Khóa luận Tổng hợp dẫn xuất 4Hpiran dùng xúc tác K2CO3 tẩm trên chất mang rắn montmorillonite K-10

Phương pháp tổng hợp dẫn xuất 4H-piran bằng con đường tổng hợp đa thành phần từ dẫn xuất của benzaldehid, malononitril và acetoacetate etil với xúc tác Hóa học xanh K2CO3/ MMT K−10 là một phương pháp dễ thực hiện và mang lại hiệu quả khả quan với hiệu suất tương đối khá cao.

pdf86 trang | Chia sẻ: toanphat99 | Ngày: 22/07/2016 | Lượt xem: 1130 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Tổng hợp dẫn xuất 4Hpiran dùng xúc tác K2CO3 tẩm trên chất mang rắn montmorillonite K-10, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
áp nến, màu trắng, xám, vàng nhạt, nâu, nâu đỏ, có thể màu xám xanh hoặc xanh lụckhi 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 3 3 4 5 4 10 3 10( )[ ] [ ] Si Al FeSi O AlSi O + + + −− − + → Nguyên nhân tạo ra khả năng này là sự thay thế đồng hình Si4+ bằng Al3+ (Fe3+) trong mạng tứ diện và Al3+ bởi Mg2+ (Fe2+) trong mạng bát diện làm xuất hiện điện tích âm trong cơ cấu. Điện tích âm đó được trung hòa bởi các cation trao đổi giữa các lớp, thông thường là các cation kiềm: K+, Na+ và kiềm thổ: Ca2+, Ba2+ Chính các điện tích sinh ra này làm thay đổi lực hút tĩnh điện giữa các lớp và ảnh hưởng nhiều đến khả năng xúc tác của MMT. Bằng cách thay thế các cation giữa các lớp bằng các cation khác có thể tạo ra nhiều loại MMT khác nhau có tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng. Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity, CEC) của MMT thay đổi trong một khoảng rộng từ 80–140 meq/100 g. Khả năng trao đổi ion còn phụ thuộc vào hóa trị và bán kính của các cation trao đổi, các cation có hóa trị nhỏ dễ trao đổi hơn các cation có hóa trị lớn theo thứ tự M+ > M2+ > M3+. Với các cation có cùng hóa trị, bán kính càng nhỏ thì khả năng trao đổi cation càng lớn theo thứ tự Li+> Na+> K+> Mg2+> Ca2+> Fe2+> Al3+. 1.5.3.2.2 Hấp phụ[16] Tính chất hấp phụ của MMT được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cơ cấu lớp của chúng. Do MMT có cơ cấu tinh thể và độ phân tán cao nên có cơ cấu xốp phức tạp và bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của MMT gồm diện tích bề mặt ngoài và diện tích bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của khoảng không gian giữa các lớp trong cơ cấu tinh thể. Bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước hạt. Sự hấp phụ bề mặt trong của MMT có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo phức trực tiếp với các cation trao đổi nằm ở lớp xen giữa (interlayer) hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước. Nếu các chất hữu cơ phân cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxigen đáy (Ob) của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực Van Der Waals hoặc nối hidrogen. 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 • Acetoacetat etil (Merck) • Benzaldehid (Sigma-Aldrich) • 4-Clorobenzaldehid (Sigma-Aldrich) • p-Tolualdehid (Sigma-Aldrich) • 4-Nitrobenzaldehid (Sigma-Aldrich) • 4-Bromobenzaldehid (Sigma-Aldrich) • 4-Florobenzaldehid (Sigma-Aldrich) • Malononitril (propane-1,3-dinitril, Sigma-Aldrich) • Etanol (Chemson) • Kali cacbonat (Trung Quốc) • MMT K−10 (Fluka) 2.1.2 Thiết bị • Cân điện tử Sartotius • Tủ sấy • Máy khuấy từ điều nhiệt IKARET • Bếp điện • Máy cô quay Heidolph • Máy đo nhiệt độ nóng chảy Buchi 2.2 Điều chế xúc tác tẩm K2CO3 trên chất mang rắn Montmorillonite K-10 Hòa tan hoàn toàn 3,0 g kali cacbonat bởi 15 ml H2O trong cốc dung tích 50 ml. Sau đó thêm 9,0 g montmorillonite K-10 từ từ vào dung dịch, khuấy trên máy khuấy từ trong 15 phút ở nhiệt độ thường rồi cho vào bình cô quay. Cho bay hơi nước bằng cách đem dung dịch cô quay ở nhiệt độ 70oC cho đến khi dung dịch khô cạn tạo thành chất rắn. Sấy chất rắn lại trong 2h tại nhiệt độ 110oC và nghiền mịn thì thu được xúc tác K2CO3/MMT K-10 theo tỉ lệ khối lượng là 1:3 (g). 2.3 Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran (4a-f)  Phương trình phản ứng: CN CN CH3 EtO O O+ + O R CN NH2 O EtO CH3 R O H + H2O 4a: R=C6H5, 4b: R= 4- NO2C6H4 4c: R= 4-FC6H4, 4d: R= 4-ClC6H4 4e: R= 4-BrC6H4, 4f: R= 4-CH3C6H4 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 K2CO3/MMT K-10 với 6 ml dung môi EtOH:H2O=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:H2O=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. K2CO3/MMT K-10 Khuấy từ điều nhiệt (1a-f) (2) (3) (4a-f) 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) Xúc tác và sản phẩm Dung dịch 1. Làm khan. 2. Lọc thu hồi xúc tác lấy dung dịch bằng ethanol nóng. 3. Kết tinh lại bằng ethanol. Xúc tác Sản phẩm Hiệu suất Sấy sản phẩm Sơ đồ 3.1: Sơ đồ điều chế sản phẩm 3.1.2 Quá trình tối ưu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran [5]  Phương trình phản ứng: CN CN CH3 EtO O O+ + O R CN NH2 O EtO CH3 R O H + H2O  Cơ chế phản ứng [5-6] Cơ chế phản ứng được nghiên cứu thực hiện qua 2 giai đoạn như sau: • Giai đoạn 1: Malononitril tạo thành cacbanion ổn định thực hiện phản ứng ngưng tụ với arylaldehid (1a-f) tạo thành hợp chất benzylidenemalononitril không no. H NC NC H K2CO3/K10 CH (CN)2 + 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. K2CO3/MMT K-10 Khuấy từ điều nhiệt (1a) (2) (3) (4a) R H O + CN CN R - C - CH (CN)2 O H H + - H2OR - C - CH (CN)2 OH H R NC C = N Giai đoạn 2: Thực hiện phản ứng cộng Michael của cacbanion là hợp phần methylen của hợp chất acetoacetate etil vào hợp chất không no (A) trên tạo thành hợp chất trung gian quan trọng (B). Sau đó hợp chất (B) thực hiện chuyển hóa nhóm chức cacbonyl và đóng vòng 