nghiên cứu thực hiện phản ứng heck hình thành liên kết carbon-carbon trong điều kiện hóa học xanh

Sau khi thực hiện phản ứng, xúc tác bentonite biến tính được lọc rửa nhiều lần bằng các dung môi hữu cơ để loại các tác chất và sản phẩm bám trên xúc tác, sau đó được sử dụng lại cho phả

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO NGHIỆM THU

(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu)

NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK HÌNH THÀNH LIÊN KẾT CARBON-

CARBON TRONG ĐIỀU KIỆN

HÓA HỌC XANH

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

(Ký tên)

CƠ QUAN QUẢN LÝ CƠ QUAN CHỦ TRÌ

(Ký tên/đóng dấu xác nhận) (Ký tên/đóng dấu xác nhận)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 06 / 2009

i

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính được điều chế theo phương pháp trao đổi

cation với dung dịch PdCl2, có hàm lượng palladium là 0,12 - 0,14 mmol/g (ICP-MS)

Hoạt tính xúc tác được đánh giá thông qua phản ứng ghép đôi Heck giữa các dẫn xuất

aryl halide và styrene để hình thành sản phẩm là các hợp chất họ stilbene Phản ứng được

thực hiện ở hàm lượng xúc tác 0,5 mol%, có mặt base là Na2CO3, ở nhiệt độ 120 oC đối

với trường hợp dẫn xuất của iodobenzene, và ở nhiệt độ 140 oC đối với trường hợp các

dẫn xuất của bromobenzene Các phản ứng đạt độ chuyển hóa cao mà không cần phải sử

dụng thêm các ligand họ phosphine độc hại Các nhóm thể hút điện tử có mặt trên vòng

benzene của các dẫn xuất aryl halide sẽ làm tăng tốc độ phản ứng ghép đôi Heck Sau khi

phản ứng kết thúc, xúc tác được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng bằng phương

pháp lọc hoặc ly tâm, và tái sử dụng cho phản ứng tiếp theo mà hoạt tính không giảm

đáng kể Bên cạnh đó, tốc độ phản ứng Heck sử dụng xúc tác bentonite biến tính tăng

một cách đáng kể khi có sự hỗ trợ của vi sóng

Các chất lỏng ion 1-butyl-, 1-hexyl-, và 1-octyl-3-methylimidazolium bromide

được tổng hợp từ phản ứng giữa n-butyl-, n-hexyl-, và n-octyl bromide và

N-methylimidazole trong điều kiện vi sóng, được nhận danh bằng phương pháp 1H kết hợp

với 13C NMR, và MS Các chất lỏng ion này được sử dụng làm dung môi xanh cho phản

ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene trong điều kiện vi sóng để hình thành

sản phẩm chính là các hợp chất trans-stilbene Trong điều kiện này, tốc độ phản ứng

ghép đôi tăng một cách đáng kể, đạt độ chuyển hóa tổng cộng khoảng 99% chỉ trong thời

gian 2.5 - 3 phút, cao hơn độ chuyển hóa đạt được sau 7 h trong điều kiện gia nhiệt thông

thường Đặc biệt, phản ứng Heck thực hiện với sự hỗ trợ của vi sóng xảy ra mà không

cần phải sử dụng thêm các ligand phosphine đắt tiền và độc hại, trong khi đó phản ứng

tương tự thực hiện trong điều kiện gia nhiệt thông thường xảy ra khó khăn khi không có

mặt phosphine Kết hợp xúc tác bentonite biến tính với chất lỏng ion làm dung môi xanh,

hàm lượng palladium cần sử dụng giảm một cách đáng kể so với trường hợp sử dụng xúc

tác đồng thể là PdCl2 hoặc Pd(OAc)2 Bên cạnh đó, hệ chất lỏng ion - xúc tác palladium

có thể được thu hồi và tái sử dụng mà không cần phải bổ sung thêm nguồn palladium

SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

Modified Binh Thuan bentonite catalyst was prepared by exchanging with

aqueous solution of PdCl2, affording a catalyst loading of 0.14 mmol of Pd/g (ICP-MS)

The Pd2+-exchanged bentonite catalyst was assessed for its activity in the the Heck

cross-coupling reaction between several aryl halide derivatives and styrene to form stilbenes as

principal products The reaction was performed using 0.5 mol% catalyst at 120 oC for

iodobenzene derivatives and 140 oC for bromobenzene derivartives in

dimethylformamide (DMF) and in the presence of Na2CO3 as a base, with stilbenes being

formed in excellent conversions (GC) without added phosphine ligands A favourable

effect of electron-withdrawing substituents on benzene ring was observed for the

cross-coupling reaction The modified bentonite catalyst could be facilely separated from the

reaction mixture by centrifugation or simple filtration, and could be reused in subsequent

reactions without significant degradation in activity It was also observed that the reaction

rate was dramatically enhanced in the presence of microwave irradiation

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 Heck cross-coupling reaction between several aryl

halides and styrene under microwave irradiation to form trans-stilbenes as the principal

products Using the ionic liquid as the reaction solvent in conjuction with microwave

irradiation, the reaction rate was dramatically enhanced, with 99% conversion being

achieved within 2.5 - 3 minutes, compared to conversions obtained after 7 hours under

conventional conditions Interestingly, the Heck reaction in the ionic liquid under

microwave irradiation could afford qualitative conversions without the presence of any

triphenylphosphine, while the corresponding reaction under conventional heating

proceeded with difficulty in the absence of phosphine ligand Using the modified Binh

Thuan betonite in conjunction with ionic liquids as green solvents, the palladium

concentration necessary for the reaction could be decreased significantly Furthermore,

the ionic liquid - Pd2+ system could be reused in subsequent reaction without significant

degradation in activity

iii

BÁO CÁO NGHIỆM THU Tên đề tài: Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck hình thành liên kết

carbon-carbon trong điều kiện hóa học xanh

Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Thanh Sơn Nam

Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM

Thời gian thực hiện đề tài: 07/2008 – 07/2009

Kinh phí được duyệt: 282 triệu đồng

Mục tiêu (theo đề cương đã duyệt):

Thực hiện các phản ứng ghép đôi carbon - carbon Heck của các dẫn xuất

halobenzene và styrene trong một số điều kiện hóa học xanh (green chemistry) Đây là

loại phản ứng mới đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên thế giới nhưng ở Việt

Nam vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu và vẫn chưa được đưa vào giảng dạy chi tiết tại

các trường đại học Mục tiêu cụ thể của đề tài là:

- Nghiên cứu sử dụng bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác rắn cho phản ứng, nhằm

tận dụng được nguồn khoáng sét tự nhiên có sẵn trong nước làm xúc tác mà không cần

phải sử dụng các xúc tác phức có chi phí cao

- Nghiên cứu thực hiện phản ứng trong dung môi là chất lỏng ion (ionic liquid) - là một

trong những loại dung môi xanh (green solvent) đang được quan tâm trên thế giới, nhằm

khắc phục những khuyết điểm của các dung môi hữu cơ thông thường

Nội dung (theo đề cương đã duyệt):

• Bentonite nguyên khai được lấy từ mỏ Bình Thuận do Sở Khoa Học Công Nghệ &

Môi Trường Tỉnh Bình Thuận cung cấp Tiến hành sơ chế và tinh chế bentonite Bình

Thuận để loại đất cát, các khoáng calcium … Bentonite sau khi sơ chế được hoạt hóa

bằng dung dịch acid HCl để loại các kim loại nằm giữa các lớp cấu trúc

montmorrilonite như Ca, Mg, Na, K … Sau giai đoạn hoạt hóa sẽ thu được bentonite

chứa proton giữa các lớp mạng cấu trúc

• Tiến hành trao đổi bentonite hoạt hóa với dung dịch PdCl2 để thay thế các proton giữa

các lớp cấu trúc bằng cation Pd2+, thu được xúc tác Pd rắn

• Xác định các đặc trưng của xúc tác điều chế được như hàm lượng Pd có trong xúc tác

bentonite biến tính, bề mặt riêng của bentonite hoạt hóa và của xúc tác, đo độ acid

của bentonite hoạt hóa và của xúc tác, phân tích phổ nhiễu xạ tia X và so sánh với các

mẫu montmorrilonite chuẩn

• Nghiên cứu sử dụng xúc tác bentonite biến tính với Pd2+ điều chế được cho phản ứng

Heck giữa iodobenzene và styrene Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên độ chuyển hóa

của phản ứng như: loại dung môi hữu cơ sử dụng cho phản ứng Heck (DMF, xylene,

alcohol …), loại base sử dụng cho phản ứng Heck (Na2CO3, CH3COONa,

triethylamine …), nhiệt độ phản ứng (80 – 120 oC), hàm lượng xúc tác (0.1 – 1 mol%

so với iodobenzene), thời gian phản ứng

• Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác bentonite biến tính cho phản ứng

Heck giữa iodobenzene và styrene Sau khi thực hiện phản ứng, xúc tác bentonite

biến tính được lọc rửa nhiều lần bằng các dung môi hữu cơ để loại các tác chất và sản

phẩm bám trên xúc tác, sau đó được sử dụng lại cho phản ứng Heck với các điều kiện

tương tự như phản ứng sử dụng xúc tác mới So sánh độ chuyển hóa của phản ứng

trong trường hợp xúc tác thu hồi với xúc tác mới

• Thực hiện phản ứng Heck giữa các dẫn xuất của iodobenzene có mang nhóm thế hút

điện tử (4-iodoacetophenone), hoặc mang nhóm thế đẩy điện tử (4-iodotoluene) với

styrene Từ đó so sánh ảnh hưởng của các hiệu ứng hút hay đẩy điện tử của các nhóm

thế lên độ chuyển hóa của phản ứng sử dụng xúc tác bentonite biến tính

• Thực hiện phản ứng ghép đôi giữa các dẫn xuất bromobenzene,

4-bromoacetophenone, 4-bromotoluene với styrene, sử dụng xúc tác bentonite biến tính

