nghiên cứu mở rộng các phản ứng oxi hóa trên các alcohol thành ketone tương ứng

1 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Ngày phản ứng oxi hóa khơng q xa lạ với ngành tổng hợp hữu cơ, liệu với công trình nghiên cứu phản ứng oxi hóa tổng hợp hữu trước đạt điều kiện tối ưu chưa? Với mong muốn cải thiện điều kiện phản ứng oxi hóa, tơi đưa hướng nghiên cứu mở rộng phản ứng oxi hóa alcohol thành ketone tương ứng 1.2 Cơ sở khoa học việc chọn đề tài Các phản ứng oxi hóa hợp chất hữu nói chung alcohol nói riêng theo phương pháp cổ điển thường vướn phải vấn đề kinh nghiệm thực liên quan trực tiếp đến hiệu suất phản ứng tính nguy hiểm phương pháp, phương pháp thực luận tương đối đơn giản dễ khống chế, gây nguy hiểm người thực 1.3 Tính đề tài Cho đến chưa có cơng trình nghiên cứu phản ứng oxi hóa tạo ketone có nhánh methyl liền kề từ alcohol tương ứng phương pháp sử dụng tác nhân oxi hóa 2-iodoxybenzoic acid, cơng trình nghiên cứu hướng cho phương pháp 1.4 Mục tiêu đề tài Khảo sát phản ứng tạo thành ketone có nhánh methyl liền kề từ alcohol tương ứng, alcohol sử dụng nghiên cứu alcohol mạch thẳng với tác nhân oxi hóa 2-iodoxybenzoic acid số dung mơi khác Trên sở điều kiện tối ưu thực tổng hợp số ketone có nhánh methyl liền kề từ alcohol tương ứng 1.5 Nội dung đề tài Khảo sát, tổng hợp 4-methylnonan-5-one từ 4-methylnonan-5-ol phương pháp đun hồi lưu sử dụng tác nhân oxi hóa 2-iodoxybenzoic acid dung môi dimethyl formamide, dimethyl sulfoxide, acetronitrile, tetrahydrofuran, acetone, dicloromethane Khảo sát phản ứng tạo 4-methylnonan-5-one từ 4-methylnonan-5-ol phương pháp vi sóng sử dụng tác nhân oxi hóa 2-iodoxybenzoic acid dung mơi cho độ chuyển hóa tối ưu Tổng hợp số ketone có nhánh methyl liền kề từ alcohol tương ứng điều kiến tối ưu 1.6 Ý nghĩa khoa học đề tài Nghiên cứu với hy vọng mở rộng đường oxi hóa alcohol thành ketone hợp chất mạch thẳng phương pháp êm dịu hơn, gây nguy hiểm CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu phản ứng oxi hóa 2.1.1 Phản ứng oxi hóa − Phản ứng oxi hóa phản ứng liên quan đến trình cho nhận electron, bao gồm tất phản ứng hóa học nguyên tử có trạng thái oxi hóa thay đổi Các chất cho electron gọi chất bị oxi hóa q trình electron q trình oxi hóa[1] − Trong hóa học hữu phản ứng oxi hóa thường chuyển hóa thành dạng ion hydrua proton electron xuất với chuyển đổi proton thêm vào phân tử hydro Khi đó, nguyên tử carbon hợp chất hữu liên kết với hydro tạo thành liên kết với nguyên tử khác loại khác carbon khác hợp chất bị oxi hóa.