Lượng chất tham gia phản ứng gồm: 2 mmol indol, 2 mmol dimetylamin, 2 mmol HCHO 36%, 3 mL etanol và 3.0 mmol xúc tác NiCl2.6H2O.
Thực hiện phản ứng ở biên độ dao động bằng 40%, thay đổi thời gian siêu âm hỗn hợp phản ứng trong 30, 40, 50, 60 phút. Sản phẩm thu được với độ chọn lọc và
hiệu suất được trình bày trong Bảng 15.
Bảng 15. Khảo sát thời gian chiếu xạ siêu âm
STT Thời gian (phút) % GC Hiệu suất (%) Phụ lục (1) (4) 1 30 0.00 78.54 71.2 25 2 40 0.00 85.89 83.1 23 3 50 0.00 75.20 65.1 26 4 60 0.00 69.48 63.2 27
Khi thời gian siêu âm tăng từ 30 đến 40 phút, hiệu suất phản ứng tăng và cho kết quả tốt nhất ở 40 phút thực hiện phản ứng. Nếu tiếp tục tăng thời gian chiếu xạ, hiệu xuất phản ứng giảm do lượng sản phẩm phụ tăng lên.
3.3. KHẢO SÁT PHẢN ỨNG TỔNG HỢP “TIO-MANNICH”
Mục đích của phần nghiên cứu này là khảo sát khả năng tham gia phản ứng Mannich của tác chất p-tiocresol trên chất nền indol, đồng thời tìm ra loại xúc tác và điều kiện phản ứng thích hợp cho quá trình tổng hợp.
Phương trình phản ứng “tio-Mannich” từ chất nền indol (1), p-tiocresol (6) và formaldehid sử dụng xúc tác (10) là các acid Lewis, acid Bronsted thường tạo thành các sản phẩm là 3-(p-tolyltiometyl)-1H-indol (7), 1-(p-tolyltiometyl)-1H-indol (8) và di-p-tolyl disulfur (9).
N H + CH3 SH + HCHO N H S CH3 (6) (10) Xúc tác (7) (1) N S C H3 (8) + S S CH3 C H3 + (9) (3)
Dựa trên các tài liệu tham khảo về phản ứng Mannich, các điều kiện tối ưu về loại xúc tác; tỷ lệ mol chất nền, tác chất; điều kiện phản ứng đã được thực hiện, chúng tơi tiến hành khảo sát khả năng tạo thành các baz Mannich (7) và (8).
3.3.1. Phương pháp khuấy từ
3.3.1.1. Khảo sát loại xúc tác
Trước khi tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng, chúng tơi khảo sát sơ bộ sự tạo thành sản phẩm là các baz Mannich dưới tác dụng
của các loại xúc tác khác nhau.
Theo tài liệu tham khảo, xúc tác phản ứng (9) Mannich cĩ thể được sử dụng là acid Lewis, acid Bronsted. Dựa trên kết quả nghiên cứu phản ứng tổng hợp gramin đã được thực hiện, chúng tơi khảo sát khả năng tạo thành hợp chất (7) và (8) với xúc tác acid là CH3COOH, NiCl2.6H2O. Ngồi ra, các baz như Mg-Al hidrotalcid và KF tẩm trên alumin cũng được khảo sát khả năng xúc tác cho phản ứng.
Lượng chất phản ứng gồm 2 mmol p-tiocresol; 6 mL H2O; 3 mmol xúc tác; 2 mmol formaldehid 36% (0.15 mL) và 2 mmol indol.
Hỗn hợp phản ứng được khuấy từở nhiệt độ phịng trong 2.5 giờ. Phần trăm GC và hiệu suất phản ứng được trình bày trong Bảng 16.
Bảng 16. Khảo sát phản ứng với xúc tác acid Bronsted, muối acid Lewis và baz
STT Xúc tác % GC Hiệu suất (7) (%) Phụ lục (7) (8) (9) 1 Khơng xúc tác 0.00 0.00 1.21 0.0 28 2 CH3COOH 48.77 0.00 33.47 46.6 29 3 NiCl2.6H2O 2.20 0.00 1.92 2.0 30 4 Mg-Al Hidrotalcid 0.95 1.25 1.92 0.6 31 5 KF/Al2O3 40% 4.18 5.61 5.64 0.0 32
Kết quả phản ứng cho thấy khi khơng dùng xúc tác, phần lớn chất nền và tác chất chưa tham gia phản ứng, các xúc tác baz khơng hiệu quả, cĩ rất ít các sản phẩm baz Mannich được tạo ra, phản ứng cũng tạo ra nhiều sản phẩm phụ. Tương tự với xúc tác là các muối acid Lewis do sự tạo phức của hợp chất tiol với cation kim loại, nên làm giảm hoạt tính xúc tác của muối NiCl2.6H2O.
