Nghiên cứu phản ứng Knoevenagel trong dung môi xanh là chất lỏng Ion

1 Phần mở đầu ™ Lý chọn đề tài Như biết, độ chuyển hóa phản ứng Knoevenagel chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: Xúc tác, dung môi, nhóm thế… Trong đó, tốc độ phản ứng Knoevenagel phụ thuộc vào dung môi mật độ điện tích dương nguyên tử carbon nhóm carbonyl (–CHO) Dung môi không phân cực cho tốc độ phản ứng cao Mật độ điện tích dương nguyên tử carbon cao tác nhân nhân công vào nguyên tử carbon dễ dàng, phản ứng xảy với tốc độ cao Vì vậy, lý chọn đề tài để làm rõ ảnh hưởng yếu tố dung môi nhóm lên độ chuyển hóa phản ứng Knoevenagel điều kiện cho phép phòng thí nghiệm ™ Tổng quan lịch sử nghiên cứu đề tài Dung môi có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng Knoevenagel Macquarrie et al nghiên cứu dung môi hiệu cho phản ứng Knoevenagel sử dụng xúc tác chất mang silica, kết luận dung môi không phân cực cho tốc độ phản ứng cao ™ Mục tiêu đề tài Khảo sát ảnh hưởng dung môi nhóm lên độ chuyển hóa phản ứng Knoevenagel từ chọn dung môi nhóm tối ưu cho phản ứng Knoevenagel ™ Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu Phản ứng Knoevenagel malononitrile benzaldehyde (các nhóm khác nhau); dung môi khác nhau; chất xúc tác SBA-15 2 ™ Phương pháp nghiên cứu Sử dụng chất nội chuẩn dodecane C12H26; Xác định độ chuyển hóa phương pháp sắc kí khí; Sản phẩm định danh kiểm chứng phương pháp sắc kí khối phổ GC-MS; Các thao tác tổng hợp, làm sản phẩm phòng thí nghiệm ™ Những đóng góp đề tài vấn đề đề tài chưa làm Chọn dung môi nhóm (của tác chất) tối ưu cho phản ứng Knoevenagel Trong trình thực nghiệm phát sinh số vấn đề trái với lí thuyết chưa giải thích hợp lí đề tài 3 Chương I TỔNG QUAN 1.1 Xúc tác chất mang rắn [3] 1.1.1 Xúc tác chất mang vô [1] So với chất mang polyme, chất mang vô có nhiều ưu điểm: • Độ bền hóa học cao, chịu điều kiện khắc nghiệt phản ứng oxi hóa • Độ bền học tuyệt vời, không bị ảnh hưởng trương dung môi chất mang polyme • Độ bền nhiệt tốt, thực phản ứng đòi hỏi nhiệt độ cao Hiện công nghệ sản xuất vật liệu vô phân tán cao với kiểm soát kích thước phân tử, đường kính mao quản hoàn thiện, cho phép tổng hợp chất mang mong muốn dễ dàng 1.1.2 Chất mang vô - vật liệu mao quản trung bình 1.1.2.1 Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) IUPAC phân loại vật liệu xốp dựa kích thước mao quản Bảng 1.1: Phân loại vật liệu xốp [4] Phân loại Kích thước lỗ xốp Ví dụ Vi mao quản < 2nm Zeolit Mao quản trung bình 2-50nm M41S, SBA, … Mao quản lớn > 50nm Thủy tinh 1.1.2.2 Xúc tác chất mang SBA Hình 1.1: SBA-15 sau cố định amine Hình 1.2: Dạng lỗ xốp SBA-15 Đặc điểm: -diện tích bề mặt (m2/g): 639 -kích thước trung bình (A0): 120 -kích thước hạt trung bình (μm): 0.4 -thể tích lỗ xốp (m3/m2): 1.39 SBA-15 có đặc tính vật lý thuận lợi có độ xốp, kích thước mao quản, kích thước hạt