Các chất lỏng ion khi đƣợc sử dụng làm dung môi sẽ có một số tính chất đặc biệt. Nhờ vào những tính chất này, chất lỏng ion thể hiện đƣợc nhiều ƣu điểm hơn so với các dung môi hữu cơ truyền thống, và cũng nhờ đó chúng đƣợc xem là những dung môi xanh cho tổng hợp hữu cơ [5,21]. Các tính chất hữu cơ tổng quát của các ILs thƣờng gặp là :
- Các chất lỏng ion hoàn toàn không bay hơi và không có áp suất hơi. Do đó, chúng không gây ra các vấn đề liên quan đến cháy nổ, an toàn cho ngƣời vận hành cũng nhƣ đối với môi trƣờng sống.
- Các chất lỏng ion có độ bền nhiệt cao và không bị phân hủy vì nhiệt trong một khoảng nhiệt độ khá rộng. Vì vậy, có thể thực hiện các phản ứng đòi hỏi nhiệt độ cao trong chất lỏng ion một cách hiệu quả.
- Các chất ion có khả năng hòa tan một dãy khá rộng các chất hữu cơ, chất vô cơ cũng nhƣ các phức kim loại.
- Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan khá tốt các khí nhƣ H2, O2, CO, CO2. Do đó chúng làm dung môi có nhiều hứa hẹn cho các phản ứng cần sử dụng pha khí nhƣ hydrogen hóa xúc tác, carbonyl hóa, hydroformyl hóa, oxy hóa bằng không khí.
- Độ tan của chất lỏng ion phụ thuộc vào bản chất cation và anion tƣơng ứng. Bằng cách thay đổi cấu trúc của các ion này, có thể điều chỉnh độ tan của chúng phù hợp với yêu cầu.
- Các chất lỏng ion mặc dù phân cực nhƣng thông thƣờng không tạo phức phối trí với các hợp chất cơ kim, các enzyme và với các hợp chất hữu cơ khác.
- Nhờ có tính chất ion, rất nhiều phản ứng hữu cơ thực hiện trong dung môi chất lỏng ion thƣờng có tốc độ phản ứng lớn hơn so với trƣờng hợp sử dụng các dung môi thông thƣờng, đặc biệt là khi có sự hỗ trợ của vi sóng.
- Hầu hết các chất lỏng ion có thể đƣợc lƣu trữ trong một thời gian dài mà không bị phân hủy.
- Các chất lỏng ion là dung môi có nhiều triển vọng cho các phản ứng cần độ chọn lọc quang học tốt. Có thể sử dụng các chất lỏng ion có cấu trúc bất đối xứng để điều chỉnh độ chọn lọc quang học của phản ứng.
- Các chất lỏng ion chứa chloroaluminate ion là những Lewis acid mạnh, có khả năng thay thế cho các acid độc hại nhƣ HF trong nhiều phản ứng cần sử dụng xúc tác acid.
- Bên cạnh đó, một tính chất khác góp phần xếp loại chất lỏng ion đứng cùng với các dung môi xanh khác là khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác hòa tan trong IL, đặc biệt là các xúc tác phức của các kim loại chuyển tiếp.
1.2.4 Phương pháp tổng hợp
Nguyên tắc chung của quá trình tổng hợp IL có thể chia làm hai giai đoạn tổng quát: giai đoạn I là tạo muối để hình thành cation và giai đoạn II là trao đổi anion để hình thành chất lỏng mong muốn nhƣ ở Hình 1.8 [26].
Hình 1.8 Phương pháp chung để tổng hợp chất lỏng ion.
Các chất lỏng ion họ imidazolium đƣợc điều chế bằng bằng ứng tạo muối trực tiếp nhờ phản ứng alkyl hóa N-methylimidazole trong điều kiện gia nhiệt thông thƣờng, hình thành nên sản phẩm 1-alkyl-3-methylimidazolium halide. Tùy theo mục đích, có thể sử dụng trực tiếp chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium halide hoặc có thể trao đổi ion halide với các anion thích hợp nhƣ PF6-, BF4-, HSO4- hay AlCl4- (Hình 1.9) [22,27].
