Luận án tiến sĩ nghiên cứu phản ứng acil hóa friedel crafts sử dụng triflat kim loại trong điều kiện hóa học xanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  TRẦN HOÀNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ACIL HÓA FRIEDEL-CRAFTS SỬ DỤNG TRIFLAT KIM LOẠI TRONG ĐIỀU KIỆN HÓA HỌC XANH LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC Tp HỒ CHÍ MINH - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  TRẦN HOÀNG PHƢƠNG NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ACIL HÓA FRIEDEL-CRAFTS SỬ DỤNG TRIFLAT KIM LOẠI TRONG ĐIỀU KIỆN HÓA HỌC XANH Chuyên ngành: Hóa Hữu Mã số chuyên ngành: 62.44.27.01 Phản biện 1: PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Cửu Khoa Phản biện 3: TS Nguyễn Tiến Công Phản biện độc lập 1: PGS.TS Vũ Anh Tuấn Phản biện độc lập 2: TS Nguyễn Tiến Công NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS LÊ NGỌC THẠCH GS TS POUL ERIK HANSEN Tp HỒ CHÍ MINH - 2015 Mục lục DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG, HÌNH, SƠ ĐỒ CHƢƠNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 2.1 Lịch sử phản ứng acil hóa Friedel-Crafts 2.2 Hóa học xanh 2.3 Chất lỏng ion 2.3.1 Lịch sử 2.3.2 Cơ cấu 10 2.3.3 Phân loại 11 2.3.4 Phƣơng pháp điều chế 13 2.3.5 Ứng dụng tổng hợp hữu 14 2.4 Phản ứng không dung môi 15 2.4.1 Giới thiệu chung 15 2.4.2 Độ phản ứng 15 2.4.3 Độ chọn lọc 15 2.4.4 Đơn giản hóa qui trình phản ứng 16 2.4.5 Một số cách thực phản ứng không dung môi 16 2.5 Hóa học vi sóng 17 2.5.1 Lịch sử 17 2.5.2 Cơ chế làm nóng vật chất vi sóng 18 2.5.3 Cơ chế hoạt động 18 2.5.4 Ứng dụng vi sóng vào tổng hợp hữu 20 2.6 Triflat kim loại 20 2.7 “Xanh hóa” xúc tác phản ứng acil hóa Friedel-Crafts 22 2.8 Xúc tác triflat kim loại phản ứng acil hóa Friedel-Crafts 24 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU 40 3.1 Mục tiêu 40 3.2 Khảo sát phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng clorur benzoil xúc tác triflat bismuth điều kiện chiếu xạ vi sóng 42 3.2.1 Khảo sát hoạt tính triflat kim loại với tác chất clorur benzoil 42 3.2.2 Benzoil hóa alkil aril eter tioeter với tác chất clorur benzoil 44 3.2.3 Benzoil hóa alkilbenzen với tác chất clorur benzoil 47 3.2.4 Benzoil hóa biphenil, fluoren số aren khơng mang nhóm với tác chất clorur benzoil 48 3.2.5 Benzoil hóa halobenzen với tác chất clorur benzoil 49 3.2.6 Thu hồi tái sử dụng triflat bismuth với tác chất clorur benzoil 51 3.3 Khảo sát phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng anhidrid benzoic xúc tác triflat bismuth 51 3.3.1 Benzoil hóa alkil aril eter tioeter với tác chất anhidrid benzoic 52 3.3.2 Benzoil hóa alkilbenzen với tác chất anhidrid benzoic 53 3.3.3 Benzoil hóa biphenil, fluoren số aren khơng mang nhóm với tác chất anhidrid benzoic 55 3.3.4 Benzoil hóa alkilbenzen với tác chất anhidrid benzoic điều kiện đun khuấy từ 56 3.3.5 Thu hồi tái sử dụng triflat bismuth với tác chất anhidrid benzoic 57 3.4 Khảo sát phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng acid benzoic xúc tác triflat erbium điều kiện chiếu xạ vi sóng 58 3.4.1 Khảo sát hoạt tính triflat kim loại với tác chất acid benzoic 58 3.4.2 Khảo sát độ phản ứng số aren tăng hoạt sử dụng acid benzoic 59 3.5 Phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng anhidrid acetic