BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN HÓA HỌC
Chuyên ngành: HÓA HỮU CƠ



TỔNG HỢP DẪN XUẤT 4H-PIRAN
DÙNG XÚC TÁC K2CO3 TẨM TRÊN
CHẤT MANG RẮN
MONTMORILLONITE K-10
GVHD: ThS. Phạm Đức Dũng
SVTH: Nguyễn Thị Bích Ngọc
Lớp: Hóa 4C

Tp.

Hồ

Chí

Minh,

tháng

05

năm


Lí do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nói chung và Hóa học nói riêng, trong
đó Hóa học về tổng hợp các hợp chất hữu cơ ngày càng phát triển nhằm tạo ra các hợp
chất phục vụ đời sống con người. Trong lĩnh vực y học, những hợp chất dị vòng ngày
càng tổng hợp nhiều và có những hoạt tính sinh học, khả năng ứng dụng cao. Vì vậy, các
chất

này

góp

phần

vào

việc

chữa

trị

các

căn

bệnh

hiểm

nghèo.


Tổng hợp một số dẫn xuất của 4H–piran bằng cách thay thế trực tiếp trên vòng
thơm bởi các nhóm clo, brom, metyl, nitro…dựa trên các điều kiện tối ưu.

• Dựa trên đặc tính ưu việt của MMT K-10 là giá thành rẻ, dễ sử dụng, dễ xử lý và
thu hồi, chúng tôi nghiên cứu khả năng tái sử dụng xúc tác để xanh hóa phản ứng
một cách kinh tế nhất.
• Khảo sát tính chất vật lí (nhiệt độ, nhiệt độ nóng chảy, màu sắc…) của các hợp
chất điều chế được.
• Khảo sát cấu trúc các hợp chất điều chế được bằng các phổ cộng hưởng từ hạt
nhân.
 Phương pháp nghiên cứu
• Tham khảo các tài liệu khoa học liên quan
• Thực hiện tổng hợp trong phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ Khoa Hóa học, trường
Đại học khoa học tự nhiên TP.HCM.
• Phương pháp kết tinh trong dung môi thích hợp được sấy khô thu được sản phẩm
tinh khiết sẽ được dùng để xác định hiệu suất phản ứng.
Khảo sát cấu trúc của các hợp chất thu được thông qua phổ cộng hưởng từ hạt nhân.


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu 4H-piran[4]
1.1.1 Khái niệm
Piran là những eter vòng sáu cạnh không no.
Piran không phải là hợp chất thơm nên không quan trọng mà dẫn xuất piron quan
trọng hơn do có trong thành phần nhiều hợp chất thiên nhiên. Piron có thể xem như là
dẫn xuất cacbonyl của piran (α và γ-piran).

1.1.2


O

HO

O

-

OH

+

Cl

OOH
HO

-

O

OH

O

OOOH

O-

O

O

COCH3

Hình 1.3: Varfarin


1.1.2.2 γ-pian, 4H-piran hay 1,4-dioxin
•

Thường gặp ở dạng γ-piron và γ-cromon.Trong các hợp chất flavonoid có chứa

khung γ-cromon.
O

O

O

O

γ-piron

γ-cromon
O

O
OH

O

OH
HO

O

NaOOC

OH

( R = H, OH hay O – gốc đường )
Các flavon màu vàng

Nedocromilnatri

Hình 1.5: Hợp chất chứa khung Flavon

COONa


1.2 Hoạt tính và ứng dụng dẫn xuất 4H-piran
4H-piran là một bộ khung quan trọng của dị vòng bởi vì đoạn cốt lõi được cấu
thành bởi một loạt các sản phẩm tự nhiên và các hợp chất khác có giá trị. Hiện nay, dẫn
xuất 4H-piran đang được quan tâm đáng kể do các hoạt tính sinh học và dược lý của nó,
thí dụ chống co thắt, lợi tiểu, thuốc chống đông máu, chống ung thư, điều trị các bệnh
thoái hóa thần kinh, bao gồm cả bệnh Alzheimer, cũng như để điều trị tâm thần phân liệt
và rung giật cơ. Đặc biệt, chúng có thể được sử dụng như là các chất tăng cường nhận
thức cho việc điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh[3].
Ngoài ra, nó đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh hóa , bao gồm một
chất ức chế chọn lọc kích thích subtype vận chuyển amino axit 1, IKCa thuốc chẹn kênh,
A3 thuốc đối kháng thụ adenosine như tiềm năng chống viêm đại lý, và proapoptotic hoạt



Theo tài liệu tham khảo [2], các tác giả Arturo Sasnchez, Fernando Hernadez và

Joaquin Tamariz tổng hợp thành công các dẫn xuất 4H-piran dưới sự thúc đẩy của bức xạ
hồng

ngoại

trong

điều

kiện

không

dung

môi,

sử

dụng

tỉ

lệ

benzaldehid:malononitril:acetoacetate etil = 3:3:3 (mmol), xúc tác amoni hydroxid (3

IR

CN
CH3

H3C

Sơ đồ 1.2: Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran [2]

O

NH2

H2O


Bảng 1.1: Kết quả tổng hợp dẫn xuất 4H-piran[2]



STT

R

Hiệu suất (%)

1

C6H5


EtO

O

O

Catalyst

CN

+

+

O

CN

Reflux

R

H3C

CH3

Sơ đồ 1.3:
Bảng 1.2:



92

3

3-NO 2

91

4

4-Cl

92

5

4-OMe

85

6

4-Me

83

7

4-OH



O

55oC,
5-25 phút

CN
X

O

CH3

+

H3C

O

H2O

NH2

Sơ đồ 1.4: Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran [5]
Bảng 1.3: Kết quả tổng hợp 2-amino-4H-piran trong H 2 O-etanol



STT


Br

10

OEt

84

4

CH 3

15

OEt

83

Ngoài ra, còn một số bài báo nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất 4H-piran như: phương

pháp sử dụng xúc tác dị thể MgO khuấy trộn trên bếp hoàn lưu 5h trong dung môi
methanol[6], phương pháp dùng xúc tác Mg-La đun hoàn lưu trong 1h với dung môi
methanol[7].


Những phương pháp trên tổng hợp thành công dẫn xuất 4H-piran nhưng chưa đáp

ứng được xu hướng tổng hợp “Hóa học Xanh” ngày nay vì còn sử dụng dung môi
methanol gây độc, đun hoàn lưu trong thời gian lâu và các xúc tác dị thể trong phòng thí
nghiệm chưa có sẵn nên chúng tôi mở ra một hướng nghiên cứu mới là khảo sát khả năng

trong tấm tứ diện cùng hướng về một phía so với tấm và liên kết với các tấm bát diện tạo
thành mặt phẳng chứa O oct (O oct = OH, F, Cl, O). O oct là anion của tấm bát diện, nằm ở


trung tâm của vòng sáu tứ diện và không liên kết với tấm tứ diện, nguyên tử oxigen này
liên kết với nguyên tử hidrogen tạo thành nhóm –OH trong cơ cấu của đất sét. Bát diện
có hai dạng hình học khác nhau phụ thuộc vào vị trí nhóm –OH : định hướng cis (2 O oct
nằm cùng phía) và trans (2 nhóm O oct nằm khác phía).

Hình 1.7 : Tấm bát diện của một lớp khoáng sét
(a): sự định hướng O oct (OH, F, Cl) trong cis-bát diện và trans-bát diện
(b): Vị trí tâm cis và tâm trans trong tấm bát diện

Oa

và

Ob

lần lượt là oxigen đỉnh và oxigen đáy

1.4.2 Phân loại[11-12]
Sự sắp xếp giữa tấm tứ diện và tấm bát diện thông qua các nguyên tử oxigen một
cách liên tục tạo nên mạng tinh thể của khoáng sét. Có 2 kiểu sắp xếp chính:
1.4.2.1 Lớp 1:1
Cơ cấu của lớp 1:1 là sự sắp xếp trật tự tuần hoàn của một tấm bát diện và một tấm
tứ diện (TO). Trong cơ cấu của lớp 1:1, mỗi ô mạng bao gồm 6 bát diện (4 bát diện định
hướng cis và 2 bát diện định hướng trans) và 4 tứ diện.



1.5.2 Cơ cấu phân loại[14]
MMT thuộc nhóm smectit, có cơ cấu lớp 2:1 bao gồm hai tấm tứ diện và một tấm
bát diện, mỗi lớp có độ dày khoảng 1 nm và có thể mở rộng theo hai hướng khác nhau
đến vài trăm nm.
Cơ cấu và thành phần mỗi loại đất sét tùy thuộc vào đặc thù địa chất nơi tìm thấy.
Do đó mỗi loại đất sét có một công dụng khác nhau. Cơ cấu của MMT được minh họa
như sau:

Hình 1.10:

1.5.3 Tính chất
1.5.3.1 Tính chất vật lí[15]

Mô hình cơ cấu không gian của MMT K-10


MMT là dạng đơn khoáng, gần giống sáp nến, màu trắng, xám, vàng nhạt, nâu,
nâu đỏ, có thể màu xám xanh hoặc xanh lục…khi sờ cảm thấy nhờn và trơn.
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.
1.5.3.2 Tính chất hóa học
1.5.3.2.1 Tính trao đổi ion[10,15]
4+

− Si
[ Si4O10 ]4− 
→[ AlSi3O10 ]5−

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.
1.5.3.2.3 Tính trương nở[17]
Sự trương nở (swelling capacity) của MMT có thể xảy ra do sự hấp phụ nước hoặc
dung môi hữu cơ phân cực vào giữa các tinh thể hoặc giữa các lớp trong tinh thể, hoặc
tiếp xúc trực tiếp với môi trường có áp suất hơi của chất lỏng cao, thậm chí có thể do sự
thay thế cation nhỏ ở lớp xen giữa bằng các cation hữu cơ lớn hơn. Mỗi dạng trương nở
khác nhau sẽ có những quá trình khác nhau và chịu sự điều khiển bởi các yếu tố khác
nhau.
1.5.3.2.4 Khả năng xúc tác của MMT K-10[18]
MMT có tính chất cơ bản có thể dùng làm xúc tác trong các phản ứng hữu cơ đó là 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. Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện
tích âm của chúng không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm acid Lewis được tạo
thành từ ion Al3+ và ion Mg2+. Trên bề mặt MMT tồn tại các nhóm hidroxil có khả năng
nhường proton để hình thành trên bề mặt MMT những tâm acid Brönsted.
 Đặc tính của MMT K−10 [19]
Là dạng bột mịn, màu trắng, không độc, pH 2.5−3.5, diện tích bề mặt BET khoảng
250 m2.g-1, tỉ khối 300−370 kg.m-3.
Với những ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, không gây ăn mòn, có thể tái sử
dụng, thân thiện với môi trường và dễ xử lý, trong vài năm gần đây, xúc tác có nguồn gốc
từ đất sét, đặc biệt là MMT, nhận được nhiều sự quan tâm trong tổng hợp hữu cơ. Điển
hình là sét MMT K−10, một sản phẩm thương mại hóa, được nghiên cứu rộng rãi và trở
thành một xúc tác hữu ích cho nhiều loại phản ứng.


Chương 2: THỰC NGHIỆM
2.1 Hóa chất và thiết bị
2.1.1 Hóa chất


2.3 Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran (4a-f)
 Phương trình phản ứng:
EtO
O
H

K2CO3/MMT K-10

CN

+

R

+

CN
EtO

O
Khuấy từ điều nhiệt

CN
CH3

(1a-f)

R


4e: R= 4-BrC 6 H 4 , 4f: R= 4-CH 3 C 6 H 4
Sơ đồ 2.1: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran


Cách tiến hành:
Hòa tan 2 mmol arylaldehid (1a-f), 0,132 g malononitril (2 mmol), 0,260g

acetoacetate etil (2 mmol) và 0,1 g xúc tác K 2 CO 3 /MMT K-10 với 6 ml dung môi
EtOH:H 2 O=1:1 trong bình cầu 50 ml. Hỗn hợp phản ứng được khuấy trộn trên bếp
khuấy từ điều nhiệt với nhiệt độ 55 (oC), thời gian 20 (phút). Sau đó để nguội hỗn hợp
phản ứng, lọc lấy chất rắn, rửa lại bằng EtOH:H 2 O=1:1. Chất rắn trên được hòa tan bởi
30 ml ethanol nóng, lọc lấy dung dịch và thu hồi xúc tác nằm trên phễu. Sản phẩm cuối
cùng được cho vào cốc 50 ml rồi kết tinh lại bằng ethanol.
Từ điều kiện thực hiện phản ứng ban đầu tiếp tục quá trình tối ưu hóa các điều
kiện phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran. Sau đó áp dụng các điều kiện tối ưu để tổng
hợp dẫn xuất 4H-piran.

2.4 Định danh sản phẩm
Sản phẩm cuối cùng được định danh bằng cách xác định nhiệt độ nóng chảy và
nghiên cứu cấu trúc thông qua phổ 1H-NMR và phổ 13C-NMR.


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Quy trình tổng hợp dẫn xuất 4H-piran
3.1.1 Sơ đồ điều chế
Arylaldehid + Malononitril + Acetoacetat etil + xúc tác
K2CO3/MMT K-10 + dung môi EtOH:H2O
Để nguội hỗn hợp phản ứng rồi
lọc với EtOH:H2O
(1:1)


+

CN
EtO

O
Khuấy từ điều nhiệt

CN
CH3

(1a)


R

K2CO3/MMT K-10

CN

+

R

O

O

(2)


+

+
H

H

(2)
Đa số cacbanion ổn định được tạo ra bởi sự dị li các liên kết. Thông thường các
liên kết C-H khá bền vững, khó có thể tự phân li như trên. Vì vậy, để tăng tốc độ sự dị li
người ta thường phải sử dụng xúc tác base. Ở bài này có sự kết hợp mới mẻ giữa K-10
tẩm muối kalicacbonat tạo thành một xúc tác mang tính bazơ và được đưa vào tìm hiểu
qua tổng hợp hữu cơ.
Tiếp theo, thực hiện phản ứng ngưng tụ Knovenagel giữa benzaldehid và cacbanion của
malononitril tạo thành hợp chất benzylidenemalononitril không no (A) và loại một phân
tử nước.


O
H

R

O

CN

+


trung gian ( C ) cho ra sản phẩm dẫn xuất 4H-piran cần tổng hợp.
Phản ứng dễ dàng xảy ra vì trong hợp chất β – diceton, nguyên tử hidro ở -CH 2
nằm giữa 2 nhóm C=O của hợp chất acetoacetate etil rất linh động.

EtO

R
C = N

O

O

R
CN

+

O

EtO

NC

C = N
CH3

(3)

H3C

(B)
O

R

O

R

CN
EtO
H3C

CN
EtO

O

NH

(C)


H3C

O

NH2

(4a-f)


Etanol

6

18

2

H2O

6

33

3

Etanol/H 2 O (1:2)

6

52

4

Etanol/H 2 O (2:1)

6

63

20 phút, khối lượng xúc tác K 2 CO 3 /MMT K−10 là 0,1 g, tỉ lệ benzaledhid
malononitril:acetoacetat etil lần lượt là 2:2:2 (mmol).
Bảng 3.2: Kết quả tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng
STT

Nhiệt độ (oC)

Khối lượng sản phẩm (g)

Hiệu suất (%)

1

45

0,400

70

2

50

0,405

71

3

55


Đồ thị biểu diễn kết quả tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng

Từ đồ thị 3.1 và bảng 3.2 cho thấy phản ứng tại nhiệt độ 45oC bắt đầu tăng dần và
đạt hiệu suất cao nhất tại 55 oC ( thí nghiệm 3, 74 %) sau đó giảm dần theo chiều tăng
nhiệt độ. Vì khi tăng nhiệt độ lên càng cao thì sản phẩm trung gian còn lại càng ít, do
dung môi đã bắt đầu bay hơi.
3.1.2.3 Thời gian phản ứng
Sau khi chọn nhiệt độ tối ưu của phản ứng là 55 oC, cố định khối lượng xúc tác và
tỉ lệ benzaledhid:malononitril:acetoacetat etil để khảo sát thời gian phản ứng từ 10 -60
phút.
Bảng 3.3: Kết quả tối ưu hóa thời gian phản ứng
Thời gian phản

Khối lượng sản phẩm

Hiệu suất

ứng (phút)

(g)

(%)

1

10

0,367


0,340

60

STT