Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu sử dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh (Green solvent) thay thế dung môi hữu cơ thông thường trong phản ứng ngưng tụ Pall-Knorr

Chất lỏng ion đã được sử dụng làm dung môi hữu hiệu thúc đẩy cho phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa 1,4-hexanedione và các amine bậc 1 mà không sử dụng thêm xúc tác acid khi so sánh với c

Mục tiêu khoa học kỹ thuật

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng dung môi xanh, cụ thể là chất lỏng ion họ imidazolium trong phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr, một phản ứng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ Bằng cách sử dụng dung môi xanh này, chúng tôi hướng đến việc loại bỏ nhu cầu sử dụng xúc tác acid, vốn thường được yêu cầu trong phản ứng này Sự thành công của nghiên cứu sẽ mở đường cho việc áp dụng rộng rãi dung môi xanh trong tổng hợp hữu cơ, góp phần giảm thiểu tác động đến môi trường và bảo vệ sức khỏe người lao động.

Mục tiêu kinh tế xã hội

Hóa học xanh, xu hướng tất yếu trong ngành hóa học thế giới, vẫn còn là lĩnh vực nghiên cứu khá mới mẻ tại Việt Nam Do đó, Việt Nam cần đẩy mạnh các nghiên cứu về hóa học xanh để bắt kịp xu hướng thế giới.

- Góp phần ‘xanh hóa’ các phòng thí nghiệm tại các trường đại học và viện nghiên cứu trên địa bàn TP Hồ Chí Minh

- Góp phẩn đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học của đội ngũ cán bộ giảng dạy tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM

- Dựa trên quy trình tổng hợp chất lỏng ion đã công bố trước đây từ nhóm nghiên cứu của cố vấn của chủ nhiệm đề tài, tiến hành điều chế lại một lượng chất lỏng ion đủ để sử dụng làm dung môi xanh trong đề tài này Trong quy trình này, trước hết là giai đoạn tổng hợp chất lỏng ion họ 1-alkyl-3-methylimidazolium bromide với các gốc alkyl có chiều dài khác nhau như butyl, hexyl, octyl Các quá trình tổng hợp các chất lỏng ion này dựa trên phản ứng giữa 1-methylimidazole với các dẫn xuất 1-bromobutane, 1-bromohexane, 1- bromooctane, để hình thành các chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium bromide tương ứng dưới sự hỗ trợ của vi sóng để rút ngắn thời gian phản ứng

- Tiếp theo, tiến hành phản ứng trao đổi anion giữa các chất lỏng ion chứa bromide anion với ion hexafluorophosphate để thu được các chất lỏng ion với anion mong muốn

Phản ứng được tiến hành ở điều kiện thường Mặc dù có thể thực hiện theo quy trình đã công bố trước đó, nhưng cần tiến hành kiểm tra lại cấu trúc của chất lỏng ion sau khi tinh chế và kiểm tra độ tinh khiết của sản phẩm chất lỏng ion trước khi có thể sử dụng làm dung môi cho các nội dung nghiên cứu tiếp theo.

- Sử dụng các chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate trên làm dung môi xanh cho phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine Phản ứng được thực hiện mà không cần sử dụng thêm một xúc tác acid khác Lần lượt khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên độ chuyển hóa của phản ứng Paal-Knorr này

- Các yếu tố được khảo sát trong nghiên cứu gồm: nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ mol phản ứng giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine, ảnh hưởng của chiều dài mạch alkyl trong cấu tạo chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate và ảnh hưởng của các dẫn xuất amine bậc một khác nhau.

- Sau khi phản ứng kết thúc, khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng dung môi chất lỏng ion trong phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine

Tiến hành sử dụng một dung môi thứ hai để trích ly sản phẩm ra khỏi chất lỏng ion Chất lỏng ion sau đó được làm khan và tiếp tục sử dụng làm dung môi cho phản ứng Paal-Knorr tiếp theo trong điều kiện phản ứng tương tự như phản ứng sử dụng dung môi mới Từ đó so sánh hiệu quả thu hồi và tái sử dụng dung môi chất lỏng ion trong phản ứng này

Hóa chất và thiết bị phân tích

- Các hóa chất được mua từ Sigma-Aldrich và Merck, và được sử dụng mà không cần tinh chế lại

