Nghiên cứu thực hiện phản ứng suzuki trong dung môi xanh là chất lỏng ion họ imidazolium

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----o0o-----

NGUYỄN THỊ DUY HIỀN

NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG
SUZUKI TRONG DUNG MÔI XANH LÀ
CHẤT LỎNG ION HỌ IMIDAZOLIUM
CHUYÊN NGÀNH: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 07/2009

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----Ì-----

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-----Ì----Tp.HCM, ngày…03..tháng …09..năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN:
Ngày sinh:
Chuyên ngành:

Khoá:
1.
TÊN ĐỀ

NGUYỄN THỊ DUY HIỀN
Phái: nữ
09-09-1978
Nơi sinh: Phú n
Cơng nghệ Hố học
2007
TÀI: “ Nghiên cứu thực hiện phản ứng Suzuki trong dung môi

xanh là chất lỏng ion họ imidazolium”.
2.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN::

- Tổng hợp và xác định cấu trúc của ba chất lỏng ion 1-butyl, 1-hexyl, 1-octyl, 3metylimidazolium bromide bằng IR, MS, NMR.
- Sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh cho phản ứng Suzuki giữa
iodobenzene và dẫn xuất của phenyl boronic acid
- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như hàm lượng xúc tác, loại xúc tác, base,
nhóm thế halogenua… lên độ chuyển hố của phản ứng
- Thăm dị thực hiện phản ứng Heck và Sonogashira trong chất lỏng ion.
3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

05/09/2008

4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

03/07/2009

5. Cán bộ hướng dẫn:
TS. Phan Thanh Sơn Nam
Nội dung và yêu cầu Luận Văn Thạc Sĩ đã được thông qua Bộ Mơn.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)
TS. PHAN THANH SƠN NAM

ii


C ƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
Đ ẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. PHAN THANH SƠN NAM

Cán bộ chấm nhận xét 1 :GS.TSKH NGUYỄN CÔNG HÀO............................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS.LÊ THỊ HỒNG NHAN ........................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . .12 . tháng .08 . . năm 2009

iii


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, ngoài những nổ lực bản thân tôi đã nhận được
rất nhiều sự đóng góp, cũng như sự ủng hộ của nhiều Thầy cô cùng với sự giúp đỡ động
viên của gia đình và bạn bè. Vì vậy, đầu tiên tơi muốn gởi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy
cô Trường Đại học Bách Khoa đã cho tôi những điều kiện tốt nhất để học tập và thực hiện
luận văn.
Đặc biệt, tôi xin cảm ơn TS. Phan Thanh Sơn Nam, người đã trực tiếp hướng dẫn
tôi làm luận văn tốt nghiệp. Những kinh nghiệm q báu của thầy là cơng cụ tốt nhất giúp
tơi hồn thành cơng việc của mình.
Tơi xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, các anh chị em phụ
trách phịng thí nghiệm hữu cơ đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất để tơi thực hiện
thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Cảm ơn sự giúp đỡ của các bạn đã giúp tôi suốt thời
gian tôi thực hiện luận văn tại phịng thí nghiệm.
Sự động viên của gia đình và bạn bè đồng nghiệp là động lực, là niềm tin cho tơi
hồn thành chương trình học này.
Cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn những người bạn tốt đã luôn ở bên cạnh chia sẻ,
động viên và giúp đỡ tôi trong thời gian tôi thực hiện luận văn này.
Tp. HCM, 7/2009

Nguyễn Thị Duy Hiền

iv


MỤC LỤC

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................... v
MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................... ix
MỤC LỤC CÁC ĐỒ THỊ ............................................................................................ xi
MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................ xii
MỤC LỤC CÁC SƠ ĐỒ ............................................................................................ xiii
DANH PHÁP CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... xv
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... xviii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1

CHẤT LỎNG ION .......................................................................................................... 1

1.1.1

LỊCH SỬ ......................................................................................................................... 1

1.1.2

CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ....................................................................................... 2

1.1.3

CÁC THÔNG SỐ HÓA LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG ION .......................... 3

1.1.3.1
Nhiệt độ nóng chảy ................................................................................................ 3
1.1.3.2
Độ nhớt ................................................................................................................... 3
1.1.3.3
Khả năng hồ tan và solvate hoá trong IL ............................................................ 3
1.1.3.4
Áp suất bay hơi ...................................................................................................... 4
1.1.3.5
Độ phân cực............................................................................................................ 4
1.1.3.6
Màu sắc ................................................................................................................... 4
1.1.4 ƯU ĐIỂM CỦA CHẤT LỎNG ION .......................................................................... 4
1.1.5

ĐIỀU CHẾ CHẤT LỎNG ION .................................................................................. 5

1.1.6

ỨNG DỤNG ................................................................................................................... 9

1.2

TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI CARBON-CARBON......................... 12

1.3

GIỚI THIỆU PHẢN ỨNG SUZUKI ........................................................................... 13

1.3.1

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG SUZUKI VỚI XÚC TÁC ĐỒNG THỂ PALLADIUM 14

a. Giai đoạn hoạt hoá xúc tác (catalyst formation) ............................................................... 14
b. Giai đoạn cộng hợp oxi hoá (oxidative addition) ............................................................. 15
c. Giai đoạn trao đổi kim loại ( transmetallation) ................................................................. 15
d. Giai đoạn tách khử (Reductive elimination) ..................................................................... 16
1.3.2 PHẢN ỨNG SUZUKI TRONG IL ........................................................................... 16
1.3.3