Ngoài ra, khảo sát hoạt tính của xúc tác bentonite biến tính trên phản ứng Heck của

một số dẫn xuất dị vòng như bromopyridine, bromothiophene

• Tổng hợp chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide bằng phản ứng giữa

1-bromohexane và N-methylimidazole, tinh chế chất lỏng ion, xác định các thông số

hoá lý của chất lỏng ion điều chế được

• Sử dụng chất lỏng ion điều chế được làm dung môi xanh cho phản ứng Heck giữa

iodobenzene và các dẫn xuất với styrene Xúc tác sử dụng cho phản ứng này là PdCl2

hoặc Pd(OAc)2 hoà tan trong chất lỏng ion Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên độ

chuyển hóa của phản ứng như nhiệt độ, tỷ lệ dung môi, hàm lượng xúc tác, thời gian

phản ứng

• Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion và xúc tác trong phản ứng

Heck giữa iodobenzene và styrene

• Kết quả nghiên cứu sử dụng chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide làm

dung môi cho phản ứng Heck giữa iodobenzene và dẫn xuất với styrene sẽ làm tiền đề

cho các đề tài tiếp theo về việc sử dụng các loại chất lỏng ion khác nhau làm dung

môi xanh cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ khác nhau

Các thành viên tham gia thực hiện đề tài:

1 TS Phan Thanh Sơn Nam 7 ThS Ngô Thị Thanh An

2 TS Tống Thanh Danh 8 ThS Phan Thị Mỹ Dung

3 ThS Phan Thị Hoàng Anh 9 KS Nguyễn Việt Thịnh

4 ThS Lê Xuân Tiến 10 KS Nguyễn Thị Hoài Ân

5 KS Trương Vũ Thanh 11 KS Nguyễn Thị Mỹ Hiền

6 ThS Bùi Thị Hồng Hương 12 KS Vương Quang Thạo

Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM

v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DMF Dimethylformamide Pd(OAc)2 Palladium acetate

NMR Cộng hưởng từ hạt nhân

MS Khối phổ

GC Sắc ký khí AAS Quang phổ hấp thu

NMR Cộng hưởng từ hạt nhân XRD Nhiễu xạ tia X

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Kính hiển vi điện tử quét

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene 1

Hình 1.2 Cơ chế tổng quát của phản ứng Heck 2

Sơ đồ 2.2 Quy trình điều chế bentonite biến tính với Pd2+ 10

Sơ đồ 2.3 Quy trình thực hiện phản ứng tổng quát 11

Hình 2.1 Thực hiện phản ứng trong điều kiện gia nhiệt

thông thường

12

Hình 2.2 Thực hiện phản ứng trong điều kiện vi sóng 13

Sơ đồ 3.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất arylhalide với

styrene

18

Hình 3.1 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng lên độ chuyển hóa của

phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene

19

Hình 3.2 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng lên độ chuyển hóa của

phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và styrene

19

Hình 3.3 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hoá của phản ứng

Heck giữa iodobenzene và styrene

20

Hình 3.4 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hoá của phản ứng

Heck giữa 4-iodotoluene và styrene

21

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng

Heck giữa iodobenzene và styrene

21

Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng

Heck giữa 4-iodotoluene và styrene

22

Hình 3.7 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của

phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene

22

Hình 3.8 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của

phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và styrene

23

Hình 3.9 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck giữa

iodobenzene và styrene

23

Hình 3.10 Số lần thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck

giữa iodobenzene và styrene

24

Hình 3.11 Độ chọn lọc sản phẩm trans- trong quá trình thu hồi và tái

sử dụng xúc tác

24

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene lên độ

chuyển hóa của phản ứng Heck

25

vii

Hình 3.13 Độ chọn lọc của sản phẩm trans- trong phản ứng Heck 25

Sơ đồ 3.2 Giai đoạn cộng hợp oxy hóa (oxidative addition) quyết

định tốc độ phản ứng trong chu trình phản úng Heck

26

Hình 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng

Heck giữa bromobenzene và styrene

27

Hình 3.15 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hoá của phản ứng

Heck giữa bromobenzene và styrene

27

Hình 3.16 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của

phản ứng Heck giữa bromobenzene và styrene

28

Hình 3.17 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck giữa

bromobenzene và styrene

29

Hình 3.18 Độ chọn lọc của sản phẩm trans- trong phản ứng Heck

giữa bromobenzene và styrene

29

Hình 3.19 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene lên độ

chuyển hóa của phản ứng Heck của bromobenzene

30

Hình 3.20 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và

styrene trong điều kiện có hỗ trợ của vi sóng

31

Hình 3.21 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa bromobenzene và dẫn

xuất với styrene trong điều kiện có hỗ trợ của vi sóng

32

Hình 3.22 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa 2-bromothiophene,

3-bromothiophene, 3-bromopyridine với styrene trong điều

kiện có hỗ trợ của vi sóng

32

Hình 3.23 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck giữa

bromobenzene và styrene trong điều kiện vi sóng

33

Hình 3.24 Độ chọn lọc của sản phẩm trans- trong phản ứng Heck

giữa bromobenzene và styrene trong điều kiện vi sóng

33

Sơ đồ 3.3 Điều chế các chất lỏng ion 1-butyl-, 1-hexyl-, và

1-octyl-3-methylimidazolium bromide trong điều kiện có sự hỗ

trợ của vi sóng

34

Hình 3.25 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa của

phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene thực hiện

trong chất lỏng ion

38

Hình 3.26 Ảnh hưởng của tỷ lệ triphenylphosphine:palladium lên độ

chuyển hóa của phản ứng Heck giữa iodobenzene và

styrene thực hiện trong chất lỏng ion

38

Hình 3.27 Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene thực hiện

trong chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi sóng

40

Hình 3.28 Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene thực hiện

trong chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi sóng, lần lượt sử

dụng xúc tác Pd(OAc)2 và PdCl2

41

Hình 3.29 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa của 41

phản ứng Heck thực hiện trong chất lỏng ion với sự hỗ

trợ của vi sóng Hình 3.30 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa iodobenzene và dẫn

xuất với styrene trong chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi

sóng

42

Hình 3.31 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa iodobenzene,

bromobenzene, chlorobenzene với styrene trong chất lỏng

ion với sự hỗ trợ của vi sóng

43

Hình 3.32 Ảnh hưởng của chiều dài gốc alkyl lên độ chuyển hóa của

phản ứng Heck thực hiện trong chất lỏng ion với sự hỗ

trợ của vi sóng

44

Hình 3.33 Ảnh hưởng của chiều dài gốc alkyl lên độ chọn lọc của

sản phẩm trans trong phản ứng Heck thực hiện trong chất

lỏng ion với sự hỗ trợ của vi sóng

44

Hình 3.34 Thu hồi và tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác

trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene trong

điều kiện gia nhiệt thông thường

45

Hình 3.35 Thu hồi và tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác

trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene trong

điều kiện vi sóng

46

Hình 3.36 Số lần thu hồi và tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc

tác trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene với

sự hỗ trợ của vi sóng

46

Hình 3.37 Độ chọn lọc sản phẩm trans- trong quá trình thu hồi và tái

sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene với sự hỗ trợ của vi

sóng

47

Hình 3.38 Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene sử dụng xúc

tác bentonite biến tính thực hiện trong dung môi chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide với sự hỗ trợ

của vi sóng

48

Hình 3.39 Độ chuyển hóa phản ứng Heck giữa iodobenzene,

bromobenzene, chlorobenzene với styrene sử dụng xúc tác bentonite biến tính trong chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi

sóng

48

Hình 3.40 Ảnh hưởng của chiều dài gốc alkyl lên độ chuyển hóa của

phản ứng Heck sử dụng xúc tác betonite biến tính trong 3

chất lỏng ion với sự hỗ trợ của vi sóng

49

Hình 3.41 Độ chọn lọc sản phẩm trans- của phản ứng Heck sử dụng

xúc tác betonite biến tính trong 3 chất lỏng ion với sự hỗ

trợ của vi sóng

49

ix

Hình 3.42 Thu hồi và tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác

bentonite biến tính trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene trong điều kiện vi sóng

50

Hình 3.43 Độ chọn lọc sản phẩm trans trong quá trình thu hồi và tái

sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion và xúc tác bentonite biến tính trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene

trong điều kiện vi sóng

51

MỤC LỤC

Trang CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1

CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK VỚI XÚC TÁC

BENTONITE BÌNH THUẬN BIẾN TÍNH

2.1.2.3 Kiểm tra hoạt tính xúc tác trong phản ứng Heck 10

2.1.2.4 Xử lý kết quả 13

2.2 NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK TRONG DUNG

MÔI XANH LÀ CHẤT LỎNG ION

2.2.1 Nguyên liệu

14

14 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.2.1 Điều chế chất lỏng ion

15

15 2.2.2.2 Xác định cấu trúc của chất lỏng ion 15

2.2.2.3 Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck trong dung môi là chất

lỏng ion

15

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK VỚI XÚC TÁC

BENTONITE BÌNH THUẬN BIẾN TÍNH

3.1.1 Điều chế xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính với Pd2+

