Nghiên cứu phản ứng heck giữa iodobenzene và styrene trong dung môi xanh là chất lỏng ion

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THỊ MỸ DUNG NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HECK GIỮA IODOBENZENE VÀ STYRENE TRONG DUNG MÔI XANH LÀ CHẤT LỎNG ION Chun ngành: Cơng Nghệ Hóa Học LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 07 / 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS PHAN THANH SƠN NAM Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày 28 tháng 07 năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHAN THỊ MỸ DUNG Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 08 / 09 / 1983 Nơi sinh: Tuy Hòa – Phú n Chun ngành: Cơng nghệ Hóa học Khố (Năm trúng tuyển): 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HECK GIỮA IODOBENZENE VÀ STYRENE TRONG DUNG MÔI XANH LÀ CHẤT LỎNG ION 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Điều chế chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide theo phương pháp sử dụng vi sóng • Thực phản ứng Heck iodobenzene styrene sử dụng chất lỏng ion làm dung mơi điều kiện thường vi sóng • Nghiên cứu thu hồi tái sử dụng hỗn hợp chất lỏng ion xúc tác 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07 / 01 / 2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 07 / 07 / 2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN THANH SƠN NAM Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS PHAN THANH SƠN NAM CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Phan Thanh Sơn Nam, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt thời gian thực luận văn tốt nghiệp Đồng thời xin cảm ơn Thầy, Cô, anh, chị bạn môn Hữu tạo điều kiện tốt giúp tơi hồn thành luận văn Cảm ơn sinh viên Nguyễn Thị Mỹ Hiền giúp đỡ bước khó khăn ban đầu Cảm ơn gia đình bạn bè chia sẻ chỗ dựa tinh thần cho Một lần xin gửi tới người lời cảm ơn chân thành sâu sắc Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 07 năm 2008 MỞ ĐẦU Từ đời vào năm 1968 nay, phản ứng Heck với xúc tác palladium ngày có vai trị quan trọng tổng hợp hữu Phản ứng ứng dụng nhiều đặc biệt ngành hóa dược, bước trung gian để thu khung, phục vụ cho việc tổng hợp hợp chất hữu mong muốn Hóa học ngày phát triển, với đó, vấn đề môi trường quan tâm quan điểm “hóa học xanh” (Green chemistry) xuất nhiều nghiên cứu hóa học đại Việc sử dụng chất lỏng ion làm dung môi thay cho dung môi hữu dùng phản ứng Heck truyền thống nghiên cứu nhằm hướng phản ứng Heck theo đường “hóa học xanh” ngày Chất lỏng ion đánh giá thân thiện với môi trường so với dung môi hữu khác đặc điểm không bay hơi, hạn chế hợp chất hữu bay sử dụng Trong nhiều năm gần đây, nhiều loại chất lỏng ion nghiên cứu, chất lỏng ion dialkylimidazolium bật loại có nhiều ưu điểm như: giữ trạng thái lỏng khoảng nhiệt độ rộng tương đối thấp, có khả hòa tan tốt nhiều loại tác chất xúc tác, … Qua nhiều nghiên cứu, chất lỏng ion xem dung môi hữu hiệu cho phản ứng Heck có khả phân tách sản phẩm dễ dàng tái sử dụng hệ dung môi - xúc tác lần phản ứng với khả phản ứng không đổi Ở Việt Nam, chất lỏng ion nghiên cứu nhóm tác giả Lê Ngọc Thạch vào thời