Ph ản ứng Hantzsch
Khái niệm
1.1.1.1 Phản ứng đa thành phần
Phản ứng đa thành phần (MCR) là quá trình trong đó ba hoặc nhiều thành phần tương tác trong một bình phản ứng duy nhất, dẫn đến sản phẩm cuối cùng mang đặc điểm của tất cả nguyên liệu đầu vào.
Phản ứng đa thành phần cho phép tạo ra các phân tử phức tạp một cách đơn giản và hiệu quả Lợi ích nổi bật của loại phản ứng này là khả năng thu được sản phẩm tinh khiết dễ dàng, do hầu hết các tác chất ban đầu đều được kết hợp để tạo thành sản phẩm cuối cùng.
In 1881, German chemist Arthur Rudolf Hantzsch reported a cyclocondensation reaction catalyzed by acid, involving one aldehyde, two β-ketoesters, and ammonium acetate (or an amine) This Hantzsch reaction is a multi-component reaction that produces pyridine or dihydropyridine.
Phản ứng Hantzsch tạo ra 1,8-Dioxodecahydroacridine từ benzaldehyde, 5,5- dimethylcyclohexane-1,3-dione (dimedone), ammonium acetate
Hình 1: Sơ đồ phản ứng Hantzsch
Cơ chế phản ứng
Cơ chế phản ứng sử dụng xúc tác ZnCl 2 SiO 2 [3]
Initially, dimedone is protonated by the catalyst ZnCl2.SiO2, followed by a reaction with benzaldehyde, resulting in the formation of intermediate I This intermediate I then reacts with protonated dimedone, producing intermediate II Subsequently, intermediate II interacts with ammonium acetate, leading to the elimination of water and the formation of intermediate III Ultimately, this series of reactions progresses towards the final product.
III đóng vòng và tách nước tạo ra sản phẩm 1,8-Dioxodecahydroacridine (hình 3)
1.1.2.2 Một số phương pháp tổng hợp đã được sử dụng
1.1.2.2.1 Sử dụng xúc tác ZnCl 2 SiO 2
Hình 2: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác ZnCl2.SiO2
Thực hiện phản ứng với xúc tác ZnCl2.SiO2 và tỉ lệ mol các tác chất 1:2:3=1:2:1 [3]
Kết quả sử dụng xúc tác ZnCl2.SiO 2 được trình bày trong bảng 1
Bảng 1: Kết quả sử dụng xúc tác ZnCl2.SiO 2
Nhiệt độ ( o C) Lượng xúc tác (g) Thời gian (phút) Hiệu suất (%)
Hình 3: Cơ chế phản ứng xúc tác ZnCl2.SiO 2
1.1.2.2.2 Sử dụng xúc tác SSA (silica-supported sulfuric acid)
Hình 4: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác SSA
Thực hiện phản ứng với xúc tác SSA, tỉ lệ mol các tác chất 1:2:3=1:2:1,5 ở nhiệt độ
Kết quả sử dụng xúc tác SSA được trình bày trong bảng 2
Bảng 2: Kết quả sử dụng xúc tác SSA
Lượng xúc tác (mol%) Thời gian (giờ) Hiệu suất (%)
1.1.2.2.3 Sử dụng xúc tác PPA-SiO 2 (silica-supported polyphosphoric acid)
Hình 5: Sơ đồ phản ứng Hantzsch sử dụng xúc tác PPA-SiO2
Thực hiện phản ứng với xúc tác PPA-SiO2, tỉ lệ mol các tác chất 1:2:3=1:2:1, lượng xúc tác 0,02 g trong điều kiện có và không có dung môi [5]
Kết quả sử dụng xúc tác PPA-SiO2 được trình bày trong bảng 3
Bảng 3: Kết quả sử dụng xúc tác PPA-SiO2
Dung môi Nhiệt độ ( o C) Thời gian (phút) Hiệu suất (%)
Ứng dụng của một số dẫn xuất 1,8-Dioxodecahydroacridine
Hợp chất 1,8-dioxodecahydroacridine và dẫn xuất của nó có một phần cấu tạo giống 1,4-dihydropyridin, nhận được ít sự quan tâm hơn các dẫn suất của 1,4-dihydropyridine
Các hợp chất 1,8-dioxodecahydroacridine và dẫn xuất của chúng đã chứng minh hiệu quả phát laser cao khi tương tác với acid nucleic, gây đột biến trên vi sinh vật Chúng thu hút sự chú ý nhờ tiềm năng hoạt tính sinh học trong việc chống lại bệnh sốt rét, ung thư và bệnh leishmania.
