Thí nghiệm tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium

bromide ([Amim]Br)

- Sử dụng 1-methylimidazole (41.36 g, 0.504 mol) và 60 ml 1-bromobutane (76.26 g, 0.556 mol) cho vào bình cầu cổ nhám có cá từ loại 2 cm. Thực hiện phản ứng trong điều kiện có sự hỗ trợ của vi sóng sử dụng lò vi sóng gia dụng Whirlpool, Model AVM541/WP/WH có thể điều chỉnh đƣợc công suất, thời gian và có máy khuấy từ đi kèm (Hình 2.2). Phản ứng đƣợc thực hiện ở mức công suất 80 W.

- Thời gian thực hiện phản ứng là gián đoạn, mỗi lần chiếu xạ để phản ứng là 10 giây, sau đó tắt lò vi sóng, làm nguội. Quá trình đƣợc thực hiện lặp lại nhƣ trên cho đến khi phần lớn chất lỏng ion hình thành thì dừng lại. Trong đó dung dịch ban đầu từ trong chuyển sang đục rồi sau đó chuyển trở lại trong hoàn toàn, chất lỏng phân thành hai pha (pha chất lỏng ion nằm ở pha dƣới và có màu vàng nhạt). Thời gian chiếu xạ vi sóng cho phản ứng tổng cộng là 180 giây.

- Tách chiết lấy phần chất lỏng ion. Loại bỏ tác chất dƣ bằng cách rửa chất lỏng ion với ethyl acetate ba lần, mỗi lần khoảng 50 ml, khuấy trộn mạnh trong thời gian 30 phút. Tách lấy pha chất lỏng ion sau đó rửa sản phẩm lại bằng diethyl ether trong 3 lần, mỗi lần dùng 50 ml và kết hợp khuấy trộn mạnh trong thời gian 30 phút. Loại bỏ phần dung môi rửa, lấy phần chất lỏng ion và tiến hành quá trình cô quay đuổi vết dung môi ở nhiệt độ khoảng 40 oC trong thời gian khoảng 20 phút.

- Quá trình điều chế 02 chất lỏng ion [Hmim]Br và [Omim]Br đƣợc thực hiện tƣơng tự nhƣ đối với trƣờng hợp [Bmim]Br đã đƣợc trình bày chi tiết ở trên (Hình 2.1). Quy mô của các thí nghiệm này lần lƣợt nhƣ sau:

 Quá trình điều chế chất lỏng ion [Hmim]Br: sử dụng 40 ml 1- methylimidazole và 80 ml 1-bromohexane (93.92 g, 0.568 mol).

 Quá trình điều chế chất lỏng ion [Omim]Br: sử dụng 40 ml 1- methylimidazole và 100 ml 1-bromooctane (111.20 g, 0.576 mol).

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình tổng hợp [Amim]Br.

N-alkyl hóa 1-methylimidazole (0.504 mol, 40 ml) 1-bromoalkane n-CnH2n+1Br (*) ( ~ 1.1 equiv.) ( *) n = 4: 60 ml n = 6: 80 ml n = 8: 100 ml

Chiếu xạ vi sóng gián đoạn Mức chiếu xạ: 80 W

Mỗi lần 10 giây rồi làm nguội Khuấy từ mạnh

Sinh hàn nƣớc lạnh

Làm nguội

Rửa

Rửa

Tách loại dung môi

[Amim]Br

Ethylacetate

Diethyl ether

Cô quay chân không 40 oC, 20 phút 50 ml x 30 phút x 3 lần Khuấy từ mạnh Nhiệt độ phòng Lớp dƣới Lớp dƣới 50 ml x 30 phút x 3 lần Khuấy từ mạnh Nhiệt độ phòng

Bảng 2.1 Các thông số của quá trình tổng hợp 3 loại chất lỏng ion [Amim]Br. R - Br n-C4H9Br n-C6H13Br n-C8H17Br VR-Br - ml 60 (0.556 mol) 80 (0.568 mol) 100 (0.576 mol) V1-methylimidazole - ml 40 (0.504 mol)

Tổng thời gian chiếu xạ - giây 180 400 560 Mức công suất chiếu xạ Micro 1 (80 W)

[Amim]Br [Bmim]Br [Hmim]Br [Omim]Br

2.3.1.2 Thí nghiệm tổng hợp chất lỏng ion 1-alkyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ([Amim]PF6) hexafluorophosphate ([Amim]PF6)

