Tham gia phản ứng oxi hóa bởi


7

tác nhân NaOCl.5H2O còn có sự hiện diện của TEMPO/Bu 4NHSO4 để chuyển
hóa alcohol bậc 1 và bậc 2 lần lượt thành aldehyde và ketone. Đối với phương
pháp này không cần điều chỉnh pH và thích hợp với các alcohol bậc 2 bị cản trở
không gian. Đối với phương pháp này khi thực hiện tối ưu hóa thì hiệu suất tổng
hợp rất cao, có thể lên đến 99%, tuy nhiên đối với alcohol bậc 2 bị che chắn
không gian vẫn không thể giải thích tại sao nó có thể bị oxi hóa bởi
NaOCl.5H2O[4].

Sơ đồ 2. 2 Chuyến hóa alcohol bằng NaClO và TEMPO/Bu4NHSO4
− Năm 2015, Jong Chan Lee cùng các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về phản
ứng oxi hóa alcohol của H2O2 có mặt xúc tác BiBr3, phản ứng oxi hóa cho các
hợp chất carbonyl tương ứng. BiBr 3 là hóa chất ít độc hai, đồng thời H 2O2 được
xem là thân thiện với môi trường. Phương pháp này có thể oxi hóa cả với
alcohol bậc 1 và bậc 2, quá trình oxi hóa khá dễ dàng và thời gian phản ứng
ngắn, nhưng cho hiệu suất tổng hợp cao.[5]

Sơ đồ 2. 3 Chuyến hóa alcohol bằngH2O2/ BiBr3
2.1.3. Một số công trình nghiên cứu trước đây về phản ứng oxi hóa thực hiện bởi
tác nhân IBX
− J. Org. Chem. 1995, Marco Santagostino, và cộng sự đã có bài nghiên cứu về
phản ứng oxi hóa của IBX trong DMSO, cái nhìn mới của của thuốc thử

8

hypervalent iot. Bài viết nêu lên vấn đề oxi hóa được thực hiện bởi tác nhân
IBX, theo đó các phân tử IBX rất linh hoạt, có thể chịu được độ ẩm và nước,
đồng thời cho hiệu suất chuyển hóa cao và có chọn lọc. IBX cho phép chuyển
hóa alcohol bậc 1 thành aldehyde và không xảy ra phản ứng oxi hóa hoàn toàn
thành acid hữu cơ; chuyển hóa alcohol bậc 2 thành ketone; chuyển hóa amino
alcohol thành amino carbonyl mà không cần thực hiện phản ứng bảo vệ nhóm
amino; hợp chất dị vòng nhạy cũng không bị ảnh hưởng; nhiều nhóm chức có
khả năng tương thích với quá trình oxi hóa bằng IBX. Một vấn đề quan trọng
cần chú ý đối với việc sử dụng IBX là IBX được báo cáo kích nổ khi có tác
động mạnh và nhiệt trên 200°C[6].

Sơ đồ 2. 4 Chuyển hóa alcohol bằng IBX/DMSO
− Năm 2002, K. Rama Rao cùng các cộng sự có phân nghiên cứu về phản ứng oxi
hóa với điều kiện êm diụ của IBX trong hỗn hợp nước : acetone với sự có mặt
của β-CD. Hỗn hợp nước : acetone được tạo thành trên tỉ lệ 86 : 14. Một loạt
các phản ứng oxi hóa alcohol ở nhiệt độ phòng đã được thực hiện, tất cả các
alcohol được kiểm tra đều đạt được hiệu suất ấn tượng dao động từ 85% đến
98%. Không có sự chuyển hóa thành acid trong trường hợp sản phẩm tạo thành
là aldehyde. Các alcohol mạch vòng được đánh giá là có hiệu suất chuyển hóa
tương đối tốt hơn so với alcohol mạch thẳng[7].


