DẪN XUẤT 3,4-DIHYDROPYRIMIDINE-2-ONE DÙNG XÚC TÁC MONTMORILLONITE TRAO ĐỔI CATION BIẾN TÍNH

Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác acid trichloaxetic trong điều kiện không dung môi .... Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng .... Kế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA HÓA HỌC



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Hóa Hữu cơ

TỔNG HỢP DẪN XUẤT 3,4-DIHYDROPYRIMIDINE-2-ONE DÙNG XÚC TÁC MONTMORILLONITE

TRAO ĐỔI CATION BIẾN TÍNH

Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Đức Dũng

Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Hoài

Mã số sinh viên: K39.106.037

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 5 năm 2017

Để có thể hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực của chính bản thân em còn có sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô và các bạn sinh viên khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến:

ThS Phạm Đức Dũng, người thầy đã tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Các phòng ban quản lý phòng thí nghiệm Hóa học của Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho em được thực nghiệm ở phòng thí nghiệm hóa hữu cơ trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh

Ban chủ nhiệm Khoa Hóa, các phòng ban quản lý phòng thí nghiệm Hóa học của Trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho

em được tiến hành thực nghiệm tại phòng thí nghiệm hóa đại cương trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh

Quý thầy cô, gia đình, bạn bè và đặc biệt là các bạn sinh viên trong nhóm khóa luận đã luôn dành nhiều tình cảm, động viên và hỗ trợ cho em trong suốt thời gian theo học tập tại trường và trong thời gian thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp

Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em xin ghi nhận và biết ơn những ý kiến đóng góp quý báu từ thầy/cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn

Kính chúc quý thầy cô, các bạn và những người thân của em lời chúc sức khỏe, lời cảm ơn chân thành nhất!

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT vii

1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

2 TỔNG QUAN 3

2.1 Phản ứng đa thành phần 3

2.2 Phản ứng Biginelli 3

2.2.1 Sơ đồ tổng hợp 3

2.2.2 Cơ chế phản ứng 3

2.2.3 Một số phương pháp tổng hợp theo Biginelli đã được thực hiện trên thế giới 4

2.3 Về xúc tác 8

2.3.1 Khoáng sét 8

2.3.2 Về Montmorillonite 9

3 THỰC NGHIỆM 12

3.1 Điều chế xúc tác 12

3.1.1 Tinh chế montmorillonite 12

3.1.2 Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng 12

3.1.3 Phương pháp trao đổi cation với montmorillonite hoạt hóa acid 12

3.2 Điều chế 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM) 12

3.3 Quá trình tối ưu hóa 13

3.4 Phương pháp tái sử dụng xúc tác 13

3.5 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM 13

3.6 Xác định cơ cấu các sản phẩm 14

3.7 Xác định cơ cấu xúc tác 14

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 15

4.1 Nghiên cứu xác định thành phần khoáng sét của đất sét Lâm Đồng 15

4.2 Tổng hợp 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM) 15

4.2.1 Sơ đồ tổng hợp 16

4.2.2 Khảo sát xúc tác sử dụng 16

4.2.4 Tối ưu hóa thời gian 17

4.2.5 Tối ưu hóa nhiệt độ 18

4.2.6 Tối ưu hóa tỷ lệ chất tham gia phản ứng 18

4.2.7 Tối ưu hóa khối lượng xúc tác 19

4.3 Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác 20

4.4 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM 20

5 ĐỊNH DANH SẢN PHẨM 22

5.1 Hợp chất Bi-1: 5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-4-phenyl-3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one 22

5.2 Hợp chất Bi-2: 5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-methylphenyl)-6-methyl-3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one 25

5.3 Hợp chất Bi-3: 5-(ethoxycarbonyl)-4-(3-fluorophenyl)-6-methyl-3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one 27

5.4 Hợp chất Bi-4: 5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-fluorophenyl)-6-methyl-3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one 30

5.5 Hợp chất Bi-5: 4-(3-clorophenyl)-5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one 32

5.6 Hợp chất Bi-6: 4-(4-clorophenyl)-5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one 35

5.7 Hợp chất Bi-7: 5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-methoxyphenyl)-6-methyl-3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one 37

