Khảo sát phản ứng chuyển vị Fries các Benzensulfonat Aril

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THỊ KIM NGÂN KHẢO SÁT PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ FRIES CÁC BENZENSULFONAT ARIL huyên ngành: Hóa Học Hữu C ơ ã số: 60 44 27 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC HỮU CƠ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS. TS. LÊ NGỌC THẠCH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2011 C M DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. PA Acetat phenil 2. PB Benzoat phenil 3. HAP hidroxiacetophenon 4. AAP 4-Acetoxiacetophenon (acetate 4-acetilphenil) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ HÌNH VẼ trang Hình 1.1: Ô mạng của khoáng sét và các kích th ướ c 24 Hình 1.2: Tấm tứ diện của lớp đất sét 25 Hình 1.3: Tấm bát diện của lớp đất sét 26 Hình 1.4: Cơ cấu lớp 1:1 27 Hình 1.5: Cơ cấu lớp 2:1 27 Hình 1.6: Tấm nhị-bát diện và tam-bát diện trong lớp 2:1 28 Hình 1.7: Sự xen kẽ đối xứng và ngẫu nhiên 2 loại lớp đất sét A, B 29 Hình 1.8: Bề mặt hidroxi và bề mặt siloxan của kaolinite 32 Hình 1.9: Sự tương tác của H 2 O với các bề mặt bát diện của lớp kaolinite 34 Hình 1.10: Các vị trí mép của kaolinite 34 Hình 1.11: Cơ cấu không gian của montmorillonite 36 ĐỒ THỊ Đồ thị 2.1 Hiệu suất phản ứng sulfonil hóa theo nhiệt độ (chiếu xạ vi sóng) 52 Đồ thị 2.2 Hiệu suất phản ứng sulfonil hóa theo thời gian (chiếu xạ vi sóng) 53 Đồ thị 2.3 Hiệu suất phản ứng sulfonil hóa theo bản chất nhóm thế para (chiếu xạ vi sóng) 55 Đồ thị 2.4 Hiệu suất 9a và 9 b theo nhiệt độ phản ứng (chiếu xạ vi sóng) 63 Đồ thị 2.5 Hiệu suất suất 9 a và 9 b theo thời gian (chiếu xạ vi sóng) 64 Đồ thị 2.6 Hiệu suất suất 9 a và 9 b theo tỉ lệ chất nền và xúc tác (chiếu xạ vi sóng) 66 Đồ thị 2.7 Hiệu suất phản ứng chuyển vị Fries theo bản chất nhóm thế para (chi ế u xạ vi sóng) 68 Đồ thị 2.8 Hiệu suất 9a và 9 b theo nhiệt độ phản ứng (đun nóng cổ điển) 72 Đồ thị 2.9 Hiệu suất suất 9 a và 9 b theo thời gian (đun nóng cổ điển) 74 Đồ thị 2.10 Hiệu suất suất 9 a và 9 b theo tỉ lệ chất nền và xúc tác (đun nóng cổ đi ể n) 75 Đồ thị 2.11 Hiệu suất phản ứng chuyển vị Fries theo bản chất nhóm thế para (đun nóng cổ điển) 77 SƠ ĐỒ Sơ đồ 2.1: Các phenol và sản phẩm benzensulfonat aril tương ứng 46 Sơ đồ 2.2: Quy trình thực hiện phản ứng ester hóa phenol bằng clorur benzensulfonil 48 Sơ đồ 2.3: Quy trình thực hiện phản ứng chuyển vị Fries 50 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng: trang Bảng 1.1: Phản ứng chuyển vị Fries của các phenil ester xúc tác bởi Hf(OTf) 4 . 9 Bảng 1.2: Phản ứng chuyển vị Fries của các naptil ester xúc tác bởi Sc(OTf) 3 . 9 Bảng 1.3: Phản ứng chuyển vị Fries của các naphtil ester xúc tác bởi Bi(OTf) 3 . 