Tổng hợp 3,4 dihydropyrimidin 2(1h) one dùng xúc tác đất sét pillared trong điều kiện không dung môi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP 3,4-DIHYDROPYRIMIDIN-2(1H)-ONE DÙNG XÚC TÁC ĐẤT SÉT PILLARED TRONG ĐIỀU KIỆN KHÔNG DUNG MÔI SVTH: NGUYỄN THỊ NGỌC THẢO GVHD: ThS PHẠM ĐỨC DŨNG TP Hồ Chí Minh, tháng – 2016 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.2 1.2.1 1.2.2 Phản ứng Biginelli Khái niệm 1.1.1.1 Phản ứng đa thành phần 1.1.1.2 Phản ứng Biginelli Cơ chế phản ứng Một số phương pháp tổng hợp DHPM Ứng dụng số dẫn xuất DHPM Giới thiệu xúc tác sử dụng Khoáng sét 1.2.1.1 Khái niệm 1.2.1.2 Cơ cấu khoáng sét 1.2.1.2.1 Tấm tứ diện 1.2.1.2.2 Tấm bát diện 1.2.1.3 Phân loại 1.2.1.3.1 Lớp 1:1 1.2.1.3.2 Lớp 2:1 Đất sét Pillared 1.2.2.1 Khái niệm 1.2.2.2 Quy trình điều chế 1.2.2.3 Phân loại 1.2.2.4 Đất sét Pillared nhôm (Al-PILC) CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1 2.1.1 2.1.2 Hóa chất thiết bị Hóa chất Thiết bị 2.2 Điều chế Pillared 2.3 Điều chế pyrimidine 2.4 Q trình tối ưu hóa 2.5 Tổng hợp dẫn xuất Khóa luận tốt nghiệp 2.6 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo Xác định sản phẩm CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mục đích phạm vi nghiên cứu 3.2 Quy trình tổng hợp: 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 Khảo sát phản ứng Biginelli Khảo sát thời gian Khảo sát nhiệt độ Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ chất Khảo sát xúc tác So sánh không sử dụng xúc tác 3.4 Tổng hợp dẫn xuất 3.5 Tái sử dụng xúc tác 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.6.5 Định danh sản phẩm Chất A Chất B Chất C Chất D Chất E CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo DANH MỤC BẢNG Bảng Phản ứng Biginelli sử dụng FeCl3.6H2O làm xúc tác .10 Bảng Phản ứng Biginelli điều kiện dùng Fe(NO3)3.9H2O làm xúc tác 11 Bảng Phản ứng acetophenone với aldehyde aryl khác 11 Bảng Tổng hợp dẫn xuất DHPM xúc tác ZrCl 12 Bảng So sánh tính chất PILC với đất sét ban đầu 17 Bảng Kết tối ưu hóa theo thời gian 23 Bảng Kết tối ưu hóa theo nhiệt độ 24 Bảng Kết tối ưu hóa theo tỉ lệ tác chất 25 Bảng Kết tối ưu hóa theo khối lượng xúc tác 26 Bảng 10 So sánh khả xúc tác 27 Bảng 11 Kết tổng hợp dẫn xuất 28 Bảng 12 Kết tổng hợp DHPM sử dụng đất sét tái sử dụng 28 Bảng 13 Quy kết mũi proton chất A phổ H-NMR 30 Bảng 14 Quy kết mũi proton chất B phổ 1H-NMR 32 Bảng 15 Quy kết mũi proton chất C phổ H-NMR .33 Bảng 16 Quy kết mũi proton chất D phổ H-NMR 34 - Bảng 17 Quy kết mũi proton chất E phổ H NMR .36 Bảng 18 Độ dịch chuyển hóa học phổ H-NMR số dẫn xuất DHPM 36 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo DANH MỤC HÌNH Hình Phản ứng Biginelli Hình Sản phẩm trung gian trình ngưng tụ benzandehyde urea Hình Sơ đồ chế phản ứng theo Kappe Hình Tổng hợp DHPM dùng xúc tác FeCl3.6H2O điều kiện chiếu xạ vi sóng 10 Hình Tổng hợp DHPM dùng xúc tác Fe(NO3)3.9H2O 10 Hình Tổng hợp dẫn xuất DHPM sử dụng xúc tác ZrCl dùng dung môi điều kiện không dung môi 11 Hình Batzelladine 13 Hình Tấm tứ diện lớp khoáng sét 14 Hình Tấm bát diện lớp khoáng sét 15 Hình 10 Cơ cấu lớp 1:1 16 Hình 11 Cơ cấu lớp 2:1 16 Hình 12 Quy trình điều chế PILC 17 IV Hình 13 Cấu trúc ion [Al Al VI 12O4(OH)24 7+ (H2O)12] 18 Hình 14 Sơ đồ tổng hợp DHPM 23 Hình 15 Đồ thị tối kết ưu theo thời gian 24 Hình 16 Đồ thị kết tối ưu theo nhiệt độ 25 Hình 17 Đồ thị kết tối ưu theo khối lượng xúc tác 26 Hình 18 Phổ H-NMR chất A 29 Hình 19 Phổ H-NMR chất B 31 Hình 20 Phổ H-NMR chất C 32 Hình 21 Phổ H-NMR chất D 33 Hình 22 Phổ H-NMR chất E 35 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo Lời cảm ơn Tôi lấy hội để thể lịng tơn trọng biết ơn sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn hoàn thành luận văn tốt nghiệp – ThS Phạm Đức Dũng, giảng viên khoa Hóa học trường đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Trong suốt thời gian làm khóa luận này, tơi ln nhận động viên, quan tâm khích lệ lúc, nơi từ Thầy Kinh nghiệm làm việc bản, gần gũi Thầy điều đáng quý mà trân trọng mãi Là vinh dự gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Hóa trường đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh phịng ban quản lý phịng thí nghiệm Hóa học tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa luận Tơi xin cảm ơn chân thành đến bạn Anh Chị phòng thí nghiệm giúp đỡ bảo cách tận tình Ngồi xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy Cô nhà trường, người trang bị kiến thức, dạy dỗ tạo điều kiện tốt cho suốt bốn năm học đại học Cuối lời cảm ơn đến ba mẹ, người thân bạn bè bên cạnh, động viên, giúp đỡ tơi lúc khó khăn học tập q trình hồn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin gửi tới tất người lời chúc sức khỏe Xin cảm ơn Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo Mở đầu Trong vòng thập niên trở lại quốc gia hậu công nghiệp, vấn đề giải phịng ngừa nhiễm bảo vệ mơi trường ngày chiếm vai trò quan trọng tiến trình phát triển Một chứng đời tăng trưởng quốc gia Âu – Mỹ phong trào Hóa học xanh, xem biện pháp hữu hiệu để giải vấn nạn mơi trường Ngành Hóa nỗ lực để chuyển hoá nguyên liệu khai thác từ thiên nhiên thành sản phẩm hữu ích cho xã hội nâng cao đời sống cho người Đặc biệt, Hóa học có nhiệm vụ phát phát triển loại thuốc để tạo điều kiện cho người sống lâu hơn, khoẻ mạnh có khả lao động với suất cao Nhưng để đạt mục tiêu cách bền vững cần phải có mơi trường sống lành mạnh, không gây ô nhiễm bệnh tật Ngày nhiều cơng ty sản xuất hố chất nhận thức tầm quan trọng hoá học xanh phát triển bền vững cho hoạt động sản xuất kinh doanh Hố học xanh-đó việc áp dụng nguyên lý sản xuất than thiện với môi trường, sử dụng tối ưu tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu loại bỏ phát sinh sử dụng chất nguy hiểm, độc hại thiết kế, sản xuất ứng dụng sản phẩm hoá chất Trong số nguyên lý nguyên lý là: Ngăn ngừa hình thành phế thải tốt xử lý loại bỏ phế thải sau tạo Đề tài nghiên cứu đặc điểm cấu đặc tính hóa lý montmorillonite, từ nghiên cứu khả xúc tác đất sét Pillared phản ứng tổng hợp đa thành phần Biginelli tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-(1H)-one (DHPM) mơi trường khơng dung mơi Do đó, chọn đề tài: “tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one dùng xúc tác đất sét Pillared điều kiện không dung môi” nhằm tổng hợp tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Khóa luận tốt nghiệp 1.1 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo Phản ứng Biginelli 1.1.1 Khái niệm 1.1.1.1 Phản ứng đa thành phần Phản ứng đa thành phần (multi–component reaction, MCR) phản ứng hóa học có từ tác chất trở lên tham gia trình (one–pot operation) gồm nhiều giai đoạn để tạo thành sản phẩm Về bản, tất hầu hết nguyên tử nguyên liệu ban đầu đóng góp hình thành sản phẩm [1-2] Phản ứng đa thành phần có khả tạo thành phân tử phức tạp với đơn giản ngắn gọn Một lợi ích điển hình phản ứng dễ dàng thu sản phẩm tinh khiết, hầu hết tác chất ban đầu kết hợp tạo thành sản phẩm cuối 1.1.1.2 Phản ứng Biginelli Phản ứng Biginelli biết đến phản ứng ngưng tụ vòng cyclo aldehyde, β-cetoester urea (hoặc thiourea) điều kiện acid mạnh làm chất xúc tác Báo cáo phản ứng Biginelli đưa năm 