chất lỏng ion cho quá trình ankyl hóa

Tính chất của một số dung môi hữu cơ và chất lỏng ion: Bảng 1.1 So sánh giữ dung môi hữu cơ và chất lỏng ion Khả năng xúc tác Rất tốt Rất tốt điều chỉnh được Áp suất hơi bão hòa Tuân the

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy Cô Bộ môn

Lọc-Hóa Dầu, khoa Dầu Khí, trường Đại học Mỏ- Địa Chất đã tận tình giảng dạy

và chỉ bảo em trong những năm tháng học tập tại trường Các Thầy Cô khôngnhững truyền đạt cho em kiến thức sách vở mà còn chia sẻ cho em những kinhnghiệm hữu ích trong cuộc sống, giúp chúng em chuẩn bị hành trang để tự tin bướcvào thế giới mới, gặt hái thành công mới

Tiếp đến em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Thị Lệ Thủy - người đã

luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đề tài tốt nghiệp Cô đã hướng dẫnsát sao truyền đạt kinh nghiệm, giải thích các thắc mắc và cung cấp những tài liệu

bổ ích trong quá trình em thực hiện Em kính chúc Cô có nhiều sức khỏe để tiếp tục

sự nghiệp trồng người và gặt hái nhiều thành công trong công việc cũng như trongcuộc sống

Tuy có nhiều cố gắng trong quá trình học tập cũng như quá trình làm đồ ánnhưng vì kiến thức vẫn còn hạn chế không thể tránh khỏi những sai sót Em rấtmong nhận được sự góp ý và chỉ bảo quý báu từ thầy, cô để đồ án của mình đượchoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn.

Mục lục

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT………iv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LỎNG ION 2

1.1 Giới thiệu về chất lỏng ion 2

1.1.1 Lịch sử phát triển của chất lỏng ion 2

1.1.2 Định nghĩa chất lỏng ion 3

1.2 Tính chất và ứng dụng của chất lỏng ion 4

1.2.1 Tính chất của chất lỏng ion 4

1.2.2 Cấu trúc 6

1.2.3 Phân loại 6

1.2.4 Ứng dụng chất lỏng ion 7

1.3 Tổng hợp chất lỏng ion 8

CHƯƠNG 2 SỬ DỤNG CHẤT LỎNG ION TRONG PHẢN ỨNG CỘNG MICHAEL 9

2.1 Phản ứng cộng Michael 9

2.1.1 Định nghĩa phản ứng phản ứng cộng Michael 9

2.1.2 Cơ chế của phản ứng Michael 10

2.1.3 Xúc tác 10

2.1.4 Dung môi 11

2.1.5 Nhiệt độ 11

2.1.6 Xử lý, tinh chế hỗn hợp phản ứng 11

2.2 Sử dụng chất lỏng ion trong phản ứng cộng Michael 12

2.2.1 Sử dụng chất lỏng ion làm dung môi phản ứng 12

2.2.2 Sử dụng chất lỏng ion làm xúc tác cho phản ứng 21

2.2.3 Phản ứng cộng Michael với chất lỏng ion làm xúc tác và môi trường

phản ứng 31

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA CHẤT LỎNG ION CHO QUÁ TRÌNH ANKYL HÓA 48

3.1 Cơ sở lý thuyết chung về quá trình ankyl hóa 48

3.1.1 Khái niệm quá trình ankyl hóa 48

3.1.2 Tầm quan trọng của quá trình ankyl hóa 48

3.1.3 Xúc tác cho phản ứng ankyl hóa 50

3.2 Ankyl hóa iso-butan bằng 2-buten 52

3.2.1 Nguyên liệu của quá trình ankyl hóa………53

3.2.2 Cơ chế của phản ứng ……….54

3.2.3 Sản phẩm chính……… …54

3.3 Ankyl hóa isobutan bằng 2-buten sử dụng xúc tác là chất lỏng ion 55

3.3.1 Sử dụng chất lỏng ion 1-ankyl-3methyl imidazolium/nhôm clorua làm xúc tác cho quá trình ankyl hóa isobutan bằng 2-buten 56

3.3.2 Sử dụng chất lỏng ion [OMIM]Br/AlCl 3 và [(C 2 H 5 ) 3 NH]Cl/AlCl 3 làm xúc tác cho phản ứng ankyl hóa isobutan bằng 2-buten………… 71

3.3.3 Sử dụng chất lỏng ion [(C 2 H 5 ) 3 NH]Cl/AlCl 3 -CuCl làm chất xúc tác cho phản ứng ankyl hóa ……….81

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

[bmim]BF4 1-butyl-3-metyl imidazolium

tetraflorua borat[bmim]Cl 1-butyl-3-metyl imidazolium clorua

[MOEMIM]Oms 1-metoxyetyl-3-

metylimidazolium-methanesulfonat[EMim][Pro] 1-etyl-3metylimidazo-lium-(s)-2-pyrrolidinecacbonxylic

BMIBF4 1-butyl-3-metyl imidazolium

tetraflorua boratBMIBF6 1-butyl-3-metyl imidazolium

hexaflorua borat

i-PrOH Iso propyl hidroxit

[Bmim]OH 1-butyl-3-metyl imidazolium hidroxit

EtSH Etyl sulfuhydrat (Etan thiol)

PhSH Phenyl sulfuhydrat

[DBU] 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en

FCC Fluidized catalytic cracking Cracking xúc tác

ở điều kiện nhiệt độ chuẩn

CN-DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT BẢNG SỐ TÊN BẢNG TRANG

1 Bảng 1.1 So sánh giữ dung môi hữu cơ và chất lỏng ion 3

2 Bảng 2.1 Kết quả của việc sử dụng xúc tác trong dung dịch

3 Bảng 2.2 Kết quả phản ứng cộng Michael của thiols tới

chất hoạt động có chứa liên kết đôi 18

4 Bảng 2.3 Một số phản ứng khác với xúc tác L-Proline 19

5 Bảng 2.4 Kết quả sự ảnh hưởng nồng độ xúc tác đến phản

7 Bảng 2.6 Kết quả khả năng tái sinh của xúc tác trong phản

8 Bảng 2.7 Kết quả ảnh hưởng xúc tác và dung môi đến phản ứng 27

9 Bảng 2.8 Thể hiện kết quả khả năng tái sinh của xúc tác 28

10 Bảng 2.9 Kết quả thời gian và hiệu suất của phản ứng 30

11 Bảng 2.10 Kết quả thời gian và hiệu suất của một số phản ứng khi sử dụng [bmim]OH làm xúc tác 33

12 Bảng 2.11 Phản ứng cộng của thiol tới axetylen xeton 34

13 Bảng 2.12 Kết quả về khả năng tái sinh của xúc tác 34

14 Bảng 2.13 Kết quả sự ảnh hưởng của dung môi và xúc tác cho phản ứng 38

15 Bảng 2.14 Kết quả của phản ứng khi sử dụng xúc tác [DBU]

16 Bảng 2.15 Kết quả của việc sử dụng xúc tác [DBU][Ac] cho phản ứng 44

17 Bảng 2.16 Kết quả sử dụng [DBU][Ac] cho một số phản ứng khác 46

18 Bảng 2.17 Kết quả khả năng tái sinh của xúc tác [DBU][Ac] 47

20 Bảng 3.2 Tiêu chuẩn xăng của Liên minh Châu Âu 49

22 Bảng 3.4 So sánh tính chất của các chất xúc tác đang được

23 Bảng 3.5 Sự phụ thuộc của sản phẩm ankylate và vào thành phần olefin 53

24 Bảng 3.6 Trị số octan của một số sản phẩm của quá trình

25 Bảng 3.7 Kết quả phân bố sản phẩm của một số chất xúc tác 59

26 Bảng 3.8 Phân bố sản phẩm tại các nồng độ khác nhau của X 61

27 Bảng 3.9 Kết quả phân bố sản phẩm theo nhiệt độ của phản ứng 63

28 Bảng 3.10 Kết quả phân bố sản phẩm của 2 loại xúc tác cho phản ứng akyl hóa 66

29 Bảng 3.11 Chất xúc tác cho quá trình anhkyl hóa 73

30 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của một số muối kim loại lên phản ứng ankyl hóa 76

