KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
* *
KHOA HÓA HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỮU CƠ
Nguyễn Thị Hồng Nhung
TỔNG HỢP
2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE TỪ
2,3-DICHLOROQUINOXALINE
BẰNG PHẢN ỨNG SONOGASHIRA SỬ DỤNG
XÚC TÁC NANO Pd (0)
TP. HỒ CHÍ MINH 05-2012
Trang i
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
* *
KHOA HÓA HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỮU CƠ
TỔNG HỢP
2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE TỪ
2,3-DICHLOROQUINOXALINE
BẰNG PHẢN ỨNG SONOGASHIRA SỬ DỤNG
XÚC TÁC NANO Pd (0)
Người hướng dẫn khoa học : TS. Đặng Chí Hiền Người thực hiện : Nguyễn Thị Hồng Nhung Niên khóa
: 2008-2012
TP. HỒ CHÍ MINH 05-2012
Trang i
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
LỜI CẢM ƠN
------
Tôi xin chân thành cảm ơn:
TS. Đặng Chí Hiền - Thầy đã tận tình truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý
báu đồng thời luôn động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Th.S Nguyễn Thành Danh và Th.S Trần Thị Hồng Ngân - Phòng Công nghệ Hóa
Dược, Viện Công nghệ Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã dành nhiều
thời gian, công sức, tạo mọi điều kiện và hướng dẫn tôi nhiệt tình về kỹ thuật thực hành cũng như đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài.
Các quý thầy cô khoa Hóa trường Đại Học Sư Phạm TP HCM đã truyền đạt những
kiến thức hữu ích cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường.
Các chị học viên cao học K16, K17- Đại học Cần Thơ luôn động viên giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Cám ơn những người thân trong gia đình đã luôn bên cạnh hỗ trợ tôi cả về vật chất
lẫn tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Bạn bè thân thiết đã luôn bên cạnh động viên, quan tâm giúp đỡ và cho tôi những lời
Xin chân thành cảm ơn
khuyên quý nhất trong suốt những năm học ở trường.
Nguyễn Thị Hồng Nhung
Trang i
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1
Chương 1 TỔNG QUAN ......................................................................................................... 3
1.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG SONOGASHIRA ........................................................................ 4
1.1.1 Sơ lược về phản ứng Sonogashira .......................................................................... 4
1.1.2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira ......................................................... 5
1.1.3 Điều kiện phản ứng ................................................................................................. 5
1.2 GIỚI THIỆU VỀ XÚC TÁC PALLADIUM TRONG PHẢN ỨNG SONOGASHIRA .... 6
1.2.1 Xúc tác Pd không ligand, không chất mang ........................................................... 6
1.2.2 Xúc tác nano Pd ..................................................................................................... 7
1.3 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ 2,3-DICHLOROQUINOXALINE (DCQ) .............................. 9
1.4 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ PHENYL ACETYLENE ............................................................. 9
1.5 GIỚI THIỆU VỀ SIÊU ÂM .............................................................................................................. 10
1.5.1 Định nghĩa siêu âm ............................................................................................... 10
1.5.2 Vai trò của siêu âm trong tổng hợp ...................................................................... 12
1.5.3 Thiết bị siêu âm .................................................................................................... 12
1.5.4 Ưu nhược điểm của siêu âm ................................................................................. 13
1.6 NHỮNG NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY ...................................................................................... 13
1.6.1 Ngoài nước ........................................................................................................... 13
1.6.2 Trong nước .......................................................................................................... 16
Chương 2 NGHIÊN CỨU ...................................................................................................... 18
2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................... 18
2.1.1 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 19
2.1.2 Các phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 21
2.2 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP 2,3-BIS(PHENYLETHYNYL) QUNIXALINE .................. 21
2.2.1 Qui trình tổng hợp .............................................................................................. 21
2.2.2 Giải thích quy trình ............................................................................................. 22
2.2.3 Thực hiện khảo sát các điều kiện tiến hành phản ứng ........................................ 23
Trang ii
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
2.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................................................ 24
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2.3.1 Tổng hợp xúc tác Pd(0) trên chất mang PEG ..................................................... 24
2.3.2 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline với xúc tác nano Pd(0) trên chất mang PEG ...................................................................................................................... 24
2.4 XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC ............................................................................................................... 32
2,3-BIS(PHENYNYL)QUINOXALINE(DAPQ) ............................................................................... 32
2.5 XÁC ĐỊNH CẦU TRÚC 2-CHLORO-3-(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE (m- DAPQ) ............................................................................................................................................................ 33
Chương 3 THỰC NGHIỆM ................................................................................................... 34
3.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ, DỤNG CỤ XỬ LÝ DUNG MÔI ............................................. 35
3.1.1 Hóa chất .............................................................................................................. 35
3.1.2 Dụng cụ ............................................................................................................... 36
3.1.3 Thiết bị ................................................................................................................ 36
3.2 XỬ LÝ DUNG MÔI ........................................................................................................................... 37
3.3 ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC NANO Pd(0) TRÊN CHẤT MANG PEG ....................................... 37
3.4 TỔNG HỢP 2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE VỚI XÚC TÁC Pd(0)/PEG ..................................................................................................................................................... 38
KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 40
KIẾN NGHỊ ........................................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 42
Trang iii
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
PHỤ LỤC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
------
DAPQ 2,3-Bis(phenylethynyl)quinoxaline
m-DAPQ 2-chloro-3-(phenylethynyl)quinoxaline
Dimethylformamide DMF
2,3 dichloroquinoxaline DCQ
Poly(ethylene glycol) PEG
Poly(vinylpyrrolidone) PVP
Petroleum ether PE
Room temperature R.T
Gas chromatography GC
cm-1 Wave number
Thin layer chromatography TLC
Retention factor Rf
Megahertz MHz
Nuclear Magnetic Resonance NMR
Scalar coupling constant J
Quint Quint
1 H-NMR
Proton Nuclear Magnetic Resonance
X-Ray Diffraction XRD
Transmission Electron Microscopy TEM
Scanning Electron Microscope SEM
Trang iv
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Mass Spectroscopy MS
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ppm Parts per million
Trang v
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Hz Hertz
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
-------
Sơ đồ 1 Phản ứng Sonogashira tổng quát...........................................................................4
Sơ đồ 2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira........................................................5
Sơ đồ 3 Tổng hợp aryl alkyne bằng xúc tác Pd không ligand, không chất mang………...6
Sơ đồ 4 Chu trình xúc tác nano Pd - cluster trong phản ứng Sonogashira……………….8
Sơ đồ 5 Tổng hợp phenylacetylene……………………………………………………...10
Sơ đồ 6 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0)/PVP………………14
Sơ đồ 7 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0) dưới điều kiện siêu
âm……………………………………………………………………………….15
Sơ đồ 8 Tổng hợp 1-cyano-4-phenylethynylbenzene bằng xúc tác nano Pd(0)…………16
Sơ đồ 9 Tổng hợp aryl acetylene bằng phản ứng Sonogashira với xúc tác không chứa kim
loại chuyển tiếp Pd................................................................................................16
Sơ đồ 10 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethylnyl)quinoxaline bằng phản ứng Sonogashira với
xúc tác là phức Pd(0)…………………………………………………………...17
Sơ đồ 11 Phản ứng ghép cặp Glaser tạo diphenyldiacetylene..............................................20
Sơ đồ 12 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline từ 2,3-dichloroquinoxaline...........20
Trang vi
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Sơ đồ 13 Tổng hợp DAPQ bằng xúc tác nano Pd(0)/PEG..................................................24
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
DANH MỤC CÁC HÌNH
------
Hình 1 Tần số sóng âm………………………………………………………………….11
Hình 2 Quá trình phát triển của bọt khí............................................................................12
Hình 3 Thanh siêu âm.......................................................................................................12
Hình 4 Tổng hợp DAPQ với tỉ lệ mol chất nền và tác chất là (1) 1:2, (2) 1:3, (3) 1:4.....25
Hình 5 Tổng hợp DAPQ với môi trường base (1) K2CO3, (2) K3PO4, (3)
CH3COONa...27
Hình 6 Tổng hợp DAPQ với biên độ siêu âm. (1) 30%, (2) 50%, (3) 70%.....................29
Hình 7 TLC của DAPQ…………………………………………………………………32
Hình 8 Hợp chất DAPQ…………………………………………………………………32
Hình 9 TLC của m-DAPQ ..............................................................................................33
Hình 10 Hợp chất m-DAPQ...............................................................................................33
Hình 11 Hệ thống chưng cất DMF……………………………………………………...37
Hình 12 Điều chế nano Pd(0)/PEG trên máy khuấy từ.......................................................38
Hình 13 Tổng hợp DAPQ bằng xúc tác nano Pd(0)/PEG thanh siêu âm...........................39
Hình 14 Cột sắc ký tách sản phẩm DAPQ……………………………………………...39
Trang vii
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Hình 15 Sản phẩm DAPQ sau lọc cột sắc kí…………………………………………..39
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
DANH SÁCH PHỤ LỤC
------
PHỤ LỤC 1 PHỔ MS CỦA 2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE (DAPQ)
PHỤ LỤC 2 PHỔ MS CỦA m-DAPQ
PHỤ LỤC 3 PHỔ SEM CỦA NANO Pd(0)
PHỤ LỤC 4 PHỔ XRD CỦA NANO Pd(0)
Trang viii
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
PHỤ LỤC 5 PHỔ TEM CỦA NANO Pd(0)
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
MỞ ĐẦU
------
Cùng với sự phát triển của xã hội, tốc độ phát triển của ngành hóa hữu cơ gần đây
hết sức nhanh chóng. Hàng triệu các hợp chất đã được tổng hợp ra với nhiều ứng dụng.
