Kết hợp vi sóng và siêu âm trong tổng hợp hữu cơ

TIỂU LUẬN MÔN HÓA HỌC XANH KẾT HỢP VI SÓNG VÀ SIÊU ÂM TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC HỮU CƠ GVHD: GS. TS. LÊ NGỌC THẠCH TP. Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2020 Nội dung Danh mục hình ảnh ii Danh mục bảng biểu iii Đặt vấn đề 1 I. Giới thiệu về vi sóng và siêu âm 2 1. Vi sóng 2 2. Siêu âm 3 II. Giới thiệu về vi sóng kết hợp siêu âm 4 III. Kết hợp vi sóng và siêu âm trong tổng hợp hữu cơ 7 1. Phản ứng Knoevenagel‒Doebner tổng hợp acid 3arilacrilic6 7 2. Phản ứng Mannich tổng hợp βaminoceton7 8 3. Phản ứng Williamson tổng hợp ester8 9 4. Phản ứng tổng hợp các dẫn xuất của 4Hpyrano2,3cpyrazol9 10 5. Phản ứng Suzuki ghép cặp C‒C10 11 6. Phản ứng trans‒ester hóa vi tảo11 12 IV. Kết luận 13 Tài liệu tham khảo 14 Danh mục hình ảnh Hình 1. Hiện tượng làm nóng lên bởi vi sóng4 2 Hình 2. Sự nóng lên của vật chất bằng (a) vi sóng và (b) gia nhiệt truyền thống3 3 Hình 3. Hiện tượng tạo và vỡ bọt trong siêu âm 4 Hình 4. Sơ đồ hệ thống vi sóng kết hợp siêu âm với bộ phận siêu âm nằm bên ngoài lò vi sóng.5 5 Hình 5. Các loại thanh siêu âm làm từ thạch anh, thủy tinh pyrex và PEEK.4 6 Hình 6. (a) Hệ thống siêu âm kết hợp với lò vi sóng gia dụng và (b) Hệ thống vi sóngsiêu âm đa chế độ.4 6 Hình 7. Hệ thống siêu âmvi sóng kết hợp phản ứng dòng chảy4 7 Hình 8. Sự thay đổi độ chuyển hóa theo thời gian của phản ứng tổng hợp 4Hpyrano2,3cpyrazol trong điều kiện khuấy từ, vi sóng, siêu âm và vi sóng kết hợp siêu âm 10 Hình 9. Đồ thị hiệu suất theo thời gian của phản ứng trans‒ester hóa vi tảo bằng ba phương pháp là vi sóng, siêu âm và si sóng kết hợp siêu âm. 13 Danh mục bảng biểu Bảng 1. So sánh hiệu suất giữa các phương pháp tổng hợp acid cinnamic 8 Bảng 2. So sánh hiệu suất giữa các phương pháp trong phản ứng Mannich. 9 Bảng 3. So sánh hiệu suất giữa các phương pháp trong phản ứng Williamson 9 Bảng 4. Hiệu suất cô lập của các dẫn suất 4Hpyrano2,3cpyrazol và thời gian tổng hợp nên chúng 11 Bảng 5. Hiệu suất của các phản ứng Suzuki trong điều kiện siêu âm, vi sóng và vi sóng kết hợp siêu âm 12 Đặt vấn đề Ngày nay, cùng với sự gia tăng dân số, ngành công nghiệp dược phẩm và nhiên liệu cũng đã không ngừng phát triển cho nhu cầu của con người. Để giải quyết vấn đề này, lĩnh vực tổng hợp hữu cơ đã được mở rộng và đạt được nhiều thành tựu. Tổng hợp hữu cơ tạo ra nhiều hợp chất và phát triển các dẫn xuất của chúng để hy vọng tìm thấy các ứng dụng mới hoặc tăng khả năng tương thích sinh học. Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của các phản ứng hữu cơ là sử dụng nhiều dung môi, tốn thời gian, sử dụng nhiều năng lượng. Do đó, nâng cao hiệu quả và khả năng cơ động của phản ứng là một trong những thách thức thú vị nhất đối với các nhà hóa học tổng hợp. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã chứng minh vi sóng và siêu âm là hai phương pháp kích hoạt phản ứng hiệu quả giúp giảm thời gian cũng như làm giảm dung môi trong phản ứng. Sự kết hợp hai phương pháp thường ít được đề cập do thiết kế hệ thống phức tạp tuy nhiên hiệu quả mang lại rất đáng mong đợi.   I. Giới thiệu về vi sóng và siêu âm 1. Vi sóng Vi sóng là sóng điện từ với tần số từ 100 Mhz đến 3Ghz. Dưới tác dụng của điện trường một chiều, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp theo chiều của điện trường này. Nếu điện trường là một điện trường xoay chiều, sự định hướng của các lưỡng cực sẽ thay đổi theo chiều xoay đó. Năng lượng của bức xạ vi sóng làm chuyển động các ion và chuyển động quay của các lưỡng cực, nhưng không ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử. Sự chuyển động của các ion hoặc lưỡng cực trong điện trường xoay chiều có tần số rất cao trong chiếu xạ vi sóng gây ra một sự xáo động ma sát rất lớn giữa các phân tử. Đó chính là nguồn gốc sự nóng lên của vật chất.13

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - TIỂU LUẬN MÔN HÓA HỌC XANH KẾT HỢP VI SÓNG VÀ SIÊU ÂM TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC HỮU CƠ GVHD: GS TS LÊ NGỌC THẠCH TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Nội dung Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu Đặt vấn đề Ngày nay, với gia tăng dân số, ngành công nghiệp dược phẩm nhiên liệu không ngừng phát triển cho nhu cầu người Để giải vấn đề này, lĩnh vực tổng hợp hữu mở rộng đạt nhiều thành tựu Tổng hợp hữu tạo nhiều hợp chất phát triển dẫn xuất chúng để hy vọng tìm thấy ứng dụng tăng khả tương thích sinh học Tuy nhiên, nhược điểm phản ứng hữu sử dụng nhiều dung môi, tốn thời gian, sử dụng nhiều lượng Do đó, nâng cao hiệu khả động phản ứng thách thức thú vị nhà hóa học tổng hợp Trong năm gần đây, nhiều nghiên cứu chứng minh vi sóng siêu âm hai phương pháp kích hoạt phản ứng hiệu giúp giảm thời gian làm giảm dung môi phản ứng Sự kết hợp hai phương pháp thường đề cập thiết kế hệ thống phức tạp nhiên hiệu mang lại đáng mong đợi I Giới thiệu vi sóng siêu âm Vi sóng Vi sóng sóng điện từ với tần số từ 100 Mhz đến 3Ghz Dưới tác dụng điện trường chiều, phân tử lưỡng cực có khuynh hướng xếp theo chiều điện trường Nếu điện trường điện trường xoay chiều, định hướng lưỡng cực thay đổi theo chiều xoay Năng lượng xạ vi sóng làm chuyển động ion chuyển động quay lưỡng cực, không ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử Sự chuyển động ion lưỡng cực điện trường xoay chiều có tần số cao chiếu xạ vi sóng gây xáo động ma sát lớn phân tử Đó nguồn gốc nóng lên vật chất.1-3 Hình Hiện tượng làm nóng lên vi sóng4 Vi sóng có đặc tính xun qua khơng khí, gốm sứ, thủy tinh, polyme phản xạ bề mặt kim loại Gia nhiệt vi sóng sử dụng tính chất số hợp chất (chất lỏng chất rắn) để biến đổi lượng điện từ thành nhiệt Chiếu xạ vi sóng nhanh chóng với tồn vật liệu làm nóng đồng thời Ngược lại, gia nhiệt