Áp dụng montmorillonite trao đổi cation biến tính ở nhiệt độ cao xúc tác phản ứng tổng hợp dẫn xuất pyranoquinoline

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA HỌC - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ÁP DỤNG MONTMORILLONITE TRAO ĐỔI CATION BIẾN TÍNH Ở NHIỆT ĐỘ CAO XÚC TÁC PHẢN ỨNG TỔNG HỢP DẪN XUẤT PYRANOQUINOLINE GVHD: ThS Phạm Đức Dũng SVTH: Nguyễn Trọng Sang MSSV: K39.106.088 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5/2017 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phạm Đức Dũng nhận tận tình hướng dẫn em suốt trình thực khóa luận tốt nghiệp Em xin bày tỏ lời cảm ơn đến q thầy Khoa Hóa trường Đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh giảng dạy em suốt bốn năm qua, kiến thức mà em nhận giảng đường đại học hành trang giúp em vững bước vào tương lai Cảm ơn ba mẹ, bạn bè, người thân ủng hộ, động viên giúp đỡ em vượt qua khó khăn Do kiến thức thời gian nghiên cứu có hạn, khóa luận chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý thầy bạn bè để khóa luận hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 Sinh viên thực MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 2.TỔNG QUAN 2.1 Phản ứng Povarov .2 2.1.1 Phản ứng Diels-Alder 2.1.2 Phản ứng Aza-Diels-Alder .2 2.1.3 Phản ứng Povarov 2.1.3.1 Cách tiến hành .3 2.1.3.2 Cơ chế phản ứng Povarov 2.1.4 Một số phương pháp khác tổng hợp theo Povarov 2.1.4.1 Sử dụng xúc tác muối GdCl3 dung môi hữu 2.1.4.2 Sử dụng xúc tác Propylphosphonic anhydride (T3P) dung môi 2.1.4.3 Sử dụng xúc tác KHSO4 MeOH 2.2 Xúc tác Montmorillonite 2.2.1 Khái niệm .6 2.2.2 Cấu trúc 2.2.3 Tính chất vật lý .7 2.2.4 Khả trao đổi cation .7 2.2.5 Khả hấp phụ 2.2.6 Tính chất hóa học 2.3 Phương pháp chiếu xạ siêu âm 2.3.1 Định nghĩa 2.3.2 Bản chất sóng âm 2.3.3 Sự tạo vỡ bọt (cavitation) 2.3.4 Ưu nhược điểm phương pháp chiếu xạ siêu âm THỰC NGHIỆM 10 3.1 Điều chế xúc tác 10 3.1.1 Điều chế montmorillonite tinh chế .10 3.1.2 Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng 10 3.1.3 Phương pháp trao đổi cation với montmorillonite hoạt hóa acid 10 3.2 Điều chế 5-Phenyl-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline (PY) 10 3.3 Quá trình tối ưu 11 3.4 Tái sử dụng xúc tác 11 3.5 Tổng hợp số dẫn xuất PY 11 3.6 Xác định cấu sản phẩm 11 KẾT QUẢ VÀO THẢO LUẬN .12 4.1 Tổng hợp 5-Phenyl-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline (PY) .12 4.1.1 Sơ đồ tổng hợp .12 4.1.2 Khảo sát xúc tác sử dụng .12 4.1.3 Khảo sát thời gian phản ứng 13 4.1.4 Tối ưu hóa lượng xúc tác 13 4.1.5 Tối ưu hóa tỉ lệ chất tham gia phản ứng 14 4.1.6 Tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng 14 4.2 Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác .15 4.3 Tổng hợp số dẫn xuất PY 15 ĐỊNH DANH SẢN PHẨM 16 5.1 Hợp chất PYA1: cis 5-Phenyl-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline 16 5.2 Hợp chất PYA2: trans 5-Phenyl-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline 18 5.3 Hợp chất PYB1: cis 5-(4-methylphenyl) -3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2c]quinoline .21 5.4 Hợp chất PYB2: trans 5-(4-methylphenyl) -3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2c]quinoline .24 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .28 7.TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC 31 DANH MỤC BẢNG Bảng Kết tổng hợp PY xúc tác GdCl3 dung môi khác Bảng Kết tổng hợp PY xúc tác T3P dung môi theo thời gian Bảng Kết tổng hợp PY xúc tác KHSO4 MeOH Bảng So sánh xúc