31 Bảng 3.13 Phân bố sản phẩm ankylate dùng xúc tác chất lỏngion chloruaaluminat với các giá trị X khác nhau 84

32 Bảng 3.14 Ảnh hưởng của chất phụ gia lên tính chất của chất

33 Bảng 3.15 Sự biến đổi của thành phần sản phẩm khi có mặt CuCl 86

34 Bảng 3.16 Phân bố sản phẩm ankylate sử dụng xúc tác chất lỏng ion chloruoaluminat với các giá trị khác

nhau của N

87

35 Bảng 3.17 Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ tới thành phần sản phẩm và độ chọn lọc khi có phụ gia CuCl 88

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

ST

2 Hình 2.1 Phương trình phản ứng cộng Michael tổng quát 9

4 Hình 2.3 Phương trình phản ứng cộng Michael giữa

isobutylrandehit với β-nitrostyren 13

5 Hình 2.4 Xúc tác trong phản ứng cộng andehit và xeton

11 Hình 2.10 Tổ hợp xúc tác chất lỏng ion (S)-pyrrolidine sulfonamide 26

12 Hình 2.11 Phương trình điều chế chất lỏng ion (S)-pyrrolidine sufulamin 26

14 Hình 2.13 Phương trình phản ứng điều chế một số xúc tác

15 Hình 2.14 Khả năng tái sử dụng của chất lỏng ion trong phản ứng piperidine với metyl acrylate trong

điều kiện không có dung môi

43

16 Hình 3.1 Cơ chế của phản ứng ankyl hóa isobutan bằng 2-buten 54

17 Hình 3.2 Ảnh hưởng của chất lỏng ion đến độ chuyển hóa của phản ứng 58

18 Hình 3.3 Ảnh hưởng của xúc tác đến độ chuyển hóa và tỉlệ sản phẩm 59

19 Hình 3.4 Độ chuyển hóa của 2-buten theo thời gian với nồng độ xúc tác khác nhau 61

20 Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa của

21 Hình 3.6 Ảnh hưởng của các loại xúc tác đến độ chuyển 64

hóa theo thời gian

22 Hình 3.7 Ảnh hưởng của LHSV đến độ chuyển hóa 2-buten trên 2 loại xúc tác 65

23 Hình 3.8 Ảnh hưởng của phụ gia đến độ chuyển hóa của sản phẩm 68

24 Hình 3.9 Ảnh hưởng của lượng phụ gia khác nhau đối với độ chuyển hóa 2-buten 69

25 Hình 3.10 Ảnh hưởng một số phụ gia lên vẫn tốc của phản

26 Hình 3.11 Ảnh hưởng của phụ gia lên sự phân bố sản phẩm ankylat 71

27 Hình 3.12 Quá trình ankyl hóa trong công nghiệp sử dụng tert-butyl clorua là phụ gia 72

28 Hình 3.13 Ảnh hưởng của tính axit của [OMIM]Br/AlCl3

29 Hình 3.14 Ảnh hưởng của tính axit của [OMIM] Br/AlCl3

(có mặt nước) lên chất lượng ankylate 75

30 Hình 3.15 Khả năng tái sinh của xúc tác [OMIM] Br/AlCl

31 Hình 3.16 Cấu trúc của chất lỏng ion [(C

32 Hình 3.17 Ảnh hưởng của tính axit của

[Et3NH]Cl/AlCl3 vào chất lượng ankylate 78

33 Hình 3.18 Kết quả ảnh hưởng của nồng độ xúc tác lên chất lượng ankylate 79

34 Hình 3.19 Ảnh hưởng của thời gian khuấy vào chất lượng ankylate 80

35 Hình 3.20 Sự phụ thuộc của thời gian tách sản phẩm đến chất lượng của sản phẩm 81

36 Hình 3.21 Sự phụ thuộc của chất lượng sản phẩm và chỉ số RON đến nhiệt độ phản ứng 81

37 Hình 3.22 Ảnh hưởng tỉ lệ isobutan/2-buten đến hàm

MỞ ĐẦU

Hóa học là một trong những ngành quan trọng của xã hội vì nó liên quan đếnhầu hết các ngành công nghiệp khác của chúng ta Với tốc độ phát triển chóng mặtcủa các ngành công nghiệp thì đời sống xã hội ngày càng được nâng cao, nhưng nócũng kéo theo nhiều tác động xấu đến môi trường xung quanh

Trong công nghiệp hóa dầu, các quá trình ankyl hóa, isome hóa… nhằm mụcđích nâng cao chất lượng xăng tuy nhiên các loại xúc tác sửa dụng cho các quá trìnhnày vẫn còn nhiều hạn chế và gây ô nhiễm môi trường

Mà trong thời đại hiện nay vấn đề môi trường được xã hôi quan tâm rất lớn,các điều luật bảo vệ môi trường liên tục ra đời đặt ngành sản xuất hóa chất và cácngành công nghiệp sử dụng hóa chất vào những nhiệm vụ và thách thức mới Vì thếviệc thay thế các loại xúc tác mới đã nhận được sự quan tâm rất lớn đối với các nhàkhoa học

Chất lỏng ion được xem là một dung môi, chất xúc tác sạch Tính chất vật lý,hóa học có thể thay đổi được phụ thuộc và cation và anion cấu thành nên nó Vớitính chất đặc biệt, chúng có thể là dung môi hoặc xúc tác thay thế cho các loại xúctác hiện tại trong quá trình tổng hợp hữu cơ- hóa dầu

Với ý nghĩa thiết thực trên đề tài: “Tìm hiểu ứng dụng của chất lỏng ion cho một số phản ứng: Phản ứng cộng Michael và phản ứng ankyl hóa isobutan bằng 2-buten’’, nhằm tìm hiểu ứng dụng chất lỏng ion cho từng phản ứng, đánh giá

các yếu tố ảnh hưởng, các điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả nhất Đề tài được trìnhbày trong 3 chương:

- Chương 1: Giới thiệu chung về chất lỏng ion

- Chương 2: Sử dụng chất lỏng ion trong phản ứng cộng Michael

- Chương 3: Sử dụng chất lỏng ion trong phản ứng ankyl hóa isobutan bằng 2-buten

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LỎNG ION

1.1 Giới thiệu về chất lỏng ion

1.1.1 Lịch sử phát triển của chất lỏng ion

Nguồn gốc của nghành hóa học chất lỏng ion hiện đại là ngành hóa học củacác muối có điểm nóng cháy thấp hơn nhiệt độ sôi của nước Chúng ta biết đếnchúng từ nửa sau thế kỉ 19, khi các nhà hóa học nhắc đến một loại chất lỏngthường xuất hiện một pha riêng biệt trong suốt các phản ứng Friedel – Crafts Năm

1877, Friedel và Crafts miêu tả về các phản ứng ankyl hóa và axyl hóa trong mộttạp chí khoa học của pháp Hai tác giả chỉ ra rằng một lượng nhỏ AlCl3 khan đượcthêm vào amyl clorua trong bezen thì phản ứng xảy ra trong dung dịch và sảnphẩm được chia thành 2 lớp riêng biệt Mãi đến tận thế kỉ sau thì các nhà hóa họcnhật bản chỉ ra một loại chất lỏng được cấu tạo bởi một cation vòng thơm và mộtanion AlCl3 chúng được gọi là chất lỏng ion