Nội dung báo cáo tổng kết

- Phổ 1 H-NMR và 13 C-NMR của chất lỏng ion được phân tích bằng thiết bị Bruker AV 500 ở Phòng NMR, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội

- Phổ MS được đo trên máy Thermo Finigan TSQ 7000 triple quadrupole ở trung tâm phân tích công nghệ cao Hoàn Vũ, Tp HCM

- Phân tích sắc kí khí được thực hiện ở phòng Nghiên cứu cấu trúc vật liệu, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp HCM, sử dụng thiết bị Shimadzu GC 17-A với đầu dò ion hóa ngọn lửa (flame ionization detector - FID) và cột DB-5 (30 m x 0.25 mm x 0.25 àm) Mẫu được gia nhiệt từ 100 ◦ C lờn 110 ◦ C với tốc độ 30 ◦ C/min và giữ ở 110 ◦ C trong một phút, sau đó được gia nhiệt từ 110 ◦ C lên 200 ◦ C với tốc độ 45 ◦ C/phút; và từ 200 ◦ C lên 300 ◦ C với tốc độ 50 ◦ C/phút; và giữ ở 300 ◦ C trong 3 phút 4-Bromoanisole được sử dụng làm chất nội chuẩn để tính độ chuyển hóa phản ứng

Phân tích GC/MS sử dụng thiết bị Hewlett Packard GC-MS 5972 trang bị cột RTX-5MS (30 m x 0,25 mm x 0,5 μm) Mẫu được gia nhiệt từ 60 độ C đến 280 độ C với tốc độ 10 độ C/phút và giữ ở 280 độ C trong 2 phút Kết quả phân tích MS được so sánh với dữ liệu phổ chuẩn trong thư viện NIST.

Phương pháp tổng hợp và xác định cấu trúc chất lỏng ion họ imidazolium

Hình 9 Phản ứng tổng hợp chất lỏng ion [BMIM][PF 6 ], [HMIM][PF 6 ], và [OMIM][PF 6 ]

Sử dụng 1-methylimidazole (41.36 g, 0.504 mol) và 60 ml 1-bromobutane (76.26 g, 0.556 mol) cho vào bình cầu cổ nhám có cá từ loại 2 cm Thực hiện phản ứng trong điều kiện có sự hỗ trợ của vi sóng sử dụng lò vi sóng gia dụng Whirlpool, Model AVM541/WP/WH có thể điều chỉnh được công suất, thời gian và có máy khuấy từ đi kèm (Hình 2.2) Phản ứng được thực hiện ở mức công suất 80 W Thời gian thực hiện phản ứng là gián đoạn, mỗi lần chiếu xạ để phản ứng là 10 giây, sau đó tắt lò vi sóng, làm nguội

Quá trình được thực hiện lặp lại như trên cho đến khi phần lớn chất lỏng ion hình thành thì dừng lại Trong đó dung dịch ban đầu từ trong chuyển sang đục rồi sau đó chuyển trở lại trong hoàn toàn, hỗn hợp phản ứng phân thành hai pha (pha chất lỏng ion nằm ở pha dưới và có màu vàng nhạt) Loại bỏ tác chất dư bằng cách rửa chất lỏng ion với ethyl acetate ba lần, mỗi lần khoảng 50 ml, khuấy trộn mạnh trong thời gian 30 phút Tách lấy pha chất lỏng ion sau đó rửa sản phẩm lại bằng diethyl ether trong 3 lần, mỗi lần dùng 50 ml và kết hợp khuấy trộn mạnh trong thời gian 30 phút Loại bỏ phần dung môi rửa, lấy phần chất lỏng ion và tiến hành quá trình cô quay đuổi vết dung môi ở nhiệt độ khoảng 40 o C trong thời gian khoảng 20 phút, thu được 107.32 g chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium bromide ([BMIM][Br]) (hiệu suất 97%) Các chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide ([HMIM]Br), và 1-octyl-3-methylimidazolium bromide ([OMIM]Br) được tổng hợp với hiêu suất lần lượt là 93% and 91% sử dụng quy trình tương tự