ỨNG DỤNG CỦA PHẢN ỨNG SUZUKI............................................................... 19

1.4

GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG HECK ........................................................................ 22

v


MỤC LỤC
1.4.1

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG HECK ................................................................................... 23

1.4.1.1
Giai đoạn hoạt hóa xúc tác (preactivation)......................................................... 23
1.4.1.2
Giai đoạn cộng hợp oxy hóa (oxidative addition).............................................. 23
1.4.1.3

Giai đoạn chuyển vị (migratory insertion) ......................................................... 24
1.4.1.4
Giai đoạn tách khử (reductive elimitation)......................................................... 25
1.4.2 PHẢN ỨNG HECK TRONG CHẤT LỎNG ION [42] ......................................... 25
1.4.3

ỨNG DỤNG CỦA PHẢN ỨNG HECK .................................................................. 26

1.5

GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG SONOGASHIRA...................................................... 28

1.5.1

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG SONOGASHIRA [27] ........................................................ 28

1.5.2

PHẢN ỨNG SONOGASHIRA TRONG CHẤT LỎNG ION .............................. 31

1.5.3

ỨNG DỤNG CỦA PHẢN ỨNG SONOGASHIRA ............................................... 32

1.6

PHẢN ỨNG TRONG VI SÓNG ............................................................................. 34

CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM ................................................................................ 38
2.1

ĐIỀU CHẾ CHẤT LỎNG ION ................................................................................... 38

2.1.1

Điều chế 1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([BMIM]Br) ............................ 38

2.1.1.1
Tính chất vật lý của tác chất và sản phẩm .......................................................... 38
2.1.1.2
Quy trình điều chế chất lỏng ion [BMIM]Br ..................................................... 38
2.1.2 Điều chế 1-octyl-3-methylimidazolium bromide ([OMIM]Br) ............................ 40
2.1.2.1
Tính chất vật lý của tác chất và sản phẩm .......................................................... 40
2.1.2.2
Quy trình điều chế chất lỏng ion [OMIM]Br ..................................................... 41
2.1.3 Điều chế 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide ([HMIM]Br) ........................... 41
2.1.3.1
Tính chất vật lý của tác chất và sản phẩm .......................................................... 41
2.1.3.2
Quy trình điều chế chất lỏng ion [HMIM]Br ..................................................... 42
2.1.4 XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC IL ....................................................................................... 43
2.2

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG SUZUKI GIỮA IODOBENZEN VÀ ACID
PHENYLBORONIC VỚI DUNG MÔI LÀ BA CHẤT LỎNG ION, XÚC TÁC
PdCl2 TRONG ĐIỀU KIỆN VI SÓNG ...................................................................... 44

2.2.1

PHẢN ỨNG SUZUKI GIỮA IODOBENZENE VÀ PHENYLBORONIC ....... 44

2.2.2

DỤNG CỤ VÀ HĨA CHẤT ...................................................................................... 44

2.2.2.1
Dụng cụ................................................................................................................. 44
2.2.2.2
Hóa chất ................................................................................................................ 44
2.2.2.3
Tính chất vật lý của tác chất và sản phẩm .......................................................... 44
2.2.3 QUY TRÌNH ................................................................................................................ 45
2.3

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG HECK GIỮA IODOBENZENE VÀ STYRENE VỚI
DUNG MÔI LÀ BA CHẤT LỎNG ION TRONG ĐIỀU KIỆN VI SÓNG ............. 47

vi


MỤC LỤC
2.3.1

PHẢN ỨNG HECK GIỮA IODOBENZENE VÀ STYRENE ............................ 47

2.3.2

DỤNG CỤ VÀ HĨA CHẤT ...................................................................................... 48

2.3.2.1
Dụng cụ................................................................................................................. 48
2.3.2.2
Hóa chất ................................................................................................................ 48
2.3.2.3
Tính chất vật lí của tác chất và sản phẩm ........................................................... 48
2.3.3 QUY TRÌNH ................................................................................................................ 49
2.4

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG SONOGASHIRA GIỮA IODOBENZENE VÀ
PHENYLACETYLENE TRONG BA CHẤT LỎNG ION, XÚC TÁC PdCl2 ........ 50

2.4.1

PHẢN ỨNG GIỮA IODOBENZENE VÀ PHENYLACETYLENE .................. 50

2.4.2

DỤNG CỤ VÀ HĨA CHẤT ...................................................................................... 51

2.4.2.1
Dụng cụ................................................................................................................. 51
2.4.2.2
Hóa chất ................................................................................................................ 51
2.4.2.3
Tính chất vật lí của tác chất và sản phẩm ........................................................... 51
2.4.3 QUY TRÌNH ................................................................................................................ 52
2.5

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ CHUYỂN HÓA TÁC CHẤT VÀ KIỂM

CHỨNG SẢN PHẨM ................................................................................................... 53

2.5.1

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ CHUYỂN HÓA TÁC CHẤT ....................... 53

2.5.2

KIỂM CHỨNG SẢN PHẨM BẰNG GC-MS......................................................... 54

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................... 56
3.1

GIAI ĐOẠN ĐIỀU CHẾ IL ........................................................................................ 56

3.1.1

Điều chế 1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([BMIM]Br) ............................ 56

3.1.2

Điều chế 1-octyl-3-methylimidazolium bromide ([OMIM]Br) ............................ 58

3.1.3

Điều chế 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide ([HMIM]Br) ........................... 60