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 -CH2 nằm giữa 2 nhóm C=O của hợp chất acetoacetate etil rất linh động. R NC C = N + CH3 EtO O O C = N O R CN O EtO CH3 (1a-f) (A) (3) C = N O R CN O EtO CH3 C = N CH3 CN RO EtO O O O EtO CH3 R CN NH O O EtO CH3 R CN NH2  Điều kiện phản ứng ban đầu: Tỉ lệ tác chất 1:2:3 = 2:2:2 (mmol), dung môi EtOH:H2O = 1:1 (6 ml), nhiệt độ 55 (oC), thời gian 20 (phút) và xúc tác K2CO3/MMT K-10 0,1 (g). Từ điều kiện phản ứng ban đầu tôi tiến hành khảo sát tỉ lệ etanol:H2O, nhiệt độ tối ưu của phản ứng, tiếp theo cố định nhiệt độ này rồi tiến hành thay đổi thời gian phản ứng để tìm thời gian tối ưu của phản ứng. Tương tự, tiến hành khảo sát các yếu tố khác của phản ứng như: tỉ lệ malononitril:benzaldehid, acetoacetat etil:benzaldehid, benzaldehid: malononitril:acetoacetat etil và khối lượng xúc tác K2CO3/MMT K−10. 3.1.2.1 Tỉ lệ etanol:H2O Khi thực hiện phản ứng không dung môi thì phản ứng không xảy ra. Do đó chúng tôi tiến hành thêm vào dung môi etanol, tuy nhiên hiệu suất thu được khá thấp. Vì vậy chúng tôi thay đổi hệ dung môi là etanol:H2O tỉ lệ 1:1 (ml) [5]. Sau đó tiến hành khảo sát thay đổi tỉ lệ etanol:H2O cũng như lượng dung môi được thêm vào. Kết quả được trình bày trong Bảng 3.1. (B) (4a-f) (C) Bảng 3. 1: Khảo sát thay đổi tỉ lệ etanol:H2O Khi thay đổi hệ dung môi etanol:H2O thì tỉ lệ etanol:H2O (1:1) và lượng dung môi được thêm vào là 6 ml cho hiệu suất tốt nhất (thí nghiệm 5), thêm nhiều dung môi hơn không ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng (thí nghiệm 7). 3.1.2.2 Để khảo sát nhiệt độ tối ưu của phản ứng, tiến hành cố định thời gian phản ứng là 20 phút, khối lượng xúc tác K2CO3/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 0,42 74 4 60 0,409 72 5 65 0,386 68 STT Dung môi Thể tích (ml) Hiệu suất (%) 1 Etanol 6 18 2 H2O 6 33 3 Etanol/H2O (1:2) 6 52 4 Etanol/H2O (2:1) 6 63 5 Etanol/H2O (1:1) 6 68 6 Etanol/H2O (1:1) 3 63 7 Etanol/H2O (1:1) 9 66 Nhiệt độ phản ứng Đồ thị 3.1: 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. STT Thời gian phản ứng (phút) Khối lượng sản phẩm (g) Hiệu suất (%) 1 10 0,367 65 2 15 0,383 67 3 20 0,420 74 4 30 0,385 68 5 60 0,340 60 H iệ u su ất th ự c tế (% ) Nhiệt độ ( o C) Bảng 3.3: Kết quả tối ưu hóa thời gian phản ứng Đồ thị 3.2: Đồ thị biểu diễn kết quả tối ưu hóa thời gian Từ đồ thị 3.2 và bảng 3.3 cho thấy tăng thời gian từ 10 phút đến 20 phút thì hiệu suất tăng nhanh đáng kể và đạt hiệu suất cao nhất với thời gian phản ứng là 20 phút (thí nghiêm 3), sau đó giảm nhanh theo chiều tăng thời gian phản ứng. Từ đồ thị cho thấy thời gian phản ứng ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng tạo thành sản phẩm. 3.1.2.4 Tỉ lệ benzaldehid:malononitril Từ kết quả nghiên cứu tài liệu tham khảo cơ chế phản ứng cho thấy, việc thay đổi tỉ lệ acetoacetate etil:benzaldehid không phải là phương thức hiệu quả để cải thiện hiệu suất phản ứng. Do đó, tôi tiếp tục cố định nhiệt độ 55oC, thời gian 20 phút, khối lượng acetoacetate etil 0,26 g (2 mmol), khối lượng xúc tác 0,1 g, thay đổi tỉ lệ benzaldehid:malononitril (mmol) để tìm tỉ lệ tối ưu giữa hai lượng tác chất này. Thời gian (phút) H iê ụ su ất t hự c tế ( % ) STT Tỉ lệ (2):(1a) (mmol:mmol) Khối lượng sản phẩm (g) Hiệu suất (%) 1 2:2 0,42 74 2 3:2 0,31 55 3 4:2 0,40 70 4 5:2 0,34 60 Từ kết quả bảng 3.4 cho thấy, khi tăng lượng malononitril thì hiệu suất của phản ứng giảm, nên tôi chọn tỉ lệ tốt nhất là 2 mmol ( thí nghiệm 1). Mặc dù tỉ lệ 4:2 có tăng hơn so với tỉ lệ 3:2 nhưng sản phẩm sinh ra có chứa nhiều tạp chất và đặc biệt là bị nhiễu màu nâu đỏ của dung dịch malononitril do lượng tác chất cho vào quá nhiều đồng thời cũng do hỗn hợp phản ứng quá loãng làm khả năng xúc tác của K2CO3/MMT K−10 bị giảm khi càng tăng tỉ lệ lên đến 5:2. 3.1.2.5 Tỉ lệ benzaldehid:acetoacetat etil Sau khi chọn được tỉ lệ tối ưu giữa benzaldehid:mailononitril = 2:2 (mmol), tôi tiếp tục cố định nhiệt độ 55 oC, thời gian 20 phút, khối lượng xúc tác 0,1 g, và thay đổi tỉ lệ benzaldehid:acetoacetate etil (mmol) để tìm tỉ lệ tối ưu giữa hai lượng tác chất này. Bảng 3.5: Kết quả tối ưu tỉ lệ acetoacetate etil:benzaldehid Từ kết quả bảng 3.5 cho thấy, khi tăng lượng tác chất acetoaetat etil thì hiệu suất của phản ứng giảm và cho hiệu suất cao nhất theo tỉ lệ 2 mmol ( thí nghiệm 1). Có thể lý giải điều này là do khi lượng tác chất này quá nhiều sẽ làm hỗn hợp phản ứng quá loãng, làm giảm khả năng xúc tác của nên khả năng phản ứng xảy ra giữa các tác chất theo cơ STT Tỉ lệ (3):(1a) (mmol:mmol) Khối lượng sản phẩm (g) Hiệu suất (%) 1 2:2 0,420 74 2 3:2 0,350 62 3 4:2 0,270 48 Bảng 3.4: Kết quả tối ưu tỉ lệ malononitril:benzaldehid chế đề ra khó có thể đạt hiệu suất cao [6]. 3.1.2.6 Tỉ lệ benzaldehid:malononitril:acetoacetat etil Sau khi chọn được các điều kiện tối ưu cho phản ứng: nhiệt độ 55 oC, thời gian 20 phút, tỉ lệ tác chất benzaledhid:malononitril và benzaldehid:acetoacetat etil như trên, tôi tiếp tục tăng dần lượng tác chất benzaldehid để khảo sát sự thay đổi 3 lượng tác chất cho vào phản ứng trên tìm tỉ lệ sử dụng tối ưu. Bảng 3.6: Kết quả tối ưu tỉ lệ benzaldehid:malononitril:acetoacetate etil STT Tỉ lệ (1a):(2):(3) (mmol) Khối lượng sản phẩm (g) Hiệu suất (%) 1 2:2:2 0,420 74 2 3:2:2 0,5427 93 3 4:2:2 0,447 79 4 5:2:2 0,255 40 Từ kết quả bảng 3.6 cho thấy, khi tăng tỉ lệ 2 mmol của chất (1) lên lượng 3 mmol thì hiệu suất tăng đáng kể (93%) và tiếp tục tăng lượng tác chất benzaldehid thì hiệu suất của phản ứng giảm. Kết quả cho hiệu suất tốt nhất theo tỉ lệ 3:2:2 (mmol) (thí nghiệm 1). Có thể lý giải điều này là do khi lượng tác chất này quá nhiều sẽ làm hỗn hợp phản ứng quá loãng, làm giảm khả năng xúc tác nên khả năng phản ứng xảy ra giữa các tác chất theo cơ chế đề ra khó có thể đạt hiệu suất cao. 3.1.2.7 Khối lượng xúc tác Sau khi chọn được các điều kiện tối ưu cho phản ứng: nhiệt độ 55 oC, thời gian 20 phút, tỉ lệ tác chất benzaledhid:malononitril:acetoacetat etil lần lượt là 3:2:2 (mmol), tôi tiếp tục thay đổi lượng xúc tác sử dụng để tìm lượng xúc tác sử dụng tối ưu. Bảng 3.7: Kết quả tối ưu khối lượng xúc tác STT Khối lượng xúc tác (g) Khối lượng sản phẩm (g) Hiệu suất (%) 1 Không xúc tác 0 0 2 0,05 0,1 18 3 0,10 0,527 93 4 0,15 0,490 86 5 0,20 0,435 77 6 0,25 0,385 68 Từ bảng 3.7 và đồ thị 3.3 cho thấy khi không sử dụng xúc tác thì phản ứng chưa xảy ra, nhưng khi tăng lượng xúc tác tăng từ 0,05 g đến 0,1 g thì hiệu suất tăng vượt trội ( từ 18% lên đến 93%, thí nghiệm 1,2) và sau đó hiệu suất giảm dần theo chiều tăng khối lượng xúc tác. Điều này được giải thích là khi lượng xúc tác quá ít (0,05 g) thì không đủ để xúc tác cho phản ứng nên hiệu suất thu được chỉ được 18% thấp hơn khoảng gấp hơn 5 lần so với khối lượng xúc tác tối ưu 0,1 g đạt hiệu suất tối đa 93%. Sau đó tiếp tục tăng khối lượng xúc tác từ 0,15 g-0,25 g thì sau phản ứng sản phẩm trung gian sẽ còn lại trong hỗn hợp rất nhiều. Lí do là khi có quá nhiều xúc tác sẽ làm hỗn hợp phản ứng quá đặc sệt, Khối lượng xúc tác (g) H iệ u su ất t hự c tế ( % ) Đồ thị 3.3: Đồ thị biểu diễn kết quả tối ưu khối lượng xúc tác làm giảm khả năng kết hợp giữa các phân tử tác chất cũng như giảm khả năng tạo thành sản phẩm chính của. Dẫn đến làm giảm hiệu suất của phản ứng. Từ đó cho ta thấy tầm ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng một cách rõ rệt. Với lượng xúc tác phù hợp thì tốc độ phản ứng xảy ra hoàn toàn nhanh và đạt hiệu suất cao hơn rất nhiều so với việc không sử dụng xúc tác hay sử dụng một lượng không phù hợp.  Qua quá trình tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran được thực hiện trong điều kiện phản ứng như sau: • Tỉ lệ mol tác chất: ( 1a):2:3 = 3:2:2 (mmol) • Dung môi EtOH:H2O = 1:1 (6ml) • Nhiệt độ: 55 (oC) • Thời gian: 20 (phút) • Khối lượng xúc tác K2CO3/MMT K-10: 0,1 (g) 3.1.3 So sánh khi sử dụng các xúc tác khác Sau khi tối ưu hóa phản ứng tổng hợp dẫn xuất 4H-piran, chúng tôi so sánh khi tiến hành phản ứng bằng xúc tác K2CO3, montmorillonite K-10 và các xúc tác khác. Kết quả được trình bày trong bảng 3.8. Bảng 3.8: So sánh khi sử dụng các xúc tác khác Xúc tác Dung môi Thời gian (phút) Nhiệt độ (oC) Hiệu suất (%) Montmorillonite K10 Etanol/H2O (1:1) 20 55 0 K2CO3 Etanol/H2O (1:1) 20 55 77 K2CO3/K10 Etanol/H2O (1:1) 20 55 93 MgO [6] Metanol 300 Hoàn lưu 67 KF/Al2O3 [7] Metanol 300 Hoàn lưu 74 Mg-Al (hidrotalcite) [7] Metanol 180 Hoàn lưu 82 Hỗn hợp oxid Mg/La [7] Metanol 60 Hoàn lưu 92 Kết quả từ bảng 3.8 cho thấy khi có xúc tác MMT K-10 thì không xảy ra phản ứng so với phản ứng có xúc tác K2CO3 và xúc tác K2CO3/MMT K-10 bởi vì phản ứng cần có xúc tác mang tính base tương đối phù hợp để phản ứng được thuận lợi diễn ra mang lại hiệu suất cao. Nhưng khi sử dụng xúc tác base K2CO3 cho kết quả thấp hơn nhiều khi được tẩm trên chất mang rắn là montmorillonte K-10 do montmorillonite K-10 có diện tích bề mặt riêng lớn nên khi tẩm K2CO3 lên bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc với các tác chất tham gia phản ứng. So với các xúc tác baz dị thể khác như MgO, KF/Al2O3 và hidrotalcite thì hiệu quả xúc tác của K2CO3 tẩm trên montmorillonite K-10 tốt hơn và thời gian phản ứng cũng được rút ngắn hơn. 3.1.4 Tổng hợp dẫn xuất 4H-piran  Phương trình tổng hợp CN CN CH3 EtO O O+ + O R CN NH2 O EtO CH3 R O H + H2O Sơ đồ 3.2: Phương trình tổng hợp dẫn xuất 4H-piran Bảng 3.9: Kết quả tổng hợp các dẫn xuất O CN NH2 O EtO CH3 R K2CO3/MMT K-10 Khuấy từ điều nhiệt (4a-f) (1a-f) (2) (3) (4a-f) STT R Công thức cấu tạo của sản phẩm Màu sắc Mp (oC) Hiệu suất (%) Phụ lục TLTK Thực nghiệm 1 C6H5 O CN NH2 O EtO CH3 (4a) Tinh thể, màu trắng 190-191.5[5] 192-193 94 Phụ lục 1 2 4- NO2C6H4 O CN NH2 O EtO CH3 NO2 (4b) Tinh thể, màu vàng 178-180 [2] 176-178 69 Phụ lục 2 3 4-FC6H4 O CN NH2 O EtO CH3 F (4c) Tinh thể ,màu trắng 170-172 173-175 88 Phụ lục 3 4 4-ClC6H4 O NH2 CN CH3 O EtO Cl (4d) Tinh thể, màu trắng 175-177 177-179 91 Phụ lục 4  Từ bảng 3.9 cho thấy các dẫn xuất có chứa nhóm rút electron (-NO2, -F, -Cl, -Br) cho hiệu suất cao hơn nhiều so với các nhóm đẩy electron (-CH3, OH) tại vị trí para. Cụ thể là trong đó nhóm halogen cho hiệu suất tương đối cao hơn nhóm nitro.  Điều này được giải thích là do nhóm -NO2 mang cộng hưởng -R và có hiện tượng cộng hưởng giữa nhóm nitro và vòng thơm nên chắc sẽ xảy ra sự cạnh tranh tại các vị trí ortho, meta và para tạo thành nhiều sản phẩm phụ nên hiệu suất sản phẩm (4b) không cao bằng các nhóm halogen. Trong khi đó nhóm halogen –F, -Cl, -Br mang cộng hưởng +R nhưng chúng đều lại gây hiệu ứng cảm –I nên trong giai đoạn 1 của cơ chế phản ứng, những nhóm này có khả năng rút electron mạnh làm cho mật độ electron của aldehid linh động hơn thuận lợi cho cacbanion của malononitril dễ dàng tấn công tạo thành hợp chất trung gian quan trọng benzylidenmalononitril không no A điều kiện cần cho tổng hợp hữu cơ với hiệu suất tương đối cao. Trong khi đó các nhóm metyl mang cộng hưởng +R và gây hiệu ứng +I nên cho phản ứng theo xu hướng ngược lại. 5 4-BrC6H4 O CN NH2 O EtO CH3 Br (4e) Tinh thể, màu trắng 180-181[5] 180-182 67 Phụ lục 5 6 4- CH3C6H4 (4f) Tinh thể, màu trắng 177-179 [6] 180-181 75 Phụ lục 6 O CN NH2 O