10 Bảng 1.4: Phản ứng chuyển vị Fries điều chế các (phenilsulfinil)phenol xúc tác AlCl 3 . 11 Bảng 1.5: Phản ứng chuyển vị của các p-toluensulfinat aril dưới điều kiện tối ư u. 12 Bảng 1.6: Phản ứng chuyển vị của các arensulfonat aril dưới sự chiếu xạ vi sóng xúc tác AlCl 3 -ZnCl 2 được tẩm trên silica gel. 12 Bảng 1.7: Phản ứng chuyển vị Fries của acetat phenil được xúc tiến bởi bột k ẽ m trong DMF dưới sự chiếu xạ vi sóng và đun nóng truyền thống. 13 Bảng 1.8: Phản ứng chuyển vị Fries của các orto-bromophenil ester xúc tác bởi sec- butillitium. 15 Bảng 1.9: Phản ứng chuyển vị Fries của các acetat phenil xúc tác bởi ZSM-5 c ả i tiến 17 Bảng 1.10: Phản ứng chuyển vị Fries của acetat phenil xúc tác bởi H 3 PW 12 O 40 (2 giờ) 17 Bảng 1.11: Phản ứng chuyển vị Fries của các phenil và 1-naptil ester ở 140 o C trong 5 giờ xúc tác bởi đất sét và đất sét biến tính .18 Bảng 1.12: Phản ứng chuyển vị Fries của các PB trong nitrobenzen đun hoàn l ư u trong 12 giờ xúc tác bởi Nafion 19 Bảng 1.13: Độ âm điện của một số nguyên tử phổ biến nhất trong khoáng sét. . 30 Bảng 1.14: Giá trị độ âm điện theo Sanderson của các khoáng sét cơ bản 30 Bảng 1.15: Điện tích trên các nguyên tử, tính theo EEM. 31 Bảng 2.1: Hiệu suất 9 theo nhiệt độ phản ứng (chiếu xạ vi sóng) 52 Bảng 2.2: Hiệu suất 9 theo thời gian (chiếu xạ vi sóng) 53 Bảng 2.3: Hiệu suất phản ứng theo bản chất nhóm thế para (chiếu xạ vi sóng) . 54 Bảng 2.4: Hiệu suất 9 theo các phương pháp kích hoạt khác nhau 56 Bảng 2.5: So sánh hiệu suất phản ứng sulfonil hoá của luận văn với các nghiên c ứ u trước đây 56 Bảng 2.6: Hiệu suất 9a và 9 b theo nhiệt độ phản ứng (chiếu xạ vi sóng) 62 Bảng 2.7: Hiệu suất suất 9 a và 9 b theo thời gian (chiếu xạ vi sóng) 64 Bảng 2.8: Hiệu suất 9a và 9 b theo tỉ lệ chất nền và xúc tác (chiếu xạ vi sóng) 65 Bảng 2.9: Hiệu suất phản ứng chuyển vị Fries theo bản chất nhóm thế para (chi ế u xạ vi sóng) 68 Bảng 2.10: Hiệu suất 9 theo các phương pháp kích hoạt khác nhau 70 Bảng 2.11: Hiệu suất 9 a và 9b theo nhiệt độ phản ứng (đun nóng cổ điển) 72 Bảng 2.12: Hiệu suất suất 9 a và 9 b theo thời gian (đun nóng cổ điển) 73 Bảng 2.13: Hiệu suất suất 9 a và 9 b theo tỉ lệ chất nền và xúc tác (đun nóng cổ đi ể n) 75 Bảng 2.14: Hiệu suất phản ứng theo bản chất nhóm thế para (đun nóng cổ đi ể n) 76 Bảng 2.15: So sánh hiệu suất phản ứng chuyển vị Fries của luận văn với các nghiên cứu trước đây 78 Bảng 2.16: Tái sử dụng xúc tác 79 Phản ứng chuyển vị Fries [21] là phản ứng rất nổi tiếng trong ngành hóa học hữu cơ. Bằng phương pháp này, hàng loạt các hidroxiaril ceton đã được tổng h ợ p thành công. Ngoài những áp dụng để điều chế các hidroxiaril ceton, phương pháp này còn được sử dụng trong việc tổng hợp các hidroxi và aminoaril sulfon [17]. Các hidroxiaril sulfon là