Do các chất lỏng ion này không bay hơi nên không bay hơi nên không thể tinh chế chúng bằng phƣơng pháp chƣng cất nhƣ các dung môi hữu cơ thông thƣờng khác. Các chất lỏng ion này đƣợc tinh chế bằng cách hòa tan chúng trong các dung môi nhƣ acetonitrile hoặc tetrehydrofuran, sau đó xử lý với than hoạt tính để hấp thụ các tạp chất và cuối cùng đuổi dung môi dƣới áp suất kém [22].
Hiện nay, phƣơng pháp tổng hợp đƣợc cải tiến nhờ sự hỗ trợ của vi sóng trong điều kiện phản ứng không dung môi. Tác giả R. S. Varma đã thực hiện tổng hợp chất lỏng ion họ imidazolium với điều kiện có hỗ trợ vi sóng nhƣ trên và hiệu suất thu đƣợc đạt trên 70 %, có trƣờng hợp lên đến 94 % trong thời gian dƣới hai phút. Trong khi đó để đạt đƣợc hiệu suất tƣơng tự nhƣ vậy thì thời gian phản ứng cần đến năm giờ đối với phƣơng pháp gia nhiệt thông thƣờng [27]. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là không cần phải dùng dƣ một lƣợng tác nhân alkyl halide nhƣ phƣơng
pháp gia nhiệt truyền thống. Đồng thời khá an toàn cho ngƣời vận hành và môi trƣờng do không sử dụng dung môi hữu cơ dễ bay hơi.
Hình 1.9 Quy trình phổ biến để tổng hợp các chất lỏng ion dialkylimidazolium [28].
1.2.5 Ứng dụng của chất lỏng ion trong tổng hợp hữu cơ
Ngày nay, ILs đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ [5,6,29-32] nhƣ:
- Tổng hợp và xúc tác - Kỹ thuật điện hoá - Hoá phân tích - Năng lƣợng - Sinh hoá Xúc tác enzyme Tổng hợp protein Quá trình biomass - Kỹ thuật tách chiết
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của ILs là làm dung môi cho các phản ứng hữu cơ (phản ứng ái nhân và ái điện tử) và phản ứng đƣợc xúc tác bởi các kim loại chuyển tiếp [33,34]. ILs còn là dung môi xanh cho các phản ứng hydro hoá, hydroformyl hoá, epoxy hóa, đime hóa olefine, polymer hóa gốc tự do, Friefel- Crafts, Diel-Alder, Heck, Suzuki…[6,20,32,35,36]. Dƣới đây trình bày một số ứng dụng nổi bật sử dụng chất lỏng ion trong tổng hợp hữu cơ.
1.2.5.1 Chất lỏng ion làm dung môi
1.2.5.1.1 Phản ứng ghép đôi Heck và Suzuki
Phản ứng ghép đôi (cross – coupling) của các dẫn xuất arylhalogenua đã và đang đƣợc biết đến một cách rộng rãi nhƣ một trong những phản ứng đặc biệt đƣợc dùng để tổng hợp trực tiếp bộ khung carbon phức tạp từ những hợp chất đơn giản hơn [37]. Một trong những phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu đã và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu là phản ứng ghép đôi Heck, do nhiều sản phẩm hóa chất tinh khiết hoặc các hóa chất có hoạt tính sinh học đƣợc tổng hợp nhờ phản ứng Heck [38]. Vào năm 2001, tác giả J. Muzart đã thực hiện phản ứng Heck giữa iodobenzene, bromobenzene hoặc dẫn xuất của naphthalene với các hợp chất allylic alcohol trong dung môi là chất lỏng ion tetraalkylammonium bromide ở nhiệt độ khoảng 80-120oC với sự có mặt của base là NaHCO3 (Hình 1.10) [39].
Phản ứng đƣợc xúc tác bởi muối PdCl2, hình thành các hợp chất ketone chứa vòng thơm. Sau khi tách sản phẩm ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng phƣơng pháp trích ly với diethyl ether, chất lỏng ion đƣợc thu hồi và tái sử dụng cho các phản ứng tiếp theo. Kết quả nghiên cứu cho thấy không có sự hình thành palladium kim loại không hoạt tính (black palladium) và sản phẩm có thể đƣợc tách ra khỏi hỗn hợp bằng phƣơng pháp trích ly chọn lọc.