Trong đó, các hợp chất có cấu trúc dạng enediyne đã thu hút được sự chú ý bởi hoạt tính kháng sinh và những hoạt động sinh hóa[2]. Các hợp chất enediyne thường được tổng hợp bằng phản ứng Sonogashira.
Trong phản ứng Sonogashira, với xúc tác palladium truyền thống phản ứng xảy ra
trong điều kiện êm dịu, nhiều phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, xúc tác
palladium trong sự hiện diện của muối CuI thường tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn là dialkynylarene (ghép cặp Glaser)[3] làm giảm hiệu suất của phản ứng chính và rất khó để
loại bỏ được chúng. Triethylamine hay piperidine là các base được dùng trong phản ứng
Sonogashira thường có mùi khó chịu và ảnh hưởng đến sức khỏe. Thêm vào đó, ligand
triphenylphosphine là một hóa chất mang tính độc hại lại vừa đắt tiền. Chính vì thế mà việc
sử dụng xúc tác palladium không ligand, không muối CuX trong phản ứng Sonogashira
được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm.
Thời gian gần đây, xúc tác nano Pd(0) được nghiên cứu và ứng dụng nhiều vào
phản ứng Sonogashira góp phần giải quyết tất cả các vấn đề trên. Xúc tác nano Pd(0) đã [5], PEG[6] và được sử dụng được tổng hợp trên các chất mang khác nhau như PVP[4], Fe3O4 làm xúc tác cho các phản ứng ghép cặp Suzuki[5], Heck [6]và Sonogashira[7]. Dựa trên những
cơ sở khoa học đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Tổng hợp 2,3-
bis(phenylethynyl)quinoxaline từ 2,3-dichloroquinoxaline bằng phản ứng Sonogashira
sử dụng xúc tác nano Palladium(0)” đồng thời ứng dụng kỹ thuật mới trong tổng hợp hữu
Trang 1
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
cơ - kỹ thuật siêu âm để thực hiện phản ứng Sonogashira nhằm rút ngắn thời gian phản ứng và cải tiến hiệu suất của quá trình.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Mục tiêu của đề tài
Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline (DAPQ) từ -
2,3-dichloroquinoxaline và phenyl acetylene bằng phản ứng Sonogashira sử dụng xúc tác
nano Pd(0) trên chất mang PEG, đồng thời khảo sát tìm ra điều kiện phản ứng tối ưu.
Nội dung nghiên cứu
Tổng hợp xúc tác Pd(0) -
Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline (DAPQ) từ -
2,3-dichloroquinoxaline và phenyl acetylene sử dụng xúc tác nano Pd(0) trên chất mang
Trang 2
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
PEG.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chương 1 TỔNG QUAN
Trang 3
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
1.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG SONOGASHIRA
1.1.1 Sơ lược về phản ứng Sonogashira
Phản ứng Sonogashira là một phản ứng ghép cặp của alkyne đầu mạch với vinyl hay aryl halide do Kenkichi Sonogashira và Nobue Hagihara đề xuất vào năm 1975[8]. Phản ứng
được xúc tác bởi phức Pd(0) và muối copper(I) halide trong môi trường base. Phản ứng
Pd cat, Cu cat
CH
C
X +
R2
C
C
R1
+ HX
R1
R2
base, rt
R1= aryl, vinyl hay pyridyl X= halogen
Sonogashira là một trong những phản ứng ghép cặp quan trọng và hiệu quả nhất để hình thành liên kết carbon - carbon (sp2 - sp) trong tổng hợp hữu cơ[3].
Trang 4
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Sơ đồ 1 Phản ứng Sonogashira tổng quát
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
1.1.2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira
Cl
Ph3P
II Pd
Cl
Ph3P
Pd(0) = (PPh3)2Pd(II)= [(PPh3)2Pd(II)]X-
CuC CR2
HX.amine
chu ki B'
công oxi hóa
R1
CuX
R1 X
HC CR2
Pd(II)
X
CuC C R2
HX.amine
CII
Ph3P
Pd
Pd(0)
chu ki B
chu ki A
CR2 CR2
C
Ph3P
HC C R2
R2C C C CR2
CuX chuyÓn kim lo¹i
R1
Pd(II)
R1 C C R2 khö t¸ch
C CR2
Sơ đồ 2 Chu trình xúc tác của phản ứng Sonogashira
Cơ chế của phản ứng Sonogashira gồm có ba bước chính[8]:
1) Cộng hợp oxi hoá xúc tác Pd(0) vào dẫn xuất halogen tạo thành hợp chất trung
gian R1−Pd(II)−X
2) Tạo hợp chất trung gian R1−Pd−C≡CR2(+ CuX) bằng phản ứng chuyển kim
loại, ngoài vai trò xúc tác của Pd, trong quá trình xảy ra phản ứng Sonogashira còn có thể có
sự hình thành hợp chất copper(I) acetylide cùng tham gia trong giai đoạn chuyển kim loại
(chu kỳ B)
3) Khử tách loại R1C≡CR2 và xúc tác Pd(0)từ hợp chất cơ kim R1−Pd−C≡CR2,
amine đóng vai trò chất khử, khử Pd (II) về Pd (0)
1.1.3 Điều kiện phản ứng
Phản ứng dễ xảy ra trong điều kiện có mặt của các nhóm thế khác nhau ở cả hai tác
Trang 5
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
chất, phản ứng Sonogashira đã thật sự tạo điều kiện để tổng hợp nhiều dẫn xuất acetylene của arene và heteroarene[9,10]. Tiếp theo sau đó là nhiều nghiên cứu ứng dụng xúc tác Pd
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
trong tổng hợp hữu cơ cũng không kém phần hiệu quả như phản ứng Stille với sự tham gia của các dẫn xuất cơ kim Sn của acetylene[11,12] hay phản ứng Suzuki[13,14].
Trong phản ứng Sonogashira, xúc tác thường được sử dụng là phức Pd(0) và muối
copper(I) halide. Phức Pd(0) hoạt hóa các hợp chất halide bằng cách cộng oxi hóa vào liên
kết giữa carbon và halogen[38]. Phức Pd(II) như (PPh3)2PdCl2
(bis(triphenylphosphine)palladium(II) chloride) được dùng làm nguồn nguyên liệu cung cấp
Pd(0) do bị khử bởi alkyne đầu mạch trong phản ứng trung gian. Trong khi đó sự hiện diện
của copper(I) halide đóng vai trò chuyển kim loại, phản ứng với alkyne đầu mạch tạo thành copper(I) acetylide - hoạt động như một chất hoạt hóa của phản ứng ghép cặp.
Sản phẩm trung gian của phản ứng là các hydrogen halide, vì vậy các hợp chất
alkylamine như triethylamine và diethylamine hay piperidine được sử dụng làm môi trường
base cho phản ứng, bên cạnh đó còn có sự tham gia của dung môi DMF, các base K2CO3
hay CsCO3 còn có thể được dùng để thay thế cho các alkylamine. Ngoài ra, điều kiện quan
trọng cần thiết cho phản ứng Sonogashira là phản ứng xảy ra trong hệ thống kín hạn chế
không khí lọt vào vì phức Pd(0) không ổn định trong không khí và oxygen thúc đẩy sự hình thành của sản phẩm phụ dialkynylarene[38].
1.2 GIỚI THIỆU VỀ XÚC TÁC PALLADIUM TRONG PHẢN ỨNG
SONOGASHIRA
Bên cạnh những xúc tác Pd thông dụng được trình bày ở trên, ngày nay xúc tác Pd
ngày càng được đa dạng hóa dưới nhiều hình thức khác nhau nhằm vào mục tiêu là xúc tác
không ligand, không muối CuX và không alkylamine trong phản ứng Sonogashira.
1.2.1 Xúc tác Pd không ligand, không chất mang
Phản ứng ghép cặp Sonogashira không có sự hiện diện của CuI, sử dụng xúc tác là
muối Pd không ligand trong dung môi DMF xảy ra ở nhiệt độ phòng, TBAA
(tetrabutylammonium acetate) được dùng như một base. Muối tetrabutylammonium
carboxylate được sử dụng để khử Pd(OAc)2 thành những hạt nano Pd(0).
H
Ph
+
Br
CN
Ph
CN
Pd(OAc)2 Bu4NOAc, 50oC
Trang 6
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Sơ đồ 3 Tổng hợp aryl alkyne bằng xúc tác Pd không ligand, không chất mang
Ngoài ra, phản ứng ghép cặp Sonogashira mà không có sự hiện diện của CuI còn có
thể xảy ra trong môi trường nước trong sự hiện diện của polyethylene glycol - 400 (PEG - 400) như là xúc tác chuyển pha, nhưng hiệu suất của phản ứng thấp[15].
1.2.2 Xúc tác nano Pd
Hạt nano kim loại chuyển tiếp là chất xúc tác có hiệu quả cho quá trình chuyển kim loại[15].Nhiều nghiên cứu cho rằng hạt nano kim loại chuyển tiếp có diện tích bề mặt lớn[16,17,18,19], tính chất này đã tạo ra những ứng dụng thú vị trong nhiều phản ứng khác nhau như phản ứng hydrogene hóa[20,21], phản ứng ghép cặp tạo nối C−C[22,23], phản ứng Fisher –
Tropch, phản ứng oxi hóa. Sự phát triển của xúc tác nano cho hiệu quả và độ chọn lọc của
phản ứng cũng như việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác.
Hạt nano kim loại chuyển tiếp được quan tâm trong hệ thống xúc tác đồng thể và dị thể phụ thuộc vào kích thước hạt[24] . Kích thước hạt nano liên quan đến khả năng phản ứng
của nó, những hạt nano có kích thước nhỏ cho phép sự cộng oxi hóa của kim loại vào liên
kết carbon - halogen dễ dàng hơn. Tuy nhiên hạt nano thường không bền và bị keo tụ hóa
trong một vài trường hợp làm mất hoạt tính xúc tác và việc tái sử dụng xúc tác thường khó
khăn. Chính vì thế mà một số chất như polymer, chất hoạt động bề mặt, và ligand đã được
ứng dụng để điều chế hạt nano nhằm ngăn cản sự keo tụ hóa này. Trong một vài trường hợp,
một số chất làm bền này cũng hấp phụ mạnh những hạt nano trên bề mặt làm mất hoạt tính của chúng[15] .
