Nhƣ đã đề cập ở trên, chất lỏng ion đƣợc xem là dung môi xanh hơn so với các dung môi hữu cơ thông thƣờng do chất lỏng ion không bay hơi nên không giải phóng hơi dung môi độc hại cũng nhƣ hạn chế tối đa hiện tƣợng cháy nổ trong quá trình sử dụng. Bên cạnh đó, chất lỏng ion đƣợc xem là dung môi xanh còn do khả năng thu hồi và tái sử dụng dung môi hoặc hỗn hợp dung môi và xúc tác tan trong dung môi. Do đó, trong đề tài này, chúng tôi đã khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion [Bmim]Br trong phản ứng ghép đôi C-N. Phản ứng đƣợc thực hiện ở 90 o
C trong 3 giờ với tỷ lệ mol tác chất 1-bromo-4-nitrobenzene : piperidine = 1.0 : 3.0 sử dụng dung môi là chất lỏng ion [Bmim]Br.
Hình 3.18 Kết quả thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion [Bmim]Br cho phản ứng N- aryl hóa giữa 1-bromo-4-nitrobenzen và piperidine
Chất lỏng ion sau khi phản ứng đƣợc rửa với diethyl ether và cô quay để loại bỏ tác chất, sản phẩm đƣợc sử dụng lại cho phản ứng với điều kiện tƣơng tự nhƣ lần phản ứng đầu tiên. Kết quả nghiên cứu cho thấy dung môi [Bmim]Brcó khả năng đƣợc thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hiệu suất giảm không đáng kể. Sau lần sử dụng thứ 7, độ chuyển hóa đạt đƣợc vẫn trên 93%. (Hình 3.18). Tuy nhiên, kết quả khảo sát diễn biến phản ứng qua từng thời điểm trong 4 lần sử dụng chất lỏng ion đầu tiên cho thấy hoạt tính của chất lỏng ion có giảm nhẹ nhƣng không đáng kể sau mỗi lần tái sử dụng, mặc dù sau 2 giờ độ chuyển hóa của các phản ứng đều đạt trên 90%. Khả năng thu hồi giúp tiết kiệm chi phí tổng hợp dung môi chất lỏng ion và giảm đƣợc lƣợng chất thải độc hại ra môi trƣờng. Đây cũng là một trong những ƣu điểm nổi bật của quá trình tổng hợp hữu cơ trong dung môi chất lỏng ion so với quá trình thực hiện trong các dung môi hữu cơ truyền thống.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Kết quả nghiên cứu đã hoàn thành mục tiêu ban đầu của luận văn Nghiên Cứu Khoa Học về quy trình tổng hợp chất lỏng ion họ imidazolium và ứng dụng chất lỏng ion làm dung môi xanh cho các phản ứng ghép đôi C-N giữa aryl halide với một amine. Cụ thể sau đây là kết quả của đề tài đã đạt đƣợc
Điều chế chất lỏng ion
Điều chế đƣợc 3 loại chất lỏng ion 1-alkyl-3-imidazolium bromide (3 nhóm alkyl khác nhau bao gồm n-butyl, n-hexyl và n-octyl) từ 1-methylimidazole và alkyl bromide với hiệu suất trên 90% có sự hỗ trợ của vi sóng giúp rút ngắn thời gian phản ứng so với phƣơng pháp truyền thống. Nghiên cứu còn cho thấy chiều dài nhóm alkyl càng tăng thì tốc độ phản ứng N-alkyl hóa hình thành chất lỏng ion càng chậm.
Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng tới phản ứng N-aryl hóa giữa 1 bromo-4- nitrobenzene và piperidine trong dung môi là [Bmim]Br
Trong luận văn này chúng tôi đã khảo sát thành công phản ứng ghép đôi C-N giữa aryl halide với một amine trong dung môi là chất lỏng ion [Bmim]Br, mà không cần sử dụng tới các xúc tác kim loại chuyển tiếp đắt tiền nhƣ xúc tác palladium, hay sự có mặt của base mạnh nhƣ NaOH, KOH.