1893 [3] Năm 1893, nhà hóa học người Ý Pietro Biginelli báo cáo phản ứng ngưng tụ vòng cyclo xúc tác acid aldehyde, β-cetoester urea (hoặc thiourea) Hơn kỷ trước Biginelli dự đoán khả tổng hợp phản ứng đa thành cách kết hợp chất phản ứng hai phản ứng khác có thành phần chung, kết phản ứng ba thành phần sản phẩm hình thành dẫn xuất 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one - DHPM Phản ứng Biginelli phản ứng đa thành phần tạo 3,4-dihydropyrimidin2(1H)-one từ ethyl acetoacetate, aldehyde hương phương (như benzaldehyde) urea OO O CH3 O H2N Hình Phản ứng Biginelli Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo 1.1.2 Cơ chế phản ứng Nhận tầm quan trọng bị thu hút cách đặc biệt với sản phẩm DHPM phản ứng Biginelli, nhà khoa học vào nghiên cứu để giải thích cho chế phản ứng [4] Folkers Johnson chứng minh tồn sản phẩm trung gian N,N’’benzylidenebisurea trình ngưng tụ benzaldehyde urea [5] (Hình 1) O + H2 N NH2 O HO HN NH HN NH2 R O Hình Sản phẩm trung gian trình ngưng tụ benzandehyde urea 13 Năm 1997, dựa sở kỹ thuật quang phổ H/ C-NMR, C Oliver Kappe đề nghị chế cho phản ứng Biginelli Trong chế đề xuất này, có hình thành N–acyliminium từ aldehyde urea tác dụng xúc tác acid Bước thứ hai coi bổ sung nucleophile từ ethyl acetoacetate [3] (Hình 2) O H Hình Sơ đồ chế phản ứng theo Kappe Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo 3.6.5 Chất E (Phụ lục 5) Br Hình 22 Phổ H-NMR chất E Các tín hiệu tương tự tín hiệu chất A, có proton nhóm phenyl có thay đổi có nhóm bromo vị trí para Tín hiệu 7,75 ppm 9,22 ppm dạng singlet quy kết cho proton NH, tín hiệu 1,09 ppm dạng triplet có 5c J=7 Hz quy kết cho H , tín hiệu 3,98 ppm dạng quartet có J=7 Hz quy 5b kết cho H , tín hiệu 2,24 ppm dạng singlet quy kết cho H 6a mũi 5,13 ppm dạng doublet có J=3 Hz quy kết cho H Cịn tín hiệu vùng ppm quy kết cho proton nhóm phenyl, nguyên tử Br gây hiệu ứng cảm âm nên mật độ điện tử vị trí ortho para giảm làm cho proton vị trí có độ dịch chuyển hóa học trường thấp Tín hiệu 7,19 ppm quy kết cho H 4c 4b 4e H 4f có dạng doublet, J=8,5 Hz, tín hiệu 7,52 ppm quy kết cho H H có dạng doubletdoublet-doublet, J=8,5 Hz 35 Khóa luận tốt nghiệp - Bảng 17 Quy kết mũi proton chất E phổ H NMR Bảng 18 Độ dịch chuyển hóa học phổ H-NMR số dẫn xuất DHPM Proton N-H H 5b H 5c H H6a Ar-H H nhóm 36 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 37 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo Kết luận Qua trình khảo sát phản ứng Biginelli tơi tìm điều kiện tối ưu phản ứng này: Thời gian: 120 phút o Nhiệt độ : 100 C Khối lượng xúc tác: 0,150 g 1:2:3 =1:1,25:1,25 (mmol) Khi dùng xúc tác PILC vào việc tổng hợp dẫn xuất DHPM cho hiệu suất không cao Sản phẩm dẫn xuất xác định cấu trúc cách đo nhiệt độ nóng chảy đo phổ H-NMR Đề xuất Qua nghiên cứu tơi có số đề nghị: Khảo sát với dẫn xuất khác EAA hay thay urea thiourea Nghiên cứu sâu xúc tác PILC để cao hiệu suất phản ứng an tồn với mơi trường Tiến hành thăm dị hoạt tính sinh học dẫn xuất tổng hợp 38 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abdelmadjid Debache, Louisa Chouguiat, Raouf Boulcina and Bertrand Carboni, A one-pot multi-component synthesis of dihydropyrimidinone/thione and dihydropyridine derivatives via Biginelli and Hantzsch condensations using tBuOK as a catalyst under solvent-free Ccnditions, The Open Organic Chemistry Journal, 6, 12-20, (2012) [2] A Dömling, I Ugi, Multicomponent reactions with isocyanides, Angew, Chem Int Ed., 39, 3170-3172, (2000) [3] C Oliver Kappe, A Reexamination of the Mechanism of the Biginelli