TỔNG hợp và ỨNG DỤNG DIBENZO18CROWN6 TRONG PHẢN ỨNG tạo ALKENE

MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong tổng hợp hữu cơ, việc tạo thành liên kết đôi C=C có nhiều phương pháp khác nhau, có thể qua phản ứng khử E 1 , E 2 từ alcohol hoặc alkyl halide, phản ứng khử nối ba thành nối đôi, phản ứng olefin hóa Peterson 2 ,… Một trong những phương pháp hàng đầu cho tổng hợp alkene có tính chọn lọc cao về vị trí là phản ứng Wittig. Phản ứng Wittig được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để tổng hợp các hợp chất thiên nhiên có chứa liên kết đôi C=C trong một số lĩnh vực đặc biệt là tạo ra các pheromone có cấu hình Z hoặc E alkene dùng làm mồi nhử để bẫy các loại côn trùng, sâu hại mùa màng. Có loại pheromone chỉ cho hoạt tính khi cấu hình là Z, có loại thì lại cho hoạt tính khi cấu hình là E. Vì vậy, việc lựa chọn các điều kiện như: tác chất, nhiệt độ, dung môi, chất xúc tác thích hợp để tạo ra các alkene có cấu hình Z hoặc E theo ý muốn là rất quan trọng. Crown ether là một loại chất xúc tác chuyển pha “thân thiện” với môi trường. Chúng không chứa chlorines, được phân hủy sinh học, có tối thiểu lượng khí thải trong khí quyển do áp suất hơi thấp, không dễ bay hơi và không dễ cháy. Do vậy, tiềm năng suy giảm tầng ozon (ODP) và tiềm năng nóng lên của hiệu ứng nhà kính (GWP) là bằng không 5 . Một trăm phần trăm tái chế được, chúng là một loại vật liệu sạch, tái tạo và tái sử dụng. Việc sử dụng crown ether sẽ giúp tiết kiệm dung môi trong quá trình tổng hợp, có thể dùng base rẻ tiền và dễ kiếm là K 2 CO 3 . Do đó giảm được lượng chí phí và giảm thiểu lượng chất thải ra môi trường. Các nhà khoa học đã nghiên cứu tổng hợp thành công các alkene trong điều kiện sử dụng chất xúc tác chuyển pha là 12−crown−4, 18−crown−6, dicyclohexano−18−crown−6 9 . Dibenzo−18−crown−6 là một loại crown ether đã được Pedersen tổng hợp vào năm 1967. Tuy nhiên chưa thấy tài liệu nào nghiên cứu tổng hợp alkene sử dụng crown ether này làm xúc tác. Chính vì thế chúng tôi quyết định chọn đề tài “Tổng hợp và ứng dụng dibenzo−18−crown−6 trong phản ứng tạo alkene”, nhằm góp phần vào việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất phục vụ cho đời sống, sản xuất theo tiêu chí của hóa học xanh. 1 2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI - Tổng hợp chất xúc tác chuyển pha dibenzo−18−crown−6. - Khảo sát ảnh hưởng của base, dung môi, nhiệt độ, thời gian đến hiệu suất phản ứng và tỉ lệ E/Z alkene tạo thành của phản ứng tổng hợp alkene trong điều kiện dùng chất xúc tác chuyển pha dibenzo−18−crown−6. 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tổng hợp dibenzo−18−crown−6, các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp alkene trong điều kiện xúc tác chuyển pha như base, dung môi, nhiệt độ, thời gian. 4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN - Giúp chúng ta lựa chọn được các điều kiện thích hợp để tổng hợp các alkene có cấu hình E hoặc Z chiếm ưu thế phục vụ cho việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất có ích phục