6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 40

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 44

Bảng 1 Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion 5

Bảng 2 Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác acid trichloaxetic trong điều kiện không dung môi 6

Bảng 3 Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng 7

Bảng 4 Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện không dung môi 7

Bảng 5 Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi 8

Bảng 6 Vị trí các mũi khoáng sét 15

Bảng 7 So sánh xúc tác trao đổi các cation khác nhau 16

Bảng 8 Khảo sát nhiệt độ nung 17

Bảng 9 So sánh khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung 17

Bảng 10 Kết quả tối ưu hóa theo thời gian 18

Bảng 11 Kết quả tối ưu hóa theo nhiệt độ 18

Bảng 12 Kết quả tối ưu hóa tỉ lệ chất tham gia phản ứng 19

Bảng 13 Kết quả tối ưu hóa lượng xúc tác 20

Bảng 14 Khả năng tái sử dụng xúc tác 20

Bảng 15 Tổng hợp một số dẫn xuất DHPM 21

Bảng 16 Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-1 23

Bảng 17 Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-1 25

Bảng 18 Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-2 25

Bảng 19 Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-2 26

Bảng 20 Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-3 28

Bảng 21 Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-3 29

Bảng 22 Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-4 30

Bảng 23 Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-4 32

Bảng 24 Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-5 33

Bảng 25 Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-5 34

Bảng 26 Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-6 36

Bảng 27 Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-6 37

Bảng 28 Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-7 37

Hình 1 Sơ đồ tổng hợp DHPM 3

Hình 2 Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis 4

Hình 3 Cơ chế phản ứng theo De Souza 4

Hình 4 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion tiến hành bằng phương pháp siêu âm 5

Hình 5 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác acid trichloaxetic trong điều kiện không dung môi 6

Hình 6 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng 6

Hình 7 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện không dung môi 7

Hình 8 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi 8

Hình 9 Cơ cấu lớp 2:1 9

Hình 10 Mô hình cấu trúc không gian của MMT 10

Hình 11 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu montmorillonite tinh chế 15

Hình 12 Sơ đồ tổng hợp DHPM dùng xúc tác Mn+_Mont_nung 16

Hình 13 Phổ 1H-NMR của chất Bi-1 22

Hình 14 Phổ 13C-NMR của chất Bi-1 24

Hình 15 Phổ 1H-NMR của chất Bi-2 26

Hình 16 Phổ 13C-NMR của chất Bi-2 27

Hình 17 Phổ 1H-NMR của chất Bi-3 28

Hình 18 Phổ 13C-NMR của chất Bi-3 29

Hình 19 Phổ 1H-NMR của chất Bi-4 31

Hình 20 Phổ 13C-NMR của chất Bi-4 31

Hình 21 Phổ 1H-NMR của chất Bi-5 33

Hình 22 Phổ 13C-NMR của chất Bi-5 34

Hình 23 Phổ 1H-NMR của chất Bi-6 35

Hình 24 Phổ 13C-NMR của chất Bi-6 36

Hình 25 Phổ 1H-NMR của chất Bi-7 38

Hình 26 Phổ 13C-NMR của chất Bi-7 39

+ 1H-NMR: phổ cộng hưởng từ proton.

+ 13C-NMR: phổ cộng hưởng từ cacbon-13

+ CEC: khả năng trao đổi cation

+ DHPM: 3,4-dihydropyrimidine-2-one

+ LD30: Montmorillonite tinh chế hoạt hóa acid H2SO4 có nồng độ 30%

+ LDTC: Montmorillonite tinh chế chưa hoạt hóa acid

+ MCR: phản ứng đa thành phần

+ Mn+_Mont: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với Mn+.+ Mn+_Mont_nung: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với

Mn+ sau đó được nung ở nhiệt độ cao

+ Mn+_M300: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với Mn+ sau

đó được nung ở 300 oC

+ MMT: Montmorilonite

+ MRC: phản ứng đa thành phần

+ MW: vi sóng

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong Hóa học Hữu cơ nói chung và đặc biệt là tổng hợp hữu cơ nói riêng, xu hướng sử dụng những phản ứng đơn giản, dễ thực hiện nhưng có khả năng thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao đang được ưu tiên phát triển hơn cả Một trong những đại diện tiêu biểu là phản ứng Biginelli Ngoài những ưu điểm trên, sản phẩm tạo thành của phản ứng này đã và đang có rất nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng trong đời sống như: kháng vi khuẩn, kháng vi rút, chống tăng huyết áp,