Theo kết quả khảo sát, phản ứng chỉ thực sự hiệu quả với xúc tác là acid acetic, sản phẩm (7) thu được với độ chọn lọc cao và hiệu suất tốt nhất đạt 46.6%. Vì vậy chúng tơi quyết định chọn acid acetic làm xúc tác cho các phản ứng tiếp theo.
3.3.1.2. Khảo sát tỷ lệ xúc tác
Nhằm giảm thiểu lượng xúc tác sử dụng, chúng tơi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của lượng acid acetic đến hiệu suất phản ứng tổng hợp.
Lượng chất phản ứng gồm 2 mmol p-tiocresol; 6 mL H2O; 2 mmol formaldehid 36% (0.15 mL) và 2 mmol indol. Lượng xúc tác acid acetic lần lượt được khảo sát tăng dần từ 0 mmol; 1.5 mmol; 3 mmol và 4.5 mmol.
Hỗn hợp phản ứng được khuấy từ trong 2.5 giờ ở nhiệt độ phịng. Kết quả thu được trong Bảng 17.
Bảng 17. Khảo sát hiệu suất phản ứng theo lượng xúc tác CH3COOH
STT CH3COOH (mmol) %GC Hiệu suất (7) (%) Phụ lục (7) (8) (9) 1 0.0 0.00 0.00 1.21 0.0 28 2 1.5 35.61 7.70 17.64 29.1 33 3 3.0 46.89 5.01 19.47 43.2 34 4 4.5 40.27 18.28 15.54 37.2 35
Từ kết quả trên cho thấy, khi khơng dùng chất xúc tác, phản ứng khơng tạo ra sản phẩm baz Mannich; phần lớn hợp chất p-tiocresol và indol chưa tham gia phản ứng.
Khi sử dụng 1.5 mmol CH3COOH, lượng xúc tác ít nên phản ứng khơng được xúc tác tốt, hiệu suất phản ứng khơng cao. Khi tăng lượng xúc tác thì hiệu phản ứng tăng. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng lượng xúc tác, dùng 4.5 mmol CH3COOH, thì lượng acid quá dư làm cho hợp chất indol cĩ thể bị ion hĩa, nên làm giảm lượng sản phẩm tạo thành.
Khi lấy 3.0 mmol xúc tác, tỷ lệ mol của xúc tác acid acetic và indol là 3:2, thì phản ứng cho hiệu suất cao nhất là 43.2%, độ chọn lọc của phản ứng cũng đạt kết quả tốt nhất với 46.89% GC.
0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5
Sồ mol acid acetic (mmol)
Hi
ệ
u su
ấ
t (%)
Đồ thị 2. Hiệu suất phản ứng theo lượng xúc tác acid acetic
Với số liệu thu được ở trên, chúng tơi quyết định sử dụng tỷ lệ mol acid acetic gấp 1.5 lần indol để khảo sát các phản ứng tiếp theo.
3.3.1.3. Khảo sát tỷ lệ mol (1) : (6)
Qua những phản ứng đã thực hiện, chúng tơi nhận thấy lượng tác chất p-tiocresol cịn lại sau phản ứng tương đối lớn. Vì thế, chúng tơi tiến hành khảo sát phản ứng khi thay đổi tỷ lệ mol tác chất p-tiocresol và chất nền indol. Lượng xúc tác cốđịnh là 3 mmol và 2 mmol formaldehid. Hỗn hợp phản ứng được khuấy từ trong 2.5 giờ. Kết quả phản ứng thu được trong Bảng 18.
Bảng 18. Khảo sát hiệu suất phản ứng theo tỷ lệ mol (1) và (6) STT Tỷ lệ (1) : (6) (mmol/mmol) %GC Hiệu suất (7) (%) Phụ lục (7) (8) (9) 1 2:2 48.77 0.00 33.47 47.6 29 2 3:2 52.92 6.81 7.47 50.9 36 3 4:2 50.03 11.29 8.43 47.3 37
Từ kết quả Bảng 18 cho thấy phản ứng đạt hiệu suất cao nhất là 50.9% khi tỷ lệ mol của (1) và (6) là 3:2.