Gần đây, xúc tác nano Pd được ứng dụng để nghiên cứu phản ứng Heck[22] , phản ứng Suzuki và phản ứng Sonogashira[25] . Hạt nano Pd trong dung dịch colloid cũng như
trên các chất mang khác nhau như PVP, Fe3O4, PEG... được dùng làm xúc tác trên phản
ứng Sonogashira. Nano Pd colloid được bền vững hóa trên chất mang PVP
(poly(vinylpyrrolidone)) bằng cách đun nóng Pd(OAc)2 trong sự hiện diện của PVP với tác nhân khử là MeOH[26] hay khử H2PdCl2 trong sự hiện diện của PVP với tác nhân khử là
EtOH. Kích thước của nano Pd/PVP bị ảnh hưởng nhiều bởi loại tác nhân khử và nồng độ
tác nhân khử. Do đó, sự lựa chọn alcohol với nồng độ thích hợp là quan trọng trong việc
Trang 7
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
điều khiển kích thước hạt nano Pd. PVP làm bền vững hóa hạt nano Pd ngăn cản sự keo tụ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
hóa. Năm 1986, H. Hirai và cộng sự[27] cho rằng nhóm carbonyl trên PVP tạo liên kết phối
trí trên bề mặt nguyên tố Pd của hạt nano Pd. Đồng thời chuỗi mạch chính của PVP cũng
được cho là hấp phụ nguyên tố Pd trên bề mặt bởi tương tác kỵ nước.
Nano Pd cluster trên chất mang PEG được điều chế bằng cách đun nóng PdCl2 trong PEG[6] . Khả năng phản ứng của nano Pd/PEG tương tự như hầu hết các nano Pd
colloid khác. Trong trường hợp này PEG đóng vai trò là chất khử, khử Pd(II) thành Pd(0),
đồng thời cũng là chất mang làm bền hạt nano Pd(0). Hệ xúc tác nano Pd/PEG đã được sử
dụng cho phản ứng Heck hiệu quả . Phản ứng Sonogashira sử dụng xúc tác nano Pd có thể
được thực hiện trong nhiều loại dung môi khác nhau như dung môi hữu cơ (DMF, EtOH, acetone,...), nước, hay chất lỏng ion.
Chu trình xúc tác nano Pd(0) trong phản ứng Sonogashira[7] được trình bày theo sơ
đồ sau:
Pd - cluster
RCl
A Pd(0) leaching
R
céng oxi hãa
recluster sau ph¶n øng
Cl
Pd(0) nguyªn tö
B
céng oxi hãa
Pd(II) leaching
R
X
X + RCl
Ph
X
Pd
Cl
+X
dung m«i
Ph
H
R khö t¸ch
+ base
+ Cl
R
base -H+ chuyÓn kim lo¹i
Ph
X
Pd
X: Cl, NO3, OAc
dung m«i
Trang 8
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Sơ đồ 4 Chu trình xúc tác nano Pd - cluster trong phản ứng Sonogashira
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
− Con đường A liên quan đến việc gạn lọc Pd(0) (Pd(0) leaching) từ các vị trí
khiếm khuyết trên các cluster rồi sau đó được ổn định bởi các anion phối hợp và các dung
môi để tạo thành một phức đồng thể của Pd(0). Tiếp theo là sự cộng oxi hóa của alkyl
chloride (RCl) vào phức Pd(0) cho phức Pd(II), tham gia vào chu trình xúc tác.
− Con đường B, đầu tiên alkyl chloride (RCl) tấn công vào một vị trí khiếm khuyết
trên các cluster của Pd, giải phóng phức Pd(II) vào trong dung dịch, tham gia vào chu trình
xúc tác. Sự tấn công ái nhân của phenylacetylene trên phức alkyl-Pd(II)-Cl(dung môi)X
diễn ra đồng thời với quá trình deproton hóa của phenylacetylene. Cuối cùng, dung dịch của
Pd có thể tạo cluster mới trở lại (re-cluster) nhưng các hạt nhỏ hơn sau khi qua bước khử
tách. Cơ chế này là phù hợp với kết quả thu được từ phân tích TEM và nghiên cứu động học[7] .
1.3
GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ 2,3-DICHLOROQUINOXALINE
(DCQ)
CCll
Công thức cấu tạo o
NN
CCll
NN
22,,33--ddiicchhlloorrooqquuiinnooxxaalliinnee
o Khối lượng phân tử 199,04 g/mol o
2,3-dichloroquinoxaline là một dihalide của quinoxaline, chất này ở dạng bột mịn màu vàng nhạt, nhiệt độ nóng chảy là 1520C (ghi trên nhãn lọ hóa
chất).
1.4 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ PHENYL ACETYLENE
Trang 9
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Công thức cấu tạo o
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Phenyl acetylene
Phenyl acetylene là một hydrocarbon thuộc hợp chất alkyne có chứa nhóm o Khối lượng phân tử: 102,133 g/mol o Khối lượng riêng : 0,93 g/ml o
phenyl. Phenyl acetylene tồn tại ở thể lỏng không màu và nhớt. Trong nghiên cứu đôi khi
người ta sử dụng phenyl acetylene như acetylene.
Qui trình tổng hợp phenyl acetylene:Trong phòng thí nghiệm phenyl acetylene có
thể được điều chế bằng cách tách hydrobromide từ dibromide styrene với xúc tác là NaNH2
(amide natri) trong amoniac. Ngoài ra cũng có thể điều chế phenyl acetylene bằng cách tách
NNaaNNHH22
NNHH33
BBrr
hydro bromide từ bromostyrene với xúc tác là KOH nóng chảy.
BBrr
Sơ đồ 5 tổng hợp phenyl acetylene
1.5 GIỚI THIỆU VỀ SIÊU ÂM
1.5.1 Định nghĩa siêu âm
Siêu âm là âm thanh có tần số nằm ngoài ngưỡng nghe của con người (16 Hz - 18
kHz). Sóng siêu âm ứng dụng trong lĩnh vực hóa học cũng như trong công nghệ tẩy rửa hóa chất,… thường là vùng có tần số khoảng (20-100 KHz)[28] .
Công dụng của siêu âm trong dãy tần số cao được chia làm hai vùng[28] :
Vùng thứ nhất (2-10 MHz): sóng siêu âm có năng lượng thấp, tần số cao. Nó -
Trang 10
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
được sử dụng trong y khoa, phân tích hóa học và nghiên cứu hiện tượng thư giãn.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Vùng thứ hai (20-100 KHz): sóng siêu âm có năng lượng cao, tần số thấp. Nó -
được sử dụng trong việc rửa, hàn plastic và ảnh hưởng đến khả năng phản ứng hóa học.
Hình 1 Tần số sóng âm
Nếu trong môi trường có nước, dưới tác dụng của siêu âm nước sẽ bị phân giải
thành các gốc tự do.
H• + OH•
H2O2 H2O + O•
H2 + O2 •
H2O → OH• + OH• → OH• + OH• → OH• + OH• → H• + O2 → OH• + H2O → HO2 H2O2 + H• …
Các gốc tự do này sẽ oxide hóa hoặc hoàn nguyên các chất có trong môi trường và
Trang 11
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
kết quả là phát quang với độ dài sóng thuộc vùng khả kiến.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
1.5.2 Vai trò của siêu âm trong tổng hợp
Nó cung cấp một hình thức năng lượng để thúc đẩy phản ứng hóa học khác với các
hình thức trước đây như nhiệt, ánh sáng và áp suất. Siêu âm ảnh hưởng lên các phản ứng
thông qua sự tạo bọt. Bọt khí được hình thành trong suốt chu kỳ sóng khi chất lỏng bị tách
ra thành từng phần để hình thành những bọt nhỏ và bị vỡ trong chu kỳ nén kế tiếp. Sự vỡ bọt khí sẽ tạo ra áp suất khoảng hàng trăm atm và nhiệt độ khoảng hàng ngàn độ.
Hình 2 Quá trình phát triển của bọt khí
1.5.3 Thiết bị siêu âm
Thiết bị siêu âm chủ yếu được sử dụng là thanh siêu âm (20 kHz)
Trang 12
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Hình 3 Thanh siêu âm
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Năng lượng siêu âm được cung cấp trực tiếp đến phản ứng thông qua thanh siêu âm
được làm bằng hợp kim titanium. Năng lượng siêu âm được phát ra từ thanh và được tạo ra
bởi sự tạo rung của chóp thanh. Thông thường, thanh siêu âm chỉ có một tần số 20 kHz
nhưng trong một vài thiết bị hiện đại đã cho phép việc lựa chọn tần số. Loại thanh này có sự
tập trung năng lượng cao, gọn, có thể điều chỉnh những tần số khác nhau nhưng có thể làm nhiễm bẩn chất lỏng vì chóp thanh bị gỉ sau một thời gian sử dụng[28] .
1.5.4 Ưu nhược điểm của siêu âm
1.5.4.1 Ưu điểm của siêu âm
Phản ứng được gia tốc mà không cần tác chất khác đưa vào. −
Sản phẩm thu được không lẫn tạp chất. −
Sử dụng tác nhân thô hơn, độ sạch thấp hơn phản ứng vẫn xảy ra. −
Có thể giảm bớt các bước phản ứng trung gian. −
Trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, siêu âm có những đóng góp đáng chú ý: xáo trộn
rất tốt hỗn hợp phản ứng, làm tăng sự tiếp xúc giữa các phân tử các chất đạt đến mức tối đa
giữa các pha khí - khí, khí - lỏng (phản ứng ozone hóa), lỏng - lỏng (phản ứng ester hóa),
lỏng - rắn (phản ứng Grignard) mà các phương tiện khác như khuấy cơ, khuấy từ,… không tốt hơn được. Từ đó, siêu âm giúp làm gia tăng tốc độ của hầu hết các phản ứng hữu cơ[28] .
