Thiết bị và hóa chất

Phản ứng được thực hiện với sự hỗ trợ của máy đun khuấy từ điều nhiệt Ikaret và lò vi sóng chuyên dụng Discover SP của hãng CEM sản xuất tại Mỹ. Kiểm soát quá trình phản ứng cũng như hiệu suất bằng máy sắc ký khí ghép khối phổ GC/MS Hewlett Packard 6890GC Series II, cột mao quản HP 5MS (30 m x 250 mm x 0,25 mm) với chương trình nhiệt: 50 C (giữ 2 phút), tăng 10 C/phút đến 300 C (giữ 5 phút). Phổ cộng hưởng từ hạt nhân H-NMR và C-NMR được đo trên máy Brüker 500 MHz (H-NMR) và 125 MHz (C-NMR) trong dung môi CDCl.

Tất cả hóa chất được sản xuất tại công ty Aldrich-Sigma và các dung môi được sản xuất tại công ty Xilong.

Quy trình điều chế chất lỏng ion chloroaluminate

Điều chế chất lỏng ion

1-Butyl-3-methylimidazolium chloride ([Bmim]Cl)

Hỗn hợp gồm 1-methylimidazole (10 mmol; 0,820 g) và 1-butyl chloride (11 mmol; 1,017 g) trong bình cầu 25 mL được khuấy ở 250 vòng/phút tại 60 – 65 C trong 24 giờ. Sau khi kết thúc, hỗn hợp phản ứng được làm nguội đến nhiệt độ phòng, được rửa bằng diethyl ether (3×10 mL) và được thu hồi dung môi còn sót lại ở áp suất thấp trong 15 phút ở 40 C 28.

N-Butylpyridinium chloride ([Bpy]Cl)

Hỗn hợp gồm pyridine (10 mmol; 0,79 g) và 1-butyl chloride (10 mmol; 0,925 g) trong bình cầu 25 mL được khuấy ở 250 vòng/phút tại 120-130 C trong 48 giờ. Sau khi kết thúc, hỗn hợp phản ứng được làm nguội đến nhiệt độ phòng, được rửa bằng diethyl ether (3×10 mL) và được thu hồi dung môi còn sót lại ở áp suất thấp trong 15 phút ở 40 C 29.

N,N-Dimethylpyrrolidinium iodide ([Pyrro]I)

Pyrrolidine (5,0 mmol; 0,355 g) trong 6 mL ethyl acetate được cho vào bình cầu 25 mL. Sau đó CHI (12,5 mmol; 0,177 g) trong 5 mL ethyl acetate được thêm từ từ ở 0 C. Hỗn hợp được khuấy qua đêm với tốc độ 250 vòng/phút tại nhiệt độ phòng, tránh ánh sáng. Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp được rửa bằng acetone (5×6 mL) và được thu hồi dung môi còn sót lại ở áp suất thấp trong 30 phút ở 50 C 30.

1-Methyltetrahydrothiophenium iodide ([Mth]I)

Hỗn hợp gồm tetrahydrothiophene (3 mmol; 0,264 g) và CHI (3 mmol; 0,426 g) được cho vào ống nghiệm, sau đó được chiếu xạ siêu âm trong 1 giờ tại 50 C. Sau khi phản ứng kết thúc, hỗn hợp được rửa bằng ethyl acetate (3×5 mL) và được thu hồi dung môi còn sót lại ở áp suất thấp trong 30 phút ở 50 C 31.

1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [Bmim]BF hoặc hexafluorophosphate [Bmim]PF

Hỗn hợp gồm 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (3 mmol; 0,523 g) và sodium tetrafluoroborate/sodium hexafluorophosphate (3 mmol; 0,330 g) trong 2 mL nước cất được cho vào bình cầu 10 mL. Hỗn hợp được khuấy trong 12 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau khi phản ứng kết thúc, lớp dầu màu vàng được hình thành và được trích bằng dichloromethane (2×10 mL). Sau đó dịch trích dichloromethane được rửa bằng nước (3×5 mL)32, làm khan bằng NaSO và được thu hồi dung môi ở áp suất thấp trong 30 phút ở 40 C.