thơng thường chậm nóng lên bên ngồi vào (hình 2).1 Hình Sự nóng lên vật chất (a) vi sóng (b) gia nhiệt truyền thống3 Bên cạnh đó, chiếu xạ vi sóng cịn gây nên tượng q nhiệt chất lỏng phân cực Hiện tượng mô tả có tăng lên nhiệt độ sơi từ 13‒26 oC so với điểm sôi thông thường Hiện tượng dùng để giải thích cho gia tăng tốc độ phản ứng quan sát hóa học hữu hóa học hữu ‒ kim loại Hiệu ứng nhiệt không dễ dàng tái tạo cách gia nhiệt thơng thường sử dụng để cải thiện suất hiệu số trình định.3 Siêu âm Siêu âm âm có tần số từ 20 kHz đến MHz Siêu âm cung cấp lượng thơng qua tượng tạo bọt vỡ bọt có kích thước micromet tạo sóng áp suất có cường độ đủ lớn truyền qua chất lỏng Trong mơi trường chất lỏng, bọt hình thành nửa chu ky đầu vỡ chu kì sau giải phóng lượng lớn Sự vỡ bọt tạo điều kiện cục với hàng nghìn độ Kelvin hàng trăm khí kèm theo sóng xung kích có thời gian cực ngắn Năng lượng sử dụng để tẩy rửa chất bẩn vị trì khơng thể tẩy rửa phương pháp thông thường, khoan cắt chi tiết tinh vi, hoạt hóa nhiều phản ứng hóa học, … Ngồi hóa học hợp chất thiên nhiên, siêu âm hỗ trợ tẩm trích làm rút ngắn thời gian trình Thiết bị siêu âm bao gồm hai dạng: bồn siêu âm (40 kHz) siêu âm (20 kHz).1,4 Hình Hiện tượng tạo vỡ bọt siêu âm II Giới thiệu vi sóng kết hợp siêu âm Ban đầu, kết hợp vi sóng siêu âm gặp khó khăn cơng nghệ độ an tồn Năng lượng siêu âm tạo chuyển đổi (chuyển đổi lượng điện thành lương siêu âm) đưa đến bình phản ứng siêu âm, thường làm hợp kim titan Tuy nhiên, hiên diện kim loại đặt bên buồng vi sóng dẫn đến phóng điện hồ quang làm vỡ mạch gây nổ có hợp chất dễ cháy.4 Để khắc phục tình trạng trên, Chemat cộng thiết kế hệ thống vi sóng kết hợp siêu âm mà phận siêu âm nằm bên ngồi lị vi sóng (hình 4) Việc phát sóng siêu âm (20 kHz) thực đáy lò phản ứng Đầu dị siêu âm khơng tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp phản ứng Nó đặt cách trường điện từ khoảng để tránh tương tác đoản mạch Sự lan truyền sóng siêu âm lị phản ứng thực nhờ hợp chất decalin Chất lỏng chọn có độ nhớt thấp tạo truyền sóng siêu âm tốt khơng hoạt động vi sóng.5 Hình Sơ đồ hệ thống vi sóng kết hợp siêu âm với phận siêu âm nằm bên ngồi lị vi sóng.5 Ngồi ra, để khắc phục hạn chế này, thực chiếu xạ siêu âm với siêu âm làm từ thạch anh, thủy tinh pyrex gốm (hình 5) Tuy nhiên, thạch anh, thùy tinh pyrex gốm có chung nhược điểm dễ vỡ Năm 2006, Cravotto cộng báo cáo siêu âm làm từ polime chẳng hạn PEEK (polieter eter ceton) PTFE (politetrafloroetilen) Những vật liệu có khả chống va đập cao nhiều nối chắn với tăng áp (hình 5).4 Hình Các loại siêu âm làm từ thạch anh, thủy tinh pyrex PEEK.4 Có nhiều hệ thống siêu âm kết hợp vi sóng khác Một số siêu âm kết hợp với lị vi sóng gia dụng (hình 6a) Tuy nhiên nhược điểm lị vi sóng gia dụng độ lặp lại thấp khơng cho phép kiểm sốt xác thơng số phản ứng Do nên áp dụng chiếu xạ song song đồng thời vi sóng siêu