Khóa luận tốt nghiệp đại học: Tổng hợp dẫn xuất 3,4- dihydropyrimidine-2-one dùng xúc tác montmorillonite trao đổi cation biến tính

Chia sẻ: Huyền Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm: Khảo sát nhiệt độ nung thích hợp xúc tác montmorillonite trao đổi cation với một số muối vô cơ; khảo sát khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung; tiến hành áp dụng xúc tác đã điều chế trên phản ứng Biginelli để chọn ra xúc tác tốt nhất; tối ưu hóa phản ứng Biginelli giữa ba tác chất là 4-methyl benzaldehyde, urea và ethyl acetoacetate dựa trên nền xúc tác đã chọn; khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác và tổng hợp một số dẫn xuất khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Tổng hợp dẫn xuất 3,4- dihydropyrimidine-2-one dùng xúc tác montmorillonite trao đổi cation biến tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA HỌC  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hóa Hữu cơ TỔNG HỢP DẪN XUẤT 3,4-DIHYDROPYRIMIDINE-2-ONE DÙNG XÚC TÁC MONTMORILLONITE TRAO ĐỔI CATION BIẾN TÍNH Giảng viên hướng dẫn: ThS. Phạm Đức Dũng Sinh viên thực hiện: Đỗ Thị Hoài Mã số sinh viên: K39.106.037 Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 5 năm 2017
LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực của chính bản thân em còn có sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô và các bạn sinh viên khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến: ThS. Phạm Đức Dũng, người thầy đã tận tình hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Các phòng ban quản lý phòng thí nghiệm Hóa học của Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho em được thực nghiệm ở phòng thí nghiệm hóa hữu cơ trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh. Ban chủ nhiệm Khoa Hóa, các phòng ban quản lý phòng thí nghiệm Hóa học của Trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được tiến hành thực nghiệm tại phòng thí nghiệm hóa đại cương trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh. Quý thầy cô, gia đình, bạn bè và đặc biệt là các bạn sinh viên trong nhóm khóa luận đã luôn dành nhiều tình cảm, động viên và hỗ trợ cho em trong suốt thời gian theo học tập tại trường và trong thời gian thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp. Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em xin ghi nhận và biết ơn những ý kiến đóng góp quý báu từ thầy/cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn. Kính chúc quý thầy cô, các bạn và những người thân của em lời chúc sức khỏe, lời cảm ơn chân thành nhất! i
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i MỤC LỤC .......................................................................................................................... ii DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................... iv DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................... vi DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT..................................................................... vii 1. MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1.1 Lý do chọn đề tài ........................................................................................................... 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 1 1.3 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 2 2. TỔNG QUAN ................................................................................................................. 3 2.1 Phản ứng đa thành phần ............................................................................................... 3 2.2 Phản ứng Biginelli ......................................................................................................... 3 2.2.1 Sơ đồ tổng hợp ..................................................................................................... 3 2.2.2 Cơ chế phản ứng .................................................................................................. 3 2.2.3 Một số phương pháp tổng hợp theo Biginelli đã được thực hiện trên thế giới ... 