17

17

17 3.1.2 Phản ứng Heck của iodobenzene và dẫn xuất với styrene 17

3.1.2.1 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng 18

3.1.2.2 Ảnh hưởng của loại base được sử dụng 20

3.1.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 21

3.1.2.6 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene 25

3.1.3 Phản ứng Heck của bromobenzene và dẫn xuất với styrene 26

3.1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 26

3.1.3.2 Ảnh hưởng của loại base được sử dụng 27

3.1.3.5 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene 30

3.1.4 Phản ứng Heck thực hiện với sự hỗ trợ của vi sóng 30

3.2 NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK TRONG DUNG

MÔI XANH LÀ CHẤT LỎNG ION

34

xi

3.2.3 Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck trong dung môi là chất lỏng

ion trong điều kiện gia nhiệt thông thường

37

3.2.4 Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck trong dung môi là chất lỏng

ion trong điều kiện có sự hỗ trợ của vi sóng

39

3.2.5 Nghiên cứu khả năng thu hồi và tái sử dụng hệ dung môi chất lỏng

ion - xúc tác palladium trong phản ứng Heck

45

3.2.6 Nghiên cứu kết hợp xúc tác bentonite biến tính với chất lỏng ion

làm dung môi xanh cho phản ứng Heck

47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

I TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC

Phản ứng ghép đôi carbon-carbon (cross-coupling reactions) xây dựng bộ khung

carbon phức tạp từ những phân tử đơn giản nhờ vào các xúc tác kim loại chuyển tiếp đã

và đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của cộng đồng các nhà khoa học trong những năm

vừa qua [1] Trong đó, các phản ứng ghép đôi carbon-carbon Heck giữa các dẫn xuất

haloarene và các alkene đầu mạch chứa nhóm thế hút điện tử liên kết trực tiếp với liên kết

đôi (hình 1.1) được xem là một trong những loại phản ứng quan trọng nhất, được ứng

dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất dược phẩm, sản xuất các hoá chất cao cấp cũng

như các vật liệu kỹ thuật có tính năng cao [2] Ví dụ phản ứng ghép đôi Heck là một giai

đoạn trong quá trình điều chế dược phẩm CP-724,714 (quinazoline) [3] - là dược phẩm

có khả năng ngăn ngừa bệnh ung thư, hoặc trong quá trình điều chế dược phẩm

BMS-204352 - là dược phẩm có khả năng chống đột qụy [4] Phản ứng ghép đôi Heck cũng là

một hay nhiều giai đoạn trong quá trình điều chế một số dược phẩm khác có cấu trúc

phức tạp dựa trên cơ sở các hoạt chất có nguồn gốc tự nhiên như rosavin và dẫn xuất [5],

resveratrol và dẫn xuất [6] Phản ứng ghép đôi Heck cũng là một hay nhiều giai đoạn

trong quá trình tổng hợp một số loại thuỷ tinh hữu cơ hoặc polymer dẫn điện có tính năng

đặc biệt [7] Ngoài ra, rất nhiều quá trình điều chế những dược phẩm quan trọng khác

cũng như những hợp chất trung gian có giá trị cần sử dụng đến phản ứng ghép đôi Heck

trans-isomer geminal-isomer cis-isomer

Hình 1.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene

Các xúc tác truyền thống sử dụng cho phản ứng ghép đôi Heck là các phức

phosphine palladium đồng thể Các xúc tác phức này có hoạt tính và độ chọn lọc cao [1]

Cơ chế phản ứng Heck tổng quát của trường hợp sử dụng xúc tác phức phosphine

palladium đồng thể cũng đã được đề nghị (hình 1.2) Chu trình phản ứng Heck gồm có

các giai đoạn tổng quát như sau: (i) cộng hợp oxy hóa (oxidative addition), (ii) cộng hợp

kiểu syn (syn-addition), (iii) quay nội phân tử và tách loại kiểu syn (internal rotation and

syn-elimination) Sản phẩm chính của phản ứng Heck luôn luôn là đồng phân dạng

trans- (hoặc dạng E-) bền, sản phẩm phụ của phản ứng có thể là đồng phân cis- hoặc

đồng phân geminal-, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể [8] Tuy nhiên tương tự như các

xúc tác đồng thể khác, các xúc tác phức phosphine palladium có nhược điểm là khó tách

ra khỏi hỗn hợp sản phẩm, không có khả năng thu hồi và tái sử dụng Vấn đề sản phẩm bị

nhiễm vết kim loại nặng là một vấn đề quan trọng cần phải giải quyết triệt để của ngành

công nghiệp hóa dược Ngoài ra, phosphine là loại hóa chất có độc tính cao và có chi phí

cao, không thể thu hồi và tái sử dụng

Hình 1.2 Cơ chế tổng quát của phản ứng Heck

Trong nhiều trường hợp, chi phí dành cho phosphine và xử lý các vấn đề liên

quan đến phosphine cao hơn chi phí dành cho palladium [8] Để giải quyết vấn đề này

trong bối cảnh hóa học xanh đang được quan tâm, với tiêu chí tìm ra những loại xúc tác

xanh hơn và sạch hơn cho phản ứng ghép đôi Heck, nhiều loại xúc tác trên chất mang rắn

đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu Xúc tác trên chất mang rắn

có ưu điểm dễ tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng và có khả năng tái sử dụng, cũng như giải

quyết được vấn đề sản phẩm phản ứng bị nhiễm vết kim loại nặng, đáp ứng được một tiêu

chí của hóa học xanh Hàng năm, hàng trăm bài báo về nhiều khía cạnh khác nhau của

phản ứng ghép đôi Heck, đặc biệt là vấn đề liên quan đến xúc tác, đã được công bố trên

các tạp chí chuyên ngành có uy tín Ở đây chỉ giới thiệu một số công trình tiêu biểu được

công bố trong thời gian gần đây

Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm là cố định các phức

palladium lên các chất mang silica làm xúc tác rắn cho phản ứng ghép đôi Heck Nhóm

tác giả Mingzhong Cai và cộng sự [9] đã nghiên cứu điều chế xúc tác rắn trên cơ sở phức

poly(γ-mercaptopropylsiloxane palladium) từ γ-mercaptopropyltriethoxysilane, qua giai

đoạn cố định lên silica MCM-41, sau đó là giai đoạn phản ứng với palladium chloride và

khử bằng hydrazine hydrate Xúc tác rắn điều chế được có hoạt tính và độ chọn lọc cao

trong phản ứng ghép đôi Heck giữa các alkene liên hợp và aryl halide, và có khả năng thu

hồi và tái sử dụng mà hoạt tính xúc tác giảm không đáng kể Nhóm tác giả Garima Singh

và cộng sự [10] đã nghiên cứu điều chế phức palladium họ (P,P) hay (P,N), sau đó cố

định lên silica gel làm xúc tác rắn cho phản ứng Heck giữa aryl bromide, aryl iodide và

dẫn xuất với styrene, acrylic acid và dẫn xuất Các phản ứng có độ chọn lọc cao, chỉ cho

chủ yếu sản phẩm dạng trans- Xúc tác rắn có thể tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng,

2

có thể thu hồi và tái sử dụng khoảng 15 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm đáng kể

Tương tự như vậy, nhóm nghiên cứu của tác giả Özge Aksın và cộng sự [11] cũng đã

điều chế xúc tác phức Pd-N-heterocyclic carbenes cố định trên chất mang silica gel và sử

dụng cho phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene Tuy nhiên nghiên cứu

cho thấy xúc tác không bền trong quá trình phản ứng, mặc dù bản thân xúc tác bền với

nhiệt độ

Cũng sử dụng các xúc tác phức cố định trên chất mang silica, một số công bố gần

đây tập trung nghiên cứu sử dụng xúc tác silica dạng nano cho phản ứng Heck Xúc tác

dạng nano được quan tâm nhờ kết hợp được các ưu điểm của xúc tác đồng thể và các ưu

điểm của xúc tác dị thể Nhóm nghiên cứu của tác giả Vivek Polshettiwar và cộng sự [12]

đã điều chế các xúc tác phức palladium trên cơ sở pyridine bằng cách sử dụng

N,N-dimethyl-pyridin-4-yl-(3-triethoxysilyl-propyl)-ammonium iodide cố định trên silica

dạng nano, sau đó xử lý với palladium acetate Xúc tác nano điều chế có hoạt tính cao

trong phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide với styrene hoặc ester acrylate Xúc

tác có khả năng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng, thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt

tính xúc tác không giảm đáng kể Các tác giả Shikchya Tandukar và cộng sự [13] đã điều

chế xúc tác phức N-heterocyclic carbene-palladium (NHC-Pd) cố định trên chất mang

silica dạng nano, kích thước khoảng 10 nm và sử dụng cho phản ứng Heck Do xúc tác có

kích thước nano, sự tiếp xúc giữa tác chất và tâm hoạt động của xúc tác được cải thiện so

với các xúc tác rắn thông thường Xúc tác trên chất mang nano silica có khả năng thu hồi

và tái sử dụng nhiều lần

Một loại xúc tác palladium trên chất mang rắn cho phản ứng Heck đang được

quan tâm là xúc tác bao gồm các hạt palladium dạng nano được cố định trên chất mang

rắn Nhóm nghiên cứu của các tác giả Nicoletta Panziera và cộng sự [14] đã điều chế xúc

tác hạt nano palladium theo phương pháp hơi kim loại, cố định trên

polydimethylphosphazene Xúc tác điều chế được có hoạt tính cao trong phản ứng Heck

giữa iodobenzene và các acrylate ester, và hoạt tính của xúc tác này cao hơn so với các

xúc tác palladium thương mại khác dùng cho phản ứng Heck Xúc tác này tan được trong

dung môi của phản ứng là 1-methyl-2-pyrrolidinone, sau phản ứng được thu hồi bằng

phương pháp kết tủa bằng cách thêm một dung môi thứ hai Các tác giả Avelino Corma

[15] và cộng sự đã nghiên cứu điều chế xúc tác palladium cố định trên các ống carbon

nano đơn vách, làm xúc tác cho phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene Xúc tác

nano này có hoạt tính cao hơn so với các xúc tác palladium thương mại khác như

palladium mang trên than hoạt tính Nhóm nghiên cứu của các tác giả Michael A R

Meier và cộng sự [16] cũng đã nghiên cứu cố định các hạt palladium nano lên chất mang

copolymer của poly(ethylene oxide) và poly(e-caprolactone), sử dụng làm xúc tác cho

phản ứng Heck giữa 4-bromoacetophenone và styrene Xúc tác có hoạt tính cao, cho độ

chuyển hóa trên 99% ở hàm lượng xúc tác 0.1%, có khả năng thu hồi và tái sử dụng

Các xúc tác phức palladium sử dụng cho phản ứng Heck còn có thể cố định lên

các chất mang dạng polymer Nhóm nghiên cứu của các tác giả Patrick G Steel và cộng

sự [17] đã điều chế xúc tác phức N-heterocyclic carbene cố định trên chất mang rắn là

polymer Xúc tác được sử dụng cho phản ứng Heck giữa aryl halide và dẫn xuất, có hoạt