9

Sơ đồ 2. 5 Chuyến hóa alcohol bằng IBX/β -CD/ hỗn hợp nước : acetone
− Năm 2003, nhóm nghiên cứu của K. Rama Rao có bài viết về phản ứng oxi hóa
các oxime sử dụng tác nhân IBX trong nước và sự có mặt của β-CD: các oxime

của các aldehyde và ketone khác nhau có thể bị chuyển hóa thành các hợp chất
carbonyl tương ứng ở nhiệt độ phòng với hiệu suất cao bằng việc sử dụng IBX
trong nước và sự có mặt của β-CD. Bài viết nêu ra quan điểm về việc sử dụng
nước thay thế cho dung môi hữu cơ là bước cải thiện môi trường trong tổng hợp
hữu cơ, đồng thời β-CD được nhắc đến là một oligosacarit tuần hoàn chỉ gây
ảnh hưởng đến môi trường trong phạm vi nhỏ, tác nhân oxi hóa IBX được sử
dụng là một thuốc thử chuyển đổi iot có độc tính thấp, có tính chọn lọc cao.
Hiệu suất oxi hóa của phương pháp này rất cao lên tới 96%. Trong phương pháp
này IBX có thể được tái chế bằng quá trình oxi hóa đồng thời β-CD cũng được
phục hồi và tái sử dụng[8].

Sơ đồ 2. 6 Oxi hóa oxime bằng IBX
− Năm 2003, B.V.S.Reddy cùng cộng sự đã có bài nghiên cứu về phản ứng oxi
hóa sử dụng thuốc thử iothypervalent với lỏng ion thế hệ 2. Alcohol trãi qua quá


10

trình oxi hóa thuận lợi với IBX, hoặc với dess-martin-periodinane (DMP) trong
lỏng ion (bmim)BF4 và (bmim)BF6 ở điều kiện phòng cho hiệu suất cao. IBX
và DMP thúc đẩy quá trình oxi hóa xảy ra nhanh hơn trong chất lỏng ion so với
các dung môi hữu cơ thông thường như DMF, DMSO, diethyl ete hay nước,
ngoài ra việc thu hồi sản phẩm phụ cũng như IBA (iodosobenzoic) sau phản ứng
cũng trở nên dễ dàng hơn trong lỏng ion. Bên cạnh đó chất lỏng ion có thể thu
hồi và tái sử dụng được nhiều lần trong các phản ứng tiếp theo. Khi điều kiện
của phản ứng tổng hợp hữu cơ được quan tâm thì thuốc thử iot như IBX được
chú trọng sử dụng do hiệu suất oxi hóa cao, điều kiện phản ứng êm dịu, ổn định.
IBX cho phép oxi hóa alcohol bậc 1 thành aldehyde, oxi hóa alcohol bậc 2 thành
ketone và cho phép oxi hóa chọn lọc các diol thành diketone mà không cắt đứt
liên kết glycol C-C. IBX được sử dụng hiệu quả trong phản ứng oxi hóa có mặt

DMSO thực hiện oxi hóa alcohol thành hợp chất carbonyl. Báo cáo cho thấy
phản ứng oxi hóa bởi IBX cũng được thực hiện trong các dung môi hữu cơ
thông dụng như acetone, ethyl acetate, acetonitrile. Tuy nhiên phản ứng đòi hỏi
thời gian phản ứng khá dài và nhiệt độ phản ứng khá cao. Đối với quá trình oxi
hóa alcohol bằng IBX trong lỏng ion được nghiên cứu trong bài báo cho thấy
rằng phản ứng được thực hiện trong vòng từ 2 giờ đến 6,5 giờ nhiệt độ phòng
cho hiệu suất chuyển hóa rất cao có thể lên đến 97%, phản ứng chứng tỏ alcohol
bậc 1 và bậc 2 oxi hóa với IBX tạo ra aldehyde và ketone với hiệu suất cao.
Ngoài ra, quá trình oxi hóa của alcohol đối xứng bậc 1, alcohol không bão hòa
bằng IBX cũng tạo thành các hợp chất carbonyl với hiệu suất khá cao. Alcohol
bậc 3 không xảy ra phản ứng oxi hóa trong điều kiện này[9].


11

Sơ đồ 2. 7 Chuyển hóa alcohol bằng IBX/ lỏng ion
2.2.

Điểm mới của nghiên cứu
− Tính đến thời điểm hiện tại phản ứng oxi hóa bằng tác nhân IBX chưa được
thực hiện nghiên cứu trên các alcohol mạch thẳng có nhánh methyl liền kề.
− Bằng phương pháp vi sóng đây được xem là một bước cải thiện đáng kể trong
việc rút ngắn thời gian phản ứng.
− Sử dụng tác nhân oxi hóa IBX được coi là giải pháp an toàn đối với phản ứng
oxi hóa vì mục tiêu giảm nguy hiểm do điều kiện phản ứng êm dịu.
− Nghiên cứu tổng hợp ra một số ketone mới với hy vọng mở rộng quy mô của
tổng hợp hữu cơ.