tiền chất quan trọng trong việc tổng hợp nhiều loại hợp ch ấ t sulfur hữu cơ khác nhau [58]. Chúng được biết đến là chất khử trùng và được dùng như là thuốc diệt nấm và thuốc sát trùng [7]. Ngoài ra, chúng còn được dùng làm thuốc, chất trung gian dùng trong nông nghiệp [77], vật liệu chịu nhiệt [50] và tác nhân kháng virus [38]. Tuy nhiên, phản ứng chuyển vị Fries trên các chất nền sulfonat ester ch ư a được chú ý đến nhiều [46]. Phản ứng này có thể được thực hiện bằng cách đun nóng truyền thống [9] hoặc quang hóa [51]. Tuy nhiên, phản ứng phải xảy ra ở nhiệt độ cao, hiệu suất lại thấp. Khi đun nóng p-toluensulfonat phenil với AlCl 3 khan trong dung môi CS 2 thực hiện ở 140 o C trong 1.5 giờ, thu được 2- và 4-hidroxiphenil p- tolil sulfon với hiệu suất khoảng 40% [9]. Khi sử dụng montmorillonite trao đổi cation thay cho AlCl 3 khan thì hiệu suất phản ứng tăng, nhưng thời gian phản ứ ng kéo dài hơn (2-12 giờ), nhiệt độ cao 180 o C và sự điều chế xúc tác ban đầu đòi hỏi thao tác kĩ thuật phức t ạ p. Phản ứng chuyển vị quang hóa Fries trên các arensulfonat aril cũng thu đượ c hỗn hợp các sản phẩm và phenol, hiệu suất phản ứng thấp. Biswanath Das và F. M. Moghaddam [17] đã thực hiện phản ứng chuyển vị Fries các arensulfonat aril b ằ ng xúc tác acid truyền thống như AlCl 3 hoặc AlCl 3 -ZnCl 2 kích hoạt bằng vi sóng cho hiệu suất cao, thời gian phản ứng ng ắ n. Với ý tưởng sử dụng phương pháp kích hoạt xanh và xúc tác xanh trong hóa học hữu cơ, chúng tôi muốn khảo sát khả năng phản ứng của các benzensulfonat aril trên xúc tác montmorillonite K-10 dưới sự chiếu xạ vi sóng và đun nóng cổ đi ể n. Khảo sát phản ứng chuyển vị Fries của các benzensulfonat Luận văn Thạc Trang 1 TỒNG QUAN 1.1 SƠ LƯỢC VỀ ARENSULFONAT ARIL VÀ PHƯƠNG PHÁP T Ổ NG H Ợ P Các hợp chất diaril sulfon là những trung gian trong nhiều qui trình sản xu ấ t dược phẩm như tổng hợp thuốc kháng ung thư [24], điều chế polimer và sản xu ấ t các chất diệt nấm, diệt côn trùng [111]. Các diaril sulfon có thể điều chế bằng nhi ề u phương pháp, trong đó phản ứng chuyển vị Fries các arensulfonat aril là th ườ ng được sử dụng nhất [3]. Arensulfonat aril, chất nền để tổng hợp các diaril sulfon, được điều chế b ằ ng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp sulfonil hóa phenol bằng clorur arensulfonil là thông thường nhất [2,31,61]. Phản ứng sulfonil hóa các hợp ch ấ t phenol nhằm tổng hợp các arensulfonat aril thường được xúc tác bởi: piridin [24,63], Me 3 N.HCI [85], 1,4-diazabiciclo[2.2.2]octan (DABCO) [26], NaOH [22], Fe 3+ -montmorillonite [15], và các dị poliacid như AlPW 12 O 40 [20], Al 2 O 3 /MeSO 3 H [66]. Mặc dù có nhiều phương pháp tổng hợp đã được trình bày, sự sulfonil hóa phenol bởi clorur arensulfonil trong sự có mặt của