4 2.3 Về xúc tác....................................................................................................................... 8 2.3.1 Khoáng sét ........................................................................................................... 8 2.3.2 Về Montmorillonite .............................................................................................. 9 3. THỰC NGHIỆM ......................................................................................................... 12 3.1 Điều chế xúc tác .......................................................................................................... 12 3.1.1 Tinh chế montmorillonite ................................................................................... 12 3.1.2 Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng........................................................ 12 3.1.3 Phương pháp trao đổi cation với montmorillonite hoạt hóa acid ..................... 12 3.2 Điều chế 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM) ................................................ 12 3.3 Quá trình tối ưu hóa .................................................................................................... 13 3.4 Phương pháp tái sử dụng xúc tác ................................................................................ 13 3.5 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM ........................................................................ 13 3.6 Xác định cơ cấu các sản phẩm .................................................................................... 14 3.7 Xác định cơ cấu xúc tác ............................................................................................... 14 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................................... 15 4.1 Nghiên cứu xác định thành phần khoáng sét của đất sét Lâm Đồng .......................... 15 4.2 Tổng hợp 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM) ............................................... 15 4.2.1 Sơ đồ tổng hợp ................................................................................................... 16 4.2.2 Khảo sát xúc tác sử dụng ................................................................................... 16 ii
4.2.3 Khảo sát nhiệt độ nung ...................................................................................... 17 4.2.4 Tối ưu hóa thời gian .......................................................................................... 17 4.2.5 Tối ưu hóa nhiệt độ ............................................................................................ 18 4.2.6 Tối ưu hóa tỷ lệ chất tham gia phản ứng ........................................................... 18 4.2.7 Tối ưu hóa khối lượng xúc tác ........................................................................... 19 4.3 Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác .................................................................................. 20 4.4 Tổng hợp một số dẫn xuất của DHPM ........................................................................ 20 5. ĐỊNH DANH SẢN PHẨM .......................................................................................... 22 5.1 Hợp chất Bi-1: 5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-4-phenyl-3,4-dihydropyrimidin- 2(1H)-one........................................................................................................................... 22 5.2 Hợp chất Bi-2: 5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-methylphenyl)-6-methyl-3,4- dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 25 5.3 Hợp chất Bi-3: 5-(ethoxycarbonyl)-4-(3-fluorophenyl)-6-methyl-3,4- dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 27 5.4 Hợp chất Bi-4: 5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-fluorophenyl)-6-methyl-3,4- dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 30 5.5 Hợp chất Bi-5: 4-(3-clorophenyl)-5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-3,4- dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 32 5.6 Hợp chất Bi-6: 4-(4-clorophenyl)-5-(ethoxycarbonyl)-6-methyl-3,4- dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 35 5.7 Hợp chất Bi-7: 5-(ethoxycarbonyl)-4-(4-methoxyphenyl)-6-methyl-3,4- dihydropyrimidin-2(1H)-one ............................................................................................. 