Tổng hợp dẫn xuất 1,8 dioxodecahydroacridine dùng xúc tác rắn montmorillonite hoạt hóa acid trong điều kiện không dung môi

Mở đầu Kể từ khi nhiều thảm kịch xảy ra trong nền công nghiệp hóa chất, thế giới quan tâm đó, tạp chí Hóa học Xanh Green Chemistry chính thức ra đời để xuất bản những bài báo việc áp dụn

Trang 1

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

TRONG ĐIỀU KIỆN KHÔNG DUNG MÔI

GVHD: ThS PHẠM ĐỨC DŨNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 - 2016

Trang 2

ở đầu 1

Chương1 Tổng quan 2

1.1 Phản ứng Hantzsch 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.1.1 Phản ứng đa thành phần 3

1.1.1.2 Phản ứng Hantzsch 3

1.1.2 Cơ chế phản ứng 3

1.1.2.1 Cơ chế phản ứng 4

1.1.2.2 Một số phương pháp tổng hợp đã được sử dụng 4

1.1.2.2.1 Sử dụng xúc tác ZnCl2.SiO2 4

1.1.2.2.2 Sử dụng xúc tác SSA (silica-supported sulfuric acid) 6

1.1.2.2.3 Sử dụng xúc tác PPA-SiO2 (silica-supported polyphosphoric acid) 6

1.2 Ứng dụng của một số dẫn xuất 1,8-Dioxodecahydroacridine 7

1.3 Hóa học vi sóng 7

1.3.1 Lịch sử 7

1.3.2 Cơ chế hoạt động 7

1.3.3 Ứng dụng vi sóng vào tổng hợp hữu cơ 9

1.4 Montmorillonite 9

1.4.1 Lịch sử – Khái niệm 9

1.4.2 Cơ cấu – Phân loại 9

1.4.3 Tính chất 10

1.4.3.1 Tính chất vật lý 10

1.4.3.2 Tính chất hóa học 10

1.4.3.2.1 Tính trao đổi ion 10

1.4.3.2.2 Khả năng xúc tác của MMT 11

Chương 2 Thực nghiệm 12

2.1 Hóa chất và thiết bị 13

2.1.1 Hóa chất 13

2.1.2 Thiết bị 13

2.2 Điều chế xúc tác 13

2.3 Điều chế 1,8-Dioxodecahydroacridine 14

2.4 Quá trình tối ưu hóa 14

2.5 So sánh với xúc tác khác 15

2.6 Tổng hợp các dẫn suất 15

2.7 Định danh sản phẩm 15

Chương 3 Kết quả và thảo luận 16

Trang 3

3.3 Tối ưu hóa nồng độ acid sulfuric hoạt hóa MMT 17

3.4 Tối ưu sản phẩm 18

3.4.1 Tối ưu hóa nhiệt độ 18

3.4.2 Tối ưu thời gian 18

3.4.3 Tối ưu tỉ lệ các chất 19

3.4.4 Tối ưu xúc tác 19

3.5 So sánh với xúc tác khác 20

3.6 Tổng hợp dẫn xuất 21

3.7 Định danh sản phẩm 21

3.7.1 3,3,6,6-tetramethyl-9-phenyl-3,4,6,7,9,10-hexahydroacridine-1,8(2H,5H)-dione (4A) 21

3.7.2 9-(4-nitrophenyl)-3,3,6,6-tetramethyl-3,4,6,7,9,10-hexahydroacridine-1,8(2H,5H)-dione (4B) 23

3.7.3 9-(4-bromophenyl)-3,3,6,6-tetramethyl-3,4,6,7,9,10-hexahydroacridine-1,8(2H,5H)-dione (4C) 25

3.7.4 9-(4-methylphenyl)-3,3,6,6-tetramethyl-3,4,6,7,9,10-hexahydroacridine-1,8(2H,5H)-dione (4D) 27

Chương 4 Kết luận và Đề xuất 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