Trong quá trình nghiên cứu, phát triển phản ứng trên, việc cải tiến xúc tác luôn là một vấn đề được quan tâm hơn cả Tuy nhiên, những xúc tác cho điều kiện phản ứng đơn giản (thời gian ngắn, nhiệt độ thấp,…) lại có khả năng thu hồi kém, gây ô nhiễm môi trường Trong khi đó, những xúc tác cho khả năng thu hồi tốt lại có điều kiện phản ứng tương đối khó khăn (nhiệt độ cao, thời gian phản ứng kéo dài,…) gây tốn nhiên liệu Việc kết hợp ưu điểm của các loại xúc tác để tạo nên một loại xúc tác có nhiều ưu điểm hơn như xúc tác rắn trao đổi cation với một số loại muối thông dụng đã được đề

ra, tuy nhiên khả năng thu hồi vẫn còn nhiều hạn chế do sự hao hụt cation trong quá trình phản ứng và xử lý sản phẩm Để giải quyết vấn đề này, một giải pháp đã được đề

ra là tiến hành nung xúc tác ở nhiệt độ cao, biến các nhóm hydroxyl trên bề mặt thành oxide (montorillonite trao đổi cation biến tính) để giữ cố định lượng cation đã được trao đổi trước đó Tuy nhiên, giải pháp này chưa được đưa vào nghiên cứu và áp dụng thực tiễn

Với những lí do trên, em quyết định chọn đề tài: “Tổng hợp dẫn xuất

3,4-dihydropyrimidine-2-one dùng xúc tác montmorillonite trao đổi cation biến tính”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

+ Khảo sát nhiệt độ nung thích hợp xúc tác montmorillonite trao đổi cation với một số muối vô cơ

+ Khảo sát khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung

+ Tiến hành áp dụng xúc tác đã điều chế trên phản ứng Biginelli để chọn ra xúc tác tốt nhất

+ Tối ưu hóa phản ứng Biginelli giữa ba tác chất là 4-methyl benzaldehyde, urea

và ethyl acetoacetate dựa trên nền xúc tác đã chọn

+ Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác và tổng hợp một số dẫn xuất khác

1.3 Phương pháp nghiên cứu

+ Tổng hợp các tài liệu khoa học liên quan

+ Tiến hành điều chế montmorillonite hoạt hóa acid trao đổi cation, nung ở nhiệt

độ cao

+ Tiến hành tối ưu hóa phản ứng Biginelli giữa ba tác chất là 4-methyl benzaldehyde, urea và ethyl acetoacetate, khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác và tổng hợp một số dẫn xuất khác

+ Định danh sản phẩm thu được thông qua đo nhiệt độ nóng chảy, phổ cộng hưởng từ proton (1H-NMR) và phổ cộng hưởng từ cacbon (13C-NMR)

2 TỔNG QUAN

2.1 Phản ứng đa thành phần

Phản ứng đa thành phần (multi-component reaction, MCR) là một phản ứng hóa học có sự tham gia của ba hay nhiều hơn ba thành phần, những thành phần chính phản ứng với nhau trong một quá trình để tạo ra một sản phẩm bao gồm hầu hết các nguyên

tử của các nguyên liệu đầu vào [7]

Phản ứng đa thành phần có khả năng tạo thành các phân tử phức tạp với sự đơn giản, nhanh gọn và đặc biệt 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 [2]

2.2 Phản ứng Biginelli

Năm 1893, nhà hóa học người Ý-Pietro Biginelli báo cáo về sự ngưng tụ vòng

cyclo trên xúc tác acid với chất tham gia gồm một aldehyde, một β-ketoester và urea

(hoặc thiourea) để tạo thành một dihydropyrimidine Ông đã dự đoán rằng khả năng tổng hợp các phản ứng đa phần bằng cách kết hợp các chất phản ứng của hai phản ứng

khác nhau có một phần chung, kết quả là tạo nên 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one và

các dẫn xuất [6][23]