37 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................................... 40 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 41 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 44 iii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion .............................. 5 Bảng 2. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác acid trichloaxetic trong điều kiện không dung môi ............................................................................................................... 6 Bảng 3. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng .................................................................................................................................. 7 Bảng 4. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện không dung môi ............................................................................................................... 7 Bảng 5. Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi ....................................................................................................... 8 Bảng 6. Vị trí các mũi khoáng sét ................................................................................. 15 Bảng 7. So sánh xúc tác trao đổi các cation khác nhau ................................................ 16 Bảng 8. Khảo sát nhiệt độ nung .................................................................................... 17 Bảng 9. So sánh khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung ............................... 17 Bảng 10. Kết quả tối ưu hóa theo thời gian .................................................................. 18 Bảng 11. Kết quả tối ưu hóa theo nhiệt độ.................................................................... 18 Bảng 12. Kết quả tối ưu hóa tỉ lệ chất tham gia phản ứng ............................................ 19 Bảng 13. Kết quả tối ưu hóa lượng xúc tác ................................................................... 20 Bảng 14. Khả năng tái sử dụng xúc tác......................................................................... 20 Bảng 15. Tổng hợp một số dẫn xuất DHPM ................................................................. 21 Bảng 16. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-1 ...................................... 23 Bảng 17. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-1 ..................................... 25 Bảng 18. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-2 ...................................... 25 Bảng 19. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-2 ..................................... 26 Bảng 20. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-3 ...................................... 28 Bảng 21. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-3 ..................................... 29 Bảng 22. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-4 ...................................... 30 Bảng 23. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-4 ..................................... 32 Bảng 24. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-5 ...................................... 33 Bảng 25. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-5 ..................................... 34 Bảng 26. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-6 ...................................... 36 Bảng 27. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-6 ..................................... 37 Bảng 28. Quy kết các mũi trong phổ 1H-NMR của chất Bi-7 ...................................... 37 iv
Bảng 29. Quy kết các mũi trong phổ 13C-NMR của chất Bi-7 ..................................... 39 v