gian 2005-2006 Tuy nhiên, chưa có báo cáo việc ứng dụng chất lỏng ion vào q trình tổng hợp hữu cơng bố tạp chí chuyên ngành Đề tài luận văn lần ứng dụng chất lỏng ion 1-hexyl-3methylimidazolium bromide làm dung môi cho phản ứng Heck iodobenzene styrene thực điều kiện Việt Nam, với hy vọng mở hướng nghiên cứu góp phần đưa quan điểm “hóa học xanh” vào ứng dụng tổng hợp hữu Việt Nam TÓM TẮT LUẬN VĂN Chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide tổng hợp từ phản ứng n-hexyl bromide N-methylimidazole điều kiện vi sóng, nhận danh phương pháp 1H kết hợp với 13C NMR, MS Chất lỏng ion sử dụng làm dung môi xanh cho phản ứng Heck dẫn xuất aryl halide styrene điều kiện thường điều kiện vi sóng để hình thành sản phẩm hợp chất trans-stilbene Phản ứng chất lỏng ion với hàm lượng xúc tác PdCl2 5%, nhiệt độ 1400C base Et3N triethyl amine Sau h, độ chuyến hóa phản ứng 60%, 90% khơng có có triphenylphosphine Trong điều kiện vi sóng, tốc độ phản ứng ghép đơi tăng cách đáng kể, đạt độ chuyển hóa tổng cộng khoảng 99% thời gian 2.5 min, cao độ chuyển hóa đạt sau 7h điều kiện gia nhiệt thông thường Đặc biệt, phản ứng Heck thực với hỗ trợ vi sóng xảy mà không cần phải sử dụng thêm ligand phosphine đắt tiền độc hại, phản ứng tương tự thực điều kiện gia nhiệt thông thường xảy khó khăn khơng có mặt phosphine Bên cạnh đó, hệ chất lỏng ion – xúc tác palladium thu hồi tái sử dụng mà không cần phải bổ sung thêm nguồn palladium An easily accessible ionic liquid, 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide, was synthesized from n-hexyl bromide and N-methylimidazole under microwave irradiation condition, and characterized by 1H and 13C NMR, and MS The ionic liquid was demonstrated to be an efficient and recyclable solvent for the Heck cross-coupling reaction between several aryl halides and styrene under microwave irradiation to form trans-stilbenes as the principal products The reaction was performed in the ionic liquid, using mol% of PdCl2 at 140 oC in the presence of triethylamine as the base Reation conversions of 60% and 97% were achieved after hours, without and with using triphenylphosphine as an additive, respectively Using the ionic liquid as the reaction solvent in conjuction with microwave irradiation, the reaction rate was dramatically enhanced, with 99% conversion being achieved within 2.5 minutes, compared to conversions obtained after hours under conventional conditions Interestingly, the Heck reaction in the ionic liquid under microwave irradiation could afford qualitative conversions without the presence of any triphenylphosphine, while the corresponding reaction under conventional heating proceeded with difficulty in the absence of phosphine ligand Furthermore, the ionic liquid – Pd2+ system could be reused in subsequent reaction without significant degradation in activity MỤC LỤC Mở đầu i Tóm tắt luận văn ii Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 CHẤT LỎNG ION 1.1.1 Lịch sử 1.1.2 Cấu tạo công thức hóa học 1.1.3 Tổng hợp tinh chế 1.1.3.1 Tạo cation phản ứng bậc 1.1.3.2 Phản ứng trao đổi ion 1.1.3.3 Tinh chế chất lỏng