Dihydropyrimidine Synthesis, Support for an N-Acyliminium Ion Intermediate, J Org Chem., 62(21), 7201-7204, (1997) [4] Suresh, S Jagir , Sandhu, Past, present and future of the Biginelli reaction: a critical perspective, Arkivoc,147, 66-133, (2012) [5] Mahdieh Mozaffari Majd, Kazem Saidi & Hojatollah Khabazzadeh, FeCl3.6H2O Catalyzed Conversion of Acylals to Dihydropyrimidinones Under Microwave Conditions: A New Procedure for the Biginelli Reaction, Phosphorus, Sulfur, and Silicon and the Related Elements, 185(2), 325-329, (2010) [6] Mridula Phukan, Monoj Kumar Kalita & Ruli Bora, A new protocol for Biginelli (or like) reaction under solvent-free grinding method using Fe(NO3)3.9H2O ascatalyst, Green Chemistry Letters and Reviews, 3(4), 329-334, (2010) [7] Harish Kumar, Anupama Parmar, Ultrasound promoted ZrCl catalyzed rapid synthesis of substituted 1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-2-ones in solvent or dry media, Ultrasonics Sonochemistry, 15(2), 129-32, (2008) [8] C Oliver Kappe, Recent Advances in the Biginelli Dihydropyrimidine Synthesis, New Tricks from an Old Dog, Chem Res., 33 (12), 879–888, (2000) [9] Junwon Kim Changmin Park, Taedong Ok, Wonyoung So, Mina Ji, Minjung Seo , Youngmi Kim, Jeong-Hun Sohn, Youngsam Park, Moon Kyeong Ju, Junghwan Kim, Sung-Jun Han, Tae-Hee Kim, Jonathan Cechetto, Jiyoun Namc, Peter Sommer, Zaesung No, Discovery of 3.4-dihydropyrimidin-2(1H)-ones with 39 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo inhibitory activity against HIV-1 replication, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 22(5), 2119–2124, (2012) [10] Trịnh Hân, Ngụy Tuyết Nhung, Cơ sở hóa học tinh thể, NXB Đại Học Quốc gia Hà Nội, 63-66, (2005) [11] F Bergaya, B K G Theng, G Lagaly, Handbook of clay science, Developments in clay science, Elsevier, New York, 19-43, (2006) [12] Folkers, K Johnson, T B, American Chemical Society, 55, 3784, ( 1933) [13] Dr Braja Gopal Mishra, Preparation, characterization and catalytic applications of pillared clay analogues and claypolymer composite materials, Doctor Of Philosophy, 769(8), 11-29, (2014) [14] C.B Molina, A comparison of Al-Fe and Zr-Fe pillared clays for catalytic wet peroxide oxidation, Ass Chemical Engineering Journal, 118, 29–35, (2006) [15] Hitendra N, Karade, Manisha Sathe and M P Kaushik, Synthesis of 4-aryl substituted 3,4-dihydropyrimidinones using silica-chloride under solvent free conditions, Molecules, 12, 1341-1351, (2007) [16] Maryam Moghaddas, Abolghasem Davoodnia, Majid M Heravi, Niloofar Tavakoli-Hoseini, Sulfonated Carbon Catalyzed Biginelli Reaction for One-Pot Synthesis of 3,4-Dihydropyrimidin-2(1H)-ones and –thiones, Chinese Journal of Catalysis, 33(4), 706-710, (2012) 40 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo PHỤ LỤC 41 Phụ lục Phổ H-NMR giãn rộng hợp chất A Phụ lục Phổ H-NMR giãn rộng hợp chất B Phụ lục Phổ H-NMR giãn rộng hợp chất C Phụ lục Phổ H-NMR giãn rộng hợp chất D ... Hình Tổng hợp DHPM dùng xúc tác FeCl3.6H2O điều kiện chiếu xạ vi sóng 10 Hình Tổng hợp DHPM dùng xúc tác Fe(NO3)3.9H2O 10 Hình Tổng hợp dẫn xuất DHPM sử dụng xúc tác ZrCl dùng dung môi điều. .. cứu khả xúc tác đất sét Pillared phản ứng tổng hợp đa thành phần Biginelli tổng hợp 3,4- dihydropyrimidin- 2-(1H) -one (DHPM) mơi trường khơng dung mơi Do đó, chọn đề tài: ? ?tổng hợp 3,4- dihydropyrimidin- 2(1H)- one. .. 3,4- dihydropyrimidin- 2(1H)- one dùng xúc tác đất sét Pillared điều kiện không dung môi? ?? nhằm tổng hợp tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Thảo CHƯƠNG I: TỔNG QUAN