Qua khảo sát chúng tôi đã tìm đƣợc điều kiện tối ƣu cho phản ứng giữa 1-bromo- 4-nitrobezene với piperidine khi thực hiện phản ứng ở 90 oC, sử dụng dung môi là [Bmim]Br, với tỷ lệ mol tác chất 1-bromo-4-nitrobenzene : piperidine là 1.0 3.0 và phản ứng đạt độ chuyển hóa 94% sau 3 giờ.
Hơn thế nữa chất lỏng ion đƣợc thu hồi và tái sử dụng mà độ chuyển hóa của phản ứng giảm không đáng kể. Cụ thể sau 7 lần tái sử dụng độ chuyển hóa của phản ứng vẫn đạt trên 93%.
Kết quả nghiên cứu đã cho thấy chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium bromide là một dung môi hữu hiệu và đầy tiềm năng để sử dụng làm dung môi rộng rãi cho các phản ứng ghép đôi C-N. Ngoài ra, ƣu điểm nổi bật của dung môi này còn thể hiện ở khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần cho phản ứng mà vẫn duy trì đƣợc hiệu suất tổng hợp cao, điều mà các dung môi hữu cơ truyền thống hiện nay khó đáp ứng đƣợc.
Kiến nghị
Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục khảo sát ảnh hƣởng những nhóm thế khác nhau của aryl halide (4-R-C6H4-X, với R = -NO2, -CN, -COCH3, X = -I, -Br, -Cl, -F) lên độ chuyển hóa phản ứng ghép đôi C-N.
Khảo sát khả năng thực hiện phản ứng ghép đôi C-N trong dung môi là chất lỏng ion dƣới sự hỗ trợ của vi sóng.
Thực hiện phản ứng ghép đôi C-N nói riêng và các phản ứng tổng hợp hữu cơ nói chung trong chất lỏng ion để tổng hợp các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học và các sản phẩm trung gian ứng dụng dƣợc phẩm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Anastas P. T.andI. J. Levy, et al. (2009). "Green Chemistry Education – Changing the Course of Chemistry." ACS Symposium Series 1011, American Chemical Society: Washington DC.
[2] Beletskaya I. P. and A. V. Cheprakov (2000). "The Heck Reaction as a Sharpening Stone of Palladium Catalysis." Chemical Reviews 100: 3009.
[3] Bouquillon S.and B. Ganchegui, et al. (2001). "Heck arylation of allylic alcohols in molten salts." Journal of Organometallic Chemistry 634: 153-56
[4] Brown G. R.and A. J. Foubister, et al. (1999). "High Yields of meta-Substituted Amination Products in the SNAr Substitution of Benzenes " 40: 1219-22.
[5] Burrows (2011). Chemistry - Chapter 20 Halogenoalkanes: substitution and elimination reactions, Oxford University Press.
[6] Danikiewicz W.and T. B. kowski, et al. (2007). "Aromatic Nucleophilic Substitution (SNAr) Reactions of 1,2- and 1,4-Halonitrobenzenes and 1,4-Dinitrobenzene with Carbanions in the Gas Phase." J Am Soc Mass Spectrom 18: 1351–63.
[7] Deetlefs M. and K. R. Seddon (2003). "Improved preparations of ionic liquids using microwave irradiation." Green Chemistry 5: 181-86.
[8] Durand J.andE. Teuma, et al. (2008). "Palladium nanoparticles immobilized in ionic liquid: An outstanding catalyst for the Suzuki C–C coupling." Catalysis Communications 9: 273 - 75.
[9] Dzyuba S. V. and R. A. Bartsch (2002). "Influence of Structural Variations in 1- Alkyl(aralkyl)-3-Methylimidazolium Hexafluorophosphates and Bis(trifluoromethylsulfonyl) imides on Physical Properties of the Ionic Liquids." CHEMPHYSCHEM 3: 161-66.
[10] Fors B. P. and S. L. Buchwald (2010). "A Multiligand Based Pd Catalyst for C-N Cross-Coupling Reactions." J. Am. Chem. Soc. 132: 15914-17.
[11] Frayne G. L. and G. M. Green (2008). "Investigation of the N-arylation of various substituted indoles using microwave-assisted technology." etrahedron Letters 49: 7328–29.
[12] Ha S. H.and M. N. Lan, et al. (2007). "Lipase-catalyzed biodiesel production from soybean oil in ionic liquids." Enzyme and Microbial Technology 41: 480 - 83.
