ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƯU THỊ XUÂN THI
NGHIÊN CỨU SỰ OXID HÓA CỦA
KMnO
4
/CuSO
4
5H
2
O TRÊN MỘT SỐ NHÓM
ĐỊNH CHỨC CHÍNH TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔ
VỚI SỰ TR GIÚP CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP
MỚI TRONG TỔNG HP HỮU CƠ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Chuyên ngành Hóa Hữu cơ
Mã số: 1.04.02 Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. LÊ NGỌC THẠCH
TS. NGUYỄN ĐÌNH THÀNH
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH−2008
Lời cảm ơn

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
- Thầy Lê Ngọc Thạch đã dạy dỗ, giúp đỡ, luôn tạo cơ hội cho tôi học
tập tốt và hướng tôi đi trên con đường giảng dạy-nghiên cứu khoa học
trong nhiều năm qua.

- Thầy Fritz Duus đã hỗ trợ tôi về vật chất và tinh thần để vượt qua giai
đoạn khó khăn và bế tắc.

- Thầy Nguyễn Đình Thành đã nhiệt tình giải thích và bổ sung kiến thức
cho tôi về chất mang rắn và xúc tác.

phương pháp tổng hợp mới, làm nền tảng kiến thức cho tôi vận dụng vào
luận án nghiên cứu của mình.
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1

Chương 1. TỔNG QUAN 3
1.1. Sự oxid hóa bằng permanganat trong tổng hợp hữu cơ 3
1.1.1. Giới thiệu 4
1.1.2. Oxid hóa alcol 5
1.1.3. Oxid hóa alken 7
1.1.4. Oxid hóa alkilaren 11
1.1.5. Oxid hóa amin 13
1.1.6. Oxid hóa hợp chất lưu huỳnh hữu cơ 15
1.1.7. Sơ lược về tác nhân KMnO
4
/CuSO
4
5H
2
O 22
1.2. Phản ứng không dung môi 27
1.3. Vi sóng trong tổng hợp hữu cơ 28
1.3.1. Đònh nghóa 28
1.3.2. Nguồn gốc hiệu ứng vi sóng 28
1.3.3. Hiệu ứng vi sóng trong tổng hợp hữu cơ 29
1.4. Siêu âm trong tổng hợp hữu cơ 31
1.4.1. Đònh nghóa 31
1.4.2. Vai trò của siêu âm trong tổng hợp 32

2.5.2. Ciclohexilamin 74
2.5.3. Kết luận 77
2.6. Oxid hóa sulfur hữu cơ 78
2.6.1. Sulfur chi phương bão hòa 78
2.6.2. Sulfur chi hoàn bão hòa 81
2.6.3. Sulfur hương phương 85
2.6.4. Kết luận 88
2.7. Điều chế các S-tioester từ các tiol 89
2.7.1. Điều chế các disulfur từ tiol 91
2.7.1.1. Điều chế các disulfur đối xứng 91
2.7.1.2. Điều chế các disulfur bất đối xứng 94
2.7.2. Điều chế một số S-tioester từ các disulfur 95
2.7.2.1. Điều chế các S-tioester “đối xứng” 96
2.7.2.2. Điều chế các S-tioester “bất đối xứng” 100
2.7.3. Kết luận 103
2.8. Điều chế các dẫn xuất benzaldehid từ các alilbenzen tự nhiên 104
2.8.1. Đồng phân hóa các alilbenzen 106
2.8.2. Oxid hóa propenilbenzen 110
2.8.3. Kết luận 113

Chương 3. THỰC NGHIỆM 114
3.1. Hóa chất và thiết bò 114
3.1.1. Hóa chất 114
3.1.2. Thiết bò 116
3.2. Khảo sát phản ứng 117
3.2.1. Cách thực hiện phản ứng 117
3.2.2. Cách cô lập sản phẩm 123
3.2.3. Nhận danh và xác đònh cơ cấu sản phẩm 128

KẾT LUẬN 146

là sự oxid hóa. Hàng loạt phản ứng có liên quan đến sự oxid hóa đã được sử
dụng trong công nghiệp và trong phòng nghiên cứu. Nhiều tác nhân oxid hóa
trên nhiều loại chất nền khác nhau đã được nghiên cứu. Mặc dù tiến trình oxid
hóa là nguồn gây ô nhiễm chính nhưng các sản phẩm từ quá trình oxid hóa đều
là các sản phẩm có giá trò kinh tế cao.
Phần lớn các tác nhân oxid hóa rất độc hại như K
2
Cr
2
O
7
, CrO
3
, các phức chất
chứa crom, OsO
4
, các muối mangan, các hợp chất chứa rutenium đã được
khuyến cáo không nên sử dụng. Một vài chất oxid hóa dạng phức chất RuO
4
2-

cho hiệu suất khá cao nhưng không kinh tế.
Trong khi đó, KMnO
4
là một chất oxid hóa mạnh và phổ biến được sử dụng
trong tổng hợp hữu cơ hơn một thế kỷ nay cho nhiều nhóm đònh chức và tương
đối rẻ. Việc tẩm KMnO
4
/chất mang đã khắc phục nhược điểm về tính tan của nó
trong pha hữu cơ qua các phản ứng không dung môi và đạt hiệu suất cao.

baz rắn KF/Al
2
O
3
để chuyển hóa thành các dẫn xuất propenilbenzen có giá trò
cao và cũng chính là chất nền cho sự oxid hóa bằng KMnO
4
/CuSO
4
5H
2
O trong
giai đoạn kế tiếp; hoặc phản ứng thủy giải ester bằng xúc tác baz rắn KF/Al
2
O
3
.
Luận án Tiến Só Hóa học
3
Chương 1. Tổng quan

1.1. SỰ OXID HÓA BẰNG PERMANGANAT TRONG TỔNG HP
HỮU CƠ

1.1.1. Giới thiệu
36


2 MnO
4
2-
+
4 H
+
MnO
4
-
3 O
2
2 H
2
O4 Mn
2
++
O
Luận án Tiến Só Hóa học
4
Trong môi trường baz, MnO
4
-
đóng vai trò là một tác nhân oxid hóa mạnh: Trong môi trường baz rất mạnh và lượng MnO
4

dung môi hữu cơ phân cực. Thông thường dung môi etanol (sử dụng cho phản
ứng oxid hóa alken), t-butanol, aceton, piridin, acid acetic, anhidrid acetic (sử
dụng cho phản ứng oxid hóa alken thành
α
-diceton) và acid trifluoroacetic (sử
+
2 H
2
OMnO
4
-
4 OH
-
MnO
2
+
+
3 e
-
E = + 1,23 V
+
e
-
MnO
4
-
MnO
4
2-
E = + 0,56 V

Luận án Tiến Só Hóa học
5
dụng cho phản ứng oxid hóa hidrocarbon). Tuy nhiên, nhiều dung môi hữu cơ bò
oxid hóa bởi permanganat.

Sau đây là một số minh họa khả năng oxid hóa của permanganat kalium trên
một số nhóm đònh chức chính trong tổng hợp hữu cơ.

1.1.2. Oxid hóa alcol

Phản ứng khó dừng ở giai đoạn hình thành aldehid vì aldehid rất dễ bò oxid hóa
tiếp tục thành acid carboxilic. Trong môi trường acid, alcol tam cấp bò oxid hóa
qua giai đoạn khử nước tạo thành alken, sau đó alken vừa tạo thành tiếp tục bò
oxid hóa. Nhưng khó có thể kiểm soát được phản ứng.
2

Có bốn phương pháp oxid hóa alcol nhò cấp thành ceton như sau:
58

• Khử hidrogen xúc tác
• Sự oxid hóa Oppennauer
• Với N-halogenosucinimid
• Sử dụng tác nhân oxid hóa mạnh

Alcol nhất cấp và nhò cấp bò oxid hóa thành acid carboxilic hoặc ceton bằng ion
permanganat trong cả dung dòch acid hoặc baz có nồng độ khoảng 1M ở 0-5
o

109
KMnO
4
/bentonit trong môi trường benzen
hoặc diclorometan,
98,99
KMnO
4
/montmorilonit K10 trong diclorometan hoặc
không dung môi,
117
KMnO
4
/silica gel trong dung môi toluen,
137

KMnO
4
/Kieselguhr trong môi trường không dung môi,
81
KMnO
4
/alumin trong
môi trường không dung môi,
44
KMnO
4
/zeolit trong dung môi diclorometan,
126
KMnO

2,2,6,6-
tetrametilpiperidin-1-oxi (TEMPO),
33
Na
2
WO
4
2H
2
O.
101
Oxigen xúc tác
paladium,
97
xúc tác đồng,
88
xúc tác V
2
O
5
,
92
xúc tác acetilacetonat Co(III) và trợ
xúc tác N-hidroxiptalimid (NHPI).
54
Oxon/Al
2
O
3
ẩm trong dung môi CH

