Nghiên cứu điều chế phức [Cu(CH3CN)4]PF6 và ứng dụng làm xúc tác trong phản ứng đóng vòng giữa azide và alkyne-1

Nghiên cứu điều chế phức [Cu(CH3CN)4]PF6 và ứng dụng làm xúc tác trong phản ứng đóng vòng giữa azide và alkyne-1

1. Tính cấp thiết của đề tài

Hóa học phức chất là lĩnh vực đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều bởi tính hấp dẫn của nó cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm. Tổng hợp và nghiên cứu phức chất là một trong những hướng phát triển vô cơ hiện đại. Có thể nói rằng, hiện nay, hóa học phức chất đang phát triển rực rỡ và là nơi hội tụ những thành tựu của hóa lý, hóa phân tích, hóa học hữu cơ, hóa sinh, hóa môi trường, hóa dược [3]…

Trong hóa phân tích, phức chất dùng để nhận biết, định lượng, hòa tan và tách các chất… Chẳng hạn SCN^– là thuốc thử rất nhạy dùng để định tính và định lượng ion Fe³⁺ do tạo phức chất [Fe(SCN)6]³⁺ màu đỏ máu. Trong hóa vô cơ thì việc tách các kim loại phần lớn dựa vào khả năng tạo phức của kim loại và màu sắc của phức đó. Y học hiện đại người ta dùng các loại thuốc chứa những hoạt chất có khả năng tạo phức với kim loại. Những kim loại cần bổ sung được đưa vào cơ thể dưới dạng phức chất với các phối tử, vừa không gây độc hại cho cơ thể vừa có tác dụng bổ sung các amino acid, vitamin, protein [3]…

Trong những năm gần đây, hóa học phức chất phát triển một cách mạnh mẽ không chỉ trong những nghiên cứu hàn lâm mà cả trong nghiên cứu ứng dụng vào công nghiệp. Trong công nghiệp hóa học, xúc tác phức chất đã làm thay đổi cơ bản quy trình sản xuất của nhiều loại hóa chất như aldehyde, acid acetic và nhiều loại vật liệu như chất dẻo, cao su. Một trong số các ứng dụng của xúc tác phức trong phản ứng hóa học đó là sử dụng phức làm xúc tác cho phản ứng Click (phản ứng đóng vòng giữa azide và alkyne-1) [27].

Phản ứng Click có tính ứng dụng rất cao trong nhiều lĩnh vực như vật liệu polymer (tổng hợp các dendrimer – loại polymer giống như nhánh cây), trong sinh học (tổng hợp ghép các mạch polymer lên

2

các đại phân tử như enzyme hay protein tạo thành các loại vật liệu lai có chức năng ứng dụng mạnh) hay trong y học (tổng hợp các polymer thay đổi hình dạng theo môi trường như pH, nhiệt độ) [33].

Phản ứng đóng vòng không sử dụng chất xúc tác giữa azide và alkyne-1 đã được Husgen và cộng sự nghiên cứu cách đây hơn 50 năm. Tuy nhiên, phản ứng không có chất xúc tác này phải tiến hành

• nhiệt độ cao, tạo ra hỗn hợp sản phẩm thế 1,4 và thế 1,5 của vòng

1,2,3-triazole với tốc độ rất chậm. Đến năm 2001, Sharpless và Meldal đã phát hiện ra rằng, việc sử dụng xúc tác Cu(I) đã làm tăng

tốc độ phản ứng lên 10⁷ lần và phản ứng có thể tiến hành ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, Cu(I) định hướng cho phản ứng azide và alkyne-1 tạo duy nhất một sản phẩm chứa vòng 1,2,3-triazole thế ở vị trí 1,4 điều này rất quan trọng trong hóa học [27].

Hiện nay xúc tác phức [Cu(CH3CN)4]PF6 là chất xúc tác Cu(I) đang được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm tổng hợp hữu cơ và ngành công nghiệp hóa dược ở các quốc gia tiên tiến trên thế giới. Tuy nhiên, giá thành của nó tương đối cao và khi tổng hợp các tác giả chưa đưa ra các biện pháp tối ưu nhằm hạ giá thành sản phẩm. Ở nước ta, xúc tác [Cu(CH3CN)4]PF6 hiện vẫn chưa được nghiên cứu điều chế nên muốn sử dụng chúng ta phải nhập khẩu với giá thành rất cao và mất nhiều thời gian mới nhận được sản phẩm này từ nhà cung cấp.

Vì vậy, việc nghiên cứu điều chế, tối ưu hóa quá trình điều chế [Cu(CH3CN)4]PF6 để có thể chủ động được nguồn xúc tác quan trọng này là điều vô cùng cần thiết.

Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình nghiên cứu có liên quan, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế phức [Cu(CH3CN)4]PF6 và ứng dụng làm

xúc tác trong phản ứng đóng vòng giữa azide và alkyne-1”.

3

1. Đối tượng và mục đích nghiên cứu
   • Đối tượng nghiên cứu
   • Xúc tác phức [Cu(CH3CN)4]PF6.

* Mục đích nghiên cứu

• • Điều chế được phức [Cu(CH3CN)4]PF6.
  • Thực hiện được phản ứng đóng vòng giữa azide và alkyne-

1. với xúc tác [Cu(CH3CN)4]PF6 vừa điều chế.
2. Phương pháp nghiên cứu

* Nghiên cứu lý thuyết

Thu thập, phân tích tài liệu về các phản ứng điều chế xúc tác phức [Cu(CH3CN)4]PF6, các phản ứng tổng hợp azide, alkyne-1, phản ứng đóng vòng giữa azide và alkyne-1 sử dụng xúc tác phức [Cu(CH3CN)4]PF6.

* Nghiên cứu thực nghiệm

• • Điều chế phức chất [Cu(CH3CN)4]PF6 bằng phương pháp

hóa học.

• • Xác định nhóm chức bằng cách đo phổ IR.
  • Xác định cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.
  • Xác định thành phần hóa học bằng phương pháp EDX.
  • Tiến hành chụp ảnh SEM để xem hình dạng bề ngoài của mẫu chất thu được.
  • Thực hiện phản ứng Click (Click reaction) với xúc tác thu

được.

• • Xác định cấu trúc sản phẩm chứa vòng 1,2,3-triazole bằng các phương pháp phổ.

1. Nội dung nghiên cứu

• Tổng quan lý thuyết
• Tổng quan về xúc tác phức [Cu(CH3CN)4]PF6, các nghiên cứu điều chế xúc tác này.

4

• Tổng quan về phản ứng Click với xúc tác [Cu(CH3CN)4]PF6.

* Nghiên cứu thực nghiệm

• Nghiên cứu điều chế phức [Cu(CH3CN)4]PF6.
• Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phức [Cu(CH3CN)4]PF6:

^ Ảnh hưởng của nồng độ các chất tham gia phản ứng^ Ảnh hưởng của nhiệt độ

^ Ảnh hưởng của quá trình kết tinh^ Ảnh hưởng của quá trình lọc rửa

• Đánh giá chất lượng sản phẩm xúc tác [Cu(CH3CN)4]PF6:

^ Xác định thành phần hóa học bằng phổ EDX^ Đo phổ IR

^ Đo nhiễu xạ tia X

^ Chụp ảnh SEM

• Ứng dụng sản phẩm vừa điều chế vào phản ứng đóng vòng azide và alkyne-1:

^ Điều chế hợp chất azide^ Điều chế alkyne-1

^ Điều chế hợp chất chứa vòng triazole sử dụng xúc tác

[Cu(CH3CN)4]PF6

^ Ghi phổ khối (MS), phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (¹H NMR, ¹³C NMR) của các sản phẩm thu được.

1. Bố cục luận văn

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. GIỚI THIỆU VỀ PHỨC CHẤT

1.1.1. Sơ lược về sự nghiên cứu phức chất

Na Uy, Thụy Điển, Đan Mạch đi sâu về hóa lập thể, động học của các phản ứng tạo phức, cân bằng phức trong dung dịch nước. Áo, Mỹ, Pháp nghiên cứu tính chất quang phổ của phức chất

• trạng thái rắn và dung dịch.
  • Anh áp dụng thuyết trường phối tử vào nghiên cứu phức chất, tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng phương pháp vật lí.

Còn ở nước ta, ứng dụng của phức chất đã được báo cáo tại Hội nghị Hóa học toàn quốc và quốc tế tổ chức tại Hà Nội.

1.1.2. Vai trò của phức chất a. Giá trị lý thuyết

Trong lĩnh vực phức chất, người ta phát triển khái niệm không gian về cấu tạo hợp chất hữu cơ.

b. Vai trò phức chất trong hóa học

* Trong hóa học phân tích

Phức chất dùng để nhận biết, định lượng hay hạn chế ảnh hưởng của một số ion này đến ion khác, thay đổi nồng độ các chất, hòa tan và tách chất.

* Trong hóa học vô cơ

Tách các kim loại dựa phần lớn vào khả năng tạo phức của kim loại và màu sắc của phức đó.