vụ cho đời sống, sản xuất. - Góp phần hạn chế lượng chất thải ra môi trường, giữ cho môi trường xanh sạch hơn. - Tiết kiệm chi phí trong quá trình nghiên cứu. 2 NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 XÚC TÁC CHUYỂN PHA 1 1.1.1 Giới thiệu về xúc tác chuyển pha Phản ứng giữa chất hữu cơ tan trong dung môi hữu cơ và tác chất tan trong nước thường xảy ra rất chậm. Giải pháp có thể dùng các dung môi phân cực như dimethyl sulfoxide hay dimethylformamide nhưng các dung môi này đắt tiền mà không có khả năng thu hồi cho nên cần tìm giải pháp khác đó chính là cần xúc tác tan tốt trong cả hai dung môi hữu cơ và nước. Xúc tác này gọi là xúc tác chuyển pha. Định nghĩa: Xúc tác chuyển pha là hợp chất ion thông thường như muối amonium có chứa các nhóm thế hydrocarbon đủ lớn để hòa tan trong dung môi hữu cơ. 1.1.2 Cơ chế của xúc tác chuyển pha Cơ chế xúc tác phản ứng thế ái nhân dùng xúc tác chuyển pha phụ thuộc vào hiệu ứng dung môi. Pha hữu cơ Q + CN − + R’Cl → R’CN + Q + Cl − Pha nước Q + CN − + Na + Cl − → Na + CN − + Q + Cl − [ Q + = R 4 N + hay R 4 P + ] 1.1.3 Các loại xúc tác chuyển pha Một số xúc tác chuyển pha thông dụng: - Aliquat 336 : Methyl trioctylamonium chloride N + CH 3 (C 8 H 17 ) 3 Cl − - Benzyl trimethylamonium chloride hay bromide - Benzyl triethylamonium chloride hay bromide - Tetra−n−butylamoniumchloride, bromide, chlorate hay hydroxide - Cetyl trimethyl amonium chloride hay bromide N + (CH 3 ) 3 (CH 2 )CH 3 X − - Tetra n−pentyl, tetra n−hexyl, hay trioctyl propyl amonium chloride hay bromide - Benzyl tributylamonium chloride 3 - Benzyl triphenyl phosphonium iodide C 6 H 5 CH 2 (C 6 H 5 ) 3 P + I − - Crown ether 1.1.4 Crown ether * Giới thiệu về crown ether Crown ether thuộc dãy các hợp chất polyether mạch vòng, tên gọi theo số lượng nguyên tử oxy trong phân tử. Crown ether đầu tiên được tổng hợp bởi Luttringhaus vào năm 1937. Ví dụ, hợp chất vòng 20 bên dưới được điều chế bằng phản ứng của dẫn xuất resorcinol một lần thế với K 2 CO 3 trong 1−pentanol. OH O O Br K 2 CO 3 1-pentanol O O O O O O Năm 1967, Pedersen đã công bố tổng hợp được một loạt các hợp chất polyether mạch vòng (trong đó có crown ether dibenzo−18−crown−6) và đánh giá khả năng tạo phức của chúng với kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ. Pedersen thấy rằng lượng crown ether có thể tăng lên 45% khi catechol tinh khiết được sử dụng như một chất phản ứng. OTHP OH + Cl O Cl 1. BuOH, NaOH 2. H + , MeOH O O O HO OH + O O O O O O Dibenzo-18-crown-6 Sơ đồ tổng hợp dibenzo−18−crown−6 của Pedersen 4 Sau đó, ông đã điều chế hơn 60 polyether vòng và nghiên cứu sự hình thành phức hợp giữa các polyether mạch vòng và các muối kim loại 6 . Với công trình của mình, Pedersen cùng với Cram và Lehn đã được trao giải Nobel Hóa học vào năm 1987. *Một số loại crown ether O O O O 12-crown-4 O O O O 15-crown-5 O O O O O O O 18-crown-6 O S S O 1,4-Dithia-12-crown-4 O O O O O Dibenzo-16-crown-5 O O N O C 3 H 7 Cyclohexano-14-crown-4 O O O O O O O O O O O O Dibenzo-18-crown-6 Dicyclohexano-18-crown-6 