tương đối lớn, nên khả hấp phụ tác chất phản ứng bề mặt lớn, tác chất phản ứng hấp phụ bề mặt phản ứng bề mặt xúc tác nên hiệu suất cao SBA-15 3-D hỗn hợp có nhiều thuận lợi cho việc ứng dụng làm chất mang chúng có đường kính lỗ xốp 46-300A0 diện tích bề mặt riêng cao (gần 800m2/g) Với mạng cấu trúc ba chiều thuận lợi cho khếch tán di chuyển phân tử lớn so với cấu trúc chiều, SBA-15 cấu trúc 3-D dùng nhiều lĩnh vực xúc tác phân tách 1.2 Phản ứng Knoevenagel [5] 1.2.1 Giới thiệu Năm 1894 E Knoevenagel trình bày phản ứng ngưng tụ diethylmalonate formaldehyde với diện xúc tác diethylamine tạo thành sản phẩm cộng hai phân tử diethylmalonate vào phân tử formaldehyde Ông phát tạo thành sản phẩm cộng tương tự từ formaldehyde, aldehyde ethylbenzoate acetylacetone có diện amine bậc nhất, bậc hai bậc ba Năm 1896, thực phản ứng benzaldehyde ethylacetoacetate 00C với xúc tác piperidine, ông thu ethylbenzylidene acetoacetate sản phẩm 6 Do phản ứng aldehyde ketone với hợp chất có nhóm methylene hoạt động có diện bazơ hữu yếu tạo dicarbonyl bất bão hòa đặt tên phản ứng Knoevenagel Doebner sử dụng pyridine làm xúc tác cho phản ứng thu hiệu suất cao nên phản ứng gọi phản ứng Knoevenagel - Doebner Hình 1.3: Phản ứng Knoevenagel Phản ứng có đặc điểm: • Aldehyde phản ứng nhanh ketone • Hợp chất chứa nhóm methylene hoạt động cần có hai nhóm hút điện tử, điển hình malonic ester, acetoacetic ester, malonodinitrile, acetylacetone… • Bản chất xúc tác đóng vai trò quan trọng phản ứng Xúc tác thường dung bazơ hữu yếu amine bậc nhất, bậc hai, bậc ba muối ammonium tương ứng chúng, pyridine, piperidine… Cũng sử dụng số muối vô KF, muối phosphate… axit Lewis TiCl4/Et3N • Dung môi điều kiện định thành công phản ứng Các dung môi phi proton thường sử dụng cho phản ứng • Sản phẩm dicarbonyl bị thủy phân khử nhóm carboxyl cách loại phân tử CO2 để tạo carbonyl bất bão hòa • Sản phẩm thu hỗn hợp nhiều đồng phân hình học Sản phẩm quy định hiệu ứng lập thể thông thường sản phẩm bền nhiệt động sản phẩm 1.2.2 Cơ chế Phản ứng Knoevenagel loại phản ứng Aldol hóa với xúc tác bazơ Cơ chế xác phản ứng Knoevenagel phụ thuộc vào loại tác chất loại xúc tác bazơ sử dụng Phản ứng xảy theo chế phản ứng nhân SN X, Y = -CHO, -COR, -COOR, -CN, -NO2, -SOR, -SO2OR Hình 1.4: Cơ chế tổng quát phản ứng Knoevenagel Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào độ bền carbanion (được ổn định hai nhóm hút điện tử bên cạnh) mật độ điện tích dương nguyên tử carbon phân tử RCOR’ Ion carbanion bền mật độ điện tích dương cao phản ứng xảy nhanh, hiệu suất phản ứng cao Bazơ sử dụng phản ứng không cần phải mạnh không cần chuyển hóa hoàn toàn XCH2Y thành carbanion trước vào phản ứng Bazơ tái tạo sau phản ứng Cần lưu ý toàn trình xảy phản ứng thuận nghịch nên cần có biện pháp thích hợp để loại nước khỏi hỗn hợp phản ứng 9 Chương II THỰC NGHIỆM 2.1 