4

Một loại chất mang rắn được quan tâm sử dụng làm chất mang xúc tác là các loại

khoáng sét tự nhiên Các loại khoáng sét này được biến tính theo nhiều phương pháp

khác nhau để làm chất mang xúc tác cho nhiều loại phản ứng khác nhau, trong đó có các

phản ứng ghép đôi Heck Nhóm nghiên cứu của các tác giả Macarena Poyatos và cộng sự

[21] đã cố định một loạt các phức bis-carbene-pincer của palladium (II) trên một loại

khoáng sét thương mại là montmorillonite K-10 Xúc tác rắn được đánh giá hoạt tính

trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và dẫn xuất với styrene Cấu trúc của xúc tác

được xác định bằng các phương pháp phân tích hóa lý Xúc tác có hoạt tính cao, có khả

năng thu hồi và tái sử dụng 10 lần mà hoạt tính không giảm đáng kể Nhóm nghiên cứu

của các tác giả Zuhui Zhang và cộng sự [22] đã sử dụng khoáng sét diatomite làm chất

mang cho xúc tác palladium dạng nano, sử dụng làm xúc tác cho phản ứng Heck giữa các

dẫn xuất aryl halide với styrene và dẫn xuất Xúc tác có hoạt tính cao, có khả năng thu

hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm đáng kể

Nhóm nghiên cứu của chủ nhiệm đề tài và cộng sự [23] cũng đã nghiên cứu điều

chế phức palladium dạng salen, sau đó cố định lên chất mang là nhựa Merrifield trên cơ

sở polystyrene với liên kết ngang là divinylbenzene 2% Xúc tác phức palladium trên

chất mang polymer này có hoạt tính cao trong phản ứng ghép đôi Heck giữa

4-bromoanisole và dẫn xuất với styrene trong dung môi dimethylformalmide Xúc tác có

khả năng thu hồi và tái sử dụng 5 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm đáng kể Ngoài

ra, xúc tác này còn có hoạt tính cao, có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà

không giảm đáng kể hoạt tính trong phản ứng ghép đôi carbon-carbon khác là phản ứng

Suzuki [24] Hàng trăm công trình về xúc tác palladium trên chất mang rắn sử dụng cho

phản ứng Heck, các vấn đề cơ chế phản ứng, các vấn đề thu hồi và tái sử dụng xúc tác và

một số vấn đề liên quan được cũng đã được chủ nhiệm đề tài tóm tắt lại trong bài báo

tổng quan (review) đăng trên tạp chí Advanced Synthesis & Catalysis năm 2006 [1]

N R

Một lĩnh vực khác của việc nghiên cứu phản ứng ghép đôi Heck trong điều kiện

hóa học xanh là sử dụng chất lỏng ion (ionic liquid) làm dung môi xanh cho phản ứng

Các chất lỏng ion (ionic liquids) là những muối hữu cơ (hình 1.3) có nhiệt độ nóng chảy

thấp (thường gặp nhất là muối ammonium bậc bốn), thường tồn tại ở trạng thái lỏng ở

nhiệt độ thường Chất lỏng ion có một số tính chất đặc biệt mà các dung môi hữu cơ

thông thường không có, ví dụ chất lỏng ion không bay hơi, do đó so với các dung môi

hữu cơ thông thường thì chất lỏng ion không gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng

nhiều đến sức khoẻ người lao động cũng như hạn chế tối đa hiện tượng cháy nổ [25]

Chất lỏng ion còn có tính bền nhiệt cao, có thể thực hiện các phản ứng hữu cơ trong chất

lỏng ion ở nhiệt độ cao Ngoài ra chất lỏng ion còn có khả năng hoà tan nhiều hợp chất

hữu cơ, cơ kim … Những tính chất đặc biệt của chất lỏng ion đã và đang thu hút sự quan

tâm của các nhà khoa học trên thế giới, có hàng ngàn công trình nghiên cứu về chất lỏng

ion ở nhiều khía cạnh khác nhau [26] Chất lỏng ion được cho là một trong những dung

môi xanh (green solvent) cho tổng hợp hữu cơ, và có rất nhiều phản ứng hữu cơ đã được

thực hiện trong dung môi xanh này - trong đó các phản ứng ghép đôi carbon-carbon sử

dụng xúc tác là kim loại chuyển tiếp đang rất được quan tâm [27] Ở đây chỉ giới thiệu

một số công trình tiêu biểu công bố trong những năm gần đây

Nhóm nghiên cứu của các tác giả Ruihu Wang và cộng sự [28] đã thực hiện phản

ứng giữa 2-(2-pyridyl)imidazole với alkyl iodide ở 25 °C với sự có mặt của xúc tác base

hình thành sản phẩm 1-alkyl-2-(2-pyridyl)imidazole Tiếp tục phản ứng với alkyl hay

polyfluoroalkyl halide ở 100 °C, tiếp theo là giai đoạn trao đổi anion LiN(SO2CF3)2, hình

thành các chất lỏng ion tương ứng Kết quả nghiên cứu cho thấy các chất lỏng ion điều

chế được là dung môi rất tốt cho phản ứng Heck giữa các aryl halide với styrene và dẫn

xuất, với sự có mặt của xúc tác palladium chloride Hệ dung môi chất lỏng ion và xúc tác

palladium có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác không giảm

đáng kể Các tác giả Nasser Iranpoor và cộng sự [29] đã nghiên cứu điều chế chất lỏng

ion trên cơ sở imidazole – phosphinite, sử dụng làm dung môi cho phản ứng Heck giữa

các dẫn xuất aryl halide với styrene và n-butyl acrylate Hệ dung môi chất lỏng ion và

xúc tác palladium có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần trong phản ứng Heck nói

trên mà hoạt tính không giảm đáng kể Trong các phản ứng sử dụng dung môi chất lỏng

6

Bên cạnh các chất lỏng ion trên cơ sở imidazole, nhiều loại chất lỏng ion khác

được điều chế làm dung môi xanh cho phản ứng Heck Các tác giả Shenghai Li và cộng

sự [30] đã nghiên cứu điều chế chất lỏng ion trên cơ sở guanidine và acetic acid, sử

dụng làm dung môi cho phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene Xúc tác

được sử dụng cho quá trình này là palladium chloride, hoà tan trong chất lỏng ion Chất

lỏng ion ở đây vừa đóng vai trò là dung môi, vừa đóng vai trò một base, vừa đóng vai trò

làm ligand, ổn định xúc tác palladium Hệ chất lỏng ion và palladium chloride cho hoạt

tính cao trong phản ứng, và có khả năng thu hồi và tái sử dụng mà không giảm hoạt tính

đáng kể Nhóm nghiên cứu của các tác giả Vincenzo Calò và cộng sự [31] đã nghiên cứu

điều chế các chất lỏng ion tetrabutylammonium bromide hay acetate làm dung môi cho

phản ứng Heck Xúc tác sử dụng là phức palladium benzothiazolidene Các kết quả phân

tích hóa lý cho thấy trong điều kiện phản ứng, palladium được biến đổi về dạng hạt nano,

là xúc tác thật sự cho phản ứng ghép đôi Hệ xúc tác palladium trong chất lỏng ion cho

hoạt tính và độ chọn lọc cao

Các nghiên cứu gần đây quan tâm đến việc sử dụng chất lỏng ion trên chất mang

rắn, hoặc kết hợp xúc tác trên chất mang rắn với chất lỏng ion cho phản ứng Heck Các

tác giả Babak Karimi và cộng sự [32] đã nghiên cứu cố định hệ phức N-heterocyclic

carbene palladium/ionic liquid lên bề mặt silica Hệ phức palladium/ionic liquid được kết

hợp với dung môi NMP, sử dụng cho phản ứng Heck của 4-bromoanisole và dẫn xuất với

methyl acrylate Hệ xúc tác rất bền nhiệt, có thể sử dụng ở nhiệt độ 280 oC, có khả năng

thu hồi và tái sử dụng khoảng 4 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm đáng kể Các kết

quả phân tích TEM cho thấy sự xuất hiện của các hạt palladium kích thước nano Nhóm

nghiên cứu của các tác giả Xingang Xie và cộng sự [33] đã nghiên cứu điều chế chất lỏng

ion 1-octanyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, kết hợp xúc tác palladium trên chất

mang than hoạt tính, làm xúc tác cho phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide với

styrene và dẫn xuất Hệ xúc tác có thể thu hồi và tái sử dụng 5 lần mà không mất hoạt

tính đáng kể

Các tác giả Kumaravel Selvakumar và cộng sự [34] đã nghiên cứu sử dụng chất

lỏng ion là tributylammonium bromide làm dung môi cho phản ứng Heck giữa các dẫn

xuất aryl chloride và styrene, với sự có mặt của xúc tác phức monocarbenepalladium

Phản ứng ghép đôi trong điều kiện này cho hiệu suất cao Cần lưu ý là trong các dung

môi hữu cơ thông thường, các dẫn xuất aryl chloride thường tham gia phản ứng rất chậm

và trong nhiều trường hợp, phản ứng xảy ra không đáng kể Các tác giả Vincenzo Calo và

cộng sự [35] cũng nghiên cứu sử dụng chất lỏng ion tetrabutylammonium bromide cho

phản ứng Heck của một số dẫn xuất aryl bromide và aryl chloride Kết quả nghiên cứu

cho thấy phản ứng xảy ra với tốc độ nhanh hơn so với các dung môi hữu cơ thông

thường Xúc tác sử dụng trong trường hợp này là palladium dạng nano cố định trên chất

mang rắn là chitosan Hệ xúc tác có khả năng thu hồi và tái sử dụng

Bên cạnh các phản ứng ghép đôi Heck, rất nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ khác