3.1.4

NHẬN XÉT .................................................................................................................. 62

3.2

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG SUZUKI TRONG CHẤT LỎNG ION Ở ĐIỀU KIỆN
VI SÓNG ....................................................................................................................... 63

3.2.1 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ HÀM LƯỢNG XÚC TÁC LÊN ĐỘ
CHUYỂN HÓA CỦA PHẢN ỨNG:......................................................................... 63
3.2.2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ BASE LÊN ĐỘ CHUYỂN HÓA
PHẢN ỨNG: ................................................................................................................ 66
3.2.3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ XÚC TÁC LÊN ĐỘ CHUYỂN HÓA
CỦA PHẢN ỨNG: ...................................................................................................... 69

vii


MỤC LỤC
3.2.4 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM THẾ HALOGEN LÊN ĐỘ CHUYỂN
HÓA CỦA PHẢN ỨNG: ............................................................................................ 70
3.2.5 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM THẾ LÊN ĐỘ CHUYỂN HÓA CỦA
PHẢN ỨNG: ................................................................................................................ 73
3.2.6

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG SUZUKI GIỮA IODOBENZENE VÀ
PHENYLBORONIC ACID TRONG BA CHẤT LỎNG ION ............................. 75

3.2.7 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG TÁI SỬ DỤNG DUNG MÔI VÀ XÚC TÁC .............. 77
3.3

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG HECK TRONG BA CHẤT LỎNG ION Ở ĐIỀU KIỆN

VI SÓNG ....................................................................................................................... 81

3.4

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG SONOGASHIRA TRONG BA CHẤT LỎNG ION Ở
ĐIỀU KIỆN THƯỜNG VÀ VI SÓNG ....................................................................... 83

3.4.1

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG SONOGASHIRA GIỮA IODOBENZENE VÀ
PHENYLACETYLENE TRONG ĐIỀU KIỆN THƯỜNG ................................. 83

3.4.2

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG SONOGASHIRA GIỮA IODOBENZENE VÀ
PHENYLACETYLENE TRONG ĐIỀU KIỆN VI SÓNG ................................... 84

3.4.3

KHẢO SÁT PHẢN ỨNG SONOGASHIRA GIỮA IODOBENZENE VÀ
PHENYLACETYLENE TRONG ĐIỀU KIỆN KHƠNG CĨ CuI ..................... 87

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 92

viii


MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU

MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Tổng hợp alkyl imidazolium halide sử dụng lò vi sóng gia dụng .......................37
Bảng 3. 1 Hiệu suất trung bình tổng hợp [BMIM]Br .......................................................... 56
Bảng 3. 2 Mũi phổ IR của [BMIM]Br ................................................................................... 57
Bảng 3. 3 1H NMR (500MHz, DMSO) .................................................................................. 57
Bảng 3. 4 13C NMR (500MHz, DMSO)................................................................................ 58
Bảng 3. 5 Hiệu suất trung bình tổng hợp [OMIM]Br .......................................................... 58
Bảng 3. 6 Mũi phổ IR của [OMIM]Br .................................................................................. 59
Bảng 3. 7: 1H NMR (500MHz, CDCl3) ................................................................................ 59
Bảng 3. 8: 13C NMR (500MHz, CDCl3) ................................................................................ 60
Bảng 3. 9 Hiệu suất trung bình tổng hợp [HMIM]Br .......................................................... 60
Bảng 3. 10 Mũi phổ IR của [HMIM]Br ................................................................................ 61
Bảng 3. 11 1H NMR (500MHz, DMSO) ................................................................................ 62
Bảng 3. 12 13C NMR (500MHz, DMSO) ............................................................................... 62
Bảng 3. 13 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng .................... 64
Bảng 3. 14 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hóa của phản ứng .................................... 67
Bảng 3. 15 Ảnh hưởng của xúc tác lên độ chuyển hóa của phản ứng ................................ 69
Bảng 3. 16 Ảnh hưởng của nguyên tử halogen trên vòng benzene lên độ chuyển hóa phản
ứng ........................................................................................................................................... 71
Bảng 3. 17 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vịng benzene của aryl iodua lên độ chuyển hóa
phản ứng ................................................................................................................................. 73
Bảng 3. 18 Ảnh hưởng của chất lỏng ion lên độ chuyển hóa của phản ứng ..................... 76
Bảng 3. 19 Khảo sát khả năng thu hồi, tái sử dụng xúc tác ................................................ 78
Bảng 3. 20 Độ chuyển hóa phản ứng Heck trong ba chất lỏng ion .................................... 81
Bảng 3. 21 Độ chuyển hóa phản ứng Sonogashira trong ba chất lỏng ion........................ 83
Bảng 3. 22 Độ chuyển hóa phản ứng Sonogashira trong ba chất lỏng ion........................ 85

ix

MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 23 Độ chuyển hóa phản ứng Sonogashira trong 1-hexyl-3-metylimidazolium
bromide ở điều kiện thường và khơng CuI............................................................................ 87
Bảng 3. 24 Độ chuyển hóa phản ứng Sonogashira trong 1-hexyl-3-metylimidazolium
bromide ở điều kiện thường và có CuI.................................................................................. 87