Phản ứng đa thành phần tạo ra 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one (DHPM) từ ethyl

acetoacetate, aldehyde hương phương và urea được gọi là phản ứng Biginelli (Hình 1)

CHO

R

O

H3C EtOOC

H O

O

EtO2C H

O OEt O

H+

O OEt

OEt HO

H2N NH2O

H O OEt

O NH O

NH2

H2O

HN N H

Ph

CO2Et

Me O

HN N

Ph

CO2Et Me O

OH

3

Hình 2 Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis [9][22]

Cơ chế được đề ra năm 1973 Ban đầu sẽ xảy ra phản ứng ngưng tụ giữa

benzaldehyde 1 và ethyl acetoacetate 2 trong môi trường acid tạo ra trung gian carbocation Carbocation này sẽ tác dụng với urea 3 tạo thành 4, đóng vòng 4 thu được

HN NH2

OH Ph

O

H+

HN NH2

H Ph

O

O NH

Ph EtO2C

Me O

H2N

H2O

N H NH Ph

O Me

EtO2C

N H NH Ph

O Me

EtO2C

HO

O EtO2C

O

NH2O

2''

+-

H2N NH2O

Hình 3: Cơ chế phản ứng theo De Souza [6][22]

Cơ chế được đề ra năm 2009 Trung gian N-acyliminium 2’ được hình thành bởi

sự ngưng tụ giữa benzaldehyde 1 và urea 2 trong môi trường acid Sau đó trung gian này sẽ tiếp tục phản ứng với ethyl acetoacetate 3, tạo thành sản phẩm 4, đóng vòng 4 thu được 5, tách nước tạo thành DHPM 6 Nếu urea dư, trung gian 2’’ sẽ tạo thành

2.2.3 Một số phương pháp tổng hợp theo Biginelli đã được thực hiện trên thế

giới

+ Cách tiến hành

Hỗn hợp bao gồm: aldehyde (10 mmol), ethyl acetoacetate (10 mmol) và urea hoặc thiourea (11 mmol) trong hỗn hợp [cmmim][BF4] và [bmim][BF4] (2:1, 2 g) tiến hành siêu âm ở 30 ºC Khi hoàn thành các phản ứng sản phẩm được đổ vào nước đá và khuấy trong 15-20 phút Chất rắn tách ra được lọc và rửa lại với nước, ethanol đến khi sạch [3]

X EtOOC

30 oC, )))) 30-70 min

Hình 4 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion

tiến hành bằng phương pháp siêu âm + Kết quả

Kết quả thu được khi thực hiện với tỉ lệ và thời gian khác nhau thu được trong

+ Sơ đồ phản ứng

X solvent-free, 70 oC

Hình 5 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác trichloroacetic

trong điều kiện không dung môi + Kết quả

Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và dẫn xuất thu được trong Bảng 2

Bảng 2: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác acid trichloroaxetic

trong điều kiện không dung môi

(phút)

Hiệu suất (%)

X MW

O EtO

Hình 6 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O

trong điều kiện vi sóng + Kết quả

Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng

được thể hiện trong Bảng 3

Bảng 3: Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O

trong điều kiện vi sóng

+ Cách tiến hành

Hỗn hợp của aldehyde (3 mmol), alkyl acetoacetate (4,5 mmol), urea (6 mmol) và Cu(NO3)2.3H2O (2-10 % mol) được khuấy ở 70 oC Sau khi hoàn thành các phản ứng, chất rắn tạo thành được cho tiếp 10 ml H2O vào khuấy và hòa tan trong 10 phút Sản phẩm được rửa lại với nước [11]

+ Sơ đồ phản ứng

R2

O O

+ +

R1 H O

N H NH

R1

O Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O

Hình 7 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O

trong điều kiện không dung môi + Kết quả

Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và các dẫn xuất thu được trong

Bảng 4

Bảng 4: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O

trong điều kiện không dung môi

(phút)

Hiệu suất (%)

2.2.3.5 Dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi

+ Cách tiến hành

Hỗn hợp của aldehyde (10 mmol), alkyl acetoacetate (10 mmol), urea (15 mmol)

và montmorillonite KSF (0,5 g) được khuấy ở 130 oC trong vòng 48 h Sản phẩm tạo thành được kết tinh lại với ethanol, xúc tác được thu hồi bằng cách lọc nóng với ethanol và tái sử dụng được 2 lần với hiệu suất 80-81% [10]