12

2.3.

Cơ chế phản ứng[10][11][12][13]

Sơ đồ 2. 8 Cơ chế phản ứng oxi hóa alcohol có nhánh methyl liền kề bằng IBX
Phản ứng oxi hóa alcohol bậc 2 có nhánh methyl liền kề thực hiện bởi tác nhân IBX
xảy ra theo cơ chế Hypervalent Twist liên quan đến phản ứng trao đổi phối tử thay thế
của nhóm hydroxyl bằng nhóm chức alcohol, sau đó là phản ứng twist và khử. Twist
xảy ra là điều kiện tất yếu bởi liên kết đôi của iot với oxi được định hướng bên ngoài
so với mặt phẳng của nhóm alkoxy (R-O, R: alkyl-), cùng đó việc loại bỏ phối hợp k
diễn ra.Phản ứng twist cho phép sắp xếp lại mà trong đó các nguyên tử oxi sẽ chuyển
vào một mặt phẳng phù hợp với trạng thái chuyển tiếp và đây là bước xác định tốc độ
của phản ứng oxi hóa. Cơ chế twist cho phép giải thích lí do quá trình oxi hóa các
alcohol lớn hơn nhanh hơn so với alcohol nhỏ.


13

2.4.

Giới thiệu về phương pháp vi sóng[14]
− Năm 1940, thiết bị vi sóng gọi là Magnettron được phát minh bởi nhà nghiên
cứu John Randall và H.A Boot tại Anh. Năm 1947, kỹ sư Mỹ Percy Spencer chế
tạo ra lò vi sóng đầu tiên trên thế giới. Bước sóng của lò vi sóng thông thường
ngắn hơn bước sóng radio nhưng dài hơn so với bước sóng tia hồng ngoại.
− Ngoài công dụng cơ bản là làm chín thức ăn, những nhà khoa học đã mang ứng
dụng của lò vi sóng vào khoa học, tận dụng ưu thế gia nhiệt nhanh, dễ dàng góp
phần tăng tốc độ phản ứng hóa học. Ở điều kiện quá nhiệt và áp suất cao trong
lò vi sóng phản ứng hóa học sẽ xảy ra nhanh hơn, đồng thời các phản ứng sinh

sản phẩm phụ cũng ít xảy ra hơn, hiệu suất cũng cao hơn, lượng dung môi cũng
có thể sử dụng ít hơn. Khác nhau cơ bản của việc sử dụng gia nhiệt thông
thường và sử dụng vi sóng là gia nhiệt thông thường là hình thức gia nhiệt gián
tiếp, riêng vi sóng tạo ra trường điện tử tương tác với những phân tử phân cực
hoặc các ion được cung cấp bởi tác chất ban đầu, khi đó chúng sẽ tìm cách sắp
xếp lại những lưỡng cực cho phù hợp với trường điện từ đang dao động, làm
quay, di chuyển, và làm cho chúng cọ xát vào nhau, làm nóng trực tiếp đối với
phản ứng.
− Lò vi sóng cũng mắc phải một số nhược điểm đáng chú ý và cần được chú ý:
khó khăn trong việc theo dõi và kiểm soát nhiệt độ, áp suất điều đó ảnh hưởng
khá lớn đến phản ứng, đôi khi xảy ra cháy nổ và đôi khi kết quả của phản ứng.
Tại những vị trí đặt khác nhau trong lò vi sóng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến
hiệu suất phản ứng. Đối với những phản ứng dễ phân hủy vi sóng có thể gây
phân hủy tác chất cũng như sản phẩm.


14

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM
3.1.