x


MỤC LỤC CÁC ĐỒ THỊ

MỤC LỤC CÁC ĐỒ THỊ
Đồ thị 3. 1 ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa của phản ứng .............. 65
Đồ thị 3. 2 Ảnh hưởng của yếu tố base lên độ chuyển hóa của phản ứng .......................... 68
Đồ thị 3. 3 Ảnh hưởng của các loại xúc tác lên độ chuyển hóa của phản ứng .................. 70
Đồ thị 3. 4 Ảnh hưởng của những nhóm thế halogen khác nhau trên vịng benzene lên độ
chuyển hóa của phản ứng ...................................................................................................... 72
Đồ thị 3. 5 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vịng benzene của aryl iodua lên độ chuyển hóa
phản ứng ................................................................................................................................. 74
Đồ thị 3. 6 Ảnh hưởng của dung môi lên độ chuyển hóa của phản ứng ............................. 76
Đồ thị 3. 7 Khảo sát độ chuyển hóa của phản ứng khi thu hồi, tái sử dụng dung môi và
xúc tác ..................................................................................................................................... 80
Đồ thị 3. 8 : ảnh hưởng của dung môi lên độ chuyển hóa của phản ứng Heck ................. 82
Đồ thị 3. 9 ảnh hưởng của dung mơi lên độ chuyển hóa của phản ứng Sonogashira ....... 84
Đồ thị 3. 10 ảnh hưởng của dung mơi lên độ chuyển hóa của phản ứng Sonogashira ..... 86
Đồ thị 3. 11Khảo sát ảnh hưởng của CuI lên độ chuyển hóa của phản ứng Sonogashira
trong [HMIM]Br .................................................................................................................... 88

xi

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1Một số cation thơng dụng ......................................................................................... 2
Hình 1. 2 tri(o-tolyl) phosphine ............................................................................................. 16
Hình 1. 3 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ..................................................18
Hình 2. 1 Thiết bị phản ứng điều chế IL ............................................................................... 40
Hình 3. 1 1-Butyl-3-methylimidazolium bromide ................................................................. 57
Hình 3. 2 1-Octyl-3-methylimidazolium bromide ................................................................. 59
Hình 3. 3 1-Hexyl-3-methylimidazolium bromide ................................................................ 61

xii


MỤC LỤC CÁC SƠ ĐỒ

MỤC LỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1- 1: Tổng hợp chất lỏng ion 1, 3-dialkylimidazolium ....................................... 6
Sơ đồ 1- 2: Cracking và isomer hoá polyethylene trong IL ........................................ 10
Sơ đồ 1- 3: Phản ứng acetyl hoá 1,1,2,6-tetramethyl-3-isopropylindane và
naphthalene trong [emim]Cl-AlCl3............................................................................... 11
Sơ đồ 1- 4: Tổng hợp pravadoline trong [bmim][PF6] ................................................ 11
Sơ đồ 1- 5: Phản ứng của isoprene với but-3-en-2-one trong [bmim][PF6] ............. 12
Sơ đồ 1- 6: Phản ứng Heck giữa 4-bromoanisole với ethyl acrylate trong bmimPF6 12
Sơ đồ 1- 7: Phản ứng Suzuki tổng quát ........................................................................ 13
Sơ đồ 1- 8: Cơ chế phản ứng Suzuki ............................................................................ 14
Sơ đồ 1- 9: Qúa trình isomer hố phức Pd dạng trans về dạng cis và tham gia quá
trình khử tách ................................................................................................................. 16
Sơ đồ 1- 10: Phản ứng Suzuki sử dụng ligand PCy3 ................................................... 17

Sơ đồ 1- 11: Phản ứng Suzuki....................................................................................... 19
Sơ đồ 1- 12: Phản ứng Suzuki giữa BrAB và PBA ..................................................... 19
Sơ đồ 1- 13: Các bước tổng hợp A-3456650, tác chất và điều kiện : phản ứng
Suzuki (iv) KF, toluence/methanol, xúc tác Pd(OAc)2, xúc tác :biphenyl-2dicyclohexyl-phosphane, 68oC...................................................................................... 20
Sơ đồ 1-14: Tổng hợp PTPCNV ................................................................................... 21
Sơ đồ 1- 15 Cơ chế phản ứng Heck .............................................................................. 23
Sơ đồ 1- 16: Phản ứng Heck giữa aryl halide và allylic alcohol ................................ 26
Sơ đồ 1- 17: Sự hình thành phức palladium-carbene hoạt động................................. 26
Sơ đồ 1- 18: Phản ứng Heck với PdCl2(CH3CN)2/[bmim][TPPMS] và [bmim][OAc]
......................................................................................................................................... 26
Sơ đồ 1- 19: Phản ứng điều chế CP-724,714 ............................................................... 27
Sơ đồ 1- 20: Phản ứng tổng hợp Rosavin..................................................................... 27
Sơ đồ 1- 21: Phản ứng tổng hợp Resveratrol ............................................................... 28

xiii


MỤC LỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1- 22: Phản ứng Sonogashira tổng quát ............................................................. 28
Sơ đồ 1- 23: Chu trình Sonogashira được đề nghị bởi Sonogashira và Hagihara ..... 29
Sơ đồ 1- 24: Cơ chế phản ứng Sonogashira khơng có CuI được đề nghị bởi Soheili30
Sơ đồ 1- 25: Phản ứng Sonogashira trong dung môi butylpyridinium....................... 31
Sơ đồ 1- 26: Phản ứng Sonogashira giữa iodobenzene và phenylacetylene .............. 32
Sơ đồ 1- 27: Phản ứng Sonogashira với xúc tác (bisimidazole)PdClMe ................... 32
Sơ đồ 1- 28: Giai đoạn đầu của tổng hợp harveynone ................................................ 33
Sơ đồ 1- 29: Chuỗi phản ứng tổng hợp 6H-dibenzo[b,d]pyran-6-ones từ 2-(3-buten1-ynyl)phenyl (Z)-2-penten-4-ynoate ........................................................................... 33
Sơ đồ 1- 30: Phản ứng ghép đôi ba thành phần ........................................................... 33
Sơ đồ 1- 31: Phản ứng Heck với IL trong vi sóng ....................................................... 35
Sơ đồ 2- 1: Phản ứng giữa iodobenzene và phenyl boronic acid ................................ 44
Sơ đồ 2- 1: Phản ứng giữa iodobenzene và phenyl boronic acid ................................ 44