Điều chế chất lỏng ion2AlCl

Chất lỏng ion (2 mmol) được cho vào bình cầu 10 mL, sau đó AlCl (4 mmol; 0,543 g) được thêm từ từ vào. Hỗn hợp được khuấy trong 12 giờ ở nhiệt độ phòng đối với [Bpy]Cl, [Bmim]Cl và ở 100 C đối với [Pyrro]I và [Mth]I.

Quy trình tiến hành phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts

Phương pháp gia nhiệt

Hỗn hợp gồm benzenesulfonyl chloride (1 mmol; 0,176 g), toluene (1 mmol; 0,092 g) và ILs2AlCl (x mmol) được cho vào bình cầu 5 mL, sử dụng hệ thống hoàn lưu có lắp ống làm khan. Hỗn hợp phản ứng được khuấy theo thời gian cần khảo sát ở nhiệt độ nhất định với tốc độ 250 vòng/phút. Hỗn hợp sau phản ứng được ly trích với dung môi chloroform (3×10 mL). Hỗn hợp tách thành 2 lớp, phần hữu cơ (phần chất chưa phản ứng và sản phẩm) và phần xúc tác. Phần dịch trích chloroform được rửa với HO, làm khan bằng NaSO, và được thu hồi dung môi dưới áp suất thấp. Sản phẩm được tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột với hệ dung môi rửa giải n-hexane:ethyl acetate (9:1 /).

Phương pháp vi sóng

Hỗn hợp gồm benzenesulfonyl chloride (1,0 mmol; 0,176 g), toluene (1,0 mmol; 0,092 g) và [Bpy]Cl2AlCl (1,2 mmol; 0,526 g) được cho vào ống nghiệm (Φ = 10 mm, h = 100 mm) chuyên dùng cho vi sóng và tiến hành chiếu xạ trong thời gian thích hợp với nhiệt độ tối ưu đã được khảo sát. Hỗn hợp sản phẩm được cô lập như trong phương pháp gia nhiệt.

Khảo sát phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts

Để tìm ra loại xúc tác chloroaluminate thích hợp cho sự sulfonyl hóa Friedel-Crafts, một số loại chất lỏng ion đã được khảo sát cho phản ứng giữa toluene và benzenesulfonyl chloride với tỷ lệ mol là 1,0:1,0 ở 100 C trong 4 giờ (Table 1).

Khi phản ứng được thực hiện không có sự hiện diện của xúc tác (phản ứng số 1, Table 1), sulfone chưa được tạo thành, do đó chúng tôi tiếp tục khảo sát hoạt tính xúc tác của một số loại chất lỏng ion khác nhau cho sự sulfonyl hóa. Đối với [Bmim]PF và [Bmim]BF, khi lượng xúc tác được tăng từ 1,0 mmol lên 2,0 mmol (phản ứng số 2-5, Table 1), kết quả GC/MS cho thấy không có sản phẩm hình thành. Phenyl tolyl sulfone thu được với hiệu suất tốt khi sử dụng AlCl làm xúc tác, tuy nhiên muối này rất dễ hút ẩm và không thể thu hồi hay tái sử dụng sau phản ứng. Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, chúng tôi lựa chọn chất lỏng ion chloroaluminate cho những thí nghiêm khảo sát tiếp theo. Trong điều kiện tương tự, khi sử dụng xúc tác như [Mth]I2AlCl, [Pyrro]I2AlCl, [Bpy]Cl2AlCl, sulfone tạo thành với hiệu suất cao trên 80%. Tiếp tục thay đổi lượng xúc tác từ 0,5; 1,0 và 1,2 mmol, hiệu suất phản ứng tăng lên đáng kể (phản ứng số 6-11, 14-17, Table 1) và chuyển hóa hoàn toàn đạt hiệu suất cực đại 97% khi sử dụng 1,2 mmol [Bpy]Cl2AlCl (phản ứng số 16, Table 1). Ngoài ra, phản ứng được tiến hành riêng với chất lỏng ion [Bpy]Cl, kết quả cho thấy sản phẩm không được tạo thành (phản ứng số 12, Table 1). Điều này chứng tỏ rằng chloroaluminate là xúc tác hiệu quả cho phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts, đặc biệt là [Bpy]Cl2AlCl cho kết quả tốt hơn so với [Bmim]Cl2AlCl đã được nghiên cứu ở cùng điều kiện.

