Tài liệu Nghiên cứu phản ứng knoevenagel trong dung môi xanh là chất lỏng ion

1 Phần mở đầu ™ Lý do chọn đề tài Như chúng ta đã biết, độ chuyển hóa của phản ứng Knoevenagel chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố: Xúc tác, dung môi, nhóm thế…. Trong đó, tốc độ phản ứng Knoevenagel phụ thuộc vào dung môi và mật độ điện tích dương trên nguyên tử carbon của nhóm carbonyl (–CHO). Dung môi không phân cực sẽ cho tốc độ phản ứng cao nhất. Mật độ điện tích dương trên nguyên tử carbon này càng cao thì tác nhân ái nhân tấn công vào nguyên tử carbon này càng dễ dàng, phản ứng xảy ra với tốc độ càng cao. Vì vậy, đó là lý do chúng tôi chọn đề tài này để làm rõ ảnh hưởng của yếu tố dung môi và nhóm thế lên độ chuyển hóa của phản ứng Knoevenagel trong điều kiện cho phép của phòng thí nghiệm. ™ Tổng quan lịch sử nghiên cứu của đề tài Dung môi có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng Knoevenagel. Macquarrie et al. đã nghiên cứu và chỉ ra các dung môi hiệu quả cho phản ứng Knoevenagel sử dụng xúc tác trên chất mang silica, và kết luận rằng những dung môi không phân cực sẽ cho tốc độ phản ứng cao nhất. ™ Mục tiêu của đề tài Khảo sát ảnh hưởng của dung môi và nhóm thế lên độ chuyển hóa của phản ứng Knoevenagel từ đó chọn ra dung môi và nhóm thế tối ưu cho phản ứng Knoevenagel. ™ Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Phản ứng Knoevenagel giữa malononitrile và benzaldehyde (các nhóm thế khác nhau); các dung môi khác nhau; chất xúc tác là SBA-15. 2 ™ Phương pháp nghiên cứu Sử dụng chất nội chuẩn dodecane C12H26; Xác định độ chuyển hóa bằng phương pháp sắc kí khí; Sản phẩm được định danh và kiểm chứng bằng phương pháp sắc kí khối phổ GC-MS; Các thao tác tổng hợp, làm sạch sản phẩm trong phòng thí nghiệm. ™ Những đóng góp mới của đề tài và những vấn đề đề tài chưa làm được Chọn ra dung môi và nhóm thế (của tác chất) tối ưu cho phản ứng Knoevenagel. Trong quá trình thực nghiệm phát sinh một số vấn đề trái với lí thuyết nhưng vẫn chưa được giải thích hợp lí trong đề tài này. 3 Chương I TỔNG QUAN 1.1 Xúc tác trên chất mang rắn [3] 1.1.1 Xúc tác trên chất mang vô cơ [1] So với chất mang polyme, chất mang vô cơ có nhiều ưu điểm: • Độ bền hóa học cao, chịu được điều kiện khắc nghiệt của phản ứng oxi hóa • Độ bền cơ học tuyệt vời, không bị ảnh hưởng bởi sự trương trong dung môi như của chất mang polyme • Độ bền nhiệt tốt, có thể thực hiện các phản ứng đòi hỏi nhiệt độ cao Hiện nay công nghệ sản xuất các vật liệu vô cơ phân tán cao với sự kiểm soát kích thước phân tử, đường kính mao quản đã hoàn thiện, cho phép tổng hợp chất mang mong muốn dễ dàng. 1.1.2. Chất mang vô cơ - vật liệu mao quản trung bình 1.1.2.1 Vật liệu mao quản trung bình (MQTB) IUPAC đã phân loại vật liệu xốp dựa trên kích thước mao quản. Bảng 1.1: Phân loại vật liệu xốp [4] Phân loại Kích thước lỗ xốp Ví dụ Vi mao quản < 2nm Zeolit Mao quản trung bình 2-50nm M41S, SBA, … Mao quản lớn > 50nm Thủy tinh 4 1.1.2.2. Xúc tác trên chất mang