Sơ đồ 2- 2: Phản ứng giữa iodobenzene và styrene ..................................................... 47
Sơ đồ 2- 3: Phản ứng Sonogashira ................................................................................ 50

xiv


DANH PHÁP CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH PHÁP CÁC TỪ VIẾT TẮT
[BMIM]Br: 1-butyl-3-methylimidazolium bromide
DME: 1,2-dimethoxyethane
DMF: N,N-dimethylformamide
DMSO: dimethylsulfoxide
EMIM: ethyl methylimidazolium
Et3N: triethylamine
Et2O: diethyl ether
[HMIM]Br: 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide
IL: chất lỏng ion
IM: imidazolium
MeOH: methanol
OAc: acetate anion
OMe: methoxy
[OMIM]Br: 1-octyl-3-methylimidazolium bromide
OTf: triflate
PEG: polyethylene glycol
Ph: Phenyl group
THF: tetrahydrofuran
TOF: turnover frequency
TON: turnover number

xv


TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Chất lỏng ion 1-butyl-,1-hexyl-,và 1-octyl-3-methylimidazolium bromide được
tổng hợp dễ dàng bằng phản ứng từ n-butyl-, n-hexyl-, n-octyl-bromide với Nmethylimidazole dưới điều kiện vi sóng, được xác định cấu trúc bằng 1H,

13

C NMR và

MS. Chất lỏng ion làm dung môi hữu hiệu cho phản ứng Suzuki của một vài aryl halides
và phenylboronic acid dưới điều kiện vi sóng cho sản phẩm chính là biphenyl. Trong các
base được sử dụng trong phản ứng Suzuki, Na2CO3 cho độ chuyển hóa kém hơn Et3N. Sử
dụng chất lỏng ion làm dung môi cho phản ứng trong điều kiện vi sóng, phản ứng diễn ra
nhanh chóng, đạt được độ chuyển hóa 99% chỉ sau 2 phút, trong khi nếu gia nhiệt theo
điều kiện truyền thống thì phản ứng phải diễn ra trong vòng 8 giờ. Hơn nữa chất lỏng ion
còn có thể tái sử dụng sau phản ứng. Hệ chất lỏng ion và xúc tác Paladium có thể được
thu hồi dễ dàng bằng phương pháp chiết và tái sử dụng cho phản ứng tiếp theo. Thêm vào
đó, chất lỏng ion cịn tỏ ra hiệu quả trong việc làm dung mơi xanh cho phản ứng Heck và
Sonogashira dưới điều kiện vi sóng.

xvi


TÓM TẮT LUẬN VĂN

ABSTRACT
Easily accessible ionic liquids, 1-butyl-, 1-hexyl-, and 1-octyl-3-methylimidazolium
bromide, were synthesized from n-butyl-,

n-hexyl-, and n-octyl bromide with N-

methylimidazole under microwave irradiation condition, and characterized by 1H and 13C
NMR, and MS. The ionic liquid was demonstrated to be an efficient and recyclable
solvent for the Suzuki cross-coupling reaction between several aryl halides and
phenylboronic acid under microwave irradiation to form biphenyls as the principal
products. The most commonly used base in several Suzuki reactions, Na2CO3, was
foundto be significantly less effective than triethylamine for the reaction carried out in the
ionic liquid. Using the ionic liquid as the reaction solvent in conjunction with microwave
irradiation, the reaction rate was dramatically enhanced, with 99% conversion being
achieved within 2 minutes, while less than 5% conversion was observed after 8 hours for
the reaction under conventional heating condition. Furthermore, the ionic liquid could be
reused without significant degradation in activity. It was found that the catalytic activity
of the recycled ionic liquid containing the palladium catalyst decreased slightly during the
course of the reaction. However, 99% conversion was still achieved after 3 minutes for
the reaction using the recycled ionic liquid. Moreover, the ionic liquid could also be used
as a green solvent for the Heck and the Sonogashira reactions under microwave
irradiation condition.

xvii


MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU
Trong khoảng thời gian từ giữa những năm thập kỷ hai mươi, nhiều phản ứng ghép