Hóa h ọc vi sóng
L ịch sử
Vào năm 1884, đèn Bunsen, một loại đèn khí đốt hình ống nhỏ, đã được phát minh Trong suốt thế kỷ 20, thiết bị này trở thành công cụ gia nhiệt tiêu chuẩn cho các thí nghiệm của các nhà hóa học.
Vào cuối thế kỷ 20, bếp đun cách dầu và bếp đun với bề mặt kim loại phủ kín là những thiết bị chính trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, bước sang thế kỷ 21, sự phát triển của lò vi sóng trong tổng hợp hữu cơ đã mở ra một kỷ nguyên gia nhiệt mới Lò vi sóng không chỉ là công cụ kích hoạt phản ứng thân thiện với môi trường mà còn cung cấp nhiệt nhanh, nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc đồng phân, đồng thời giảm thiểu năng lượng thất thoát và không cần dung môi, cho phép thực hiện phản ứng với chất nền ở thể rắn.
Cơ chế hoạt động
Tần số vi sóng nằm trong khoảng 0,3-300 GHz, giữa sóng hồng ngoại và sóng radio Để tránh nhiễu sóng viễn thông và radar, các thiết bị trong đời sống hàng ngày và công nghiệp thường sử dụng tần số 2450 MHz với độ dài sóng 12,2 cm.
Magnetron là thiết bị tạo ra vi sóng, phát ra nhiệt để phục vụ cho các phản ứng Dưới tác động của từ trường, các phân tử lưỡng cực sẽ sắp xếp theo hàng, và sự quay của chúng tạo ra hiện tượng ma sát giữa các phân tử, từ đó sinh ra nhiệt Khả năng hấp thu vi sóng có thể được tính toán theo một công thức cụ thể.
Trong đó ε’’: năng lượng bức xạ điện từ chuyển thành nhiệt năng ε’: hằng số điện môi
Tan δ lớn hơn cho thấy khả năng hấp thu vi sóng cao hơn Các chất có độ phân cực lớn thường có khả năng hấp thu vi sóng tốt hơn Chẳng hạn, hằng số điện môi của aceton và ethanol lần lượt là 20,6 và 24,6, nhưng tan δ của ethanol (0,941) lại cao hơn so với aceton (0,054) Điều này cho thấy ethanol phân cực hơn aceton, dẫn đến khả năng hấp thu vi sóng tốt hơn.
Hình 6: Cơ chế hoạt động của vi sóng
So sánh giữa gia nhiệt cổ điển và vi sóng cho thấy rằng phương pháp gia nhiệt cổ điển (bếp đun cách dầu) truyền nhiệt từ bề mặt bếp qua lớp dầu đến bình phản ứng, dẫn đến hao phí nhiệt năng lớn do thất thoát ra môi trường Ngược lại, vi sóng hoạt động hiệu quả hơn khi xuyên qua bình chứa và làm nóng hỗn hợp từ bên trong, giúp giảm thiểu thất thoát nhiệt.
Ứng dụng vi sóng vào tổng hợp hữu cơ
Vi sóng đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, với cả vi sóng gia dụng và chuyên dụng được áp dụng trong nhiều phản ứng không dung môi Các phản ứng này bao gồm acyl hóa và alkyl hóa Friedel-Crafts, súc hợp, cộng đóng vòng, bảo vệ và tháo nhóm bảo vệ, ester và transester hóa, tổng hợp dị hoàn, oxi hóa, hoàn nguyên, chuyển vị, cũng như các phản ứng với tác chất hữu cơ kim loại.
Montmorillonite
L ịch sử – Khái niệm
Montmorillonite (MMT) là một loại khoáng sét phillosilicat mềm, chiếm khoảng 80-90% khối lượng của bentonite, sản phẩm hình thành từ sự phong hóa tro núi lửa MMT được phát hiện lần đầu vào năm 1847 tại Montmorillon, tỉnh Vienne.