baz vẫn được sử dụng nhiều b ở i tính hiệu quả và quá trình phản ứng đơn gi ả n. Phương pháp NaOH: Việc sử dụng baz NaOH được thực hiện bằng cách s ử dụng clorur arensulfonil với phenol với tỉ lệ mol phenol:clorur p- toluensulfonil:NaOH là 1:1.1:1, khuấy từ ở nhiệt độ không quá 15 o C trong 8 gi ờ . Phương pháp piridin: Hoặc với baz piridin thì tỉ lệ mol phenol:clorur p- toluensulfonil:piridin là 1:1:4, khuấy từ ở nhiệt độ không quá 20 o C trong 3 giờ 20 phút. Phương pháp piridin cho hiệu suất nói chung tốt hơn phương pháp NaOH. Phương pháp piridin-cloroform: Dùng cloroform làm dung môi hòa tan tác chất và chất nền, nên lượng piridin sử dụng ít hơn so với phương pháp piridin, phenol:clorur p-toluensulfonil:piridin là 1:1.5:2, khuấy từ ở 0 o C trong 2.5 gi ờ . Năm 1995, các tác giả [48] thực hiện điều chế các arensulfonat aril trong đi ề u kiện xúc tác (4,4-dimetilamino)piridin (DMAP). Tỉ lệ phenol:clorur arensulfonil:xúc tác là 1:1:0.02 trong dung môi là piridin khan (dùng với lượng th ừ a 15 mol), đun hoàn l ư u. Năm 2006, các tác giả R. Fazaeli và cộng sự [20] thực hiện phản ứng tosil hóa các phenol bởi clorur p-toluensulfonil sử dụng các dị poliacid làm chất xúc tác (H 3 PW 12 O 40 , H 3 PWo 12 O 40 , AlPW 12 O 40 , và AlPWo 12 O 40 ) không sử dụng dung môi, với tỉ lệ mol phenol:clorur p-toluensulfonil:xúc tác là 1:0.03:1.2 ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, các xúc tác này đắt tiền, nên việc sử dụng ở Việt Nam bị hạn ch ế . Năm 2008, G.A. Meshram và cộng sự [42] thực hiện phản ứng sulfonil hóa các phenol với xúc tác là CuO trong điều kiện êm dịu, giá thành xúc tác rẻ và độ chọn lọc cao. Tỉ lệ mol phenol:clorur p-toluensulfonil:xúc tác là 2:2:0.1 dung môi acetonitril ở nhiệt độ phòng. 1.2 PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ FRIES Phản ứng chuyển vị Fries được đặt tên theo nhà hóa học Karl Theophil Fries, là phản ứng chuyển vị của các aril ester thành các acilphenol. Phản ứng chuyển v ị Fries là một dạng đặc biệt của phản ứng Friedel-Crafts, được dùng để điều chế các hidroxi ceton hương phương [72]. Với sự hiện diện của acid Brønsted hoặc acid Lewis (AlCl 3 , ZnCl 2 , FeCl 3 ,…), các aril ester biến đổi thành orto- và (hoặc) para-acilphenol [5]. 1.2.1 Cơ chế của phản ứng chuyển vị Fries Phản ứng được xúc tác bởi lượng thừa acid Brønsted hoặc acid Lewis, do có sự hình thành phức với cả chất nền ban đầu và sản ph ẩ m. Phản ứng chuyển vị Fries có thể xảy ra theo 2 cơ chế: cơ chế liên phân tử và cơ chế nội phân t ử . 1.2.1.1 Cơ chế liên phân tử Chuyển vị Fries là một phản ứng liên phân tử, gồm có một sự giải li và một sự tái súc hợp [5]. AlCl 3 AlCl 3 O O O O O O AlCl 3 CH 3 CH 3 CH 3 AlCl 3 O O CH 3 AlCl 3 O O C CH 3 O C CH 3 AlCl 3 O CH 3 O H + AlCl 3 H 2 O CH 3 OH CH 3 OH O H O O H 3 C O Một phức chất giữa acetat phenil và acid Lewis được tạo thành trong giai đoạn đầu. Kế đó, sự giải ly phức chất này sản xuất ion acetilium thân điện tử, và ion acetilium súc hợp lại với nhân hương phương, tại vị trí orto và para, cũng giống như trong sự acetil hóa Friedel – Crafts. Thông thường, ở nhiệt độ thấp, sản phẩm para được ưu đãi, và nhiệt độ cao trợ giúp sự tạo thành đồng phân orto. Điều này có thể giải thích như sau: Đồng phân para tạo thành nhanh hơn (kiểm soát động học), nhưng đồng phân orto bền h ơ n (kiểm soát nhiệt động học) nhờ có một nối hidrogen nội phân tử. Do đó, sản ph ẩ m orto và para có thể tách rời bằng phương pháp chưng cất hơi n ướ c. [...]... COCH3 COCH3 H3O+ H 1.2.1.3 Phản ứng chuyển vị quang hóa Fries Ngoài phản ứng chuyển vị Fries thông thường cần có sự xúc tác của acid, phản ứng Fries còn được xúc tác bởi ánh sáng, được gọi là phản ứng chuyển vị quang hóa Fries Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc tự do, được nghiên cứu đầu tiên bởi hai tác giả Anderson và Reese vào năm 1960 [10] Tuy nhiên, phản ứng chuyển vị quang hóa Fries cho hiệu suất thấp... 1.2.1.4 Phản ứng chuyển vị Fries theo cơ chế anion Phản ứng chuyển vị Fries theo cơ chế anion lần đầu tiên được công bố bởi tác giả Melvin năm 1981 [41] Phản ứng này được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp sản xuất dược phẩm và được phát triển mạnh bởi Snieckus và cộng sự [49] Phản ứng chuyển vị Fries theo cơ chế anion của Snieckus trên các carbamat aril là cách thức hiệu quả cho sự thế vào vị trí... ứng chuyển vị Fries của các arensulfonat aril Các hidroxi diaril sulfon có thể được điều chế bằng phản ứng chuyển vị Fries dưới sự tác động của nhiệt độ cao hoặc quang hóa Năm 1953, Aleykutty [9] và cộng sự thực hiện phản ứng chuyển vị Fries trên chất nền p-toluensulfonat phenil với AlCl3 khan, trong dung môi CS2 trong 1.5 giờ Năm 1966, phản ứng Fries quang hóa trên chất nền arensulfonat aril cũng được... cơ có giá trị cao như tốc độ phản ứng nhanh, hiệu suất cao hơn, tính chọn lọc tốt hơn và thao tác thực hiện dễ dàng hơn Các tác giả thực hiện phản ứng chuyển vị Fries của các arensulfonat aril dưới các điều kiện thân thiện với môi trường cùng sự chiếu xạ vi sóng xúc tác AlCl3-ZnCl2 được tẩm trên silica gel [46] (bảng 1.6) Bảng 1.6: Phản ứng chuyển vị của các arensulfonat aril dưới sự chiếu xạ vi sóng... hoặc phản ứng chuyển vị Acid metansulfonic [65] tẩm trên alumin được sử dụng để tổng hợp các ohidroxiarilketon bằng cách acil hóa các dẫn xuất của phenol và naptol với acid carboxilic và chuyển vị Fries các ester của phenol O OH R 3 OH CH SO H/Al O 3 3 2 3 CH SO H/Al O 3 R 3 4 1400C/5 -120 min O R OH 1 3 3 R R R 2 1600C/5 -180 min 2 R2 3 R4 R 60 - 92% 60 - 93% R4 O O R 2 1 1 R 1.2.3 Phản ứng chuyển vị. .. 20 5 5 64 60 62 76 82 11 Kết quả của phản ứng chuyển vị Fries của 1-naptil ester xúc tác bởi triflat scandium (5% mol) được trình bày trong bảng 1.2 Phản ứng cũng xảy ra một cách dễ dàng trong toluen ở 100 oC trong 6 giờ tạo 1-hidroxi-2-naptil ceton với sự chọn lọc cao Hiệu suất phản ứng đạt được cao hơn khi dùng AlCl3 [73] Bảng 1.2: Phản ứng chuyển vị Fries của các naptil ester xúc tác bởi Sc(OTf)... hoạt phản ứng bằng cách truyền thống Bột kẽm sau phản ứng có thể được thu hồi, tái sử dụng sau khi rửa với dietil eter 1.2.2.4 sec-Butillitium [43,70] Phản ứng chuyển vị Fries có sự chọn lọc vị trí orto được xúc tác bởi kim loại đã được báo cáo, bắt đầu từ các orto-bromophenil và sec-butillitium ester [43] Phản ứng được thực hiện ở -95 oC với tetrahidrofuran:dietil eter:hexan (tỉ lệ 4:1:1) bằng các. .. phản ứng chuyển vị Fries được thực hiện trong sự hiện diện của triflat kim loại chuyển tiếp như một hệ đồng thể cho hiệu quả xúc tác cao, độc tính thấp, an toàn với môi trường Tuy nhiên, giá thành của xúc tác rất cao làm giới hạn giá trị sử dụng của nó Bi(OTf)3.4H2O [54] cũng được sử dụng như một xúc tác có hoạt tính tốt cho phản ứng chuyển vị Fries của các PA để tạo các 2-hidroxiaril ceton Trong phản. .. sec-BuLi H O+ 3 1.2.2 Xúc tác dùng trong phản ứng chuyển vị Fries Qua nghiên cứu một số lượng lớn các bài báo liên quan đến phản ứng chuyển vị Fries được xúc tiến bởi cả xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể, vấn đề cơ chế của phản ứng này được làm sáng tỏ hơn nhiều Để giúp người đọc có thể rút ra được những kết luận rõ ràng nhất từ những mâu thuẫn về cơ chế phản ứng trước đây, chúng tôi tổng kết lại những... S O2 Thời gian phản ứng được tối ưu sau nhiều thí nghiệm Hiệu suất phản ứng dựa trên sản phẩm được cô lập 1.2.2.3 Kim loại Phản ứng chuyển vị Fries sử dụng bột kẽm là một xúc tác không độc hại và không đắt được kích hoạt bằng vi sóng thu được kết quả đáng chú ý [56] O OH OH O O 1 mol Zn 0.5 mol DMF 1 80 0C, 0.5-7 h 2 MW (480 W), 80 0C, 2.25-23 phút R R R O Bảng 1.7: Phản ứng chuyển vị Fries của acetat . phòng. 1.2 PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ FRIES Phản ứng chuyển vị Fries được đặt tên theo nhà hóa học Karl Theophil Fries, là phản ứng chuyển vị của các aril ester thành các acilphenol. Phản ứng chuyển v ị Fries. 1.2: Phản ứng chuyển vị Fries của các naptil ester xúc tác bởi Sc(OTf) 3 . 9 Bảng 1.3: Phản ứng chuyển vị Fries của các naphtil ester xúc tác bởi Bi(OTf) 3 . 10 Bảng 1.4: Phản ứng chuyển vị Fries. muốn khảo sát khả năng phản ứng của các benzensulfonat aril trên xúc tác montmorillonite K-10 dưới sự chiếu xạ vi sóng và đun nóng cổ đi ể n. Khảo sát phản ứng chuyển vị Fries của các benzensulfonat