- Sử dụng hai cốc nhựa 250 ml, mỗi cốc cho vào 100 ml nƣớc cất. Sau đó cho vào cốc thứ nhất chất lỏng ion [Bmim]Br (100 g, 0.456 mol) và cốc còn lại 80 ml HPF6 60 % (132.08 g, 0.543 mol). Đặt hai cốc vào trong chậu nƣớc đá để làm lạnh trong thời gian 30 phút (nhiệt độ khoảng 10 – 15oC). Tất cả các thao tác khi làm việc với HPF6 đều phải dùng găng tay cao su và kính bảo hộ, đồng thời phải thực hiện trong tủ hút hơi độc. Sau khoảng 30 phút làm lạnh, cho cá từ loại 2.0 cm vào cốc đựng dung dịch [Bmim]Br, đặt cốc lên trên bếp từ và bắt đầu khuấy (lƣu ý vẫn còn tiếp tục làm lạnh hỗn hợp trong chậu nƣớc đá).

- Khi dung dịch [Bmim]Br trong nƣớc đã đồng nhất thì bắt đầu cho từ từ dung dịch acid HPF6 vào. Lƣu ý đổ dung dịch acid thật chậm và phải làm lạnh hỗn hợp phản ứng. Thực hiện phản ứng trong tủ hút ở điều kiện khuấy trộn mạnh với thời gian 24 giờ.

- Sau khi đã phản ứng xong, tiến hành rửa dung dịch chất lỏng ion với khoảng 5 – 6 lần với nƣớc cất lạnh, mỗi lần 50 ml và có kết hợp khuấy trộn mạnh trong thời gian 30 phút. Dùng giấy đo pH để thử pH của dung dịch, nếu pH của dung dịch trung tính thì kết thúc quá trình rửa.

- Tách chiết phần chất lỏng ion, tiến hành cô quay ở nhiệt độ 65 oC dƣới áp suất thấp để loại nƣớc trong thời gian khoảng 45 – 60 phút.

- Cân sản phẩm, tính hiệu suất của phản ứng tạo thành chất lỏng ion [Bmim]PF6.

- Quá trình điều chế 02 chất lỏng ion [Hmim]Br và [Omim]Br đƣợc thực hiện tƣơng tự nhƣ đối với trƣờng hợp [Bmim]Br và [Bmim]PF6 đã đƣợc trình bày chi tiết ở trên (Hình 2.2). Quy mô của các thí nghiệm này lần lƣợt nhƣ sau:

 Quá trình điều chế chất lỏng ion [Hmim]PF6: sử dụng 110g [Hmim]Br (0.445 mol) và cốc còn lại 80 ml HPF6 60 %.

 Quá trình điều chế chất lỏng ion [Omim]PF6: sử dụng 125 g [Omim]Br (0.454 mol) và cốc còn lại 80 ml HPF6 60 %.

Hình 2.2Sơ đồ khối quá trình tổng hợp [Amim]PF6.

Làm lạnh 10 – 15 oC

Cô quay chân không 65 oC, 60 phút pH < 7 100 ml H2O (0-5 oC) pH = 7 Lớp dƣới Làm lạnh (10 – 15 oC) Khuấy từ mạnh, 24 giờ 100 ml H2O/lần (0-5 oC) 100 ml H2O (0-5 oC) [Amim]Br(*) ~ 0.46 mol Dung dịch HPF6 60% kl - 80 ml ~ 1.2 equiv.

Hòa tan Hòa tan

Tách loại dung môi Chiết

Rửa Trao đổi ion

Làm lạnh (10 – 15 oC) Khuấy từ mạnh 30 phút/lần [Amim]PF6 n-Butyl: 100 g n-Hexyl: 110 g n-Octyl: 125 g (*)

Bảng 2.2 Các thông số của quá trình tổng hợp 3 loại chất lỏng ion [Amim]PF6. VHPF6 60% - ml 80 (0.543 mol HPF6) m[BMIM]Br - g 100 (0.456 mol) 110 (0.445 mol) 125 (0.454 mol) Chất lỏng ion [Bmim]PF6 [Hmim]PF6 [Omim]PF6 2.3.1.3 Xác định cấu trúc chất lỏng ion họ imidazolium

2.3.1.3.1 Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR

Phổ 1H-NMR và 13C-NMR của chất lỏng ion đƣợc phân tích ở Phòng NMR, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam tại Hà Nội. Điều kiện phân tích NMR nhƣ sau:

 Máy phân tích AV 500 (hãng Bruker)

 Tần số: 500 MHz (1H-NMR) và 125 MHz (13C-NMR)