âm với hệ thống đa chế độ chuyên nghiệp có thị trường (hình 6b).4 Hình (a) Hệ thống siêu âm kết hợp với lị vi sóng gia dụng (b) Hệ thống vi sóng/siêu âm đa chế độ.4 10 Ngồi ra, số lị phản ứng vi sóng kết hợp siêu âm cịn thết kế thêm hệ thống dòng chảy để phù hợp cho quy trình tổng hợp tự động (hình 7).4 Hình Hệ thống siêu âm/vi sóng kết hợp phản ứng dịng chảy4 III Kết hợp vi sóng siêu âm tổng hợp hữu Phản ứng Knoevenagel‒Doebner tổng hợp acid 3-arilacrilic6 Acid cinamic dẫn xuất chất quan trọng tổng hợp hữu Thông thường, chúng tổng hợp từ phản ứng aldehid hương phương acid malonic (phản ứng Knoevenagel – Doebner) anhidrid acetic (phản ứng Perkin) Trong đó, Phản ứng Knoevenagel – Doebner thực dung môi hữu amin bậc bậc Tuy nhiên, dung môi hữu sử dụng phản ứng xếp hạng cao danh sách hóa chất gây hại tính chất dễ bay hơi, độc tính đáng kể sử dụng với số lượng lớn cho phản ứng Mặt khác, amin bậc hai sử dụng chất xúc tác quy trình khó thu hồi thường kéo theo ô nhiễm môi trường nghiêm trọng q trình xử lý chất thải Do đó, cần phải nghiên cứu để đưa phương pháp mới, chất rẻ tiền điều kiện thân thiện với môi trường 11 Năm 2003, Peng Song thực phản ứng Knoevenvagel – Doebner dung môi nước sử dụng phương pháp vi sóng kết hợp siêu âm Việc kết hợ cà hai phương pháp giúp làm giảm thời gian phản ứng (65 giây) nhiều so với gia nhiệt truyền thống (7 giờ) làm riêng lẽ siêu âm (2,5 giờ) vi sóng (30 phút) (bảng 1) Bảng So sánh hiệu suất phương pháp tổng hợp acid cinnamic Phản ứng Mannich tổng hợp β-aminoceton7 Phản ứng Mannich phản ứng quan trọng hóa học hữu Nó phương pháp tạo liên kết cacbon‒cacbon hữu ích áp dụng rộng rãi bước quan trọng trình tổng hợp nhiều dược phẩm Phản ứng bao gồm chất formaldehid, amin hợp chất carbonil với dung môi truyền thống etanol Tuy nhiên, phản ứng gặp hạn chế etanol dung môi dễ bay dễ cháy Năm 2005, Peng cộng thực phản ứng Mannich dung môi nước điều kiện vi sóng kết hợp siêu âm Với phương pháp trên, phản ứng dã rút ngắn thời gian so với điều kiện khác đồng thời thay dung môi etanol thành nước than thiện với môi trường 12 Bảng So sánh hiệu suất phương pháp phản ứng Mannich Phản ứng Williamson tổng hợp ester8 Phản ứng Williamson phản ứng hữu ích tổng hợp hữu sản phẩm có giá trị cơng nghiệp Tổng hợp Williamson sử dụng tác chất chất muối kim loại kiềm hợp chất hidroxil halogenur Các phản ứng thường thực cách đun hoàn lưu hỗn hợp phản ứng dung môi hữu với chất xúc tác tác chuyển pha Nhiều năm trước có báo cáo trình tổng hợp Williamson thúc đẩy cách chiếu xạ siêu âm với có mặt chất xúc tác chuyển pha Tuy nhiên kết hợp vi sóng siêu âm bên cạnh làm giảm thời gian phản ứng khơng cần sử dụng dung môi hữu lẫn xúc tác chuyển pha phương pháp truyền thống Đây xem phương pháp hiệu quả, tiết kiệm thân thiện với môi trường để tổng hợp nên eter Bảng So sánh hiệu suất phương pháp phản ứng Williamson 13 Phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol9 Các dẫn xuất khung 4H-pyran báo cáo có nhiều hoạt tính sinh học quan trọng Trong nghiên cứu phản ứng tổng hợp hợp chất 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol từ 5-etoxicarbonil-2amino-4-phenil-3-ciano-6-metil-4H-pyran hidrazin, nhóm tác giả báo cáo phản ứng thực điều kiện vi sóng kết hợp siêu âm rút ngắn thời gian phản ứng tăng đựơc hiệu suất thay dung môi hữu truyền thống nước Sự thay đổi độ chuyển hóa theo thời gian phương pháp thể đồ thị hình Nhận thấy kết hợp hai phương pháp cho độ chuyển hóa 100 % sau chưa đầy phút, hẳng phương pháp truyền thống Hình Sự thay đổi độ chuyển hóa theo thời gian phản ứng tổng hợp 4H-pyrano[2,3c]pyrazol điều kiện khuấy từ, vi sóng, siêu âm vi sóng kết hợp siêu âm 14 Bên cạnh đó, dẫn xuất tổng hợp Tất cho hiệu suất cao với thời gian phút (bảng 4) Bảng Hiệu suất cô lập dẫn suất 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol thời gian tổng hợp nên chúng Phản ứng Suzuki ghép cặp C‒C10 Các hợp chất biaril có mặt nhiều hợp chất hữu phổ biến hợp chất thiên nhiên, dược phẩm, thuốc diệt cỏ, polyme dẫn vật liệu kết tinh lỏng Do đó, việc phát triển phản ứng đơn giản thân thiện với môi trường để ghép cặp aril-aril vấn đề đáng quan tâm Phản ứng Suzuki tổng hợp nên hợp chất biaril từ dẫn xuất acid arilboronic với aril halogenur từ lâu ứng dụng quy mơ phịng thí nghiệm lẫn cơng nghiệp Để làm cho thân thiện với mơi trường hơn, mục tiêu quan trọng sử dụng nước làm dung môi loại bỏ palladium carbon Báo cáo Cravoto cộng thực phản ứng Suzuki phương pháp vi sóng kết hợp siêu âm cho hiệu suất phản ứng cao so với tách riêng lẻ phương pháp (bảng 5) Bên cạnh đó, nhóm tác giả nỗ lực giảm việc sử dụng dung môi hữu thêm nước vào hệ thống 15 Bảng Hiệu suất phản ứng Suzuki điều kiện siêu âm, vi sóng vi sóng kết hợp siêu âm Phản ứng trans‒ester hóa vi tảo11 Nhiên liệu sinh học nguồn lượng bền vững hấp dẫn so với nhiên liệu hóa thạch truyền thống phải đối mặt với thách thức ngày gia tăng khủng hoảng lượng ô nhiễm môi trường Vi tảo nghiên cứu kỹ lưỡng năm gần nguyên liệu đầy hứa hẹn để sản xuất nhiên liệu sinh học đặc tính bao gồm tăng trưởng nhanh, hàm lượng lipid cao, hấp thu CO xử lý nước thải Một phương pháp phổ biến để sản xuất nhiên liệu sinh học phản ứng trans‒ester hóa triglycerid (hợp chất lipid vi tảo) với có mặt metanol chất xúc tác Sản phẩm thu metil ester axit béo đặt tên biodiesel glixerol Dưới kích hoạt vi sóng đồng thời siêu âm, hiệu suất phản ứng đạt hiệu suất lên đến 90 % sau 30 phút, cao hẳn làm riêng lẽ hai phương pháp (hình 9) 16 Hình Đồ thị hiệu suất theo thời gian phản ứng trans‒ester hóa vi tảo ba phương pháp vi sóng, siêu âm si sóng kết hợp siêu âm IV Kết luận Vi sóng kết hợp siêu âm áp dụng cách đơn giản cho nhiều phản ứng hóa học Phương pháp giúp làm giảm thời gian phản ứng nhiều lần so với phương pháp truyền thống tăng hiệu suất phản