Pháp, sau đó được tìm thấy ở nhiều nơi khác trên thế giới và được biết đến với các tên gọi khác nhau [13]
Cơ cấu – Phân loại
Hình 7: Mô hình cơ cấu không gian của MMT
MMT là một loại khoáng vật thuộc nhóm smectite, có cấu trúc lớp 2:1 với hai tấm tứ diện và một tấm bát diện Mỗi lớp của MMT có độ dày khoảng 1 nm và khả năng mở rộng theo hai hướng khác nhau, có thể đạt đến vài trăm nm Cấu trúc của MMT được thể hiện rõ trong hình 7.
Thực nghiệm
Hóa chất và thiết bị
• 5,5-dimethylcyclohexane-1,3-dione (Dimedone) (Sigma-Aldrich)
• Máy khuấy từ điều nhiệt IKARET
• Máy tổng hợp vi sóng CEM
• Máy đo nhiệt độ nóng chảy Buchi
Điều chế xúc tác
Hoạt hóa acid montmorillonite Lâm Đồng
Cân 10 g montmorillonite Lâm Đồng, khuấy với 200 ml dung dịch acid H2SO4 có các nồng độ 10 %, 20%, 30%, 40% và 50 % trong 4 giờ tại nhiệt độ 70 o C Sản phẩm được lọc, rửa trên phễu Büchner tới khi hết ion SO4 2-
(thử bằng dung dịch BaCl2 1 M, hoặc sử dụng quỳ tím nhận biết ion H + ), sấy khô đến khối lượng không đổi tại nhiệt độ
110 o C Sản phẩm được nghiền mịn qua rây 120 mesh Kí hiệu xúc tác lần lượt là LD10, LD20, LD30, LD40, LD50
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
Sau khi khuấy 2 M trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng, chất rắn được lọc và rửa sạch bằng dung dịch CuSO4 Sau đó, chất rắn được sấy khô và nghiền mịn để thu được xúc tác montmorillonite hoạt hóa acid với ion Cu 2+, được ký hiệu là Cu 2+ -Mont Phương pháp này cũng có thể áp dụng cho một số muối vô cơ khác nhằm trao đổi các cation khác, với ký hiệu chung là M n+ -Mont.
Điều chế 1,8-Dioxodecahydroacridine
Cho 0,110 g (1,5 mmol) ammonium acetate và 0,106 g (1 mmol) benzaldehyde vào ống nghiệm chuyên dụng cho máy tổng hợp vi sóng CEM, khuấy đều Thêm 0,280 g (2 mmol) dimedone, khuấy tiếp và gia nhiệt ở 100 °C cho đến khi dimedone tan chảy hoàn toàn Tiếp theo, cho 0,1 g xúc tác vào và thực hiện phản ứng trong máy vi sóng CEM ở 100 °C, công suất 50 W trong 10 phút Sau khi phản ứng, hòa tan sản phẩm bằng ethanol nóng và lọc bỏ xúc tác Cô quay hỗn hợp để loại bỏ ethanol, sau đó kết tinh trong 10 ml ethanol nước tỉ lệ 1:1 (làm lạnh khoảng 1 giờ để thu được tinh thể màu vàng nhạt) Cuối cùng, lọc chất rắn, để khô ở nhiệt độ phòng, cân và tính hiệu suất.
Quá trình tối ưu hóa
• Tối ưu hóa nhiệt độ
• Tối ưu hóa thời gian
• Tối ưu hóa tỷ lệ chất tham gia phản ứng
• Tối ưu hóa khối lượng xúc tác
• Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác
So sánh v ới xúc tác khác
Thực hiện phản ứng trong điều kiện tối ưu giúp thu được kết quả tốt nhất Việc thay đổi xúc tác cũng rất quan trọng, với các loại xúc tác như Cu 2+ -Mont, Pb 2+ -Mont, Ni 2+ -Mont, Al 3+ -Mont, Cr 3+ -Mont, Fe 3+ -Mont và Cd 2+ -Mont được sử dụng để tối ưu hóa quá trình.
T ổng hợp các dẫn suất
Thực hiện phản ứng áp dụng điều kiện đã tối ưu hóa ở trên hay đổi benzaldehyde bằng các dẫn xuất p-nitrobenzaldehyde, p-bromobenzaldehyde, p-methylbenzaldehyde.