 Dung môi hoà tan mẫu: DMSO-D6

2.3.1.3.2 Phương pháp phân tích phổ khối lượng MS

Phổ MS của chất lỏng ion đƣợc xác định tại phòng thí nghiệm của Trung tâm phân tích công nghệ cao Hoàn Vũ, Công ty TNHH MTV Khoa học công nghệ Hoàn Vũ, 112 Lƣơng Thế Vinh, P. Tân Thới Hòa, Quận Tân Phú, TP. HCM. Phổ MS đƣợc đo trên máy Thermo Finigan TSQ 7000 triple quadrupole ở Trung tâm Hoàn Vũ với các điều kiện phân tích nhƣ sau:

 Dung môi: MeOH : H2O = 1 : 1

 Tốc độ dòng: 0.5 ml/ phút  Thể tích tiêm: 20 µl  Interface: ESI (+)  Nhiệt độ cột: 300o C  Aux. Gas: 20  Sheeath Gas: 40

 Sray voltage: 4.5 KV

 Chromfiller: 50 sec

 Q1 MS: 100 – 650 amu

 Thời gian quét: 1 giây Bằng cách kết hợp các phổ MS, 1

H-NMR và 13C-NMR sẽ xác định đƣợc cấu trúc của các chất lỏng ion.

2.3.2 Tổng hợp và xác định độ tinh khiết, cấu trúc sản phẩm trung gian (SPTG) 1-(2-(N-morpholino)ethyl)-2-methylindole (SPTG) 1-(2-(N-morpholino)ethyl)-2-methylindole

2.3.2.1 Thí nghiệm tổng hợp SPTG

- Cho 1.128 g N-(2-chloroethyl)-morpholinium chloride (3 equiv.) vào bình cầu 50 ml, sau đó cho 11.4 g chất lỏng ion [Bmim]PF6 (10 equiv.) và cá từ vào. Khuấy từ ở nhiệt độ phòng cho đến khi N-(2-chloroethyl)-morpholinium chloride tan hoàn toàn trong dung môi [Bmim]PF6 (dung dịch A).

- Đồng thời, cho 1.088 g KOH (8 equiv.) đã đƣợc nghiền mịn vào bình cầu hai cổ 250 ml, sau đó thêm 11.4 g chất lỏng ion [Bmim]PF6 (10 equiv.) và cá từ vào. Khuấy ở nhiệt độ phòng cho đến khi KOH tan hết trong chất lỏng ion. Sau đó tiếp tục thêm 2-methylindole (0.2677 g, 2 mmol) vào, khuấy đến khi tan hoàn toàn (dung dịch B).

- Sau đó, cho từ từ dung dịch A vào dung dịch B, thực hiện phản ứng N-alkyl hóa ở nhiệt độ phòng trong thời gian 8 giờ.

- Trích ly hỗn hợp sau phản ứng với 3 lần toluene (mỗi lần sử dụng 50 ml và khuấy mạnh trong 30 phút) để tách sản phẩm ra khỏi chất lỏng ion. Phần chất lỏng ion thu hồi đƣợc giữ lại để thu hồi và tái sử dụng dung môi cho phản ứng tổng hợp SPTG.

- Sau khi trích ly hoàn tất, rửa lớp hữu cơ với 50 ml nƣớc cất (khuấy mạnh trong 30 phút) để loại sản phẩm phụ tan trong nƣớc. Tiếp theo, cho 15 g Na2SO4 khan vào phần hữu cơ vừa chiết đƣợc để loại nƣớc hoàn toàn.

- Cô quay loại dung môi ở áp suất thấp ở nhiệt độ là 60oC trong khoảng 60 phút. Dùng một lƣợng nhỏ acetone để hòa tan lại sản phẩm đƣa vào chai nhỏ, sấy khô

dƣới điều kiện áp suất kém ở nhiệt độ phòng đến khối lƣợng không đổi và cân sản phẩm.

- Hoà tan sản phẩm trong dung môi diethyl ether và đem phân tích bằng sắc kí khí (GC). Dựa vào diện tích trên phổ GC, tính độ tinh khiết của sản phẩm. Từ đó tính hiệu suất của phản ứng tổng hợp.

Hình 2.3 Sơ đồ khối quá trình tổng hợp 1-(2-(N-morpholino)ethyl)-2-methylindole.

