1.1. Tổng quan về ứng dụng của lưu huỳnh nguyên tố trong tổng hợp hữu cơ
1.1.4. Ứng dụng lưu huỳnh nguyên tố làm xúc tác
Nhóm nitro được biết đến là nhóm chức có vai trò hữu dụng và có tầm quan trọng lớn trong tổng hợp hữu cơ. Các hợp chất hữu cơ chứa nhóm nitro thường được bán sẵn trên thị trường, hoặc có thể được tổng hợp dễ dàng từ các tác nhân nitro hóa rẻ tiền như nitric acid và muối nitrate tương ứng, hay các tác nhân nitro hóa mạnh mẽ như muối nitronium hay dinitrogen pentoxide [24]. Do đó nhóm chức nitro được sử dụng làm tiền chất quan trọng và phổ biến để tổng hợp các dẫn xuất amine thông qua phản ứng khử nhóm nitro bằng các tác nhân phổ biến như Fe hay Zn trong môi trường acid, hay hydrogen trên xúc tác Raney nickel hay palladium. Từ đó dẫn xuất chứa nhóm nitro là tác chất nguồn hữu dụng để tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác nhau – đặc biệt là các hợp chất dị vòng chứa nitrogen [25-26]. Bên cạnh đó, việc sử dụng dẫn xuất nitroarene
9
làm tác chất trực tiếp cho quá trình tổng hợp one-pot, một giai đoạn, không thông qua quá trình khử thành dẫn xuất aniline được quan tâm bởi nhiều nhóm nghiên cứu trong những năm gần đây, đặc biệt là nhóm nghiên cứu của Nguyen và cộng sự [26-28].
Nghiên cứu đăng trên tạp chí Journal of the American Chemical Society của Nguyen và cộng sự trong năm 2013 đã đề cập đến khả năng sử dụng hệ xúc tác dựa trên Fe và S để làm xúc tác cho quá trình ngưng tụ oxy hóa-khử của một loạt các dẫn xuất nitroarene khác nhau [28]. Phản ứng sử dụng hỗn hợp 10 mol% Fe và 10 mol% S để làm xúc tác cho hệ phản ứng. Dưới điều kiện khuấy trộn không dung môi ở nhiệt độ cao, những tổ hợp Fe/S được tạo thành qua phản ứng giữa Fe và S có trong hệ và đóng vai trò xúc tác chuyển electron cho phản ứng ngưng tụ oxy hóa-khử giữa hai tác chất (Hình 1.10).
Hình 1.10. Mô tả quá trình oxy hóa-khử chuyển electron bởi tổ hợp xúc tác Fe/S [28].
Trong phản ứng ngưng tụ oxy hóa-khử tạo thành dẫn xuất benzimidazole mô tả trên Hình 1.10, nhóm nitro đóng vai trò chất oxy hóa tương đương với khả năng nhận 6 electron (6 electron acceptor), và phân tử methyl aza-hetarene đóng vai trò chất khử với khả năng cho đúng 6 electron (6 electron donor). Do đó hệ phản ứng đạt trạng thái cân
1
10
bằng oxy hóa-khử, điều này giúp hạn chế tối đa quá trình tạo thành các sản phẩm hữu cơ phụ, và chỉ có nước là sản phẩm phụ được ghi nhận trong phản ứng. Tuy nhiên chỉ có dẫn xuất aza-hetarene thế methyl ở vị trí số 2 và số 4 so với nguyên tử nitrogen mới được hoạt hóa trong phản ứng này do quá trình đồng phân hóa – hoạt hóa nhóm methylene. Quá trình oxy hóa-khử cân bằng sử dụng hệ xúc tác Fe/S cũng được mở rộng ra cho việc tổng hợp các dẫn xuất quinoxaline từ 2-nitroaniline và phenethylamine [29], phản ứng sử dụng hỗn hợp 5 mol% muối FeCl3.6H2O và 20 mol% S để làm xúc tác cho quá trình chuyển hóa (Hình 1.11). Trong phản ứng này dẫn xuất 2-nitroaniline đóng vai trò tác nhân nhận 6 electron và dẫn xuất phenethylamine đóng vai trò tác nhân cho 6 electron trong quá trình ngưng tụ oxy hóa-khử, phản ứng đạt trạng thái cân bằng oxy hóa-khử và sản phẩm phụ duy nhất của quá trình là nước và ammonia.
Hình 1.11. Phản ứng ngưng tụ oxy hóa-khử tổng hợp dẫn xuất quinoxaline sử dụng hệ xúc tác Fe/S.
Ngoài ra, arylacetic acid cũng được hoạt hóa trong hệ phản ứng tương tự. Với nhận định nhóm carboxyl và vòng phenyl kế cận làm tác nhân hoạt hóa cho nhóm methylene trong quá trình decarboxyl và ngưng tụ oxy hóa-khử, Nguyen và cộng sự sử dụng các dẫn xuất arylacetic acid để tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole và benzothiazole khác nhau [30]. Trong phản ứng này, arylacetic acid đóng vai trò tác nhân khử với khả năng cho 6 electron đến tác nhân nhận là 2-nitroaniline thông qua hệ xúc tác sử dụng hỗn hợp 5 mol% FeCl2.4H2O và 40 mol% S, phản ứng đạt trạng thái cân bằng oxy hóa-khử với chỉ duy nhất nước và CO2 là sản phẩm phụ (Hình 1.12). Ngoài hệ xúc tác Fe/S, phản ứng cần thêm tác nhân base để hỗ trợ quá trình decarboxyl, nhóm tác giả đã khảo sát một loạt các tác nhân base hữu cơ có độ mạnh khác nhau với 40 mol% N- methylmorpholine được chọn làm tác nhân base ở điều kiện tối ưu.
11
Hình 1.12. Phản ứng ngưng tụ oxy hóa-khử tổng hợp dẫn xuất benzimidazole từ arylacetic acid sử dụng hệ xúc tác Fe/S.