1.5.4.2 Nhược điểm của siêu âm
Bồn siêu âm chỉ có một tần số cố định, đôi khi không kiểm soát được nhiệt độ (khi
siêu âm trong thời gian dài), không thực hiện được ở nhiệt độ thấp.
1.6 NHỮNG NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY
1.6.1 Ngoài nước
Trong thời gian gần đây xúc tác nano Pd(0) trên các chất mang khác nhau được
nghiên cứu và ứng dụng nhiều vào phản ứng Sonogashira. Tuy nhiên, chúng tôi chỉ trình
Trang 13
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
bày một số công trình được xem là đáng chú ý liên quan đến đề tài.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
1.6.1.2 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0)/PVP
Năm 2005, Lei Wang và cộng sự[25] đã tiến hành ghép các aryl halide với các alkyne
đầu mạch bằng xúc tác nano Pd(0)/PVP cho hiệu quả tốt (96%) và 90% khi sử dụng xúc tác
Pd(OAc)2/n-Bu4NBr (xúc tác Jeffery). Phản ứng Sonogashira được thực hiện mà không có
sự hiện diện của CuX, amine và PPh3 trong phản ứng. Tác giả đã chỉ ra rằng các hạt nano
Pd(0) trên chất mang PVP (kích thước hạt 7 nm) được tìm thấy trong vùng từ 0,5-5,0 %mol
khi sử dụng 1 %mol xúc tác nano Pd(0)/PVP thì phản ứng cho hiệu suất cao nhất 95%.
R1
R1
Pd(0)/PVP-K2CO3-EtOH
R
H
X
R
+
X: F, Br R: CH3, C6H5 R1: CH3, CF3, NO2, CN
Sơ đồ 6 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0)/PVP
Tác giả đã khảo sát hàng loạt các yếu tố khác như dung môi và base để tìm ra điều
kiện tối ưu cho phản ứng. Vì tính chất phân cực của PVP, phản ứng được thực hiện trong
dung môi MeOH và EtOH đem lại hiệu quả cao nhất. DMSO và DMF cũng được sử dụng
nhưng phản ứng xảy ra chậm hơn, và không có sản phẩm ghép cặp mong muốn khi sử dụng
toluene, dichloromethane, THF và acetonitrile.
Phản ứng được tiến hành với nhiều loại base khác nhau, K2CO3 là base tốt nhất
trong trường hợp này. Những base khác như KOAc, KF và K3PO4 về căn bản là kém hiệu
quả hơn. Khi dùng KOH thì sản phẩm chỉ thu được ở dạng vết. Với triethylamine,
piperidine và dibenzylamine phản ứng có xảy ra nhưng hiệu suất thấp.
Ngoài tính hiệu quả, đơn giản và dễ thực hiện của phản ứng, xúc tác nano
Pd(0) trên chất mang PVP có thể thu hồi và tái dụng sau 8 lần phản ứng mà không bị mất
hoạt tính.
Trang 14
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
1.6.1.2 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0) dưới điều kiện siêu âm
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
+
X
H
R1
R2
R1
R2
CH3COCH3 hay [bbim]BF4 TEA, PdCl2, 30OC, siêu âm
R1 = H, CH3, NO2, CHO R2 = aryl, cyclohexyl X = I, Br
Sơ đồ 7 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng xúc tác nano Pd(0) dưới điều
kiện siêu âm
Khác với L. Wang, K. V. Srinivasan và cộng sự [37] đã tổng hợp dẫn xuất aryl
acetylene bằng xúc tác nano Pd(0) trong dung môi acetone và chất lỏng ion ([bbim]BF4,
1,3-di-n-butylimidazolium tetrafluoroborate) cho hiệu quả cao (65-93%). Phản ứng dưới sự
hỗ trợ của siêu âm đã diễn ra êm dịu ở nhiệt độ phòng. Thậm chí có sự hiện diện xúc tác của
muối CuX và PPh3. Khi thực hiện phản ứng trong dung môi acetone kích thước hạt nano
Pd(0) thu được từ 3-8 nm và phản ứng chuyển hóa tốt từ 15-90 phút. Còn khi thực hiện phản
ứng trong chất lỏng ion kích thước hạt nano Pd(0) thu được từ 10-20 nm và phản ứng
chuyển hóa từ 2-3 giờ. Trong dung môi acetone, việc thu hồi và tái sử dụng lại các hạt nano
palladium là rất khó khăn. Tuy nhiên, trong môi trường chất lỏng ion [bbim]BF4, xúc tác
nano Pd(0) có thể tái sử dụng 5 lần mà không bị giảm hoạt tính.
Sản phẩm ghép cặp Glaser chỉ thu được ở dạng vết đối với iodobenzene, và từ 6-7%
đối với bromobenzene. Đồng thời tác giả cũng chỉ ra rằng dưới sự hỗ trợ của siêu âm, phản
ứng diễn ra nhanh hơn. Siêu âm không chỉ tạo ra những hạt nano Pd(0) là xúc tác hoạt tính
cho phản ứng mà còn làm tăng hoạt tính của những xúc tác này trong chu trình xúc tác của
phản ứng Sonogashira. Đây là cơ sở để chúng tôi ứng dụng kỹ thuật siêu âm vào sơ đồ tổng
hợp.
1.6.1.3 Tổng hợp dẫn xuất 1-cyano-4-phenylethynylbenzene bằng xúc tác nano Pd(0)
Trong công trình nghiên cứu của B. Thathagar và cộng sự[7], hạt nano Pd(0) -
cluster được tổng hợp từ Pd(NO3)2 với tetraoctylammonium glycolate trong DMF. Sau đó,
Trang 15
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
chúng được dùng làm xúc tác cho phản ứng giữa phenylacetylene và 4-bromobenzonitrile
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
trong dung môi DMF, base được sử dụng là tetrabutylammonium acetate (TBBA). Hạt nano
Pd(0) được tạo ra ở dạng đám (cluster) có hoạt tính tương tự như phức Pd(dba)2 đồng thể.
hay
Ph
H
+
Br
CN
Ph
CN
xt Pd Bu4NOAc, 50oC
Sơ đồ 8 Tổng hợp 1-cyano-4-phenylethynylbenzene bằng xúc tác nano Pd(0)
1.6.1.4 Tổng hợp dẫn xuất aryl acetylene bằng phản ứng Sonogashira với xúc tác không
chứa kim loại chuyển tiếp Pd
Năm 2003, Leadbeater và cộng sự[29] đã tổng hợp dẫn xuất aryl alkyne bằng phản
ứng Sonogashira mà không có sự hiện diện của xúc tác kim loại chuyển tiếp Pd. Phản ứng
được thực hiện trong môi trường nước dưới điều kiện vi sóng. NaOH đóng vai trò base, và
PVP được sử dụng như là một chất xúc tác chuyển pha. Tuy nhiên phản ứng bị giới hạn chỉ
dùng cho aryl iodide và alkyne đầu mạch có chứa vòng thơm.
R1
R1
R
H
R
X
+
PEG, NaOH H2O, vi sãng
X: Br, I R: Ph, C4H9 R1: H, CH3, COMe, NO2
Sơ đồ 9 Tổng hợp aryl acetylene bằng phản ứng Sonogashira với xúc tác không
chứa kim loại chuyển tiếp Pd
1.6.2 Trong nước
Tổng hợp 2,3-bis(phenylethylnyl)quinoxaline bằng phản ứng Sonogashira với xúc tác là
phức Pd(0)
Năm 2011, trong công trình nghiên cứu của Nguyễn Thanh Quyên[33], sinh viên
Trang 16
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
trường ĐH Sư Phạm TP HCM, tác giả đã tổng hợp 2,3-bis(phenylethylnyl)quinoxaline từ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2,3-dichloroquinoxaline bằng phản ứng Sonogashira sử dụng kỹ thuật mới trong tổng hợp
hữu cơ là siêu âm, với xúc tác phức Pd(0) có sự hiện diện của muối CuI trong dung môi
DMF xảy ra ở nhiệt độ phòng, trong điều kiện không có không khí, (C2H5)3N
(triethylamine) được sử dụng như một base. Độ chuyển hóa đạt 65,71%.
C
N
C
N
Cl
Pd2(dba)3 CuI PPh3
+ 2
HC C
2HCl
+
N
Cl
N
C
phenyl acetylene
(C2H5)3N, N2,DMF
2,3-dichloquinoxaline
C
DAPQ
Sơ đồ 10 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethylnyl)quinoxaline bằng phản ứng
Trang 17
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Sonogashira với xúc tác là phức Pd(0)
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chương 2 NGHIÊN CỨU
2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trang 18
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2.1.1 Nội dung nghiên cứu
2.1.1.1 Tổng hợp xúc tác Pd(0) trên chất mang PEG
Hạt nano Pd(0) có thể được điều chế bằng cách khử muối Pd(II) trong dung dịch nước hay trong dung môi hữu cơ với các tác nhân khử khác nhau như hydrazine[36], hydrogene[30,31] và sodium borohydride[32]. Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành điều chế hạt
nano Pd(0) trên chất mang PEG mà không dùng bất kỳ tác nhân khử nào khác. PEG đóng
vai trò là chất khử đồng thời bảo vệ những hạt nano Pd(0) tránh sự keo tụ hóa. PEG có phân tử lượng càng lớn thì tính khử càng cao[6]. Năm 2005, C. Luo và cộng sự[12] đã chỉ ra rằng
hạt nano Pd(0)/PEG có độ bền cao (có thể bảo quản hàng tháng mà không bị mất hoạt tính)
và có thể tái sử dụng 6 lần trong phản ứng Heck.