Hình 1.11 Hình ảnh TEM của hạt nano Pd(0) từ [PdCl2(cod)] phân tán trong [Bmim]PF6: (a) một cụm hạt, (b) một đơn vị ―hình sao‖ (c) ―cánh sao‖.
Một phản ứng ghép đôi carbon-carbon khác đã và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu thực hiện trong chất lỏng ion là phản ứng Suzuki với sản phẩm hình thành là các dẫn xuất của biphenyl. Tác giả J. Durand đã thực hiện phản ứng Suzuki trong các chất lỏng ion họ imidazolium hexafluorophosphate với xúc tác là hạt nano palladium [40]. Theo đó, hạt nano Pd đƣợc hình thành trong [Bmim]PF6 bằng phản ứng khử phức (1,5-cycloctadiene)dichloropalladium(II) [PdCl2(cod)] về Pd(0) dƣới khí quyển hidro. Kết quả phân tích TEM thể hiện các cụm hạt hình sao của Pd(0) đƣợc hình thành trong chất lỏng ion bao gồm nhiều hạt nhỏ có đƣờng kính từ 6-8 nm (Hình 1.11). Chất lỏng ion trong nghiên cứu này không những làm dung môi của phản ứng Suzuki mà còn đóng vai trò chất làm bền và phân tán xúc tác Pd(0) [33,35,36].
Phản ứng ghép đôi Suzuki giữa bromobenzene và phenyl boronic acid sử dụng hệ xúc tác vừa điều chế đạt hiệu suất đến 92% sau 1 giờ ở 100 oC với 0.25 mol% Pd. Hàm lƣợng Pd chứa trong sản phẩm biphenyl từ 3 – 5 ppm đạt tiêu chuẩn làm nguyên liệu trong tổng hợp dƣợc phẩm. Sau phản ứng, hệ xúc tác – chất lỏng ion đƣợc thu hồi và sử dụng 10 lần và hiệu suất chỉ giảm đáng kể sau lần thứ 8 (Hình 1.13). Tác giả cũng đã chứng minh rằng hạt nano đƣợc điều chế từ muối PdCl2 chỉ cho hiệu suất 66% ở lần sử dụng đầu tiền và giảm xuống còn 53% trong lần thứ hai. Đặc biệt, nếu sử dụng [Pd2(dba)3/CHCl3] làm nguyên liệu thì hạt nano Pd(0) vừa tổng hợp hoàn toàn không có hoạt tính cho phản ứng.
Br
+
B(OH)2
Na2CO3dd, [Pd] [Bmim][PF6], 1 h
Hình 1.12 Kết quả thu hồi và tái sử dụng chất lỏng ion [Bmim][PF6]làm dung môi cho hản ứng Suzuki sử dụng xúc tác nano Pd(0).
1.2.5.1.2 Phản ứng tetrahydropyranyl và furanyl hóa hợp chất alcohol
Một trong những phản ứng hình thành liên kết carbon-oxygen tiêu biểu đƣợc thực hiện trong ILs là phản ứng tetrahydropyranyl hóa hoặc furalnyl hóa các hợp chất alcohol. Tác giả D. Gnaneshwar đã sử dụng chất lỏng ion 1-butyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate kết hợp với xúc tác InCl3 cho phản ứng này (Hình 1.13) [41].
Hình 1.13 Phản ứng giữa hợp chất alcohol với 3,4-dihydropyran (a) hoặc 2,3- dihydrofuran (b) trong chất lỏng ion [Bmim]PF6.
Đây là những phản ứng bảo vệ phản ứng nhóm chức quan trọng trong tổng hợp hữu cơ có cấu trúc phức tạp tƣơng tự nhƣ các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên.
