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 imidazole từ styrene, acid acrylic hay acrylonitrile [32,45].
Hình 1.17 Kết quả khảo sát ảnh hưởng chiều dài nhóm alkyl của chất lỏng ion lên độ chuyển hóa của phản ứng tổng hợp PEA.
Mới đây, H. Chen và các cộng sự đã thực hiện quá trình polymer hóa ATRP ngƣợc ethyl acrylate (EA) với CuBr2 và ligand N, N, N‟, N”, N” – pentamethyl diethylene triamine (PMDETA) sử dụng dung môi là chất lỏng ion [47]. Nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của nhóm thế trong 1-alkyl-3-
methylimidazolium tetrafluoroborate bằng các nhóm thế khác nhau, bao gồm n- butyl, n-octyl và n-dodecyl. Phản ứng polymer hóa trong [C12mim]BF4 không chỉ có kết quả tốt hơn về khối lƣợng và phân bố khối lƣợng của polymer mà còn có tốc độ phản ứng nhanh hơn rõ rệt so với những alkyl ngắn mạch hơn với tỷ lệ mol [EA]:[AIBN]:[CuBr2]:[PMDETA] bằng 400:1:3:4 (Hình 1.17). Block copolymer PEA-b-Poly styrene cũng đƣợc tổng hợp thành công trong [C12mim]BF4 sử dụng ngay PEA nhƣ chất khơi mào. Hệ dung môi – xúc tác gồm [C12mim]BF4 và CuBr2/PMDETA đƣợc tái sử dụng mà không ảnh hƣởng đến chất lƣợng polymer tạo thành. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.2.5.1.7 Phản ứng sử dụng enzyme sinh học
Chấtlỏng ion còn đƣợc sử dụng làm dung môi cho các phản ứng xúc tác sinh học cũng nhƣ các quá trình tách chiết trong kỹ thuật sinh học. Một số enzyme nhƣ lipase, protease hay nấm men đã thể hiện hoạt tính tốt trong chất lỏng ion [30,48]. S. H. Ha và các đồng nghiệp đã tổng hợp thành công biodiesel (fatty acid methyl esters – FAMEs) từ dầu đậu nành bằng enzyme lipase Candida antarctica cố định trên nhựa acrylic (Novozym 435) trong chất lỏng ion [49]. Để tìm ra dung môi thích hợp nhất, 23 loại chất lỏng ion khác nhau đã đƣợc sử dụng và so sánh với dung môi tert-butanol và điều kiện không có dung môi. [Emim]TfO cho hiệu suất cao gấp 3 lần so với quá trình không sử dụng dung môi và cao hơn cả tert-butanol cũng nhƣ chất lỏng ion gốc [PF6] hay [Tf2N]. Thật vậy, sau 12 giờ, độ chuyển hóa của FAMEs trong [Emim][TfO] đạt 80% trong khi trong tert-butanol chỉ là 65% ở 60
oC (Hình 1.18).
Gần đây, ở Nhật Bản, S. Arai và các cộng sự cũng thực hiện quá trình sản xuất này trong chất lỏng ion gốc [BF4] và sử dụng trực tiếp nhiều loại vi nấm khác nhau tạo ra enzyme lipape [50]. Kết quả cho thấy enzyme lipase đặc hiệu cho vị trí 1,3- glyceride đƣợc sinh ra từ vi nấm R. oryzae chủng hoang dại (w-ROL) có hoạt tính tốt nhất cho phản ứng biodiesel hóa trong chất lỏng ion [Emim]BF4. Tuy nhiên, hàm lƣợng FASEs tối đa cũng chỉ đạt 60% trong khi thực hiện quá trình trong các dung môi truyền thống, w-ROL sẽ cho kết quả cao hơn. Điều này đƣợc nhóm tác
giả giải thích là do w-ROL chỉ có tác dụng tại vị trí 1,3-glyceride, nhƣng trong dung môi hữu cơ thƣờng, nhóm acyl có thể dịch chuyển từ vị trí số 2 ra hai đầu của glyceride làm tăng hiệu suất phản ứng. Tuy nhiên, trong chất lỏng ion, khả năng này ngăn chặn và 2-mono-acylglycerol vẫn còn trong hỗn hợp sau phản ứng.
Hình 1.18 Ảnh hưởng của các loại dung môi khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng tổng hợp biodiesel từ dầu đậu nành và methanol được xúc tác bởi Novozym 435.
Để vƣợt qua vấn đề trên, nhóm tác giả đã kết hợp enzyme w-ROL và enzyme lipase đặc hiệu cho mono- và diglyceride sinh ra từ nấm A. oryzae theo một nghiên cứu khác cho quá trình tổng hợp FAMEs và hàm lƣợng FAMEs đạt đƣợc trên 90%. Điểm đáng chú ý khác trong nghiên cứu này là việc tăng độ bền của w-ROL bằng phản ứng tạo liên kết với glutaraldehyde và nhờ đó, hỗn hợp xúc tác sinh học trong chất lỏng ion có thể đƣợc thu hồi và tái sử dụng.