Năm 1888, Gabriel báo cáo việc phát hiện ra các ion lỏng etylamoni nitrat,chúng có điểm nóng chảy trong khoảng từ 52-55oC Đây là ví dụ đầu tiên của mộtmuối hữu cơ có điểm nóng chảy nhỏ hơn 100oC

Ngày nay, sự ra đời của các chất lỏng ion ở nhiệt độ phòng thường đượcgắn với mốc thời gian 1914, năm mà bài báo đầu tiên được Walden công bố vềetylamoni nitrat Trong nghiên cứu này tác giả đã đưa ra tính chất vật lý củaetylamoni nitrat ([C2H5NH3]NO3), chất có nhiệt độ nóng chảy ở 12oC và được tạothành do phản ứng etyl amin với axit nitric đặc Sau năm 1914 không có thêm sựphát triển quan trọng nào mãi tới năm 1951 mới có báo cáo tổng hợp etylpyridinclorua và nhôm clorua có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ phòng

Trong những năm 1970 và 1980, nhờ sự nỗ lực nghiên cứu và phát triểnlàm thấp điểm nóng chảy của chất lỏng ion dẫn tới khám phá của của Wikes vàHusey khi trộn lẫn 1,3 dimethylimidazolium với nhôm clorua tạo thành chất lỏngion có độ bền cao và có độ nhớt thấp Nó có được những đặc tính như dễ biến đổi,bền trong điều kiện axit mạnh và đun nóng Tùy vào lượng nhôm clorua mà có thểđiều chế các điểm nóng chảy khác nhau, tính axit tính bazơ hay trung tính Đâyđược coi là chất lỏng ion thế hệ thứ nhất, nó có nhược điểm là khó tinh chế, nhạyvới hơi ẩm bất kì một hơi ẩm nào cũng có thể phá hủy được nên chúng phải đượcbảo quản ở điều kiện trơ

Năm 1992, thế hệ thứ 2 ra đời với các tính năng bền không khí và hơi ẩmđược điều chế dựa trên cation 1-etyl-3metylimidazolium với anion tetra

fluoroborat Các chất lỏng ion này khắc phục được nhược điểm của các ion thế hệthứ nhất, tuy nhiên nếu để lâu trong môi trường vẫn thay đổi một số tính chất củachúng.

Ngày nay những chất lỏng ion ưa nước đã được điều chế và dần hoàn thiện.Chúng bắt đầu nhận được sự quan tâm từ năm 1998, các nghiên cứu bắt đầu tănglên theo cấp số nhân Kể từ khi viện dầu khí Pháp thông báo nghiên cứu quá trìnhDifasol thương mại để sản xuất iso octan từ n-buten có sử dụng chất xúc tác nikenhòa tan tổng một chất lỏng ion

Tính chất của một số dung môi hữu cơ và chất lỏng ion:

Bảng 1.1 So sánh giữ dung môi hữu cơ và chất lỏng ion

Khả năng xúc tác Rất tốt Rất tốt điều chỉnh được

Áp suất hơi bão hòa

Tuân theo phươngtrình Clausius-Claypeyron

Không đáng kể trong điều

kiện thườngTính dễ bốc cháy Dễ bốc cháy Không dễ bốc cháy

Khả năng điều chỉnh Dung môi sẵn có Phạm vi không giới hạnGiá thành Giá thành rẻ Đắt hơn dung môi hưu cơKhả năng tái chế

Cần một quá trình táichế thân thiện vớimôi trường

Khả năng tái chế cao

Khối lượng riêng

Với rất nhiều ưu điểm so với dung môi hữu cơ thông thường, ngày nay đã

có rất nhiều nghiên cứu về chất lỏng ion được tiến hành rộng rãi trong côngnghiệp thay thế các dung môi hữu cơ, chất xúc tác trong các phản ứng hóa học,làm dung môi cho các quá trình trích ly và còn ứng dụng để điều chế dược phẩm

1.1.2 Định nghĩa chất lỏng ion

Chất lỏng ion (IL) là các hợp chất dạng ion có nhiệt độ nóng chảy nhỏ hơn

100oC Chúng được cấu tạo từ các cation hữu cơ và các anion hữu cơ hoặc vô cơ.Việc thay đổi cấu trúc hoặc chiều dài của chuỗi cacbon của cation hoặc anion đềudẫn đến sự tạo thành các chất lỏng ion mới có tính chất vật lý và hóa học khác

nhau Vì vậy chất lỏng ion được xem như là dung môi hoặc chất xúc tác có thểthiết kế được để đáp ứng yêu cầu cho từng mục đích cụ thể.

+Tính đa dạng của chất lỏng ion được thể hiện ở chỗ sự kết hợp các anion

và các cation khác nhau có thể tạo ra một số lượng lớn các chất lỏng ion với cáctính chất khác nhau

+Có thể điều chỉnh được các tính chất, ví dụ: tính axit, tính tan, độ nhớt,khả năng cộng kết, hoạt tính hóa học

- Nhiệt độ nóng chảy thấp

Nhiệt độ nóng chảy thấp cho phép chúng tồn tại ở thể lỏng ở nhiệt độ thấp,nhờ đó có thể thực hiện các quá trình ở nhiệt độ thấp khi sử dụng chúng làm xúctác và dung môi

- Áp suất hơi rất thấp

Gần như không tồn tại áp suất hơi Chất lỏng ion là muối dạng lỏng, chonên các ion âm và dương tương tác với nhau rất mạnh, không tách ra khỏi phalỏng ở điều kiện thông thường Và hầu hết các chất lỏng ion là muối hữu cơ cóđiểm phân hủy nhiều lắm là 300-350oC, nếu tiếp tục gia nhiệt thì muối sẽ phânhủy chứ không bay hơi

- Ổn định nhiệt và điện

Chất lỏng ion khá bền nhiệt mà lại bay hơi không đáng kể trong điều kiện200-300°C, đó là tiêu chuẩn lý tưởng để chất lỏng ion trở thành một dung môi antoàn cho môi trường

- Phân cực

Chất lỏng ion là muối, cũng như nhiều muối hữu cơ khác, nhưng có khảnăng hòa tan trong rất nhiều dung môi hữu cơ phân cực Một số chất lỏng ion hòatan rất tốt trong nước, một số khác kị nước (hydrophobic) Chính vì thế chất lỏngion được lựa chọn để sử dụng như dung môi cho nhiều phản ứng đặc biệt

- Dẫn điện và dẫn nhiệt

Chất lỏng ion có độ dẫn điện khá cao, ở nhiệt độ 25°C, các chất lỏng ion cónhân cation là 1,3-diankyl-imidazoli có thể có độ dẫn ion khoảng vài chục mS/cm