được tiến hành trong dung môi xanh là chất lỏng ion Hàng năm, có hàng trăm công trình

Nhóm nghiên cứu của tác giả Ignacio López và cộng sự [39] đã điều chế chất lỏng

ion trên cơ sở imidazole, làm dung môi cho phản ứng đóng vòng Diels-Alder trong điều

kiện có sự hỗ trợ của vi sóng Phản ứng cho hiệu suất cao, dung môi có khả năng thu hồi

và tái sử dụng nhiều lần Các tác giả Xiang-Shan Wang và cộng sự [40] đã điều chế chất

lỏng ion [bmim+][BF4−] và sử dụng làm dung môi xanh cho phản ứng tổng hợp rất nhiều

dẫn xuất của N-arylquinoline bằng phản ứng ba thành phần trong một bình phản ứng

(one-pot) từ arylaldehyde, 3-arylamino-5,5- dimethylcyclohex-2-enone, và các hợp chất

methylene linh động bao gồm malononitrile, meldrum's acid, và 1,3-indenedione Các

phản ứng one-pot trong chất lỏng ion đều cho hiệu suất cao trên 99% mà không cần đi

qua giai đoạn tách và tinh chế sản phẩm trung gian, giảm được lượng chất thải cũng như

chi phí hóa chất cho quy trình Nhóm nghiên cứu của các tác giả Brindaban C Ranu và

cộng sự [41] đã điều chế chất lỏng ion 1-methyl-3-butylimidazolium hydroxide và sử

dụng làm dung môi, đồng thời dung môi có hoạt tính xúc tác cho phản ứng cộng hợp

Michael giữa các hợp chất methylene linh động với các hợp chất có nhóm carbonyl Các

phản ứng cho hiệu suất cao, và chất lỏng ion có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều

lần

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Như đã trình bày ở trên, các phản ứng ghép đôi carbon-carbon Heck đang được

cộng đồng hoá học trên thế giới quan tâm - đặc biệt là thực hiện các phản ứng này trong

những điều kiện hoá học xanh Tuy nhiên theo hiểu biết của chúng tôi, cho đến nay, ở

Việt Nam vẫn chưa có các công trình khoa học về các phản ứng ghép đôi quan trọng này,

đặc biệt là thực hiện trong điều kiện Hoá học xanh, được công bố trên các tạp chí chuyên

ngành hay các hội nghị khoa học Nhóm nghiên cứu của chúng tôi ở Trường Đại Học

Bách Khoa – ĐHQG Thành Phố Hồ Chí Minh đã bước đầu nghiên cứu thăm dò sử dụng

bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác cho phản ứng Heck giữa iodobenzene và

styrene dưới dạng một đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở (cấp trường) và bước đầu đã

có một số kết quả khả quan, mở ra một hướng nghiên cứu mới về việc tận dụng nguồn

khoáng sét tự nhiên có sẵn trong nước biến tính với palladium làm xúc tác cho phản ứng

ghép đôi Heck cũng như một số phản ứng ghép đôi khác [42]

8

Bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ đã

được các nhà khoa học trong nước nghiên cứu từ nhiều năm qua, đặc biệt là nhóm nghiên

cứu của tác giả Ngô Thị Thuận ở Đại học Quốc gia Hà Nội Ở đây chỉ giới thiệu một số

công trình khoa học tiêu biểu của nhóm nghiên cứu này Các công trình của nhóm nghiên

cứu này tập trung vào việc trao đổi bentonite Bình Thuận với các kim loại như Fe3+, Al3+,

Zn2+… làm xúc tác acid rắn trong các phản ứng alkyl hoá hydrocarbon thơm [43] Cấu

trúc cũng như các đặc trưng của xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính cũng đã được

nghiên cứu [44] Một số vấn đề về cơ chế phản ứng alkyl hoá trên xúc tác bentonite biến

tính đã được nhóm nghiên cứu công bố [45] Các công trình nghiên cứu này cho thấy việc

sử dụng bentonite Bình Thuận biến tính làm xúc tác cho tổng hợp hữu cơ có nhiều điểm

thuận lợi, ví dụ vấn đề tách và tinh chế sản phẩm dễ dàng hơn, cũng như xúc tác rắn sẽ có

khả năng thu hồi và tái sử dụng tốt hơn, hạn chế lượng chất thải độc hại

Ngoài nhóm nghiên cứu của tác giả Ngô Thị Thuận, một số tác giả khác cũng tập

trung nghiên cứu về bentonite Bình Thuận dưới nhiều lĩnh vực khác nhau Tác giả Đặng

Tuyết Phương và cộng sự [46] đã công bố các nghiên cứu về cấu trúc, tính chất hóa lý và

các ứng dụng của bentonite Bình Thuận Việt Nam Nhóm nghiên cứu của tác giả Trần

Khắc Chương và cộng sự [47] đã nghiên cứu biến tính bentonite Bình Thuận với các

cation kim loại làm xúc tác acid rắn cho phản ứng Cracking dầu mỏ Nhóm nghiên cứu

của tác giả Trần Thị Việt Hoa và chủ nhiệm đề tài cũng có nghiên cứu sử dụng bentonite

Bình Thuận biến tính với các cation kim loại như Fe3+, Al3+, Zn2+… làm xúc tác acid rắn,

thay thế các acid Lewis và acid lỏng truyền thống, cho phản ứng alkyl hóa toluene với

nhiều tác chất alkyl hóa khác nhau [48, 49] Tuy nhiên, như đã nói ở trên, cho đến nay

vẫn chưa thấy công bố về việc sử dụng bentonite Bình Thuận biến tính với palladium làm

xúc tác cho phản ứng ghép đôi carbon-carbon Heck

Chất lỏng ion được cho là một trong những dung môi xanh (green solvent) cho

tổng hợp hữu cơ, và có rất nhiều phản ứng hữu cơ đã được thực hiện trong dung môi xanh

này - trong đó các phản ứng ghép đôi carbon-carbon sử dụng xúc tác là kim loại chuyển

tiếp đang rất được quan tâm Ở Việt Nam, việc thăm dò sử dụng chất lỏng ion xử lý dầu

diesel đã được nhóm nghiên cứu của tác giả Lê Ngọc Thạch và cộng sự ở Trường Đại

Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG TP Hồ Chí Minh thực hiện [50,51] Tuy nhiên cho đến

nay, ở Việt Nam vẫn chưa có các nghiên cứu về việc nghiên cứu sử dụng dung môi xanh

này trong tổng hợp hữu cơ công bố trên các tạp chí chuyên ngành

CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK VỚI XÚC TÁC

BENTONITE BÌNH THUẬN BIẾN TÍNH

2.1.1 Nguyên liệu

Bentonite nguyên khai được lấy từ mỏ Bình Thuận do Sở Khoa học Công nghệ

Tỉnh Bình Thuận cung cấp PdCl2 rắn được cung cấp bởi Công ty Kanto Chemical – Nhật

Bản Các hóa chất hữu cơ gồm có iodobenzene, 4-iodotoluene, 4-idoacetophenone,

bromobenzene, 4-bromotoluene, 4-bromoacetophenone, chlorobenzene, triethylamine,

styrene, trans-stilben, cis-stilben, DMF, triethylamine được cung cấp bởi Công ty

Sigma-Aldrich và Merck Các hóa chất khác bao gồm HCl đậm đặc, Na2CO3, CH3COONa,

toluene, rượu isoamyl, diethyl ether được cung cấp bởi Công ty Shantou Xiulong, Trung

Quốc Styrene được tinh chế bằng phương pháp chưng cất dưới áp suất thấp và bảo quản

ở 0 – 5 oC, tránh ánh sáng trực tiếp

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

2.1.2.1 Điều chế xúc tác

Sơ đồ 2.1 Quy trình tinh chế bentonite

Bentonite Bình Thuận được sơ chế và tinh chế theo quy trình đã công bố trước

đây của tác giả Ngô Thị Thuận và của nhóm nghiên cứu chúng tôi [43,44,48,49] Trong

đó, dựa trên các công bố của tác giả Ngô Thị Thuận [43,44], chúng tôi đã khảo sát ảnh

hưởng của các yếu tố lên quá trình tinh chế bentonite Bình Thuận, và tìm được các thông

số thực nghiệm thích hợp [48,49] Bentonite tinh chế được hoạt hoá bằng dung dịch HCl

10% với tỷ lệ rắn:lỏng là 1:22 (tính trên khối lượng khô tuyệt đối), khuấy liên tục ở 70 oC

trong 6 giờ Hỗn hợp sau đó đem lọc, rửa bằng nước cất cho đến hết ion Cl- (kiểm tra

bằng dung dịch AgNO3), sấy khô và nghiền mịn, thu được bentonite-H+ (Sơ đồ 2.1)

Bentonite-H+ được tiến hành trao đổi với dung dịch muối PdCl2 0,016 M với tỷ lệ

rắn lỏng là 1:8 (tính trên khối lượng khô tuyệt đối), khuấy liên tục ở 70 oC trong 24 giờ

Hỗn hợp sau khi trao đổi xong được đem lọc, rửa bằng nước cất cho đến hết ion Cl- (kiểm

tra bằng dung dịch AgNO3), sấy khô và nghiền mịn, rây qua rây 100 mesh, thu được xúc

tác bentonite-Pd2+, bảo quản trong bình hút ẩm (Sơ đồ 2.2)