Kết quả phân tích cấu trúc của [BMIM]Br: 1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6) δ 0.887 (t, 3H; CH 3), 1.256 (m, 2H; CH 2CH3), 1.770 (m, 2H; CH 2 CH2CH3), 3.882 (s, 3H; N- CH 3 ), 4.204 (m, 2H; N-CH 2 ), 7.778 (t, 1H; N-CH=C), 7.856 (t, 1H; N-CH=C), 9.340 (s, 1H, N-CH=N) 13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ = 13.173 (C-CH3), 18.652 (CH2), 31.279 (CH2), 35.693 (N-CH3), 48.357(N-CH2), 122.172 (C=C-N), 123.461 (C=C-N), 136.435 (N-C=N) MS (ESI): m/z 139 [BMIM] + , 357 [(BMIM)2Br] +

Kết quả phân tích cấu trúc của [HMIM]Br bằng phương pháp NMR cho thấy: phổ 1H NMR chỉ ra các tín hiệu proton thuộc về CH3 (0,848 ppm), CH2(CH2)3CH3 (1,250 ppm), N-CH2CH2 (1,775 ppm), N-CH3 (3,863 ppm), N-CH2 (4,867 ppm), N-CH=C (7,733 ppm), N-CH=C (7,807 ppm), N-CH=N (9,240 ppm) Phổ 13C NMR cho thấy các tín hiệu cacbon thuộc về C-CH3 (13,736 ppm), CH2 (21,773 ppm), CH2 (25,409 ppm), CH2 (29,267 ppm), CH2 (30,455 ppm), N-CH3 (35,705 ppm), N-CH2 (48,687 ppm), C=C-N (122,189 ppm), C=C-N (123,504 ppm), N-C=N (136,442 ppm) Phổ khối MS (ESI) cho thấy các ion [HMIM]+ (m/z = 167) và [(HMIM)2Br]+ (m/z = 413).

Kết quả phân tích cấu trúc của [OMIM]Br: 1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6) δ 0.840 (t, 3H; CH 3), 1.250 (m, 10H; CH2(CH 2)5CH3), 1.775 (m, 2H; N-CH2CH 2 ), 3.870 (s, 3H; N-CH 3 ), 4.179 (t, 2H; N-CH 2 ), 7.756 (m, 1H; N-CH=C), 7.830 (t, 1H; N-CH=C), 9.295 (s, 1H, N-CH=N) 13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ = 13.807 (C-CH3), 21.933 (CH2), 25.389 (CH2), 28.232 (CH2), 28.359 (CH2), 29.312 (CH2), 31.047 (CH2), 35.684 (N-CH3), 48.648 (N-CH2), 122.167 (C=C-N), 123.464 (C=C-N), 136.437 (N-C=N) MS (ESI): m/z 195 [OMIM] + , 469 [(OMIM)2Br] +

Sử dụng hai cốc nhựa 250 ml, mỗi cốc cho vào 100 ml nước cất Sau đó cho vào cốc thứ nhất chất lỏng ion [BMIM]Br (100 g, 0.456 mol) và cốc còn lại 80 ml HPF6 60 % (132.08 g, 0.543 mol) Đặt hai cốc vào trong chậu nước đá để làm lạnh trong thời gian 30

Để thao tác với HPF6 cần sử dụng găng tay cao su, kính bảo hộ và thực hiện trong tủ hút hơi độc Cá được làm lạnh trong 30 phút trước khi cho vào dung dịch [BMIM]Br đựng trong cốc Sau đó, đặt cốc lên bếp từ và bắt đầu khuấy, đồng thời tiếp tục làm lạnh hỗn hợp trong chậu nước đá.

Khi dung dịch [BMIM]Br trong nước đã đồng nhất thì bắt đầu cho từ từ dung dịch acid HPF6 vào Lưu ý đổ dung dịch acid thật chậm và phải làm lạnh hỗn hợp phản ứng Thực hiện phản ứng trong tủ hút ở điều kiện khuấy trộn mạnh với thời gian 24 giờ Sau khi đã phản ứng xong, tiến hành rửa dung dịch chất lỏng ion với khoảng 5 – 6 lần với nước cất lạnh, mỗi lần 50 ml và có kết hợp khuấy trộn mạnh trong thời gian 30 phút Dùng giấy đo pH để thử pH của dung dịch, nếu pH của dung dịch trung tính thì kết thúc quá trình rửa

