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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

VŨ THỊ HỒNG NHUNG

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

Chuyên ngành: HÓA HỮU CƠ

Mã số: 8 44 01 14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÓA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

Trường Đại học Sư phạm - ĐHĐN

Người hướng dẫn khoa học:

TS. Đinh Văn Tạc

Phản biện 1: TS. Nguyễn Đình Anh

Phản biện 2: TS. Trần Mạnh Lục

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Hóa học họp tại Trường Đại học Sư phạm -

ĐHĐN vào ngày 6 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

1

MỞ ĐẦU

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

ở 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

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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

ở trạng thái rắn và dung dịch.

Ở 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]4s1

3d10

. 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

b. 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

a. 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= 0oC 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= 40oC 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 65oC 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

a. 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 65oC 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].

b. 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 65oC 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

X (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)

a. Phổ

1H-NMR

b. Phổ

13C-NMR

c. Phổ DEPT

d. Phổ 2D-NMR

* Phổ HSQC

* Phổ

1H￾1H COSY

* Phổ HMBC

* Phổ NOESY