PHỤ LỤC 36

Trang 4

ảng 1: Kết quả sử dụng xúc tác ZnCl2 2

Bảng 2: Kết quả sử dụng xúc tác SSA 6

Bảng 3: Kết quả sử dụng xúc tác PPA-SiO2 7

Bảng 4: Kết quả tối ưu hóa nồng độ acid sulfuric hoạt hóa MMT 17

Bảng 5: Kết quả tối ưu hóa theo nhiệt độ 18

Bảng 6: Kết quả tối ưu hóa theo thời gian 19

Bảng 7: Kết quả tối ưu hóa theo tỉ lệ tác chất 19

Bảng 8: Kết quả tối ưu hóa theo khối lượng xúc tác 20

Bảng 9: So sánh các loại xúc tác 20

Bảng 10: Kết quả tổng hợp dẫn xuất 21

Bảng 11: Quy kết các mũi proton của chất 4A trong phổ 1 H-NMR 23

Bảng 12: Quy kết các mũi proton của chất 4B trong phổ 1 H-NMR 25

Bảng 13: Quy kết các mũi proton của chất 4C trong phổ 1 H-NMR 27

Bảng 14: Quy kết các mũi proton của chất 4D trong phổ 1 H-NMR 29

Bảng 15: Quy kết phổ 1 H-NMR của một số dẫn xuất 1,8-Dioxodecahydroacridine 30

DANH MỤC HÌNH Hình 1: Sơ đồ phản ứng Hantzsch 3

Hình 2: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác ZnCl2.SiO2 4

Hình 3: Cơ chế phản ứng xúc tác ZnCl2.SiO2 5

Hình 4: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác SSA 6

Hình 5: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác PPA-SiO2 6

Hình 6: Cơ chế hoạt động của vi sóng 8

Hình 7: Mô hình cơ cấu không gian của MMT 9

Hình 8: Sơ đồ tổng hợp 1,8-Dioxodecahydroacridine và dẫn xuất 17

Hình 9: Phổ 1H-NMR của chất 4A 22

Hình 10: Phổ 1 H-NMR của chất 4B 24

Hình 11: Phổ 1 H-NMR của chất 4C 26

Hình 12: Phổ 1 H-NMR của chất 4D 28

Trang 5

Phụ lục 1: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4A 37

Phụ lục 2: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4A 38

Phụ lục 3: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4B 39

Phụ lục 4: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4B 40

Phụ lục 5: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4C 41

Phụ lục 6: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4C 42

Phụ lục 7: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4D 43

Phụ lục 8: Phổ 1H-NMR giãn rộng của hợp chất 4D 44

Trang 6

Mở đầu

Kể từ khi nhiều thảm kịch xảy ra trong nền công nghiệp hóa chất, thế giới quan tâm

đó, tạp chí Hóa học Xanh (Green Chemistry) chính thức ra đời để xuất bản những bài báo

việc áp dụng dung môi xanh (chất lỏng ion), kích hoạt xanh (vi sóng) hay phản ứng trong điều kiện không dung môi,…

xúc tác Trong Hóa học Xanh, một xúc tác “xanh” là một xúc tác an toàn khi thao tác,

nhiên

Montmorillonite là một xúc tác xanh được sử dụng thông dụng, thân thiện với môi trường, an toàn khi sử dụng và có thể tái sử dụng nhiều lần Trong nhiều phản ứng nó đóng vai trò như một acid rắn

Trong báo cáo này, tôi trình bày việc điều chế một số xúc tác montmorillonite và

Trang 7

Chương1 Tổng quan

Trang 8

1.1 Phản ứng Hantzsch

đó ba hoặc nhiều thành phần dễ dàng phản ứng với nhau trong một bình phản ứng

Phản ứng đa thành phần có khả năng tạo thành các phân tử phức tạp với sự đơn giản và ngắn gọn nhất Một lợi ích điển hình của phản ứng này là dễ dàng thu được sản phẩm tinh khiết, vì hầu hết tác chất ban đầu đều được kết hợp tạo thành sản phẩm cuối

Năm 1881, nhà hóa học người Đức Arthur Rudolf Hantzsch báo cáo về phản ứng ngưng tụ vòng cyclo trên xúc tác acid của một aldehyde, hai β-cetoester và một

Phản ứng Hantzsch tạo ra 1,8-Dioxodecahydroacridine từ benzaldehyde, dimethylcyclohexane-1,3-dione (dimedone), ammonium acetate

5,5-O

O O CHO

NH4OAc

xúc tác

t o

+ +

Trang 9

1.1.2.1 Cơ chế phản ứng

benzaldehyde rồi tách nước tạo chất trung gian I Chất trung gian I tác dụng với

dimedone đã bị proton hóa bởi xúc tác tạo ra chất trung gian II Chất trung gian II tác