Tách chiết phần chất lỏng ion, tiến hành cô quay ở nhiệt độ 65 o C dưới áp suất thấp để loại nước trong thời gian khoảng 45 – 60 phút, thu được 26.05 g chất lỏng ion 1-butyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate ([BMIM][PF6]) (hiếu suất 80 %) Các chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ([HMIM][PF6]), và 1-octyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate ([OMIM][PF6]) cũng được tổng hợp theo quy trình tương tự Hiệu suất tổng hợp lần lượt đạt 87% và 90%

Kết quả phân tích cấu trúc của [OMIM]PF6: 1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6) δ 0.905 (t, 3H; CH 3), 1.262 (m, 2H; CH 2CH3), 1.771 (m, 2H; CH 2 CH2CH3), 3.846 (s, 3H; N- CH 3 ), 4.157 (m, 2H; N-CH 2 ), 7.668 (t, 1H; N-CH=C), 7.733 (t, 1H; N-CH=C), 9.071 (s, 1H, N-CH=N) 13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ = 13.141 (C-CH3), 18.711 (CH2), 31.276 (CH2), 35.651 (N-CH3), 48.509 (N-CH2), 122.193 (C=C-N), 123.542 (C=C-N), 136.444 (N-C=N) MS (ESI): m/z 139 [BMIM] + , 423 [(BMIM)2PF6] +

Kết quả phân tích cấu trúc của [HMIM]PF6: 1 H NMR (500 MHz, DMSO-d6) δ 0.873 (t, 3H; CH 3), 1.272 (m, 6H; CH 2CH 2CH 2), 1.783 (m, 2H; CH 2 ), 3.846 (s, 3H; N- CH 3 ), 4.149 (m, 2H; N-CH 2 ), 7.7665 (t, 1H; N-CH=C), 7.734 (t, 1H; N-CH=C), 9.069 (s, 1H, N-CH=N) 13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ = 13.708 (C-CH3), 21.799 (CH2), 25.085 (CH2), 29.266 (CH2), 30.487 (CH2), 35.651 (N-CH3), 48.789 (N-CH2), 122.191 (C=C-N), 123.540 (C=C-N), 136.436 (N-C=N) MS (ESI): m/z (%) 167 [HMIM] + , 479 [(HMIM)2PF6] +

Kết quả phân tích cấu trúc của [OMIM]PF6: 1 H NMR (500 MHz,DMSO-d6) δ 0.860 (t, 3H; CH 3), 1.265 (m, 10H; CH 2CH 2CH 2CH 2CH 2), 1.780 (m, 2H; CH 2 ), 3.845 (s, 3H; N-CH 3 ), 4.145 (m, 2H; N-CH 2 ), 7.674 (t, 1H; N-CH=C), 7.741 (t, 1H; N-CH=C),

9.076 (s, 1H, N-CH=N) 13 C NMR (125 MHz, DMSO-d6): δ = 13.870 (C-CH3), 22.390 (CH2), 26.085 (CH2), 28.772 (CH2), 28.841 (CH2), 30.137 (CH2), 31.495 (CH2), 36.642 (N-CH3), 50.003 (N-CH2), 121.860 (C=C-N), 123.641 (C=C-N), 137.076 (N-C=N) MS (ESI): m/z 195 [OMIM] + , 535 [(OMIM)2PF6] +

Thực hiện phản ứng Paal-Knorr trong dung môi chất lỏng ion

Cho lần lượt 2,5-hexanedione (0.12 ml, 1 mmol), 4-bromoanisole (0.1 ml) và chất lỏng ion [BMIM][PF6] (4 ml) vào bình cầu 100 ml Amine bậc một được thêm vào sau đó và hỗn hợp được khuấy trộn ở nhiệt độ xác định trong 6 giờ Độ chuyển hóa phản ứng được xác đinh bằng cách hút 0.1 ml từ hỗn hợp phản ứng ở các thời điểm Pha hữu cơ được trích ly bằng diethyl ether (2 ml), lọc nhanh qua một lớp silica gel mỏng, làm khan bằng Na2SO4, cuối cùng được phân tích GC với chất nội chuẩn là 4-bromoanisole Ngoài ra, cấu trúc sản phẩm cũng được xác định bằng GC/MS

5 Kết quả của đề tài

Phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine

Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

Trong nghiên cứu về cơ chế của phản ứng Paal-Knorr được tiến hành bởi Russel và các cộng sự, nhóm tác giả đã chứng minh rằng tốc độ hình thành pyrrole bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, bản chất dung môi và bản chất của các amine [33] Do đó, nghiên cứu ban đầu hướng đến khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa phản ứng