Sơ đồ 2.2 Quy trình điều chế bentonite biến tính với Pd2+

2.1.2.2 Xác định một số đặc trưng của xúc tác

Mẫu bentonite-H+ được xác định phổ nhiễu xạ tia X tại Viện Dầu Khí Việt Nam,

sử dụng máy Siemens của Đức trong điều kiện ống phát tia bằng Cu, bước sóng Kα =

1,5046 Å, cường độ ống phát 35 mA, điện áp 40 KV, góc quét 2θ thay đổi từ 3-65o, phím

lọc Ni

Bề mặt riêng của xúc tác bentonite-Pd2+ được xác định bằng phương pháp hấp

phụ BET theo N2 ở 77 K Mẫu được đo tại Phòng Thí nghiệm Phân tích thuộc Viện Công

nghệ Hoá học TP Hồ Chí Minh Hình ảnh TEM được xác định tại Phòng Thí nghiệm

Trọng điểm Polymer – thuộc Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Hình ảnh SEM

được xác định tại Viện Công nghệ Hoá học TP Hồ Chí Minh

Hàm lượng Pd trong xúc tác bentonite-Pd2+ được xác định bằng phương pháp

quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS) và khối phổ ghép plasma (ICP-MS) Mẫu được đo

tại Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí Nghiệm TP Hồ Chí Minh

2.1.2.3 Kiểm tra hoạt tính xúc tác trong phản ứng Heck

Sơ đồ 2.3 Quy trình thực hiện phản ứng tổng quát

Hoạt tính của xúc tác bentonite-Pd2+ được xác định trong phản ứng ghép đôi Heck

giữa iodobenzene (C6H5I) và styrene Quy trình phản ứng được thực hiện dựa theo các tài

liệu đã công bố trước đây [23] Pha 250 ml dung dịch gốc của iodobenzene trong các

dung môi tương ứng, có chứa một lượng hexadecane (C16H34) dùng làm nội chuẩn cho

phản ứng, với tỷ lệ mol C6H5I : C16H34 là 1:1

-Khuấy từ -t o C -thời gian 7h Phản ứng

Heck

Iodobenzene DMF chất nội chuẩn Base bent-Pd2+

styrene base

Lấy 0,2 ml mẫu ở thời điểm t o

Lấy 0,2 ml mẫu sau mỗi 1giờ

Trích ly

Phân tích

GC

Hỗn hợp 1ml diethylether và 1ml

ly mẫu

có sản phẩm

Na2SO4 khan

Tính độ chuyển hoá

Hình 2.1 Thực hiện phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường

Mỗi phản ứng thực hiện với 5 ml dung dịch hỗn hợp nói trên, tương ứng với 0,12

ml C6H5I Dung dịch phản ứng được cho vào bình cầu 2 cổ có chứa sẵn một lượng xúc

tác tương ứng, và cho thêm một lượng base tương ứng với tỷ lệ mol C6H5I : base được cố

định là 1:3 Sau đó cho 0,2 ml styrene vào dung dịch phản ứng, tương ứng với tỷ lệ mol

C6H5I : styrene cố định là 1:1,5

Hỗn hợp phản ứng được nâng đến nhiệt độ thích hợp bằng bếp khuấy từ gia nhiệt

(Hình 2.1) Tại thời điểm ban đầu và cách mỗi giờ phản ứng, dùng kim tiêm lấy 0,2 ml

mẫu, hoà tan vào 1 ml ether và trích ly với 1 ml nước cất Tác chất và sản phẩm tan trong

pha ether và base tan trong pha nước Pha ether được đem đi phân tích sắc ký khí (GC),

từ đó tính độ chuyển hoá của phản ứng theo phương pháp dựa trên nội chuẩn (Sơ đồ 2.3)

Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene còn được thực hiện 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 và thời gian Phản ứng được thực

hiện ở công suất 800 W trong bình cầu có gắn sinh hàn hoàn lưu nước đặt trong lòng lò vi

sóng (Hình 2.2) Tổng thời gian phản ứng trong lò vi sóng là 1 h, trong đó quá trình

chiếu xạ được gián đoạn sau mỗi 15 phút

Sản phẩm của phản ứng còn được kiểm chứng bằng phương pháp sắc ký khí ghép

khối phổ (GC-MS) với điều kiện: cột Agilent 19091s, 30 m x 0,25 mm x 0,25 mm x 0,25

µm; detector MS, khí mang helium, nhiệt độ injector 300 oC, nhiệt độ detector 300 oC,

vận tốc khí mang 36 cm/s, chương trình nhiệt độ như sau:

60oC (1 phút) 100oC 145oC 300oC (3 phút)

5 o C/ phút 10 o C/ phút 25 C/ o phút

Hình 2.2 Thực hiện phản ứng trong điều kiện vi sóng 2.1.2.4 Xử lý kết quả

Độ chuyển hóa của phản ứng được xác định dựa vào diện tích các mũi tương ứng

trên sắc ký đồ có so sánh với nội chuẩn sử dụng trong phản ứng, dựa trên công thức sau

đây:

%

100 )

(

) ( )

(

%

o chuan noi ArX

chuan noi

ArX o

chuan noi ArX

t S

S

t S

S t

S

S X

Sản phẩm của phản ứng được nhận danh bằng cách dựa vào khối lượng phân tử

và cách phân mảnh trên các khối phổ (MS) tương ứng Trong trường hợp phản ứng giữa

iodobenzene và styrene, sản phẩm của phản ứng còn được nhận danh dựa trên thời gian

lưu của các chất chuẩn tương ứng (trans-stilben, cis-stilben từ Sigma-Aldrich) để phân

biệt các đồng phân của sản phẩm Các đồng phân của sản phẩm còn có thể được phân biệt

dựa vào nhiệt độ sôi và thời gian lưu trên sắc ký đồ

2.1.2.5 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác

Sau khi các phản ứng kết thúc, lượng xúc tác bentonite-Pd2+được tách ra khỏi

hỗn hợp phản ứng bằng phương pháp lọc hoặc ly tâm, và tiến hành lọc rửa nhiều lần với

các dung môi như toluene, DMF, nước, và ethanol để loại bỏ các tác chất hấp phụ vật lý

trên bề mặt xúc tác Sau đó xúc tác thu hồi được sấy khô và sử dụng lại cho phản ứng

mới giữa iodobenzene và styrene (Sơ đồ 2.4) Điều kiện phản ứng tương tự như phản ứng

với xúc tác mới Độ chuyển hóa của phản ứng cũng được xác định bằng phương pháp sắc

ký khí (GC) có sử dụng nội chuẩn như đã trình bày ở trên

Sơ đồ 2.4 Quy trình thu hồi xúc tác

2.2 NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK TRONG DUNG MÔI XANH

LÀ CHẤT LỎNG ION

2.2.1 Nguyên liệu

PdCl2 rắn được cung cấp bởi Công ty Kanto Chemical – Nhật Bản Các hóa chất

khác gồm có (CH3COO)2Pd, N-methylimidazole, hexyl bromide, butyl bromide,

n-octyl bromide, iodobenzene, iodotoluene, idoacetophenone, bromobenzene,

4-bromotoluene, 4-bromoacetophenone, chlorobenzene, triethylamine, styrene,

trans-stilben, cis-trans-stilben, triethylamine được cung cấp bởi Công ty Sigma-Aldrich và Merck

Các hóa chất khác bao gồm Na2CO3, CH3COONa, diethyl ether, ethyl acetate được cung

cấp bởi Công ty Shantou Xiulong, Trung Quốc Styrene được tinh chế bằng phương

pháp chưng cất dưới áp suất thấp và bảo quản ở 0 – 5 oC, tránh ánh sáng trực tiếp

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.2.1 Điều chế chất lỏng ion

Trong nghiên cứu này, 3 loại chất lỏng ion được nghiên cứu điều chế, bao gồm 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide, 1-butyl-3-methylimidazolium bromide, và

1-octyl-3-methylimidazolium bromide Quy trình điều chế 3 chất lỏng ion này tương tự

nhau Một quy trình tiêu biểu điều chế 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide có thể

được mô tả như sau: N-methylimidazole và n-hexyl bromide với tỷ lệ mol 1:1,1 được cho

vào bình cầu có gắn sinh hàn hoàn lưu Sử dụng lò vi sóng gia dụng Whirlpool, Model

AVM541/WP/WH có thể điều chỉnh được công suất và thời gian Phản ứng được thực

hiện ở công suất 80 W trong bình cầu có gắn sinh hàn hoàn lưu nước đặt trong lòng lò vi

sóng (như hình 2.2) Sau khi phản ứng kết thúc, hỗn hợp phản ứng được để nguội, rửa

nhiều lần với ethyl acetate và diethyl ether để loại bỏ các tác chất chưa tham gia phản

ứng Dung môi còn sót lại sau quá trình tách pha được loại bỏ bằng cách sử dụng hệ

thống cô quay dưới áp suất chân không

2.2.2.2 Xác định cấu trúc của chất lỏng ion

Các chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide,

1-butyl-3-methylimidazolium bromide, và 1-octyl-3-1-butyl-3-methylimidazolium bromide được xác định

cấu trúc bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H và 13C NMR) trên máy

NMR hiệu Bruker AV 500 spectrometer, và bằng phương pháp khối phổ (MS) trên máy

Agilent LC-MSD-Trap-SL Quá trình phân tích mẫu được thực hiện tại Viện Hóa học Hà

Nội, thuộc Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam Ngoài ra, các chất lỏng ion còn được

phân tích bằng phổ hồng ngoại (FT-IR) trên máy Vector 22 tại Viện Công nghệ Hóa học

TP Hồ Chí Minh, thuộc Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam

2.2.2.3 Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck trong dung môi là chất lỏng ion

Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene được thực hiện trong dung môi xanh

là chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide trong điều kiện gia nhiệt thông

thường và trong điều kiện có sự hỗ trợ của vi sóng Quy trình thực hiện phản ứng tương

tự như trên, trong đó dung môi DMF được thay thế bằng chất lỏng ion

1-hexyl-3-methylimidazolium bromide, và xúc tác bentonite biến tính được thay thế bằng xúc tác

PdCl2 Mỗi phản ứng được thực hiện ở quy mô sử dụng 5 ml chất lỏng ion, có sử dụng

hexadecane (C16H34) dùng làm nội chuẩn cho phản ứng với tỷ lệ mol C6H5I : C16H34 là

1:1 Các phản ứng được thực hiện ở tỷ lệ mol C6H5I : styrene cố định là 1:1,5 và sử dụng

một lượng base tương ứng với tỷ lệ mol C6H5I : base được cố định là 1:3

16

Hỗn hợp phản ứng được nâng đến nhiệt độ thích hợp bằng bếp khuấy từ gia nhiệt

(tương tự như Hình 2.1) Tại thời điểm ban đầu và cách mỗi giờ phản ứng, dùng kim tiêm

lấy 0,2 ml mẫu, hoà tan vào 1 ml ether và trích ly với 1 ml nước cất Tác chất và sản

phẩm tan trong pha ether và base tan trong pha nước Pha ether được đem đi phân tích sắc

ký khí (GC), từ đó tính độ chuyển hoá của phản ứng theo phương pháp dựa trên nội

chuẩn tương tự như ở phần thực hiện phản ứng sử dụng xúc tác bentonite biến tính (Sơ đồ

2.3)

Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene trong chất lỏng ion còn được thực

hiện 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 và thời gian Phản ứng được

thực hiện ở công suất 800 W trong bình cầu có gắn sinh hàn hoàn lưu nước đặt trong lòng

lò vi sóng (tương tự như Hình 2.2) Trong đó, cần lưu ý trong điều kiện có sự hỗ trợ của

vi sóng, thời gian phản ứng ở trường hợp sử dụng dung môi chất lỏng ion ngắn hơn rất rất

nhiều so với trường hợp sử dụng dung môi DMF

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG HECK VỚI XÚC TÁC

BENTONITE BÌNH THUẬN BIẾN TÍNH

3.1.1 Điều chế xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính với Pd 2+

Xúc tác bentonite Bình Thuận biến tính với Pd2+ được điều chế như được mô tả ở

phần ‘Nội dung và phương pháp nghiên cứu’ nói trên Sử dụng quy trình ở sơ đồ 2.1, thu

được 313 g bentonite tinh chế từ 2 kg bentonite sơ chế Quá trình này đạt hiệu suất thu

hồi 15% Sau quá trình tinh chế, khối lượng bentonite giảm đáng kể, do trong bentonite

sơ chế còn lẫn nhiều tạp chất, trong đó chủ yếu là cát thô và các khoáng phi sét khác

Thực nghiệm cho thấy sau quá trình lắng trong thời gian 24 h, phần lớn cát thô và các

khoáng vô cơ khác đã bị tách ra khỏi hệ huyền phù của bentonite trong nước Bentonite

tinh chế có thể được tách ra khỏi hệ huyền phù này bằng phương pháp lọc dưới áp suất

thấp, hoặc đơn giản hơn có thể sử dụng phương pháp lọc tự nhiên qua vải lọc với thời

gian dài hơn

Bentonite tinh chế sau khi sấy khô và xác định độ ẩm, được hoạt hóa bằng dung

dịch HCl 10% ở nhiệt độ khoảng 70 oC (sơ đồ 2.2) Mục đích của giai đoạn acid hóa này

là loại bỏ phần lớn các cation nằm giữa các lớp mạng bentonite như Na+, Ca2+, Mg2+, K+

… Các cation này được thay thế bằng H+, từ đó làm tăng diện tích bề mặt riêng của

bentonite Từ 162 g bentonite tinh chế, thu được 105 g bentonite-H+, đạt hiệu suất thu hồi

64% Bentonite-H+ sau đó được tiến hành trao đổi với dung dịch PdCl2 theo phương pháp

trao đổi cation Từ 20 g bentonite-H+,thu được 18 g bentonite-Pd2+, đạt hiệu suất thu hồi

90% Như vậy sử dụng quy trình này, hiệu suất thu xúc tác betonite-Pd2+ từ bentonite tinh

chế đạt hiệu suất thu hồi 57%

Kết quả phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bentonite-H+ cho thấy bentonite Bình Thuận

hoạt hoá bằng dung dịch HCl 10% chứa thành phần chủ yếu là montmorillonite và quá

trình hoạt hóa đã loại bỏ hầu hết lượng khoáng calcium Kết quả này tương tự như các kết

quả được công bố trước đây [43,44,48,49] Kết quả phân tích bề mặt riêng BET cho thấy

mẫu bentonite-H2+ có diện tích bề mặt riêng là 275 m2/g, và mẫu bentonite-Pd2+ có diện

tích bề mặt riêng là 214 m2/g Phân tích hàm lượng Pd có trên xúc tác bằng phương pháp

quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS) và khối phổ ghép plasma (ICP-MS) cho thấy xúc tác

chứa palladium ở hàm lượng 0,12 – 0,14 mmol Pd/g Do hàm lượng palladium thấp, kết

quả phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của xúc tác không thể hiện được sự có mặt của palladium

Cần lưu ý rằng các nghiên cứu trước đây cho thấy khi sử dụng xúc tác palladium trên

chất mang rắn cho phản ứng Heck, hàm lượng palladium trên chất mang nên ở trong

khoảng 0,1 – 0,5 mmol/g và rất nhiều nghiên cứu đã sử dụng xúc tác có hàm lượng

palladium là 0,1 – 0,2 mmol/g [8] Nếu hàm lượng palladium quá cao, một số tâm xúc tác

sẽ trở nên không có tác dụng do ảnh hưởng của hiệu ứng không gian Hình ảnh TEM cho

thấy xúc tác bentonite biến tính có cấu trúc dạng lớp đặc trưng của loại khoáng sét này,

hình ảnh SEM cho thấy xúc tác xúc tác bao gồm các hạt kích thước micron

3.1.2 Phản ứng Heck của iodobenzene và dẫn xuất với styrene

Hoạt tính của xúc tác bentonit-Pd2+ được đánh giá trước hết thông qua phản ứng

ghép đôi Heck giữa iodobenzene và styrene (Sơ đồ 3.1) Phản ứng được thực hiện trong

dung môi với sự có mặt của một base Sản phẩm của phản ứng là trans-stilbene và

1,1-diphenyl ethylene (đồng phân geminal), trong đó sản phẩm chính luôn luôn là

trans-stilbene [8], được phân biệt dựa trên thời gian lưu của các chất chuẩn (Sigma-Aldrich)

trên sắc ký đồ Cần lưu ý là trong hỗn hợp phản ứng còn xuất hiện vết của đồng phân

cis-stilbene Các sản phẩm của phản ứng còn được nhận danh bằng cách dựa vào khối lượng

phân tử và cách phân mảnh trên các khối phổ (MS) tương ứng Kết quả này tương tự như

kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu Varma và cộng sự ở Trường Đại học Sam

Houston State (Hoa Kỳ), trong đó các tác giả điều chế xúc tác palladium dựa trên

khoáng sét montmorillonite K10, sử dụng xúc tác này cho phản ứng Heck và thu được hai

sản phẩm là trans-stilbene và 1,1-diphenyl ethylene [52] Kết quả phân tích sắc ký khí

(GC) cho thấy tỷ lệ phần trăm sản phẩm trans chiếm khoảng 88% và sản phẩm geminal

chiếm khoảng 12% trong hỗn hợp sản phẩm Lần lượt khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố

dung môi phản ứng, loại base, nhiệt độ phản ứng, hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá

R R

R

X: I, Br, Cl

R: H, CH3, COCH3

Sơ đồ 3.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất arylhalide với styrene

Cần nhấn mạnh rằng trong các phản ứng hữu cơ được xúc tác bởi Pd, phản ứng

Heck và các vấn đề hóa học liên quan có một vị trí đặc biệt Đối với nhiều phản ứng cổ

điển, thông thường có thể xác lập được quy luật về các yếu tố ảnh hưởng lên phản ứng,

và cũng có thể sử dụng các quy luật này để ngoại suy cho các trường hợp khác Tuy

nhiên đối với phản ứng Heck thì vấn đề trở nên khác Một sự thay đổi nhỏ về cấu trúc tác

chất, bản chất xúc tác, bản chất base sử dụng, bản chất ligand trong xúc tác… đôi khi lại

đưa đến những kết quả không thể dự đoán trước được Thực nghiệm đã cho thấy nhiều

xúc tác đắt tiền cho kết quả tốt trong những phản ứng Heck phức tạp, nhưng lại

không cho kết quả tốt trong những phản ứng Heck đơn giản Thực nghiệm cũng cho

thấy trong phản ứng Heck, một số tác chất hay base cho kết quả tốt đối với loại xúc tác

này nhưng lại hoàn toàn không có hiệu quả đối với loại xúc tác khác mà vẫn chưa tìm

được lý do Câu hỏi đâu là xúc tác và điều kiện tốt nhất cho phản ứng Heck tổng quát vẫn

chưa được trả lời, mặc dù đã được nghiên cứu trong hàng trăm công trình [8]

3.1.2.1 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng

Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene sử dụng xúc tác bentonite Bình

Thuận biến tính được thực hiện trong 3 loại dung môi khác nhau: dung môi phân cực

không có proton là dimethyl formamid (DMF), dung môi phân cực có proton là isoamyl

alcohol (C5H11OH), và dung môi không phân cực là xylene Nhiệt độ của phản ứng là

120 oC, base sử dụng là triethyl amine (Et3N), hàm lượng xúc tác sử dụng là 0,5 mol% (tỷ

lệ mol giữa Pd và C6H5I) Kết quả nghiên cứu cho thấy phản ứng đạt độ chuyển hóa tổng

cộng cao nhất khoảng 86% trong dung môi DMF sau 6 h phản ứng, trong khi đó các dung

môi C5H11OH và xylene chỉ cho độ chuyển hóa khoảng trên 10% trong cùng thời gian

phản ứng (hình 3.1) Để khẳng định DMF là dung môi thích hợp cho phản ứng Heck sử

dụng xúc tác bentonite biến tính, phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và styrene cũng đã

được thực hiện trong 3 loại dung môi nói trên và cũng cho kết quả tương tự (hình 3.2)

0 20 40 60 80 100

DMF isoamyl xylene

Hình 3.1 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng lên độ chuyển hóa của phản ứng Heck giữa

iodobenzene và styrene (nhiệt độ 120 oC, 0,5 mol% xúc tác Pd, base là triethylamine)

0 20 40 60 80

DMF isoamyl xylene

Hình 3.2 Ảnh hưởng của dung môi phản ứng lên độ chuyển hóa của phản ứng Heck giữa

4-iodotoluene và styrene (nhiệt độ 120 oC, 0,5 mol% xúc tác Pd, base là triethylamine)

Từ đó cho thấy DMF là dung môi thích hợp cho phản ứng Heck sử dụng xúc tác

bentonite Bình Thuận biến tính Có nhiều quan điểm cho rằng các dung môi phân cực

không có proton như DMF có khả năng góp phần hỗ trợ cho quá trình khử Pd (II) về Pd

(0), và Pd (0) mới là xúc tác thực sự cho phản ứng Heck [1,8] Quá trình khử Pd (II) về

Pd (0) càng thuận lợi thì càng thúc đẩy cho phản ứng Heck xảy ra Tuy nhiên, cơ chế của

quá trình này vẫn chưa được giải thích rõ ràng trong các công trình khoa học đã công bố

Nhiều công trình nghiên cứu gần đây cho thấy ngoài các dung môi phân cực không chứa

proton, một số loại dung môi xanh khác như chất lỏng ion, CO2 siêu tới hạn, nước cất …

cũng cho hiệu quả tốt trong phản ứng Heck [53,54] Các phản ứng Heck tiếp theo trong

phần này đều được thực hiện trong dung môi DMF

3.1.2.2 Ảnh hưởng của loại base được sử dụng

0 20 40 60 80 100

Et3N Na2CO3 CH3COONa

Hình 3.3 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hoá của phản ứng Heck giữa iodobenzene

và styrene (nhiệt độ 120 oC, dung môi DMF, 0,5 mol% xúc tác Pd)

Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene sinh ra sản phẩm phụ là HI, và acid

này sẽ phản ứng với xúc tác Pd Vì vậy, cần phải sử dụng một base để trung hòa lượng

acid này, tái sinh lại xúc tác dạng Pd (0) để có thể tiếp tục chu trình phản ứng [1,8] Để

khảo sát ảnh hưởng của các base sử dụng, các phản ứng được thực hiện trong dung môi

DMF ở nhiệt độ 120 oC với hàm lượng xúc tác là 0,5 mol% Các nghiên cứu trước đây

cho thấy có thể sử dụng nhiều loại base khác nhau cho phản ứng Heck, có thể là base hữu

cơ hay base vô cơ, tùy thuộc vào loại xúc tác cũng như điều kiện phản ứng [8] Các base

được sử dụng cho phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene trong nghiên cứu này lần

lượt là triethyl amine (Et3N), Na2CO3, và CH3COONa, là những base thông dụng thường

được sử dụng nhiều nhất cho phản ứng Heck

Kết quả nghiên cứu (hình 3.3) cho thấy trong giai đoạn đầu, phản ứng sử dụng

base ở dạng hòa tan là Et3N cho độ chuyển hóa cao hơn so với các trường hợp sử dụng

Na2CO3 và CH3COONa Do xúc tác Pd sử dụng ở dạng rắn, lượng HI sinh ra vẫn còn kết

hợp với các trung tâm Pd ở dạng rắn này Vì vậy, quá trình trung hòa HI phụ thuộc vào

quá trình khuếch tán base vào chất mang bentonite Trong giai đoạn đầu, base Na2CO3 ở

dạng bột rắn có độ tan trong DMF thấp hơn so với Et3N nên phản ứng tương ứng cho độ

chuyển hóa thấp hơn Sau khoảng 4 h phản ứng, lượng Na2CO3 tan trong DMF đủ lớn, độ

chuyển hóa của phản ứng tăng lên và đạt 96% sau 6 h, cao hơn so với phản ứng sử dụng

Et3N (86%) và CH3COONa (72%) Như vậy Na2CO3 thích hợp cho phản ứng Heck sử

dụng xúc tác bentonite biến tính

Để khẳng định Na2CO3 là base thích hợp cho phản ứng Heck sử dụng xúc tác

bentonite biến tính, phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và styrene cũng đã được thực hiện

và sử dụng 3 loại base nói trên Cũng tương tự như trường hợp phản ứng Heck của

iodobenzene và styrene, Na2CO3 cho hiệu quả tốt hơn các base còn lại (hình 3.4) Cũng

cần lưu ý là trong một số trường hợp sử dụng xúc tác phức Pd cố định trên chất mang rắn,

phản ứng sử dụng Na2CO3 lại cho độ chuyển hóa rất thấp, trong khi phản ứng sử dụng

base hữu cơ là triethylamine lại cho kết quả tốt hơn các base vô cơ Một số quan điểm

cho rằng trong những trường hợp này, amine đã giúp ổn định xúc tác Pd, tuy nhiên vấn

đề cần được nghiên cứu thêm [1]

0 20 40 60 80

Na2CO3 Et3N CH3COONa

Hình 3.4 Ảnh hưởng của base lên độ chuyển hoá của phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene

và styrene (nhiệt độ 120 oC, dung môi DMF, 0,5 mol% xúc tác Pd)

3.1.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

020406080100

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng Heck giữa

iodobenzene và styrene (dung môi DMF, base là Na2CO3, 0,5 mol% xúc tác Pd)

Trong nhiều nghiên cứu, phản ứng Heck với xúc tác Pd rắn được thực hiện trong

một khoảng nhiệt độ khá rộng, khoảng từ 80 oC đến 150 oC, tùy thuộc vào loại xúc tác và

tác nhân phản ứng [1-5] Nhiệt độ cao giúp cho phản ứng xảy ra dễ dàng hơn Tuy nhiên

DMF dễ bị phân huỷ một phần ở nhiệt độ gần nhiệt độ sôi (153 oC) và thường chỉ được

sử dụng dưới 145 oC nên trong nghiên cứu này, các phản ứng Heck giữa iodobenzene và

styrene được khảo sát ở các nhiệt độ lần lượt là 120 oC, 110 oC và 100 oC Các phản ứng

sử dụng hàm lượng xúc tác là 0,5 mol% và base là Na2CO3 trong dung môi DMF Kết

quả nghiên cứu (hình 3.5) cho thấy sau 6 h phản ứng, phản ứng thực hiện ở nhiệt độ 120

oC, 110 oC và 100 oC có độ chuyển hóa lần lượt là 96%, 65% và 50% Phản ứng Heck

giữa 4-iodotoluene và styrene cũng đã được thực hiện trong điều kiện tương tự, và kết

quả được trình bày ở hình 3.6

0 20 40 60 80

Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng Heck giữa

4-iodotoluene và styrene (dung môi DMF, base là Na2CO3, 0,5 mol% xúc tác Pd)

3.1.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác

0 20 40 60 80 100

Hình 3.7 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của phản ứng Heck giữa

iodobenzene và styrene (dung môi DMF, nhiệt độ 120 oC, base là Na2CO3)

Phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene được khảo sát với các hàm lượng

xúc tác khác nhau: 0,7 mol%, 0,5 mol%, 0,3 mol% và 0,1 mol% Các phản ứng được

thực hiện trong dung môi DMF, ở nhiệt độ 120 oC với base là Na2CO3 Kết quả thí

nghiệm (hình 3.7) cho thấy sau 6 h phản ứng, độ chuyển hóa đạt được lần lượt là > 99%

(ở hàm lượng xúc tác 0,7 mol%), 96% (ở hàm lượng xúc tác 0,5 mol%), 47% (ở hàm

lượng xúc tác 0,3 mol%) và 30% (ở hàm lượng xúc tác 0,1 mol%) Kết quả này tương tự

như nhiều nghiên cứu khác, trong đó tốc độ phản ứng tăng theo hàm lượng xúc tác sử

dụng Tuy nhiên do Pd là một kim loại quý và xúc tác có chi phí cao, trong thực tế tùy

điều kiện cụ thể mà chọn lượng xúc tác thích hợp Kết quả nghiên cứu còn cho thấy xúc

tác bentonite Bình Thuận biến tính có hiệu quả trong phản ứng Heck ở hàm lượng tương

đối thấp Phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và styrene cũng đã được thực hiện trong

điều kiện tương tự, và kết quả được trình bày ở hình 3.8

0 20 40 60 80

Hình 3.8 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của phản ứng Heck giữa

4-iodotoluene và styrene (dung môi DMF, nhiệt độ 120 oC, base là Na2CO3)

3.1.2.5 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác

0 20 40 60 80 100

xúc tác mới xúc tác tái sử dụng

Hình 3.9 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng Heck giữa iodobenzene và

styrene (0,5 mol% xúc tác Pd, dung môi DMF, nhiệt độ 120 oC, base là Na2CO3)

Một vấn đề cần quan tâm của các phản ứng sử dụng xúc tác rắn là khả năng thu

hồi và tái sử dụng xúc tác Sau khi các phản ứng kết thúc, lượng xúc tác

bentonite-Pd2+được lọc rửa nhiều lần với các dung môi như toluene, DMF, nước, ethanol để loại bỏ

các tác chất hấp phụ vật lý trên bề mặt xúc tác Sau đó xúc tác thu hồi được sấy khô và sử

dụng lại cho phản ứng mới giữa iodobenzene và styrene Điều kiện phản ứng tương tự

như phản ứng với xúc tác mới: dung môi sử dụng là DMF, base sử dụng là Na2CO3, nhiệt

độ phản ứng là 120 oC, khối lượng xúc tác thu hồi và lượng tác chất phản ứng tương tự