2.1.1.2 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline với xúc tác nano Pd(0) trên chất
mang PEG
Hợp chất 2,3-dichloquinoxaline là dẫn xuất dihalide của quinoxaline, một hợp chất
dị vòng có nhiều ứng dụng trong hóa học hữu cơ. Để tổng hợp
2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline chỉ cần thực hiện qua một giai đoạn là ghép cặp 2,3-dichloquinoxaline với phenylacetylene. Năm 2010, A. V. Gulevskaya và cộng sự[35] đã
tiến hành tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline trên thiết bị khuấy từ, với xúc tác
Pd(PPh3)2Cl2/CuI/Et3N trong thời gian 4 giờ, cho hiệu suất 69%. Tuy nhiên xúc tác phức
palladium với ligand PPh3 thường nhạy cảm với không khí và độ ẩm nên phản ứng phải
được thực hiện trong môi trường khí N2. Nếu kiểm soát môi trường khí trơ không tốt, sự
có mặt của O2 không khí trong sự hiện diện của CuI thúc đẩy sự tạo thành sản phẩm phụ diphenyldiacetylene (ghép cặp Glaser)[3] đi kèm với sản phẩm chính, đồng thời ligand
triphenylphosphine là một hóa chất mang tính độc hại lại vừa đắt tiền. Để cải tiến những
hạn chế trên, chúng tôi chọn lựa giải pháp sử dụng xúc tác nano Pd(0) trên chất mang PEG
Trang 19
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
dưới điều kiện siêu âm để tiến hành phản ứng.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CH
C
2
CuI Et3N, O2
Diphenyldiacetylene
Sơ đồ 11 Phản ứng ghép cặp Glaser tạo diphenyldiacetylene
Như vậy, dựa vào các kết quả nghiên cứu trước đây chúng tôi chọn Sơ đồ 12 để
tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline (DAPQ) từ nguồn nguyên liệu đầu
2,3-dichloroquinoxaline , xúc tác nano Pd(0) trên chất mang PEG, phản ứng được mô tả qua
sơ đồ sau:
N
Cl
N
N
Cl
N
+ Phenylacetylene nano Pd(0)/DMF, base, siêu âm
2,3-Dichloroquinoxaline
DAPQ
Sơ đồ 12 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline từ 2,3-dichloroquinoxaline
Đặc điểm của sơ đồ
Ứng dụng xúc tác nano Pd(0)/PEG vào qui trình tổng hợp để thay thế cho xúc -
tác Pd2(dba)3/CuI/PPh3/Et3N góp phần giải quyết vấn đề về môi trường. Phản ứng xảy ra
không có sự hiện diện của CuI nên tránh được sự ghép cặp Glaser tạo sản phẩm phụ
dialkynylarene.
Ứng dụng kỹ thuật mới trong tổng hợp hữu cơ cụ thể là kỹ thuật siêu âm để -
Trang 20
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
thực hiện các phản ứng trong Sơ đồ 12 nhằm nâng cao hiệu suất.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2.1.2 Các phương pháp nghiên cứu
Xác định cấu trúc sản phẩm được thực hiện bằng các phương pháp phân tích hiện
đại:
Phổ khối MS −
− Kích cỡ và hình dạng hạt nano được xác định bởi SEM (JEOL-JSM-7401F)
và TEM (JEM-1400-Nhật)
Xác định Pd(0) và PEG bằng phổ XRD trên máy D8ADVANCE - Brucker −
Đức.
2.1.2.1
Theo dõi các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng
Sản phẩm được kiểm tra các hằng số vật lý như điểm nóng chảy. −
Khảo sát trên thanh siêu âm, tỷ lệ mol giữa chất nền 2,3-dichloquinoxaline và −
tác chất phenyl acetylene, biên độ của thanh siêu âm, môi trường base để xác định điều kiện
mà phản ứng cho độ chuyển hóa tốt nhất (TLC monitoring).
2.1.2.2
Qui ước và tính toán
So sánh các kết quả với phương pháp truyền thống. −
=
(%)
.100
H
m tt m lt
- Hiệu suất cô lập của các chất tổng hợp, được tính theo công thức
Trong đó:
o mtt: khối lượng sản phẩm cô lập được thực tế (gam)
o mlt: khối lượng sản phẩm tính toán theo lý thuyết (gam)
o H (%): hiệu suất của sản phẩm tổng hợp được (%)
2.2 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP 2,3-BIS(PHENYLETHYNYL) QUNIXALINE
2.2.1 Qui trình tổng hợp
Trang 21
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Phenyl acetylene
2,3-dichloroquinoxaline
Nano Pd(0), DMF, Base
Siêu âm
Hỗn hợp sản phẩm
Bốc hơi chân không
Hỗn hợp chất rắn
Hòa tan bằng CH2Cl2, nước, chiết với diethyl ether
Dung dịch chiết
1.Rửa nước, nước muối
2.Làm khan bằng MgSO4
3.Cô quay loại bỏ dung môi
Sản phẩm thô
Lọc cột silicagel
Sản phẩm sạch
Hiệu suất
2.2.2 Giải thích quy trình
Phản ứng Sonogashira được thực hiện trên chất nền là 2,3-dichloquinoxaline và tác
chất là phenylacetylene ,cả hai đều là những phổ biến, được bán sẵn trên thị trường. Phản
ứng được thực hiện trong môi trường base, xúc tác là nano Pd(0) và dung môi DMF đã được
xử lý. Hỗn hợp phản ứng sau khi thực hiện xong được cô trong chân không để đuổi dung
môi DMF. Sau khi đã sấy khô, hòa tan chất rắn bằng dichloromethane và nước cất,lớp nước
được chiết tiếp với diethyl ether (2x30ml). Dung dịch chiết được làm khan trong MgSO4,
lọc qua giấy lọc rồi cô quay dung dịch chiết để đuổi hết dung môi. Thu sản phẩm nhờ sắc kí
Trang 22
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
cột. Thu sản phẩm sạch và tính hiệu suất.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2.2.3.1 Khảo sát tỉ lệ số mol giữa tác chất và chất nền
2.2.3 Thực hiện khảo sát các điều kiện tiến hành phản ứng
Để tiến hành khảo sát tỉ lệ mol tác chất và chất nền, cố định số mol chất nền
2,3-dichloroquinoxaline, môi trường base, biên độ siêu âm, thời gian phản ứng. Lần lượt
thay đổi số mol của tác chất để tìm ra điều kiện tối ưu về số mol. Các thông số về số mol
chất nền, thời gian phản ứng và điều kiện phản ứng được chọn như sau:
Cố định số mol chất nền là 0,502 mmol (0,1g) -
Thời gian phản ứng là 4 giờ -
Biền độ siêu âm là 50% (công suất 40w) -
- Môi trường base được tạo bởi K2CO3
Cố định hàm lượng nano Pd(0)/PEG là 2%mol -
2.2.3.2 Khảo sát môi trường base
Thay đổi số mol phenyl acetylene -
Sau khi tìm ra được số mol tối ưu của phenyl acetylene, tiếp tục khảo sát để tìm ra
môi trường base tốt nhất của phản ứng. Các thông số về chất nền, tác chất và điều kiện phản
ứng được chọn như sau:
Số mol chất nền là 0,502 mmol. -
Số mol tác chất là 1,506 mmol (theo tỉ lệ 1:3). -
Cố định biên độ siêu âm là 50% (công suất 40w) -
Cố định thời gian phản ứng là 4 giờ -
Cố định hàm lượng nano Pd(0)/PEG là 2%mol -
2.2.3.3 Khảo sát biên độ siêu âm
Thay đổi các chất tạo môi trường base cho phản ứng -
Sau khi tìm được chất tạo môi trường base tốt nhất, tiếp tục khảo sát để tìm ra biên
độ siêu âm tối ưu của phản ứng. Các thông số cho phản ứng được cụ thể như sau:
Trang 23
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Số mol chất nền là 0,502 mmol. -
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Số mol tác chất là 1,506 mmol (theo tỉ lệ 1:3). -
Cố định thời gian phản ứng là 4 giờ -
- Cố định môi trường base là K2CO3
Cố định hàm lượng nano Pd(0)/PEG là 2%mol -
Thay đổi biên độ siêu âm -
2.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2.3.1 Tổng hợp xúc tác Pd(0) trên chất mang PEG
Xúc tác nano Pd(0)/PEG được điều chế rất đơn giản trên máy khuấy từ. Khuấy hỗn hợp của PdCl2 và PEG theo tỉ lệ mol 1:10 ở 80oC, hỗn hợp phản ứng chuyển dần sang màu
đen sau 2 giờ. Cơ chế tạo nano Pd(0) trên chất mang PEG mà không dùng bất kỳ tác nhân
khử nào khác được cho là do có phản ứng oxi hóa - khử giữa nhóm −OH của PEG và Pd(II)
để hình thành Pd(0) và nhóm −CHO. Trên phổ 1H-NMR của PEG sau phản ứng xuất hiện proton ở độ dịch chuyển hóa học δH = 9,75 ppm của nhóm aldehyde[40].
Trên phổ XRD (phụ lục 4) xuất hiện 2 peak của PEG có cường độ mạnh tại 2θ =
19,2 và 23,3°, cho thấy có sự hiện diện của polymer. Peak đặc trưng của Pd(0) tại 2θ =
39,7°. Trên ảnh SEM (phụ lục 3) có sự hiện diện của Pd(0) ở kích thước nano (nhỏ hơn 50
nm), các hạt nano tập trung ở dạng đám (cluster) trên PEG. Kích thước trung bình của hạt nano Pd(0) đạt khoảng 5 nm trên ảnh TEM (phụ lục 4).