Quy trình phản ứng Knoevenagel 2.1.1 Dụng cụ hóa chất 2.1.1.1 Dụng cụ Bình cầu hai cổ 250ml Bếp khuấy từ cá từ Ống nghiệm Kim lấy mẫu Lọ chứa mẫu Pipet Becher Ống đong 2.1.1.2 Hóa chất Malononitrile Benzaldehyde Clorobenzaldehyde Methylbenzaldehyde Toluene Dichloromethane 10 Tetrahydrofuran Dodecane Diethylether CaCl2 2.1.2 Tính chất vật lí tác chất sản phẩm 2.1.2.1 Toluene Các tên gọi khác: methylbenzene, toluol, phenylmethane Công thức phân tử: C6H5CH3 Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 1110C Nhiệt độ nóng chảy: -950C Khối lượng riêng: 0.86g/ml 2.1.2.2 Tetrahydrofuran Các tên gọi khác: THF, diethylene oxide, oxacyclopentane, butylene oxide Công thức phân tử: (CH2)40 Trạng thái vật lí: chất lỏng sánh không màu Nhiệt độ sôi: 660C Nhiệt độ nóng chảy: -1080C Khối lượng riêng: 0.88g/ml 2.1.2.3 Dichloromethane Các tên gọi khác: DCM, methylene dichloride, methane dichloride 11 Công thức phân tử: CH2Cl2 Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 400C Nhiệt độ nóng chảy: -970C Khối lượng riêng: 1.33g/ml 2.1.2.4 Dodecane Các tên gọi khác: adakane 12, bihexyl, dihexyl, duodecane Công thức phân tử: C12H26 Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 2160C Nhiệt độ nóng chảy: -100C Khối lượng riêng: 0.75g/ml 2.1.2.5 Malononitrile Các tên gọi khác: MDN, dicyanomethane, cyanoacetonitrile, methylene cyanide Công thức phân tử: CH2(CN)2 Trạng thái vật lí: tinh thể màu trắng vàng nhạt Nhiệt độ sôi: 2200C Nhiệt độ nóng chảy: 340C Khối lượng riêng: 1.049g/ml 2.1.2.6 Benzaldehyde Các tên gọi khác: benzoic aldehyde, benzene carbonal, benzene carboxaldehyde 12 Công thức phân tử: C6H5CHO Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 1790C Nhiệt độ nóng chảy: -560C Khối lượng riêng: 1.04g/ml 2.1.2.7 p-chlorobenzaldehyde Các tên gọi khác: PCAD, 4-chlorobenzaldehyde, chlorobenzoic aldehyde Công thức phân tử: ClC6H4CHO Trạng thái vật lí: tinh thể màu vàng nhạt đến không màu Nhiệt độ sôi: 2140C Nhiệt độ nóng chảy: 460C Khối lượng riêng: 1.196g/ml 2.1.2.8 p-methylbenzaldehyde Các tên gọi khác: 4-methylbenzaldehyde, p-tolualdehyde, formyltoluene Công thức phân tử: CH3C6H4CHO Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 2050C Nhiệt độ nóng chảy: -60C Khối lượng riêng: 1.015g/ml 2.1.2.9 Benzylidene malononitrile Công thức phân tử: C6H5CHC(CN)2 13 Trạng thái vật lí: tinh thể màu vàng nhạt Nhiệt độ sôi: Nhiệt độ nóng chảy: 850C 2.1.2.10 p-chlorobenzylidene malononitrile Công thức phân tử: ClC6H4CHC(CN)2 Trạng thái vật lí: tinh thể màu trắng Nhiệt độ sôi: 3150C Nhiệt độ nóng chảy: 950C 2.2 Cách tiến hành phản ứng Hình 2.1 Quy trình phản ứng Knoevenagel Tiến hành phản ứng Pha dung dịch (1): malononitrile 40ml dung môi Pha dung dịch (2): benzaldehyde, nội chuẩn dodecane (tỉ lệ thể tích benzaldehyde : nội chuẩn = : 1) 40ml dung môi Mỗi phản ứng sử dụng 4ml dung