Toluene 50 ml nƣớc cất 50 ml x 3 lần 30 phút/ lần Nhiệt độ phòng Khuấy từ mạnh

Cô quay chân không 60oC, 60 phút Nhiệt độ phòng Khuấy từ mạnh, 8 giờ 30 phút Nhiệt độ phòng Khuấy từ mạnh Lớp trên Lớp trên Nhiệt độ phòng Áp suất kém

Đến khối lƣợng không đổi

15 g Na2SO4 C6H13Cl2NO [Bmim]PF6 N-alkyl hóa Trích ly

Tách loại dung môi KOH

C9H9N

Rửa

Hòa tan Hòa tan

Sấy khô

SPTG Làm khan Hòa tan

2.3.2.2 Điều kiện phản ứng tổng hợp SPTG

- Thời gian phản ứng: 8 h;

- Tỉ lệ mol hai tác chất tham gia phản ứng: 2-methylindole/N-(2-chloroethyl)- morpholinium chloride = 1.0/3.0;

- Tỉ mol tác chất 2-methylindole/KOH = 1.0/8.0; - Nhiệt độ phản ứng: 30oC (nhiệt độ phòng);

- Tỉ lệ mol 2- methylindole/ mol dung môi chất lỏng ion: 1.0/40.0; - Loại dung môi chất lỏng ion sử dụng: [Bmim]PF6.

2.3.2.3 Phương pháp tinh chế SPTG

Sản phẩm của phản ứng tổng hợp 1-(2-(N-morpholino)ethyl)-2-methylindole ở điều kiện thích hợp đƣợc tinh chế bằng phƣơng pháp kết tinh để loại tạp chất mà không cần phải qua giai đoạn tinh chế bằng sắc ký cột. Quy trình tinh chế sản phẩm đƣợc mô tả nhƣ sau:

- Cho 1-(2-(N-morpholino)ethyl)-2-methylindole thu đƣợc sau mỗi lần phản ứng vào ống nghiệm, sau đó một ít acetone ấm vào để hòa tan. Tiến hành gia nhiệt, thêm từ từ acetone và lắc dung dịch ở 40 – 50oC cho sản phẩm tan hoàn toàn. Sau khi thu đƣợc dung dịch trong suốt thì cho nƣớc cất ấm vào hỗn hợp đến khi hệ bắt đầu đục thì dừng lại.

- Hạ nhiệt độ của dung dịch xuống nhiệt độ phòng để sản phẩm tự kết tinh tạo tinh thể. Sau khi sản phẩm đã kết tinh hoàn toàn thì đem ly tâm, sản phẩm sẽ phân thành hai pha rõ rệt, loại bỏ phần pha lỏng. Phần pha rắn đƣợc lặp lại quá trên kết tinh nhƣ trên vài lần để làm tăng độ tinh khiết của sản phẩm. Sản phẩm sau khi kết tinh đƣợc làm khô bằng cách để vào bình hút ẩm áp suất thấp đến khối lƣợng không đổi.

- Lấy mẫu sản phẩm sau kết tinh, hòa tan trong diethyl ether và phân tích mẫu bằng GC để xác định độ tinh khiết của sản phẩm.

2.3.2.4 Phân tích độ tinh khiết và cấu trúc SPTG

- Mẫu đƣợc phân tích trên máy sắc kí khí Shimadzu GC-17A tại Bộ môn Kỹ Thuật Hoá Hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trƣờng Đại học Bách Khoa TP. HCM. - Điều kiện phân tích GC nhƣ sau:

 Cột phân tích: Alltech DB-5 column (30 m x 0.25 mm, 0.25 µm film thickness)  Detector: FID  Khí mang: N2  Chế độ dòng: Split  Tốc độ split: 1/55  Nhiệt độ Injector: 300o C  Nhiệt độ Detector: 300oC  Vận tốc khí mang: 24.0129 cm/s  Áp suất nén: 75 kPa  Chƣơng trình nhiệt độ:

 Thời gian phân tích: 15 phút

Dựa vào diện tích của các peak trên phổ GC, ta tính đƣợc độ tinh khiết của sản phẩm tạo thành.

2.3.2.4.2 Phương pháp tính toán xác định độ tinh khiết của sản phẩm từ kết quả GC

- Độ tinh khiết của SPTG đƣợc tính dựa trên tỉ lệ diện tích peak của sản phẩm trên tổng diện tích peak trên phổ GC trừ dung môi đã dùng để trích ly.