2.3.2 Tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline với xúc tác nano Pd(0) trên
chất mang PEG
CH
C
N
Cl
N
N
Cl
+
+
Nano Pd(0)/PEG, base DMF, siêu âm
N
N
N
Cl
2,3-Dichloroquinoxaline
DAPQ
m-DAPQ
Trang 24
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Sơ đồ 13 Tổng hợp DAPQ bằng xúc tác nano Pd(0)/PEG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Sản phẩm (DAPQ) được tổng hợp từ 2,3-dichloroquinoxaline và phenylacetylene
(tỉ lệ mol 1:3) trên xúc tác nano Pd(0), base, DMF mà không cần tới sự có mặt của ligand và
CuI (Sơ đồ 13). Xúc tác Pd(0) được sử dụng với hàm lượng 2% theo đương lượng mol so
với tác chất. Khi cho xúc tác nano Pd(0)/PEG vào hỗn hợp, dung dịch phản ứng có màu nâu
sau đó đen dần trên thanh siêu âm sau 2 phút. Sản phẩm phản ứng được theo dõi trên TLC.
Tương tự như trường hợp dùng xúc tác Pd2(dba)3/CuI/PPh3, phản ứng điều chế
DAPQ luôn chứa sản phẩm phụ một nhóm thế monophenylethynyl (m-DAPQ)( 2-chloro-
3-(phenylethynyl)quinoxaline). Tỷ lệ tạo thành giữa m-DAPQ và DAPQ được khảo sát
với sự thay đổi các điều kiện phản ứng.
2.3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa chất nền và tác chất đến hiệu suất
của phản ứng tổng hợp DAPQ
Điều kiện phản ứng được lựa chọn như sau:
− Cố định số mol chất nền 2,3-dichloroquinoxaline là 0,502 mmol (0,1g)
− Cố định hàm lượng nano Pd(0)/PEG là 2 %mol
− Cố định biên độ siêu âm 50% (công suất 40w)
− Cố định thời gian phản ứng là 4 giờ
− Môi trường base được tạo bởi K2CO3
Thay đổi số mol phenylacetylene −
Kết quả quan sát trên TLC
(1)
(2)
(3)
Trang 25
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Hình 4 Tổng hợp DAPQ với tỉ lệ mol chất nền và tác chất là (1) 1:2, (2) 1:3, (3) 1:4
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Kết quả cụ thể được trình bày trong bảng sau
Bảng 1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol chất nền và tác chất đến hiệu suất (H%) của
phản ứng tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline (DAPQ)
Sự
Phenyl Thời Sự chuyển chuyển Khối Hiệu suất
STT DCQ acetylene gian hóa hóa lượng cô cô lập
(mmol) (mmol) (giờ) m-DAPQ lập DAPQ DAPQ DAPQ
(theo TLC) (g) (%) (theo
TLC)
1 2 4 Còn vết đậm Vết đậm 0,0613 36,52 1
Không còn vết 1 3 4 Vết đậm 0,1171 70,54 2
Còn vết mờ 1 4 4 Vết đậm 0,1082 65,21 3
80
70.54
70
67.21
60
50
40
36.52
hiệu suất (%)
30
20
10
ti le mol Phenylacetylene: DCQ
0
2
3
4
Trang 26
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Đồ thị 1 Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất theo tỷ lệ mol
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Nhận xét và biện luận
Dựa theo kết quả bảng 1 cho thấy với số mol phenyl acetylene là 3 mmol và 4
mmol lượng chất thu được chênh lệch nhau không đáng kể, nếu so sánh hiệu suất và lượng
tác chất phải sử dụng thì tỷ lệ mol phenyl acetylene là 3 mmol được chọn để thực hiện phản
ứng nhằm mục đích tiết kiệm hóa chất mà vẫn cho hiệu suất tốt.
2.3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của chất tạo môi trường base đến hiệu suất của phản ứng
tổng hợp DAPQ
Điều kiện phản ứng được lựa chọn như sau:
− Cố định tỉ lệ mol giữa 2,3-dichloroquinoxaline và phenyl acetylene là 1:3
− Cố định hàm lượng nano Pd(0)/PEG là 2 %mol
− Cố định biên độ siêu âm là 50% (công suất 40w)
− Cố định thời gian phản ứng là 4 giờ
Thay đổi chất tạo môi trường base −
Kết quả quan sát trên TLC
(2)
(3)
(1)
Trang 27
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Hình 5 Tổng hợp DAPQ với (1) K2CO3, (2) K3PO4, (3) CH3COONa
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Kết quả cụ thể được trình bày trong bảng sau
Bảng 2 Khảo sát ảnh hưởng của môi trường base đến hiệu suất (H%) của phản ứng
tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline (DAPQ)
Sự chuyển Hiệu Khối
Sự chuyển hóa hóa suất cô lượng Môi Thời Tỉ lệ mol
lập cô lập m-DAPQ DAPQ trường gian DCQ: phenyl STT DAPQ DAPQ base (giờ) (theo TLC) (theo TLC) acetylene
(%) (g)
1 1:3 4 Còn vết mờ Vết đậm 0,0867 52,25 K3PO4
CH3COONa
2 1:3 4 Không còn vết Vết đậm 0,1171 70,54 K2CO3
3 1:3 4 Còn vết mờ Vết đậm 0,0919 55,39
Nhận xét và biện luận
Dựa theo kết quả bảng 2 nhận thấy khi thay đổi chất tạo môi trường base cho phản
ứng là K3PO4, K2CO3 và CH3COONa hiệu suất chênh lệch nhau đáng kể, lượng chất thu
được cao nhất trong trường hợp sử dụng K2CO3, do đó K2CO3 được chọn là chất tạo môi
Trang 28
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
trường base tốt cho phản ứng.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
2.3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của biên độ siêu âm đến hiệu suất của phản ứng tổng hợp
DAPQ
Điều kiện phản ứng được lựa chọn như sau:
− Cố định tỉ lệ mol giữa 2,3-dichloroquinoxaline và phenylacetylene là 1:3
− Cố định hàm lượng nano Pd(0)/PEG là 2 %mol
− Cố định thời gian phản ứng là 4 giờ
− Chất tạo môi trường base là K2CO3
Thay đổi biên độ siêu âm −
Kết quả quan sát trên TLC
(1)
(2)
(3)
Hình 6 Tổng hợp DAPQ với công suất 40w, biên độ siêu âm. (1) 30%, (2) 50%,
(3) 70%
Kết quả cụ thể được trình bày trong bảng sau:
Bảng 3 Khảo sát ảnh hưởng của biên độ siêu âm đến hiệu suất (H%) của phản ứng
Trang 29
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline (DAPQ)
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Sự Biên Thời Hiệu Tỉ lệ mol Khối
Sự chuyển hóa chuyển độ gian suất cô lượng DCQ: phenyl hóa
m-DAPQ
siêu (giờ) lập cô lập acetylene STT
DAPQ
âm DAPPQ DAPQ
(tính theo TLC)
(tính theo
(%) (%) (g)
TLC)
60,57 0,1005 Vết đậm Còn vết mờ 30 4 1:3 1
70,54 0,1171 Vết đậm Không còn vết 50 4 1:3 2
47,52 0,0789 Vết đậm Còn vết mờ 70 4 1:3 3
80
70.54
70
60.57
60
50
47.52
40
hiệu suất (%)
30
20
10
0
bien do sieu am(%)
30
50
70
Đồ thị 3 Biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất theo biên độ siêu âm
Nhận xét và biện luận
Dựa theo kết quả bảng 3 nhận thấy khi tiến hành siêu âm ở biên độ 50% trong 4 giờ
thì đạt được hiệu suất chuyển hóa tương đối cao hơn, ở biên độ 70% nhiệt độ tăng có thể
Trang 30
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
ảnh hưởng đến tác chất và sản phẩm sinh ra
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Như vậy: Thông qua kết quả khảo sát trên thiết bị siêu âm, điều kiện thích hợp của
phản ứng tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline từ 2,3-dichloroquinoxaline với xúc
tác nano Pd(0) trên chất mang PEG như sau:
Tỉ lệ mol phenylacetylene/2,3-dichloroquinoxaline là 3:1. -
Thời gian thực hiện phản ứng trên thanh siêu âm là 4 giờ. -
Biên độ siêu âm là 50% (công suất 40w) -
- Chất tạo môi trường base là K2CO3
Sự chuyển hóa của sản phẩm DAPQ đạt gần 100%( theo TLC) -
Hiệu suất cô lập đạt 70,54% -
Bảng 4 So sánh xúc tác Pd2(dba)3/CuI/PPh3 và xúc tác nano Pd(0)/PEG trong phản
ứng tổng hợp DAPQ
Xúc tác Base Thời gian (giờ) Hiệu suất cô lập
DAPQ (%)
Trietylamine 3 65,71%(*) Pd2(dba)3/CuI/PPh3
(*) kết quả đã được nghiên cứu trong tài liệu [33]
Nano Pd(0)/PEG 70,54% 4 K2CO3
Nhận xét và biện luận
Dựa theo bảng 4 khi sử dụng xúc tác nano Pd(0) để thay thế cho xúc tác
Pd2(dba)3/CuI/PPh3 trong tổng hợp DAPQ, sự chuyển hóa DAPQ cao hơn và thời gian
phản ứng có sự chênh lệch không đáng kể. Nhưng xúc tác nano Pd(0) cho nhiều ưu điểm
vượt trội hơn. Như đã phân tích ở trên, khi dùng xúc tác nano Pd(0)/PEG, phản ứng xảy ra
không có sự tham gia của CuI nên không có sự tạo thành của diphenyldiacetylene lẫn vào
sản phẩm. Đồng thời, phản ứng xảy ra trong điều kiện êm dịu mà không cần phải tránh ẩm
tốt hay tránh sự xâm nhập của không khí trong quá trình thực hiện phản ứng như trong
Trang 31
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
trường hợp sử dụng ligand PPh3.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Một ưu điểm nổi bật nữa là sử dụng xúc tác nano Pd(0)/PEG có thể tiết kiệm được
chi phí vì lượng Palladium sử dụng dưới dạng nano Pd(0) là thấp hơn 5 lần so với sử dụng
dưới dạng Pd2(dba)3 và nguồn nguyên liệu tạo phức palladium thường rất đắt.