EtO CH3 CH3 3.1.5 Định danh sản phẩm 3.1.5.1 Phổ 1H-NMR Hình 3.1: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4a) Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4a) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng hưởng từ proton của (4a) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4a) đã tổng hợp thành công. Quan sát trên phổ 1H-NMR cho thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 16 proton được tách thành các tín hiệu với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 3: 2 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4a). O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 1 2 3 4 5 7 8 9 10 6 Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3 và độ dịch chuyển hóa học δ=1,082 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton của H1 thuộc nhóm etyl của ester. Tín hiệu singlet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học δ=2,340 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu singlet với cường độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,386 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng piran. Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu multiplet với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học bằng δ=3,976-4,039 ppm và hệ số tách J=7 được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch chuyển về trường yếu hơn. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch chuyển δ=6,152 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin. Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,184- 7,312 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó tín hiệu multi với cường độ tương đối bằng 2 và có độ dịch chuyển hóa học δ=7,282-7,312 ppm được quy kết cho 2 proton H6, 10. Tín hiệu multiplet với cường độ bằng 3 và có độ chuyển dịch hóa học δ =7,184-7,222 ppm được quy kết cho 3 proton H7, 8, 9. Do hai proton ở H6 và H10 chịu sự ảnh hưởng của 2 nhóm -COO- và -CN mang cộng hưởng -R, nên làm mật độ electron 2 proton này giảm nên tín hiệu proton H6 và H10 dịch chuyển về trường yếu hơn so với 3 proton H7, H8 và H9 còn lại trên vòng benzene. Bảng 3.10 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4a) O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 1 2 3 4 5 7 8 9 10 6 Các proton ở vị trí Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK[21][δ (ppm), J(Hz)] 1 1.082 (t, 3H, J=7) 1,10 (t, 3H, J=7,1) 2 3,976-4,039 (m, 2H, J=7) 4,0 (q, 2H, J=6,6) 3 2,340 (s, 3H) - 4 6,152 (s, 2H) 6,1 (s, 2H) 5 4,386 (s, 1H) 4,4 (s, 1H) 6,10 7,282-7,312 (m, 2H) 7,30-7,35 (m, 2H) 7,8,9 7,184-7,222 (m, 3H) 7,18-7,23 (m, 3H) 3.1.5.2 Phổ 13C-NMR Hình 3.2: Phổ 13C-NMR của hợp chất (4a) Quan sát trên phổ 13C của hợp chất (4a) cho thấy xuất hiện đầy đủ các mũi cacbon 13C phù hợp với cấu trúc dự đoán của hợp chất (4a). Tại vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=14,19 ppm được quy kết cho cacbon C1 thuộc nhóm etyl của ester. Còn tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=18,45 ppm được quy kết cho cacbon C6. Do C6 liên kết trực tiếp với C5 ở trạng thái lai hóa sp2 và gắn trực tiếp với nguyên tử oxy có độ âm điện mạnh trong khi đó cacbon C1 gắn trực tiếp với nhóm -CH2- ở trạng thái lai hóa sp3 làm C6 dịch chuyển về trường yếu C1 hơn nên độ dịch chuyển hóa học của cacbon C6 lớn hơn độ dịch chuyển hóa học của cacbon C1. O CN NH2 O CH3 H3C - H2C - O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=40,11 ppm được quy kết cho cacbon C10. Tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=60,53 ppm được quy kết cho cacbon C2. Do C2 gắn trực tiếp vào nguyên tử oxigen có độ âm điện lớn và hiệu ứng rút electron xảy ra ngang qua chỉ một nối đơn C-O nên trong phổ 13C-NMR khoảng dịch chuyển này khá lớn. Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=61,03 ppm được quy kết cho cacbon C8. Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=108,59 ppm được quy kết cho cacbon C4. Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=119,63 ppm đặc trưng được quy kết cho cacbon C9 của nhóm nitril. Các cacbon trong vòng benzene được chịu ảnh hưởng nhẹ của hai nhóm mang cộng hưởng –R làm giảm hiệu ứng chắn electron trong đó cacbon C11 bị giảm hiệu ứng chắn nhiều nhất, tiếp theo là cacbon C12, C16 rồi cacbon C13, C15 và chịu ảnh hưởng ít nhất là cacbon C14. Do đó các cacbon của vòng benzene được quy kết tương ứng với độ dịch chuyển hóa học như sau: Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=127,72 ppm được quy kết cho cacbon C14. Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=128,36 ppm được quy kết cho cacbon C13, C15. Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=129,23 ppm được quy kết cho cacbon C12, C16. Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=145,84 ppm được quy kết cho cacbon C11. Tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học 157,64-159,48 ppm được quy kết cho cacbon C5, C7. Ngoài ra trên phổ còn xuất hiện tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học δ=166,49 ppm đặc trưng được quy kết cho cacbon C3 của nhóm cacbonyl. Cacbon cacbonil C=O có độ dịch chuyển hóa học rất lớn vì cacbon này ở trạng thái tạp chủng sp2 và vì C gắn trực tiếp vào nguyên tử oxi có độ âm điện mạnh. Bảng 3.11 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 13C-NMR của hợp chất (4a) Các cacbon ở vị trí Tín hiệu δ (ppm) TLTK[5] 1 14,19 13,86 2 60.53 60,64 3 166,49 165,83 4 108,59 108,00 5,7 157,64-159,48 156,76-157,39 6 18,45 18,37 8 61,03 62,58 9 119,63 118.80 10 40,11 38,75 11 145,84 143,72 12,16 129,23 128,56 13,15 128,36 127,50 14 127,72 127,17 Hình 3.3: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4b) Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4b) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng hưởng từ proton của (4b) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4b) đã tổng hợp thành công. So với hợp chất (4a) thì hợp chất (4b) được thay thế bởi nhóm nitro (-NO2) vào proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4b) cho thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 15 proton được tách thành các tín hiệu với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 2: 2 và tất cả tín hiệu pronton đều dịch chuyển trong vùng trường thấp hơn so với hợp chất (4a) phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4b). O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 NO2 1 2 3 4 5 78 9 6 Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3 và độ dịch chuyển hóa học δ=1,095 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton của H1 thuộc nhóm etyl của ester. Tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học δ=2,396 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu singlet với cường độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,573 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng piran. Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu mũi bốn bị chẻ đôi với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học bằng δ=4,002-4,064 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm -CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch chuyển về trường yếu hơn và trong không gian, proton H2 sẽ ghép với proton của nhóm ester nên tại tín hiệu proton H3 xuất hiện mũi đôi còn tín hiệu proton H2 xuất hiện mũi bốn bị chẻ đôi một lần nữa. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch chuyển δ=6,259 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin. Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,513- 8,218 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó xuất hiện tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học δ=7,513- 7,536 ppm và hệ số tách J=9 Hz được quy kết cho 2 proton H6, 9. Tín hiệu doublet với cường độ bằng 2, có độ chuyển dịch hóa học δ =8,190-8,218 ppm và hệ số tách J=9 Hz được quy kết cho 2 proton H7, 8. Do hiệu ứng –I, -R của nhóm –NO2 ở vị trí para làm cho proton H7 và H8 được giảm chắn mạnh nên sẽ cho tín hiệu ở trường yếu hơn proton H6 và H9. Bảng 3.12: Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4b) O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 NO2 1 2 3 4 5 78 9 6 Các proton ở vị trí Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK [δ (ppm), J(Hz)] 1 1.095 (t, 3H, J=7) 1,01 (t, 3H, J=7) 2 4,002-4,064 (m, 2H) 3,97 (q, 2H, J=7) 3 2,396 (d, 3H) 2,38 (s, 3H) 4 6,259 (s, 2H) 6,86 (s, 2H) 5 4,573 (s, 1H) 4,47 (s, 1H) 6,9 7,513-7,536 (d, 2H, J=9) 7,42 (d, 2H, J=8,8) 7,8 8,190-8,218 (d, 2H, J=9) 8,16 (d, 2H, J=8,8) Hình 3.4: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4c) Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4c) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng hưởng từ proton của (4c) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4b) đã tổng hợp thành công. So với hợp chất (4a) thì hợp chất (4c) được thay thế bởi nhóm flour (-F) vào proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4c) cho thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 15 proton được tách thành các tín hiệu với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 2: 2 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4c). Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3 và độ dịch chuyển hóa học δ=1,104 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton của H1 thuộc nhóm etyl của ester. O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 F 1 2 3 4 5 78 9 6 Tín hiệu singlet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học δ=2,346 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu singlet với cường độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,415 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng piran. Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu multi với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học bằng δ=4,031 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch chuyển về trường yếu hơn. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch chuyển δ=6,111 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin. Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,046- 7,276 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó xuất hiện tín hiệu triplet với cường độ tương đối bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học δ=7,046-7,082 ppm và hệ số tách J=9 Hz được quy kết cho 2 proton H6, 9. Tín hiệu doublet-doublet với cường độ bằng 2, có độ chuyển dịch hóa học δ =7,248-7,276 ppm được quy kết cho 2 proton H7, 8. Do hiệu ứng cảm –I của nhóm –F ở vị trí para và là nguyên tố có độ âm điện mạnh nhất làm cho proton H7 và H8 được giảm chắn mạnh nên sẽ cho tín hiệu ở trường yếu hơn proton H6 và H9. Bảng 3.13 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4c) O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 F 1 2 3 4 5 78 9 6 Các proton ở vị trí Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK[2][δ (ppm), J(Hz)] 1 1.104 (t, 3H, J=7) 1,11 (t, 3H, J=7) 2 4,031 (m, 2H) 4,05 (q, 2H, J=7) 3 2,346 (s, 3H) 2,35 (s, 3H) 4 6,111 (s, 2H) 5,89 (s, 2H) 5 4,415 (s, 1H) 4,39 (s, 1H) 6,9 7,046-7,082 (t, 2H, J=9) 6,92-7,21 (4H) 7,8 7,248-7,276 (dd, 2H) Hình 3.5: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4d) Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4d) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng hưởng từ proton của (4d) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4d) đã tổng hợp thành công. So với hợp chất (4a) thì hợp chất (4d) được thay thế bởi nhóm cloro (-Cl) vào proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4d) cho thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 15 proton được tách thành các tín hiệu với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 2: 2 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4d). O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 Cl 1 2 3 4 5 78 9 6 Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3 và độ dịch chuyển hóa học δ=0,584 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton của H1 thuộc nhóm etyl của ester. Tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học δ=1,860 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu doublet với cường độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=3,861 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng piran. Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu multi với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học bằng δ=3,481-3,541 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch chuyển về trường yếu hơn. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch chuyển δ=6,496 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin. Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=6,707- 6,933 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó xuất hiện tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học δ=6,707- 6,734 ppm và hệ số tách J=8,5 Hz được quy kết cho 2 proton H6, 9. Tín hiệu doublet với cường độ bằng 2, có độ chuyển dịch hóa học δ =6,905-6,933 ppm và hệ số tách J=8,5 Hz được quy kết cho 2 proton H7, 8. Do hiệu ứng cảm –I của nhóm -Cl ở vị trí para và là nguyên tố có độ âm điện mạnh làm cho proton H7 và H8 được giảm chắn mạnh nên sẽ cho tín hiệu ở trường yếu hơn proton H6 và H9. Bảng 3.14 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4d) O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 Cl 1 2 3 4 5 78 9 6 Các proton ở vị trí Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK[6] [δ (ppm), J(Hz)] 1 0,584 (t, 3H, J=7) 1,12 (t, 3H, J=7,16) 2 3,481-3,541 (m, 2H) 4,06-4,00 (m, 2H) 3 1,860 (d, 3H) 2,36 (s, 3H) 4 6,496 (s, 2H) 5,93 (s, 2H) 5 3,861 (d, 1H) 4,38 (s, 1H) 6,9 6,707-6,734 (d, 2H, J=8,5) 7,15 (d, 2H, J=8) 7,8 6,905-6,933 (d, 2H, J=8,5) 7,25 (d, 2H, J=8) Hình 3.6: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4e) Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4e) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng hưởng từ proton của (4e) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4e) đã tổng hợp thành công. So với hợp chất (4e) thì hợp chất (4e) được thay thế bởi nhóm bromo (-Br) vào proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4e) cho thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 15 proton được tách thành các tín hiệu với cường độ tương đối 3 : 3 : 2 : 1 : 2 : 2: 2 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4e). Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3 và độ dịch chuyển hóa học δ=1,109 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton của H1 thuộc nhóm etyl của ester. O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 Br 1 2 3 4 5 78 9 6 Tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học δ=2,353 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm metyl. Tín hiệu singlet với cường độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,405 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng piran. Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu multi với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học bằng δ=4,008-4,068 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch chuyển về trường yếu hơn. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch chuyển δ=128 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin. Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,181- 7,501 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho các proton của vòng thơm. Trong đó xuất hiện tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học δ=7,181- 7,208 ppm và hệ số tách J=8,5 Hz được quy kết cho 2 proton H6, 9. Tín hiệu doublet với cường độ bằng 2, có độ chuyển dịch hóa học δ =7,474-7,501 ppm và hệ số tách J=8,5 Hz được quy kết cho 2 proton H7, 8. Do hiệu ứng cảm –I của nhóm -Br ở vị trí para và là nguyên tố có độ âm điện mạnh làm cho proton H7 và H8 được giảm chắn mạnh nên sẽ cho tín hiệu ở trường yếu hơn proton H6 và H9. Bảng3.15 : Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4e) O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 Br 1 2 3 4 5 78 9 6 Các proton ở vị trí Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK[5] [δ (ppm), J(Hz)] 1 1,109 (t, 3H, J=7) 1,11 (t, 3H, J=6,9) 2 4,008-4,068 (m, 2H) 4,03 (q, 2H, J=6,9) 3 2,353 (d, 3H) 2,35 (s, 3H) 4 6,128 (s, 2H) 4,66 (s, 2H) 5 4,405 (d, 1H) 4,40 (s, 1H) 6,9 7,181-7,208 (d, 2H, J=8,5) 7,08 (d, 2H, J=8,4) 7,8 7,474-7,501 (d, 2H, J=8,5) 7,42 (d, 2H, J=8,4) Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của hợp chất (4f) Chúng tôi tiến hành định danh sản phẩm (4f) qua phổ 1H-NMR, kết quả phổ cộng hưởng từ proton của (4f) cho phép chúng tôi khẳng định hợp chất (4f) đã tổng hợp thành công. So với hợp chất (4a) thì hợp chất (4f) được thay thế bởi nhóm metyl (-CH3) vào proton ở vị trí 8 của hợp chất (4a) nên quan sát trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4f) cho thấy về cường độ của các tín hiệu có tổng cộng 18 proton được tách thành các tín hiệu với cường độ tương đối 3:3:3:2:1:2:4 phù hợp với cấu trúc dự đoán của (4f). Trong vùng trường mạnh, xuất hiện tín hiệu triplet có cường độ tương đối bằng 3 và độ dịch chuyển hóa học δ=1,089 ppm, hằng số tách J=7 được quy kết cho 3 proton của H1 thuộc nhóm etyl của ester. O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 CH3 1 2 3 4 5 7 8 9 10 6 Tín hiệu doublet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học δ=2,310 ppm được quy kết cho proton H3 thuộc nhóm etyl của ester. Tín hiệu singlet với cường độ tương đối bằng 3 và có độ dịch chuyển hóa học δ=2,249 ppm được quy kết cho proton H8 thuộc nhóm metyl gắn trực tiếp vào vòng thơm. Tín hiệu doublet với cường độ bằng 1 và độ dịch chuyển hóa học δ=4,329 ppm được quy kết cho proton H5 của vòng piran. Trên phổ còn xuất hiện tín hiệu mũi bốn bị chẻ đôi với cường độ bằng 2, có độ dịch chuyển hóa học bằng δ=3,970-4,032 ppm được quy kết cho 2 proton tương đương H2 thuộc nhóm etyl của ester. Do nhóm –CH2- liên kết trực tiếp với nguyên tử oxigen có độ âm điện tương đối lớn có khả năng rút electron, làm cho proton H2 bị giảm chắn mạnh nên dịch chuyển về trường yếu hơn và trong không gian, proton H2 sẽ ghép với proton của nhóm ester nên tại tín hiệu proton H3 xuất hiện mũi đôi còn tín hiệu proton H2 xuất hiện mũi bốn bị chẻ đôi một lần nữa. Tại vùng trường yếu, xuất hiện tín hiệu singlet với cường độ bằng 2 và độ dịch chuyển δ=6,217 ppm được quy kết cho 2 proton H4 của nhóm amin. Ngoài ra, trên phổ còn xuất hiện cụm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học δ=7,061- 7,100 ppm là vùng tín hiệu đặc trưng cho 4 proton H6,7,9,10 của vòng thơm. Bảng3.16: Tóm tắt các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của hợp chất (4f) O CN NH2 O H3C - H2C - O CH3 CH3 1 2 3 4 5 7 8 9 10 6 Các proton ở vị trí Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] TLTK [5][δ (ppm), J(Hz)] 1 1.089 (t, 3H, J=7) 1,27 (t, 3H, J=6,9) 2 3,970-4,032 (m, 2H) 4,03 (q, 2H, J=6,9) 3 2,310 (d, 3H) 2,31 (s, 3H) 4 6,217 (s, 2H) 4,54 (s, 2H) 5 4,329 (d, 1H) 4,41 (s, 1H) 8 2,249 (s, 3H) 2,36 (s, 3H) 6,7,9,10 7,061-7,100 (s, 4H) 7,09 (s, 4H) Bảng 3.16: Tóm tắt các tín hiệu proton trên phổ 1H-NMR của các hợp chất dẫn xuất H Tín hiệu [δ (ppm), J(Hz)] 4a 4b 4c 4d 4e 4f 1 1,082 (t, 3H, J=7) 1,095 (t, 3H, J=7) 1,104 (t, 3H, J=7) 0,584 (t, 3H, J=7) 1,109 (t, 3H, J=7) 1,089 (t, 3H, J=7) 2 3,976-4,039 (m, 2H, J=7) 4,002-4,064 (m, 2H) 4,031 (m, 2H) 3,481-3,541 (m, 2H) 4,008-4,068 (m, 2H) 3,970-4,032 (m, 2H) 3 2,340 (s, 3H) 2,396 (d, 3H) 2,346 (s, 3H) 1,860 (d, 3H) 2,353 (d, 3H) 2,310 (d, 3H) 4 6,152 (s, 2H) 6,259 (s, 2H) 6,111 (s, 2H) 6,496 (s, 2H) 6,128 (s, 2H) 6,210 (s, 2H) 5 4,386 (s, 1H) 4,573 (s, 1H) 4,415 (s, 1H) 3,861 (d, 1H) 4,405 (d, 1H) 4,329 (s, 1H) 6,10 7,282-7,312 (m, 2H) - - - - - 7,8,9 7,184-7,222 (m, 3H) - - - - - 6,9 - 7,513-7,536 (d, 2H, J=9) 7,046-7,082 (t, 2H, J=9) 6,707-6,734 (d,2H,J=8,5) 7,181-7,208 (d, 2H, J=8,5) - 7,8 - 8,190-8,218 (d, 2H, J=9) 7,248-7,276 (dd, 2H) 8,190-8,218 (d,2H,J=8,5) 7,474-7,501 (d, 2H,J=8,5) - 8 - - - - - 2,249 (s, 3H) 6,7,9, 10 - - - - - 7,061-7,100 (s, 4H) Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 4.1 Kết luận Phương pháp tổng hợp dẫn xuất 4H-piran bằng con đường tổng hợp đa thành phần từ dẫn xuất của benzaldehid, malononitril và acetoacetate etil với xúc tác Hóa học xanh K2CO3/ MMT K−10 là một phương pháp dễ thực hiện và mang lại hiệu quả khả quan với hiệu suất tương đối khá cao. Những ưu điểm vượt trội của phương pháp này bao gồm: Sử dụng lượng ít tác chất. Xúc tác K2CO3 tẩm trên chất mang rắn montmorillonite K-10 là loại xúc rẻ tiền, không độc hại, dễ xử lý. Sử dụng dung môi phản ứng là hệ Etanol : H2O và dung môi kết tinh là ethanol phù hợp với tính chất của sản phẩm và giảm thiểu tối đa lượng hao hụt của sản phẩm. • Thời gian phản ứng ngắn nhiệt độ trung bình nhưng cho hiệu suất cao.  Từ những nghiên cứu, tham khảo tài liệu khoa học và qua quá trình tiến hành thực nghiệm với những ưu điểm như trên tôi đã tối ưu hóa các yếu tố liên quan và tổng hợp thành công 6 dẫn xuất 4H-piran phù hợp với các tài liệu khoa học tham khảo như sau: • Điều kiện tối ưu phản ứng: Tỉ lệ mol tác chất: ( 1a-f):2:3 = 3:2:2(mmol) Dung môi EtOH:H2O = 1:1, 6 ml Nhiệt độ: 55 (oC) Thời gian: 20 (phút) Khối lượng xúc tác K2CO3/MMT K-10: 0,1 (g) Bảng 4.1: Sáu dẫn xuất 4H-piran STT Sản phẩm Kí hiệu 1 Ethyl 6 –amino–5–cyano–2–methyl-4-phenyl-4H-pyran-3- carboxylate 4a 2 Ethyl 6 –amino–5–cyano–2–methyl-4–(4–nitrophenyl)– 4H- pyran-3-carboxylate 4b 3 Ethyl 6 –amino–5–cyano -4–(4–fluorophenyl)-2–methyl-4H- pyran-3-carboxylate 4c 4 Ethyl 6 –amino–4–(4–chlorophenyl)– 5–cyano–2–methyl-4H- pyran-3-carboxylate 4d 5 Ethyl 6 –amino–4–(4–bromophenyl)– 5–cyano–2–methyl-4H- pyran-3- carboxylate 4e 6 Ethyl 6 –amino–5–cyano–2–methyl-4–(4–methylphenyl)– 4H- pyran-3-carboxylate 4f  Sau khi tổng hợp tôi đã tiến hành tìm hiểu tính chất vật lí (màu sắc, nhiệt độ nóng chảy, trạng thái) và phân tích cấu trúc phổ phân tử bằng phổ 1H-NMR. Từ đó chúng tôi khẳng định đã tổng hợp thành công 6 dẫn xuất trên phù hợp với công thức dự kiến. 4.2 Đề xuất Vì thời gian có hạn nên đề tài của em chỉ dừng lại ở việc tổng hợp 6 dẫn xuất của 4H-piran như trên. Vì thế những hướng mở của đề tài này là:  Tiếp tục tổng hợp nhiều dẫn xuất 4H-piran có hoạt tính khác được đtrưng bởi những nhóm thế khác gắn trực tiếp trực tiếp vào vòng thơm Benzaldehid ở các vị trí ortho, meta như là: nitro, floro, metyl, hydroxyl, methoxy  Tìm hiểu và đề xuất nguyên nhân gây giảm hiệu suất sản phẩm của nhóm rút electron, đặc biệt là nhóm nitro (-NO2).  