Để tìm ra điều kiện thích hợp cho phản ứng tổng hợp phenyl p-tolyl sulfone, một số yếu tố ảnh hưởng đến độ chọn lọc và hiệu suất phản ứng như như thời gian và nhiệt độ cũng đã được nghiên cứu dựa trên lượng xúc tác [Bpy]Cl2AlCl sử dụng là 1,2 mmol và tỷ lệ mol của toluene:benzenesulfonyl chloride cố định là 1,0 mmol :1,0 mmol (Table 2).

Các kết quả Table 2 cho thấy khi tăng nhiệt độ phản ứng từ nhiệt độ phòng, 60 C, 80 C, 90 C, 100 C thì hiệu suất tăng lên đáng kể. Điều này chứng tỏ phản ứng sulfonyl hóa là phản ứng thu nhiệt, nhiệt độ có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất. Khi phản ứng ở 100 C, độ chuyển hóa đạt 100%, hiệu suất thu được là 97%. Bên cạnh đó, yếu tố thời gian phản ứng cũng được khảo sát ở các nhiệt độ khác nhau cũng cho thấy thời gian ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất phản ứng (phản ứng số 3, 4, 5, 6, Table 2). Vì vậy, phản ứng sulfonyl hóa Friedel-Crafts của toluene với tác chất benzenesulfonyl chloride đạt hiệu suất cao nhất khi được gia nhiệt tại nhiệt độ 100 C trong 4 giờ với tỷ lệ mol toluene:benzenesulfonyl chloride là 1,0:1,0; lượng xúc tác [Bpy]Cl2AlCl là 1,2 mmol.

Nhằm giảm thời gian phản ứng cũng như tiết kiệm năng lượng từ sự đun nóng cổ điển, phản ứng được kích hoạt bằng phương pháp vi sóng. Trong cùng điều kiện phản ứng, khi có sự hỗ trợ của vi sóng, hiệu suất thu được là 98% sau 11 phút chiếu xạ, như vậy thời giản phản ứng ngắn hơn 20 lần so với phương pháp gia nhiệt.

Với khả năng xúc tác hiệu quả, sản phẩm dễ cô lập, chúng tôi tiến hành khảo sát việc tái sử dụng xúc tác. Sau khi thực hiện phản ứng bằng phương pháp gia nhiệt tại điều kiện tối ưu trên, hỗn hợp sau phản ứng được trích bằng chloroform, xúc tác [Bpy]Cl2AlCl (không tan trong dung môi chloroform) được thu hồi và loại dung môi còn sót lại dưới áp suất thấp ở 80 C trong 30 phút, hiệu suất thu hồi xúc tác đạt 70%. Tiếp tục sử dụng xúc tác thu hồi để tiến hành phản ứng tại điều kiện tối ưu ở trên, kết quả cho thấy sulfone thu được với hiệu suất cao và có độ chọn lọc đồng phân para sovới ortho thay đổi không đáng kể. Điều đó chứng tỏ rằng hoạt tính xúc tác thay đổi không đáng kể sau 3 lần tái sử dụng (Figure 2).

Biện luận cấu trúc

1-Butyl-3-methylimidazolium chloride

Sản phẩm là chất lỏng màu vàng nhạt. Sản phẩm được nhận danh bằng phổ H-NMR và C-NMR.

Phổ H-NMR cho thấy sự hiện diện của 3 proton ở vòng thơm δ (ppm): 10,10 (s, H2); 7,55 (t, J = 2,0 Hz, H4); 7,55 (t, J = 2,0 Hz, H5) chứng tỏ rằng trong công thức có chứa khung imidazole. Ngoài ra, ở vùng từ trường cao, 6 proton methylene cho tín hiệu ở 4,16 (t, J = 7,5 Hz, H6); 1,73 – 1,70 (m, H7); 1,22 – 1,17 (m, H8); tiếp theo là tín hiệu của 3 proton nhóm methyl ở 0,77 (t, J = 8,0 Hz, H9) và cuối cùng là tín hiệu đặc trưng của nhóm methyl gắn với dị nguyên tử N ở 3,94 (s, H10).