Base sử dụng trong trường hợp này là K2CO3 để thay thế cho triethylamine, một
dung môi độc hại với môi trường.
2.4
XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC
2,3-BIS(PHENYNYL)QUINOXALINE(DAPQ)
Hình 7 TLC của DAPQ Hình 8 Hợp chất DAPQ
Hợp chất DAPQ là một chất rắn, màu vàng nhạt không tan trong nước, tan -
trong petroleum ether (PE), diethyl ether, hexane, dichlometan
- Sắc ký bản mỏng (TLC) hiện màu bằng dung dịch H2SO4 10% trong
ethanol. Giải ly bằng hệ petroleum ether và ethyl acetate, cho vết tròn màu vàng có Rf =
0,3 (PE:EtOAc=2,5:0,15).
Điểm chảy 125-127°C -
- Phổ khối lượng MS (phụ lục 1): cho mũi m/z = 331,1 [M+H] tương ứng với
Trang 32
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
công thức phân tử C24H14N2 (M=330).
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
- Phổ của DAPQ (IR, 1H-NMR, 13C-NMR, DEPT, HSQC, HMBC) đã được
phân tích ở những báo cáo trước đây.[33]
2.5
XÁC
ĐỊNH
CẦU
TRÚC
2-CHLORO-3-
(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE (m-DAPQ)
Hình 9 TLC của m-DAPQ Hình 10 Hợp chất m-DAPQ
- Hợp chất m-DAPQ là một chất rắn, màu vàng nhạt, tan trong diethylether,
dichlometan, chloroform
- Sắc kí bảng mỏng (TLC) hiện màu bằng dung dịch H2SO4 10% trong ethanol.
Giải ly bằng hệ petroleum ether và ethyl acetate (2,5:0,15) cho vết tròn có Rf = 0,6
- Điểm nóng chảy 91-93oC
- Phổ khối lượng MS (phụ lục 2): cho mũi m/z = 265,0632 [M+H] tương ứng
Trang 33
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
với công thức phân tử C16H9N2Cl (M=264,5).
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chương 3 THỰC NGHIỆM
Trang 34
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
3.1 HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ, DỤNG CỤ XỬ LÝ DUNG MÔI
3.1.1 Hóa chất
o Hóa chất công nghiệp
Acetone −
Hóa chất của Trung Quốc
o
− Nước cất
− Dichloromethane (CH2Cl2)
− Diethyl ether ((C2H5)2O))
− Dimethylformamide (DMF)
− Ethanol (C2H5OH)
− Ethyl acetate (CH3COOC2H5)
− Magnesium sulfate (MgSO4)
Petroleum ether (60-90) −
− Polyethylene glycol (PEG) (Mv = 3500-4000)
− Potassium carbonate (K2CO3)
− Sodium acetate (CH3COONa)
− Tripotassium phosphate (K3PO4)
o Hóa chất của Merck
− Palladium(II) chloride (PdCl2)
2,3-Dichloroquinoxaline −
− Bản mỏng tráng sẵn silica gel dạng 60 F254
− Silica gel dạng 60 F254
o Hóa chất của Aldrich
Trang 35
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Phenylacetylene −
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
3.1.2 Dụng cụ
Bình tam giác (erlen) loại 100 mL, 250 mL. −
Bình cầu cổ nhám 500 mL. −
Bình cô quay 100 mL. −
Becher loại 50 mL, 100 mL, 250 mL, 1000 mL. −
− Ống hút, pipet, đũa thủy tinh, cá từ, đá bọt, lọ thủy tinh, chai đựng mẫu, ống
đong 100 mL, giá đỡ ống nghiệm, kẹp, giá thí nghiệm, ống nghiệm lớn.
3.1.3 Thiết bị
Các thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp gồm có:
− Máy đo điểm tan chảy ELECTROTHERMAL Model 9100, 9200 của Anh, dùng
mao quản không hiệu chỉnh.
− Máy cô quay RE 300, Anh
− Máy đo SEM (JEOL - JSM-7401F, Field Emission Scanning Electron
Microscope).
− Máy đo TEM (JEM-1400, kính hiển vi Hitachi H8100 có thế gia tốc 200 kV,
nguồn phát electron LaB6, độ phân giải 0,14 nm).
− Máy đo XRD hiệu D8ADVANCE – Brucker Đức
− Thanh siêu âm (ultrasonic processor) VIBRA CELL VC130, SONIC, USA
Tủ hút −
− Máy bơm chân không
Tủ sấy −
Trang 36
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Cân kỹ thuật và cân phân tích −
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
3.2 XỬ LÝ DUNG MÔI
Xử lý DMF: cho 20 ml nước và 30 ml benzene vào trong 100 ml DMF. Sau đó chưng cất ở áp suất thường đến nhiệt độ đạt 154-1560C thì ngưng lại. Tiếp theo cho CaCl2 khan vào và chưng cất dưới áp suất kém ở 990C và 180 mmHg để thu
được DMF khan (hình 6) Sản phẩm DMF thu được ngâm trong CaCl2 khan
Hình 11 Hệ thống chưng cất DMF
3.3 ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC NANO Pd(0) TRÊN CHẤT MANG PEG
Cho 0,04 g PdCl2 vào 4 g PEG (2 mmol) tại 80°C trên khuấy từ (Hình7). Hỗn hợp
được khuấy đến khi dung dịch đồng nhất (2 giờ) tại nhiệt độ này. Trong quá trình phản ứng
dung dịch sẽ chuyển từ màu xám sang màu đen, cho thấy có sự tạo thành của nano Pd(0).
Sản phẩm được làm lạnh đến nhiệt độ phòng và pha loãng với 3 mL DMF. Dung dịch được
Trang 37
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
sử dụng để xác định tính chất và hoạt tính xúc tác.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hình 12 Điều chế nano Pd(0)/PEG trên máy khuấy từ
3.4 TỔNG HỢP 2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE VỚI XÚC
TÁC Pd(0)/PEG
Cho 2,3-dichloroquinoxaline (100 mg, 0,50 mmol) vào hỗn hợp của 0,54 mL dung
dịch nano palladium/DMF (chứa 0,01 mmol Pd(0)), base và 2 mL DMF, hỗn hợp được
thêm phenyl acetylene. Khối lượng, loại base và thể tích phenyl acetylene tùy vào quá trình
khảo sát, tiếp tục đánh siêu âm (biên độ tùy vào quá trình khảo sát) trong 4giờ.
Theo dõi độ chuyển hóa của phản ứng sau mỗi 30phút bằng cách lấy vài giọt dung
dịch hỗn hợp sản phẩm chấm lên bảng mỏng silica gel sau đó kiểm tra vết sản phẩm và đối
chiếu với chất nền. Hệ giải ly trên bản mỏng petroleum ether (phân đoạn 60-90):ethyl
acetate (tỷ lệ 2,5:0,15). Vết sản phẩm thu được soi UV hiện rõ ở bước sóng 365 nm, có Rf =
Trang 38
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
0,3, có thể hiện hình bằng dung dịch 10% H2SO4 trong ethanol.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hình 13 Tổng hợp DAPQ bằng xúc tác nano Pd(0)/PEG thanh siêu âm
Xử lý sản phẩm sau phản ứng. Đuổi dung môi trong chân không, hòa tan chất rắn
với Dichloromethane, nước, chiết lớp nước với Diethyl ether. Ngâm dung dịch chiết trong
MgSO4, lọc qua giấy lọc, cô quay đuổi dung môi dung dịch rồi cho vào cột được nhồi 20g
silica gel để lọc thu sản phẩm, dung môi chạy cột là hệ petroleum ether (60-90):ethyl acetate
được tăng dần đến 2% ethyl acetate
Trang 39
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Hình 14 Cột sắc ký tách sản phẩm DAPQ Hình 15 Sản phẩm DAPQ sau lọc cột sắc kí
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KẾT LUẬN
--------
Nhìn lại mục tiêu đề tài “tổng hợp 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline bằng phản
ứng Sonogashira sử dụng xúc tác nano Palladium(0)” các kết quả khóa luận đạt được có
− Đã tổng hợp thành công hệ xúc tác nano Pd(0)/PEG. Cấu trúc, hình dạng và
thể tóm tắt như sau:
− Đã ứng dụng có hiệu quả hệ xúc tác nano Pd(0)/PEG vào phản ứng tổng hợp
kích thước hạt nano Pd(0) đã được xác định và chứng minh bằng phổ XRD, SEM, TEM.
dẫn xuất 2,3-bis(phenylethynyl)quinoxaline, độ chuyển hóa là gần 100%(theo TLC), hiệu
suất cô lập sản phẩm 70,54% cao hơn so với khi thực hiện với xúc tác phức Pd thường
(65,71%). Điều kiện thích hợp cho phản ứng là trên thanh siêu âm trong 4 giờ (thực hiện trên khuấy từ 8 giờ nhưng vẫn chưa chuyển hóa thành DAPQ[34]) , biên độ siêu âm sử dụng là
50% ( công suất 40 W)
−
Việc khảo sát phản ứng Sonogashira sử dụng xúc tác nano Pd(0)/PEG
Trang 40
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
tiết kiệm xúc tác và môi trường base sử dụng không gây độc hại cho môi trường.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KIẾN NGHỊ
--------
Từ các kết quả đạt được trong quá trình thí nghiệm, chúng tôi có một số đề nghị cho
hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài như sau:
− Nghiên cứu tổng hợp DAPQ bằng xúc tác nano Pd(0) trên chất mang PEG
dưới điều kiện vi sóng để rút ngắn thời gian phản ứng.
