Trang i
TÁC GIẢ: Nguyễn Thị Hoài Ân

MUC• •LUC
MUC LUC...................................................................................................................................... i
DANH MUC BẢNG BIỂU ........................................................................................................ ỉỉỉ
DANH MUC Sơ ĐỒ .................................................................................................................... iv
DANH MUC ĐỒ THĩ ................................................................................................................. vi
PHẦN I. ................................................................................................................
TÒNG QUAN ...................................................................................................... 1
11.

LÝ THUYẾT VẺ PHẢN ỨNG HECK ................................................................................1

1.1.1. Giới thiệu vè phản ứng Heck ........................................................................................ 1
1.1.2. Những nghiên cứu về xúc tác đồng thể trong phản ứng Heck [2]: ................................. 1
1.1.3. Những nghiên cứu vè xúc tác di thể dùng trong phản ứng Heck[2]: .............................. 2
12.

LỸ THUYẾT VẺ CHẤT LỎNG ION .................................................................................. 3

1.2.1. ..........................................................................................................................
Giói thiệu chất lỏng ion .............................................................................................................3
12.2.

Vai trò của chất lỏng ion ...............................................................................................3

I. 3. VI SÓNG TRONG TỔNG HỢP HỮU cơ ......................................................................... 13
PHẢN II. ...........................................................................................GIẢI OUYÉT VẮN ĐẺ
...................................................................................................................................................... 14
n.1. NGHIỀN CỨU ĐIỀU CHẾ CHẲT LÓNG ION sử DUNG CHO PHẢN ỦNG HECK: ..... 15


Trang iii

DANH MỤC
BẢNG BIỂU
•
Bảng n.l. Phổ NMRcủa l-butyl-3-methvlimidazolium bromide. ....................................................... 9
Bảng n.2. Phổ NMRcủa l-hexvl-3-methylimidazolium bromide. .................................................... 12
Bảng n.3: Phổ NMR của l-octyl-3-methylimidazolium bromide. ................................................... 15
Bảng n.4. Phản ứng Heck dùng IL l-butyl-3-methvlimidazolium bromide. .................................... 18
Bảng n.5. Phản ứng Heck dùng IL l-hexvl-3-methvlimidazolium bromide. ................................... 20
Bảng n.6. Phản ứng Heck dùng IL l-octyl-3-methylimidazolium bromide. .................................... 21
Bảng n.7. Phản ứng Heck dùng IL xúc tác PdCl?. .......................................................................... 24
Bảng n.8. Phản ứng Heck dùng IL xúc tác Pd(OAc)2..................................................................... 24
Bảng n.9. Phản ứng Heck giữa Iodobenzene và Styrene ............................................................ 24
Bảng n.10.

Phản ứng Heck giữa 4-iodoacetophenone và Styrene ......................................... 24

Bảng n.ll.

Phản ứng Heck giữa 4-iodotoluene và Styrene .................................................. 24

Bảng n.12.

Phản ứng Heck giữa Iodobenzene V à Styrene ................................................... 26

Bảng n.13.

Phản ứng Heck giữa Bromobenzene và Styrene ................................................ 26

Đồ thi

II.3. Ảnh hưởng của các aryl halides lên đỏ chuyển hóa của phản ứng. ............................ 16

Đồ thi

IL4. Ảnh hưởng của nhổm thế lẽn đô chuyển hóa của phản ứng. ...................................... 16

Đồ thi

IL5. Ảnh hưởng của điều kiện thường lên đô chuyển hóa phản ứng. ................................ 19

Đồ thi II.6. Khả năng thu hồi và tái sử dụng dung môi và xúc tác^ ................................................ 19


Trang 6

PHẦN I. TỔNG QUAN
LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG HECK
1.1.1. Giới thiệu về phản ứng Heck
Bắt đầu từ những năm 1970, các kỹ thuật ghép đôi được nghiên cứu và phát triển, chúng trở thảnh
những công cụ đắc lực và hữu dụng nhất cho việc xây dựng những phân tử có cấu trúc phức tạp từ những
phân tử đơn giản, ứng dụng của các phản ứng ghép đôi rất rộng, đi từ những sản phẩm của quá trình tổng
hợp những hợp chất tự nhiên phức tạp tới sản phẩm của ngành hóa học đại phân tử và khoa học vật liệu,
từ hóa chất tinh khiết đến hóa chất cho ngành công nghệ dược liệu. Trong đó, phản ứng Heck là một trong
những phản ứng ghép đôi ra đời sớm nhất, được dùng để nối alkenyl, aryl, allyl, benzyl, methyl, alkoxyl
carbonyl methyl, alkynyl, cả nhóm alkyl và silyl với một alkene khác.
Năm 1968, phản ứng Heck ra đời, được báo cáo một cách độc lập bởi Miziroki và Heck. Sau đó,
nhà hóa học Heck nghiên cứu sâu thêm, và phản ứng trở nên quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Năm
1972, Kumada và Corriu độc lập báo cáo về phản ứng ghép đôi giữa olefin, aryl halidevà alkyl, aryl magie

rằng chất keo và hợp chất trung gian có tính chất anion (do anion halide). Zou và cộng sự cũng sử dụng
chất lỏng ion kết hợp với toluene hoặc nước để tạo hệ dung môi hai pha trong phản ứng Heck với Suzuki
với xúc tác không phối tử (như PdCl2).
Welton cùng đồng nghiệp tiến hành phản ứng Heck trong chất lỏng ion và phỏng đoán sự hình
thành phức Pd- carbene hoạt hóa. Sau đó, Shreece cho thấy có thể sử dụng vòng tái sử dụng tốt dựa trên
xúc tác PdL2 trong chất lỏng ionic, pha ionic được tái sử dụng 14 lần và vẫn duy trì độ hoạt hóa.


Trang 8
Hiện tại, Vries đã tóm tắt số liệu của nhiều hệ thống và mô tả thống nhất cho chu trình xúc tác Pd
của phản ứng Heck ở nhiệt độ cao.
1.1.3. Những nghiên cứu về xúc tác dị thể dùng trong phản ứng Heck[2]:
Mục đích của việc nghiên cứu xúc tác dị thể: tách sản phẩm phản ứng và xúc tác được dễ dàng
hơn; giảm chi phí xúc tác vì giảm mất mát xúc tác, làm sạch sản phẩm đơn giản.
Trước năm 1990, người ta sử dụng Pd/C làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi của aryl chloride, hiệu
suất đạt được chỉ ở mức trung bình. Từ năm 1990, một vài nghiên cứu về xúc tác này được phát triển.
Xúc tác Pd(0) được bao bọc giữa các lớp của grafite được nghiên cứu vào khoảng năm 1995.
Julia và đồng nghiệp sử dụng Pd/C như xúc tác trong phản ứng Heck, cho thấy hệ thống có thể
hoạt động bởi aryl chloride và đạt được hiệu suất ghép đôi vừa phải. Agustine giải thích hiệu quả của
phản ứng Heck aryl hóa sử dụng aryl choride với xúc tác Pd trên chất mang c.
Ying và cộng sự cho thấy kim loại palladium trên vật liệu Nb- MCM- 41 được gọi Pd- TMS- 11
và sử dụng chúng trong phản ứng Heck của aryl bromide và n- butyl arylate. Hệ thống xảy ra nhanh và
hiệu quả do chuyển đổi trên bề mặt.
Sau năm 1990, xúc tác phản ứng từ Pd(0)- Pd(n) cho vào chất mang rắn có vai trò lớn trong
phản ứng Heck. Nhóm của Munich và Sendai báo cáo độc lập nhận xét về dung dịch lọc palladium từ
xúc tác dị thể palladium trên phản ứng Heck. Arai và đồng nghiệp chứng minh dung dịch Pd là xúc tác
thực sự cho phản ứng Heck điển hình sử dụng xúc tác rắn Pd. Kohler và Djakovitch cùng nhau nghiên
cứu xúc tác mang zeolite cho phản ứng ghép đôi Heck của aryl halide.
p. Zheng, w. Zhang [3] đã nghiên cứu và báo cáo xúc tác mang trên polymer bao gồm titanium và
palladium liên kết với các polymer amphiphilic không cầu nối, một xúc tác base- Rh thu hồi trong hỗn

một sự liên hệ giữa khả năng solvate hóa và khả năng phối trí của dung môi. Khi sử dụng dung môi phân
cực, tính tan của xúc tác tăng, tuy nhiên tác chất khó tấn công vào vị trí phối trí tại tâm của xúc tác. Các
IL có tính chất đặc biệt là tính solvate cao và liên két phối trí yếu với xúc tác. Tính chất trên khó lòng đạt
được với dung môi nước và hữu cơ thông thường.

1.1.5.2. ILs là dung môi và đằng xúc tác
IL được điều chế bằng phản ứng giữa halide và axit Lewis được xem như dung môi và đồng xúc tác
trong phản ứng có xúc tác là kim loại chuyển tiếp. Các IL này có khả năng tương tác mạnh với phức xúc
tác. Trong nhiều trường hợp, IL axit chuyển tiền xúc tác trung tính thành dạng cation hoạt động tương
ứng.
Trong trường hợp IL không liên quan trực tiếp đến việc tạo ra thể xúc tác hoạt động, sự tương tác
đồng xúc tác sẽ diễn ra giữa dung môi IL và phức kim loại chuyển tiếp hòa


Trang 10
tan. Cụ thể khi xúc tác phức kim loại hòa tan trong một IL axit, một số nơi giàu điện tử sẽ tương tác với
dung môi làm giảm mật độ điện tích tại tâm xúc tác. Trong xúc tác dị thể, một vài phản ứng càn axit để
có thể hoạt hóa kim loại hiệu quả hơn.
Các IL axit đôi khi gây ra các phản ứng không mong muốn do liên kết mạnh giữa IL và một số
nhóm chức như oxygen trong tác chất.

1.1.5.3. ILs là dung môi và ligand
Cả cation và anion trong ILs đều có thể là ligand cho phức kim loại tan trong ILs. Nếu tâm của kim
loại là cation thì anion của IL có thể là ligand. Hầu hết các anion của IL liên két phối trí yếu với tâm
cation xúc tác. Tuy nhiên khi IL bị thủy phân, như hexafluorophosphate khi tiếp xúc với nước sẽ bị thủy
phân tạo ra anion fluoride, ion này sẽ liên kết mạnh với tâm cation của xúc tác dẫn tới hiện tượng đầu độc
xúc tác.
Do phức kim loại anion ít phổ biến nên ít trường hợp cation của IL thể hiện vai trò như anion IL.
Đối với IL imidazolium có thể là tien ligand trong việc hòa tan kim loại.



Thông thường, quá trình tổng hợp hữu cơ diễn ra thông qua truyền nhiệt từ nguồn nhiệt bên ngoài.
Đây là một phương pháp truyền nhiệt chậm và không hiệu quả do phụ thuộc vào khả năng dẫn nhiệt của
các vật liệu mà nhiệt truyền qua, và kết quả là nhiệt độ của bình phản ứng luôn cao hơn nhiệt độ của hỗn
hợp phản ứng. Ngược lại tia vi sóng tạo ra những hiệu ứng nhiệt bên trong bằng cách kết hợp năng lượng
vi sóng với các phân tử (dung môi, tác chất, xúc tác) có trong hỗn hợp phản ứng. Sự truyền nhiệt bên
trong rất hiệu quả này làm giảm thiểu ảnh hưởng của thành bình phản ứng, gọi là hiệu ứng vi sóng.


Trang 12

PHẦN II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHẤT LỎNG ION LÀM DUNG MÔI XANH CHO PHẢN
ỨNG HECK
11.1.1. Mục tiêu đề tài:
Các phản ứng ghép đôi carbon- carbon nói chung và phản ứng Heck nói riêng đã và đang thu
hút sự quan tâm của cộng đồng các nhà hóa học thế giới. Hàng năm, trên thế giới có rất nhiều nghiên
cứu về các phản ứng ghép đôi, tuy nhiên ở Việt Nam, các phản ứng này vẫn chưa được quan tâm và
công bố. Phản ứng ghép đôi Heck được ứng dụng rộng rãi được dùng để điều chế một số loại hóa chất
phức tạp trong các ngành sản xuất dược phẩm điều trị và ngăn ngừa bệnh, sản xuất các hóa chất cao
cấp cũng như các vật liệu kỹ thuật có tính năng cao... Các xúc tác sử dụng cho phản ứng Heck được
các nhà khoa học quan tâm là các xúc tác phức, ở dạng đồng thể hoặc dị thể có hoạt tính xúc tác cao,
độ chọn lọc cao, bền trong điều kiện phản ứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu về kinh tế, môi trường...
Những ưu điểm của chất lỏng ion so với dung môi thông thường:
♦♦♦ Không bay hơi nên sẽ không lãng phí do mất mát và không gây ô nhiễm môi trường.
❖ Bền nhiệt và không bị phân huỷ ở một khoảng nhiệt độ rộng, do vậy phản ứng trong
ILs có thể thực hiện ở nhiệt độ cao.
❖ Có thể hoà tan các hợp chất hữu cơ, vô cơ và đặc biệt là cơ kim trong các phản ứng có
xúc tác là các hợp chất của kim loại chuyển tiếp.
❖ Hoà tan tốt các chất khí như C02, 02, H2,CO...