[13] Hagiwara R. and Y. Ito (2000). "Room temperature ionic liquids of alkylimidazolium cations and fluoroanions." Journal of Fluorine Chemistry 105(2): 221-27.
[14] Hajipour A. R.and L. Khazdooz, et al. (2008). "Bronsted acidic ionic liquid as an efficient catalyst for chemoselective synthesis of 1,1-diacetates under solvent-free conditions." Catalysis Communications 9: 89 - 96.
[15] Hartwig J. F. (1999). "Approaches to catalyst discovery. New carbon-heteroatom and carbon-carbon bond formation." Pure Appl. Chem 71 (8): 1416–23.
[16] Hartwig J. F.andS. Richards, et al. (1996). "A Rare, Low-Valent Alkylamido Complex, a Diphenylamido Complex, and Their Reductive Elimination of Amines by Three- Coordinate Intermediates." J. Am. Chem. Soc. 117 (16): 4708–09.
[17] Jain N.and A. Kumar, et al. (2005). "Chemical and biochemical transformations in ionic liquids." Tetrahedron 61: 1015–60.
[18] Jain N.and A. Kumar, et al. (2005). "Chemical and biochemical transformations in ionic liquids." Tetrahedron 61: 1015.
[19] Jiang Y.and C. Guo, et al. (2009). "Magnetic nanoparticles supported ionic liquids for lipase immobilization: Enzyme activity in catalyzing esterification." Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 58: 103 - 09.
[20] Khadilkar B. M. and G. L. Rebeiro (2002). "Microwave-Assisted Synthesis of Room- Temperature Ionic Liquid Precursor in Closed Vessel." Organic Process Research & Development 6: 826-28.
[21] Kondoh A.andH. Yorimitsu, et al. (2006). "Nucleophilic aromatic substitution reaction of nitroarenes with alkyl- or arylthio groups in dimethyl sulfoxide by means of cesium carbonate." Tetrahedron 62: 2357–60.
[22] Kragl U.andM. Eckstein, et al. (2002). "Enzyme catalysis in ionic liquids." Chemical biotechnology 13: 565.
[23] Leveque J.-M.andJ. Estager, et al. (2007). "Synthesis of Ionic Liquids Using Non Conventional Activation Methods: An Overview." Monatshefte fur Chemie 138: 1103- 13.
[24] Lu Z.andR. J. Twieg, et al. (2003). "Copper-catalyzed amination of aromatic halides with 2-N,N-dimethylaminoethanol as solvent." Department of Chemistry.Kent State University 44: 6289-92.
[25] Marcilla R.andM. d. Geus, et al. (2006). "Enzymatic polyester synthesis in ionic liquids." European Polymer Journal 42: 1215 - 21.
[26] Moniruzzaman M.andK. Nakashima, et al. (2010). "Recent advances of enzymatic reactions in ionic liquids." Biochemical Engineering Journal 48,295.
[27] Nam P. T. S.andL. V. Ha, et al. (2012). "Microwave-asisted Sonogashira reaction in imidazolium-base ionic liquids as green solvents." Journal of Chemistry (VietNam) 50 (1): 126-31.
[28] Nam P. T. S.andL. V. Ha, et al. (2011). "Paal-Knorr reaction between 2,5-hexanedione and cyclohexylamine in ion liquid as green solvent." Journal of Chemistry (VietNam) 49 (5): 597-602.
[29] Nam P. T. S. and M. T. N. Ha (2010). "Nghiên cứu thực hiện phản ứng suzuki giữa arylhalide với phenylboronic acid trong điều kiện vi sóng sử dụng dung môi xanh là chất lỏng ion." Tập chí Khoa học và Công nghệ 48.
[30] Nam P. T. S. and T. T. V. Hoa (2007). "Hóa Hữu Cơ." NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM.
[31] Phan Thanh Son Nam and L. V. Ha (2012). "Pravadoline synthesis using an imidazolium-based ionic liquid as a green solvent." Science & Technology Development Journal (Viet Nam) 14(K3): 79-85.
[32] Prechtl M. H. G.andJ. D. Scholten, et al. (2010). "Carbon-Carbon Cross Coupling Reactions in Ionic Liquids Catalysed by Palladium Metal Nanoparticles." Molecules 15: 3441-61.