20 40 60 80 100 0.5 1 1.5 2 2.5 Tỷ lệ mol (mmol/mmol) Hi ệ u su ấ t (% ) Đồ thị 3. Hiệu suất phản ứng theo tỷ lệ mol của (1) và (6)
Với kết thu được ở trên, chúng tơi chọn tỷ lệ mol 3:2 là thích hợp nhất để khảo sát các phản ứng tiếp theo.
3.3.1.4. Khảo sát thời gian phản ứng
Lượng chất phản ứng gồm 2 mmol p-tiocresol; 6 mL H2O; 4.5 mmol acid acetic; 2 mmol formaldehid 36% (0.15 mL) và 3 mmol indol.
Hỗn hợp phản ứng được khảo sát bằng phương pháp khuấy từ lần lượt trong 1.5, 2.5, 3.5 và 24 giờ. Phần trăm GC và hiệu suất phản ứng thu được thể hiện trong Bảng 19. Bảng 19. Khảo sát hiệu suất theo thời gian phản ứng STT Thời gian (giờ) %GC Hiệu suất (7) (%) Phụ lục (7) (8) (9) 1 1.5 11.14 3.08 15.97 10.1 38 2 2.5 52.92 6.81 7.47 50.9 36 3 3.5 56.64 1.74 9.20 53.2 39 4 24.0 46.22 8.32 14.62 45.0 40
gian từ 2.5 giờ đến 3.5 giờ thì phản ứng đạt hiệu suất cao nhất là 53.2% ở 3.5 giờ. Trong khoảng thời gian phản ứng ngắn hơn, các baz Mannich đang trong quá trình hình thành nên hiệu suất phản ứng khơng cao. Tuy nhiên nếu kéo dài thời gian phản ứng hơn, thì xảy ra hiện tượng ghép cặp của p-tiocresol và lượng sản phẩm phụ cũng được tăng nên hiệu suất phản ứng giảm.
Từ những kết quả thu được ở trên, chúng tơi nhận thấy thời gian phản ứng thích hợp để thực hiện phản ứng tổng hợp (7) và (8) bằng phương pháp khuấy từ là trong khoảng 2.5 đến 3.5 giờ. Với tỷ lệ mol giữa các chất indol, p-tiocresol, formaldehid và acetic để tạo thành sản phẩm với độ chọn lọc và hiệu suất phản ứng tốt nhất trong điều kiện khảo sát là 3:2:2:4.5. Cố định các điều kiện này, chúng tơi tiếp tục khảo sát phản ứng trong điều kiện được kích hoạt bằng chiếu xạ siêu âm.
3.3.2. Phương pháp siêu âm
Lượng chất sử dụng trong khảo sát phản ứng kích hoạt bằng chiếu xạ siêu âm gồm 2 mmol p-tiocresol; 6 mL H2O; 4.5 mmol acid acetic; 2 mmol formaldehid 36% (0.15 mL) và 3 mmol indol.
Hỗn hợp phản ứng được chiếu xạ bằng thanh siêu âm GE130-41505L Với lượng chất phản ứng đã được tối ưu hĩa bằng phương pháp khuấy từ, chúng tơi tiếp tục khảo sát phản ứng với biên độ giao động và thời gian chiếu xạ khác nhau, nhằm tìm ra điều kiện thích hợp nhất khi tổng hợp bằng phương pháp siêu âm.
3.3.2.1. Khảo sát biên độ giao động
Chiếu xạ siêu âm hỗn hợp phản ứng ở biên độ giao động của thanh siêu âm lần lượt bằng 30, 40, 50, 60, 80% trong khoảng thời gian cố định là 40 phút. Kết quả khảo sát thu được trong Bảng 20.
Bảng 20. Khảo sát hiệu suất phản ứng theo biên độ giao động STT Biên độ dao động (%) %GC Hiệu suất (7) (%) Phụ lục (7) (8) (9) 1 30 17.06 4.96 4.61 16.2 41 2 40 56.96 7.78 5.74 53.5 42 3 50 42.58 6.09 3.97 39.6 43 4 60 42.40 5.89 6.86 38.5 44 5 80 18.00 9.02 34.34 15.3 45
Hiệu suất tăng khi biên độ giao động tăng từ 30 đến 40%. Ở biên độ giao động 30%, lượng lớn tác chất p-tiocresol chưa tham gia phản ứng. Ở biên độ giao động là 40%, phản ứng cho độ chọn lọc sản phẩm và hiệu suất đạt cao nhất là 53.5%. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 Biên độ dao động (%) Hi ệ u s u ấ t (%)
Đồ thị 4. Hiệu suất phản ứng theo biên độ giao động
Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng biên độ giao động thì hiệu suất phản ứng giảm do nhiệt độ hỗn hợp tăng mạnh, làm ảnh hưởng đến độ bền của hợp chất indol, nên làm giảm lượng sản phẩm tạo thành. Khi biên độ giao động là 80%, lượng sản phẩm phụ
tạo ra do sự ghép cặp p-tiocresol tăng mạnh, làm giảm lượng sản phẩm (7) và (8), hiệu suất phản ứng giảm mạnh.