III đóng vòng và tách nước tạo ra sản phẩm 1,8-Dioxodecahydroacridine (hình 3)

NH4OAc

t o

+ +

Trang 10

O

Ar H O H

O OH

OH O

O

Ar

H2O

Ar O

O O

O OH

Trang 11

1.1.2.2.2 Sử dụng xúc tác SSA (silica-supported sulfuric acid)

O

O O CHO

NH4OAc

Water

+ +

70 o C

Kết quả sử dụng xúc tác SSA được trình bày trong bảng 2

NH4OAc

Solvent-Free

+ +

Trang 12

Bảng 3: Kết quả sử dụng xúc tác PPA-SiO2

Hợp chất 1,8-dioxodecahydroacridine và dẫn xuất của nó có một phần cấu tạo giống

ứng thân thiện với môi trường, cung cấp nhiệt nhanh cho hiệu suất cao với độ chọn lọc đồng phân tốt, năng lượng thất thoát ra bên ngoài ít, không cần sử dụng dung môi

Trang 13

Tần số của vi sóng nằm giữa bước sóng hồng ngoại và sóng radio có tần số vào khoảng 0,3-300 GHz Để tránh làm nhiễu sóng viễn thông và sóng radar nên tần số của vi sóng trong tất cả các thiết bị dùng trong cuộc sống hằng ngày và công nghiệp đều

phản ứng Dưới tác dụng của từ trường, các phân tử lưỡng cực sắp xếp lại thẳng hàng,

sự quay lưỡng cực dưới tác dụng của từ trường tạo nên hiện tượng ma sát giữa các

với 0,054), điều này được giải thích là do ethanol phân cực hơn aceton nên hấp thu

cổ điển (bếp đun cách dầu) nhiệt lượng truyền từ bề mặt bếp qua lớp dầu đến bình phản ứng và cuối cùng mới làm nóng hỗn hợp phản ứng Do đó, hao phí một lượng lớn nhiệt năng do thất thoát ra môi trường xung quanh Trong khi đó, vi sóng xuyên qua

Trang 14

1.3.3 Ứng dụng vi sóng vào tổng hợp hữu cơ

dụng (multimode) và vi sóng chuyên dụng (monomode) đều được khảo sát trong nhiều phản ứng trong điều kiện không dung môi Chẳng hạn như phản ứng: acyl hóa

phần chính của bentonite (khoảng 80–90 % theo khối lượng) – sản phẩm phong hóa tro

Trang 15

MMT thuộc nhóm smectite, có cơ cấu lớp 2:1 bao gồm hai tấm tứ diện và một tấm

Tỷ trọng MMT trong khoảng 2,2–2,6, độ cứng Mohs tương đối khoảng 1,5 Tốc

độ lắng đọng thấp, thường có hiện tượng kết bông khi gặp môi trường kiềm, có độ

điện tích âm trong cơ cấu Điện tích âm đó được trung hòa bởi các cation trao đổi

hưởng nhiều đến khả năng xúc tác của MMT Bằng cách thay thế các cation giữa các lớp bằng các cation khác có thể tạo ra nhiều loại MMT khác nhau có tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng

Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity, CEC) của MMT thay

Trang 16

đổi trong một khoảng rộng từ 80–140 meq/100 g

Khả năng trao đổi ion còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi,

MMT có tính chất cơ bản có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ đó

nếu tại đó điện tích âm của chúng không được bù trừ bởi các ion dương Do vậy tâm

Trang 17

Chương 2 Thực nghiệm

Trang 18

2.1 Hóa chất và thiết bị

Trang 19

hoặc sử dụng quỳ tím nhận biết ion H+), sấy khô đến khối lượng không đổi tại nhiệt độ

LD20, LD30, LD40, LD50

2 M, khuấy từ trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng Chất rắn sau đó được lọc, rửa sạch dung

-Mont

mmol) ammonium acetate và 0,106 g (1 mmol) benzaldehyde rồi khuấy đều Tiếp đó

phẩm và lọc bỏ xúc tác Cô quay hỗn hợp để loại bỏ ethanol rồi kết tinh lại trong 10 ml