Đối với hiểu biết phản ứng oxi hóa phản ứng oxi hóa hợp chất hữu xem trung tâm trao đổi chất sinh vật sống − Một số tác nhân oxi hóa sử dụng thời gian qua: + NaClO chất oxi hóa cực mạnh, trước sử dụng nhiều công nghiệp, đặc biệt công nghiệp tẩy trắng, NaClO kết hợp với xúc tác chuyển pha oxi hóa alcohol thành hợp hợp chất carbonyl tương ứng aldehyde hay ketone NaClO oxi hóa sunfide hữu thành sulfuxide hay sulfone; chuyển hóa disulfide hay thiol thành sulfonyl chloride hay bromide; chuyển hóa imine thành oxaziridine Tuy nhiên thơng qua thời gian sử dụng chất oxi hóa phát gây oxi nhiễm môi trường, nên ngày việc sử dụng NaClO giảm mạnh thay số chất oxi hóa khác thân thiện với mơi trường, điều quan trọng NaClO có tính ăn mòn tác dụng oxi hóa mạnh, đồng thời sản phẩm sinh từ q trình oxi hóa sinh số acid amoniac, tạo khói độc gây an toàn người sử dụng + H2SO4 acid vô mạnh, đồng thời chất oxi hóa mạnh sử dụng cơng nghiệp sản xuất phòng thí nghiệm Do acid mạnh nên số trường hợp H 2SO4 làm đứt mạch carbon hợp chất hữu phản ứng hóa học, dẫn đến phân hủy hoàn toàn hợp chất hữu Mặc dù loại acid tổng hợp hữu sử dụng dạng pha loãng cần ý đến đặc tính phân hủy nó, H2SO4 làm đứt mạch phá hủy hợp chất hữu dẫn đến sản phẩm thu có chứa nhiều sản phẩm phụ không mong muốn đồng thời làm giảm hiệu suất tổng hợp hữu + KMnO4là thuốc thử vô sử dụng làm vết thương đồng thời tác nhân oxi hóa mạnh sử dụng phổ biến vô tổng hợp hữu KMnO4 xem tác nhân oxi hóa phổ biến nhất, dễ sử dụng hóa học hữu Vì tác nhân oxi hóa mạnh nên phản ứng oxi hóa với KMnO thường phản ứng oxi hóa hồn tồn, sản phẩm cuối q trình oxi hóa thường acid carboxylic, alcohol bị oxi hóa thành hợp chất carbonyl aldehyde ketone aldehyde bị oxi hóa thành acid carboxylic Khi sử dụng KMnO làm tác nhân oxi hóa sản phẩm phụ tạo không gây độc hại Tuy nhiên KMnO4 xác định hóa chất gây hại với mơi trường + K2Cr2O7 thuốc thử vô sử dụng phổ biến, tác nhân oxi hóa sử dụng đồng thời với acid mạnh phổ biến cơng nghiệp phòng thí nghiệm Trong hữu K 2Cr2O7 tác nhân oxi hóa nhẹ so với KMnO4, chuyển alcohol bậc thành aldehyde, điều kiện cưỡng chuyển thành acid carboxylic, alcohol bậc chuyển thành ketone Sự phát triển K 2Cr2O7 quan trọng tổng hợp hữu phản ứng oxi hóa thực K 2Cr2O7 xem quan trọng K2Cr2O7 sử dụng rộng rãi cho q trình oxi hóa chất hữu điều kiện thích hợp khác nhau, nhiên phương pháp có số nhược điểm nhiệt độ phản ứng cao, thời gian phản ứng dài, hiệu suất phản ứng thấp, việc sử dụng K 2Cr2O7 phản ứng oxi hóa tổng hợp hữu vướn phải số khó khăn hạn chế độ tan hầu hết dung môi hữu + H2O2 peroxide đơn giản sử dụng tác nhân oxi hóa mạnh dùng để tẩy trắng khử trùng Khi sử dụng với mục đích oxi hóa H2O2 xem chất thay cho chất có gốc clo tính chất thân thiện với mơi