+ Sơ đồ phản ứng

R'' R'

O O

+ +

R H O

N H NH R

O R'

KSF, 130 oC

O R''

H2N

O

NH2 solvent-free, 48h

Hình 8 Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF

trong điều kiện không dung môi + Kết quả

Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và các dẫn xuất được tóm tắt trong

Bảng 5

Bảng 5: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF

trong điều kiện không dung môi

bị nung nóng Các khoáng sét có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc tổng hợp

Khoáng sét được hình thành do sự phong hóa hóa học các loại đá chứa silicate dưới tác dụng của acid carbonic hoặc do các hoạt động thủy nhiệt Thành phần chính bao gồm Al2O3, SiO2, H2O và một số oxid của kim loại kiềm, kiềm thổ, sắt, mangan, kẽm… Phần lớn khoáng sét được tìm thấy dưới dạng hạt mịn và có khả năng hấp phụ nước trở thành vật liệu có tính dẻo

2.3.1.2 Cơ cấu lớp 2:1

Cơ cấu lớp 2:1 bao gồm một tấm bát diện nằm giữa hai tấm tứ diện, mỗi ô mạng gồm 6 ô bát diện và 8 ô tứ diện, 2/3 nhóm hydroxyl của tấm bát diện được thay thế bởi các nguyên tử oxi nằm trên đỉnh của tấm tứ diện

Hình 9 Cơ cấu lớp 2:1

Ooct: tâm anion bát diện T: cation tứ diện

Oa: oxigen tại đỉnh tứ diện Ob: oxigen tại đáy tứ diện

2.3.2 Về Montmorillonite

2.3.2.1 Khái niệm

Montmorillonite (MMT) là một khoáng sét phyllosilicate rất mềm thuộc họ smectite, được phát hiện năm 1847 tại Montmorillon trong tỉnh Vienne của Pháp, nhưng nó cũng được tìm thấy ở nhiều nơi khác trên thế giới và được biết đến với các tên gọi khác nhau MMT là thành phần chính của bentonite (chiếm khoảng 80-90% theo khối lượng của bentonite) [5][19]

2.3.2.2 Cấu trúc

Gồm 2 tấm tứ diện kẹp 1 tấm bát diện (khoáng sét 2:1) Mỗi lớp có độ dày khoảng

1 nm [20] Cấu trúc được minh họa trong Hình 10

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 pH cao hoặc khi thay đổi môi trường nhanh chóng MMT có diện tích bề mặt lớn, diện tích lớp cao, kích thước hạt rất mịn, độ dẻo cao và có tính thấm ướt thấp [12]

2.3.2.3.2 Tính trao đổi ion

, Ba2+…chính các điện tính sinh ra này làm thay đổi lực hút tĩnh điện giữa các lớp và ảnh hưởng nhiều đến khả năng xúc tác của MMT Bằng cách thay thế các cation giữa các lớp bằng cation khác, có thể tạo ra nhiều loại MMT có tính chất khác nhau, phù hợp với yêu cầu của người sử dụng [18]

Khả năng tao đổi cation (Cation Exchange Capacity-CEC) của MMT thay 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, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation có hóa trị lớn theo thứ tự

M+>M2+>M3+ Với các cation có cùng hóa trị, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng lớn theo thứ tự Li+>Na+>K+>Mg2+>Ca2+>Fe2+>Al3+ [18]

2.3.2.3.3 Khả năng hấp phụ

Sự hấp phụ bề mặt trong của MMT có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô

cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực Các chất hữu cơ phân cực

có kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm ở lớp xen giữa (interlayer) hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước [4]

Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polymer và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của MMT [14]

2.3.2.4 Tính chất hóa học

MMT có công thức hóa học: (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2.nH2O

Tính chất đặc biệt của MMT là có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ nhờ vào độ acid cao Nó có thể được xem là acid Lewis do sự thay thế đồng hình các ion Si4+bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+thay thế ion Al3+ ở bát diện làm bề mặt của MMT mang điện tích âm Do vậy tâm acid Lewis được tạo thành từ ion Al3+

và ion Mg2+ Trên bề mặt MMT tồn tại các nhóm hydroxyl (-OH) có khả năng nhường proton để hình thành trên bề mặt MMT những tâm acid Brönsted [19]