− Nghiên cứu tổng hợp DAPQ bằng xúc tác nano Pd(0) trên các chất mang
khác.
Thu hồi và sử dụng lại xúc tác nano Pd(0)/PEG để tái lặp lại cho phản ứng. −
− Ứng dụng xúc tác nano Pd(0)/PEG để khảo sát phản ứng Sonogashira trên các
tác nhân aryl alkyne có chứa nhóm đẩy và nhóm rút điện tử và khảo sát hoạt tính sinh học
Trang 41
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
của chúng.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Minh Thảo, Hóa học các hợp chất dị vòng, nhà XB Giáo Dục, 2001
[2] R. M. Batchelder, W. R. Wilson, M. P. Hay, W. A. Denny, Oxygen
dependence of the cytotoxicity of the enediyne antitumour antibiotic esperamicin A1, British
Journal of Cancer, 1996, 74
[3 ]M. B. Smith, J. March, March’s advanced organic chemistry reactions,
mechanisms, and structure, inc. publication, 2007, 904-981
[4] L. F. de Souza, L. C. Silva, B. L. Oliveira, O. A. C. Antunes, Microwave- and
ultrasound- assisted Suzuki- Miyaura cross - coupling reactions catalyzed by Pd/PVP,
Tetrahedron Letters, 2008, 49, 3895-3898
[5] R. Zhang, J. Liu, F. Li, S. Wang, C. Xia, W. Sun, Magnetically Separable and
Versatile Pd/Fe3O4 Catalyst for Efficient Suzuki Cross - Coupling Reaction and Selective
Hydrogenation of Nitroarenes, Chin. J. Chem., 2011, 29, 525-530.
[6] C. Luo, Y. Zhang, Y. Wang, Palladium nanoparticles in poly(ethyleneglycol):
the efficient and recyclable catalyst for Heck reaction, Journal of Molecular Catalysis A:
Chemical, 2005, 229, 7-12.
[7] M. B. Thathagar, P. J. Kooyman, R. Boerleider, E. Jansen, C. J. Elsevier, G.
Rothenberg, Palladium nanoclusters in Sonogashira cross - coupling: A true catalytic
species?, Adv. Synth. Catal., 2005, 347, 1965-1968.
[8]
K. Sonogashira, Development of Pd - Cu catalyzed cross - coupling of terminal acetylenes with sp2 - carbon halides, Journal of Organometallic Chemistry, 2002,
653, 46-49.
[9] B. Campbell, The Sonogashira Cu - Pd - catalyzes alkyne coupling reaction,
Organocopper Reagenrs Oxford: Oxfort University Press, 1994, 217-235.
[10] R. Rossi, A. Carpita, F. Belina, Palladium- and/or copper- mediated cross -
coupling reactions between 1-alkyne và vinyl, aryl, 1-alkynyl, 1,2-propadienyl, propargyl
and allylic halides or related compounds, Org. Prep. Proc. Int., 1995, 27, 129-160.
[11] D. E. Rudisill, J. K. Stille, Palladium - catalysed synthesis of 2-substituted
Trang 42
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
indoles, J. Org. Chem., 1989, 54, 5856-5866.
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
[12] G. Martorell, A. G. Raso, J. M. Saa, Palladium catalyzed cross - coupling of
phenol triflates with organostannanes. A versatile approach for the synthesis of substituted
resorcinol dimethyl ethers, Tetrahedron Lett., 1990, 31, 2357-2360.
[13] H. C. Brown, N. G. Bhat, M. Srebnik, A simple, general synthesis of
1-alkynyldiisopropoxyboranes, Tetrahedron Lett., 1988, 29, 2631-2634.
[14] N. Miyaura, A. Suzuki, Palladium - Catalyzed Cross - Coupling Reactions of
Organoboron Compounds, Chem. Rev., 1995, 95, 2457-2483.
[15] C. Rafael, N. Carmen, The Sonogashira Reaction: A Booming Methodology in
Synthetic Organic Chemistry, Chem. Rev., 2007, 107, 886-888.
[16] C. N. R. Rao, G. U. Kulkarni, P. J. Thomas, P. P. Edwards, Metal
nanoparticles and their assemblies, Chem. Soc. Rev., 2000, 29, 27-35.
[17] D. Astruc, Nanoparticles and Catalysis, Wiley - VCH: Weinheim, 2008, 1, 1-
48.
[18] J. D. Aiken, R. G. Finke, A review of modern transition - metal nanoclusters:
their synthesis, characterization, and applications in catalysis, J. Mol. Catal. A: Chem.,
1999, 145, 1-44.
[19] Grunes, J. Zhu, G. A. Somorjai, A Catalysis and Nano - science, Chem.
Commun., 2003, 2257-2260.
[20] D. Mukjerjee, Potential application of palladium nanoparticles as selective
recyclable hydrogenation catalysts, J. Nanopart. Res., 2008, 10, 429-436.
[21] F. Alonso, P. Riente, J. A. Sirvent, M. Yus, Nickel nanoparticles in hydrogen
-transfer reductions: Characterisation and nature of the catalyst, Appl. Catal. A: Gen.,
2010, 378, 42-51.
[22] Gniewek, A. M. Trzeciak, J. J. Ziolkowski, L. Kepinski, J. Wrzyszcz, W.
Tylus, Pd - PVP colloid as catalyst for Heck and carbonylation reaction: TEM and XPS
studies, J. Catal., 2005, 229, 332.
[23] V. Calo, A. Nacci, A. Monopoli, F. Montigelli, Pd - nanoparticles as efficient
catalyst for Suzuki and Stille coupling reactions of aryl halides in ionic liquids, J. Org.
Chem., 2005, 70, 6040-6044
Trang 43
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
[24]D. Astruc, F. Lu, J. R. Aranzas, Angew. Chem., Int. Ed., 2005, 44, 7852-7872
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
[25] P. Li, L. Wang, H. Li, Application of recoverable nanosized palladium(0)
catalyst in Sonogashira reaction, Tetrahedron, 2005, 61, 8633-8640.
[26] J. S. Bradley, J. M. Millar, E. W. Hill, Surface chemistry on colloidal metals:
a high - resolution NMR study of carbon monoxide adsorbed on metallic palladium
crystallites in colloidal suspension, J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 4016-4017.
[27] H. Hirai, N. Tosima, Tailored Metal Catalysts, Y. Ed. Iwasawa, D. Reidel:
Dordrecht, 1986, 87-140.
[28] T. J. Manson, J. P. Lorimer, Sonochemistry: Theory, Applications and Uses of
Ultrasound in Chemistry, Ellis Horwood, England, 1988, 1.
[29] E. Leadbeater, M. Marco, J. Tominack, First examples of transition - Metal
free Sonogashira - Type couplings, Org. Lett, 2003, 21, 3919-3922.
[30] M. Dams, L. Drijkoningen, D. De Vos, P. Jacobs, Impact of Pd - mordenite
pretreatment on the heterogeneity of Heck catalysis, Chem. Commun., 2002, 1062-1063.
[31] L. Djakovitch, K. Koehler, Heck Reaction Catalyzed by Pd - Modified
Zeolites, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 5990-5999.
[32] M. Pittelkow, K. M. Poulsen, U. Boas and J. B. Christensen,
Poly(amidoamine)-dendrimer-stabilized Pd(0) nanoparticles as a catalyst for the Suzuki
reaction, Langmuir, 2003, 19, 7682
[33] Nguyễn Thanh Quyên, luận văn Tổng hợp 2,3-bis(phenylethylnyl)quinoxaline
bằng phản ứng Sonogashira, 2011
[34] Nguyễn Cẩm Lài, luận văn Nghiên cứu tổng hợp
1,5-diphenyl-[1,2,3]triazolo[1′,5′;1,2]pyrido[3,4-b]quinoxaline từ 2,3-dichloroquinoxaline
bằng phản ứng Sonogashira, 2012
[35] A. V. Gulevskaya et al., A novel tandem cyclization of condensed
2,3-dialkynylpyrazines into [1,2,3]triazolo[1′,5′;1,2]pyrido[3,4-b]pyrazines promoted by
sodium azide, Tetrahedron, 2010, 66, 146-151.
[36] B. M. Choudary, S. Madhi, N. S. Chowdari, M. L. Kantam, B. Sreedhar,
Trang 44
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Layered double hydroxide supported nanopalladium catalyst for Heck-, Suzuki-,
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Sonogashira-, and Stille- type coupling reactions of chloroarenes, J. Am. Chem. Soc., 2002,
124, 1412.
[37] K. V. Srinivasan et al., Copper- and Ligand- Free Sonogashira Reaction
Catalyzed by Pd(0) Nanopartticles at Ambient Conditions under Ultrasound Irradiation, J.
Org. Chem., 2005, 70, 4869-4872.
[38] http://www.wikipedia.org/wiki/Sonogashira_coupling.
[39] http://www.organic-chemistry.org/synthesis/heterocycles/1,2,3-triazoles.shtm
[40] Chengcai Luo, Yuhong Zhang, Yanguang Wang, Palladium nanoparticles in
poly(ethyleneglycol): the efficient and recyclable catalyst for Heck reaction C. Luo et al. /
Trang 45
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 229 (2005) 7–12
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
PHỤ LỤC
PHỔ MS CỦA
2,3-BIS(PHENYLETHYNYL)QUINOXALINE
(DAPQ)
Trang 46
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
PHỔ MS CỦA m-DAPQ
Trang 47
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
PHỔ MS CỦA m-DAPQ
Trang 48
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
PHỔ SEM CỦA NANO Pd(0)
Trang 49
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
PHỔ XRD CỦA NANO Pd(0)
Trang 50
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
PHỔ TEM CỦA NANO Pd(0)
Trang 51
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Trang 52
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Trang 53
NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG