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thực hiện thí nghiệm
3.1.1 Hóa chất
 Hóa chất chính:
+ Alcohol:
+ 4-methylnonan-5-ol,

4-methylundecan-5-ol,

4-methyldodecan-5-ol,

4-

methyltridecan-5-ol.
+ 3-methyldecan-4-ol, 3-methylundecan-4-ol, 3-methyldodecan-4-ol.
+ Tác nhân oxi hóa: 2-iodoxybenzoic acid (hóa chất Acros).
 Dung môi: Acetone, CH2Cl2 CH3CN, DMF, DMSO, THF.
+ Acetone (CH3COCH3), dung môi làm thí nghiệm (hóa chất Merk) có độ
tinh khiết 99,8%.
+ Dicloromethane (CH2Cl2) hóa chất Chemsol độ tinh khiết 99,7%.
+ Aetonitrile (CH3CN) hóa chất RCI Labscan độ tinh khiết 99,9%.
+ Dimethyl formamide (DMF) hóa chấtRCI Labscan độ tinh khiết 98%.
+ Dimethyl sulfoxide (DMSO) hóa chất RCI Labscan độ tinh khiết 98%.
+ Tetrahydrofuran (THF) hóa chất Scharlau độ tinh khiết 99,9%
 Một số hóa chất khác
− Diethyl ether (C4H10O) hóa chất Chemsol độ tinh khiết >95%.
− Hexan (CH3(CH2)4CH3) hóa chất Trung Quốc độ tinh khiết >95%.
− Kali hydroxide (KOH) hóa chất Trung Quốc độ tinh khiết >85%.
− Natri sunfat (Na2SO4) hóa chất Trung Quốc độ tinh khiết 99%.
− Acid clohydric (HCl) hóa chất Trung Quốc nồng độ >40%.
− Silicagel dạng 60 F254 kích thước hạt 0,04 - 0,06 milimet, hóa chất Merk,
được sấy khô trong khoảng 2 giờ
− Bản mỏng silicagel dạng 60 F254, hóa chất Merk.
− Nước cất 2 lần.
3.1.2
+
+
+
+

Dụng cụ
Bình cầu làm phản ứng
Cốc thủy tinh
Ống đong
Bình tam giác


15

+
+
+
+
+
+
+
+
3.1.3

−
−
−
−
−

Ống sinh hàn
Ống bơm kim tiêm
Bình cô quay
Phễu chiết, phễu thủy tinh.
Ống nghiệm.

Bộ chưng cất phân đoạn áp suất thấp
Cột sắc ký silicagel.
Ống hút, cá từ, lọ đựng mẫu…
Thiết bị
Thiết bị được sử dụng để tổng hợp ketone:
Bồn siêu âm (Ultrasonic steri-cleaner).
Máy khuấy từgia nhiệt ARE hãng VELR® Scientifical.
Cân phân tích Sartorios.
Máy cô quay sử dụng bơm hút chân không Heidolph Laborota 401.
Lò vi sóng (microwave oven) Sharp - Model R-218L(S), công suất 800W tần

số 2450 MHz, được sử dụng ở mức Med (400W).
− Tủ sấy.
 Thiết bị sử dụng phân tích kết quả:
− Hệ thống sắc ký khí (GC-MS) thực hiện đo đạc tại Viện Khoa học Vật liệu ứng
dụng quận 12 thành phố Hồ Chí Minh máy Hewlett-Packard 6890 Series II.
Thiết bị hỗ trợ cho phép xác định thành phần phần trăm các chất có trong hỗn
hợp hữu cơ và xác định khối lượng phân tử hợp chất hữu cơ.
− Thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân phân giải cao, phân tích phổ 1H-NMR,13CNMR. Thiết bị cộng hưởng từ cho phép xác định khung cấu trúc C-H, cấu trúc
hợp chất hữu cơ bằng sự tương tác bức xạ điện từ tần số radio với hạt nhân
được đặt trong từ trường mạnh. Nơi đo đạc: phòng 131 Viện Hóa học Hà Nội.
Đối với các hợp chất được nghiên cứu trong khóa luận tốt nghiệp này dung
môi phân tích cộng hưởng từ là CDCl3 (deuterated chcloroform)


16

3.2.