Trang 20

2.5 So sánh với xúc tác khác

-Mont

Thực hiện phản ứng áp dụng điều kiện đã tối ưu hóa ở trên hay đổi benzaldehyde

Trang 21

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Trang 22

3.1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu

hồi Mục đích của đề tài là nghiên cứu phương pháp tổng hợp

bằng cách khảo sát những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bao gồm: nồng độ acid hoạt

NH4OAc

xúc tác

t o

+ +

2

R

Cố định thời gian phản ứng thời gian 10 phút, khối lượng xúc tác 0,1 g, nhiệt độ

Bảng 4: Kết quả tối ưu hóa nồng độ acid sulfuric hoạt hóa MMT

Trang 23

thực hiện phản ứng

Điều kiện phản ứng ban đầu: 0,110 g (1,5 mmol) ammonium acetate và 0,106 g (1 mmol) benzaldehyde, 0,280 g (2 mmol) dimedone, 0,1 g xúc tác

6

Kết quả bảng 6 cho thấy thời gian tối ưu thực hiện phản ứng là 14 phút Thời gian ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất phản ứng Nếu không đủ thời gian thì phản ứng xảy ra không hoàn toàn, ngược lại thời gian phản ứng quá lâu thì sản phẩm sẽ bị phân hủy

Trang 24

Bảng 6: Kết quả tối ưu hóa theo thời gian

Bảng 7: Kết quả tối ưu hóa theo tỉ lệ tác chất

ưu, công suất 50 W, thay đổi khối lượng xúc tác Kết quả được trình bày trong bảng 8 Kết quả bảng 8 cho thấy khi lượng xúc tác quá ít thì không đủ để xúc tác cho phản ứng nên hiệu suất thu được cũng không cao Mặt khác xúc tác ở thể rắn nên khi tăng lượng xúc tác tỉ lệ pha lỏng giảm, diện tích tiếp xúc giữa các chất giảm dẫn đến hiệu suất

Trang 25

giảm Khảo sát thấy lượng xúc tác tối ưu cho phản ứng là 0,15 g

C

Thực hiện phản ứng ở điều kiện tối ưu thu được, thay đổi xúc tác tối ưu bằng các

hiệu suất thấp hơn xúc tác LD40

Trang 26

3.6 Tổng hợp dẫn xuất

dẫn xuất p-nitrobenzaldehyde, p-bromobenzaldehyde, p-methylbenzaldehyde Kết quả được trình bày trong bảng 10

Kết quả bảng 10 cho thấy dẫn xuất có nhóm đẩy electron (4-Me) làm giảm hiệu suất

tăng hiệu suất Nhưng ở đây ta thấy với các dẫn xuất của nhóm rút electron hiệu suất không thay đổi nhiều, do điều kiện phản ứng chưa được tối ưu hóa lại Các dẫn xuất khi chiếu vi sóng, do có độ phân cực lớn hơn benzaldehyde nên dễ bị cháy hơn trong cùng

có độ tan tốt hơn nên cũng làm giảm hiệu suất

Tín hiệu ở δ=0,99 ppm và δ=0,84 ppm có cường độ tương đối bằng 6 dạng singlet

Tín hiệu ở δ=1,97 ppm, δ=2,15 ppm, δ=2,31 ppm và δ=2,43 ppm (cường độ tương

Trang 27

đối bằng 2) dạng doublet đều có J=17 Hz được quy kết cho H2

Tín hiệu ở δ=4,80 ppm có dạng singlet (cường độ tương đối bằng 1) được quy kết

Trên phổ có một cụm tín hiệu δ=6,99-7,14 ppm có cường độ tương đối bằng 5 được

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

9a 9b 9c

Trang 28

Bảng 11: Quy kết các mũi proton của chất 4A trong phổ 1

1,97 (d, 2H, J=17 Hz) 2,15 (d, 2H, J=17 Hz) 2,31 (d, 2H, J=17 Hz) 2,43 (d, 2H, J=17 Hz)

4B có pic hấp thụ khác với chất 4A

Trang 29

Hình 10: Phổ 1

Tín hiệu ở δ=7,40 ppm có dạng doublet (cường độ tương đối bằng 2) được quy kết

nên tín hiệu của chúng chuyển về vùng trường yếu hơn, độ chuyển dịch tăng

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

17

18

f1 (ppm)