tác trao đổi cation khác 12 Bảng Kết tối ưu hóa theo thời gian 13 Bảng Kết tối ưu hóa khối lượng xúc tác 13 Bảng Kết tối ưu hóa tỉ lệ chất tham gia 14 Bảng Khảo sát phản ứng theo nhiệt độ 14 Bảng Khảo sát khả tái sử dụng xúc tác 15 Bảng 10 Tổng hợp số dẫn xuất PY 16 Bảng 11 Quy kết mũi phổ 1H-NMR PYA1 18 Bảng 12 Quy kết mũi phổ 13C-NMR PYA1 19 Bảng 13 Quy kết mũi phổ 1H-NMR PYA2 21 Bảng 14 Quy kết mũi phổ 13C-NMR PYA2 22 Bảng 15 Quy kết mũi phổ 1H-NMR PYB1 23 Bảng 16 Quy kết mũi phổ 13C-NMR PYB1 24 Bảng 17 Quy kết mũi phổ 1H-NMR PYB2 26 Bảng 18 Quy kết mũi phổ 13C-NMR PYB2 27 DANH MỤC HÌNH Hình Mơ hình cấu trúc khơng gian MMT Hình Phổ 1H-NMR hợp chất PYA1 16 Hình Phổ 13C-NMR hợp chất PYA1 17 Hình Phổ 1H-NMR hợp chất PYA2 19 Hình Phổ 13C-NMR hợp chất PYA2 20 Hình Phổ 1H-NMR hợp chất PYB1 21 Hình Phổ 13C-NMR hợp chất PYB1 23 Hình Phổ 1H-NMR hợp chất PYB2 24 Hình Phổ 13C-NMR hợp chất PYB2 26 DANH MỤC VIẾT TẮT MMT: Montmorillonite Mn+-Mont: xúc tác montmorillonite trao đổi cation Mn+ H-NMR: phổ cộng hưởng từ proton 13 C-NMR: Phổ cộng hưởng từ Carbon PY: 5-phenyl-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline PYA1: cis 5-phenyl-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline PYA2: trans 5-phenyl-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline PYB1: cis 5-(4-methylphenyl)-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline PYB2: trans 5-(4-methylphenyl)-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển xã hội, Hóa học nói chung hóa học hợp chất dị vịng nói riêng ngày trọng phát triển có nhiều ứng dụng quan trọng ngành công nghiệp dược liệu đời sống hàng ngày Một hợp chất dị vịng quan trọng pyranoquinoline với dược tính bật an thần, chống rụng tóc, chống viêm nhiều ứng dụng khác y học Chính vậy, nhiều nghiên cứu phương pháp để tổng hợp hợp chất đời Trong số đó, phản ứng Aza–Diels–Alder N-arylimines olefin thân hạch tỏ bật tính hiệu đơn giản phản ứng Từ sau công trình tổng hợp Povarov, xúc tác acid Lewis ý nhiều Tuy nhiên, acid khó tìm, giá thành tương đối cao, khơng có khả tái sử dụng dễ tham gia phản ứng với sản phẩm tạo thành khiến hiệu xuất phản ứng thường khơng cao Thêm vào đó, số acid Lewis tham gia vào việc tạo liên kết aldehyde, amine enol ether bị phân hủy khử amine nước trình tạo trung gian imine Vì vậy, việc tìm xúc tác có hiệu kinh tế để tổng hợp nên pyranoquinoline dẫn xuất vấn đề cần đặc biệt trọng Thêm vào đó, q trình nghiên cứu, tơi nhận thấy việc sử dụng số xúc tác acid rắn monmorillonite (MMT) mang lại hiệu cao kinh tế, giải nhược điểm acid Lewis truyền thống đáp ứng kịp thời xu hướng “Hóa học xanh” sử dụng xúc tác rắn dễ dàng thu hồi tái sử dụng Như vậy, với ứng dụng quan trọng pyranoquinoline ý tưởng xúc tác đất sét thân thiện hiệu tiến hành phản ứng điều không dung môi, định chọn đề tài “Áp dụng montmorillonite trao đổi cation biến tính nhiệt độ cao xúc tác phản ứng tổng hợp dẫn xuất pyranoquinoline” 2.TỔNG QUAN 2.1 Phản ứng Povarov 2.1.1 Phản ứng Diels-Alder Phản ứng Diels-Alder phản ứng cộng vòng [4+2] diene dienophile tạo vòng không no, phát hai nhà bác học người Đức Otto Diels Kurt Alder [7] Với việc tìm phản ứng này, hai nhà bác học nhận giải thưởng Nobel vào năm 1950 Đây phản ứng sử dụng rộng rãi tổng hợp hữu Phản ứng thuận lợi nhiệt động lực học chuyển đổi liên kết π thành hai liên kết σ Sơ đồ phản ứng Diels – Alder: 2.1.2 Phản ứng Aza-Diels-Alder Phản ứng Aza-Diels-Alder dạng biến đổi phản ứng Diels-Alder sử dụng diene chứa dị tố hay