Phản ứng được tiến hành trong [BMIM]PF6 sử dụng tỷ lệ mol cyclohexylamine : 2,5- hexanedione = 1.0 : 1.0 ở 60 o C, 80 o C, và 100 o C Các nghiên cứu trước đây đã thực hiện thành công phản ứng Paal-Knorr ở nhiệt độ phòng đến 100 o C, tùy thuộc vào tác chất và xúc tác [2] Trong nghiên cứu của chúng tôi, phản ứng ở 60 o C chỉ đat độ chuyển hóa 52% sau 6 giờ Tương tự các báo cáo trước đây, nhiêt độ phản ứng tăng dẫn đến sự cải thiện rõ rệt của tốc độ phản ứng Thật vậy, độ chuyển hóa 63%, và 74% đã đạt được trong phản ứng được tiến hành lần lượt ở 80 o C, và 100 o C (Hình 11) Tuy nhiên, thực hiện phản ứng ở nhiêt độ trên 100 o C là không cần thiết vì dễ hình thành các sản phẩm phụ từ phản ứng oxi hóa amine khi nhiệt độ quá cao

Hình 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa phản ứng

Hình 12 Ảnh hưởng của tỷ lệ cyclohexylamine::2,5-hexanedione lên độ chuyển hóa phản ứng.

Ảnh hưởng của tỷ lệ mol tác chất

Tỷ lệ mol tác chất cũng là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Do đó, các tỷ lệ mol cyclohexylamine : 2,5-hexanedione khác nhau bao gồm:

1.0 : 1.0, 1.3 : 1.0, 1.5 : 1.0, và 1.7 : 1.0 đã được khảo sát cho phản ứng Paal – Knorr ở 100 oC sử dụng [BMIM]PF6 làm dung môi Như kết quả ở hình 12, tốc độ phản ứng tăng khi tăng hàm lượng cyclohexylamine Thật vậy, ở tỷ lệ mol 1.7 : 1.0, phản ứng đạt độ chuyển hóa cao nhất, 95%, trong khi các độ chuyển hóa thấp hơn – 90%, 86%, và 74% đạt được khi sử dụng các hàm lượng cyclohexylamine dưới 1.7 mmol Các nghiên cứu trước đây cũng sử dụng tỷ lê amine : 2,5-hexanedione từ 1.0 : 1.0 đến 2.0 : 1.0 tùy thuộc vào bản chất của xúc tác cũng như amine [23, 34, 35] Tuy nhiên, cũng dễ dàng nhận thấy rằng, tốc độ phản ứng tăng không đáng kể khi lượng amine sử dụng càng nhiều Hơn nữa, việc sử dụng dư cyclohexylamine không được khuyến khích theo quan điểm về hóa học xanh Do đó, tỷ lệ mol 1.7 : 1.0 được sử dụng cho những khảo sát tiếp theo.

Ảnh hưởng của các chất lỏng ion khác nhau

Theo các báo cáo trước đây, tính chất vật lý và hóa học của chất lỏng ion có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng việc thay đổi cấu trúc của cation hoặc anion trên chất lỏng ion [36, 37] Do đó, chúng tôi đã quyết định khảo sát ảnh hưởng chiều dài mạch alkyl trên cation của chất lỏng ion lên tốc độ phản ứng Kết quả ở hình 13 cho thấy việc tăng chiều dài mạch alkyl làm phản ứng xảy ra chậm hơn, mặc dù, sự khác biệt là không đáng kể

Phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr được thực hiện ở 100 o C sử dụng chất lỏng ion [BMIM]PF6, [HMIM]PF6, và [OMIM]PF6 lần lượt đạt độ chuyển hóa 95%, 87%, và 84%

Kết quả này có thể giải thích là do độ phân cực của dung môi chất lỏng ion giảm khi tăng gốc kị nước trên cation, từ đó làm giảm khả năng hỗ trợ cho phản ứng ngưng tụ Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu trước đây của chúng tôi khi sử dụng chất lỏng ion họ imidazolium làm dung môi cho các phản ứng ghép đôi Heck, Suzuki, Sonogashira, hay phản ứng acyl hóa tổng hợp pravadoline [38-40] Ngoài ra, chúng tôi cũng tiến hành khảo sát phản ứng Paal-Knorr trong chất lỏng ion gốc bromide Mặc dù cùng gốc cation tuy nhiên việc thay thế gốc hexafluorophosphate bằng gốc bromide đã dẫn đến độ chuyển hóa phản ứng ngưng tụ giảm còn 83% sau 6 giờ Kết quả này cho thấy tốc độ phản ứng Paal-Knorr phụ thuộc chặt chẽ vào bản chất của dung môi sử dụng.

