3.2. TỔNG HỢP, XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC MỘT SỐ MUỐI AZOLE
3.2.1. Tổng hợp một số muối azole
Như đã trình bày ở phần tổng quan, phương pháp phổ biến để tổng hợp phức chất chứa phối tử NHC là đề proton hóa muối của azole theo các cách khác nhau.
Các muối của azole được tổng hợp tương đối dễ dàng và bền trong không khí ở điều kiện thường, điều này phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt độ và độ ẩm cao cũng như điều kiện trang thiết bị thí nghiệm còn hạn chế ở Việt Nam. Do vậy, chúng tôi
41
đặt ra nhiệm vụ phải tổng hợp được muối 1,3-diisopropylbenzimidazolium halogenua để sử dụng trong quá trình nghiên cứu.
Theo [38], phương pháp phổ biến để tổng hợp muối azolium là thực hiện phản ứng alkyl hóa các hợp chất azole như imidazole, benzimidazole, 1,2,4-triazole với các dẫn xuất alkyl halogenua, phản ứng thường chạy theo cơ chế SN2. Chẳng hạn trong trường hợp alkyl hóa benzimidazole, phản ứng thường trải qua ba giai đoạn như trong sơ đồ 3.2:
Ở giai đoạn 1 sẽ xảy ra quá trình deproton hóa benzimidazole trong môi trường bazơ mạnh hoặc trung bình để hình thành tác nhân nucleophin. Quá trình này có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng (với bazơ mạnh như NaOH) hoặc nhiệt độ cao (với bazơ trung bình K2CO3) sau vài giờ phản ứng. Ở giai đoạn 2 và giai đoạn 3, tác nhân nucleophin sẽ tấn công vào R-X đồng thời X- đi ra để hình thành muối azolium. Giai đoạn này đòi phải thực hiện ở nhiệt độ cao và thời gian phản ứng kéo dài.
Trong phản ứng thế nucleophin dung môi giữ vai trò hết sức quan trọng, không có dung môi phản ứng thế xảy ra chậm hoặc không thể xảy ra [10]. Thông thường dung môi phù hợp với phản ứng thế SN2 là các dung môi phân cực như axetonitril hoặc etanol. Trong phản ứng alkyl hóa benzimidazole việc lựa chọn dung môi thực hiện phản ứng còn phụ thuộc vào tính tan của các chất đầu và sản phẩm tạo thành. Do benzimidazole, ankyl halogenua và các muối hữu cơ thu được đều tan tốt CH3CN, trong khi đó các muối vô cơ sử dụng và tạo thành trong quá trình phản ứng không tan trong CH3CN nên có thể thuận lợi cho việc tinh chế sản phẩm. Các phản ứng đều được chúng tôi thực hiện ở thời gian dài, nhiệt độ cao.
Chúng tôi đã thực hiện phản ứng giữa 2-clopropan với benzimidazole ở các điều kiện khác nhau với mục tiêu tổng hợp được muối 1,3- diisopropylbenzimidazolium clorua. Một số thí nghiệm nghiên cứu được chỉ ra ở bảng 3.1. Ở thí nghiệm 1, với điều kiện tỉ lệ mol benzimidazole : 2-clopropan là 1 : 3, dung môi axetonitril với sự có mặt của NaOH, sau 50 giờ phản ứng ở nhiệt độ 80
42
÷ 85 nhưng không thu được sản phẩm mong muốn. Theo [7], khi alkyl halogenua là dẫn xuất bậc 2 nếu sử dụng bazơ mạnh thường xảy ra phản ứng tách HX ra khỏi dẫn xuất halogen làm giảm hiệu suất phản ứng phản ứng thế. Do đó, chúng tôi sử dụng một bazơ yếu hơn là K2CO3. Tuy nhiên, qua nhiều thí nghiệm khảo sát khác nhau (thí nghiệm 2-5) chúng tôi chỉ thu được sản phẩm iPr-bimy.HCl với hiệu suất rất thấp (3-5%). Chúng tôi cho rằng, do 2-clopropan là một chất khó tham gia phản ứng thế, nhiệt độ sôi của nó lại quá thấp (39 oC) trong khi đó phản ứng cần xảy ra ở nhiệt độ cao, thời gian kéo dài nên khó thu được sản phẩm với hiệu suất cao.