dịch (1), 1ml dung dịch (2) 14 Dung dịch cho vào bình cầu hai cổ có khuấy từ Phản ứng thực nhiệt độ phòng (250C) Khuấy phút lấy mẫu t0 malononitrile Base môi dung benzaldehyde dung môi dodecan 4ml 1ml khuấy từ thời gian 3h Lấy 0.1 ml mẫu thời điểm to Phản ứng Knoevenagel Lấy 0.1 ml mẫu sau 20ph CaCl2 Làm khan CaCl2 Phân tích GC Làm khan Phân tích GC Tính độ chuyển hóa Hình 2.2 Sơ đồ khối quy trình phản ứng Knoevenagel 15 Cho xúc tác SBA-15 vào bình phản ứng Khối lượng xúc tác tính số mol benzaldehyde (công thức 2.1) m( g ) = x(mol %) n(mmol ) 100 y (mmol / g ) (2.1) Trong đó: x(mol%): nồng độ xúc tác n(mmol): số mol benzaldehyde y(mmol/g): số mol xúc tác có 1g chất mang Tiếp tục lấy mẫu sau 20 phút 3h Thao tác lấy mẫu: dùng kim hút 0,1ml mẫu thời điểm phân tích cho vào ống nghiệm chứa 2ml diethylether Sử dụng CaCl2 làm chất hút ẩm Sau 30 phút lấy phần dung dịch phía phân tích sắc kí Cụ thể cho phản ứng benzaldehyde malononitrile dung môi toluene, nồng độ xúc tác 2%mol, tỉ lệ mol benzaldehyde : malononitrile = 1: sau: • Pha 40ml dung dịch (2) gồm 3.8mmol benzaldehyde (0.4ml), 0.2ml dodecane 40ml toluene • Pha 10ml dung dịch (1) gồm 7.6mmol malononitrile (49mg) 10ml toluene • Phản ứng tiến hành bình cầu hai cổ có khuấy từ gồm 4ml dung dịch (2) (0.38mmol benzaldehyde) 1ml dung dịch (1) • Khối lượng xúc tác cần sử dụng 0.0065g Các yếu tố cần khảo sát: • Dung môi: khảo sát loại dung môi toluene, CH2Cl2, THF 16 • Nồng độ xúc tác: khảo sát nồng độ 1.0mol%, 2.0mol%, 2.5mol% benzaldehyde • Tỉ lệ mol benzaldehyde:malononitrile: khảo sát tỉ lệ mol 1:1.5, 1:2, 1:2.5 • Ảnh hưởng nhóm nhân thơm: khảo sát nhóm -Cl -CH3 Sử dụng chất nội chuẩn dodecane C12H26 Độ chuyển hoá benzaldehyde tính dựa phần trăm độ giảm tỉ lệ diện tích peak benzaldehyde diện tích peak nội chuẩn thời điểm lấy mẫu so với thời điểm ban đầu t0 (công thức 2.2) S S1 (t ) − (t ) S S2 η (%) = 100 S1 (t ) S2 (2.2) Trong đó: η(%): độ chuyển hoá S1, S2: diện tích peak benzaldehyde chất nội chuẩn to: thời điểm ban đầu t: thời điểm phân tích Với cách sử dụng nội chuẩn giảm thiểu tối đa sai số gây việc chất khác có đáp ứng khác đầu dò FID gây Xác định độ chuyển hóa phương pháp sắc kí khí Mẫu phân tích máy sắc kí khí Shimadzu GC 17A-ver.3 Bộ môn Công nghệ hữu cơ, khoa Công nghệ hoá học, đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Điều kiện phân tích: • Cột phân tích: Alltech DB-5 (30mx0.25mm, 0.25m) 17 • Detector: FID • Khí mang: N2 • Chế độ dòng: Split • Nhiệt độ Injector: 3000C • Nhiệt độ Detector: 3000C • Tốc độ dòng: 53ml/ph • Chương trình nhiệt độ: o 60 C 10oC/phút o 140 C 50oC/phút 300oC Hình 2.3 Máy sắc ký khí Xác định vị trí peak sản phẩm kiểm chứng sản phẩm Sản phẩm định danh kiểm chứng phương pháp sắc kí khối phổ GCMS máy Agilent 6895N Viện công nghệ hóa học Điều kiện phân tích: 18 • Cột phân tích: Agilent HP5-MS (30mx0.25mm, 