Trang 14
❖ Phổ khối lượng MS đo tại Viện Công nghệ Hóa học Hà Nội
Phân tích trên máy LC-MSD-Trap-SL, hãng Agilent, đo tại Viện Công nghệ Hóa học Hà Nội.
Các thông số chạy của máy như sau:
•

Dung môi: MeOH: H20

•

Detector: DAD 254

•

Cột sắc kí: Zorbax Cl8: 150 X 3.0 mm

•

Tốc độ chạy: lml/phút

•

Thời gian chạy: 35 phút

•

Nguồn ion : ESI mod

•



Trang 15
khuấy từ trong khoảng 1 tiếng. Các tác chất dư như iodobenzene, styrene và chóát nội chuẩn
hexadecane sẽ tan trong các dung môi này.
ILs thu hồi sẽ được đem đi cô quay để loại ethyl acetate và diethyl ether, sau đó sẽ được tái sử dụng
lại với điều kiện tương tự như phản ứng sử dụng dung môi và xúc tác mới.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN II.1.3.
Qúa trình điếu chế ILs

Hiệu suất quá trình điều chế 1-butyl-, 1-hexyl-, l-octyl-3-methylimidazolium bromide làn lượt là
97%, 84% và 65%.
Đây là phản ứng thê ái nhân SN2. Phản ứng bậc bốn hoá là phản ứng rất dễ diễn ra và khi thực
hiện bằng phương pháp có sự hỗ trợ của vi song thì thời gian phản ứng được rút ngắn đáng kể so với
phương pháp gia nhiệt thong thường (thời gian xảy ra phản ứng khoảng 4 phút). Tuy vậy, sản phẩm
dễ bị biến đỗi do nhiệt và có hiện tượng ngả màu vàng nâu. Có thể khắc phục điều này bằng cách rút
ngắn thời gian gia nhiệt nhất là sau khi quan sát thấy hỗn hợp phản ứng chuyển sang đục và tách lớp,
giữa các lần gia nhiệt có thể lắc bình phản ứng để tạo điều kiện tiếp xúc tốt giữa các tác chất, đồng
thời cũng hạn chế lượng sản phẩm tạo thành bị biến đổi do nhiệt độ.
Có nhiều nghiên cứu cho rằng màu của ILs là do ảnh hưởng của oxy và hôi nước, chính vì vậy
phản ứng được thực hiện trong môi trường khí trơ để hạn ché vấn đề này.
II.1.4.

Xác định cáu trúc ILs bằng phương pháp phân tíchhoá lý

II.1.4.1. Xác định cấu trúc l-butyl-3-methylỉmỉdazolium bromide ❖
Phổ IR (phụ lục 2)
- N-CH3: 1169 -500 cm1
- N=C: 1573 - 1633 cm'1
- C=C: 1430 - 1600 cm'1
- CH3: 2962 cm'1

1.246 (m, 2H)

-CH2

18.652

-CH2CH2CH3

1.770 (m, 2H)

-CH2

31.279

N-CH3

3.882 (s,3H)

N-CH3

35.693

N-CH2

4.204 (m, 2H)

N-CH2

48.357


11.1.4.2. Xác định cẩu trúc l-hexyl-3-methylimidazolium bromide ❖ Phổ
1

H and

13

c NMR (phụ lục 5)

Table 3. 2 3H and13c của 1 -hexyl-3-methylimidazolium bromide

c position

*H (V ppm)

c position

13

-CH3

0.807 (t, 3H)

-C-CH3

13.704

-CH2CH2CH2

1.220 (m, 6H)


7.798 (t, 1H)

N-CH3

35.719

c (V ppm)


Trang 17
N-CH=C

7.883 (t, 1H)

N-CH2

48.614

N-CH=N

9.406 (s, 1H)

N-CH=C

122.161

N-CH=C

123.421


-CH2CH2CH2CH2 CH2

1.272 (m, 10H)

-CH2

22.390

-CH2

1.916 (m, 2H)

-CH2

26.085

N-CH3

4.129 (s,3H)

-CH2

28.772

N-CH2

4.327 (m, 2H)

-CH2


N-CH=CH

121.860

N-CH=CH

123.641

N-CH=N

137.076

c position

X

-CH3

H ppm)

c (: ppm)


Trang 18
CD Cl 3, ’H NMR: 500 MHz, 13 c NMR: 125 MHz50.003
❖

Phổ MS (phụ lục 6)
MS (ESI): m/z (%) 195.2 [M-Br]. M = 275

: 0.4 ml (3.24 mmol).

n- hexadecane (ArI:C16H34 là 1:1)

: 0.24 ml..

Vi sóng
: 800W
Lượng base triethylamine với tỉ lệ mol gấp 3 lần so với tác chất: nbase = 3nArI.
Hàm lượng xúc tác Pd(OAc)2 5% mol

: 0.0024 g.


Trang 19
Khảo sát độ chuyển hóa tác chất với 3 loại dung môi 1-butyl-, 1-hexyl-, 1- octyl-3methylimidazolium bromide.

B ảng 3.4. Phản ứng Heck dùnglL 1 -butyl-3-methylimidazolium bromide
Time (s)

0

30

60

90

120


26.30

23.32

48.24

SI/SH

3.744

1.422

0.168

0.020

0.013

0.005

0.004

Conversion (%)

0

62.02

95.52


10.24

16.25

20.87

15.47

29.49

Selectivity (%)

-

88.91

88.33

88.01

88.27

88.99

88.42

B ảng 3.5. Phản ứng Heck dùnglL 1 -hexyl-3-methylimidazolium bromide
Time (s)

0


41.88

17.25

15.46

16.98

15.86

16.43

15.06

SI/SH

0.998

0.692

0.213

0.110

0.040

0.008

0.003


1.49

Trans-isomer

-

6.96

9.87

14.82

21.41

17.51

9.97

Selectivity (%)

-

86.84

86.94

87.59

88.36

4.70

2.35

2.32

2.42

2.12

SH

26.90

21.35

24.36

12.28

13.74

18.71

16.42

SI/SH

0.426


-

0.24

0.26

0.12

0.17

0.26

0.21

Trans-isomer

-

3.11

3.66

2.50

3.11

3.69

3.86


30

60

90

120

150

180

Si

11.11

6.56

0.77

0.41

0.33

0.11

0.20

SH


Conversion (%)

0

62.02

95.52

99.46

99.66

99.87

99.89

Cis-isomer

-

2.89

1.35

2.21

2.77

1.91


88.99

88.42

B ảng 3.7. Phản ứng Heck dùng xúc tác PdCl2
Time (s)

0

30

60

90

120

150

180

Si

5.04

1.81

0.28

0.10


0.015

0

0.008

0.001

Conversỉon (%)

0

84.57

98.73

99.49

100

99.74

99.98

Cis-isomer

-

0.12


90.49

88.99

88.86

90.12

90.25

90.15


Trang 22

0

30

60

90

120 150 180

Time (s)
Đồ thị 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của loại xúc tác
Tiến hành phản ứng giữa idobenzene và styrene trong cùng điều kiện vi sống, cùng hàm
lượng base và xúc tác, kết quả cho thấy độ chuyển hoá khi sử dụng xúc tác Pd(OAc)2 5% cũng


: 0.24 ml (1.08 mmol).


Trang 23
4- iodotoluene (có nhóm thế đẩy điện tử)

: 0.2355 g (1.08 mmol).

4- iodoacetophenone (có nhóm thế hút điện tử) : 0.2657 g (1.08 mmol).

B ảng 3. 9 Phản ứng Heck giữa Iodobenzene và Styrene
Time (s)

0

30

60

90

120

150

180

Si


SI/SH

2.996

0.462

0.038

0.015

0

0.008

0.001

Conversion (%)

0

84.57

98.73

99.49

100

99.74


3.15

3.80

Selectivity (%)

-

90.49

88.99

88.86

90.12

90.25

90.15

Bảng 3.10 Phản ứng Heck giữa 4-ỉodoacetophenone và Styrene
Time (s)

0

30

60

90


2.23

19.59

18.66

25.52

SI/SH

6.095

0.610

0.088

0.082

0.047

0.025

0.012

Conversion (%)

0

90.00


2.35

9.65

3.48

3.32

1.20

2.64

Selectivity (%)

-

92.78

92.32

93.38

80.69

90.10

94.68



1.06

2.20

SH

9.34

13.73

8.00

10.64

16.98

9.82

22.14

SI/SH

0.598

0.198

0.182

0.113


0.49

0.77

0.49

1.02

Trans-isomer

-

4.94

3.19

4.70

7.71

4.90

10.05

Selectivity (%)

-

91.11


Chất nội chuẩn: n- hexadecane (ArI:C16H34 là 1:1): 0.24 ml.
Dung môi ILs

: 10 ml.

Base: triethylamine Et3N (nbase = 3nArI)

0.9 ml (6.48 mmol).

Hàm lượng xúc tác Pd(OAc)2 0.5% mol

0.0024 g.

Vi sóng

: 800W.

Khảo sát độ chuyển hóa của phản ứng với 3 tác chất:
Iodobenzene

0.24

ml

Bromobenzene

0.24

ml



0

0.02

0

SH

1.68

3.92

7.28

6.72

6.92

2.72

3.18

SI/SH

2.996

0.462

0.038


0.47

0.51

0.77

0.33

0.42

Trans-isomer

-

1.45

3.80

4.04

7.04

3.15

3.80

Selectivity (%)

-