* Trong hóa y dược

Nhiều loại thuốc chữa bệnh chứa những hoạt chất có khả năng tạo phức với kim loại. Những kim loại cần bổ sung thường được đưa vào cơ thể dưới dạng phức chất.

6

c. Vai trò của phức chất trong các ngành khác

• Trong công nghiệp: phức chất thường được dùng làm mềm nước, thuốc nhộm, thuộc da, nhiếp ảnh, mạ kim loại…
• Trong nông nghiệp: làm phân bón vi lượng cho cây

trồng…

• Trong kĩ thuật: làm chất xúc tác, dùng cho sự tạo phức để tinh chế các kim loại đặc biệt là các kim loại quý.

1.2. ĐẶC TÍNH CỦA CÁC CHẤT THAM GIA ĐIỀU CHẾ NÊN

PHỨC [Cu(CH3CN)2]PF6 1.2.1. Đồng (I) oxit

a. Đặc điểm của nguyên tố đồng (Cu)

Đồng (Cu) có cấu hình electron ở trạng thái cơ bản là:

[Ar]4s¹3d¹⁰. Hai đồng vị 63Cu và 65Cu chiếm khoảng 69% đồng trong tự nhiên, tính chất vật lí, hóa học:

• Tính trơ về mặt hóa học của kim loại
• Khả năng tạo phức

1. Trạng thái thiên nhiên của nguyên tố đồng

Trong thiên nhiên, đồng chiếm 0,003%. Những khoáng vật chính của đồng là: cancosin (Cu2S) chứa 79,8% Cu, cuprit (Cu2O) chứa 88,8% Cu…

c. Tính chất của Cu2O

Đồng ở trạng thái oxi hóa +1 có cấu hình electron d10, ion

M⁺ đó không chỉ là chất nhận δ mà còn là chất cho π.

Cu2O là chất bột màu đỏ. Tinh thể Cu2O có kiến trúc kiểu lập phương, trong đó những nguyên tử O được gói ghém kiểu lập phương tâm khối.

7

1.2.2. Acetonitrile

a. Giới thiệu

Acetonitrile là hợp chất hữu cơ, công thức CH3CN. Đây là một chất lỏng, không màu, độc hại, có mùi giống ether.

b. Ứng dụng

Sử dụng là dung môi để sản xuất dược phẩm, nước hoa, sản phẩm cao su, thuốc trừ sâu, chất tẩy móng tay và pin

Sử dụng trong sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC).

1.2.3. Acid hexaflorophotphoric

Acid hexaflorophotphoric là hợp chất vô cơ có công thức:

HPF6 là một acid mạnh, phản ứng nhiệt với các base hóa học.

1.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP PHỨC

1.3.1. Tổng hợp phức chất dựa vào phản ứng trao đổi

1. Phản ứng trao đổi trong dung dịch nước

Phương pháp dựa trên phản ứng của muối kim loại trong dung dịch nước với tác nhân phối trí. Phản ứng có thể tiến hành khá chậm, điều kiện thực hiện nghiệm ngặt hơn.

b. Phản ứng trao đổi trong những dung môi không nước

Có hai nguyên nhân chính cần sử dụng dung môi không nước:

ion kim loại có ái lực lớn với nước và phối tử không tan trong nước.

Phức chất trong đề tài được tổng hợp bằng phương pháp này.

1.3.2. Tổng hợp phức chất dựa vào phản ứng oxi hóa – khử

Quá trình điều chế nhiều phức kim loại thường kèm theo phản ứng oxi hóa – khử, nghĩa là chuyển sang trạng thái oxi hóa trong đó phức chất có tính bền cao hơn.

1.4. GIỚI THIỆU VỀ PHẢN ỨNG SONOGASHIRA

Phản ứng Sonogashira là một phản ứng ghép cặp của alkyne đầu mạch với vinyl hay aryl halide, với xúc tác phức Pd(0) và muối

8

copper(I) halide trong môi trường base, hình thành liên kết carbon-carbon (sp² – sp) trong tổng hợp hữu cơ.

1.5. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG CLICK

1.5.1. Giới thiệu về phản ứng Click

“Click chemistry” là thuật ngữ này dùng để mô tả những phản ứng hóa học có một số đặc điểm sau:

• • Các chất phản ứng ban đầu có sẵn hoặc đơn giản.
  • Phản ứng diễn ra trong điều kiện dễ dàng.
  • Hiệu suất phản ứng cao.
• Chọn lọc về sản phẩm (không có hoặc ít sản phẩm phụ, sản phẩm phụ không gây độc hại và dễ tách loại).

