CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2.3. Nghiên cứu thực hiện phản ứng Heck trong dung môi là chất lỏng ion trong điều kiện gia nhiệt thông thường
điều kiện gia nhiệt thông thường
Chất lỏng ion được sử dụng làm dung môi thay thế cho các dung môi hữu cơ thông thường thông qua phản ứng ghép đôi Heck giữa iodobenzene và styrene. Các nghiên cứu trước đây cho thấy trong các chất lỏng ion họ 1-alkyl-3-methylimidazolium halide được sử dụng làm dung môi cho tổng hợp hữu cơ, gốc alkyl là butyl, hexyl hay octyl thường được quan tâm nhiều nhất [54,57]. Do đó, trong nghiên cứu này, trước hết chất lỏng ion 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide được chọn làm dung môi sử dụng cho phản ứng Heck. Sản phẩm của phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene là trans-stilbene và
cis-stilbene, trong đó sản phẩm chính luôn luôn là trans-stilbene (tương tự sơ đồ 3.1) [8], được phân biệt dựa trên thời gian lưu của các chất chuẩn trans-stilbene và cis-stilbene (Sigma-Aldrich) trên sắc ký đồ. Ngoài ra, sản phẩm của phản ứng cũng đã được nhận danh bằng cách dựa vào khối lượng phân tử và cách phân mảnh trên các khối phổ (MS) tương ứng. Các nghiên cứu trước đây cho thấy phản ứng Heck thực hiện trong chất lỏng ion có thể cho sản phẩm phụ là đồng phân cis- hoặc đồng phân geminal-, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể [8, 54,57]. Tuy nhiên, cơ chế của việc hình thành các sản phẩm phụ này vẫn chưa được giải thích rõ ràng.
Như đã trình bày ở trên, phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene sinh ra sản phẩm phụ là HI, và acid này sẽ phản ứng với xúc tác Pd. Vì vậy, cần phải sử dụng một base để trung hòa lượng acid này, tái sinh lại xúc tác dạng Pd (0) để có thể tiếp tục chu trình phản ứng [1,8]. Các thí nghiệm thăm dò để tìm base thích hợp cho phản ứng được thực hiện ở 140 oC với hàm lượng xúc tác PdCl2 sử dụng là 5 mol%. Các base sử dụng cho phản ứng gồm có Na2CO3, K2CO3, K3PO4, CH3COONa, và triethylamine. Kết quả nghiên cứu cho thấy phản ứng sử dụng base là triethylamine cho kết quả tốt nhất, với độ chuyển hóa tổng cộng đạt được 60% sau thời gian phản ứng 7 h. Trong khi đó, các base còn lại đều không thích hợp cho phản ứng và độ chuyển hóa chỉ đạt khoảng 5% cho các trường hợp này. Cần lưu ý triethylamine hòa tan tốt trong chất lỏng ion 1-hexyl-3- methylimidazolium bromide, trong khi các base khác đều khó tan trong chất lỏng ion này. Thực tế, triethylamine cũng đã được sử dụng cho nhiều phản ứng Heck thực hiện trong chất lỏng ion ở các điều kiện khác nhau [57,58,59].
Với kết quả này, base là triethylamine được sử dụng cho các phản ứng Heck tiếp theo thực hiện trong chất lỏng ion. Phản ứng giữa iodobenzene và styrene được thực hiện ở nhiệt độ 140 oC với các hàm lượng xúc tác khác nhau là 2,5%, 5% và 7,5%. Kết quả thực nghiệm cho thấy cũng tương tự như những trường hợp khác, tốc độ phản ứng tăng
lên khi hàm lượng xúc tác tăng lên (hình 3.25). Tăng hàm lượng xúc tác từ 5 mol% lên 7,5 mol%, độ chuyển hóa của phản ứng tăng từ 60% lên 82% sau thời gian 7h. Với hàm lượng xúc tác là 2,5 mol%, phản ứng xảy ra chậm hơn, với độ chuyển hóa chỉ đạt 26% sau thời gian 7 h. Các nghiên cứu trước đây về thực hiện phản ứng Heck trong chất lỏng ion đã sử dụng palladium ở các hàm lượng khác nhau, từ khoảng 1 mol% đến trên 10 mol%, tùy thuộc vào từng phản ứng và từng loại xúc tác cũng như chất lỏng ion cụ thể [8]. Do đó, hàm lượng xúc tác palladium sử dụng trong nghiên cứu này cũng nằm trong khoảng cho phép. Mặc dù vậy, hàm lượng xúc tác palladium ở dạng đồng thể PdCl2 sử dụng ở đây cao hơn trường hợp xúc tác trên chất mang rắn. Các nghiên cứu trước đây giải thích trong quá trình phản ứng, có sự hình thành các hạt palladium kích thước nano có hoạt tính xúc tác. Chất mang rắn đã góp phần ổn định các hạt nano và ngăn ngừa sự kết tụ các hạt nano thành dạng palladium không hoạt động (palladium black) [1,8].