- Độ tan của các chất trong chất lỏng ion rất quan trọng cho các quá trìnhxúc tác Sự khác nhau về độ tan của chất đầu, sản phẩm, chất xúc tác trong chấtlỏng ion là cần thiết để dễ dàng phân tách sản phẩm Những hiểu biết về tính tancủa chất lỏng ion với các dung môi khác rất quan trọng trong các quá trình chiết

và tách ở các quá hệ thống hai pha

Chất lỏng ion có khả năng hòa tan trong rất nhiều dung môi hữu cơ phâncực Tính chất hoà tan tốt nhiều chất nền hữu cơ và vô cơ cho phép kích thước củacác thiết bị máy móc nhỏ hơn và làm giảm không gian trống Một số chất lỏng ionhoà tan rất tốt trong nước, một số khác lại kị nước (hydrophobic) Chính vì thế,chất lỏng ion được sử dụng như dung môi cho nhiều phản ứng đặc biệt Nhiềuphản ứng cổ điển khi khảo sát sử dụng chất lỏng ion thì hiệu suất tăng lên đáng kể

có khi đến 100%, ví dụ như phản ứng của CO2 với ankyl oxit sản xuất ankylcarbonat (một hợp chất có nhiều ứng dụng) Chất lỏng ion còn có tác dụng nhưxúc tác chuyển pha, ví dụ như để điều chế ankyl nitril (CnHmCN), ta có thể choankyl halogen CnHmX (X=Cl , Br, I) tác dụng với NaCN Tuy nhiên hỗn hợp phảnứng tồn tại hai pha, một pha là NaCN tan trong nước, một pha là chất hữu cơkhông tan trong nước, cho nên không thể xảy ra phản ứng trao đổi giữa nhóm thếhalogen và anion CN-, nhưng nếu ta thêm vào hỗn hợp một lượng muối hữu cơ, ví

dụ amoni clorit, thì phản ứng sẽ xảy ra Trong trường hợp này, muối hữu cơ amoni

là "cầu nối" tiếp xúc cho hai tác nhân khác nhau nằm trong hai pha lỏng

- Một đặc tính quan trọng của chất lỏng ion là các tính chất vật lý và hóahọc của chúng có thể điều chỉnh được, hoặc bởi sự thay đổi các ion hoặc bởi sựbiến đổi hóa học các ion

Huddleston và cộng sự đã nghiên cứu các tính chất vật lý của các dãy chấtlỏng ion kỵ nước và ưa nước được cấu tạo từ 1-ankyl-3-metylimidazol Kết quảcho thấy hàm lượng nước, tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt, nhiệt độ nóng chảy,

độ ổn định nhiệt thay đổi khi thay đổi chiều dài của gốc ankyl với một anion cốđịnh hoặc khi thay đổi bản chất của anion với một cation cố định

Vì các tính chất đã đề cập ở trên mà có thể dễ dàng tìm được một chất lỏngion thích hợp nhất cho một ứng dụng hoặc thậm chí có thể phát triển một chất lỏngion mới nhờ sự kết hợp cation và anion dựa trên những hiểu biết về chúng

1.2.2 Cấu trúc

Giống như các hợp chất ion khác, chất lỏng ion gồm hai phần chính, làcation và anion các cation thường dùng là cá cation gốc imidazolum, puyridinium,phosphate, pyrolidium, tetraanhylphopphonium, tetraankylamonium, vàtriankylsunfunium Các anion thông thường là: X, BF4, AlX4, Al2Cl7, PF6, SR3,HSO4-…

Hình 1.1 Ví dụ về cation của chất lỏng ion

Trong đó: (1) ammoni; (2) sulfoni; (3) phosphoni; (4) lithi; (5) imidazoli;(6) pyridini; (7) Pyrrolidini; (8) và (9) thiazoni; (10) isoquinolini; (11) pyrazolium;(12) triazoli; (13) oxazoli

Bằng cách thay đổi các anion hay các cation cho phép chúng ta có thể thayđổi tính chất hóa lý của chúng như: nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt, độ dẫn điện, khảnăng ưa nước, độ hấp phụ Đây là điểm mạnh khiến chúng được ứng dụng rộng rãitrong các lĩnh vực khác nhau

+ Các dẫn xuất imidazol;

+ Các dẫn xuất pyridin;

+ Các chất lỏng ion không chứa halogen

- Dựa trên cation:

+ Nhóm cation amoni bậc 4 (quaternary ammoni cation): đây là nhóm phổbiến nhất gồm các loại cation như imidazoli, morpholini, pyrrolidini, pipperidini,ammoni, piperazini, pyridini Ở trạng thái hóa trị 3, nitơ vẫn còn một cặpelectron nên trở thành một chất nhường electron có khả năng phản ứng với các tácnhân nucleophin để hình thành nitơ mang điện tích dương

+ Nhóm cation photphoni với nguyên tử mang điện dương là photpho (P).+ Nhóm sunphoni cation với nguyên tử mang điện dương là nguyên tử lưuhuỳnh (S)

- Dựa trên anion:

Để tổng hợp được chất lỏng ion thường chúng ta thực hiện theo 2 bước sau:

- Tạo thành các cation theo yêu cầu

- Trao đổi anion để hình thành nên sản phẩm mong muốn

Trong một số trường hợp thì sản phẩm chất lỏng ion có thể tạo thành ngaybước đầu tiên hay nói cách khác là kết hợp trực tiếp như việc tổng hợp 1-butyl-3metyl-imidazol brommua[C4MIM][Br]

Tuy nhiên không phải chất lỏng nào cũng được hình thành ngay bước đầu

mà cần thêm bước thứ hai đó là trao đổi ion nữa

Bên cạnh những phản ứng trên thì lại có những chất lỏng ion được tổnghợp bằng việc trung hòa axit-bazo như muối mono anlkyl amoni nitrat được điềuchế bằng việc trung hòa dung dịch nước của amin với axit nitric Sau khi phản ứngtrung hòa axit-bazo thì lượng nước được loại bỏ trong điều kiện chân không

CHƯƠNG 2 SỬ DỤNG CHẤT LỎNG ION TRONG PHẢN ỨNG CỘNG

MICHAEL 2.1 Phản ứng cộng Michael

Phản ứng cộng Michael là một trong những loại phản ứng quan trọng phảnứng hình thành liên kết C-C mới, phản ứng chuẩn bị các sản phẩm làm nguyênliệu cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ hóa dầu [1]

2.1.1 Định nghĩa phản ứng phản ứng cộng Michael

Phản ứng cộng hợp giữa các hợp chất chứa nhóm -CH mang tính axit vớicác hợp chất vinylic cacbonyl được gọi là cộng hợp Michael hay phản ứngMichael, vì phản ứng này do A.Michael phát hiện đầu tiên vào năm 1887 [1]

Hình 2.1 Phương trình phản ứng cộng Michael tổng quát

trong đó:

- R, R1, R2, R3 và R4 là hydro,ankyl hoặc đôi khi là aryl;

- X, Y là các nhóm hút điện tử như: -COOH, -CHO, -COOR, -CONH2,-CN,-NO2, đôi khi là SO3R

Như vậy, với phản ứng này có thể tạo ra rất nhiều hợp chất

Trong hai chất tham gia phản ứng chính ở trên chất chứa H hoạt động(R1R2XCH) được gọi là chất cho (donor); còn chất vinylic cacbonyl (R3R4C=CRY)được gọi là chất nhận (acceptor)

Cũng cần lưu ý rằng, độ hoạt động của nhóm X, Y trong chất cho và chấtnhận không hoàn toàn giống nhau Sau đây là trình tự tăng dần của chúng trongphản ứng:

- X (donor): NO2 > SO3R > CN > COOR > CHO

- Y (acceptor): NO2 > COOR > CN > COR > CHO

Xúc tác cho phản ứng Michael là các bazơ, tương tự như phản ứng aldolhóa và phản ứng ngưng tụ Claisen Lượng dùng của nó cũng giống như phản ứng

aldol hóa, chỉ hoàn toàn ở mức độ xúc tác, không cần tới mức độ đương lượngnhư trong trường hợp phản ứng ngưng tụ Claisen [1].

2.1.2 Cơ chế của phản ứng Michael

Quá trình phản ứng gồm nhiều bước, nhưng bước chậm là bước quyết địnhvận tốc phản ứng phụ thuộc khả năng phản ứng của chất cho và chất nhận, cũngnhư độ bazơ của xúc tác (giống như trong phản ứng aldol hóa và ngưng tụ

hidroxit hoặc dung dịch nước natri hidroxit Trong dung môi trơ, đôi khi dùng tớinatri kim loại hay natri amidua.