- Công thức tính toán độ tinh khiết của sản phẩm nhƣ sau:

% 100 . %   peak SPTG S S SPTG Trong đó:

 % SPTG: độ tinh khiết của sản phẩm

 Speak: tổng diện tích các peak trên phổ GC trừ peak dung môi pha mẫu

20 oC/ phút 50 oC/ phút 60oC 200oC (2 phút) 300oC (4 phút)

2.3.2.4.3 Phương pháp phân tích phổ GC/MS

- Sản phẩm đƣợc định danh và kiểm chứng bằng phƣơng pháp sắc khí ghép khối phổ (GC/MS) tại phòng thí nghiệm của Trung tâm phân tích công nghệ cao Hoàn Vũ, Công ty TNHH MTV Khoa học công nghệ Hoàn Vũ, 112 Lƣơng Thế Vinh, P. Tân Thới Hòa, Quận Tân Phú, TP. HCM.

- Điều kiện phân tích sắc ký khí GC:

 Máy đo: HP (Agilent) 5890 GC/5972MSD

 Dung môi hoà tan: acetone

 Cột: RTX 5 MS (30 m x 0.25 mm x 0.5 µm film)

 Column flow: 1ml/phút

 Purge flow: 3 ml/phút

 Injection mode: splitless hold 0.5

 Split ratio = 30 : 1

 Injector temp: 280oC

 Chƣơng trình nhiệt phân tích:

- Điều kiện phan tích MS:

 Phƣơng pháp: EI mode

 Detector temp: 280oC

 MS scan: full (35 – 450 amu)

 Solvent delay: 3

 Sampling: 3

 Threhold: 100

 Tune: ATUNE.U

 Thành phần mẫu đƣợc định danh dựa vào thƣ viện chuẩn NIST98 của HP (version 2002).

2.3.2.4.4 Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR

15oC/ phút 40oC (1 phút) 300oC (5 phút)

Phổ 1

H-NMR và 13C-NMR của SPTG đƣợc phân tích ở Phòng NMR, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam tại Hà Nội. Điều kiện phân tích NMR nhƣ sau:

 Máy phân tích AV 500 (hãng Bruker)

 Tần số: 500 MHz (1H-NMR) và 125 MHz (13C-NMR)

 Dung môi hoà tan mẫu: CDCl3

2.3.3 Tổng hợp và xác định độ tinh khiết, cấu trúc pravadoline 2.3.3.1 Thí nghiệm tổng hợp pravadoline 2.3.3.1 Thí nghiệm tổng hợp pravadoline

- Cân một lƣợng xác định 1-(2-(N-morpholino)ethyl)-2-methylindole vào bình cầu hai cổ, sau đó cho IL và cá từ vào và khuấy đồng thời gia nhiệt đến nhiệt độ khảo sát. Sau khi nhiệt độ ổn định thì gắn sinh hàn vào bình cầu và dùng argon để loại không khí ra khỏi hệ thống.

- Sau đó, dùng pipet hút lƣợng xác định 4-methoxybenzoyl chloride cho vào, vẫn giữ ở nhiệt độ khảo sát. Cần lƣu ý phải thao tác nhanh vì 4-methoxybenzoyl chloride rất dễ bay hơi và rất độc.

- Thực hiện phản ứng ở nhiệt độ khảo sát dƣới khí quyển argon. Thông thƣờng phản ứng kết thúc sau 20 phút.

- Sau khi phản ứng xong tắt hệ thống gia nhiệt và để bình phản ứng giảm nhiệt độ xuống nhiệt độ phòng.

- Tiến hành rửa loại tạp chất bằng 25 ml dung môi diethyl ether, khuấy mạnh trong 30 phút, chiết lấy lớp chất lỏng ion (lớp dƣới) và lặp lại 6-8 lần tùy theo tỷ lệ tác chất.

- Sau khi rửa xong, cho 25 ml dung dịch KOH 10% vào hỗn hợp phản ứng, tiếp tục khuấy trong 30 phút thu đƣợc 2 lớp chất lỏng (không chiết).

- Trích ly với 25 ml toluene và khuấy trộn mạnh hỗn hợp trong thời gian khoảng 30 phút. Sau khi hệ tách thành 3 lớp, chiết lấy lớp hữu cơ và lặp lại 4 lần. - Sau khi quá trình trích ly hoàn tất, dung dịch sản phẩm trong toluene đƣợc khuấy trộn với 50 ml dung dịch KOH 10% trong thời gian khoảng 2 giờ.

- Sau đó cô quay ở 60-65 oC ở áp suất chân không để loại dung môi.

- Dùng một lƣợng nhỏ acetone để hòa tan lại sản phẩm đƣa vào chai nhỏ, sấy khô dƣới điều kiện áp suất kém ở nhiệt độ phòng đến khối lƣợng không đổi, cân sản