trường sản phẩm phụ tạo sau phản ứng thường nước Ngoài H2O2 tác nhân khử + IBX tác nhân oxi hóa ứng dụng tổng hợp hữu ý thời gian gần đây, IBX đặc biệt phù hợp để thực phản ứng oxi hóa chuyển alcohol thành ketone, IBX xem tác nhân oxi hóa êm dịu, tạo phản ứng có chọn lọc thân thiện với môi trường IBX không chứa kim loại nặng gây hại cho mơi trường Tuy nhiên độ hòa tan IBX bị hạn chế, khơng thể hòa tan nhiều dung mơi hữu thơng dụng.IBX phục hồi từ phản ứng có hiệu suất cao (79-81%) có tinh khiết tốt (95%) cách làm lạnh, lọc rửa tinh thể với nước acetone IBX chất nổ tác động nhiệt 200 °C 2.1.2 Một số cơng trình nghiên cứu trước phản ứng oxi hóaalcohol − Năm 2004, Ahmad Shaabani cộng thực phản ứng oxi hóasử dụng kali permanganate,và nêu lên số quan điểm sau: [2] + Q trình oxi hóa khơng dung mơi thực với thuốc thử KMnO chất trợ Al2O3 hay SiO2 MnO2 sinh từ phản ứng oxi hóa tái sinh theo quy trình bao gồm bước q trình oxi hóa khơng khí thành kali manganate (VI) dung dịch kali hydroxide đậm đặc, q trình điện hóa tạo KMnO4 + Sự kết hợp KMnO4 MnO2 tạo thuốc thử sử dụng cho q trình oxi hóa chất hữu + Các alcohol bậc chuyển hóa thành aldehydes cacalcohol bậc chuyển thành ketones + Khi khơng có permanganate MnO2 có khả oxi hóa alcohol bậc alcohol bậc thành aldehyde ketone tương ứng Tuy nhiên nhược điểm phương pháp thời gian phản ứng vài ngày thay hay có mặt permanganate − Năm 2005, Xinquan Hu cộng nói phát triển q trình oxi hóa hiếu khí alcohol mạch vòng khơng cần kim loại chuyển tiếp nước mà đạt hiệu cao việc sử dụng xúc tác mol% TEMPO 1,3-dibromo5,5-dimethylhydantions NaNO2 Trong điều kiện tối ưu alcohol chuyển hóa thành aldehyde ketone tương ứng với hiệu suất cao[3] Sơ đồ 1Chuyển hóa alcohol với xúc tác1,3-dibromo-5,5-dimethylhydantions NaNO2 + Ưu điểm phương pháp việc sử dụng dung môi nước nước dung môi rẻ, an tồn, tiện lợi đồng thời thân thiện với mơi trường + Nhược điểm quy trình oxi phức tạp đòi hỏi kinh nghiệm kỹ thuật người thực − Năm 2014, Yoshikazu Kimura cộng trình bày nghiên cứu tinh thể sodium hypochloride pentahydrate (NaOCl.5H2O) tham gia phản ứng oxi hóa alcohol bậc alcohol bậc Tinh thể NaOCl.5H2O có chứa lượng NaOH NaCl tự cải thiện tính oxi hóa Tham gia phản ứng oxi hóa tác nhân NaOCl.5H2O có diện TEMPO/Bu 4NHSO4 để chuyển hóa alcohol bậc bậc thành aldehyde ketone Đối với phương pháp khơng cần điều chỉnh pH thích hợp với alcohol bậc bị cản trở không gian Đối với phương pháp thực tối ưu hóa hiệu suất tổng hợp cao, lên đến 99%, nhiên alcohol bậc bị che chắn không gian giải thích bị oxi hóa NaOCl.5H2O[4] Sơ đồ 2 Chuyến hóa alcohol NaClO TEMPO/Bu4NHSO4 − Năm 2015, Jong Chan Lee cộng thực nghiên cứu phản ứng oxi hóa alcohol H2O2 có mặt xúc tác BiBr3, phản ứng oxi hóa cho hợp chất carbonyl tương ứng BiBr hóa chất độc hai, đồng thời H 2O2 xem thân thiện với môi trường Phương pháp oxi hóa với alcohol bậc bậc 2, q trình oxi hóa dễ dàng thời gian phản ứng ngắn, cho hiệu suất tổng hợp cao.