đơi C-C đóng một vai trò to lớn trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ mới có nhiều giá trị
ứng dụng trong đời sống. Từ phản ứng ghép đơi này ta có thể thu được những bộ khung
C-C cơ bản để tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp, những biaryl không đối xứng,
những olefine thế, diene và những hợp chất khơng bão hịa được ứng dụng trong các lĩnh
vực dược phẩm, nông nghiệp…Tuy nhiên để thực hiện được phản ứng thì vấn đề đặt ra là
sẽ sử dụng xúc tác gì, dung mơi gì, để vừa đáp ứng được hiệu xuất phản ứng mà vẫn đảm
bảo được vấn đề môi trường. Đó chính là bài tốn cần giải quyết đồng thời thì kết quả thu
được mới đem lại giá trị kinh tế lớn trong điều kiện phát triển hiện nay.
Trên thực tế nhiều phản ứng ghép đôi như phản ứng Heck, Suzuki, Sonogashira
được thực hiện trong những dung môi phổ biến như DMF, DCM…còn nhiều hạn chế như
thời gian phản ứng dài, cùng với sự bay hơi của dung môi nên phản ứng thu được cho
hiệu suất chưa cao và độc hại đối với những người thực hiện phản ứng.
Vì vậy việc tìm ra một dung mơi mới hoạt động có sự hỗ trợ của các máy móc hiện
đại là một thách thức mới cho ngành hoá học hiện đại.
Ở Việt Nam, chất lỏng ion được nghiên cứu đầu tiên với nhóm tác giả Lê Ngọc
Thạch vào thời gian 2005-2006. Tuy nhiên, vẫn chưa thấy báo cáo cụ thể về việc ứng
dụng chúng trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Chính vì vậy với cơng trình nghiên cứu
này chúng tơi muốn trình bày việc nghiên cứu tổng hợp chất lỏng ion họ imidazolium và
sử dụng làm dung môi xanh cho phản ứng ghép đôi Suzuki. Chúng tôi hi vọng qua đề tài
này, sẽ có cái nhìn tổng qt hơn về chất lỏng ion và ứng dụng chúng trong tổng hợp hữu
cơ như là một vấn đề cơ bản của “Hóa học xanh”, vốn là một hướng đi mới trong lĩnh
vực tổng hợp hữu cơ hiện đại.

xviii


Chương 1: TỒNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 CHẤT LỎNG ION

1.1.1 LỊCH SỬ
Chất lỏng ion được định nghĩa là những chất lỏng chỉ chứa tịan bộ ion mà khơng
có phần tử trung hịa trong đó. Hay nói cách khác chất lỏng ion (IL) là những muối nóng
chảy ở nhiệt độ thấp (dưới 1000C). thường gặp nhất là những muối có chứa cation hữu cơ
như tetraakylammonium, alkylpyridium, 1,3-dialkylimidazolium...Nhờ có một số tính
chất hố lý có thể thay đổi được theo u cầu mà chất lỏng ion được xem như là một giải
pháp mới trong tổng hợp hữu cơ hiện đại.
Từ những năm 1914, chất lỏng ion đầu tiên được biết đến là ethyl ammonium nitrate
([EtNH3]NO3). Một số loại alkylammonium nitraten bước đầu được sử dụng. Năm 1995,
có khoảng 20 loại IL , nhưng đến năm 2003 số lượng đã tăng lên 300.
Trên thực tế nhiều chất lỏng ion đã được tìm ra và ứng dụng cho nhiều q trình
khác nhau. Ví dụ như : năm 1948, pyridinium chứa ion chloroaluminate đầu tiên được sử
dụng làm chất điện phân cho quá trình mạ nhôm.
1970, tác giả Jerry Atwood, tại đại học Alabana đã tìm ra được một muối lỏng gọi là
“liquid clathrate”, M[Al2(CH3)X] (trong đó M: cation vơ cơ hoặc hữu cơ , X là halogen),
sự kết hợp giữa muối và aluminium alkyl.
Mãi đến năm 1982, tác giả Wikes đã công bố chất lỏng ion chứa cation
dialkylimidazolium và anion chloroaluminate (AlCl4-,Al2Cl7-) làm dung môi và xúc tác
cho phản ứng Friedel–Crafts.
1992, tác giả Wikes công bố chất lỏng ion mới là ethylmethylimidazolium
tetrafluoroborate (emimBF4), 1,3-dialkylimidazolium hexafluorophosphate([PF6-]). Khác
với chloroaluminatefluoroborate là hexafluorophosphate không bị thuỷ phân.
Mặc dù chất lỏng ion được khám phá khá sớm tuy nhiên khái niệm chất lỏng ion chỉ
được quan tâm trong những năm gần đây, khi mà người ta bắt đầu quan tâm hàng loạt vấn

1


Chương 1: TỒNG QUAN
về gây ô nhiễm môi trường từ nhiều ngun nhân, mà trong đó khơng thể khơng nhắc đến

sự ô nhiễm môi trường do sự bay hơi của các dung môi, cũng như các nguyên nhân cháy
nổ ...Từ những hạn chế trên, càng thúc đẩy cho các công trình nghiên cứu tìm ra những
dung mơi ưu việt hơn làm dung môi tổng hợp hữu cơ trở nên phổ biến nhờ khả năng thân
thiện với môi trường [5].
1.1.2 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI
Chất lỏng ion thường được cấu tạo từ cation hữu cơ và anion hữu cơ hoặc vô cơ có
liên kết phối trí yếu .
™ Cation: [NR xH(4-x)]+, [SR xH(3-x)]+, [FR xH(4-x)]+

Hình 1. 1 Một số cation thơng dụng
Trong đó, IL được tạo thành từ imidazolium(IM) được chú ý nhiều nhất do tính
bền nhiệt và khơng khí, duy trì trạng thái lỏng ở giới hạn nhiệt độ rộng.
Nhóm alkoxy (R-O-) gắn vào IM sẽ làm IM có khả năng chống tích điện tốt.
™ Anion: có thể chia thành các loại

• Fluorous-anion: PF6-, BF4 , CF3SO3-, (CF3SO3)2N-…bị phân huỷ thành HF khi có
mặt nước nên độc hại nhưng thích hợp cho phản ứng dùng xúc tác kim loại trong IL mà
địi hỏi liên kết phối trí của anion kém.
• Non-fluorous anion: AlCl4- ,Al2Cl7-, Fe2Cl7- …an toàn và giá thành rẻ hơn.