DANH MỤC HÌNH Hình 1. Sơ đồ tổng hợp DHPM ...................................................................................... 3 Hình 2. Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis ........................................................... 4 Hình 3. Cơ chế phản ứng theo De Souza ........................................................................ 4 Hình 4. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion tiến hành bằng phương pháp siêu âm ....................................................................................................... 5 Hình 5. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác acid trichloaxetic trong điều kiện không dung môi ............................................................................................................... 6 Hình 6. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng .................................................................................................................................. 6 Hình 7. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện không dung môi ............................................................................................................... 7 Hình 8. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi ....................................................................................................... 8 Hình 9. Cơ cấu lớp 2:1 .................................................................................................... 9 Hình 10. Mô hình cấu trúc không gian của MMT ........................................................ 10 Hình 11. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu montmorillonite tinh chế .................................. 15 Hình 12. Sơ đồ tổng hợp DHPM dùng xúc tác Mn+_Mont_nung ................................. 16 Hình 13. Phổ 1H-NMR của chất Bi-1 ........................................................................... 22 Hình 14. Phổ 13C-NMR của chất Bi-1 .......................................................................... 24 Hình 15. Phổ 1H-NMR của chất Bi-2 ........................................................................... 26 Hình 16. Phổ 13C-NMR của chất Bi-2 .......................................................................... 27 Hình 17. Phổ 1H-NMR của chất Bi-3 ........................................................................... 28 Hình 18. Phổ 13C-NMR của chất Bi-3 .......................................................................... 29 Hình 19. Phổ 1H-NMR của chất Bi-4 ........................................................................... 31 Hình 20. Phổ 13C-NMR của chất Bi-4 .......................................................................... 31 Hình 21. Phổ 1H-NMR của chất Bi-5 ........................................................................... 33 Hình 22. Phổ 13C-NMR của chất Bi-5 .......................................................................... 34 Hình 23. Phổ 1H-NMR của chất Bi-6 ........................................................................... 35 Hình 24. Phổ 13C-NMR của chất Bi-6 .......................................................................... 36 Hình 25. Phổ 1H-NMR của chất Bi-7 ........................................................................... 38 Hình 26. Phổ 13C-NMR của chất Bi-7 .......................................................................... 39 vi
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT + 1H-NMR: phổ cộng hưởng từ proton. + 13C-NMR: phổ cộng hưởng từ cacbon-13. + CEC: khả năng trao đổi cation. + DHPM: 3,4-dihydropyrimidine-2-one + LD30: Montmorillonite tinh chế hoạt hóa acid H2SO4 có nồng độ 30%. + LDTC: Montmorillonite tinh chế chưa hoạt hóa acid. + MCR: phản ứng đa thành phần. + Mn+_Mont: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với Mn+. + Mn+_Mont_nung: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với Mn+ sau đó được nung ở nhiệt độ cao. + Mn+_M300: Montmorillonite tinh chế đã hoạt hóa acid và trao đổi cation với Mn+ sau đó được nung ở 300 oC. + MMT: Montmorilonite. + MRC: phản ứng đa thành phần. + MW: vi sóng. vii
1. MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Trong Hóa học Hữu cơ nói chung và đặc biệt là tổng hợp hữu cơ nói riêng, xu hướng sử dụng những phản ứng đơn giản, dễ thực hiện nhưng có khả năng thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao đang được ưu tiên phát triển hơn cả. Một trong những đại diện tiêu biểu là phản ứng Biginelli. Ngoài những ưu điểm trên, sản phẩm tạo thành của phản ứng này đã và đang có rất nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng trong đời sống như: kháng vi khuẩn, kháng vi rút, chống tăng huyết áp,... Trong quá trình nghiên cứu, phát triển phản ứng trên, việc cải tiến xúc tác luôn là một vấn đề được quan tâm hơn cả. Tuy nhiên, những xúc tác cho điều kiện phản ứng đơn giản (thời gian ngắn, nhiệt độ thấp,…) lại có khả năng thu hồi kém, gây ô nhiễm môi trường. Trong khi đó, những xúc tác cho khả năng thu hồi tốt lại có điều kiện phản ứng tương đối khó khăn (nhiệt độ cao, thời gian phản ứng kéo dài,…) gây tốn nhiên liệu. Việc kết hợp ưu điểm của các loại xúc tác để tạo nên một loại xúc tác có nhiều ưu điểm hơn như xúc tác rắn trao đổi cation với một số loại muối thông dụng đã được đề ra, tuy nhiên khả năng thu hồi vẫn còn nhiều hạn chế do sự hao hụt cation trong quá trình phản ứng và xử lý sản phẩm. Để giải quyết vấn đề này, một giải pháp đã được đề ra là tiến hành nung xúc tác ở nhiệt độ cao, biến các nhóm hydroxyl trên bề mặt thành oxide (montorillonite trao đổi cation biến tính) để giữ cố định lượng cation đã được trao đổi trước đó. Tuy nhiên, giải pháp này chưa được đưa vào nghiên cứu và áp dụng thực tiễn. Với những lí do trên, em quyết định chọn đề tài: “Tổng hợp dẫn xuất 3,4- dihydropyrimidine-2-one dùng xúc tác montmorillonite trao đổi cation biến tính”. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu + Khảo sát nhiệt độ nung thích hợp xúc tác montmorillonite trao đổi cation với một số muối vô cơ. + Khảo sát khả năng tái sử dụng lần 1 của các xúc tác nung. + Tiến hành áp dụng xúc tác đã điều chế trên phản ứng Biginelli để chọn ra xúc tác tốt nhất. 1
+ Tối ưu hóa phản ứng Biginelli giữa ba tác chất là 4-methyl benzaldehyde, urea và ethyl acetoacetate dựa trên nền xúc tác đã chọn. + Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác và tổng hợp một số dẫn xuất khác. 1.3 Phương pháp nghiên cứu + Tổng hợp các tài liệu khoa học liên quan. + Tiến hành điều chế montmorillonite hoạt hóa acid trao đổi cation, nung ở nhiệt độ cao. + Tiến hành tối ưu hóa phản ứng Biginelli giữa ba tác chất là 4-methyl benzaldehyde, urea và ethyl acetoacetate, khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác và tổng hợp một số dẫn xuất khác. + Định danh sản phẩm thu được thông qua đo nhiệt độ nóng chảy, phổ cộng hưởng từ proton (1H-NMR) và phổ cộng hưởng từ cacbon (13C-NMR). 2
2. TỔNG QUAN 2.1 Phản ứng đa thành phần Phản ứng đa thành phần (multi-component reaction, MCR) là một phản ứng hóa học có sự tham gia của ba hay nhiều hơn ba thành phần, những thành phần chính phản ứng với nhau trong một quá trình để tạo ra một sản phẩm bao gồm hầu hết các nguyên tử của các nguyên liệu đầu vào [7]. Phản ứng đa thành phần có khả năng tạo thành các phân tử phức tạp với sự đơn giản, nhanh gọn và đặc biệt là dễ dàng thu được sản phẩm tinh khiết, vì hầu hết tác chất ban đầu đều được kết hợp tạo thành sản phẩm cuối [2]. 2.2 Phản ứng Biginelli Năm 1893, nhà hóa học người Ý-Pietro Biginelli báo cáo về sự ngưng tụ vòng cyclo trên xúc tác acid với chất tham gia gồm một aldehyde, một β-ketoester và urea (hoặc thiourea) để tạo thành một dihydropyrimidine. Ông đã dự đoán rằng khả năng tổng hợp các phản ứng đa phần bằng cách kết hợp các chất phản ứng của hai phản ứng khác nhau có một phần chung, kết quả là tạo nên 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one và các dẫn xuất [6][23]. Phản ứng đa thành phần tạo ra 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one (DHPM) từ ethyl acetoacetate, aldehyde hương phương và urea được gọi là phản ứng Biginelli (Hình 1) [8]. 2.2.1 Sơ đồ tổng hợp R CHO O O O Xúc tác EtOOC R + + NH H2N NH2 OEt 1 2 3 H3C N O H Hình 1. Sơ đồ tổng hợp DHPM 2.2.2 Cơ chế phản ứng  Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis 3
O EtO2C H H H+ O O O O O HO O 1 2 OEt OEt OEt O H2N NH2 3 Ph Ph CO2Et CO2Et O HN HN H OEt Me O N Me H2O O N O NH H H OH O NH2 6 5 4 Hình 2. Cơ chế phản ứng theo Sweet và Fissekis [9][22] Cơ chế được đề ra năm 1973. Ban đầu sẽ xảy ra phản ứng ngưng tụ giữa benzaldehyde 1 và ethyl acetoacetate 2 trong môi trường acid tạo ra trung gian carbocation. Carbocation này sẽ tác dụng với urea 3 tạo thành 4, đóng vòng 4 thu được 5, tách nước tạo thành DHPM 6.  Cơ chế phản ứng theo De Souza O + O O O - NH2 H Ph OH H + Ph H H2N NH2 Ph NH H2N NH2 HN NH2 HN NH2 HN NH2 O O 2'' O 1 2 2' EtO2C 3 O Ph Ph Ph EtO2C EtO2C EtO2C NH NH NH Me N O Me O O Me N O HO H H2O H H2N 6 5 4 Hình 3: Cơ chế phản ứng theo De Souza [6][22] Cơ chế được đề ra năm 2009. Trung gian N-acyliminium 2’ được hình thành bởi sự ngưng tụ giữa benzaldehyde 1 và urea 2 trong môi trường acid. Sau đó trung gian này sẽ tiếp tục phản ứng với ethyl acetoacetate 3, tạo thành sản phẩm 4, đóng vòng 4 thu được 5, tách nước tạo thành DHPM 6. Nếu urea dư, trung gian 2’’ sẽ tạo thành. 2.2.3 Một số phương pháp tổng hợp theo Biginelli đã được thực hiện trên thế giới 2.2.3.1 Dùng xúc tác chất lỏng ion tiến hành bằng phương pháp siêu âm 4
+ Cách tiến hành Hỗn hợp bao gồm: aldehyde (10 mmol), ethyl acetoacetate (10 mmol) và urea hoặc thiourea (11 mmol) trong hỗn hợp [cmmim][BF4] và [bmim][BF4] (2:1, 2 g) tiến hành siêu âm ở 30 ºC. Khi hoàn thành các phản ứng sản phẩm được đổ vào nước đá và khuấy trong 15-20 phút. Chất rắn tách ra được lọc và rửa lại với nước, ethanol đến khi sạch [3]. + Sơ đồ phản ứng R O X O O EtOOC 30 oC, )))) NH R H H2N NH2 OEt 30-70 min N X H R=1a-o X=O,S EAA 2a-o Hình 4. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion tiến hành bằng phương pháp siêu âm + Kết quả Kết quả thu được khi thực hiện với tỉ lệ và thời gian khác nhau thu được trong Bảng 1. Bảng 1: Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác chất lỏng ion [cmmim][BF4]: Thời gian Stt Hiệu suất (%) [bmim][BF4] (v/v) (phút) 1 1:0 60 83 2 3:1 55 90 3 2:1 40 96 4 1:1 50 92 5 0:1 60 81 2.2.3.2 Dùng xúc tác acid trichloroacetic trong điều kiện không dung môi + Cách tiến hành Hỗn hợp của aldehyde (1 mmol), alkyl acetoacetate (1 mmol), urea (1 mmol) và acid trichloroacetic (0,032 g, 20 % mol) được khuấy ở 70 oC. Sau khi hoàn thành các phản ứng, chất rắn được tạo thành ở nhiệt độ phòng và cho tiếp 5 ml ethanol vào. Xúc tác được thu hồi bằng cách lọc [24]. + Sơ đồ phản ứng 5
O O O R1 O X + + Cl3CCOOH R2 R2 NH R1 H H2N NH2 solvent-free, 70 oC N X H Hình 5. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác trichloroacetic trong điều kiện không dung môi + Kết quả Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và dẫn xuất thu được trong Bảng 2. Bảng 2: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác acid trichloroaxetic trong điều kiện không dung môi Thời gian Hiệu suất Stt R1 R2 X (phút) (%) 1 C6H5 OEt O 4 85 2 4-ClC6H4 OEt O 9 92 3 4-HOC6H4 OEt O 40 90 4 4-BrC6H4 OEt O 11 90 5 4-NO2C6H4 OEt O 5 85 6 4-MeOC6H4 OEt O 20 95 2.2.3.3 Dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng + Cách tiến hành Hỗn hợp chất tham gia phản ứng gồm: acylal (1 mmol), urea (1,5 mmol), FeCl3.6H2O (1 mmol) được cho phản ứng trong lò vi sóng trong thời gian 15 phút. Sau khi phản ứng kết thúc làm sạch với nước và kết tinh sản phẩm lại bằng dung môi ethanol 70 % [16]. + Sơ đồ phản ứng O O O R OAc X + + MW R OEt EtO NH H2N NH2 OAc FeCl3.6H2O N X H Hình 6. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng + Kết quả Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng được thể hiện trong Bảng 3. 6