0,25m) • Detector: MS • Khí mang: He • Chế độ dòng: Split • Nhiệt độ Injector: 2800C • Nhiệt độ Detector: 2800C • Tốc độ dòng: 0.9μl/s • Chương trình nhiệt độ: 60C/phút 60oC 100C/phút 1500C 2800C Hình 2.4 Máy sắc ký khối phổ 19 Chương III NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 3.1 Ảnh hưởng dung môi Đối với phản ứng tổng hợp hữu cơ, dung môi có ảnh hưởng lớn đến khả phản ứng hiệu suất phản ứng Do tác chất phản ứng xúc tác phân cực nên dung môi chọn dung môi không phân cực phân cực yếu để tác chất phản ứng dễ dàng tiếp xúc với tâm hoạt động xúc tác Cố định yếu tố: • Tỉ lệ mol benzaldehyde : malononitrile = : • Nồng độ xúc tác 2mol% • Nhiệt độ phòng Khảo sát ba loại dung môi: • tetrahydrofuran • toluene • dichloromethane Kết trình bày bảng 3.1 hình 3.1 Bảng 3.1 Ảnh hưởng dung môi lên độ chuyển hóa phản ứng STT thời gian t(phút) tetrahydrofuran benzaldehyde dodecane S1 S2 0.3189 0.1078 độ chuyển hóa η(%) 0.00 20 STT STT 20 40 60 80 100 120 140 160 180 thời gian t(phút) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 thời gian t(phút) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.2090 0.0778 9.19 0.2241 0.2305 1.0382 0.1398 0.1375 0.1820 1.0534 0.1476 44.91 57.19 66.68 67.98 0.1067 0.1611 0.7149 1.3808 toluene benzaldehyde dodecane S1 S2 0.1653 0.0997 0.0821 0.0868 0.0732 0.1175 0.0863 0.1864 0.0493 0.1419 0.0323 0.1203 0.0284 0.1317 0.0265 0.3091 0.0143 0.1836 0.0020 0.2310 dichloromethane benzaldehyde dodecane S1 S2 0.2947 0.0936 0.4017 0.3084 0.2293 0.2242 0.0924 0.1415 0.1362 0.2732 2.5471 8.0367 1.8766 8.7732 0.0701 0.4154 0.0349 0.2985 0.0338 0.4114 77.61 82.50 độ chuyển hóa η(%) 0.00 42.95 62.43 72.08 79.05 83.81 86.99 94.83 95.30 99.48 độ chuyển hóa η(%) 0.00 58.63 67.52 79.26 84.17 89.93 93.21 94.64 96.29 97.39 21 100 90 80 Độ chuyển hóa (%) 70 60 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Thời gian (phút) tetrahydrofuran toluene dichloromethane Hình 3.1 So sánh ảnh hưởng dung môi lên độ chuyển hóa phản ứng Kết cho thấy sử dụng dung môi THF độ chuyển hóa thu thấp nhất, độ chuyển hóa cao sử dụng dung môi CH2Cl2 Khi chuyển từ dung môi THF sang dung môi toluene CH2Cl2 độ chuyển hóa 80 phút đầu tăng nhanh sau tăng chậm lại Độ chuyển hóa sử dụng dung môi toluene CH2Cl2 chênh lệch không đáng kể Trong 120 phút đầu độ chuyển hóa sử dụng dung môi toluene thấp sử dụng dung môi CH2Cl2 sau độ chuyển hóa đạt gần Như biết, dung môi có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng Knoevenagel Macquarrie et al nghiên cứu dung môi hiệu cho phản ứng Knoevenagel sử dụng xúc tác chất mang silica, kết luận dung môi không phân cực cho tốc độ phản ứng cao [2] Trong dung môi sử dụng độ phân cực tăng dần theo thứ tự toluene (ε=2.38) < THF (ε=7.52) < CH2Cl2 (ε=9.08) 22 Như sử dụng dung môi toluene THF kết thu phù hợp với kết luận Macquarrie Chỉ có