Căn cứ vào kết quả thu được ở Bảng 20, biên độ giao động thích hợp cho quá trình tổng hợp “tio-Mannich” trong điều kiện nghiên cứu là 40%. Vì thế, chúng tơi sử dụng giá trị này để khảo sát các phản ứng tiếp theo.
3.3.2.2. Khảo sát thời gian chiếu xạ siêu âm
Hỗn hợp phản ứng được chiếu xạ siêu âm ở biên độ dao động là 40%. Thay đổi thời gian chiếu xạ siêu âm lần lượng trong 30, 40, 50 và 60 phút.
Phần trăm GC và hiệu suất phản ứng được trình bày trong Bảng 21.
Bảng 21. Khảo sát hiệu suất phản ứng theo thời gian siêu âm
STT Thời gian (phút) %GC Hiệu suất (7) (%) Phụ lục (7) (8 (9) 1 30 23.30 18.98 24.63 16.2 46 2 40 56.96 7.78 5.74 53.5 42 3 50 44.89 11.70 9.75 41.2 47 4 60 40.41 7.32 13.79 36.0 48
Từ kết quả khảo sát thu được ở trên cĩ thể rút ra kết luận, ở thời gian 30 phút chiếu xạ siêu âm, các sản phẩm phản ứng đang trong quá trình hình thành nên hiệu suất chưa cao.
Từ 30 đến 40 phút phản ứng, tỷ lệ sản phẩm tăng dần, hiệu suất phản ứng cao nhất sau 40 phút chiếu xạ siêu âm đạt 53.5%, độ chọn lọc phản ứng cũng cao nhất là 56.96%.
Khi tiếp tục tăng thời gian kích hoạt phản ứng bằng siêu âm, nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng tăng cao, ảnh hưởng tới độ bền của sản phẩm nên làm hiệu suất phản ứng giảm.
3.4. TĨM TẮT KẾT QUẢ
Qua các thí nghiệm đã được khảo sát, kết quả nghiên cứu được tổng hợp trong các Bảng sau:
Bảng 22. Hiệu suất điều chế gramin theo phản ứng Mannich
Xúc tác Tỷ lệ (1) : (5) (mmol/mmol) Phương pháp Thời gian (phút) Hiệu suất (%) Phụ lục NiCl2.6H2O 2 : 3 Khuấy từ 150 80.2 6
NiCl2.6H2O 2 : 3 Siêu âm 40 83.1 23
NiCl2.6H2O/Alumin
(50%) 2 : 1.5 Khuấy từ 150 82.6 15
Bảng 23. Hiệu suất điều chế 3-(p-tolyltiometyl)-1H-indol theo “tio-Mannich”
Xúc tác Tỷ lệ (1) : (10) (mmol/mmol) Phương pháp Thời gian (phút) Hiệu suất (7) (%) Phụ lục CH3COOH 2 : 3 Khuấy từ 210 53.2 39
4.1. HĨA CHẤT - THIẾT BỊ
4.1.1. Hĩa chất
- Indol 99%, Aldrich
- p-Tiocresol 98%, Aldrich - Mg-Al hidrotalcit, Aldrich - Silicagel, Aldrich - Alumin, Fluka - Dimetylamin 40%, Merck - K10, Merck - ZnCl2, Merck - NiCl2, Merck
- Natrium hidroxid, Xilong - Formaldehid 36%, Xilong - Acid acetic 99%, Xilong - Etanol, Xilong
- Acid clohidric, Xilong - Natrium sulfat khan, Xilong - Diclorometan, Xilong - n-Hexan, Xilong - Kalium florur, Xilong - AlCl3.6H2O, Xilong - BaCl2.2H2O, Xilong - CoCl2.6H2O, Xilong - MgCl2.6H2O, Xilong - MnCl2.4H2O, Xilong - NiCl2.6H2O, Xilong
- SnCl2.2H2O, Xilong
4.1.2. Thiết bị
- Cân điện tử Sartorius GM-312. - Máy cơ quay Heidolph-4011. - Máy khuấy từ: RH basic KT. - Thanh siêu âm GE130-41505L:
+ Cơng suất 130 W. + Tần số 20 KHz.