Bảng 3: Kết quả của phản ứng Biginelli dùng xúc tác FeCl3.6H2O trong điều kiện vi sóng Stt R X Hiệu suất (%) 1 Ph O 85 2 4-ClC6H4 O 92 3 4-CH3C6H4 O 88 4 4-MeO-C6H4 O 76 5 4-ClC6H4 S 60 6 4-CH3C6H4 S 68 7 4-CH3OC6H4 S 55 2.2.3.4 Dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện không dung môi + Cách tiến hành Hỗn hợp của aldehyde (3 mmol), alkyl acetoacetate (4,5 mmol), urea (6 mmol) và Cu(NO3)2.3H2O (2-10 % mol) được khuấy ở 70 oC. Sau khi hoàn thành các phản ứng, chất rắn tạo thành được cho tiếp 10 ml H2O vào khuấy và hòa tan trong 10 phút. Sản phẩm được rửa lại với nước [11]. + Sơ đồ phản ứng O R1 O O O O Cu(NO3)2.3H2O + + R2 NH H2N NH2 R2 R1 H solvent-free, 70 oC N O H Hình 7. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện không dung môi + Kết quả Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và các dẫn xuất thu được trong Bảng 4. Bảng 4: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác Cu(NO3)2.3H2O trong điều kiện không dung môi. Thời gian Hiệu suất Stt R1 R2 (phút) (%) 1 C6H5 OEt 40 93 2 4-MeO-C6H4 OEt 40 94 3 4-CH3-C6H4 OEt 30 93 4 4-Cl-C6H4 OEt 50 95 5 4-NO2-C6H4 OEt 40 96 6 3-NO2-C6H4 OEt 40 89 7
2.2.3.5 Dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi + Cách tiến hành Hỗn hợp của aldehyde (10 mmol), alkyl acetoacetate (10 mmol), urea (15 mmol) và montmorillonite KSF (0,5 g) được khuấy ở 130 oC trong vòng 48 h. Sản phẩm tạo thành được kết tinh lại với ethanol, xúc tác được thu hồi bằng cách lọc nóng với ethanol và tái sử dụng được 2 lần với hiệu suất 80-81% [10]. + Sơ đồ phản ứng O R O O O O KSF, 130 oC + + R'' NH H2N NH2 R'' R' R H solvent-free, 48h R' N O H Hình 8. Sơ đồ tổng hợp theo Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi + Kết quả Kết quả tổng hợp 3,4-dihydropyrimidin-2-one và các dẫn xuất được tóm tắt trong Bảng 5. Bảng 5: Kết quả phản ứng Biginelli dùng xúc tác montmorillonite KSF trong điều kiện không dung môi. Hiệu suất Stt R R1 R2 (%) 1 C6H5 CH3 OEt 82 2 4-MeO-C6H4 CH3 OEt 79 3 4-OH-C6H4 CH3 OEt 88 4 4-Cl-C6H4 CH3 OEt 76 5 C6H5-CH=CH CH3 OEt 70 6 C6H5 CH3 CH3 74 2.3 Về xúc tác 2.3.1 Khoáng sét 2.3.1.1 Khái niệm Hội đồng danh pháp (Joint Nomenclature Committees, JNCs) của Hiệp hội quốc tế nghiên cứu về đất sét (Association Internationale pour l’Etude des Argiles, AIPEA) định nghĩa khoáng sét là những phyllosilicate, có tính dẻo và trở nên cứng khi khô hay bị nung nóng. Các khoáng sét có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc tổng hợp. 8
Khoáng sét được hình thành do sự phong hóa hóa học các loại đá chứa silicate dưới tác dụng của acid carbonic hoặc do các hoạt động thủy nhiệt. Thành phần chính bao gồm Al2O3, SiO2, H2O và một số oxid của kim loại kiềm, kiềm thổ, sắt, mangan, kẽm… Phần lớn khoáng sét được tìm thấy dưới dạng hạt mịn và có khả năng hấp phụ nước trở thành vật liệu có tính dẻo. 2.3.1.2 Cơ cấu lớp 2:1 Cơ cấu lớp 2:1 bao gồm một tấm bát diện nằm giữa hai tấm tứ diện, mỗi ô mạng gồm 6 ô bát diện và 8 ô tứ diện, 2/3 nhóm hydroxyl của tấm bát diện được thay thế bởi các nguyên tử oxi nằm trên đỉnh của tấm tứ diện. Hình 9. Cơ cấu lớp 2:1 Ooct: tâm anion bát diện T: cation tứ diện Oa: oxigen tại đỉnh tứ diện Ob: oxigen tại đáy tứ diện 2.3.2 Về Montmorillonite 2.3.2.1 Khái niệm Montmorillonite (MMT) là một khoáng sét phyllosilicate rất mềm thuộc họ smectite, được phát hiện năm 1847 tại Montmorillon trong tỉnh Vienne của Pháp, nhưng nó cũng được tìm thấy ở nhiều nơi khác trên thế giới và được biết đến với các tên gọi khác nhau. MMT là thành phần chính của bentonite (chiếm khoảng 80-90% theo khối lượng của bentonite) [5][19]. 2.3.2.2 Cấu trúc Gồm 2 tấm tứ diện kẹp 1 tấm bát diện (khoáng sét 2:1). Mỗi lớp có độ dày khoảng 1 nm [20]. Cấu trúc được minh họa trong Hình 10. 9