ion 1.1.4 Tính chất vật lý chất lỏng ion 11 1.1.4.1 Nhiệt độ nóng chảy độ bền nhiệt 11 1.1.4.2 Độ nhớt 13 1.1.4.3 Tỷ trọng 15 1.1.4.4 Khả tan solvate hóa chất lỏng ion 15 1.1.4.5 Khả tan khí chất lỏng ion 16 1.1.4.6 Độ phân cực 17 1.1.5 Chất lỏng ion thương mại 18 1.1.6 Tác động đến môi trường chất lỏng ion 18 1.1.7 Ứng dụng chất lỏng ion 19 1.2 PHẢN ỨNG HECK 21 1.2.1 Giới thiệu phản ứng Heck 21 1.2.2 Cơ chế phản ứng Heck với xúc tác palladium đồng thể 22 1.2.3 Xúc tác palladium cho phản ứng Heck 27 1.2.3.1 Xúc tác palladium dạng đồng thể tự 27 1.2.3.2 Xúc tác palladium dạng dị thể 28 1.2.4 Dung môi cho phản ứng Heck 28 1.2.4.1 Dung môi hữu 28 1.2.4.2 Nước 29 1.2.4.3 Phản ứng Heck chất lỏng ion 29 1.2.4.4 Vai trò chất lỏng ion phản ứng Heck 31 1.2.5 Ứng dụng phản ứng Heck 35 1.3 ỨNG DỤNG VI SÓNG (MICROWAVE) TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ 38 1.3.1 Lý thuyết vi sóng 38 1.3.2 Hiệu vi sóng 39 Chương 2: THỰC NGHIỆM 40 2.1 ĐIỀU CHẾ CHẤT LỎNG ION 40 2.1.1 Dụng cụ 40 2.1.2 Tác chất sản phẩm 40 2.1.3 Quy trình điều chế 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide 41 2.1.4 Xác định cấu trúc chất lỏng ion 42 2.2 PHẢN ỨNG HECK CỦA IODOBENZENE VÀ STYRENE 43 2.2.1 Phản ứng 43 2.2.2 Cơ chế phản ứng 44 2.2.3 Dụng cụ 44 2.2.4 Hóa chất 45 2.2.5 Quy trình 46 2.2.6 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa phản ứng Heck 49 2.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ CHUYỂN HÓA TÁC CHẤT VÀ KIỂM CHỨNG SẢN PHẨM 50 2.3.1 Phương pháp xác định độ chuyển hóa tác chất 50 2.3.2 Kiểm chứng sản phẩm GC-MS 52 2.4 THU HỒI, TÁI SỬ DỤNG DUNG MÔI VÀ XÚC TÁC 52 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 53 3.1 QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ CHẤT LỎNG ION 53 3.2 XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC CHẤT LỎNG ION BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HĨA LÝ 54 3.3 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHUYỂN HÓA PHẢN ỨNG HECK GIỮA IODOBENZENE VÀ STYRENE 56 3.3.1 Điều kiện thường 56 3.3.1.1 Ảnh hưởng base 56 3.3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 58 3.3.1.3 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác PdCl2 60 3.3.1.4 Ảnh hưởng phosphine 62 3.3.1.5 Ảnh hưởng tỉ lệ phosphine : xúc tác 64 3.3.1.6 Ảnh hưởng gia nhiệt vi sóng 67 3.3.2 Điều kiện vi sóng 69 3.3.2.1 Ảnh hưởng xúc tác Pd(OAc)2 hàm lượng xúc tác 69 3.3.2.2 Ảnh hưởng haloarene 71 3.3.2.3 Ảnh hưởng nhóm hút (-COCH3) / nhóm đẩy (-CH3) 73 3.4 KHẢ NĂN THU HỒI, TÁI SỬ DỤNG DUNG MÔI VÀ XÚC TÁC 75 3.5 KIỂM CHỨNG SẢN PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP GC-MS 78 Chương 4: KẾT LUẬN 79 Tài liệu tham khảo Phụ lục Chương 1: Tổng quan Chương TỔNG QUAN 1.1 CHẤT LỎNG ION 1.1.1 Lịch sử Có nhiều khái niệm dùng để chất lỏng ion (Ionic Liquids – ILs) “Muối tan” khái niệm dùng phổ biến rộng rãi cho hợp chất ion tồn dạng lỏng Nhưng khái niệm “chất lỏng ion” dùng để “muối tan” trước có nhiều lý thuyết muối nóng chảy nhiệt độ thấp Và dường khác ILs muối tan vấn đề nhiệt độ Thực tế ILs dùng dung mơi thơng thường nhiệt độ phịng ILs có tương tác ion – ion, điều khơng tìm thấy muối tan có nhiệt độ cao Vào kỉ 19, phản ứng Friedel-Crafts thực dung môi gọi “dầu đỏ” Gần sắc kí NMR trở nên phổ biến dầu đỏ xác định loại muối.