clorur benzoil xúc tác triflat bismuth tetrafluoroborat 1-butil-3-metilimidazolium 63 3.5.1 Khảo sát điều kiện phản ứng điều chế tetrafluoroborat 1-butil-3metilimidazolium 64 3.5.2 Phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng Bi(OTf)3 [BMI]BF4 với tác chất anhidrid acetic clorur benzoil 65 3.5.3 Thu hồi tái sử dụng triflat bismuth chất lỏng ion tetrafluoroborat 1butil-3-metilimidazolium với tác chất anhidrid acetic 69 3.6 Phản ứng benzoil hóa Friedel-Crafts sử dụng tác chất clorur benzoil xúc tác triflat bismuth trifluorometansulfonat 1-butil-3-metilimidazolium 70 3.6.1 Khảo sát điều kiện phản ứng điều chế trifluorometansulfonat 1-alkil-3metilimidazolium [RMI]OTf 71 3.6.2 Phản ứng benzoil hóa Friedel-Crafts sử dụng Bi(OTf)3 [BMI]OTf với tác chất clorur benzoil 73 3.6.3 Thu hồi tái sử dụng triflat bismuth chất lỏng ion trifluorometansulfonat 1-butil-3-metilimidazolium với tác chất clorur benzoil 76 3.7 Phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng tác chất anhidrid acid xúc tác triflat indium dihidrogenphosphat 1-isobutil-3-metilimidazolium 78 3.7.1 Khảo sát điều kiện phản ứng điều chế dihidrogenphosphat 1-isobutil-3metilimidazolium [i-BMI]H2PO4 78 3.7.2 Khảo sát ảnh hƣởng triflat kim loại chất lỏng ion dihidrogenphosphat 1-isobutil-3-metilimidazolium với tác chất anhidrid acetic 79 3.7.3 Phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng In(OTf)3 [i-BMI]H2PO4 với tác chất anhidrid acid 80 3.7.4 Thu hồi tái sử dụng triflat indium chất lỏng ion [i-BMI]H2PO4 với tác chất anhidrid benzoic 86 3.8 Phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng triflat ytrium tetrafluoroborat 1(hex-5-en-1-il)piridinium với tác chất anhidrid acid 87 3.8.1 Khảo sát điều kiện phản ứng điều chế số chất lỏng ion 1-(hex-5-en-1il)piridinium 87 3.8.2 Khảo sát điều kiện phản ứng acil hóa sử dụng Y(OTf)3 [HPy]BF4 với tác chất anhidrid benzoic 88 3.8.3 Phản ứng acil hóa Friedel-Crafts sử dụng Y(OTf)3 [HPy]BF4 với tác chất anhidrid acid 89 3.8.4 Thu hồi tái sử dụng Y(OTf)3 [HPy]BF4 với tác chất anhidrid benzoic 94 3.9 Tổng hợp trung gian ứng dụng dƣợc phẩm sử dụng triflat kim loại chất lỏng ion trifluorometansulfonat 96 3.9.1 Tổng hợp chất lỏng ion trifluorometansulfonat khung imidazolium khung piridinium 96 3.9.2 Tổng hợp tetralon sử dụng triflat terbium 98 3.9.3 Tổng hợp 1-indanon dẫn xuất sử dụng triflat terbium 100 3.9.4 Tổng hợp 1-(4-etoxiphenil)-2-[4-(metilsulfonil)phenil]etanon 102 3.10 Điều chế số dẫn xuất aminobenzophenon sử dụng triflat đồng với tác chất clorur 4-fluorobenzoil 105 3.10.1 Sơ đồ phản ứng 105 3.10.2 Khảo sát ảnh hƣởng triflat kim loại phản ứng benzoil hóa anilin với clorur benzoil 106 3.10.3 Tổng hợp số dẫn xuất aminobenzophenon sử dụng tác chất clorur 4fluorobenzoil 107 3.11 So sánh kết luận án với nghiên cứu giới 110 3.11.1 Tác chất clorur acid 110 3.11.2 Tác chất anhidrid acid 111 3.11.3 Tác chất acid carboxilic 112 3.11.4 Triflat kim loại chất lỏng ion 112 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 114 4.1 Hóa chất thiết bị 114 4.2 Qui trình phản ứng acil hóa sử dụng tác chất clorur benzoil 115 4.3 Qui trình phản ứng acil hóa sử dụng tác chất anhidrid acid 115 4.4 Qui trình phản ứng acil hóa sử dụng tác chất acid benzoic 115 4.5 Qui trình điều chế chất