Hình 10. Mô hình cấu trúc không gian của MMT 2.3.2.3 Tính chất vật lý 2.3.2.3.1 Trạng thái tự nhiên MMT tồn tại ở dạng đơn khoáng, gần giống sáp nến, thường có màu trắng, xám, vàng nhạt, nâu, nâu đỏ, có thể màu xám xanh hoặc xanh lục…khi sờ cảm thấy nhờn và trơn [18]. Tỷ trọng MMT trong khoảng 2,2-2,6. Độ cứng Mohs tương đối khoảng 1,5. Tốc độ lắng đọng thấp, thường có hiện tượng kết bông khi gặp môi trường kiềm, có độ pH cao hoặc khi thay đổi môi trường nhanh chóng. MMT có diện tích bề mặt lớn, diện tích lớp cao, kích thước hạt rất mịn, độ dẻo cao và có tính thấm ướt thấp [12]. 2.3.2.3.2 Tính trao đổi ion - Si4+ [Si4O10]4- [AlSi3O10]5- + Al3+ (Fe3+) Nguyên nhân tạo ra khả năng này là do sự thay thế đồng hình cation Si4+ bằng Al3+ trong mạng tứ diện hay Al3+ bởi Mg2+ (Fe2+) trong mạng bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong cơ cấu. Điện tích âm đó được trung hòa bởi các cation trao đổi giữa các lớp, thông thường là các cation kiềm: K+, Na+…và kiềm thổ: Ca2+, Ba2+…chính các điện tính sinh ra này làm thay đổi lực hút tĩnh điện giữa các lớp và ảnh hưởng nhiều đến khả năng xúc tác của MMT. Bằng cách thay thế các cation giữa các lớp bằng cation khác, có thể tạo ra nhiều loại MMT có tính chất khác nhau, phù hợp với yêu cầu của người sử dụng [18]. Khả năng tao đổi cation (Cation Exchange Capacity-CEC) của MMT thay đổi trong một khoảng rộng từ 80-140 meq/100 g. 10
Khả năng trao đổi ion còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation có hóa trị lớn theo thứ tự M+>M2+>M3+. Với các cation có cùng hóa trị, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng lớn theo thứ tự Li+>Na+>K+>Mg2+>Ca2+>Fe2+>Al3+ [18]. 2.3.2.3.3 Khả năng hấp phụ Sự hấp phụ bề mặt trong của MMT có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm ở lớp xen giữa (interlayer) hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước [4]. Sự hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polymer và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra trên bề mặt ngoài của MMT [14]. 2.3.2.4 Tính chất hóa học MMT có công thức hóa học: (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2.nH2O. Tính chất đặc biệt của MMT là có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ nhờ vào độ acid cao. Nó có thể được xem là acid Lewis do sự thay thế đồng hình các ion Si4+ bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở bát diện làm bề mặt của MMT mang điện tích âm. Do vậy tâm acid Lewis được tạo thành từ ion Al3+ và ion Mg2+. Trên bề mặt MMT tồn tại các nhóm hydroxyl (-OH) có khả năng nhường proton để hình thành trên bề mặt MMT những tâm acid Brönsted [19]. 11
3. THỰC NGHIỆM 3.1 Điều chế xúc tác 3.1.1 Tinh chế montmorillonite Đất sét thô được nghiền sơ hòa tan vào nước với nồng độ 4 %, sau đó thêm vào (NaPO3)6 5 % với tỷ lệ 5 ml dung dịch (NaPO3)6 cho 20 g đất sét khô. Hỗn hợp được khuấy liên tục trong 24 h, sau đó tiến hành sa lắng. Thời gian và khoảng cách thu lớp huyền phù được tính theo định luật sa lắng Stock. Lớp huyền phù hút ra được sấy, nghiền mịn qua rây 80 mesh [1]. Kí hiệu LDTC. 3.1.2 Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng Cân 10 g montmorillonite tinh chế Lâm Đồng, khuấy với 200 ml dung dịch acid H2SO4 có nồng độ 30% trong 4 h tại nhiệt độ 70 oC. Sản phẩm được lọc, rửa trên phễu Büchner tới khi hết ion SO42- (thử bằng dung dịch BaCl2 1 M), sấy khô tại nhiệt độ 110 oC. Sản phẩm được nghiền mịn qua rây 80 mesh [1]. 3.1.3 Phương pháp trao đổi cation với montmorillonite hoạt hóa acid Thêm từ từ 3 g montmorillonite hoạt hóa acid vào 100 ml dung dịch muối CuSO4 1 M, khuấy từ trong 5 h ở nhiệt độ phòng. Chất rắn sau đó được lọc, rửa sạch dung dịch CuSO4, sấy khô và nghiền mịn thu được xúc tác montmorillonite hoạt hóa acid trao đổi ion Cu2+, ký hiệu Cu2+_Mont. Phương pháp này được áp dụng cho một số muối vô cơ khác để trao đổi những cation khác. Ký hiệu chung là Mn+-Mont [1]. 3.1.4 Phương pháp nung xúc tác montmorillonte đã trao đổi cation Nung xúc tác Mn+_Mont ở các nhiệt độ khác nhau: 100 oC, 200 oC, 300 oC, 400 oC và 500 oC. Xúc tác sau khi thu được, được kiểm tra khả năng tái sử dụng như mục 3.4, xúc tác này được kí hiệu Mn+_Mont_nung. 3.2 Điều chế 3,4-dihydropyrimidine-2(1H)-one (DHPM) Cho vào bình phản ứng 0,212 g 4-methylbenzaldehyde (2 mmol), 0,120 g urea (2 mmol), 0,260 g ethyl acetoacetate (2 mmol) và 100 mg Mn+_Mont_nung. Hỗn hợp được trộn đều, thực hiện phản ứng tại 100 oC. Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp được hòa trong ethanol nóng, lọc xúc tác, dung dịch qua lọc được cho bay hơi dung môi dưới áp suất thấp, chất rắn kết tinh lại trong ethanol thu được sản phẩm DHPM tinh khiết. 12