Trường hợp các hợp chất hoạt động mạnh (rất hoạt hoá) có thể dùng cácamin bậc hai, bậc ba như pyperidin, pyridin, trietylamin, muối amoni bậc bốn (ví

dụ triton B)

Tác dụng xúc tác của các axit không có ý nghĩa đáng kể với phản ứngMichael nên ở đây chúng ta không đề cập kĩ, dù rằng cũng có một số công bố códùng tới botriflorua và kẽm clorua (axit Lewis) [1]

Cũng phải chú ý rằng, với các xúc tác là bazơ mạnh, trong một số trườnghợp phản ứng dẫn tới hình thành các sản phẩm trùng hợp

Ngày nay người ta đang hướng tới một loại xúc tác mới thân thiện với môitrường là xúc tác dạng chất lỏng ion nó vừa thân thiện với môi trường vừa giảmcác điều kiện của phản ứng

2.1.4 Dung môi

Dung môi phổ biến nhất cho phản ứng này là các ancol như metanol,etanol, n- butanol, tert butanol Một số dung môi trơ là ete, dioxan hoặc benzen,đôi khi dùng cả hỗn hợp chứa nước Trong những trường hợp dùng tới xúc tác làkim loại kiềm hoặc natri amidua thì dung môi là loại không chứa proton, dùngdưới dạng huyền phù [1]

Khi ta sử dụng chất lỏng ion thì thời gian sử phản ứng tương đối ngắn chỉkéo dài vài giờ đến 1 ngày [1]

2.1.6 Xử lý, tinh chế hỗn hợp phản ứng

Sau khi phản ứng kết thúc, sản phẩm của phản ứng Michael đa số kết tủa ởnhiệt độ phòng, như vậy đem lọc và kết tinh lại Nếu không kết tủa thì làm loãng

hỗn hợp với đicloetan hoặc chloroform, sau đó dùng axit axetic để trung hoà, phahữu cơ tách ra làm khan, cất loại dung môi, cất chân không thu sản phẩm [1].

2.2 Sử dụng chất lỏng ion trong phản ứng cộng Michael

Trong phản ứng cộng Michael việc sử dụng các dung môi hữu cơ làm môitrường cho các phản ứng gây tác động xấu đến môi trường, các dung môi hữu cơvới khả năng bay hơi cao và độc hại Không những vậy xúc tác cho loại phản ứngnày còn có rất nhiều hạn chế như khó tái sinh, hay dễ bị đầu độc bởi các thànhphần tạp chất trong nguyên liệu Vì vậy đã có rất nhiều tác giả nghiên cứu loạichất mới thay thế cho dung môi và xúc tác truyền thống Dưới đây là một số ví dụ

về chất lỏng ion trong phản ứng cộng Michael một trong những loại chất mới đangđược quan tâm hiện nay

2.2.1 Sử dụng chất lỏng ion làm dung môi phản ứng

2.2.1.1 Sử dụng chất lỏng ion 1-butyl-3-metyl imidazolium

hexafloruaphotphat làm dung môi cho phản ứng cộng Micheal

Phản ứng cộng Michael là một trong những cách thường dùng để tạo thànhliên kết C-C trong tổng hợp hữu cơ Một số tiến bộ trong phản ứng cộng bất đốixứng và việc phản ứng cộng Michael bất đối xứng để tạo ra nitro anken cũng được

mô tả Một trong rất nhiều các chất xúc tác được sử dụng trong phản ứng cộngMichael bất đối xứng là ankaloids Cinchona ankalioids và dẫn xuất của chúng.Cũng như các chất xúc tác heterbimetal dựa trên [1,1'-binaphthalene]-2,2'-diol(BINOL) Các phản ứng bất đối xứng trở thành trọng tâm trong những năm gần đây.Loại xúc tác này cũng đã được sử dụng cho phản ứng cộng Michael của andehit vàxeton thành nitrostyren Với dimethyl sulfuoxit (DMSO) và clorofom là nhữngdung môi được sử dụng nhiều nhất trong các phản ứng xúc tác là Proline, mặc dùmethanol cũng là một dung môi thích hợp điều này được chứng minh bởi Enderstrong một nghiên cứu về hiệu quả của dung môi trên quá trình xúc tác L-proline chophản ứng Barbas cũng sử dụng THF như là dung môi nhưng hiệu suất chỉ đạt 5%

và (s)-2-(Morpholinomethyl) pyrolidin đã được sử dụng làm xúc tác để đạt đượchiệu suất cao hơn Thời gian phản ứng như vậy thường dài từ 2-4 ngày và hiệu suấtđạt 85% Lựa chọn tốt nhất cho các phản ứng như vậy được Enders nghiên cứu vớihiệu suất phản ứng lên đến 85% và độ chuyển hóa thay đổi từ 25 đến 78% [2]

Trong những năm gần đây chất lỏng ion xuất hiện và trở thành dung môixanh cho nhiều phản ứng hữu cơ, kể cả các phản ứng xúc tác là các kim loạichuyển tiếp Chất lỏng ion cũng đã được sử dụng để làm dung môi cho xúc tác

quinidinium bromua của phản ứng cộng Michael dimetyl malonia thành chalcone

và phản ứng cộng của thiol tới α,β xeton chưa bão hòa Loh và cộng sự đã tìm rachất lỏng ion là dung môi tuyệt vời cho xúc tác Proline với phản ứng andol hóa.Còn mục đích của nhóm tác giả gồm Peter Kotrusz, Stefan Toma, Hans-GüntherSchmalz và Andreas Adler là tìm hiểu chất lỏng ion có thể sử dụng làm dung môicho L-Proline làm xúc tác cho phản ứng cộng Michael tới vị trí β-nitrostyren [2]

a Phản ứng cộng của andehit và xeton vào vị trí β-nitrostyren trong chất lỏng ion với một số loại xúc tác

Họ bắt đầu nghiên cứu về hiệu quả của xúc tác với một số axit amin hoặccác dẫn xuất của chúng Phản ứng β-nitrostyren với isobutyl andehit được nhómtác giả sử dụng để kiểm tra hoạt tính xúc tác của 7 loại xúc tác khác nhau (CAT1 –CAT7) tất cả các phản ứng được thực hiện trong dung môi 1-butyl-3methylimidazolium hexafloruaphotphat ([bmim]PF6) với nồng độ xúc tác là 5%

Hình 2.4 Xúc tác trong phản ứng cộng andehit và xeton vào vị trí β-nitrostyren

Bảng 2.1 Kết quả của việc sử dụng xúc tác trong dung dịch ion lỏng [2]

Chú thích: TfOH không được dùng trong thí nghiêm 7, 8

Nhóm tác giả này đã so sánh hiệu quả sử dụng của các loại xúc tác khácnhau Họ đã kết luận rằng khi sử dụng xúc tác trong dung dịch chất lỏng ion thìxúc tác tốt nhất là L-proline (CAT1) Sau đó là 2-(N-morpholinomethyl) pirolidin(CAT4) Trong khi phần lớn các xúc tác khác đã không hoạt động hoặc ít hoạtđộng Tại nhiệt độ 80oC loại xúc tác hudroxyl-L-Proline (CAT3) cũng có hoạt độhoạt động đáng kể Tác giả đã cố sử dụng không có dung môi cho xúc tác CAT4

(TfOH) cũng cho một kết quả khá tốt với 45% hiệu suất sản phẩm Với 22h phảnứng ở nhiệt độ phòng Sản phẩm sau khi phản ứng được tách dung môi bằng đietylete và không tái sử dụng chất xúc tác [2].