2


Chương 1: TỒNG QUAN
1.1.3 CÁC THƠNG SỐ HĨA LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG ION
1.1.3.1 Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion là giới hạn thấp nhất sẽ cung cấp khỏang nhiệt
độ mà tại đó chất lỏng ion có thể sử dụng làm dung mơi tổng hợp cho một phản ứng hữu
cơ. Hầu hết các chất lỏng ion thường có nhiệt phân hủy cao thường là 350 - 450 0C. Nhiệt
độ nóng chảy khá thấp có thể thay đổi được nhờ vào việc thay đổi cấu trúc của cation

cũng như anion và tìm ra sự tương quan giữa nhiệt độ nóng chảy và cấu trúc chất lỏng ion
tương ứng của chúng.
Các muối họ imidazolium là các chất lỏng ion có nhiệt độ nóng chảy tại nhiệt độ
phịng.[11].
1.1.3.2 Độ nhớt
Các chất lỏng ion có độ nhớt khá lớn, không thay đổi khi thay đổi ứng suất tác dụng,
do vậy được xem là chất lỏng Newton.
Độ nhớt phụ thuộc đáng kể nhiệt độ, tạp chất trong chất lỏng ion. Ngoài ra độ nhớt
phụ thuộc vào bản chất ion [11].
1.1.3.3 Khả năng hồ tan và solvate hố trong IL
™ Hồ tan chất lỏng
IL được xem là dung mơi phân cực, nhưng khơng có khả năng phối trí. Tính phân
cực của IL giống các rượu mạch ngắn và các dung mơi phân cực khác (DMSO, DMF,
chloroform, acetonitrile…). IL ít tan trong alkane và các dung mơi ít phân cực. Tuy nhiên,
các hợp chất có vịng thơm lại dễ tan trong IL vì có liên kết π-π, C-H…π và sự tạo thành
cấu trúc clathrate.
Độ tan của một chất trong IL phụ thuộc vào bản chất của IL và chất tan. Có thể tăng
độ tan của chất đó bằng cách thêm vào dung mơi khơng phân cực. Đối với các chất tan
tích điện thì độ tan phụ thuộc vào pH. Khi nồng độ H+ càng cao thì ái lực của các chất tan
này với IL giảm do đó độ tan giảm. [11].
3


Chương 1: TỒNG QUAN
1.1.3.4 Áp suất bay hơi
Hầu như IL khơng bay hơi nên IL ít độc hơn các dung mơi có nhiệt độ sơi thấp. Do
vậy, sự gia tăng áp suất đột ngột không là vấn đề nghiêm trọng nếu thực hiện phản ứng
với IL trong microwave [11].
1.1.3.5 Độ phân cực
Độ phân cực của IL rất phức tạp, để xác định được có thể sử dụng những phương

pháp như sắc kí khí, hấp thu ánh sáng …Độ phân cực của IL tương ứng với độ phân cực
của rượu có mạch ngắn và trung bình [11].
Các IL khác nhau có độ phân cực khác nhau tuỳ thuộc vào tương tác giữa cation và
anion.
1.1.3.6 Màu sắc
IL thường khơng có màu. Khi khơng tinh khiết, IL có thể có màu từ vàng đến da
cam. Nguyên nhân xuất hiện màu sắc là do sử dụng các tác chất điều chế có màu hoặc do
phản ứng oxi hố trong q trình phản ứng tạo IL [11].
1.1.4 ƯU ĐIỂM CỦA CHẤT LỎNG ION
Theo định hướng phát triển bền vững, các ngành công nghiệp ngày nay có nhiệm vụ
giải quyết vấn đề tối ưu cả về phương diện kinh tế truyền thống song song bên cạnh
phương diện hóa học xanh. Vấn đề đặt ra là khi thực hiện phản ứng hữu cơ thường để lại
lượng dung môi khá lớn vừa không kinh tế, lại gây ô nhiễm mơi trường vì vậy một trong
những vấn đề hố học xanh là giải quyết vấn đề dung môi theo bốn hướng cơ bản sau:
™ Phản ứng không dung môi
™ Dung môi nước
™ Lưu chất siêu tới hạn CO2
™ Chất lỏng ion
Những ưu điểm của IL so với dung môi thông thường [5]

4


Chương 1: TỒNG QUAN
So với các dung môi phân cực thường dùng trước đây thì chất lỏng ion tỏ ra có
nhiều ưu điểm hơn nhờ một số tính chất riêng biệt của nó:
ƒ Hầu như khơng bay hơi
ƒ Bền nhiệt và không bị phân huỷ ở nhiệt độ trên 300 0C
ƒ Hồ tan tốt các hợp chất hữu cơ, vơ cơ và đặc biệt là cơ kim trong các phản
ứng có xúc tác là các hợp chất của kim loại chuyển tiếp.