Ảnh hưởng của các amine bậc một khác nhau

Với những kết quả đã đạt được sau khi khảo sát các điều kiện phản ứng, chúng tôi đã tiến hành thực hiện phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr với các amine bậc một khác nhau Các báo cáo trước đây đã chứng minh rằng bản chất của amine bậc một tác động rõ rệt lên tốc độ phản ứng [24, 33] Thật vậy, với tính ái nhân yếu hơn, phản ứng của p-anisidine với

2,5-hexanedione xảy ra chậm hơn trường hợp của cyclohexylamine nhưng vẫn đạt độ chuyển hóa khoảng 94% sau 6 h Đặc biệt hơn, benzylamine phản ứng nhanh hơn rõ rệt so

Nội dung báo cáo tổng kết với cyclohexylamine với độ chuyển hóa hoàn toàn sau 1 giờ Để làm rõ hơn tốc độ phản ứng của benzylamine, thí nghiệm này đã được thực hiện lại với các độ chuyển hóa được ghi nhận sau mỗi hai phút Kết quả phân tích GC cho thấy benzylamine phản ứng hoàn toàn chỉ sau 6 phút Các nghiên cứu trước đây sử dụng những hệ xúc tác khác nhau cho phản ứng Paal-Knorr cũng có kết quả tương tự với hiệu suất tạo thành pyrrole từ benzylamine cao hơn đáng kể ở điều kiện phản ứng êm dịu hơn

[BMIM]PF6 [HMIM]PF6 [OMIM]PF6

Hình 13 Ảnh hưởng của dung môi chất lỏng ion lên độ chuyển hóa phản ứng

Hình 14 Ảnh hưởng của các amine bậc một khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng.

Khả năng thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion

Dung dịch ion, với khả năng tái sử dụng nhiều lần, được xem như một dung môi xanh thay thế cho dung môi hữu cơ thông thường Sau phản ứng, hỗn hợp được chiết xuất để cô lập sản phẩm và loại bỏ tạp chất Dung môi hữu cơ sau đó được cô quay chân không Dung dịch ion thu hồi được tái sử dụng cho phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr với tỷ lệ chuyển hóa luôn trên 90% sau năm lần sử dụng Tương tự, dung dịch ion [BMIM]PF6 cũng cho độ chuyển hóa hoàn toàn trong phản ứng của benzylamin và 2,5-hexanedione Khả năng thu hồi giúp tiết kiệm chi phí tổng hợp dung môi ion và giảm chất thải độc hại ra môi trường, là một ưu điểm nổi bật so với tổng hợp trong dung môi hữu cơ truyền thống.

Hình 15 Nghiên cứu thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion [BMIM]PF 6 cho phản ứng giữa cyclohexylamine và 2,5-hexanedione

Hình 16 Nghiên cứu thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion [BMIM]PF 6 cho phản ứng giữa benzylamine và 2,5-hexanedione.

Phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và p-anisidine

Hình 17 Phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và amine thơm trong chất lỏng ion

Các báo cáo trước đây cho thấy phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr của các amine béo xảy ra dễ dàng hơn trường hợp của các amine thơm [22, 24, 33] Tuy nhiên, các dẫn xuất pyrrole được tổng hợp trên cơ sở amine thơm thường có hoạt tính và giá trị cao hơn Thông thường, phản ứng ngưng tụ sử dụng các dẫn xuất của ailine thường đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt hơn như thời gian phản ứng kéo dài, nhiệt độ cao, hay sử dụng nhiều xúc tác hơn [30-32] Với các kết quả đã đạt được từ việc nghiên cứu thực hiện phản ứng Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine, chúng tôi đã quyết định tiếp tục khảo sát phản ứng này sử dụng tác chất p-anisidine trong dung môi là chất lỏng ion Trong trường hợp này, chúng tôi cũng đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố sau đây lên độ chuyển hóa của phản ứng: (1) nhiệt độ, (2) tỷ lệ tác chất, (3) chiều dài mạch alkyl trên cation của chất lỏng ion, (4) dung môi phản ứng, (5) các nhóm thế khác nhau trên amine thơm, và (6) vị trí