lỏng ion 116 4.5.1 Điều chế chất lỏng ion metilimidazolium 116 4.5.2 Điều chế chất lỏng ion piridinium 117 4.6 Qui trình phản ứng acil hóa Friedel-Crafts đóng vòng nội phân tử 117 4.7 Qui trình điều chế aminobenzophenon 117 4.8 Qui trình thu hồi triflat kim loại 118 4.9 Qui trình thu hồi triflat kim loại chất lỏng ion 118 4.10 Xác định cấu sản phẩm 119 CHƢƠNG KẾT LUẬN 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 147 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ PHỤ LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT IL: Chất lỏng ion (Ionic liquids) MW: Vi sóng (Microwave) : Đun khuấy từ TfO-: Trifluorometansulfonat TLC: Sắc ký lớp mỏng (Thin layer chromatography) GC-MS: Sắc ký khí ghép phổ khối lƣợng (Gas chromatography-mass spectrometry) HR-MS: Phổ khối lƣợng phân giải cao (High resolution mass spectroscopy) EI: ion hóa bắn phá electron (Electron ionization) ESI: ion hóa phun electron (Electrospray ionization) m/z: Tỉ lệ khối lƣợng theo điện tích ion (phổ MS) J: Hằng số ghép cặp (coupling constant) s: Mũi đơn (singlet) br s: Mũi đơn rộng (broad singlet) d: Mũi đôi (doublet) dd: Mũi đôi-đôi (doublet of doublet) t: Mũi ba (triplet) m: Mũi đa (multiplet) [BMI]: 1-Butil-3-metilimidazolium [HMI]: 1-Hexil-3-metilimidazolium [OMI]: 1-Octil-3-metilimidazolium [BPy]: N-butilpiridinium [HPy]: 1-(Hex-5-en-1-il)piridinium [i-BMI]: 1-Isobutil-3-metilimidazolium RTIL: Chất lỏng ion nhiệt độ phòng (Room-temperature ionic liquids) TLTK: Tài liệu tham khảo DANH MỤC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH Bảng Bảng 2.1: Công thức tên gọi cation anion thông dụng chất lỏng ion 11 Bảng 2.2: So sánh tính chất chất lỏng ion dung môi hữu truyền thống 13 Bảng 2.3: Các cơng trình sử dụng triflat kim loại tiêu biểu phản ứng acil hóa Friedel-Crafts 37 Bảng 2.4: Các cơng trình sử dụng triflat kim loại chất lỏng ion 38 Bảng 3.1: Khảo sát ảnh hƣởng xúc tác triflat kim loại phản ứng benzoil hóa anisol chiếu xạ vi sóng 100 C 43 Bảng 3.2: Benzoil hóa số alkil aril eter tioanisol sử dụng tác chất clorur benzoil 45 Bảng 3.3: Benzoil hóa số alkilbenzen sử dụng tác chất clorur benzoil 47 Bảng 3.4: Benzoil hóa biphenil, fluoren số aren khơng mang nhóm sử dụng tác chất clorur benzoil 49 Bảng 3.5: Benzoil hóa số halobenzen sử dụng tác chất clorur benzoil 50 Bảng 3.6: Tái sử dụng triflat bismuth 51 Bảng 3.7: Benzoil hóa số alkil aril eter tioanisol sử dụng anhidrid benzoic 52 Bảng 3.8: Benzoil hóa số alkilbenzen sử dụng tác chất anhidrid benzoic 54 Bảng 3.9: Benzoil hóa biphenil, fluoren số aren khơng mang nhóm sử dụng tác chất anhidrid benzoic 55 Bảng 3.10: Benzoil hóa số alkilbenzen điều kiện đun nóng cổ điển 56 Bảng 3.11: Tái sử dụng triflat bismuth với tác chất anhidrid benzoic 57 Bảng 3.12: Khảo sát ảnh hƣởng xúc tác triflat kim loại phản ứng benzoil hóa anisol chiếu xạ vi sóng 220 C 30 phút 58 Bảng 3.13: Benzoil hóa số chất sử dụng acid benzoic tỉ lệ mol 5:1 60 Bảng 3.14: Benzoil hóa số chất sử dụng acid benzoic tỉ lệ mol 1:2 61 Bảng 3.15: Điều chế chất lỏng ion tetrafluoroborat alkilmetilimidazolium điều kiện chiếu xạ vi sóng khơng dung mơi 65 Bảng 3.16: Acetil hóa anisol với loại triflat kim loại/[BMI][BF4] (80 oC, phút) 66 Bảng 3.17: Ảnh hƣởng loại chất lỏng ion tetrafluoroborat alkilmetilimidazolium 