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

6500 DX4NO2-DMSO

3

6

7 8 9

9a

9b 9c

Trang 30

Bảng 12: Quy kết các mũi proton của chất 4B trong phổ 1

1,96 (d, 2H, J=17 Hz) 2,17 (d, 2H, J=17 Hz) 2,33 (d, 2H, J=17 Hz) 2,46 (d, 2H, J=17 Hz)

Trang 31

Hình 11: Phổ 1

tín hiệu của chúng chuyển về vùng trường yếu hơn, độ chuyển dịch tăng

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

12

13

f1 (ppm)

-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 DX4Br-DMSO

9a

9b 9c

Trang 32

Bảng 13: Quy kết các mũi proton của chất 4C trong phổ 1

1,98 (d, 2H, J=17 Hz) 2,17 (d, 2H, J=17Hz) 2,33 (d, 2H, J=17 Hz) 2,45 (d, 2H, J=17 Hz)

chất 4A Do có nhóm thế methyl trên vòng thơm nên các proton trên vòng thơm của chất

Tín hiệu ở δ=2,18 ppm (cường độ tương đối bằng 5), trùng với tín hiệu của nhóm

singlet được quy kết cho proton H11

carbonyl làm δ chuyển về trường thấp

Trang 33

Hình 12: Phổ 1

nên tín hiệu của chúng chuyển về vùng trường mạnh hơn, độ chuyển dịch giảm

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

12

f1 (ppm)

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 DX4Me-DMSO

9a

9b 9c

Trang 34

Bảng 14: Quy kết các mũi proton của chất 4D trong phổ 1

1,97 (d, 2H, J=17 Hz) 2,16 (d, 2H, J=17Hz) 2,31 (d, 2H, J=17 Hz) 2,44 (d, 2H, J=17 Hz)

Trang 35

Kết quả quy kết phổ 1H-NMR được tóm tắt trong bảng 15

0,86 (s, 6H) 1,01 (s, 6H)

0,86 (s, 6H) 1,00 (s, 6H)

Trang 36

Chương 4 Kết luận và Đề xuất

Trang 37

 Kết luận

Phương pháp tổng hợp 1,8-Dioxodecahydroacridine từ benzaldehyde,

phương pháp dễ thực hiện với các điều kiện tối ưu là:

Qua nghiên cứu này tôi có một số đề nghị:

Trang 38

Khảo sát phản ứng khi sử dụng hai β-cetoester là dimedone và etylacetoacetat Tiến hành thăm dò hoạt tính sinh học của những dẫn xuất đã tổng hợp được

Trang 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO

S Sheik Mansoor, K Aswin, K Logaiya, S.P.N Sudhan, Aqua-mediated synthesis

of acridinediones with reusable silica-supported sulfuric acid as an efficient catalyst,

Journal of Taibah University for Science, 8, 265-275, (2014)

[5]

Farid Moeinpour, Amir Khojastehnezhad, An Efficient One-Pot Synthesis of

under Solvent-Free Conditions, E-Journal of Chemistry, 9(2), 504-509, (2012)

Christopher Strauss, Robert Trainor, Developments in microwave-assisted organic

chemistry, Aust J Chem., 48, 1665-1692, (1995)

[10]

Nils Elander, John Jones, Shui-Yu Lu, Sharon Stone-Elanderc, Microwave-enhanced

radiochemistry, Chem Soc Rev., 29, 239-249, (2000)

[11]

Pelle Lidström, Jason Tierney, Bernard Wathey, Jacob Westman, Microwave assisted

organic synthesis: a review, Tetrahedron, 57, 9225-9283, (2001).

[12]

David Adam, Microwave chemistry: out of the kitchen, Nature, 421, 571-572,

(2003)

[13]

Ola Karnland, Martin Birgersson, Montmorillonite stability with special respect to

KBS-3 conditions, Clay Technology, 7-10, (2006)

[14]

H.H Murray, Applied Clay Mineralogy Occurrences, Processing and Application of

Kaolins, Bentonites, Palygorskite–Sepiolite, and Common Clays, Elsevier’s Science

& Technology, Oxford, 12-27, (2007)

[15]

Navjeet Kaur, Dharma Kishore, Montmorillonite: an efficient, heterogeneous and

Định dạng
Số trang	49
Dung lượng	1,04 MB