0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 Thời gian (h) Độ ch u y ể n hóa ( % ) 7.50% 5% 2.50%
Hình 3.25. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa của phản ứng Heck
giữa iodobenzene và styrene thực hiện trong chất lỏng ion (nhiệt độ 140 oC, xúc tác PdCl2, base là triethylamine) 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 Thời gian (h) Độ ch u y ể n hóa ( % ) 0.5:1 1:01 2:01
Hình 3.26. Ảnh hưởng của tỷ lệ triphenylphosphine:palladium lên độ chuyển hóa của
phản ứng Heck giữa iodobenzene và styrene thực hiện trong chất lỏng ion (nhiệt độ 140
oC, 5 mol% xúc tác PdCl2, base là triethylamine)
Tuy nhiên, do palladium là kim loại có giá thành cao, các biện pháp nhằm làm giảm lượng palladium sử dụng mà vẫn đạt độ chuyển hóa của phản ứng trong khoảng chấp nhận được cần được khảo sát. Một trong những biện pháp được sử dụng nhằm tăng cường tốc độ cho phản ứng Heck là sử dụng thêm phụ gia họ phosphine, nhằm tăng cường hoạt tính cho xúc tác palladium. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy với phản ứng sử dụng 5 mol% PdCl2 ở 140 oC, khi có mặt triphenylphosphine với tỷ mol 3:1 so với PdCl2, độ chuyển hóa của phản ứng tăng từ 60% lên 81% sau thời gian 7 h. Kết quả này gần như tương đương với phản ứng không sử dụng thêm phosphine ở hàm lượng xúc tác là 7,5 mol% (đạt độ chuyển hóa 82% sau thời gian 7 h ở điều kiện này).
Trong giai đoạn đầu của chu trình phản ứng Heck, Pd (II) bị khử về dạng Pd (0) và Pd (0) mới chính là xúc tác thực sự cho phản ứng [1,8]. Trong các hệ xúc tác có sử dụng phosphine, quá trình khử Pd (II) xảy ra chủ yếu do tác động của phosphine. Trong các hệ xúc tác không chứa phosphine, quá trình khử Pd (II) xảy ra do tác động của base, olefin, hoặc dung môi – tuy nhiên quá trình khử Pd (II) xảy ra chậm hơn nhiều so với trường hợp có phosphine. Mặt khác, các nghiên cứu trước đây cũng cho thấy nếu sử dụng một lượng phosphine quá lớn, hoạt tính xúc tác lại giảm xuống do có sự hình thành dạng palladium không hoạt động (palladium black) [8]. Do đó trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của tỷ lệ triphenylphosphine : palladium (từ 0,5:1 đến 4:1) lên độ chuyển hóa của phản ứng đã được khảo sát. Kết quả thực nghiệm cho thấy phản ứng Heck cho độ chuyển hóa tốt nhất ở tỷ lệ triphenylphosphine : palladium 1:1, đạt được độ chuyển hóa 97% sau thời gian 7 h (hình 3.26). Tăng hay giảm tỷ lệ này đều làm giảm độ chuyển hóa của phản ứng. Ví dụ với các trường hợp sử dụng tỷ lệ triphenylphosphine : palladium lần lượt là 4:1, 3:1, 2:1 và 0,5:1, độ chuyển hóa của phản ứng Heck đạt được sau 7 h lần lượt là 77%, 81%, 87% và 45%. Các nghiên cứu trước đây về phản ứng Heck cho thấy tỷ lệ phosphine:palladium có thể thay đổi từ 1:1 đến 20:1, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể [8].