Phổ C-NMR cho các tín hiệu cộng hưởng với 8 carbon, trong đó có 3 carbon thuộc vòng thơm δ (ppm): 137,8 (C2), 123,7 (C5), 122,0 (C4), 3 carbon methylene ở 49,9 (C6); 32,1 (C7); 19,4 (C8) và 1 carbon methyl ở 13,4 (C9). Ngoài ra, ở vùng từ trường cao còn xuất hiện tín hiệu của carbon nhóm methyl gắn với dị nguyên tử N ở 36,5 (C10).

Dựa vào tín hiệu phổ H-NMR, C-NMR trên cho thấy sản phẩm có chứa khung imidazole, đồng thời có một nhóm butyl, một nhóm methyl gắn với dị nguyên tử N chứng tỏ sản phẩm thu được là 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (Figure 3) và tương ứng với các dữ liệu phổ đã công bố 33 (Table 3).

N-Butylpyridinium chloride

Sản phẩm là chất rắn màu trắng, nóng chảy ở nhiệt độ 128-130 C so với nhiệt độ nóng chảy tham khảo là 131,5 ± 1.0 C 34. Sản phẩm được nhận danh bằng phổ H-NMR và C-NMR.

Phổ H-NMR cho thấy sự hiện diện của 5 proton ở vùng hương phương δ (ppm): 9,61 (dd, J = 6,5 Hz, 1,5 Hz, H2, H6); 8,47 (tt, J = 8,0 Hz, 1,5 Hz, H4); 8,12 (t, J = 6,5 Hz, H3, H5) chứng minh rằng trong công thức có chứa khung pyridine. Ngoài ra, ở vùng từ trường cao, 2 proton methylene cho tín hiệu ở 4,96 (t, J = 7,5 Hz, H7) do gắn với dị nguyên tử N, tiếp theo là tín hiệu của 2 proton methylene ở 2,01-1,95 (m, H8), 2 proton methylene ở 1,38-1,31 (m, H9) và cuối cùng là tín hiệu đặc trưng của nhóm methyl ở 0,88 (t, J = 7,0 Hz, H10).

PhổC-NMR cho các tín hiệu cộng hưởng với 7 carbon, trong đó có 3 carbon thuộc vòng benzene δ (ppm): 145,7 (C2, C6); 145,2 (C3, C5); 128,8 (C4), 1 carbon methylene gắn với dị nguyên tử N ở 62,4 (C7); 2 carbon methylene C8, C9 tương ứng ở 34,3; 19,8 và 1 carbon methyl ở 13,9.

Dựa vào tín hiệu phổ H-NMR và C-NMR trên cho thấy sản phẩm có chứa khung pyridine và có nhóm butyl gắn với dị nguyên tử N, chứng tỏ sản phẩm thu được là N-butylpyridinium chloride (Figure 4) và tương ứng với các dữ liệu phổ đã công bố 35 (Table 4).

N,N-Dimethylpyrrolidinium iodide

Sản phẩm là chất rắn màu trắng, nóng chảy ở nhiệt độ 80-81C. Sản phẩm được nhận danh bằng phổ H-NMR và C-NMR.

Phổ H-NMR tại vùng từ trường cao cho thấy sự hiện diện đặc trưng của proton methyl ở 3,28 (s, H6, H7); tín hiệu 2 proton methylene ở 3,67-3,64 (m, H2, H5) gắn với dị nguyên tử N và 2 proton methylene ở 2,38-2,34 (m, H3, H4).

Phổ C-NMR cho các tín hiệu ở vùng từ trường cao δ (ppm): 66,1 (C6, C7); 52,2 (C2, C5); 21,9 (C3, C4).

Dựa vào tín hiệu phổ H-NMR và C-NMR trên cho thấy sản phẩm có chứa khung pyrrolidine với 2 nhóm methyl gắn với dị nguyên tử N, chứng tỏ sản phẩm thu được là N,N-dimethylpyrrolidinium iodide (Figure 5) và tương ứng với các dữ liệu phổ đã công bố 36 (Table 5).