b Sử dụng L-Proline trong chất lỏng ion làm xúc tác cho phản ứng cộng Michael

Sau khi nghiên cứu sự ảnh hưởng xúc tác lên hiệu suất phản ứng và thấyrằng xúc tác L-Proline là cho hiệu suất cao nhất Nhóm tác giả Peter KotruszStefan Tomađã sử dụng L-Proline làm xúc tác trong dung môi là chất lỏng ion[bmim]PF6 của phản ứng cộng Michael của thiophenols tới vị trí α, β chưa bãohòa Để xem xét hiệu quả của xúc tác L-Proline trong dung môi là chất lỏng ionvới một số phản ứng khác

Phản ứng cộng Michael của thiophenol vào chalcone bằng 5% mol proline diễn ra tốt khi sử dụng 1-butyl-3-metylimidazolium hexafloruaphotphat([Bmim]PF6) làm dung môi Hiệu suất của sản phẩm được tác giả xác định sau khitách chất lỏng ion Với 4 lần tái sử dụng dung môi/xúc tác thì hiệu suất đạt 95-90% nhưng giảm dần chỉ còn 82% với lần thứ 5 và 74% với lần thứ 6 Mục đíchcủa nhóm tác giả là nghiên cứu giới hạn của dung môi trong phản ứng cộngMichael của thiol với chất nền Kết quả được tác giả thể hiện trong bảng 2.2 dướiđây:

l-Họ sử dụng có phương trình phản ứng tổng quát sau:

Hình 2.5 Phản ứng giữa thiol và chất hoạt hóa có nối đôi

Một số chất phản ứng:

Sản phẩm tạo thành:

Hình 2.6 Một số sản phẩm và chất phản ứng khi sử dung L-Proline làm xúc

tác

Bảng 2.2 Kết quả phản ứng cộng Michael của thiols tới chất hoạt động có chứa

liên kết đôi [9]

STT Chất

phản ứng

Tác nhân phản ứng

Thời gian (phút)

Hiệu suất (%)

Sản phẩm

sự cản trở về việc bố trí trong gian của hợp chất Việc phản ứng 1e và 1f có thểxảy ra là điều đáng ngạc nhiên mặc dù hiệu suất rất thấp, vì Ranu đã tuyên bố rằngphản ứng cộng của thiols trong trường hợp 1e là không thể Và với trường hợp 2j,2k, 2l không có sản phẩm được tạo thành, điều này là phù hợp với kết quả của tácgiả Ranu Được giải thích là do sự đảo ngược cộng thiol vào nhóm chức

2.2.1.2 Sử dụng chất lỏng ion 1-butyl-3-metyl imidazolium tetraflorua

photphat làm dung môi cho phản ứng cộng Micheal

Một nhóm tác khác là Meciarova M và cộng sự cũng nghiên cứu sự ảnhhưởng của xúc tác L-Proline lên quá trình phản ứng cộng Michael bằng việc sửdụng [bmim]BF4 làm dung môi cho quá trình phản ứng [15].

Tỉ lệ sản phẩm (syn/anti)

Độ chọn lọc (%)

Hình 2.7 Sử dụng một số chất lỏng ion khác làm dung môi cho xúc tác

L-Proline

Trong trường hợp này tác giả sử dụng 2 chất lỏng ion sau:

- [Bmim]Cl: 1-butyl-3-metyl imidazolium clorid

- [MOEMIM]OMs: 1-metoxyetyl-3-metylimidazolium-methanesulfonat Trong phản ứng này chất lỏng ion có thể hoạt động như một môi trường,tăng cường tính chọn lọc và độ hiệu quả của xúc tác L-Proline trong phản ứngcộng Micheal

Chúng còn có tác dụng phục hồi chất xúc tác và tái sinh dung môi

Hoạt tính của xúc tác phụ thuộc mạnh mẽ vào chất lỏng ion và chúng ảnhhưởng trực tiếp đến năng suất và độ chọn lọc của sản phẩm

Cấu trúc của chất lỏng ion có thể thay đổi để đáp ứng một số quá trình đặcbiệt

Nhưng khi sử dụng xúc tác [MOEMIM]OMs làm xúc tác có một số nhượcđiểm là thời gian phản ứng kéo dài đến 60h vào hiệu suất phản ứng chỉ đạt 70%với lượng xúc tác là 40% và độ chuyển hóa 75% [15]

ngày càng tăng Một số lượng lớn chất lỏng ion đã được đưa vào sử dụng trongcác phản ứng như tổng hợp các hợp chất bất đối xứng Với sự phát triển nhanhchóng những dung môi này có tiềm năng đóng vai trò quan trọng trong hóa hữu cơ

và tác động của nó trong lĩnh vực này vẫn còn được tăng cường Trong số các loạichất lỏng ion vừa được phát triển, những chất có nguồn gốc từ amino aixit đã thuhút được sự quan tâm ngày càng tăng đặc biệt với các phản ứng tổng hợp bất đốixứng do tính thuận tiện của việc sử dụng chúng trong hóa học

Kể từ khi Fukumoto và cộng sự thành công trong việc tổng hợp ra chấtlỏng ion amino axit từ 20 axit amin tự nhiên, các nghiên cứu về đặc tính của chấtlỏng ion amin tăng lên Tuy nhiên ứng dụng của chất lỏng ion về xúc tác và dungmôi vẫn chưa có nhiều báo cáo Vì vậy nhóm tác giả gồm Yunbo Qian, ShiyoungXiao, Lei Liu, Youngmei Wang đã chọn nghiên cứu các đặc tính của chất lỏng ionamino axit được sử dụng như dung môi và chất xúc tác cho phản ứng tổng hợp bấtđối xứng Họ đã chọn phản ứng cộng Michael như một phản ứng điển hình, vì nóđược coi là phản ứng quan trọng nhất trong phản ứng tạo ra liên kết C-C để tạo racác hợp chất hữu cơ để sản xuất các hợp chất hữu cơ khác Tuy nhiên những phảnứng Michael cần phải có nhóm chất nhận e có độ hoạt động cao như nitroanken.Xúc tác cho các phản ứng bất đối xứng của xeton với các chất khác vẫn đang còn

là một phản ứng thách thức Vấn đề này đã không được nghiên cứu kĩ lưỡng,ngoại trừ Wang và cộng sự Người ta đã sử dụng một chất lỏng ion làpyrrolidinylmethyl sulfuonamide làm chất xúc tác Ở đây, họ đổi anion IL 1-etyl-3-metylimidazolium-(S)-pyrrolidin-cacbonxylic ([Emim][Pro]) làm chất xúc tác

a Tổng hợp các axit amin ion lỏng 1-etyl-3metylimidazo-lium-(s)-2-pyrrolidine cacbonxylic ([EMim][pro])

Ban đầu phản ứng được hỗ trợ bởi hoạt động của xúc tác amino axitProline, sau đó họ đã quyết định nghiên cứu cấu trúc của chất lỏng ion [Emim][Pro] trong phản ứng cộng Michael như là một xúc tác Xúc tác có thể được dễdàng điều chế theo hình 2.6 Với 4-N-methyl imidazolim làm nguyên liệu phảnứng với lượng dư etan bromua trong etylaxetat ta thu được 1-ethyl-3methyl-imidazolium với hiệu suất cao (80%) Sau đó chất đó được cho phản ứng với 201

x 7 styren-DVB bằng cách trao đổi ion tạo thành 1-ethyl-3methyl-imidazoliumhidroxit một cách dễ dàng Cuối cùng L-Proline đã được dùng để trung hoà 1-ethyl-3methyl-imidazolium hidroxit sản xuất chất lỏng ion với hiệu suất của phảnứng đạt 70% [18]