Bảng 3.1: Một số thí nghiệm khảo sát khi tổng hợp muối nghiên cứu
TN Muối Tỉ lệ mol
azole : R-X Dung môi Bazơ Nhiệt độ (oC)
Thời gian (h)
Hiệu suất (%) 1
iPr- bimy.HCl
1 : 3,0 CH3CN NaOH 80 ÷ 85 50 0
2 1 : 6,0 CH3CN K2CO3 80 ÷ 85 72 0
3 1 : 8,0 CH3CN NaOH 45 ÷ 50 72 0
4 1 : 8,0 CH3CN K2CO3 45 ÷ 50 72 3
5 1 : 10 C2H5OH K2CO3 45 ÷ 50 96 5
6
iPr- bimy.HBr
1 : 4,0 CH3CN NaOH 75 ÷ 80 36 20
7 1 : 4,0 CH3CN K2CO3 75 ÷ 80 48 45
8 1 : 5,0 CH3CN K2CO3 75 ÷ 80 72 80
9 1 : 6,0 CH3CN K2CO3 75 ÷ 80 84 80
Theo [10], khi R không thay đổi khả năng phản ứng thế nucleophin của X trong RX giảm dần từ I > Br > Cl >> F do sự giảm độ dài liên kết và độ phân cực hóa (từ I đến F). Vì vậy, chúng tôi đã thay đổi dẫn xuất halogen là isopropyl bromua (nhiệt độ sôi cao hơn 2-clopropan) cho tương tác với benzimidazole để thu được
iPr-bimy.HBr theo phương trình (3.3), sau đó tìm điều kiện chuyển muối iPr- bimy.HBr thành muối iPr-bimy.HCl.
43
Qua một số thí nghiệm khảo sát chúng tôi tìm được điều kiện thích hợp khi tổng hợp được muối iPr-bimy.HBr với hiệu suất 80% (thí nghiệm 8).
Tiếp theo, chúng tôi tìm điều kiện để chuyển đổi anion bromua trong iPr- bimy.HBr thành anion clorua. Chúng tôi dự đoán ion SO2-4 sẽ có ái lực với iPr- bimy.H+ hơn ion Br- nên ion SO2-4 sẽ dễ dàng đẩy Br ra khỏi - iPr-bimy.HBr để tạo muối 1,3-điisopropyl benzimidazolium sunfat. Sau đó sử dụng BaCl2 để kết tủa ion sunfat bằng ion Ba2+ sẽ thu được muối iPr-bimy.HCl. Theo hướng nghiên cứu dự kiến chúng tôi đã chuyển hóa thành công iPr-bimy.HBr thành iPr-bimy.HCl với đạt 90% theo quy trình được sơ đồ hóa như sau:
Sau khi tổng hợp, các muối nghiên cứu được sắc ký bản mỏng trong dung môi metanol : clorofom (1:1), được hiện hình bằng đèn UV (WFH-203 B), kết quả đều cho một vệt tròn duy nhất ở các nồng độ khác nhau của chất. Điều đó cho thấy, các muối nghiên cứu có độ tinh khiết đáng tin cậy. Một số tính chất vật lí của các muối tổng hợp được liệt kê ở bảng 3.2.
Bảng 3.2: Một số tính chất của các muối nghiên cứu
Muối Hình
dạng Màu sắc Tính tan
H2O EtOH CH3CN DMSO Axeton
iPr-bimy.HBr Khối Trắng Tan Tan Tan Tan Tan
iPr-bimy.HCl Khối Trắng ngà Tan Tan Tan Tan Tan Bảng 3.2 cho thấy, các muối tổng hợp đều là các chất rắn, màu trắng và tan tốt trong nhiều dung môi. Khả năng hòa tan trong nhiều dung môi này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tổng hợp phức chất về sau.
44