Phản ứng giữa cinamyl alcohol với 3,4-dihydro-2H-pyran trong chất lỏng ion sử dụng 5 mol % xúc tác InCl3 ở nhiệt độ thƣờng cho hiệu suất sản phẩm 92 %. Tƣơng tụ nhƣ vậy, rất nhiều hợp chất alcohol có cấu trúc khác nhau chứa các liên kết đôi trong phản ứng có thể đƣợc chuyển hóa thành các dẫn xuất ether tƣơng ứng bằng quy trình tƣơng tự. Điều kiện thực hiện phản ứng rất êm dịu, đảm bảo các liên kết đôi trong phân tử không bị polymer hóa hoặc đồng phân hóa, cũng nhƣ có thể xảy ra khi có mặt các nhóm chức bảo vệ không bền với acid khác. Điều này không thể đảm bảo đƣợc trong các điều kiện phản ứng thông thƣờng trƣớc đây. Một ƣu điểm khác là sau phản ứng, chất lỏng ion có chứa xúc tác đƣợc thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hiệu suất không thay đổi đáng kể, ví dụ trƣờng hợp phản ứng giữa cinnamyl alcohol với 3,4-dihydro-2H-pyran cho hiệu suất 92 %, 91 %, 92 %, 91 % và 90 % sau năm lần sử dụng .
1.2.5.1.3 Phản ứng dehydro hóa dẫn xuất rượu benzylic
Trong những năm gần đây, các phản ứng oxy hoá hợp chất alcohol thực hiện trong chất lỏng ion với xúc tác palladium cũng rất đƣợc quan tâm nghiên cứu. Vào năm 2002, tác giả J. Muzart đã thực hiện phản ứng oxy hoá hợp chất benzylic alcohol bậc hai trong chất lỏng ion tetrabutylammonium bromide với xúc tác PdCl2 (Hình 1.14) [42]. Phản ứng đƣợc thực hiện trong điều kiện khí trơ argon và không cần sử dụng tác nhân oxy hoá, phản ứng ở 120oC trong thời gian 22 – 24 h, hiệu suất đạt 95 %. Sau phản ứng, chất lỏng ion chứa xúc tác có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hiệu suất không giảm đáng kể.
Hình 1.14 Phản ứng oxy hóa benzylic alcohol bậc hai sử dụng xúc tác palladium trong IL tetrabutylammonium bromide.
Tác giả A. C. Gaumont đã nghiên cứu sử dụng chất lỏng ion 1-butyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate làm dung môi cho phản ứng hình thành liên kết carbon-phosphor giữa một hợp chất phosphine-borane và một dẫn xuất của iodobenzene (Hình 1.15) [43]. Sản phẩm của các phản ứng này là những ligand không thể thiếu của các quá trình phản ứng sử dụng hợp chất cơ kim. Các quá trình sử dụng trƣớc đây để tổng hợp ra những ligand họ phosphine này thƣờng không hiệu quả dƣới góc độ hóa học xanh, do không sử dụng xúc tác, hoặc không thể thu hồi và tái sử dụng xúc tác, hoặc việc tách và tinh chế sản phẩm khó khăn phức tạp. Các phản ứng đƣợc nghiên cứu ở đây cho hiệu suất khoảng 78 – 82% ở nhiệt độ 70
oC sau thời gian khoảng 17 giờ. Ba loại chất lỏng ion đƣợc sử dụng là 1-butyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoro- borate và 1-butyl-3-methylimidazolium chloride. Trong đó phản ứng thực hiện trong chất lỏng ion hexafluorophosphate có hiệu quả nhất, với lƣợng sản phẩm phụ do nguyên liệu phosphine ban đầu bị thuỷ phân, oxy hóa ít nhất. Hai chất lỏng ion còn lại không hiệu quả cho phản ứng này, đƣợc tác giả giải thích do hàm lƣợng nƣớc có mặt cao hơn trƣờng hợp chất lỏng ion hexafluorophosphate. Một trong những ƣu điểm của phƣơng pháp này là việc tách và tinh chế sản phẩm dễ dàng hơn trƣờng hợp sử dụng dung môi hữu cơ thông thƣờng. Bên cạnh đó, hệ xúc tác phức palladium chứa trong chất lỏng ion cũng đƣợc thu hồi và tái sử dụng sáu lần mà hoạt tính không giảm đáng kể.