Thực nghiệm

3.2.1 Tinh chế dung môi[15]
− Dung môi acetone được ngâm trong CaSO4 trong 24 giờ để loại nước sau đó
đem chưng cất phân đoạn, thu acetone ở 56°C, giới hạn nhiệt độ chênh lệch
±1°C.
− Dung môi CH2Cl2được ngâm trong CaSO4 trong 24 giờ để loại nước đem chứng
cất phân đoạn thu ở 39°C,giới hạn nhiệt độ chênh lệch ±1°C.
− Dung môi CH3CN được ngâm trong K2CO3 trong 24 giờ để làm khan nước sau
đó đem chưng cất phân đoạn thuCH 3CN ở 82°C, giới hạn nhiệt độ chênh lệch
±1°C.
− Dung môi DMF ngâm trong KOH 24 giờ, sau đó đem chưng cấp phân đoạn, thu
DMF ở 153°C, giới hạn nhiệt độ chênh lệch ±1°C. Sản phẩm DMF thu được
ngaâm trong CaCl2.
− Dung môi DMSO được ngâm trong CaSO4 trong 24 giờ để làm khan nước sau
đó đem chưng cất phân đoạn thu DMSO ở 189°C,giới hạn nhiệt độ chênh lệch
±1°C.
− Dung môi THF được đun hồi lưu với HCl đặc trong điều kiện thổi khí nito, để
nguội rồi chiết lại với KOH để loại acid dư. Đun hồi lưu tiếp với KOH và CuCl,
sau đó thu THF. THF được chưng cất phân đoạn và thu ở 67°C,giới hạn nhiệt độ
chênh lệch ±1°C. Trường hợp bảo quản THF được ngâm trong KOH và sục khí
nito, trước khi sử dụng phải được đun lại với natri kim loại trong điều kiện thổi
nito.


17

Hình 3. 1 Chưng cất phân đoạn dung môi
3.2.2 Sơ đồ quy trình


18

`
IBX

2/3 thể tích dung môi

IBX

2/3 thể tích dung môi

Đánh siêu âm 30 phút, nhiệt độ thường
Hỗn hợp phản ứng

Nhỏ từ từ
Alcohol+1/3 thể tích dung môi

Khuấy gia nhiệt hoặc vi sóng

Hỗn hợp tác chất và sản phẩm

Chiết với diethyl ether - làm khan bằng Na2SO4, cô, lọc nhanh

Sản phẩm hữu cơ

Sơ đồ 3. 1 Quy trình khảo sát phản ứng oxi hóa bằng IBX


19

3.2.3 Quy trình khảo sát

Sơ đồ 3. 2 Phương trình phản ứng oxi hóa 4-methylnonan-5-ol bằng IBX
− Alcohol ban đầu được chọn để thực hiện khảo sát là 4-methylnonan-5-ol.
− Khảo sát phản ứng tạo 4-methylnonan-5-one từ 4-methylnonan-5-ol ở điều kiện
đun hồi lưu trong các dung môi acetone,CH2Cl2, CH3CN, DMF, DMSO, THF.

Hình 3. 2 Phản ứng khảo sát dung môi điều kiện đun hồi lưu
− Quy trình thực hiện:
+ Cân 0,2127 g IBX cho vào bình phản ứng, hút 0,6 mL dung môi acetone cho
vào bình phản ứng trên, đậy kín tránh trường hợp dung môi bay hơi.
+ Thực hiện đánh siêu âm bình phản ứng trong vòng 30 phút ở điều kiện bình
thường.


20

+ Lắp phản ứng đun hồi lưu trên bếp khuấy từ, vừa thực hiện khuấy vừa đun
hồi lưu.
+ Lấy 0,1 g 4-methylnonan-5-ol pha trong 0,4 mL acetone cho từ từ vào trong
bình phản ứng.
+ Thời gian phản ứng là 3 giờ.
+ Tiến hành kiểm tra TLC, hệ dung môi diethyl ete : hexan là 1:4, hiện màu
bằng dung dịch KMnO4.
+ Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp phản ứng được chiết 3 lần với diethyl
ether, hỗn hợp thu được làm khan bằng Na 2SO4 trong vòng 45 phút. Cô thu
sản phẩm. Sản phẩm được đưa lên cột nhỏ silicagel lọc nhanh thu sản phẩm
cuối.
− Thực hiện các phản ứng khảo sát đối với các dung môi khác như CH 2Cl2,
CH3CN, DMF, DMSO, THF, thao tác khảo sát như trên và theo bảng số liệu
dưới đây.

Bảng 3. 1Số liệu cho khảo sát dung môi của phản ứng oxi hóa 4-methylnonan-5-ol
bằng IBX
Dung môi

Thể tích dung môi
(ml)

4-methylnonan-5-ol
(g)

IBX
(g)

Acetone

1,0

0,1

0,2127

CH2Cl2

0,9

0,1

0,2127

CH3CN

0,7

0,1

0,2127

DMF

1,0

0,1

0,2127

DMSO

0,9

0,1

0,2127

THF

1,0

0,1

0,2127

− Sản phẩm thu được đem đo GC để xác định điều kiện dung môi mà tại đó hiệu
suất phản ứng đạt cao nhất.