O O O O N-Propyl monoaza- 12-crown-4 1.1.5 Ứng dụng của xúc tác chuyển pha Xúc tác chuyển pha được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ như: - Tổng hợp nitril từ alkyl halide. - Tổng hợp benzoyl cyanid từ benzoyl chloride. - Tổng hợp alkyl fluoride từ alkyl halide. - Tổng hợp alcol từ alkyl halide tương ứng. - Phản ứng ester hóa. - Phản ứng alkyl hóa. - Phản ứng tổng hợp ether Wiliamson. - Phản ứng Wittig. - Phản ứng Wittig−Horner, 5 Trong đó phản ứng Wittig là phản ứng rất quan trọng được sử dụng nhiều trong tổng hợp hữu cơ để tạo các hợp chất có chứa liên kết đôi C=C. 1.1.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới thuộc lĩnh vực đề tài * Tổng hợp all−trans−13,14−dihydroretinol Trong sơ đồ tổng hợp 13,14−dihydroretinol của Moise A.R cùng các cộng sự đã thực hiện phản ứng Wittig với xúc tác t−BuOK, CH 2 Cl 2 /18−crown−6. Phản ứng được thực hiện trong 12 giờ, ở nhiệt độ -78°C. Sản phẩm trans− được tách ra qua cột silica gel tẩm 5% ethyl acetate 3 . PPh 3 Br O OEt O + 1. t-BuOK, 18-crown-6, CH 2 Cl 2 2. LiAlH 4 , Et 2 O, -78 0 C OH * Still và Gennari đã tìm ra những điều kiện thích hợp để tạo thành sản phẩm Z−alkene với sự chọn lọc lập thể tuyệt vời. Sử dụng phosphonates nhóm rút điện tử (trifluoroethyl) cùng với điều kiện (KHMDS và 18−crown−6 trong THF) hầu như cho ra sản phẩm Z−alkene với hiệu suất rất cao 10,11 . O H P O CF 3 CH 2 O OMe O CF 3 CH 2 O KHMDS, 18-crown-6 THF, -78 0 C O OMe 95% yield 50:1 Z:E O C 7 H 15 H P O CF 3 CH 2 O OMe O CF 3 CH 2 O KHMDS, 18-crown-6 THF, -78 0 C C 7 H 15 O OMe 90% yield 12:1 Z:E * Kang S.K, Kim J.H và Shin Y.C đã sử dụng phản ứng Wittig để tổng hợp các đồng phân (E), (Z) của 8−dodecen−1−yl acetate (pheromone giới tính của Oriental Fruit Moth, Grapholitha Molesta) 8 . 6 PPh 3 OAc t-BuOK/THF OAc OAc 53% 47% Bảng 1 Khảo sát phản ứng Wittig với các base khác nhau TT Ylide Alkene Sản phẩm Base Dung môi Nhiệt độ (°C) Thời gian (giờ) Nhiệt độ (°C) Thời gian (giờ) Tỉ lệ (Z/E) Hiệu suất H(%) 1 n−BuLi (12−crown−4 ) Benzene 25 1 25 2 100:0 58 2 KH DMSO 25 2 25 2 98:2 68 3 NaH DMSO 75 1 25 2 94:6 68 4 n−BuLi Benzene 25 1 25 3 93:7 55 5 n−BuLi DMSO 25 1 25 1 92:8 67 6 LiN− (SiMe 3 ) 2 THF/HMPA -78 3 0 3 76:24 68 7 n−BuLi THF -25 1 25 1 65:35 52 8 t−BuOK THF 25 1/2 25 2,5 47:53 67 1.2 PHẢN ỨNG WITTIG 1,2,3,10 Phản ứng Wittig là phản ứng giữa phosphoran hay phosphonium ylide với aldehyde hay ketone thu được alkene và phosphine oxid. C PR 3 R 1 R 2 hay C PR 3 R 1 R 2 C O R 4 R 5 Phosphorane ylide reflux C C R 1 R 2 R 4 R 5 Phản ứng có thể xảy ra trong môi trường ẩm với sự hiện diện của xúc tác chuyển pha (PTC – Phase Transfer Catalysis). (EtO) 2 PCH 2 R + C O R ' R '' + NaOH PTC RCH C R '' R ' + (EtO) 2 PO 2 Na O Phản ứng Wittig dùng xúc tác chuyển pha có hạn chế ở chỗ chỉ dùng cho aldehyde. Không có alkene nào được tổng hợp từ ketone. Tuy nhiên đây là phản ứng hữu hiệu hay được dùng trong tổng hợp các hợp chất chứa nối đôi. 7 1.2.1 Cơ chế của phản ứng Wittig Phản ứng này chuyển nối đôi −C=O− thành nối đôi −C=C− bằng cách sử dụng tác nhân phosphorus ylide với sự chọn lọc lập thể tốt nhất. + + C H R 1 PPh 3 R 2 H O Ph 3 P O R 1 H H R 2 H R 1 H R 2 Phản ứng Wittig tổng quát Giai đoạn tạo ylide Phản ứng thế S N 2 giữa triphenylphosphine và alkyl halide bậc 1 và 2. R 1 X PPh 3 R 1 Ph 3 P : X Alkyl triphenylphosphonium halide Deproton hóa muối triphenylphosphonium với base mạnh như t−BuOK hoặc n−BuLi. Ph 3 P R 2 H O K Ph 3 P R 2 t-BuOH KX X : Hóa học lập thể của ylide ảnh hưởng đến sự lựa chọn vị trí tấn công của carbon nucleophile vào carbon electrophile trong nhóm carbonyl để cho sản phẩm ưu thế betaine 3. Liên kết carbon−carbon quay để cho sản phẩm betaine 4, hình thành hexaphosphate 5. Sự phá hủy vòng bốn bằng cách cắt đứt liên kết carbon−phospho và carbon−oxygen dẫn đến việc hình thành hợp chất triphenylphosphine oxide 6 và liên kết π carbon−carbon của alkene 7. 8 Ph 3 P R 1 H R 2 O R 2 H O R 1 HPh 3 P H O R 2 H Ph 3 P R 1 H O R 2 H Ph 3 P R 1 R 1 H H R 2 Ph 3 PO 1 2 3 4 5 6 7 Cơ chế phản ứng Wittig cổ điển 1.2.2 Những cải biến của phản ứng Wittig Gần đây nhiều nhà nghiên cứu đã đưa ra cơ chế phản ứng mới được thể hiện bên dưới. Trong đó, sự tồn tại và chuyển đổi lẫn nhau giữa 3a và 3b là vấn đề đang được tranh luận. Phosphonium ylide 1 phản ứng với hợp chất carbonyl 2 cho sản phẩm 5. R 1 R 2 PY 3 R 3 R 4 O R 3 R 4 O R 1 R 2 Y 3 P R 4 R 3 O R 1 R 2 Y 3 P Y 3 P O R 1 R 2 R 3 R 4 Y 3 P O R 1 R 2 R 4 R 3 R 1 R 2 R 3 R 4 Y 3 P=O 1 2 3a 3b 4a 4b 5 6 Cơ chế phản ứng Wittig phát triển gần đây *Phản ứng Wittig − Horner Phản ứng Wittig−Horner là phản ứng cải biến của phản ứng Wittig ở chỗ sử dụng phosphine oxide, dẫn xuất lithium của nó cho phản ứng với aldehyde cho ra β−hydroxyphosphine oxide. Khi cho nó xử lý với NaH, ngay lập tức loại nước cho ra alkene. Đây là phản ứng có tính chọn lọc lập thể cao. Cấu hình erytho hydroxyphosphine oxide cho ra (Z)−alkene còn threo cho ra (E)−alkene. 9 Ph 3 P 1. RCH 2 X 2. Hydrosis Phosphine oxid 1. BuLi, THF 2. R 1 CHO β -Hydroxyphosphine oxid erythro:threo (9:1) NaH, DMF (Z)-alkene Ph 2 P O R R R' Ph 2 P HO H O R R' + O Ph 2 P ONa Phản ứng Wittig−Horner trong môi trường dung dịch NaOH xúc tác muối tetraalkylaminium chloride hay crown ether theo sơ đồ sau: (EtO) 2 PCH 2 R + C O R ' R '' + NaOH PTC RCH C R '' R ' + (EtO) 2 PO 2 Na O Chương 2 NGHIÊN CỨU 10 [...]... nhiệt độ, thời gian đến hiệu suất phản ứng, tỉ lệ E/Z alkene tạo thành trong phản ứng tổng hợp alkene dùng chất xúc tác chuyển pha là dibenzo −18−crown−6 sử dụng phản ứng chìa khóa là phản ứng Wittig - Xác định được điều kiện tối ưu để tạo ra các hợp chất có cấu hình Z hoặc E alkene theo ý muốn phục vụ cho việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất có ứng dụng trong đời sống và sản xuất 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO... NGHIÊN CỨU 2.1.1 Tổng hợp chất xúc tác chuyển pha dibenzo−18−crown−6 O OH + Cl OH O Cl reflux O O NaOH, n-BuOH O O O 2.1.2 Ứng dụng dibenzo−18−crown−6 trong một số phản ứng tạo alkene Khảo sát các yếu tố (base, dung môi, nhiệt