3.1.2 Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng

Cân 10 g montmorillonite tinh chế Lâm Đồng, khuấy với 200 ml dung dịch acid

H2SO4 có nồng độ 30% trong 4 h tại nhiệt độ 70 oC Sản phẩm được lọc, rửa trên phễu Büchner tới khi hết ion SO42- (thử bằng dung dịch BaCl2 1 M), sấy khô tại nhiệt độ

110 oC Sản phẩm được nghiền mịn qua rây 80 mesh [1]

3.1.3 Phương pháp trao đổi cation với montmorillonite hoạt hóa acid

Thêm từ từ 3 g montmorillonite hoạt hóa acid vào 100 ml dung dịch muối CuSO4

1 M, khuấy từ trong 5 h ở nhiệt độ phòng Chất rắn sau đó được lọc, rửa sạch dung dịch CuSO4, sấy khô và nghiền mịn thu được xúc tác montmorillonite hoạt hóa acid trao đổi ion Cu2+

, ký hiệu Cu2+_Mont Phương pháp này được áp dụng cho một số muối vô cơ khác để trao đổi những cation khác Ký hiệu chung là Mn+-Mont [1]

3.1.4 Phương pháp nung xúc tác montmorillonte đã trao đổi cation

Nung xúc tác Mn+_Mont ở các nhiệt độ khác nhau: 100 oC, 200 oC, 300 oC, 400 oC

và 500 oC Xúc tác sau khi thu được, được kiểm tra khả năng tái sử dụng như mục 3.4,

xúc tác này được kí hiệu Mn+

_Mont_nung

3.2 Điều chế 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM)

Cho vào bình phản ứng 0,212 g 4-methylbenzaldehyde (2 mmol), 0,120 g urea (2 mmol), 0,260 g ethyl acetoacetate (2 mmol) và 100 mg Mn+_Mont_nung Hỗn hợp được trộn đều, thực hiện phản ứng tại 100 oC Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp được hòa trong ethanol nóng, lọc xúc tác, dung dịch qua lọc được cho bay hơi dung môi dưới áp suất thấp, chất rắn kết tinh lại trong ethanol thu được sản phẩm DHPM tinh khiết

3.3 Quá trình tối ưu hóa

Điều kiện phản ứng ban đầu: 0,212 g 4-methylbenzaldehyde (2 mmol), 0,120 g urea (2 mmol), 0,260 g ethyl acetoacetate (2 mmol) và 100 mg xúc tác khuấy từ điều nhiệt trên bếp dầu trong điều kiện không dung môi trong 120 phút ở nhiệt độ 100 oC Các yếu tố được tiến hành tối ưu:

 Khảo sát xúc tác sử dụng

Giữ cố định điều kiện phản ứng ban đầu, thay đổi lần lượt các xúc tác Mn+

Mont_nung

 Tối ưu hóa thời gian

Sử dụng xúc tác đã tối ưu, tiến hành thay đổi thời gian phản ứng từ 90-360 phút Các điều kiền phản ứng khác không đổi

 Tối ưu hóa nhiệt độ

Tiến hành phản ứng với xúc tác và thời gian tối ưu Thay đổi nhiệt độ phản ứng từ 80-120 oC, các điều kiện phản ứng khác không thay đổi

 Tối ưu hóa tỉ lệ chất tham gia phản ứng

Giữ cố định xúc tác, nhiệt độ và thời gian đã tối ưu, tiến hành thay đổi tỉ lệ các chất tham gia phản ứng Khối lượng xúc tác 100 mg

 Tối ưu hóa khối lượng xúc tác

Cố định các điều kiện đã tối ưu: xúc tác, nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ chất tham gia phản ứng Tiến hành thay đổi khối lượng xúc tác từ 50-250 mg

3.4 Phương pháp tái sử dụng xúc tác

Xúc tác thu được sau quá trình lọc nóng được rửa lại bằng ethanol nóng, sấy khô tại 110 oC Chất rắn sau đó được nghiền mịn qua rây 80 mesh, xúc tác này được sử dụng cùng điều kiện tối ưu ban đầu để nghiên cứu khả năng tái sử dụng