Phản ứng cộng hợp azide-alkyne sử dụng xúc tác Cu(I) (Copper(I)-catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition (CuAAC)) còn được gọi là phản ứng Click.

1.5.2. Một số ứng dụng của phản ứng Click a. Tổng hợp dendrimer

b. Tổng hợp chất ức chế enzyme PTP 1B

CHƯƠNG 2

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. NGUYÊN LIỆU

2.1.1. Dụng cụ, thiết bị

Các dụng cụ thiết bị dùng trong điều chế và tổng hợp phức

2.1.2. Hóa chất

Các loại hóa chất sử dụng đảm bảo về độ tinh khiết.

9

2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

2.2.1. Quy trình tổng hợp phức [Cu(CH3CN)4]PF6

Cho 1.000 g Cu2O vào bình tam giác, thêm V1 mL CH3CN đặt trên máy khuấy từ. Tiếp đến nhỏ từ từ từng giọt V2 mL HPF6 60% (d=1.65). Tiếp tục khuấy trong t1 phút ở T1^oC. Lọc, loại bỏ tạp chất màu đen, lấy phần dịch. Cho V3mL (C2H5)2O vào, làm lạnh ở nhiệt độ T= 0^oC trong khoảng thời gian t2 phút. Lọc hỗn hợp trên phễu buchner, thu được chất rắn màu trắng là [Cu(CH3CN)4]PF6. Sấy dưới áp suất thấp ở T= 40^oC trong 2 giờ. Cân sản phẩm và tính hiệu suất điều chế phức. Từ hiệu suất lựa chọn quy trình điều chế tối ưu nhất [1], [3], [14], [23].

2.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phức

• Ảnh hưởng của lượng HPF6
• Ảnh hưởng của lượng CH3CN
• Ảnh hưởng của thể tích dung môi (C2H5)2O
• Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình phản ứng
• Ảnh hưởng của thời gian

2.2.3. Tổng hợp benzyl azide

Cho vào bình cầu đáy tròn 4.6 g sodium azide (70 mmol), 20 mL nước cất, 60 mL aceton, khuấy ở nhiệt độ phòng trong 5 phút. Sau đó, 4.2 mL benzyl bromide (35 mmol) được cho vào bình cầu và phản ứng được tiến hành ở 65^oC trong 24 giờ. Sau khi làm nguội đến nhiệt độ phòng, hỗn hợp phản ứng được chiết hai lần với dichloromethane (CH2Cl2), rửa lại 3 lần với nước cất và làm khan bằng sodium sulfate (Na2SO4). Đuổi dung môi bằng phương pháp cất quay dưới áp suất thấp. Sản phẩm thô được tinh chế bằng sắc kí cột với pha tĩnh là silicagel và pha động là dung môi n-hexane [21].

10

2.2.4. Tổng hợp phenylacetylene

1. Tổng hợp 1-phenyl-2-(trimethylsilyl)acetylene bằng phản ứng Sonogashira

Cho vào bình cầu 0.06 g copper(I) iodide (0.32 mmol), 0.096 g bis(triphenyl-phosphine) palladium(II) dichloride (0.14 mmol) và 0.081 g triphenylphosphine (0.3 mmol).

Sau đó, 6 mL tetrahydrofuran (THF), 6 mL triethylamine, 0.69 mL iodobenzene (6.2 mmol) và 1.8 mL trimethylsilyacetylene (12.4 mmol) được thêm vào bằng bơm tiêm (syringe). Khuấy hỗn

hợp trên bằng máy khuấy từ, gia nhiệt ở 65^oC trong 24 giờ. Sản phẩm thô được tinh chế bằng sắc kí cột với pha tĩnh là silicagel và pha động là dung môi n-hexane [6], [13], [19], [26].

1. Phản ứng tổng hợp phenylacetylene

Cho vào bình cầu đáy tròn 1-phenyl-2-(trimethylsilyl) acetylene (6.2 mmol), 1.97 g sodium carbonate (18.6 mmol), 30 mL methanol và 15 mL dichloromethane (CH2Cl2). Phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ phòng trong 12 giờ. Hỗn hợp sau phản ứng được rửa bằng nước cất và CH2Cl2 trong phễu chiết 3 lần. Loại bỏ dung môi bằng phương pháp cất quay dưới áp suất thấp. Kiểm tra sản phẩm bằng cách thử sắc kí bản mỏng với dung môi là n-hexane [18].

2.2.5. Phản ứng tạo vòng 1,2,3-triazole từ benzyl azide và phenylacetylene

0.3 g benzyl azide (2 mmol) và 0.403 g phenylacetylene (4 mmol) được cho vào bình cầu đáy tròn dung tích 10 mL. Sau đó, 0.15 g tetrakis(acetonitrile)copper(I) hexafluorophosphate (0.4 mmol), 0.5 mL trimethylamine và 5 mL tetrahydrofuran (THF) được thêm vào bình cầu. Hỗn hợp phản ứng được đun nóng ở 65^oC trong 6 giờ. Sản phẩm thô được tinh chế bằng sắc kí cột với pha tĩnh là

11

silicagel và pha động là hệ dung môi CH2Cl2/ethylacetat (99:1). Đuổi dung môi bằng phương pháp cất quay dưới áp suất thấp để thu sản phẩm tinh khiết [25], [31].

Sản phẩm được chứng minh cấu trúc bằng các phương pháp phổ hiện đại.

2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CHO SẢN PHẨM

Sau khi thực hiện xong thí nghiệm, các mẫu sản phẩm đã được làm sạch, đo khảo sát các tính chất vật lý, đánh giá chất lượng sản phẩm…bằng các phương pháp: phổ hồng ngoại (IR), nhiễu xạ tia

1. (X-Ray), phổ tán xạ EDX, sắc kí bản mỏng, sắc kí cột, ghi phổ

khối lượng (MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (¹H NMR; ¹³C NMR).

2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen

2.3.2. Phương pháp đo phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

2.3.3. Sắc kí lớp mỏng

2.3.4. Sắc kí cột

2.3.5. Phổ hồng ngoại (IR)

2.3.6. Phổ khối lượng (MS)

2.3.7. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

• 1. Phổ ¹H-NMR
  2. Phổ ¹³C-NMR
  3. Phổ DEPT
  4. Phổ 2D-NMR
• Phổ HSQC
• Phổ ¹H-¹H COSY
• Phổ HMBC
• Phổ NOESY

12

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ PHỨC [Cu(CH3CN)4]PF6

3.1.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo

phức [Cu(CH3CN)4]PF6

1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng HPF6

Bảng 3.1. Ảnh hưởng của lượng HPF6 đến hiệu suất điều chế phức

Từ Bảng 3.1 thấy rằng, khi thay đổi V(HPF6) từ 2.1 đến 3.7 mL và cố định các thông số còn lại thì thấy hiệu suất tổng hợp phức với V(HPF6) =2.9 mL là tối ưu nhất. Do đó, chọn V(HPF6) = 2.9 mL để tiếp tục khảo sát các yếu tố còn lại.

Khi tăng V(HPF6) từ 2.1 đến 2.9 mL thì cân bằng phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận nên hiệu suất phản ứng tăng mạnh. Tuy nhiên, khi V(HPF6) đủ lớn thì sự tăng của V(HPF6) lại ảnh hưởng không nhiều đến cân bằng phản ứng.

1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng CH3CN

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của lượng CH3CN đến hiệu suất điều chế phức

13

Từ Bảng 3.2 thấy rằng, khi ta thay đổi V(CH3CN) từ 3 đến

1. mL và cố định các thông số còn lại thì hiệu suất tổng hợp phức với V(CH3CN) =11 mL là tối ưu nhất. Điều này được giải thích tương tự như trường hợp tăng V(HPF6). Do đó chọn V(CH3CN) =11 mL để tiếp tục khảo sát các yếu tố còn lại.

c. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thể tích dung môi

(C2H5)2O

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thể tích dung môi (C2H5)2O đến hiệu suất

điều chế phức

Từ Bảng 3.3 thấy rằng, khi thay đổi V((C2H5)2O) từ 20 đến

1. mL và cố định các thông số còn lại thì thấy hiệu suất tổng hợp phức với V((C2H5)2O) = 40 mL là tối ưu nhất. Điều này được giải thích như sau: (C2H5)2O có vai trò là dung môi hòa tan phức tổng hợp được, khi lượng hòa tan là tối đa ứng với V((C2H5)2O)= 40 mL thì sau đó dù tăng V((C2H5)2O) hiệu suất cũng sẽ thay đổi không đáng kể. Do đó, chọn V((C2H5)2O) = 40 mL để tiếp tục khảo sát các yếu tố còn lại.

14

1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình phản ứng

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng tạo phức đến hiệu suất

điều chế phức

Từ Bảng 3.4, khi thay đổi nhiệt độ trong quá trình phản ứng tạo phức từ 30 đến 50 ^oC và cố định các thông số còn lại thì thấy rằng, nhiệt độ phản ứng tạo phức càng tăng thì hiệu suất phản ứng càng tăng và không thay đổi nhiều khi nhiệt độ từ 40 lên 50^oC. Với T

• 40^oC là nhiệt độ tối ưu nhất cho phản ứng. Do đó, chọn T = 40^oC để tiếp tục khảo sát các yếu tố còn lại.

e. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian

• Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng tạo phức (thời gian khuấy)

Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất

Từ Bảng 3.5, khi thay đổi thời gian khuấy trong quá trình phản ứng tạo phức từ 5 đến 45 phút và cố định các thống số còn lại thì thấy rằng, trong khoảng từ 25 – 45 phút, hiệu suất phản ứng thay

15

đổi không đáng kể nên thời gian 25 phút là tối ưu nhất. Do đó, chọn chọn thời gian khuấy là 25 phút để tiếp tục khảo sát các yếu tố còn lại.

• Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian kết tinh

Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian kết tinh đến hiệu suất

điều chế phức

Từ Bảng 3.6 thấy rằng, khi thay đổi thời gian kết tinh từ 10 đến 50 phút và cố định các thông số còn lại thì thấy hiệu suất phản ứng với thời gian kết tinh 30 phút là tối ưu nhất.

Tóm lại: Điều kiện tối ưu nhất cho quá trình tổng hợp phức [Cu(CH3CN)4]PF6 là: m(Cu2O) = 1.000 g; V(HPF6) = 2.9 mL; V(CH3CN) = 11 mL; V((C2H5)2O) = 40 mL; nhiệt độ trong quá trình khuấy là 40^oC; thời gian khuấy là 25 phút và thời gian kết tinh là 30 phút. Khi đó hiệu suất thu được là 61.45%.

3.1.2. Đặc tính lý hóa của sản phẩm phức [Cu(CH3CN)4]PF6 a. Phổ hồng ngoại (IR)

Phổ IR của mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 tổng hợp có các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho phức [Cu(CH3CN)4]PF6. Đỉnh ở khoảng 480 và

1. cm^-1 là đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết cho nhận N→Cu. Đỉnh 840 cm^-1 tương ứng với dao động hóa trị của P-F trong PF6^–. Đỉnh dao động trong khoảng 750; 1079 và 1616 cm^-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết C-C trong CH3CN. Đỉnh hấp thụ

ở khoảng 2300 cm^-1 đặc trưng cho dao động biến dạng C≡N trong

16

CH3CN, còn đỉnh hấp thụ ở khoảng 3440 cm^-1 là dao động biến dạng của liên kết C-H trong CH3CN. Phổ IR của mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 mua trên thị trường có các đỉnh hấp phụ gần như trùng với mẫu tổng hợp. Điều này chứng tỏ rằng đã thu được phức [Cu(CH3CN)4]PF6.

b. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

Hình 3.10. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 tổng hợp

Hình 3.11. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 mua trên thị trường

Từ giản đồ XRD Hình 3.10 của mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 tổng hợp cho thấy, sản phẩm thu được chỉ có 1 pha duy nhất với các peak đặc trưng ở các vị trí 2θ = 11.38⁰, 13.22⁰, 14.28⁰, 17.68⁰, 20.80⁰, 21.80⁰, 22.42⁰, 24.22⁰, 28.85⁰, 25.32⁰, 28.76⁰, 30.35⁰, 31.72⁰, 32.58⁰,

17

34.66⁰, 35.66⁰, 38.42⁰ và 39.74⁰ ứng với cấu trúc tinh thể orthorhombic Pna21 giống với cấu trúc của [Cu(CH3CN)4]ClO4. Ion Cu⁺ liên kết cho nhận với bốn phối tử CH3CN qua nguyên tử N tạo thành hình tứ diện [4], [5].

Từ giản đồ XRD Hình 3.11 của mẫu [Cu(CH3CN)4]PF6 mua trên thị trường thấy rằng, các đỉnh của mẫu tổng hợp trùng với mẫu mua trên thị trường, chỉ khác là mẫu tổng hợp có cường độ cao hơn, có thể do mức độ kết tinh của mẫu tổng hợp được hoàn hỏa hơn. Điều này một lần nữa chứng tỏ đã tổng hợp thành công phức [Cu(CH3CN)4]PF6.

c. Thành phần các nguyên tố trong phức – phổ tán xạ EDX Bảng 3.7. Thành phần các nguyên tố có trong mẫu

[Cu(CH3CN)4]PF6 tổng hợp

Bảng 3.7 đã chỉ ra rằng, trong mẫu phức tổng hợp được thì phần trăm khối lượng của các nguyên tố C (23.98%), N (8.67% ), P (11.34%), F (28.26%) và Cu (27.27%) và là tương đối phù hợp với giá trị tính theo lý thuyết chúng. Ngoài ra, ta thấy có các nguyên tố lạ là Si và Al, có thể là do tạp chất có trong các hợp chất ban đầu như Cu2O [4], [5], [7]…

Từ Bảng 3.8 chỉ ra rằng, trong mẫu phức mua trên thị trường có phần trăm khối lượng của các nguyên tố C, N, P, Cu và F gần

18

giống với mẫu tổng hợp. Chỉ khác là mẫu trên thị trường không có sự xuất hiện của hai nguyên tố lạ là Si và Al như trong mẫu tổng hợp.