66 Bảng 3.18: Khảo sát điều kiện phản ứng acetil hóa anisol xúc tác Bi(OTf)3 [BMI]BF4 67 Bảng 3.19: Acil hóa Friedel-Crafts sử dụng Bi(OTf)3 [BMI]BF4 68 Bảng 3.20: Thu hồi tái sử dụng Bi(OTf)3/[BMI]BF4 phản ứng acetil hóa anisol (phản ứng tỉ lệ mol anisol:anhidrid acetic 1:2) 70 Bảng 3.21: Điều chế chất lỏng ion trifluorometansulfonat alkilmetilimidazolium điều kiện chiếu xạ vi sóng khơng dung mơi 72 Bảng 3.22: Điều chế chất lỏng ion trifluorometansulfonat alkilmetilimidazolium điều kiện đun khuấy từ không dung môi 73 Bảng 3.23: Phản ứng benzoil hóa số chất tăng hoạt sử dụng Bi(OTf)3/ [BMI]OTf 74 Bảng 3.24: Benzoil hóa xúc tác triflat bismuth [BMI]OTf đun khuấy từ 76 Bảng 3.25: Tái sử dụng Bi(OTf)3/[BMI]OTf phản ứng benzoil hóa veratrol 77 Bảng 3.26: cetil hóa mesitilen với loại xúc tác khơng có chất lỏng ion 79 Bảng 3.27: cetil hóa mesitilen với xúc tác chất lỏng ion [i-BMI]H2PO4 80 Bảng 3.28: Khảo sát hiệu suất phản ứng theo tỉ lệ mol mesitilen: c 2O 81 Bảng 3.29: Benzoil hóa số hợp chất sử dụng anhidrid benzoic xúc tác In(OTf)3 điều kiện có khơng có [i-BMI]H2PO4 81 Bảng 3.30: Acil hóa số hợp chất sử dụng anhidrid acid dây thẳng xúc tác In(OTf)3/[i-BMI]H2PO4 83 Bảng 3.31: Acil hóa số hợp chất sử dụng anhidrid acid dây thẳng xúc tác In(OTf)3/[i-BMI]H2PO4 điều kiện chiếu xạ vi sóng 85 Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 83 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục Phụ lục 74: GC-MS bromobenzophenon (benzoil hóa bromobenzen sử dụng clorur benzoil) - 84 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 85 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 86 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục Phụ lục 75: GC-MS iodobenzophenon (benzoil hóa iodobenzen sử dụng clorur benzoil) - 87 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 88 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 89 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục Phụ lục 76: GC-MS (metiltio)benzophenon (benzoil hóa tioanisol sử dụng acid benzoic) - 90 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 91 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục Phụ lục 77: GC-MS metilbenzophenon (benzoil hóa toluen sử dụng acid benzoic) - 92 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 93 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 94 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục Phụ lục 78: GC-MS benzoilnaptalen (benzoil hóa naptalen sử dụng acid benzoic) - 95 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục - 96 - Luận ánTiế sĩ ó ọc Hữu ụ Lục Phụ lục 79: GC-MS 4-phenilbenzophenon (benzoil hóa biphenil sử dụng acid benzoic) - 97 - ... tác triflat kim loại phản ứng acil hóa Friedel- Crafts Điều chứng tỏ xúc tác triflat kim loại xúc tác hữu hiệu cho phản ứng acil hóa, điều kiện phản ứng êm dịu, xúc tác dễ dàng thu hồi tái sử dụng. .. tác cho phản ứng acil hóa Friedel- Crafts tiêu biểu: Trang 36 Luận án Tiến sĩ Hóa học Hữu Tổng Quan Bảng 2.3: Các cơng trình sử dụng triflat kim loại tiêu biểu phản ứng acil hóa Friedel- Crafts. ..ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  TRẦN HOÀNG PHƢƠNG NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ACIL HÓA FRIEDEL- CRAFTS SỬ DỤNG TRIFLAT KIM LOẠI TRONG ĐIỀU KIỆN HÓA HỌC XANH