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Xác định thành phần khoáng sét của đất sét Lâm Đồng

Phổ đồ nhiễu xạ tia X của mẫu montmorillonite tinh chế cho thấy các mẫu chứa

chủ yếu khoáng sét: montmorillonite, illite, kaolinite và quartz (Hình 11) Phổ đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu montmorillonite được trình bày trong Phụ Lục 1

Hình 11 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu MMT tinh chế

Vị trí mũi các khoáng sét trên phổ đồ của được trình bày trong Bảng 6

4.2 Tổng hợp 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM)

4.2.1 Sơ đồ tổng hợp

N H NH

CHO

R

O

H3C EtOOC

Điều kiện áp dụng khi tiến hành khảo sát xúc tác sử dụng là 1:2:3=1:1:1 (mmol),

thời gian 120 phút, nhiệt độ 100 oC, lượng xúc tác là 100 mg với các chất xúc tác montmorillonite hoạt hóa acid trao đổi ion của 9 cation kim loại khác nhau lần lượt là:

Na+, Ni2+, Mg2+, Cu2+, Zn2+, Co2+, Cr3+, Al3+, Fe3+ Sau đó nung ở nhiệt độ bất kì, kí hiệu: Mn+_Mont_nung Ở đề tài này chọn 300 oC, kí hiệu Mn+_M300 Kết quả được

4.2.3 Khảo sát nhiệt độ nung

Tỉ lệ chất tham gia phản ứng (R=H) là 1:2:3=1:1:1, thời gian 150 phút, nhiệt độ

100 oC, xúc tác 100 mg (ứng với 2 mmol tác chất) Xúc tác Co2+_M300 được thay đổi nhiệt độ nung từ 100-500 oC Kết quả thu được trong Bảng 8

Bảng 8 Khảo sát nhiệt độ nung

Stt Nhiệt độ nung (oC) Hiệu suất (%)

Hiệu suất phản ứng tăng từ 65 % lên 69 % khi tăng nhiệt độ nung từ 100 oC lên

200 oC Khi tăng lên nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất giảm (Bảng 8, thí nghiệm 3,4,5)

Xúc tác này được kiểm tra khả năng tái sử dụng lần 1 để so sánh, chọn ra xúc tác

có khả năng xúc tác và tái sử dụng tốt nhất, kết quả được tóm tắt trong Bảng 9

Bảng 9 So sánh khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung

Kết quả thu được từ Bảng 9 thì khả năng tái sử dụng lần 1 của xúc tác nung tại

200 oC thấp (tương tự khi nung ở 100 oC) Khi nung xúc tác ở 300 oC, hiệu suất phản ứng khá, khả năng tái sử dụng tốt Vậy sử dụng xúc tác Co2+

_M300 được nung ở nhiệt

độ 300 oC để tiến hành các bước tối ưu tiếp theo

4.2.4 Tối ưu hóa thời gian

Cố định tỉ lệ 1:2:3=1:1:1 (mmol), lượng xúc tác Co2+_M300 là 100 mg, thay đổi

thời gian phản ứng từ 90-360 phút Kết quả được trình bày trong Bảng 10

Kết quả Bảng 10 cho thấy thời gian phản ứng cho hiệu suất cao nhất là 270 phút

(thí nghiệm 8), tăng thêm (thí nghiệm 9,10,11,12) hay giảm thời gian phản ứng (thí

nghiệm 1,2,3,4,5,6) đều làm hiệu suất giảm

Bả g Kết quả tối ưu hóa theo thời gian

Stt Thời gian

(phút)

Hiệu suất (%)

4.2.5 Tối ưu hóa nhiệt độ

Cố định điều kiện phản ứng ban đầu với tỉ lệ 1:2:3=1:1:1 (mmol), thời gian 270

phút, lượng xúc tác là 100 mg, nhiệt độ phản ứng được thay đổi từ 80-120 o

C Kết quả

được trình bày trong Bảng 11

Bả g Kết quả tối ưu hóa theo nhiệt độ

Stt Nhiệt độ

(oC)