3.2. ỨNG DỤNG SẢN PHẨM [Cu(CH3CN)4]PF6 VỪA ĐIỀU CHẾ VÀO PHẢN ỨNG ĐÓNG VÒNG AZIDE VÀ ALKYNE-1

3.2.1. Tổng hợp benzyl azide

1. Phản ứng tổng hợp
2. Cơ chế phản ứng tổng hợp benzyl azide
3. Ghi phổ sản phẩm benzyl azide

• Phổ khối (MS)

Hình 3.20. Phổ khối lượng (MS) của hợp chất benzyl azide

Phổ khối của hợp chất benzyl azide được ghi trên máy sắc kí lỏng ghép khối phổ (LC–MSD–Trap–SL). Các hợp chất chứa nhóm azide (-N3) dễ bị nhiệt phân trong điều kiện nhiệt độ cao, vì vậy, trong phổ khối của hợp chất benzyl azide xuất hiện peak ion phân tử tương ứng với m/z = 132.8 có cường độ rất thấp. Sự phân cắt liên kết giữa hai nguyên tử N thuộc nhóm azide dẫn đến loại bỏ một phân tử N2 và xuất hiện peak có m/z ≈ 106. Ngoài ra liên kết giữa C–N cũng bị phá vỡ và vì vậy xuất hiện peak có m/z ≈ 90.9 [2], [8], [12].

19

• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ¹H NMR

Hình 3.22. Phổ ¹H NMR của benzyl azide Bảng 3.9. Phổ ¹H NMR của benzyl azide

Trong phổ ¹H NMR của hợp chất benzyl azide xuất hiện các

peak tương ứng với các nguyên tử H trong công thức cấu tạo của nó. Singlet ở 4.35 ppm tương ứng với hai nguyên tử H nhóm CH2 liên kết trực tiếp với nhóm azide (-N3). Peak dạng multiplet trong khoảng độ chuyển dịch hóa học 7.32–7.42 ppm đặc trưng cho năm nguyên tử H của vòng benzene mono thế [2], [8], [12].

20

• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ¹³C NMR

Hình 3.23. Phổ ¹³C NMR của hợp chất benzyl azide

Trong phổ ¹³C NMR của benzyl azide xuất hiện peak ở 54.97 ppm thuộc nguyên tử carbon nhóm CH2. Ngoài ra, trong phổ còn xuất hiện các peak tương ứng với các nguyên tử carbon thuộc vòng benzen mono thế. Hai peak có cường độ cao ở δC 128.97 ppm và 128.35 ppm thuộc các nguyên tử carbon ở vị trí 2,6 và vị trí 3,5. Nguyên tử carbon nhóm –CH vị trí số 4 tương ứng với peak 128.44 ppm và peak ở 135.53 ppm thuộc nguyên tử carbon vị trí số 1.

3.2.2. Tổng hợp phenylacetylene

a. Tổng hợp 1-phenyl-2-(trimethylsilyl)acetylene bằng phản ứng Sonogashira

b. Tổng hợp phenylacetylene

21

3.2.3. Sử dụng xúc tác [Cu(CH3CN)4]PF6 trong phản ứng đóng vòng giữa benzyl azide và phenylacetylene

• 1. Phương trình phản ứng
  2. Ghi phổ sản phẩm 1-benzyl-4-phenyl-1H-1,2,3-triazole
• Phổ hồng ngoại (IR)

Trên phổ IR của 1-benzyl-4-phenyl-1H-1,2,3-triazole xuất hiện một số peak đặc trưng sau: dao động hóa trị của liên kết C=C vòng triazole tương ứng với peak ở số sóng 1606.70 cm^-1. Dao động biến dạng của liên kết C–H của nhóm CH2 tương ứng với peak ở số sóng 1462.04 cm^-1. Peak đặc trưng cho dao động hóa trị các liên kết C–C, C=C và C–H của vòng benzen được thể hiện ở các peak có số sóng tương ứng là: 1494.93, 1442.75 và 3061.03 cm^-1 [2], [8], [12].