[5] Sơ đồ Chuyến hóa alcohol bằngH2O2/ BiBr3 2.1.3 Một số cơng trình nghiên cứu trước phản ứng oxi hóa thực tác nhân IBX − J Org Chem 1995, Marco Santagostino, cộng có nghiên cứu phản ứng oxi hóa IBX DMSO, nhìn của thuốc thử hypervalent iot Bài viết nêu lên vấn đề oxi hóa thực tác nhân IBX, theo phân tử IBX linh hoạt, chịu độ ẩm nước, đồng thời cho hiệu suất chuyển hóa cao có chọn lọc IBX cho phép chuyển hóa alcohol bậc thành aldehyde không xảy phản ứng oxi hóa hồn tồn thành acid hữu cơ; chuyển hóa alcohol bậc thành ketone; chuyển hóa amino alcohol thành amino carbonyl mà không cần thực phản ứng bảo vệ nhóm amino; hợp chất dị vòng nhạy khơng bị ảnh hưởng; nhiều nhóm chức có khả tương thích với q trình oxi hóa IBX Một vấn đề quan trọng cần ý việc sử dụng IBX IBX báo cáo kích nổ có tác động mạnh nhiệt 200°C[6] Sơ đồ Chuyển hóa alcohol IBX/DMSO − Năm 2002, K Rama Rao cộng có phân nghiên cứu phản ứng oxi hóa với điều kiện êm diụ IBX hỗn hợp nước : acetone với có mặt β-CD Hỗn hợp nước : acetone tạo thành tỉ lệ 86 : 14 Một loạt phản ứng oxi hóa alcohol nhiệt độ phòng thực hiện, tất alcohol kiểm tra đạt hiệu suất ấn tượng dao động từ 85% đến 98% Khơng có chuyển hóa thành acid trường hợp sản phẩm tạo thành aldehyde Các alcohol mạch vòng đánh giá có hiệu suất chuyển hóa tương đối tốt so với alcohol mạch thẳng[7] Sơ đồ Chuyến hóa alcohol IBX/β -CD/ hỗn hợp nước : acetone − Năm 2003, nhóm nghiên cứu K Rama Rao có viết phản ứng oxi hóa oxime sử dụng tác nhân IBX nước có mặt β-CD: oxime aldehyde ketone khác bị chuyển hóa thành hợp chất carbonyl tương ứng nhiệt độ phòng với hiệu suất cao việc sử dụng IBX nước có mặt β-CD Bài viết nêu quan điểm việc sử dụng nước thay cho dung môi hữu bước cải thiện môi trường tổng hợp hữu cơ, đồng thời β-CD nhắc đến oligosacarit tuần hồn gây ảnh hưởng đến mơi trường phạm vi nhỏ, tác nhân oxi hóa IBX sử dụng thuốc thử chuyển đổi iot có độc tính thấp, có tính chọn lọc cao Hiệu suất oxi hóa phương pháp cao lên tới 96% Trong phương pháp IBX tái chế q trình oxi hóa đồng thời β-CD phục hồi tái sử dụng[8] Sơ đồ Oxi hóa oxime IBX − Năm 2003, B.V.S.Reddy cộng có nghiên cứu phản ứng oxi hóa sử dụng thuốc thử iothypervalent với lỏng ion hệ Alcohol trãi qua 10 trình oxi hóa thuận lợi với IBX, với dess-martin-periodinane (DMP) lỏng ion (bmim)BF4 (bmim)BF6 điều kiện phòng cho