- Máy sắc ký khí GC Agilent Technologies 6890N network GC system. + Đầu dị FID. + Tốc độ khí mang (N2) là 1.0 mL/phút. + Chương trình nhiệt: • Với gramin: 110oC (1 phút) ⎯⎯⎯⎯⎯14 C/phúto → 250o (1 phút) o 20 C/phút ⎯⎯⎯⎯⎯→ 300o (2 phút). • Với 3-(p-tolyltiometyl)-1H-indol: 80oC (1 phút) ⎯⎯⎯⎯⎯25 C/phúto → 230o (1 phút) ⎯⎯⎯⎯⎯10 C/phúto → 300o (2 phút).
- Máy sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) Agilent Technologies 7890A GC System, 7683B series injector, 5975C VL MSD:
+ Cột mao quản HP-5MS: 30 m × 250 μm × 0.25μm. + Nhiệt độ phần bơm mẫu là 250oC, nhiệt độ đầu dị 300oC.
4.2. THỰC HIỆN PHẢN ỨNG
4.2.1. Tổng hợp gramin
4.2.1.1. Phương pháp khuấy từ
Lần lượt cho vào bình cầu phản ứng các hĩa chất theo thứ tự sau: 1. Dimetylamin (x1 mmol)
2. Etanol (x2 mL)
4. Formaldehid (x4 mmol) 5. Indol (x5 mmol)
Thêm cá từ vào bình cầu và khuấy hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ phịng với vận tốc 500 vịng/phút trong thời gian khảo sát.
4.2.1.1. Phương pháp siêu âm
Lần lượt cho vào bình cầu phản ứng các hĩa chất theo thứ tự sau: 1. Dimetylamin (x1 mmol)
2. Etanol (x2 mL)
3. Xúc tác acid muối Lewis (x3 mmol) 4. Formaldehid (x4 mmol)
5. Indol (x5 mmol)
Đặt thanh siêu âm vào bình cầu ngập trong hỗn hợp phản ứng, chỉnh cường độ
và thời gian chiếu xạ. Thực hiện phản ứng ởđiều kiện đã cài đặt.
4.2.2. Tổng hợp 3-(p-tolyltiometyl)-1H-indol
4.2.2.1. Phương pháp khuấy từ
Lần lượt cho vào bình cầu phản ứng các hĩa chất theo thứ tự sau: 1. p-Tiocresol (x1 mmol)
2. H2O (x2 mL) 3. Xúc tác (x3 mmol) 4. Formaldehid (x4 mmol) 5. Indol (x5 mmol)
Thêm cá từ vào bình cầu và khuấy hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ phịng với vận tốc 500 vịng/phút trong thời gian khảo sát.
4.2.2.2. Phương pháp siêu âm
Lần lượt cho vào bình cầu phản ứng các hĩa chất theo thứ tự sau: 1. p-Tiocresol (x1 mmol)
2. H2O (x2 mL) 3. Xúc tác (x3 mmol)
4. Formaldehid (x4 mmol) 5. Indol (x5 mmol)
Đặt thanh siêu âm vào bình cầu ngập trong hỗn hợp phản ứng, chỉnh cường độ
và thời gian chiếu xạ. Thực hiện phản ứng ởđiều kiện đã cài đặt.
4.3. CƠ LẬP SẢN PHẨM
4.3.1. Với gramin
Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp phản ứng được lọc qua phễu Buchner. Thêm vào phần dung dịch qua lọc 7 mL nước, tiếp tục kiềm hĩa bằng dung dịch NaOH 20%. Trích hỗn hợp với diclorometan (3 x 15 mL). Phần dung dịch diclorometan
được rửa với nước đến pH 8. Làm khan dung dịch thu được với sulfat natrium khan và cơ quay thu hồi dung mơi dưới áp suất kém. Sản phẩm thu được sau cơ quay
được cân và xác định thành phần bách phân theo phương pháp sắc ký khí (GC), nhận danh bằng sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS).
4.3.2. Với 3-(p-tolyltiometyl)-1H-indol
4.3.2.1. Xúc tác acid acetic