Hình 1.15 Phản ứng ghép đôi C-P thực hiện trong IL [Bmim]PF6.
Thay vì sử dụng xúc tác Ru (IV), tác giả P. A. Jacobs đã sử dụng xúc tác Ru (II) và Ru (III) cho phản ứng oxy hoá alcohol trong một số chất lỏng ion khác nhau [44]. Phản ứng đầu tiên đƣợc nghiên cứu là phản ứng oxy hóa 1-phenylethanol thành acetophenone trong chất lỏng ion ở 80 oC với tác nhân oxy hóa là oxygen và thời gian phản ứng là 5 giờ (Hình 1.16). Kết quả nghiên cứu cho thấy với các chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate hoặc hexafluorophosphate, nếu sử dụng xúc tác RuCl3 hoặc RuCl2(PPh3)3 thì phản ứng hầu nhƣ không xảy ra đáng kể. Thay dung môi bằng 1-butyl-3-methylimidazolium chloride với cùng điều kiện cũng chỉ cho hiệu suất phản ứng khoảng 15 – 17%. Tuy nhiên, phản ứng thực hiện trong dung môi là tetramethylammonium hydroxide hoặc Aliquat 336 (methyltrioctylammonium chloride) cho hiệu suất cao hơn một cách đáng kể, đạt 99% nếu sử dụng xúc tác phức RuCl2(PPh3)3. Trong đó, phản ứng thực hiện trong Aliquat 336 cho hiệu suất cao hơn. Có thể thay thế oxygen bằng không khí để làm tác nhân oxy hóa. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp này, xúc tác trong chất lỏng ion bị mất hoạt tính nhanh trong quá trình thu hồi và tái sử dụng. Tƣơng tự nhƣ vậy, tác giả Tang thực hiện phản ứng oxy hóa 1-tetralol thành 1-tetralone bằng xúc tác RuCl3 trong chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ở nhiệt độ thƣờng. Với tác nhân oxy hóa là tert-butyl peroxide, phản ứng cho hiệu suất 92%, cao hơn trƣờng hợp sử dụng tác nhân hydrogen peroxide .
R' R" OH R' R" O O2 R' = alkyl, H R" = alkyl, phenyl 1 % Ru-catalyst or air, ionic liquid
Hình 1.16 Phản ứng oxi hóa rượu bởi xúc tác ruthenium trong IL 1-butyl-3- methylimidazolium hexafluorphosphate.
1.2.5.1.6 Phản ứng polymer hóa
Phản ứng polymer hoá gốc tự do trao đổi phân tử (Atom transfer radical polymerization – ATRP) sử dụng xúc tác của kim loại chuyển tiếp là phƣơng pháp đơn giản, có kiểm soát và hiệu quả đƣợc sử dụng phổ biến để tổng hợp polymer có
khối lƣợng phân tử lớn và vùng phân bố khối lƣợng hẹp [45]. Phƣơng pháp ATRP bao gồm ATRP thƣờng (normal-ATRP) sử dụng xúc tác phức kim loại có số oxi hóa trung gian không bền với các chất oxi hóa và ATRP ngƣợc (reverse-ATRP) sử dụng phức kim loại có số oxi hóa cao hơn. Nhìn chung, quá trình ATRP đƣợc thực hiện trong những dung môi hữu cơ truyền thống nhƣ toluene, DMF, DMSO gây ra những khó khăn trong vấn đề thu hồi, tái sử dụng dung môi và xúc tác [46]. Với những tính chất nổi bật đã đề cập ở trên, chất lỏng ion đƣợc xem nhƣ dung môi thay thế cho những dung môi truyền thống trong các phản ứng polymer hóa [32,46]. Năm 2000, A. J. Carmichael lần đầu tiên sử dụng thành công butyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate ([Bmim]PF6) làm dung môi cho quá trình polymer hóa methyl metharcylate bằng phƣơng pháp ATRP. Sau đó, nhiều polymer khác đã đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu và tổng hợp trong chất lỏng ion họ