* Phổ khối (HRMS)

Hợp chất 1-benzyl-4-phenyl-1H-1,2,3-triazole có khối lượng phân tử là 235.11 g/mol. Trên phổ khối HRMS của hợp chất chứa vòng triazole này xuất hiện peak [M+H]⁺ ở m/z = 236.11 [2], [8].

* Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ¹H NMR

Hình 3.32. Phổ ¹H NMR của hợp chất 1-benzyl-4-phenyl-1H-1,2,3-triazole

22

Phổ ¹H NMR của hợp chất 1-benzyl-4-phenyl-1H-1,2,3-triazole xuất hiện các peak tương ứng với 13 nguyên tử H. Hai nguyên tử H nhóm CH2 liên kết với N vòng triazole tương ứng với peak dạng singlet ở δH 5.57 ppm. Nguyên tử H liên kết với carbon vị trí số 5 vòng triazole được đặc trưng bởi peak dạng singlet ở δH 7.66 ppm. Peak doublet of doublet ở δH 7.79 – 7.81 ppm thuộc hai nguyên tử H vòng benzene mono thế. Multiplet ở 7.37 – 7.40 ppm và multiplet ở 7.30 – 7.32 ppm tương ứng với tám nguyên tử H của hai vòng benzene [2], [8], [12].

• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ¹³C NMR

15

16

Hình 3.33. Phổ ¹³C NMR của hợp chất 1-benzyl-4-phenyl-1H-

1,2,3-triazole

Trên Phổ ¹³C NMR của hợp chất 1-benzyl-4-phenyl-1H-

1,2,3-triazole xuất hiện peak sau:

23

Peak ở δC 54.36 ppm thuộc nguyên tử carbon nhóm CH2.

Bốn peak ở δC 125.84 ppm, 128.18 ppm, 128.92 ppm, 129.28 ppm thuộc các nguyên tử carbon vị trí 14,18; 15,17; 8,12 và 9,11.

Hai peak ở δC 128.28 ppm và 128.90 ppm thuộc các nguyên tử carbon vị trí 10 và 16.

Các peak còn lại ở δC 119.61 ppm, 130.69 ppm, 134.83 ppm, 148.37 ppm thuộc các nguyên tử carbon vị trí 7, 13, 5, 4 [2], [8], [12].

24

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

A. Kết luận

Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu điều chế phức [Cu(CH3CN)4]PF6 và ứng dụng làm xúc tác trong phản ứng đóng vòng giữa azide và alkyne-1”, tôi rút ra được một số kết luận sau:

* Nghiên cứu điều chế được phức [Cu(CH3CN)4]PF6

1. Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo phức [Cu(CH3CN)4]PF6 và tìm ra điều kiện tối ưu nhất cho quá trình điều chế phức là: m(Cu2O) = 1.000 g; V(HPF6) = 2.9 mL; V(CH3CN) = 11 mL; V((C2H5)2O) = 40 mL; nhiệt độ trong quá trình khuấy là 40^oC; thời gian khuấy là 25 phút và thời gian kết tinh là 30 phút. Khi đó hiệu suất thu được là 61.45%.
2. Bằng các phương pháp: phổ hồng ngoại (IR), phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ EDX đã chứng tỏ rằng mẫu phức tổng hợp có các thông số lý hóa giống với mẫu trên thị trường. Điều này chứng minh phức [Cu(CH3CN)4]PF6 đã được tổng hợp thành công.

* Ứng dụng

1. Đã tổng hợp được azide là benzyl azide và alkyne-1 là phenylacetylene.
   1. Đã ứng dụng thành công việc sử dụng phức [Cu(CH3CN)4]PF6 vừa điều chế làm xúc tác cho phản ứng đóng vòng giữa benzyl azide và phenylacetylene tạo sản phẩm 1-benzyl-4-phenyl-1H-1,2,3-triazole.
   2. Đã chứng minh được cấu tạo của các sản phẩm bằng các phương pháp phổ hiện đại: ghi phổ hồng ngoại (IR), phổ khối (HRMS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (¹H-NMR và ¹³C-NMR).
2. Kiến nghị

Do thời gian và phạm vi đề tài nghiên cứu có hạn, thông qua kết quả đề tài, tôi mong muốn đề tài được phát triển rộng hơn về vấn đề sau:

Nghiên cứu thêm nhiều ứng dụng của xúc tác [Cu(CH3CN)4]PF6 trong tổng hợp các chất hữu cơ khác.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\HOA HUU CO\VU THI HONG NHUNG