X
-
trong
dung môi EtOAc.
72Luận án Tiến Só Hóa học
7
Cơ chế phản ứng:
- R. Stewart
13
và cộng sự cho thấy sự tăng vận tốc trong dung dòch baz gây
ra do sự ion hóa alcol thành ion alkoxid và các alkoxid sẵn sàng chuyển
điện tử đến chất oxid hóa. Giai đoạn quyết đònh tốc độ phản ứng là giai
đoạn cắt đứt nối C
α
-H.
- Trong môi trường acid, anion permanganat sẽ tồn tại một phần ở dạng
acid permanganic, mà được cho là chất oxid hóa tốt hơn anion.
13

-
+ H
2
O
R
1
CH
R
2
O
MnO
4
-
, chậm
- HMnO
4
2-
R
1
C
R
2
O
MnO
4
-
+
H
+
HMnO

O
O
O
chậm
Ar C
OH
H
+
HMnO
4
2
(V)
Luận án Tiến Só Hóa học
8
Trong môi trường kiềm mạnh, alken được chuyển hóa thành diol tương ứng với
hiệu suất không cao (< 50%) mặc dù sử dụng xúc tác chuyển pha hay gia tăng
tốc độ khuấy. Trong môi trường trung tính hoặc baz nhẹ, sản phẩm tạo thành là
α-hidroxiceton. Các phản ứng oxid hóa alken luôn kèm theo sự đứt nối C-C, do
đó làm giảm hiệu suất phản ứng. Trong môi trường acid, quá trình đứt nối C-C
chiếm ưu thế. Ngoài ra, sự tạo thành α-glicol hoặc α-cetol cũng tùy thuộc vào
nhiệt độ phản ứng, điển hình qua sự oxid hóa ciclohexen:
36

- Trong dung dòch nước/aceton ở pH > 8 cho sản phẩm là glicol và acid adipic.

KMnO
4

O
O
OH
OH
20-30%- Xét về mặt hóa học lập thể, quá trình oxid hóa alken bằng KMnO
4
là một quá
trình cộng syn vào nối đôi.
- Khi oxid hóa các alken đầu dây bằng KMnO
4
, sự đứt nối cho ra sản phẩm là
acid carboxilic có ít hơn một nguyên tử C so với dây alken.
CH (CH ) CH CH
3 2 5 2
KMnO
4
loa
õ
ng
CH (CH ) COOH
3 2 5

Luận án Tiến Só Hóa học
9

C oxid hóa alken
thành các aldehid với hiệu suất 14-79%,
136
KMnO
4
/SiO
2
oxid hóa alken/benzen
ở nhiệt độ phòng thành các acid tương ứng,
37
KMnO
4
/CuSO
4
5H
2
O trong dung
môi t-BuOH/H
2
O (1:0,2) ở 25
o
C oxid hóa alken thành α-diceton hoặc α-hidroxi
ceton,
18
KMnO
4
/Al
2
O
3


rất thấp (2%),
75
thậm chí trong một số bài báo đã cho rằng KMnO
4
/
CuSO
4
5H
2
O không thể phản ứng với nối đôi carbon-carbon.
90Ngoài ra, có thể sử dụng những tác chất oxid hóa khác như H
2
O
2
, hidroperoxid t-
butil trong môi trường kiềm, hoặc N-oxid-N-metilmorpholin với hợp chất trợ oxid
hóa OsO
4
…
133

Luận án Tiến Só Hóa học
10

OH,
pH>9
nhanh
C
C
H
OH
OH
H
glicol
nhanh
MnO
4
C
C
H
OH
O
H
Mn
O
O
O
pH 4-8
C
C
H
OH
O
H

+
Mn
(IV)
(IV)
(IV)
(V)
(VI)
(V)
1
24
3
5
6
7Cơ chế 1.2. Giai đoạn hình thành sản phẩm và sản phẩm trung gian theo cơ chế
cổ điển. C
C
H
O
O
H
Mn
O
O
(V)

O
O
H
Mn
3
O
O
(VI)

Cơ chế 1.3. Giai đoạn hình thành sản phẩm và sản phẩm trung gian
Luận án Tiến Só Hóa học
11

Cơ chế 1.4. Giai đoạn hình thành sản phẩm glicol mà không thông qua giai đoạn
hình thành epoxid.