dienophile chứa dị tố để tạo dị vòng cạnh chứa nitrogen hay oxygen tương ứng Sơ đồ phản ứng Aza – Diels - Alder Từ phản ứng Aza-Diels-Alder này, Povarov nghiên cứu, phát triển nên phản ứng gọi phản ứng Povarov hay gọi phản ứng imino Diels-Alder 2.1.3 Phản ứng Povarov 2.1.3.1 Cách tiến hành Hỗn hợp gồm ethyl vinyl ether ethyl vinyl sunfide N-aryl aldimine sử dụng xúc tác BF3-OEt2 Khuấy phản ứng 1-2 để tạo tetrahydroquinoline với nhóm vị trí 2,4 sau đem chưng cất chân không để thu quinoline Sơ đồ phản ứng Povarov xúc tác BF3 Et2O [9]: N-aryl aldimine tổng hợp từ aniline benzaldehyde Do đó, phản ứng xem phản ứng đa thành phần với chất phản ứng ban đầu là: aniline, benzaldehyde dienophile Sơ đồ phản ứng đa thành phần: 2.1.3.2 Cơ chế phản ứng Povarov Cơ chế phản ứng Povarov xúc tác CAN [12] - Phổ 13C-NMR (Phụ lục 8) Hình Phổ 13C-NMR hợp chất PYB2 Tín hiệu δ=144,78 ppm quy kết cho C7a carbon vòng thơm liên kết trực tiếp với dị tố nitrogen Tín hiệu δ=137,59 ppm δ=139,28 ppm quy kết cho hai carbon vị trí C5a C10b hai carbon vịng thơm liên kết gián tiếp với dị tố nitrogen oxygen nên chuyển trường yếu Tín hiệu δ=129,32 ppm δ=127,72 ppm có cường độ lớn quy kết cho carbon vị trí C5b-C5f C5c-C5e có tính đối xứng Năm tín hiệu cịn lại vùng thơm δ=114,14-130,93 ppm quy kết cho carbon vị trí C5d, C7, C8, C9, C10 Tín hiệu δ=74,64 ppm quy kết cho C10a carbon liên kết trực tiếp với dị tố oxygen vịng benzene Tín hiệu δ=68,66 ppm quy kết cho C5 carbon liên kết trực tiếp với dị tố nitrogen vịng benzene Tín hiệu δ=54,52 ppm quy kết cho C2 carbon liên kết trực tiếp với dị tố oxygen Tín hiệu δ=38,85 ppm quy kết cho C4a carbon liên kết gián tiếp carbon qua dị tố oxygen, nitrogen vòng benzene 26 Tín hiệu δ=24,18 ppm quy kết cho C3 carbon liên kết gián tiếp carbon qua dị tố oxygen Tín hiệu δ=22,03 ppm quy kết cho C5d’ carbon liên kết trực tiếp với vịng benzene Tín hiệu cịn lại δ=21,14 ppm quy kết cho C4 Bảng 18 Quy kết mũi phổ 13C-NMR hợp chất PYB2 δ=(ppm) 21,14 22,03 24,18 38,85 54,52 68,66 74,64 114,14-130,93 129,32 127,72 137,59 139,28 144,78 Carbon C4 C5d’ C3 C4a C2 C5 C10a C5d, C7, C8, C9, C10 C5b-C5f C5c-C5e C5a C10b C7a 27 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Qua đề tài “Áp dụng montmorillonite trao đổi cation biến tính nhiệt độ cao xúc tác phản ứng tổng hợp dẫn xuất pyranoquinoline” tiến hành tổng hợp tối ưu hóa thành cơng hợp chất 5-phenyl-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2- c]quinoline với với tác chất ban đầu benzaldehyde (3 mmol), aniline (1 mmol), 3,4-dihydro-2H-pyran (1,5 mmol), điều kiện tối ưu hóa xúc tác Co2+-Mont_nung 175 mg, nhiệt độ phản ứng nhiệt độ phòng, thời gian phản ứng (dùng chiếu xạ siêu âm) 90 phút Sản phẩm sau tổng hợp tiến hành tinh chế sắc kí cột pha thường với hệ dung môi n-hexane:EA (95:5), hiệu suất thu 65 % Xúc tác có khả thu hồi, tái sử dụng cao Bên cạnh đó, dẫn xuất khác tổng hợp thành công 5-(4methylphenyl)-3,4,4a,5,6,10b-hexahydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline Sản phẩm sau thu được, tiến hành định danh qua việc đo nhiệt độ nóng chảy, phổ cộng hưởng từ proton 1H-NMR phổ cộng hưởng từ carbon 13C-NMR Kết cho thấy chất có cấu trúc phù hợp với cơng thức dự kiến ban đầu Từ kết trên, nhận thấy hồn thành mục tiêu đề đề tài Tuy nhiên, gặp hạn chế thời gian nhiều điều kiện khác, xin đưa số đề suất sau: + Tiến hành đo, kiểm tra dược tính, hoạt tính sinh học cho sản phẩm tổng hợp + Tổng hợp thêm số dẫn xuất khác, có dược tính cụ thể + Lựa chọn xúc