ƒ Hồ tan tốt các chất khí như CO2, O2, H2, CO.
ƒ Tính tan của IL phụ thuộc vào cation và anion, do đó có thể thay đổi tính tan
bằng cách thay đổi các yếu tố trên.
ƒ Hầu như khơng hoặc có liên kết phối trí yếu với các phức kim loại, enzyme,
và các chất hữu cơ khác.
ƒ Tính chất ion làm tăng tốc độ phản ứng trong phản ứng có hỗ trợ của vi
sóng.
ƒ Nhiều IL khơng bị phân huỷ trong một thời gian dài.
ƒ Gây ảnh hưởng đến hoạt tính và độ chọn lọc của các phản ứng có đồng phân
quang học do tính phân cực và khơng có liên kết phối trí. Ngồi ra, các IL bất
đối xứng được sử dụng để kiểm soát tỉ lệ sản phẩm chính, phụ của phản ứng.
ƒ Bên cạnh đó, một tính chất khác góp phần xếp loại chất lỏng ion đúng cùng
các dung môi xanh khác là khả năng thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion đồng
thời với xúc tác hịa tan trong đó, đặc biệt là thu hơì tái sử dụng các xúc tác
kim loại chuyển tiếp mà hiện nay giá thành rất cao.
1.1.5 ĐIỀU CHẾ CHẤT LỎNG ION
Hiện nay khá nhiều cơng trình khoa học liên quan đến vấn đề tổng hợp và tinh chế
chất lỏng ion. Quá trình tổng hợp của những phản ứng hữu cơ cơ bản dựa trên những

5


Chương 1: TỒNG QUAN
nguyên tắc chung, tuy nhiên để tăng cường hiệu suất và độ tinh khiết thì lại là vấn đề thực
nghiệm.
Có thể nói tổng hợp IL chia làm hai giai đoạn: điều chế cation và trao đổi anion. Một
số trường hợp chỉ cần thực hiện giai đoạn một (như ethyl ammonium). Nhiều trường hợp
đã có cation yêu cầu (như muối halogen), muốn có IL cần thì tiến hành trao đổi ion (như
tetraalkyl ammonium và trialkylsulfonium iodide) [15].
Bước đầu tiên trong tổng hợp chất lỏng ion là tạo base bậc bốn trở thành một

cation. Trong một vài trường hợp không thể tạo ra anion mong muốn bằng phản ứng base
bậc bốn, khi đó sẽ cần thêm một bước nữa (bước IIa hoặc IIb).
Ví dụ sự tổng hợp 1, 3-dialkylimidazolium, một chất có nhiều ứng dụng trong
những năm gần đây.
NR3
Buoc I
+R'X

1. + Muối kim loại M+[A][R'R3N]+XBuoc IIa

Buoc IIb

-

2. + Acid bronsted H+[A]-

+ acid Lewis MXy

MX (sự kết tủa)

HX (bay hơi)

3. Nhựa trao đổi ion

[R'R3N]+[MXy+1]-

[R'R3N]+[A]-

Sơ đồ 1- 1: Tổng hợp chất lỏng ion 1, 3-dialkylimidazolium
Phản ứng bậc bốn hóa:

Phản ứng xảy ra khá đơn giản chủ yếu phụ thuộc quá trình khuyâý trộn, gia
nhiệt và tinh chế.

6


Chương 1: TỒNG QUAN
Để đảm bảo được độ tinh khiết của sản phẩm, người ta cần xử lý nhiều qúa
trình bao gồm xử lý nguyên liệu đầu vào 1-methyl imidazole, quá trình thực hiện và tinh
chế sản phẩm.
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng:
-

Thời gian, nhiệt độ: phụ thuộc vào loại alkyl halogen sử dụng, từ chloror,

brome, iodo điều kiện phản ứng bớt khắc nghiệt dần.
Phản ứng giữa 1-methylimidazole với cloroalkan, tpư= 80oC, T = 2-3 ngày.
Thay chloroalkan bằng bromoalkan, tpư= 50-60 oC, T=24h. Thay chloroalkan bằng
iodoalkan, tpư=25 oC, T < 24h.
-

Ánh sáng: đối với những muối nhạy với ánh sáng, thì cần thực hiện trong

điều kiện khơng có ánh sáng.
-

Nguồn nhiệt: đối với quy mơ phịng thí nghiệm thì sử dụng phương pháp

gia nhiệt bằng lị vi sóng sẽ tiết kiệm được nhiều thời gian. Đối với qui mơ lớn hơn thì
vẫn chưa khẳng định được điều này.

-

Khơng khí: khi có mặt trong phản ứng, oxygen sẽ làm thay đổi màu sản

phẩm, hơi nước sẽ làm thay đổi tính chất lý hóa của sản phẩm (sản phẩm háo nước). Do
đó cần thực hiện phản ứng trong mơi trường chân khơng hoặc có sự có mặt của khí nitơ
hoặc khí trơ.
-

Dung mơi: có thể khơng sử dụng dung mơi vì các tác chất là chất lỏng và

tan vào nhau, trong khi sản phẩm muối lại không tan trong các tác chất này.
Nếu sử dụng dung mơi có thể dùng muối alkyl halogen, 1, 1, 1trichloroethane, ethyl ethanoate, toluene. Các chất này có đặc điểm là khơng hịa tan sản
phẩm. Sau đó dung mơi được tách ra bằng cách gạn lọc và để tách triệt để hơn thì đun
nóng trong mơi trường chân khơng.
Phản ứng trao đổi ion: có hai cách thực hiện là xử lý muối halogen với acid
Lewis hay trao đổi ion.
- Acid Lewis: phương pháp xử lý này sẽ tạo ra nhiều loại anion, phụ thuộc
vào tỷ lệ mol giữa muối halogen và acid Lewis (AlCl3).

7