Hình 2.8 Sơ đồ phản ứng tổng hợp [Emim][Pro]

tỉ lệ chất phản ứng cyclohexan (2)/chalone (3a) là 3.5/1; nồng độ chất xúc tác10%mol, thu được sản phẩm (4a) với hiệu suất 30% khi nồng độ xúc tác là 10%mol, tỉ lệ sản cấu hình sản phẩm cùng phía/ ngược phía là 23/77 giá trị này có thểchấp nhận được, độ chọn lọc của sản phẩm thấp đạt 17% Điều đáng ngạc nhiênkhi ta tăng 50% mol của xúc tác hiệu suất phản ứng đã tăng lên 75% trong 20h với

độ chọn lọc sản phẩm đạt 40% Tiếp tục tăng lượng xúc tác và điều kiện phản ứnghọc thấy rằng nồng độ xúc tác 200%mol trong 4h đạt hiệu suất tốt nhất với hiệusuất đạt 98% và độ chọn lọc sản phẩm 86% Khi tăng thêm lượng xúc tác nhiềuhơn nữa không cho kết quả tốt hơn, hiệu suất và độ chọn lọc giảm Kết quả được

cụ thể hóa trong hình 2.9 [18]

Phương trình phản ứng:

Hiệu suất phản ứng

Tỉ lệ đồng phân sản phẩm (cùng/

đối)

Độ chọn lọc

Nhóm tác giả đã tiến hành tiếp phản ứng trong các dung môi khác nhau vớinồng độ mol xúc tác là 200% mol Kết quả được tóm tắt ở bảng 2.5 Sự thay đổidung môi có ảnh hưởng đến hiệu suất của sản phẩm và độ chọn lọc của sản phẩm.Khi thực hiện trong toluene, THF, hoặc điclo metan (Bảng 2.5 STT 1 đến 3) phảnứng sản xuất 4a với năng suất thấp và độ chọn lọc kém Kết quả cho độ chọn lọc

và hiệu suất tốt khi sử dụng methanol, ethanol, hoặc DMSO (Bảng 2.5 STT 4-6),sản phẩm thu được từ dung môi DMSO có cấu trúc nghịc đảo so sánh với kết quảthu được từ methanol và ethanol Phản ứng tương tự được thực hiện trong chấtlỏng [Bmim]BF4 và [Bmim]PF6 cho ta độ chọn lọc 31 và 46% nhưng cho hiệu suấttốt đạt 70 và 75 % (Bảng 2.5 STT 7-8) Có sự giảm độ chon lọc khi dùng chínhcyclohexanon làm dung môi chỉ thu được 60% độ chọn lọc và hiệu suất đạt 91%khi sử dung chính xúc tác làm dung môi

Bảng 2.5 Kết quả ảnh hưởng của dung môi [18]

Thời gian(t )

Hiệu suất(%)

Tỉ lệ sản phẩm (cùng/ đối)

Độ chọn lọc (%)

d Khả năng tái sinh của xúc tác

Với sự thành công của các phản ứng trên nhóm tác giả đã tiếp tục nghiêncứu khả năng tái chế xúc tác, một trong những điều kiện quan trọng trong côngnghiệp, đặc biệt là khi đã có rất nhiều chất xúc tác được sử dụng Họ đã thực hiệnnghiên cứu của mình bằng cách sử dụng phản ứng cộng Michael để cộngcyclohexanon vào chalcone trong dung môi CH3OH như một phản ứng điển hình.Sau khi phản ứng hoàn tất, hỗn hợp được bốc hơi trong chân không và tách rabằng ethyl axetat để tách lấy chất lỏng ion Chất lỏng ion sau khi được tách loạisản phẩm được sử dụng lại 5 lần, tác giả đã chỉ ra rằng các sản phẩm mong muốn

vẫn có thể thu được với hiệu suất tương đương nhưng giảm nhỏ về độ chọn lọc kếtquả thể hiện bảng 2.6.

Bảng 2.6 Kết quả khả năng tái sinh của xúc tác trong phản ứng cộng Michael

[18]

Lần tái

sinh

Thời gian phản ứng Hiệu suất

Proline và các dẫn xuất của nó được tạo từ pirolidin đã được nghiên cứu vàcho thấy rằng chúng có hiệu quả đối với phản ứng cộng Michael của andehit vàxeton vào nitroolefin, tuy nhiên các chất xúc tác này vẫn còn có hạn chế là hàmlượng chất xúc tác cao thường 10-30% mol làm tăng chi phí và hạn chế sự ápdụng của nó trong ngành công nghiệp dược phẩm Ngoài ra, nhiệt độ thấp vàlượng dư xeton để đạt được điều kiện tốt nhất Vì vậy nhóm tác giả gồm Bukuo

Ni, Qianying Zhang, Kritanjali Dhungana, Allan D Headley đã nghiên cứu vàphát triển các chất xúc tác có hoạt tính cao nhằm khắc phục những hạn chế này

Một nghiên cứu khác của nhóm tác giả là khả năng tái sinh chất xúc tác chocác phản ứng hữu cơ bất đối xứng và họ đã cho thấy được rằng imidazoliumpyrrolidin sulfunat 1a và 1b hình 2.8 có thể làm chất xúc tác và nó có thể tái chếcho phản ứng cộng Michael của andehit với nitroolefin trong bảng 2.7 mục 6, 7, 8.Nhưng hiệu suất phản ứng rất thấp khi cyclohexanon làm chất nền [11]

Hình 2.10 Tổ hợp xúc tác chất lỏng ion (S)-pyrrolidine sulfonamide

Đối với phản ứng cộng Michael liên quan đến chất xúc tác hữu cơ sulfua.Nhóm tác giả tin rằng axit chất có tính axit như liên kết N-H thì hidro đóng vai tròquan trọng trong việc ổn định hóa các trạng thái chuyển tiếp thông qua liên kếthidro Dựa vào điều đó nhóm tác giả đã nghiên cứu ra một loại chất lỏng mớipyrrolidin sulfua hoạt tính dựa trên sự cải biến về cấu trúc để làm tăng tính axitcủa liên kết N-H trong chất xúc tác Chất xúc tác mới này dựa trên sự bổ sungnhóm sulfonyl vào vị trí C thứ 2 của cation imidazolium vì nó có điện tích âm hơn

so với C thứ 4 hoặc C thứ 5 Ngoài ra nhóm imidazolium còn là nhóm hút điện tửtăng tính phân cực của liên kết N-H Tăng tính phân cực tạo ra các liên kết hidromạnh hơn được hình thành trong các trạng thái chuyển tiếp của phản ứng Nhữngsửa đổi trong cấu trúc, mặc dù ít cũng dẫn đến sự tăng độ hoạt động của xúc tác và

độ chọn lọc của sản phẩm, cũng như tránh việc thêm phụ gia có tính axit Nhómtác giả đã tổng hợp chất xúc tác mới là 1c (hình 2.9) Nó được tổng hợp từ 1-methyl-2sufonyl- cloruaimidazole và (S)-2-amino-1-N-Boc-pyrrolidine trong 3bước phản ứng với hiệu suất toàn bộ quá trình 82% [11]

Hình 2.11 Phương trình điều chế chất lỏng ion (S)-pyrrolidine sufulamin

a Ảnh hưởng của một số loại xúc tác và dung môi đến phản ứng cộng Michael

Phương trình phản ứng:

Ban đầu, phản ứng cộng Michael cyclohexanon và trans-β-nitrostyren trongdung môi khác nhau, phản ứng xảy ra nhiệt độ phòng, sử dụng chất xúc tác là một

số chất lỏng ion pyrrolidin sulfonua 1a-c như chất xúc tác hữu cơ Kết quả đượctác giả trình bày ở bảng 2.7 dưới đây Như trong bảng kết quả cho thấy, chất xúctác 1c cho hiệu suất cao trong dung môi proton MeOH ở nhiệt độ phòng trong 19htạo sản phẩm 4a với hiệu suất lên đến 95% độ chuyển hóa đạt 73% và tỉ lệ đồngphân sản phẩm cùng phía/đối = 95/5 (Bảng 2.7 STT1), độ chọn lọc được cải thiệnkhi sử dụng dung môi i-PrOH (Bảng 2.7 STT2) Khi phản ứng thực hiện trongdung môi CH3CN hoặc không có dung môi thì hiệu suất phản ứng giảm nhẹ (Bảng2.7 STT3-4) Tuy nhiên khi sử dụng chất lỏng ion [Bmim]PF6 hiệu suất phản ứngrất thấp chỉ bé hơn 10% Điều đáng lưu ý loại xúc tác 1c có hoạt tính xúc tác caohơn hẳn so với xúc tác 1a và 1b Kết quả đã chỉ ra rằng gốc sulfunyl vào vị trí C2vào cation imidazolium là tăng tính axit của liên kết N-H của chất xúc tác 1c do

đó làm tăng hoạt tính xúc tác và kiểm soát đồng phân của sản phẩm

Bảng 2.7 Kết quả ảnh hưởng xúc tác và dung môi đến phản ứng [11]

Hiệu suất (%)

Độ chọn lọc (%)

Tỉ lệ sản phẩm (cùng/đối)

b Khả năng tái sinh xúc tác

Tiếp theo nhóm tác giả đã chọn phản ứng của trans-β-nitrostyren vàcyclohexan làm mô hình theo các điều kiện phản ứng tiêu chuẩn để kiểm tra khảnăng tái chế của chất xúc tác 1c (20% mol được sử dụng) Sau khi phản ứng hoàn

thành hỗn hợp sản phẩm được cô đặc với lượng dư etyl axetat để kết tủa chất xúctác Chất xúc tác được phục hồi 1 cách dễ dàng (>90%) bàng cách tách đơn giản.Chất xúc tác đã được làm khô và tái sử dụng cho lần sử dụng tiếp theo của phảnứng Được thể hiện trong bảng 2.8, chúng có thể được tái chế và tái sử dụng ítnhất 5 lần mà hao tổn không đáng kể độ chọn lọc vẫn đạt >88% và tỉ lệ đồng phân93/7 mặc dù hiệu suất có giảm nhẹ trong lần tái sinh từ 2-5.

Hiệu suât (%)

Độ chuyển hóa (%)

Tỉ lệ sản phẩm (cùng/đối)

c Phản ứng của một số loại chất khác trong xúc tác 1c

Sau khi nghiên cứu các điều kiện phản ứng tiêu chuẩn cho phản ứng cộngMichael của cyclohexanon với trans-nitrostyren, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứuphạm vi ứng dụng với chất xúc tác 1c xem nó có hiệu quả với một số các phảnứng của xeton với nitroolefin trong dung môi i-PrOH Kết quả được thể hiện trongbảng 2.9 Từ kết quả mà tác giả thể hiện trong bảng 2.9 chất xeton vòng có hiệusuất cao trong phản ứng công Michael với aryl nitrostyren với nồng độ xúc tác10%mol trong dung môi i-PrOH ở nhiệt độ phòng để tạo ra sản phẩm 4a-j với hiệusuất cao vào độ chọn lọc 80-99% và tỉ lệ đồng phân lên đến 99/1 Các kết quảtrong bảng 2.9 cũng cho thấy rằng bản chất của nhóm thế aryl ảnh hưởng tới hiệusuất sản phẩm và sự bất đối xứng trong cấu hình Đối với các nhóm nitroolefingiàu electron phản ứng diễn ra dễ dàng cho sản phẩm từ 4b-c với độ chọn lọc sảnphẩm 98-99% và tỉ lệ đồng phân 99/1 Các kết quả này cho thấy sự vượt trội sovới thí nghiệm của Wang và đồng nghiệp đã nghiên cứu trước đó (với loại xúc tác

tái chế được là florua (S)-pyrrolidine sulfuanat làm xúc tác với độ chọn lọc 91%, tỉ lệ đồng phân sản phẩm 16/1-50/1) Một số nitrolefin khác với các nhómhút e khác, phản ứng cộng Michael từ 4d đến 4g cũng cho hiệu suất sản phẩm cao(87-96%) với độ chọn lọc 90-99% và tỉ lệ cấu hình đồng phân sản phẩm lên đến99/1 (Bảng 2.9 Stt 4-7) Tetrahydrothio-pyran-4-on, tetrahydro-4H-pyran-4-on và2-(2-nitrovinyl)furan cũng được sử dụng như là chất nền hoạt động như là chấtcho electron trong phản ứng cộng Michael (Bảng 2.9 Stt 8-10) Tuy nhiên khi sửdụng cyclopentan làm chất nền cho hiệu suất thấp (Bảng 2.9, stt11) Nhóm tác giả

89-sử dụng axeton thì hiệu suất phản ứng rất cao nhưng độ chọn lọc rất thấp chỉ có14% Kết quả nghiên cứu của họ được tóm tắt trong bảng 2.9

Phương trình phản ứng:

Bảng 2.9 Kết quả thời gian và hiệu suất của phản ứng [11]

dễ tổng hợp, hàm lượng xúc tác thấp (10%mol) và sử dụng lượng dư xeton thấp 3-5 đơn vị cho độ ổn định cao về độ chọn lọc và cấu trúc đồng phân không gian (99%

và syn/anti 99/1), các phản ứng đều được thực hiện ở nhiệt độ phòng Hơn nữa xúc tác này còn dễ thu hồi và tái sử dụng ít nhất 5 lần mà không làm giảm đáng kể hoạt động xúc tác

2.2.3 Phản ứng cộng Michael với chất lỏng ion làm xúc tác và môi trường phản ứng

2.2.3.1 Sử dụng chất lỏng ion [Bmim]OH vừa làm xúc tác vừa làm dung môi cho phản ứng cộng micheal

Chất lỏng ion là một chủ đề quan tâm trong việc tổng hợp vật liệu xanh vì

nó được chấp nhận là dung môi xanh Gần đây, chất lỏng ion được tìm thấy như làxúc tác cho một vài phản ứng Nhóm tác giả gồm Sanzhong Luo, Xueling Mi,Long Zhang, Song Liu, Hui Xu, and Jin-Pei Cheng đang nổ lực để thiết kế mộtchất lỏng ion đặc biệt cho sự biến đổi hóa học Trước đây, họ đã giới thiệu chấtlỏng ion là 1-metyl-3-nbutyl imidazolium hidroxit [Bmim]OH như một chất xúctác hiệu quả cho phản ứng cộng Michael Chất lỏng này cho thấy ảnh hưởng của

nó bằng cách cộng liên hợp este và nitril đến các hợp chất 1,3 dicacbonyl để chosản phẩm cộng đồng thời lên một phân tử Quan sát thú vị này làm cho nhóm tácgiả muốn khám phá tiềm năng của dung dịch này đối với các phản ứng liên quankhác Ứng dụng của nó trong phản ứng cộng Michael của thiol vào α, β axetylenxeton và ankyl hóa các hợp chất 1,3 dicacbonyl, cùng với các kết quả bổ xung củaphản ứng cộng Michael được tác giả thể hiện dưới đây

a Phương trình phản ứng cơ bản