SBA Hình 1.1: SBA-15 sau khi cố định amine Hình 1.2: Dạng lỗ xốp của SBA-15 Đặc điểm: -diện tích bề mặt (m2/g): 639 -kích thước trung bình (A0): 120 5 -kích thước hạt trung bình (μm): 0.4 -thể tích lỗ xốp (m3/m2): 1.39 SBA-15 có đặc tính vật lý thuận lợi là có độ xốp, kích thước mao quản, kích thước hạt tương đối lớn, nên khả năng hấp phụ tác chất phản ứng trên bề mặt là rất lớn, chính vì vậy những tác chất phản ứng sẽ được hấp phụ trên bề mặt và phản ứng trên bề mặt xúc tác nên hiệu suất rất cao. SBA-15 3-D là một hỗn hợp có nhiều thuận lợi cho việc ứng dụng làm chất mang bởi vì chúng có đường kính lỗ xốp 46-300A0 và diện tích bề mặt riêng cao (gần 800m2/g). Với mạng cấu trúc ba chiều rất thuận lợi cho sự khếch tán và di chuyển của các phân tử lớn so với cấu trúc một chiều, vì vậy SBA-15 cấu trúc 3-D được dùng nhiều trong lĩnh vực xúc tác và phân tách. 1.2 Phản ứng Knoevenagel [5] 1.2.1 Giới thiệu Năm 1894 E. Knoevenagel trình bày phản ứng ngưng tụ giữa diethylmalonate và formaldehyde với sự hiện diện của xúc tác diethylamine tạo thành sản phẩm cộng hai phân tử diethylmalonate vào một phân tử formaldehyde. Ông cũng phát hiện ra sự tạo thành sản phẩm cộng tương tự từ formaldehyde, aldehyde và ethylbenzoate hoặc acetylacetone khi có sự hiện diện của amine bậc nhất, bậc hai và bậc ba. Năm 1896, khi thực hiện phản ứng giữa benzaldehyde và ethylacetoacetate ở 00C với xúc tác là piperidine, ông thu được ethylbenzylidene acetoacetate là sản phẩm duy nhất. 6 Do đó phản ứng của aldehyde và ketone với các hợp chất có nhóm methylene hoạt động khi có sự hiện diện của các bazơ hữu cơ yếu và tạo ra dicarbonyl bất bão hòa được đặt tên là phản ứng Knoevenagel. Doebner khi sử dụng pyridine làm xúc tác cho phản ứng này thu được hiệu suất rất cao nên phản ứng này còn được gọi là phản ứng Knoevenagel - Doebner. Hình 1.3: Phản ứng Knoevenagel Phản ứng này có những đặc điểm: • Aldehyde sẽ phản ứng nhanh hơn ketone • Hợp chất chứa nhóm methylene hoạt động cần có hai nhóm hút điện tử, điển hình là malonic ester, acetoacetic ester, malonodinitrile, acetylacetone… • Bản chất của xúc tác đóng vai trò quan trọng trong phản ứng này. Xúc tác thường dung là các bazơ hữu cơ yếu như các amine bậc nhất, bậc hai, bậc ba và các muối ammonium tương ứng của chúng, pyridine, piperidine… Cũng có thể sử dụng một số muối vô cơ như KF, các muối phosphate… hoặc axit Lewis như TiCl4/Et3N 7 • Dung môi là điều kiện quyết định sự thành công của phản ứng. Các dung môi phi proton thường được sử dụng cho phản ứng này • Sản phẩm dicarbonyl có thể bị thủy phân và khử nhóm carboxyl bằng cách loại đi phân tử CO2 để tạo ra carbonyl bất bão hòa • Sản phẩm thu được sẽ là hỗn hợp của nhiều đồng phân hình học. Sản phẩm chính sẽ được quy định bởi hiệu ứng lập thể và thông thường thì sản phẩm bền nhiệt động sẽ là sản phẩm chính 1.2.2 Cơ chế Phản ứng Knoevenagel là một loại phản ứng Aldol hóa với xúc tác bazơ. Cơ chế chính xác của phản ứng Knoevenagel phụ thuộc vào loại tác chất và loại xúc tác bazơ sử dụng. Phản ứng này xảy ra theo cơ chế của phản ứng ái nhân SN. X, Y = -CHO, -COR, -COOR, -CN, -NO2, -SOR, -SO2OR Hình 1.4: Cơ chế tổng quát của phản ứng Knoevenagel Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào độ bền của carbanion (được ổn định bởi hai nhóm hút điện tử bên cạnh) và mật độ điện tích dương trên nguyên tử carbon của phân tử 8 RCOR’. Ion carbanion càng bền và mật độ điện tích dương càng cao thì phản ứng xảy ra càng nhanh, hiệu suất phản ứng càng cao. Bazơ sử dụng trong phản ứng này không cần phải mạnh vì không cần chuyển hóa hoàn toàn XCH2Y thành carbanion trước khi đi vào phản ứng. Bazơ được tái tạo sau phản ứng. Cần lưu ý rằng toàn bộ các quá trình xảy ra trong phản ứng là thuận nghịch nên cần có các biện pháp thích hợp để loại nước ra khỏi hỗn hợp phản ứng. 9 Chương II THỰC NGHIỆM 2.1 Quy trình phản ứng Knoevenagel 2.1.1 Dụng cụ và hóa chất 2.1.1.1 Dụng cụ Bình cầu hai cổ 250ml Bếp khuấy từ và cá từ Ống nghiệm Kim lấy mẫu Lọ chứa mẫu Pipet Becher Ống đong 2.1.1.2 Hóa chất Malononitrile Benzaldehyde Clorobenzaldehyde Methylbenzaldehyde Toluene Dichloromethane 10 Tetrahydrofuran Dodecane Diethylether CaCl2 2.1.2 Tính chất vật lí của tác chất và sản phẩm 2.1.2.1 Toluene Các tên gọi khác: methylbenzene, toluol, phenylmethane Công thức phân tử: C6H5CH3 Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 1110C Nhiệt độ nóng chảy: -950C Khối lượng riêng: 0.86g/ml 2.1.2.2 Tetrahydrofuran Các tên gọi khác: THF, diethylene oxide, oxacyclopentane, butylene oxide Công thức phân tử: (CH2)40 Trạng thái vật lí: chất lỏng sánh không màu Nhiệt độ sôi: 660C Nhiệt độ nóng chảy: -1080C Khối lượng riêng: 0.88g/ml 2.1.2.3 Dichloromethane Các tên gọi khác: DCM, methylene dichloride, methane dichloride 11 Công thức phân tử: CH2Cl2 Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 400C Nhiệt độ nóng chảy: -970C Khối lượng riêng: 1.33g/ml 2.1.2.4 Dodecane Các tên gọi khác: adakane 12, bihexyl, dihexyl, duodecane Công thức phân tử: C12H26 Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 2160C Nhiệt độ nóng chảy: -100C Khối lượng riêng: 0.75g/ml 2.1.2.5 Malononitrile Các tên gọi khác: MDN, dicyanomethane, cyanoacetonitrile, methylene cyanide Công thức phân tử: CH2(CN)2 Trạng thái vật lí: tinh thể màu trắng hoặc vàng nhạt Nhiệt độ sôi: 2200C Nhiệt độ nóng chảy: 340C Khối lượng riêng: 1.049g/ml 2.1.2.6 Benzaldehyde Các tên gọi khác: benzoic aldehyde, benzene carbonal, benzene carboxaldehyde 12 Công thức phân tử: C6H5CHO Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 1790C Nhiệt độ nóng chảy: -560C Khối lượng riêng: 1.04g/ml 2.1.2.7 p-chlorobenzaldehyde Các tên gọi khác: PCAD, 4-chlorobenzaldehyde, chlorobenzoic aldehyde Công thức phân tử: ClC6H4CHO Trạng thái vật lí: tinh thể màu vàng nhạt đến không màu Nhiệt độ sôi: 2140C Nhiệt độ nóng chảy: 460C Khối lượng riêng: 1.196g/ml 2.1.2.8 p-methylbenzaldehyde Các tên gọi khác: 4-methylbenzaldehyde, p-tolualdehyde, formyltoluene