độ, thời gian) ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng, tỉ lệ E/Z alkene tạo thành trong phản ứng tổng hợp alkene dùng chất xúc tác chuyển pha dibenzo−18−crown−6 2.1.2.1 Ứng dụng dibenzo−18−crown−6... chuyển pha dibenzo−18−crown−6 2.1.2.1 Ứng dụng dibenzo−18−crown−6 trong phản ứng tạo tetradec−5−ene PPh3Br CHO K2CO3, dibenzo-18-crown-6/THF Tetradec-5-ene 2.1.2.2 Ứng dụng dibenzo−18−crown−6 trong phản ứng tạo hexadeca−1,11−diene K2CO3, dibenzo-18-crown-6/THF PPh3Br CHO Hexadeca-1,11-diene 2.1.2.3 Ứng dụng dibenzo−18−crown−6 trong phản ứng tạo dodec−3−en−1−ol a) Sơ đồ 1: 11 K2CO3, dibenzo-18-crown-6/THF... suất phản ứng, tỉ lệ E/Z alkene được tạo thành ở sơ đồ a và b 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Thu thập và tham khảo tài liệu liên quan đến đề tài - Cấu trúc sản phẩm được xác định bằng các phương pháp phân tích hiện đại như: IR, GC−MS, phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H−NMR, phổ 13C−NMR và DEPT Độ sạch của sản phẩm được xác định bằng GC - Khảo sát trên siêu âm, xác định thời gian mà độ chuyển hóa của phản ứng. .. THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ 2.3.1 Hóa chất Triphenylphosphine, undecenal, acid bromhydric, acid sulfuric, potassium carbonate, sodium chloride, petroleum ether, catechol, sodium, pentan −1−ol, nonanal, propan−1,3−diol, acid acetic 50%, 2−(2−bromo−ethyl)−[1,3]dioxolane, toluene, tetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, dimethylformamide,… 2.3.2 Thiết bị và dụng cụ - Các thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp gồm... + Cột sắc kí sử dụng silica gel 60 (20−400 mesh, E Merck, Darmstadt, Đức) + Sắc kí lớp mỏng (TLC) trên bản nhôm, lớp hấp phụ bằng silica gel - Các dụng cụ thủy tinh dùng trong tổng hợp gồm có bình cô quay, bộ chưng cất, bình cầu ba cổ, bình quả lê 2 cổ, bình tam giác, ống sinh hàn, bình cầu cổ nhám, ống hút, pipet, ống đong, 13 KẾT LUẬN Dự kiến kết quả đạt được của luận văn: - Tổng hợp được chất xúc... đời sống và sản xuất 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Huỳnh Văn Tư (2011), Luận văn Thạc sĩ Hóa học, Trường Đại học Cần Thơ [2] Nguyễn Công Hào (2004), Phương pháp và kỹ thuật mới trong tổng hợp hữu cơ, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam [3] Trịnh Bửu Tài (2011), Luận văn Thạc sĩ Hóa học, Trường Đại học Cần Thơ Tài liệu tiếng Anh [4] Charles J Pedersen, Organic Syntheses, 1988, 6, 52 [5] . Phản ứng alkyl hóa. - Phản ứng tổng hợp ether Wiliamson. - Phản ứng Wittig. - Phản ứng Wittig−Horner, 5 Trong đó phản ứng Wittig là phản ứng rất quan trọng được sử dụng nhiều trong tổng hợp. hiệu suất phản ứng, tỉ lệ E/Z alkene tạo thành trong phản ứng tổng hợp alkene dùng chất xúc tác chuyển pha dibenzo−18−crown−6. 2.1.2.1 Ứng dụng dibenzo−18−crown−6 trong phản ứng tạo tetradec−5−ene PPh 3 Br CHO K 2 CO 3 ,. suất phản ứng và tỉ lệ E/Z alkene tạo thành của phản ứng tổng hợp alkene trong điều kiện dùng chất xúc tác chuyển pha dibenzo−18−crown−6. 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tổng hợp