ứng Bên cạnh nhiều phản ứng, phương pháp thay dung môi hữu dung môi nước thân thiện với mơi trường Tuy nhiên, có số nghiên cứu hạn chế mơ tả thí nghiệm thực song song vi sóng siêu âm trở ngại thiết bị việc khảo sát tham số tối ưu hai trình Vì vậy, cần nhiều nghiên cứu kết hợp vi sóng siêu âm để xác định ưu nhược điểm quy trình tổng hợp hữu 17 Tài liệu tham khảo Lê Ngọc Thạch, Tinh dầu, NXB ĐHQG TP.HCM, 2003, 98-101 Chemat, S., Lagha, A., Amar, H.A and Chemat, F., 2004 Ultrasound assisted microwave digestion Ultrasonics Sonochemistry, 11(1), 5-8 Hoz, A., Diaz-Ortiz, A and Moreno, A., 2005 Microwaves in organic synthesis Thermal and non-thermal microwave effects Chemical Society Reviews, 34(2), 164-178 Cravotto, G and Cintas, P., 2007 The combined use of microwaves and ultrasound: improved tools in process chemistry and organic synthesis Chemistry– A European Journal, 13(7), 1902-1909 Chemat, S., Lagha, A., Amar, H.A and Chemat, F., 2004 Ultrasound assisted microwave digestion Ultrasonics Sonochemistry, 11(1), 5-8 Peng, Y and Song, G., 2003 Combined microwave and ultrasound accelerated Knoevenagel–Doebner reaction in aqueous media: a green route to 3-aryl acrylic acids Green chemistry, 5(6), 704-706 Leveque, J.M and Cravotto, G., 2006 Microwaves, power ultrasound, and ionic liquids A new synergy in green organic synthesis Chimia International Journal for Chemistry, 60(6), 313-320 Peng, Y and Song, G., 2002 Combined microwave and ultrasound assisted Williamson ether synthesis in the absence of phase-transfer catalysts Green chemistry, 4(4), 349-351 Peng, Y., Song, G and Dou, R., 2006 Surface cleaning under combined microwave and ultrasound irradiation: flash synthesis of H-pyrano [2, 3-c] pyrazoles in aqueous media Green Chemistry, 8(6), 573-575 10 Cravotto, G., Beggiato, M., Penoni, A., Palmisano, G., Tollari, S., Lévêque, J.M and Bonrath, W., 2005 High-intensity ultrasound and microwave, alone or combined, promote Pd/C-catalyzed aryl–aryl couplings Tetrahedron letters, 46(13), 2267-2271 11 Ma, G., Hu, W., Pei, H., Jiang, L., Song, M and Mu, R., 2015 In situ heterogeneous transesterification of microalgae using combined ultrasound and microwave irradiation Energy Conversion and Management, 90, 41-46 18 19 ... ứng vi sóng kết hợp siêu âm thết kế thêm hệ thống dòng chảy để phù hợp cho quy trình tổng hợp tự động (hình 7) .4 Hình Hệ thống siêu âm /vi sóng kết hợp phản ứng dòng chảy4 III Kết hợp vi sóng siêu. .. hệ thống vi sóng kết hợp siêu âm mà phận siêu âm nằm bên ngồi lị vi sóng (hình 4) Vi? ??c phát sóng siêu âm (20 kHz) thực đáy lị phản ứng Đầu dị siêu âm khơng tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp phản... II Giới thiệu vi sóng kết hợp siêu âm Ban đầu, kết hợp vi sóng siêu âm gặp khó khăn cơng nghệ độ an toàn Năng lượng siêu âm tạo chuyển đổi (chuyển đổi lượng điện thành lương siêu âm) đưa đến bình