Công thức phân tử: CH3C6H4CHO Trạng thái vật lí: chất lỏng không màu Nhiệt độ sôi: 2050C Nhiệt độ nóng chảy: -60C Khối lượng riêng: 1.015g/ml 2.1.2.9 Benzylidene malononitrile Công thức phân tử: C6H5CHC(CN)2 13 Trạng thái vật lí: tinh thể màu vàng nhạt Nhiệt độ sôi: Nhiệt độ nóng chảy: 850C 2.1.2.10 p-chlorobenzylidene malononitrile Công thức phân tử: ClC6H4CHC(CN)2 Trạng thái vật lí: tinh thể màu trắng Nhiệt độ sôi: 3150C Nhiệt độ nóng chảy: 950C 2.2 Cách tiến hành phản ứng Hình 2.1 Quy trình phản ứng Knoevenagel Tiến hành phản ứng Pha dung dịch (1): malononitrile và 40ml dung môi. Pha dung dịch (2): benzaldehyde, nội chuẩn dodecane (tỉ lệ thể tích benzaldehyde : nội chuẩn = 2 : 1) và 40ml dung môi. Mỗi phản ứng sẽ sử dụng 4ml dung dịch (1), 1ml dung dịch (2) ở trên. 14 Dung dịch được cho vào bình cầu hai cổ có khuấy từ. Phản ứng thực hiện tại nhiệt độ phòng (250C). Khuấy 3 phút lấy mẫu t0 malononitrile Base môi dung benzaldehyde dung môi dodecan 4ml 1ml khuấy từ thời gian 3h Lấy 0.1 ml mẫu ở thời điểm to Phản ứng Knoevenagel Lấy 0.1 ml mẫu sau 20ph CaCl2 Làm khan CaCl2 Phân tích GC Làm khan Phân tích GC Tính độ chuyển hóa Hình 2.2 Sơ đồ khối quy trình phản ứng Knoevenagel 15 Cho xúc tác SBA-15 vào bình phản ứng. Khối lượng xúc tác được tính trên số mol benzaldehyde (công thức 2.1). m( g ) = x(mol %) 1 .n(mmol ). 100 y (mmol / g ) (2.1) Trong đó: x(mol%): nồng độ xúc tác n(mmol): số mol benzaldehyde y(mmol/g): số mol xúc tác có trên 1g chất mang Tiếp tục lấy mẫu sau mỗi 20 phút trong 3h. Thao tác lấy mẫu: dùng kim hút 0,1ml mẫu ở thời điểm phân tích cho vào ống nghiệm chứa 2ml diethylether. Sử dụng CaCl2 làm chất hút ẩm. Sau 30 phút lấy phần dung dịch phía trên phân tích sắc kí. Cụ thể cho phản ứng giữa benzaldehyde và malononitrile trong dung môi toluene, nồng độ xúc tác 2%mol, tỉ lệ mol benzaldehyde : malononitrile = 1: 2 như sau: • Pha 40ml dung dịch (2) gồm 3.8mmol benzaldehyde (0.4ml), 0.2ml dodecane và 40ml toluene. • Pha 10ml dung dịch (1) gồm 7.6mmol malononitrile (49mg) và 10ml toluene. • Phản ứng tiến hành trong bình cầu hai cổ có khuấy từ gồm 4ml dung dịch (2) (0.38mmol benzaldehyde) và 1ml dung dịch (1). • Khối lượng xúc tác cần sử dụng là 0.0065g. Các yếu tố cần khảo sát: • Dung môi: khảo sát 3 loại dung môi toluene, CH2Cl2, THF 16 • Nồng độ xúc tác: khảo sát 3 nồng độ 1.0mol%, 2.0mol%, 2.5mol% benzaldehyde • Tỉ lệ mol benzaldehyde:malononitrile: khảo sát 3 tỉ lệ mol 1:1.5, 1:2, 1:2.5 • Ảnh hưởng của nhóm thế trên nhân thơm: khảo sát 2 nhóm thế -Cl và -CH3 Sử dụng chất nội chuẩn dodecane C12H26. Độ chuyển hoá của benzaldehyde được tính dựa trên phần trăm độ giảm tỉ lệ diện tích peak benzaldehyde và diện tích peak nội chuẩn tại thời điểm lấy mẫu so với thời điểm ban đầu t0 (công thức 2.2). S S1 (t 0 ) − 1 (t ) S S2 η (%) = 2 .100 S1 (t 0 ) S2 (2.2) Trong đó: η(%): độ chuyển hoá S1, S2: diện tích peak của benzaldehyde và chất nội chuẩn to: thời điểm ban đầu t: thời điểm phân tích Với cách sử dụng nội chuẩn như vậy sẽ giảm thiểu tối đa sai số gây ra do việc các chất khác nhau sẽ có đáp ứng khác nhau do đầu dò FID gây ra. Xác định độ chuyển hóa bằng phương pháp sắc kí khí Mẫu được phân tích trên máy sắc kí khí Shimadzu GC 17A-ver.3 tại Bộ môn Công nghệ hữu cơ, khoa Công nghệ hoá học, đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Điều kiện phân tích: • Cột phân tích: Alltech DB-5 (30mx0.25mm, 0.25m) 17 • Detector: FID • Khí mang: N2 • Chế độ dòng: Split • Nhiệt độ Injector: 3000C • Nhiệt độ Detector: 3000C • Tốc độ dòng: 53ml/ph • Chương trình nhiệt độ: o 60 C 10oC/phút o 140 C 50oC/phút 300oC Hình 2.3 Máy sắc ký khí Xác định vị trí peak sản phẩm và kiểm chứng sản phẩm Sản phẩm được định danh và kiểm chứng bằng phương pháp sắc kí khối phổ GCMS trên máy Agilent 6895N tại Viện công nghệ hóa học. Điều kiện phân tích: 18 • Cột phân tích: Agilent HP5-MS (30mx0.25mm, 0,25m) • Detector: MS • Khí mang: He • Chế độ dòng: Split • Nhiệt độ Injector: 2800C • Nhiệt độ Detector: 2800C • Tốc độ dòng: 0.9μl/s • Chương trình nhiệt độ: 60C/phút 60oC 100C/phút 1500C 2800C Hình 2.4 Máy sắc ký khối phổ 19 Chương III NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 3.1 Ảnh hưởng của dung môi Đối với các phản ứng tổng hợp hữu cơ, dung môi có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phản ứng cũng như hiệu suất của phản ứng. Do tác chất phản ứng và xúc tác đều phân cực nên dung môi được chọn là những dung môi không phân cực hoặc phân cực yếu để tác chất phản ứng dễ dàng tiếp xúc với các tâm hoạt động trên xúc tác. Cố định các yếu tố: • Tỉ lệ mol benzaldehyde : malononitrile = 1 : 2 • Nồng độ xúc tác 2mol% • Nhiệt độ phòng Khảo sát ba loại dung môi: • tetrahydrofuran • toluene • dichloromethane Kết quả được trình bày trong bảng 3.1 và hình 3.1 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của dung môi lên độ chuyển hóa của phản ứng STT 0 thời gian t(phút) 0 tetrahydrofuran benzaldehyde dodecane S1 S2 0.3189 0.1078 độ chuyển hóa η(%) 0.00 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 STT 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 STT 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20 40 60 80 100 120 140 160 180 thời gian t(phút) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 thời gian t(phút) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.2090 0.0778 9.19 0.2241 0.2305 1.0382 0.1398 0.1375 0.1820 1.0534 0.1476 44.91 57.19 66.68 67.98 0.1067 0.1611 0.7149 1.3808 toluene benzaldehyde dodecane S1 S2 0.1653 0.0997 0.0821 0.0868 0.0732 0.1175 0.0863 0.1864 0.0493 0.1419 0.0323 0.1203 0.0284 0.1317 0.0265 0.3091 0.0143 0.1836 0.0020 0.2310 dichloromethane benzaldehyde dodecane S1 S2 0.2947 0.0936 0.4017 0.3084 0.2293 0.2242 0.0924 0.1415 0.1362 0.2732 2.5471 8.0367 1.8766 8.7732 0.0701 0.4154 0.0349 0.2985 0.0338 0.4114 77.61 82.50 độ chuyển hóa η(%) 0.00 42.95 62.43 72.08 79.05 83.81 86.99 94.83 95.30 99.48 độ chuyển hóa η(%) 0.00 58.63 67.52 79.26 84.17 89.93 93.21 94.64 96.29 97.39