21

− Sau khảo sát ở điều kiện đun hồi lưu quá trình đo đạc cho thấy trong dung môi
CH3CN hiệu suất phản ứng là cao nhất. Dung môi CH 3CN được chọn làm dung
môi phản ứng.
− Thực hiện khảo sát thời gian đối với phản ứng tạo 4-methylnonan-5-on bằng 4methylnonan-5-ol bằng tác nhân IBX trong dung môi CH 3CN ở điều kiện vi
sóng, mức phản ứng MED (400W).
− Quy trình thực hiện:
+ Cân 0,4252 g IBX cho vào bình phản ứng, hút 0,9 mL dung môi cho vào
bình phản ứng trên, đậy kín tránh trường hợp dung môi bay hơi.
+ Thực hiện đánh siêu âm bình phản ứng trong vòng 30 phút ở điều kiện bình
thường.
+ Lấy 0,2 g 4-methylnonan-5-ol pha trong 0,5 mL dung môi cho từ từ vào
trong bình phản ứng.
+ Đậy kín bình phản ứng.
+ Thực hiện phản ứng trong lò vi sóng, mỗi vòng phản ứng 3 phút. Trong từng
khoảng thời gian lấy một ít hỗn hợp để lưu giữ mẫu. Trích lấy hỗn hợp tại 15
phút, 30 phút, 45 phút và 60 phút. Kiểm tra TLC.
+ Hỗn hợp được trích theo thời gian được chiếtbằng diethyl ether và lọc qua
giấy lọc để thu hết chất hữu cơ rồi làm khan bằng Na 2SO4 trong vòng 45
phút. Cô thu sản phẩm. Sản phẩm được lọc nhanh qua cột nhỏ silicagel thu
sản phẩm cuối.
− Qua TLC cho thấy tại thời gian 30 phút phản ứng xảy ra với hiệu suất tối ưu.
3.2.4 Quy trình tổng hợp

Sơ đồ 3. 3 Khái quát phản ứng oxi hóa alcohol có nhánh methyl liền kề bằng IBX


22

− Sau giai đoạn khảo sát chọn được điều kiện phản ứng tối ưu để thực hiện phản
ứng tổng hợp như sau phản ứng thực hiện trong lò vi sóng với dung môi CH 3CN
trong vòng 30 phút.
− Tiến hành tổng hợp một số ketone sau tại điều kiện tối ưu:
+ 4-methylnonan-5-one, 4-methylundecan-5-one, 4-methyldodecan-5-one, 4methyltridecan-5-one.
+ 3-methyldecan-4-one, 3-methylundecan-4-one, 3-methyldodecan-4-one.

Hình 3. 3 Phản ứng điều kiện vi sóng
− Quy trình tổng hợp 4-methylnonan-5-one từ 4-methylnonan-5-ol bằng tác nhân
IBX tại điều kiện tối ưu:
+ Cân 0,6381 g IBX cho vào bình phản ứng, hút lấy 1,3 mL CH 3CN cho vào
bình trên, đậy nắp quấn kỹ đánh siêu âm 30 phút nhiệt độ thường.
+ Lấy 0,3 g 4-methylnonan-5-ol pha trong 0,7 mL CH 3CN cho từ từ vào trong
bình phản ứng.
+ Đậy kín bình phản ứng.
+ Thực hiện phản ứng trong lò vi sóng ở MED (400W) 10 lần mỗi lần 3 phút.


23

+ Sau khi phản ứng kết thúc để nguội và chiết hỗn hợp phản ứng 3 lần bằng
diethyl ether và lọc qua giấy lọc để thu lấy hữu cơ, sau đó làm khan bằng
Na2SO4 trong 45 phút, cô đuổi dung môi. Sản phẩm sau cô được lọc nhanh
qua cột silicagel thu sản phẩm và đem gửi GC
+ Kiểm tra TLC, 4-methylnonan-5-one vết trên trong TLC silicagel.