1-Methyltetrahydrothiophenium iodide

Sản phẩm là chất rắn màu vàng nhạt, nóng chảy ở nhiệt độ 188-193 C so với nhiệt độ nóng chảy tham khảo là 183-186 C 37. Sản phẩm được nhận danh bằng phổ H-NMR và C-NMR.

Phổ H-NMR cho thấy 4 tín hiệu cộng hưởng ở vùng từ trường cao của các proton methylene δ (ppm): 3,61-3,58 (m, H2a, H5a); 3,36-3,33 (m, H2b, H5b); 2,32-2,29 (m, H3a, H4a); 2,07-2,04 (m, H3b, H4b) và tín hiệu đặc trưng của nhóm methyl ở 3,22 (s, H6).

Phổ C-NMR cho thấy sự xuất hiện tín hiệu của các carbon methylene δ (ppm): 65,6 (C2); 51,9 (C5); 45,6 (C6); 23,7 (C4); 21,8 (C3) và carbon methyl ở 45,6 (C6).

Dựa vào tín hiệu phổ H-NMR và C-NMR trên cho thấy sản phẩm có khung tetrahydrothiophene với một nhóm methyl gắn với dị nguyên tử S, chứng tỏ sản phẩm thu được là 1-methyltetrahydrothiophenium iodide (Figure 6) và tương ứng với các dữ liệu phổ đã công bố 38 (Table 6).

1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate và 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate

Sản phẩm là chất lỏng dạng sệt, không màu. Sản phẩm được nhận danh bằng phổ H-NMR và C-NMR.

Phổ H-NMR cho thấy sự hiện diện 3 tín hiệu của proton vòng thơm, đồng thời ở vùng từ trường cao cho các tín hiệu cộng hưởng của các nhóm methylene và methyl (Table 7).

Phổ C-NMR xuất hiện 3 tín hiệu của carbon vòng thơm, 5 tín hiệu carbon methylene và methyl (Table 7).

Dựa vào tín hiệu phổ H-NMR và C-NMR trên cho thấy sản phẩm có chứa khung 3-methylimidazole với một nhóm butyl gắn với dị nguyên tử N ở vị trí số 1, chứng tỏ sản phẩm thu được là 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate và 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (Figure 7) tương ứng với các dữ liệu phổ đã công bố 39 (Table 8).

Phenyl p-tolyl sulfone

Sản phẩm là chất rắn màu trắng, nhiệt độ nóng chảy 117-118 C so với nhiệt độ nóng chảy tham khảo là 117-119 C14. Sản phẩm được nhận danh bằng phổ H-NMR, C-NMR và GC/MS.

Phổ H-NMR có sự hiện diện của 5 tín hiệu proton vòng benzene, trong đó có 4 tín hiệu của các proton đối xứng lần lượt là δ (ppm): 7,93 (d, J = 7,0 Hz, H2’, H6’); 7,83 (d, J = 8,0 Hz, H2, H6); 7,49 (t, J = 7,5 Hz, H3’, H5’); 7,30 (d, J = 8,0 Hz, H3, H5) và proton H4’ ở 7,54 (t, J = 7,5 Hz). Ngoài ra, ở vùng từ trường cao 3 proton nhóm methyl cộng hưởng ở 2,40 (s, H7).

Phổ C-NMR cho tín hiệu cộng hưởng của 8 carbon thuộc vòng thơm, trong đó có 3 carbon tứ cấp δ (ppm): 144,5 (C1’); 142,5 (C1); 139,1 (C4); 4 tín hiệu carbon đối xứng δ (ppm): 130,3 (C2’, C6’); 129,6 (C2, C6); 128,1 (C3’, C5’); 127,9 (C3, C5) và 1 carbon ở 133,4 (C4’). Ở vùng từ trường cao có tín hiệu cộng hưởng của carbon nhóm methyl ở 22,0 (C7).

Dựa vào những dữ liệu của phổ H và C trên, kết hợp với dữ liệu NMR trong tài liệu tham khảo [40] (Table 9) cùng với kết quả MS (EI, 70 eV) m/z: 232 (100%), 207 (6%), 139 (85%), 125 (77%), 107 (60%), 91 (34%), 77 (51%), 65 (32%), 51 (30%) cho thấy hợp chất (3) là phenyl p-tolyl sulfone (Figure 8).