Hiệu suất (%)

độ 100 oC để khảo sát những yếu tố tiếp theo

4.2.6 Tối ưu hóa tỷ lệ chất tham gia phản ứng

Tiến hành phản ứng theo điều kiện nhiệt độ, thời gian đã tối ưu, lượng xúc tác

Co2+_M300 là 100 mg, thay đổi tỉ lệ mol của các chất tham gia phản ứng Kết quả

được trình bày trong Bảng 12

Khảo sát tỉ lệ các chất tham gia phản ứng, nhận thấy hiệu suất phản ứng có tăng,

nhưng không đáng kể khi tăng duy nhất một yếu tố là lượng 4-methylbenzaldehyde

dụng thì hiệu suất giảm (thí nghiệm 8,9) Tuy nhiên, khi tăng đồng thời hai yếu tố là 4-methylbenzaldehyde và ethyl acetoacetate thì hiệu suất tăng đáng kể (thí nghiệm 10,11) Kết quả này phù hợp với cơ chế do De Souza [6][22] đề nghị Phản ứng tổng hợp DHPM xảy ra qua trung gian giữa benzaldehyde với urea, sau đó trung gian này

sẽ phản ứng với ethy acetoacetate Lượng thừa urea có thể tạo ra trung gian phụ gây cản trở quá trình tạo thành sản phẩm nên hiệu suất tổng hợp DHPM giảm khi lượng

urea tăng cao Vì vậy, chọn tỉ lệ 1:2:3=1,5:1,5:1 (mmol) là tối ưu để khảo sát yếu tố

tiếp theo ảnh hưởng đến phản ứng

Bả g 2 Kết quả tối ưu hóa theo tỉ lệ chất tham gia phản ứng

Stt 1:2:3

(mmol)

Hiệu suất (%)

4.2.7 Tối ưu hóa khối lượng xúc tác

Tiến hành phản ứng ở các điều kiện đã tối ưu và thay đổi khối lượng xúc tác từ

50-250 mg Kết quả được trình bày trong Bảng 13

Kết quả Bảng 13 cho thấy lượng xúc tác sử dụng cũng ảnh hưởng nhiều đến khả

năng tạo thành sản phẩm Khối lượng xúc tác cần thiết để phản ứng xảy ra tốt nhất là

200 mg (ứng với 2 mmol tác chất) (thí nghiệm 7) Khi sử dụng lượng xúc tác ít hơn

200 mg thì phản ứng xảy ra không tốt bằng, dùng nhiều xúc tác hơn thì hiệu suất phản ứng giảm (thí nghiệm 8,9) do xúc tác dạng rắn, khi dùng thừa có thể gây cản trở quá trình tiếp xúc giữa các chất tham gia phản ứng

Bả g 13 Kết quả tối ưu hóa theo khối lượng xúc tác

Stt Lượng xúc tác

(mg)

Hiệu suất (%)

o Tỉ lệ chất tham gia phản ứng 1:2:3=1,5:1,5:1 (mmol)

o Khối lượng xúc tác: 200 mg (ứng với 2 mmol tác chất)

Kết quả trình bày trong Bảng 14 cho thấy hiệu suất tạo thành sản phẩm DHPM hầu

như không giảm theo số lần tái sử dụng xúc tác

4.4 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM

Áp dụng điều kiện phản ứng tổng hợp DHPM đã tối ưu, nghiên cứu tổng hợp một

số dẫn xuất DHPM khác dựa trên sự thay đổi 4-methylbenzaldehyde thành benzaldehyde và những dẫn xuất khác của benzaldehyde

Kết quả Bảng 15 cho thấy khi thực hiện phản ứng tại nhiệt độ tối ưu là 100 oC

cho hiệu suất khá (Bi-3, Bi-5, Bi-7), trung bình (Bi-6) hoặc yếu (Bi-4) Khi tiến hành tăng thời gian phản ứng lên 360 phút thì hiệu suất tốt hơn (Bi-1, Bi-3, Bi-6)

Bả g 5 Tổng hợp một số dẫn xuất DHPM

Mẫu R

Hiệu suất (%) Nhiệt độ nóng chảy (

oC) Nghiên cứu Tham khảo

180 phút

270 phút

360 phút