Nội dung báo cáo tổng kết nhóm thế -OCH3 trên anisidine Tuy nhiên, do cách bố trí các thí nghiệm hầu như tương nội dung thực hiện phản ứng Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine đã được trình bày chi tiết ở trên, trong khuôn khổ của bản báo cáo này, chúng tôi chỉ bày tóm tắt kết quả của nội dung nghiên cứu phản ứng của p-anisidine

Hình 18 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa phản ứng

Hình 19 Ảnh hưởng của tỷ lệ p-anisidine::2,5- hexanedione lên độ chuyển hóa phản ứng

Thông thường, các dẫn xuất aniline có hoạt tính yếu hơn các amine béo do đó phản ứng thường đòi hỏi nhiệt độ cao hơn Trong nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện phản ứng sử dụng 1.5 equiv p-anissidine trong thời gian 6 giờ ở các nhiệt độ 60 o C, 80 o C, và 100 oC Kết quả ở hình 18 cho thấy nhiệt độ cao giúp phản ứng xảy ra dễ dàng hơn Tuy nhiên việc thực hiện ở nhiệt độ cao dễ dẫn đến quá trình oxi hóa hoặc oligomer hóa arylamine

Do đó, nhiệt độ phản ứng 100 o C được sử dụng cho các khảo sát tiếp theo Tương tự như quá trình sử dụng cyclohexylamine, việc sử dụng dư p-anisidine có thể làm tăng tốc độ phản ứng đáng kể Phản ứng với tỉ lệ mol p-anisidine: 2,5-hexanedione lần lượt là 1,3: 1,0; 1,5: 1,0; và 1,7: 1,0 chỉ đạt độ chuyển hóa lần lượt là 46%, 73%, và 91% sau 6 giờ (Hình 19).

Trong khi đó, 2,5-hexanedione đã phản ứng hoàn toàn sau 4 h trong trường hợp thực hiện phản ứng với 2.0 equiv p-anisidine

Kết quả ở hình 20 cho thấy khi tăng chiều dài mạch alkyl trên cation dialkylimidazolium của chất lỏng ion, tốc độ phản ứng giảm đi đáng kể với độ chuyển hóa của 2,5-hexanedione chỉ đạt 85%, và 68% trong dung môi [HMIM]PF6, và [OMIM]PF6 Trong các nghiên cứu gần đây, phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr được xúc tác bởi các acid Bronsted hay Lewis đã được thực hiện thành công trong các dung môi khác nhau

Rahmatpour và các cộng sự đã sử dụng xúc tác GaCl3 tẩm trên polystyrene cho phản ứng giữa aniline và 2,5-hexanedione trong dung môi CH3CN ở điều kiện đun sôi hoàn lưu [30]

Trong một nghiên cứu khác, toluene được sử dụng như một dung môi hữu hiệu cho phản ứng Paal-Knorr sử dụng xúc tác dị thể IRMOF-3 [24]

[BMIM]PF6 Toluene DMF DMSO

Hình 20 Ảnh hưởng của chiều dài mạch alkyl trên ILs lên độ chuyển hóa phản ứng

Hình 21 Ảnh hưởng của các dung môi khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng

Hình 22 Nghiên cứu thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion [BMIM]PF 6 cho phản ứng giữa p- anisidine và 2,5-hexanedione

Chúng tôi đã tiến hành thực hiện phản ứng giữa p-anisidine và 2,5-hexanedione trong các dung môi khác nhau ở dùng điều kiện phản ứng Chất lỏng ion họ imdiazolium được xác định có độ phân cực tương tự với các dung môi như DMF, DMSO [41] Tuy nhiên, theo kết quả ở hình 21, chỉ có 29% và 48% 2,5-hexanedione phản ứng trong DMF và DMSO Tốc độ phản ứng trong [BMIM]PF6 nhanh hơn rõ rệt so với trường hợp thực hiện trong các dung môi còn lại Mặc dù chất lỏng ion họ 1-alkyl-3-methylimidazolium tạo môi trường trung tính nhưng có thể đóng vai trò như một xúc tác acid Bronsted rất yếu với H

Khả năng linh động trên nguyên tử C nằm giữa 2 nguyên tử N mang lại cho DMF đặc tính riêng biệt Đặc tính này chính là yếu tố then chốt thúc đẩy khả năng tăng tốc phản ứng của DMF so với các dung môi hữu cơ thông thường.