trường hợp CH2Cl2 lại cho độ chuyển hóa cao dung môi phân cực nhiều Để giải thích điều cần có thêm nhiều nghiên cứu khác sâu Dung môi CH2Cl2 chọn để nghiên cứu tiếp ảnh hưởng loại nhóm khác (các aldehyde thơm khác nhau) lên độ chuyển hóa phản ứng 3.2 Ảnh hưởng nhóm Phản ứng Knoevenagel chịu ảnh hưởng lớn phân cực nhóm –CHO Đối với aldehyde thơm phân cực nhóm –CHO chịu ảnh hưởng nhiều từ nhóm khác vòng thơm Cố định yếu tố • Tỉ lệ mol : • Nồng độ xúc tác 2mol% • Nhiệt độ phòng • Dung môi CH2Cl2 Khảo sát ba loại aldehyde thơm • benzaldehyde (1) • 4-chlorobenzaldehyde (2) • 4-methylbenzaldehyde (3) 23 Hình 3.2 Một số aldehyde thơm sử dụng cho phản ứng Kết trình bày bảng 3.2 hình 3.3 Bảng 3.2 Ảnh hưởng nhóm lên độ chuyển hóa phản ứng STT STT thời gian t(phút) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 thời gian t(phút) 20 40 60 80 100 chlorobenzaldehyde chlorobenzaldehyde dodecane S1 S2 1.0158 0.7156 0.1347 0.4702 0.0089 0.0465 0.2359 2.2356 0.0207 0.2675 0.2266 3.4159 0.0001 0.0067 0.0018 0.7576 0.0005 0.5313 0.0002 0.5313 methylbenzaldehyde methylbenzaldehyde dodecane S1 S2 0.4987 0.0316 0.1030 0.0193 0.2812 0.0788 0.3540 0.2382 0.3034 0.4582 độ chuyển hóa η(%) 0.00 79.82 86.52 92.57 94.55 95.33 98.95 99.83 99.93 99.97 độ chuyển hóa η(%) 0.00 66.18 77.39 92.61 96.71 24 STT 120 140 160 180 thời gian t(phút) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.0944 0.4334 0.0620 0.6857 0.0352 0.3852 0.0387 0.9266 benzaldehyde benzaldehyde dodecane S1 S2 0.2947 0.0936 0.4017 0.3084 0.2293 0.2242 0.0924 0.1415 0.1362 0.2732 2.5471 8.0367 1.8766 8.7732 0.0701 0.4154 0.0349 0.2985 0.0338 0.4114 98.62 99.43 99.42 99.74 độ chuyển hóa η(%) 0.00 58.63 67.52 79.26 84.17 89.93 93.21 94.64 96.29 97.39 20 160 100 90 80 Độ chuyển hóa (%) 70 60 50 40 30 20 10 0 40 60 80 100 120 140 180 Thời gian (phút) chlorobenzaldehyde methylbenzaldehyde benzaldehyde Hình 3.3 So sánh ảnh hưởng nhóm lên độ chuyển hóa phản ứng 25 Kết cho thấy sử dụng aldehyde thơm khác (có nhóm khác nhau) độ chuyển hóa thu khác Độ chuyển hóa sử dụng chlorobenzaldehyde cao nhất, độ chuyển hóa sử dụng benzaldehyde thấp Như biết tốc độ phản ứng Knoevenagel phụ thuộc vào mật độ điện tích dương nguyên tử carbon nhóm carbonyl (–CHO) Mật độ điện tích dương nguyên tử carbon cao tác nhân nhân công vào nguyên tử carbon dễ dàng, phản ứng xảy với tốc độ cao Như vòng thơm phân tử chlorobenzaldehyde có nguyên tử –Cl, nguyên tử có độ âm điện lớn nên hút điện tử π vòng thơm phía làm cho mật độ điện tích dương nguyên tử carbon nhóm carbonyl tăng, tác nhân nhân dễ dàng công vào đây, phản ứng nhanh chóng đạt độ chuyển hóa cao Trong trường hợp methylbenzaldehyde, vòng thơm có nhóm methyl –CH3 nhóm đẩy điện tử độ chuyển hóa lại cao sử dụng benzaldehyde Hai thí nghiệm lặp lại cho kết tương tự Nguyên nhân vấn đề cần có thêm nghiên cứu để giải thích