Tiến hành thăm dò hoạt tính sinh học của những dẫn xuất đã tổng hợp trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. A. Dömling, I. Ugi, Multicomponent reactions with isocyanides, Angew. Chem. Int. Ed., 39, 3170 – 3172, (2000). 2. Arturo Sánchez, Fernando Hernández, Paulo César Cruz, Yolanda Alcaraz, Joaquín Tamariz, Francisco Delgado, Miguel A. Vázquez, Infrared Irradiation-Assisted Multicomponent Synthesis of 2-Amino-3-cyano-4H-pyran Derivatives, J.Mex. Chem. Soc., 56(2), 121-127, (2012). 3. Majid M. Herav, Yahya S. Beheshtiha, Zahra Pirnia, Samaheh Sadjadi, Mina Adibi, One-Pot, Three-Component Synthesis of 4H-Pyrans using Cu(II) Oxymetasilicate, Synthetic Communications, 39 3663-3667, (2011). 4. Bộ Y tế vụ khoa học và đào tạo, Hợp chất hữu cơ đơn chức và đa chức 2, NXB Y HỌC Hà Nội, (2006). 5. A. Moshtaghi Zonouz, I.Eskandari and D. Moghani, Acceleration of Multicomponent Reaction in Aqueous Medium: Multicomponent Synthesis of a 4H-pyran Library, Chem. Sci. Trans., 1(1), 91-102, (2012). 6. D. Kumar, V. B. Reddy, S. Sharad, U. Dube, K. A. Suman, A facile one-Pot green synthesis and antibacterial activity of 2-amino-4H-pyrans and 2-amino-5-oxo-5,6,7,8- tetrahydro-4H-chromenes, Eur. J. Med. Chem., 44, 3805-3809, (2009). 7. N. S. Babu, N.S. Pasha, N. Rao, K. T. V. Prasad, N. Lingaiah, A Heterogeneousstrong basic Mg/La mixed oxide catalyst for efficient synthesis of polyfunctionalized pyrans, Tetrahedron Lett., 49, 2730-2733, (2008). 8. Trịnh Hân, Ngụy Tuyết Nhung, Cơ sở hóa học tinh thể, NXB Đại Học Quốc gia Hà Nội, 63–66, (2005). 9. F. Bergaya, B. K. G. Theng, G. Lagaly, Handbook of clay science, Developments in clay science, 1, Elsevier, New York, 19–43, (2006). 10. Phạm Đức Dũng, Vũ Thành Đạt, Lê Ngọc Thạch, Điều chế một số Montmorillonite hoạt hóa acid từ đất sét Củ Chi và áp dụng xúc tác vào chuyển hóa trọn gói Benzaldehid thành Benzonitril, Phát triển khoa học và công nghệ, 14, 43−45, (2011). 11. Bandita Datta, M. Afzal Pasha, Silica sulfuric acid: an efficient heterogeneous catalyst for the one-pot synthesis of 1,4-dihydropyridines under mild and solvent−free conditions, Chinese Journal of Catalysis , 32, 1180−1184, (2011). 12. Jean Jacques Vanden Eynde, Annie Mayence, Synthesis and aromatization of Hantzsch 1,4−dihydropyridines under microwave irradiation. An overview, Molecule, 8, 381−391, (2003). 13. , (2011). 14. Ola Karnland, Martin Birgersson, Montmorillonite stability with special respect to KBS-3 conditions, Clay Technology, 7–10, (2006). 15. H.H Murray, Applied Clay Mineralogy Occurrences, Processing and Application of Kaolins, Bentonites, Palygorskite–Sepiolite, and Common Clays, Elsevier’s Science & Technology, Oxford, 12–27, (2007). 16. Çigdem Küçükselek, Invertigation of applicability of clay minerals in wastewater treatment, Graduate of Natural and Applied Sciences, Dokul Eylül University, 9–26, (2007). 17. David A.Laird, Influence of layer charge on swelling of smectite, Applied Clay Science, 34, 74–86, (2006). 18. Navjeet Kaur, Dharma Kishore, Montmorillonite: an efficient, heterogeneous and green catalyst for organic synthesis, Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 4, 991−993, (2012). 19. N, (2012). 20. Ipsita Devi, Pulak J. Bhuyan, Sodium bromide catalysed one-pot synthesis of tetrahydrobenzo[b]pyrans via a three-component cyclocondensation under microwave irradiation and solvent free conditions, Tetrahedron Letter, 45, 8625-8627, (2004). 21. Yanqing Peng, Gonghua Song, Amino-functionalized ionic liquid as catalytically active solvent for microwave-assisted synthesis of 4H-pyrans, 111-114, (2007). 22. H. Valizadeha, A.A. Azimi, ZnO/MgO Containing ZnO Nanoparticles as a Highly Effective Heterogeneous Base Catalyst for the Synthesis of 4H-Pyrans and Coumarins in [bmim]BF, J. Iran. Chem. Soc., 123-130, (2010). 23. Yanqing Peng, Gonghua Song, Feifei Huang, Tetramethylguanidine- [bmim][BF4].An Efficient and Recyclable Catalytic System for One-Pot Synthesis of 4H- Pyrans, Monatshefte fur Chemie, 136, 727-731, (2005). PHỤ LỤC 1 Phổ 1H-NMR của hợp chất (4a) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4a) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4a) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4a) Phổ 13C-NMR của hợp chất (4a) PHỤ LỤC 2 Phổ 1H-NMR của hợp chất (4b) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4b) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4b) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4b) PHỤ LỤC 3 Phổ 1H-NMR của hợp chất (4c) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4c) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4c) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4c) PHỤ LỤC 4 Phổ 1H-NMR của hợp chất (4d) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4d) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4d) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4d) PHỤ LỤC 5 Phổ 1H-NMR của hợp chất (4e) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4e) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4e) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4e) PHỤ LỤC 6 Phổ 1H-NMR của hợp chất (4f) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4f) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4f) Một phần phổ 1H-NMR dãn rộng của hợp chất (4f)

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdftvefile_2013_09_10_7822658526_0546.pdf