1.1.4. Oxid hóa alkilaren
1KMnO

O
CC
O Mn
O
O
O
CC
O
Mn
O
O
O
1
2a 3a
CC
HO
OH
Glicol

Luận án Tiến Só Hóa học
12
hóa etilbenzen bằng dicromat tẩm trên alumin,
134
sự oxid hóa alkilaren bằng
KMnO
4
tẩm trên CuSO


R
CH
2
Ar
+
MnO
3
R
CH
Ar
+
chậm
R
CH
Ar
O MnO
2
H
Mn(VII)
(nhanh)
(nhanh)
Mn (V)
+
R
CH
Ar
OH
R
C

36Amin dễ bò oxid hóa và chuyển hóa thành hợp chất có số oxid hóa cao hơn. Điều
này có thể xảy ra do mất điện tử tại nguyên tử nitrogen hoặc tại nguyên tử
carbon kế cận nhóm amin.
Những nghiên cứu trước đây về phản ứng của ion permanganat với amin nhất
cấp, nhò cấp và tam cấp có nguyên tử H gắn tại C kế cận nhóm amin (như
R
1
R
2
CH-NR
2
) cho thấy phản ứng oxid hóa xảy ra nhanh trong dung môi alcol t-
butil ở nhiệt độ 25
o
C và tạo ra hỗn hợp sản phẩm bao gồm imin, enamin, baz
Schiff và sản phẩm từ sự đứt nối.

1.1.5.1. Amin nhất cấp
Ion permanganat trung tính trong dung dòch alcol t-butil ở 60-80
o
C oxid hóa
amin thành aldehid hay ceton tương ứng với hiệu suất rất cao.
RCH
2
NH
2
KMnO

(V)

Luận án Tiến Só Hóa học
14
Phản ứng này cho hiệu suất rất cao ở môi trường trung tính, kiểm soát pH dễ
dàng. Phản ứng xảy ra nhanh hơn khi cho thêm ion magnesium và calcium để
phản ứng với ion hidroxid sinh ra trong quá trình phản ứng từ ion permanganat.
Tuy nhiên, trong môi trường acid, amin bò proton hóa sẽ cản trở quá trình oxid
hóa.
Khi oxid hóa t-alkilamin bằng ion permanganat trong môi trường trung tính sẽ
tạo thành nitroalkan tam cấp.
t-C
4
H
9
CH
2
C
CH
3
CH
3
NH
2
KMnO
4
t-C

Amin hương phương nhò cấp bò oxid hóa bởi ion permanganat trong dung dòch
nước/aceton sẽ tạo ra các hidrazon.
Ar
NH
Ar
KMnO
4
/H
2
O/ aceton
Ar
N
Ar
N
Ar
Ar1.1.5.3. Amin tam cấp
Những amin tam cấp đơn giản bò oxid hóa thành ceton tương ứng trong dung môi
alcol t-butil.
Luận án Tiến Só Hóa học
15
- Khi oxid hóa nguyên tử carbon nối với nguyên tử nitrogen trong vòng (như
nhóm metil, etil, thường thấy trong alkaloid) bằng ion permanganat thì sản
phẩm thu được hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện phản ứng. Trong môi trường
acid, sản phẩm thu được là N-acil và trong môi trường trung tính thì lại xảy ra sự

36

1.1.6.1. Oxid hóa tiol
Sự oxid hóa tiol chi phương thường hình thành disulfur và cơ chế của sự oxid hóa
bằng KMnO
4
hấp phụ trên chất mang rắn có thể được mô tả như sau:
100

Luận án Tiến Só Hóa học
16

O
Mn
O
O
O
S
R
H
O
Mn
O
O
O
RSH
RSR'

RSH
+
O
MnO
3
H
RS SR
H
O
MnO
2
+
RSOH
RSH
RSSR'
+
H
2
O
RS(O)R
+
O
MnO
2
'Cơ chế 1.7. Oxid hóa tiol bằng KMnO
4
/chất mang rắn

OH

Phản ứng có thể thực hiện trong aceton hoặc dung dòch baz. Phản ứng đi từ tiol
phải qua giai đoạn tạo thành acid sulfenic, acid sulfinic tương ứng và cuối cùng
cho ra acid sulfonic.
A
rSH
KMnO
4
Ar S
O
O
OH
Ar S OH Ar S OH
OBên cạnh sự oxid hóa bằng permanganat kalium, một vài tác nhân oxid hóa cũng
đã được nghiên cứu như oxigen với các xúc tác kim loại,
14
Cu(II) trong dung môi
(xilen…),
131
anhidrid triflic (CF
3
SO
2
)
2
O trong môi trường baz.

121
KMnO
4
/MnO
2
,
118
và KMnO
4
/CH
3
CN
116
sẽ tạo ra sản
phẩm là các sulfon tương ứng.
Một số trường hợp các sulfur chi phương bò oxid hóa bằng các tác nhân
KMnO
4
/alumin,
45
KMnO
4
/FeCl
3
,
66
hình thành sản phẩm là các sulfoxid.

Ngoài tác nhân permanganat kalium, còn nhiều tác nhân oxid hóa đã được
nghiên cứu để oxid các sulfur thành các sulfoxid và sulfon. Những tác nhân oxid