Dung dịch ion sau phản ứng được tái sử dụng trong các phản ứng tiếp theo để duy trì hiệu suất phản ứng cao Phản ứng Paal-Knorr được tiến hành ở nhiệt độ 100°C với tỷ lệ mol giữa 2,5-hexanedione và p-anisidine là 2,0:1,0 Phản ứng vẫn duy trì tỷ lệ chuyển hóa trên 95,5% trong dung dịch ion ở lần thứ 5 sử dụng.

Hình 23 Ảnh hưởng của các nhóm thế trên aniline lên độ chuyển hóa phản ứng

Hình 24 Ảnh hưởng của vị trí nhóm thế -OCH 3 trên aniline lên độ chuyển hóa phản ứng

Ngoài ra, chúng tôi cũng tiến hành khảo sát phản ứng Paal-Knorr của các amine thơm chứa nhóm thế hút electron, đẩy electron và nhóm thế -OCH3 ở những vị trí khác nhau trên vòng benzene Tương tự như các nghiên cứu trước đây, sự xuất hiện của nhóm đẩy electron như –OCH3, -CH3 trên vòng benzene làm tăng tốc độ phản ứng trong khi các nhóm hút electron như –Br làm phản ứng xảy ra khó khăn hơn Hoạt tính của các amine thơm trong phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr theo thứ tự giảm dần 4-methoxyaniline > 4- methylaniline > aniline > 4-bromoaniline Nhìn chung, các amine thơm có tính base càng yếu đòi hỏi điều khiện phản ứng càng khắc nghiệt hơn để hình thành những pyrrole tương ứng [22, 26] Đặc biệt, chúng tôi cũng nhận thấy rằng phản ứng của đồng phân p-anisidine có tốc độ cao hơn đáng kể so với các đồng phân o- và m-anisidine Thât vậy, phản ứng giữa 2,5-hexanedione với p-anisidine đạt độ chuyển hóa hoàn toàn chỉ sau 4 h trong khi chỉ đạt đến 20% và 8% đối với trường hợp của o- và m-anisidine Khi nhóm –OCH3 ở vị trí meta, hiệu ứng liên hợp làm tăng mật độ electron trên nguyên tử N bị phá vỡ do đó tốc độ phản ứng giảm đi rõ rệt Riêng đối với trường hợp của o-anisidine, theo một số nghiên cứu trước đây, nhóm thế ở vị trí ortho gây ra hiệu ứng không gian làm cản trợ khả năng phản ứng của anisidine với 2,5-hexanedione [22]

6 Kết luận và kiến nghị

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ nội dung đăng ký ban đầu Đề tài đã đạt được những kết quả cụ thể như sau:

• Sử dụng các chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate trên làm dung môi xanh cho phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine Phản ứng được thực hiện mà không cần sử dụng thêm một xúc tác acid khác Lần lượt khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên độ chuyển hóa của phản ứng Paal-Knorr này, bao gồm: (i) nhiệt độ phản ứng (ii) tỷ lệ mol giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine (iii) ảnh hưởng của chiều dài mạch alkyl trong cấu tạo chất lỏng ion 1- alkyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (iv) ảnh hưởng của các dẫn xuất amine bậc một khác nhau

• Phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa 2,5-hexanedione và cyclohexylamine ở 100 o C sử dụng tỷ lệ mol cyclohexylamine : 2,5-hexanedione = 1.7 : 1.0 trong chất lỏng ion [BMIM]PF6 có thể đạt độ chuyển hóa 95% sau 6 giờ

• Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng khảo sát phản ứng giữa 2,5-hexanedion và các amine thơm Phản ứng của p-anisidine có thể đạt độ chuyển hóa hoàn toàn ở 100 o C với tỷ lệ mol tác chất = 2.0 : 1.0 trong [BMIM]PF6 sau 6 h

Phản ứng Paal-Knorr diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn, với cation imidazolium có mạch alkyl ngắn hơn hoặc khi có nhóm đẩy điện tử trên amin thơm.