hiệu suất cao IBX DMP thúc đẩy q trình oxi hóa xảy nhanh chất lỏng ion so với dung môi hữu thông thường DMF, DMSO, diethyl ete hay nước, việc thu hồi sản phẩm phụ IBA (iodosobenzoic) sau phản ứng trở nên dễ dàng lỏng ion Bên cạnh chất lỏng ion thu hồi tái sử dụng nhiều lần phản ứng Khi điều kiện phản ứng tổng hợp hữu quan tâm thuốc thử iot IBX trọng sử dụng hiệu suất oxi hóa cao, điều kiện phản ứng êm dịu, ổn định IBX cho phép oxi hóa alcohol bậc thành aldehyde, oxi hóa alcohol bậc thành ketone cho phép oxi hóa chọn lọc diol thành diketone mà không cắt đứt liên kết glycol C-C IBX sử dụng hiệu phản ứng oxi hóa có mặt DMSO thực oxi hóa alcohol thành hợp chất carbonyl Báo cáo cho thấy phản ứng oxi hóa IBX thực dung môi hữu thông dụng acetone, ethyl acetate, acetonitrile Tuy nhiên phản ứng đòi hỏi thời gian phản ứng dài nhiệt độ phản ứng cao Đối với q trình oxi hóa alcohol IBX lỏng ion nghiên cứu báo cho thấy phản ứng thực vòng từ đến 6,5 nhiệt độ phòng cho hiệu suất chuyển hóa cao lên đến 97%, phản ứng chứng tỏ alcohol bậc bậc oxi hóa với IBX tạo aldehyde ketone với hiệu suất cao Ngồi ra, q trình oxi hóa alcohol đối xứng bậc 1, alcohol khơng bão hòa IBX tạo thành hợp chất carbonyl với hiệu suất cao Alcohol bậc khơng xảy phản ứng oxi hóa điều kiện này[9] 53 PHỤ LỤC 5: CÁC PHỔ CỦA 3-METHYLDECAN-4-ONE 54 Phổ 5.1 Phổ 1H-NMR 3-methyldecan-4-one 55 Phổ 5.2 Phổ 1H-NMR giãn rộng 3-methyldecan-4-one 56 Phổ 5.3 Phổ 13C-NMR 3-methyldecan-4-one 57 Phổ 5.1 Phổ 13C-NMR giãn rộng 3-methyldecan-4-one 58 Phổ 5.2 PHỤ LỤC 6: CÁC PHỔ CỦA 3-METHYLUNDECAN-4-ONE 59 Phổ 6.1 Phổ 1H-NMR 3-methylundecan-4-one 60 Phổ 6.2 Phổ 1H-NMR giãn rộng 3-methylundecan-4-one 61 Phổ 6.3 Phổ 13C-NMR 3-methylundecan-4-one 62 Phổ 6.4 Phổ 13C-NMR giãn rộng 3-methylundecan-4-one 63 PHỤ LỤC 7: CÁC PHỔ CỦA 3-METHYLDODECAN-4-ONE 64 Phổ 7.1 Phổ 1H-NMR 3-methyldodecan-4-one 65 Phổ 7.2 Phổ 1H-NMR giãn rộng 3-methyldodecan-4-one 66 Phổ 7.3 Phổ 13C-NMR 3-methyldodecan-4-one 67 Phổ 7.4 Phổ 13C-NMR giãn rộng 3-methyldodecan-4-one ... mở rộng đường oxi hóa alcohol thành ketone hợp chất mạch thẳng phương pháp êm dịu hơn, gây nguy hiểm 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu phản ứng oxi hóa 2.1.1 Phản ứng oxi hóa − Phản ứng oxi. .. aldehyde, oxi hóa alcohol bậc thành ketone cho phép oxi hóa chọn lọc diol thành diketone mà khơng cắt đứt liên kết glycol C-C IBX sử dụng hiệu phản ứng oxi hóa có mặt DMSO thực oxi hóa alcohol thành. .. trình oxi hóa chất hữu + Các alcohol bậc chuyển hóa thành aldehydes cacalcohol bậc chuyển thành ketones + Khi khơng có permanganate MnO2 có khả oxi hóa alcohol bậc alcohol bậc thành aldehyde ketone