[1] Đầu kỉ 20, số loại muối alkylamonium nitrate sử dụng Chất lỏng ion biết đến [EtNH3]+NO3 – vào năm 1914 [1] Năm 1960, John Yoke, đại học Oregon State công bố trộn Cu(I)chloride alkylammonium chloride tạo hỗn hợp lỏng [1] Tuy nhiên phụ thuộc vào cấu hình tác chất mà sản phẩm tạo có diện Cu(II)chloride 1963, Lowell A.King, học viện không lực Mỹ, tìm cách thay hệ hỗn hợp LiCl/KCl pin hệ NaCl/AlCl3 [1] 1970, Jerry Atwood, đại học Alabana tìm muối lỏng gọi “liquid clathrate” [1] Đây kết hợp muối alluminium alkyl Công thức ion M[Al2(CH3)6X], M: cation vô hữu cơ, X halogen 1990, chất lỏng ion có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ phịng ứng dụng làm dung môi cho hệ xúc tác dị thể Chauvin Wilkes sử dụng Al(III)chloride phản ứng polymer hóa ethylene với hệ xúc tác Ziegler Natta [1] Luận văn thạc sĩ Chương 1: Tổng quan 1992, Wilkes Zawaroko công bố chất lỏng ion “trung tính” hexaflurophosphate ([PF6]-) hay tetrafluroborate ([BF4]-) [1] 1.1.2 Cấu tạo cơng thức hóa học [1], [2] IL cấu tạo từ cation anion ™ Cation: cation [NRxH(4-x)]+, [SRxH(3-x)]+, [FRxH(4-x)]+ N+ + N N N Imidazolium Pyrazolium N+ N+ + N N N Triazolium + N S O Thiazolium Oxazolium N + N N Pyridazinium + N Pyrimidium Pyridinium N + N Pyrazinium Trong số imidazolium (IM) ý nhiều giúp cho ILs tạo thành bền nhiệt, bền khơng khí giữ IL trạng thái lỏng khoảng nhiệt độ rộng Gốc alkyl IM gắn vào fluor tạo muối fluor Các muối trộn chung với ILs truyền thống họat động chất họat động bề mặt thúc đẩy q trình nhũ hóa perfluorocarbon IL Nhóm alkoxy (R-O-) gắn vào IM cho IM có khả chống tích điện tốt ™ Anion: chia thành hai loại: Luận văn thạc sĩ LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : PHAN THỊ MỸ DUNG Giới tính : Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 08 – 09 – 1983 Nơi sinh : Tuy Hòa – Phú Yên Địa liên lạc : KP Nguyễn Trung Trực, P8, TP Tuy Hịa, Tỉnh Phú n Q TRÌNH ĐÀO TẠO − Từ 2001 – 2006: Học đại học Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh – Khoa Cơng nghệ Hóa học − Từ 2006 – 2008: Học cao học Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh – Khoa Cơng nghệ Hóa học Q TRÌNH CÔNG TÁC − Từ 2006 – 2007: Nghiên cứu viên, phịng Hóa lý – Xúc tác, Viện Cơng nghệ Hóa học – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam − Từ 2007 đến nay: Nhân viên Công ty CP xuất nhập kỹ thuật TECHNIMEX – Bộ Khoa học Công nghệ ... dung môi thay cho dung môi hữu dùng phản ứng Heck truyền thống nghiên cứu nhằm hướng phản ứng Heck theo đường “hóa học xanh? ?? ngày Chất lỏng ion đánh giá thân thiện với môi trường so với dung môi. .. 29 1.2.4.3 Phản ứng Heck chất lỏng ion 29 1.2.4.4 Vai trò chất lỏng ion phản ứng Heck 31 1.2.5 Ứng dụng phản ứng Heck 35 1.3 ỨNG DỤNG VI SÓNG (MICROWAVE) TRONG TỔNG HỢP... tác chất xúc tác, … Qua nhiều nghiên cứu, chất lỏng ion xem dung môi hữu hiệu cho phản ứng Heck có khả phân tách sản phẩm dễ dàng tái sử dụng hệ dung môi - xúc tác lần phản ứng với khả phản ứng