tác khác, có ưu điểm Montmorillonite có khả xúc tác tốt cho phản ứng 28 7.TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Thị Mai Hoàng, Lê Ngọc Thạch, Điều chế số Montmorillonite Việt Nam, Khoa học công nghệ, 13, 17-20, (2010) [2] Çigdem, K., Invertigation of applicability of clay minerals in waste water treatment, Graduate of Natural and Applied Sciences, Dokul Eylül University, 9-26, (2007) [3] David, A.L.; Influence of layer charge on swelling of smectite, Applied Clay Science, 34, 74-86, (2006) [4] Giancarlo Cravotto and Pedro Cintas, Power ultrasound in organic synthesis: moving cavitational chemistry from academia to innovative and large-scale applications, Chemical Society Reviews, (2005) [5] Heda, L.C.C.; Sharma, R.; Pareek, C.; Chaudhari, P.B., Synthesis and antimicrobial activity of some derivatives of 5-substituted indole dihydropyrimidines, E-Journal of Chemistry, 6(3), 770-774, (2009) [6] Murray, H.H, Applied Clay Mineralogy Occurrences, Processing and Application of Kaolins, Bentonites, Palygorskite–Sepiolite, and Common Clays, Elsevier’s Science & Technology, Oxford, 12-27, (2007) [7] Navjeet, K.; Dharma, K., Montmorillonite: an efficient, heterogeneous and green catalyst for organic synthesis, Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 4, 991-993, (2012) [8] Ola, K.; Martin, B., Montmorillonite stability with special respect to KBS-3 conditions, Clay Technology, 7-10, (2006) [9] Pavarov, L S.; Mikhailov, B M Izv Akad Nauk SSR, Ser Khim 2163, (1965) [10] Prasanna, T S R and Mohana Raju, K., T3P- A Novel Catalyst for Aza-DielsAlder Reaction: One-Pot Synthesis of Pyrano [3,2-c]quinolines and furano[3,2c]quinolones, E-Journal of Chemistry, 420-424, (2011) [11] Senthil Kumar, R., Rajagopal Nagarajan, Paramasivan T Perumal, Inverse Electron Demand Diels–Alder Reactions of Heterodienes Catalyzed by Potassium Hydrogen Sulfate: Diastereoselective, One-Pot 29 Synthesis of Pyranobenzopyrans, Furanobenzopyrans and Tetrahydroquinolines Derivatives, Organic Chemistry Division, 949-950, (2004) [12] Sridharan, V.; Avenda~no, C.; Menendez, J C., An Efficient One-Pot Synthesis of Pyrano- and Furoquinolines Employing Two Reusable Solid Acids as Heterogeneous Catalysts, Synthesis, 1039, (2008) [13] Yunma, Changtao Qian, Meihua Xie, and Jie Sun J., Lanthanide Chloride Catalyzed Imino Diels-Alder Reaction One-Pot Synthesis of Pyrano[3,2-c]- and Furo[3,2-c]quinolones, Org Chem 6462-6467, (1999) 30 PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG KHOA HỌC Nhận xét: Xác nhận hội đồng khoa học 31 PHỤ LỤC Phụ lục Phổ 1H-NMR hợp chất PYA1 Phụ lục Phổ 13C-NMR hợp chất PYA1 Phụ lục Phổ 1H-NMR hơp chất PYA2 Phụ lục Phổ 13C-NMR hợp chất PYA2 Phụ lục Phổ 1H-NMR hợp chất PYB1 Phụ lục Phổ 13C-NMR hợp chất PYB1 Phụ lục Phổ 1H-NMR hợp chất PYB2 Phụ lục Phổ 13C-NMR hợp chất PYB2 ... tưởng xúc tác đất sét thân thiện hiệu tiến hành phản ứng điều không dung môi, định chọn đề tài ? ?Áp dụng montmorillonite trao đổi cation biến tính nhiệt độ cao xúc tác phản ứng tổng hợp dẫn xuất. .. LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Qua đề tài ? ?Áp dụng montmorillonite trao đổi cation biến tính nhiệt độ cao xúc tác phản ứng tổng hợp dẫn xuất pyranoquinoline? ?? tiến hành tổng hợp tối ưu hóa thành cơng hợp chất... sử dụng xúc tác, điều xảy trình phản ứng cation Co2+ xúc tác bị thay cation khác sinh tác chất phản ứng Vì hàm lượng cation Co2+ mẫu xúc tác giảm dần dẫn đến khả xúc tác giảm dần 4.3 Tổng hợp