+ Hỗn hợp sản phẩm được đem lọc qua cột sắc ký silicagel thu lấy ketone,
dung môi chạy cột hexan.
+ Lấy ống nghiệm chứa 4-methylnonan-5-one và cô đuổi dung môi được 4methylnonan-5-one sạch.
− Quy trình tổng hợp 4-methylundecan-5-one, 4-methyldodecan-5-one, 4methyltridecan-5-one,3-methyldecan-4-one,

3-methylundecan-4-one,

3-

methyldodecan-4-one tương tự đối với 4-methylnonan-5-one từ các chất ban
đầu 4-methylundecan-5-ol, 4-methyldodecan-5-ol, 4-methyltridecan-5-ol,3methyldecan-4-ol, 3-methylundecan-4-ol, 3-methyldodecan-4-ol thao tác thực
hiện tương tự đối với tổng hợp 4-methylnonan-5-one với số liệu được thống kê
trong bảng sau:


24

Bảng 3. 2 Số liệu tổng hợp ketone có nhánh methyl liền kề bằng IBX
R1

R2

Alcohol
(g)

C3H7

C4H9

0,3

C3H7

C6H13

0,3

C3H7

C7H15

0,3

C3H7

C8H17

0,3

C2H5

C6H13

0,3

C2H5

C7H15

0,3

C2H5

C8H17

0,3

IBX
(g)
0,638
1
0,531
9
0,504
0
0,471
0
0,586
0
0,531
9
0,504
0

CH3CN
(mL)

Ketone

1,9

4-methylnonan-5-one

1,7

4-methylundecan-5-one

1,6

4-methyldodecan-5-one

1,5

4-methyltridecan-5-one

1,8

3-methyldecan-4-one

1,7

3-methylundecan-4-one

1,6

3-methyltridecan-4-one

− Sau phản ứng thu được một số ketone có nhánh methyl liền kề 4-methylnonan5-one, 4-methylundecan-5-one, 4-methyldodecan-5-one, 4-methyltridecan-5one, 3-methyldecan-4-one, 3-methylundecan-4-one, 3-methyldodecan-4-one.

25

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. Khảo sát điều kiện oxi hóa bởi IBX đối với 4-methylnonan-5-one
Trong giai đoạn khảo sát tìm dung môi thích hợp cho phản ứng oxi hóa thực
hiện bởi IBX với alcohol có nhánh methyl liền kề như 4-methylnonan-5-one có thể
chứng minh rằng dung môi ảnh hưởng rất đến hiệu suất phản ứng. Việc chọn lựa
được một dung môi thích hợp là một điều kiện cơ bản để có phản ứng tổng hợp hữu
cơ hoàn chỉnh.
Trong phản ứng thực hiện siêu âm IBX trong dung môi với mục đích xác định
độ tan của IBX trong dung môi, đồng thời đây cũng được xem là một bước kích
hoạt tác nhân IBX ban đầu. Việc đun hồi lưu giúp cung cấp nhiệt cho phản ứng tuy
nhiên quá trình đun cần lưu ý đến độ bay hơi của dung môi đồng thời alcohol sử
dụng oxi hóa có tốc độ bay hơi nhanh nên việc làm lạnh sinh hàn là cần thiết cho cả
giảm thất thoát alcohol và sản phẩm đồng thời làm hạn chế tốc độ bay hơi của dung
môi. Hỗn hợp hữu cơ sau phản ứng phải được chiết toàn bộ với diethyl ether và làm
khan bằng muối trung tính Na 2SO4 để loại nước sau phản ứng, tuy nhiên quá trình
chiết bằng diethyl ether không thể giữ lại hoàn toàn lượng IBX dư do kích thước
hạt của IBX quá bé nên hỗn hợp sản phẩm phải được lọc nhanh qua cột silicagel để
loại bỏ hoàn toàn lượng rắn còn lại trong hỗn hợp sản phẩm.
Bảng 4. 1 Khảo sát ảnh hưởng của dung môi đến hiệu suất chuyển hóa
ST
T
1
2
3
4
5
6

Dung môi

% alcohol

% ketone

Acetone
CH2Cl2
CH3CN
DMF
DMSO
THF

55,565
58,294
42,920
59,766
63,496
55,442

37,735
40,684
44,929
40,226
34,508
35,494

Hiệu suất chuyển hóa
(%)
40,445

41,104
51,143
40,229
35,211
39,468

Hình 4. 1 Biểu đồ so sánh hiệu suất chuyển hóa 4-methylnonan-5-one trong các
dung môi khác nhau