[33] Prechtl M. H. G.andJ. D. Scholten, et al. (2011). "Palladium Nanoscale Catalysts in Ionic Liquids: Coupling and Hydrogenation Reactions, Ionic Liquids: Applications and Perspectives, Alexander Kokorin (Ed.)." ISBN: 978-953-307-248-7.
[34] Qian X. D.andY. W. Long, et al. (2007). "Fischer Indole Synthesis in Bronsted Acidic Ionic Liquids: A Green, Mild, and Regiospecific Reaction System." European Journal of Organic Chemistry 2007(6): 1007-12.
[35] Sheldon G. A. (2005). "Green sovents for sustainable organic synthesis: State of the art." Green Chemistry 7: 267.
[36] Sheldon R. (2001). "Catalytic reactions in ionic liquids." Chemical Communication: 2399–407.
[37] Sheng Q. and J. F. Hartwig (2008). "An Air-Stable, One-Component, Highly Efficient Catalyst for Amination of Heteroaryl and Aryl Halides." Org. Lett 10: 4109- 12.
[38] Sumpter W. G. and F. M. Miller, Eds. (2008). Chemistry of Heterocyclic Compounds - Indole. Chemistry of Heterocyclic Compounds, John Wiley & Sons, Inc.
[39] Surry D. S. and S. L. Buchwald (2011). "Dialkylbiaryl phosphines in Pd-catalyzed amination: a user’s guide." Chem. Sci. 2: 27-50.
[40] Thạch L. N. and N. T. B. Chi (2006). "Khảo sát sự trích ly hợp chất lƣu huỳnh trong dầu diesel bằng chất lỏng ion." Khoá luận tốt nghiệp đại học, Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM.
[41] Tsuji J. (2004). Palladium Reagents and Catalysts—New Perspectives for the 21st Century, John Wiley & Sons.
[42] Wagaw S.andR. A. Rennels, et al. (1997). "Palladium-Catalyzed Coupling of Optically Active Amines with Aryl Bromides." J. Am. Chem. Soc. 119: 8451–58.
[43] Wang B.andY. Gu, et al. (2004). "State Key Laboratory for Oxo Synthesis and Selective Oxidation, Lanzhou Institute of Chemical Physics." Chinese Academy of Sciences 45: 3417–19.
[44] Welton T. (2004). "Review - Ionic liquids in catalysis." Coordination Chemistry Reviews 248: 2459.
[45] Wolfgang K.andP. S. S., et al. (2009). "Amination of aryl chlorides and fluorides toward the synthesis of aromatic amines by palladium-catalyzed route or transition metal free way: Scopes and limitations." Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 303(1-2): 15-22.
[46] Yang Z. and W. Pan (2010). "Ionic liquids: Green solvents for nonaqueous biocatalysis." Enzyme and Microbial Technology 37,19.
[47] Yin D.andC. Li, et al. (2006). "Synthesis of diphenylmethane derivatives in Lewis acidic ionic liquids." Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 245: 260 - 65.
[48] You F. and R. J. Twieg (1999). "Aromatic nucleophilic substitution with 4- hydroxypyridine " 40: 8759-62
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH GC/MS CỦA PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C- N GIŨA 1-BROMO-4-NITROBENZENE VÀ PIPERIDINE
PHỤ LỤC 2 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 1
H-NMR CỦA CHẤT LỎNG ION 1-BUTYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE
PHỤ LỤC 3 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 13
C-NMR CỦA CHẤT LỎNG ION 1-BUTYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE
PHỤ LỤC 4 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MS CỦA CHẤT LỎNG ION 1-BUTYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE
PHỤ LỤC 5 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 1
H-NMR CỦA CHẤT LỎNG ION 1-HEXYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE
PHỤ LỤC 6 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 13
C-NMR CỦA CHẤT LỎNG ION 1-HEXYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE
PHỤ LỤC 7 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MS CỦA CHẤT LỎNG ION 1-HEXYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE
PHỤ LỤC 8 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 1
H-NMR CỦA CHẤT LỎNG ION 1-OCTYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE
PHỤ LỤC 9 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 13
C-NMR CỦA CHẤT LỎNG ION 1-OCTYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE
PHỤ LỤC 10 – KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MS CỦA CHẤT LỎNG ION 1-OCTYL-3-METHYLIMIDAZOLIUM BROMIDE