Bai giang hoa hoc xanh dai hoc thuy loi

1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Hóa và Môi Trường – Bộ môn KT Hóa học
HÓA HỌC XANH
Tên giảng viên: Lê Thu Hường
Email: lethuhuong@tlu.edu.vn
ĐT: 0971611795

Giới thiêu:
❑ Môn học: Hoá học Xanh
❑ GT: GT Hoá học xanh (Phan Thanh Sơn Nam. NXB ĐH
Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2014)
❑ Số tín chỉ: 2 (tín)
❑ Phương pháp đánh giá: thi viết (quá trình 30%, cuối kỳ:
70%)
❑ Nội dung: 6 Chương

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÓA
HỌC XANH VÀ KỸ
THUẬT XANH
HÓA HỌC XANH VỚI DUNG
MÔI XANH LÀ MÔI TRƯỜNG
CHỨA NƯỚC
HÓA HỌC XANH VỚI XÚC TÁC
CÓ KHẢ NĂNG THU
HỒI VÀ TÁI SỬ DỤNG
MÔI XANH LÀ CO2 SIÊU
TỚI HẠN
MÔI XANH LÀ CHẤT LỎNG
ION
HÓA HỌC XANH VỚI THIẾT BỊ
LÀ CÁC HỆ THỐNG MICRO
REACTOR
C. 1
C. 2
C. 3 C. 6
C. 5
C. 4

CHƯƠNG I
➢ ǀ. LỊCH SỬ CỦA HÓA HỌC XANH
➢ ǁ. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA HÓA HỌC XANH
➢ III. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA KỸ THUẬT XANH
➢ IV. THÚC ĐẨY KỸ THUẬT XANH THÔNG QUA
HÓA HỌC XANH
➢ V. CÁC VẤN ĐỂ CẨN QUAN TÂM

I. LỊCH SỬ CỦA HÓA HỌC XANH
Hóa học
xanh
các quá
trình và
sản phẩm
hóa học
các hóa
chất độc hại
loại trừ
hoàn toàn,
giảm thiểu

I. LỊCH SỬ CỦA HÓA HỌC XANH
Năm 1991
• Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ
• chương trình hóa học xanh
Năm 1993
• Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ
• ‘Chương trình Hóa học xanh của Hoa Kỳ’
Hiện nay
• Lĩnh vực trung tâm
• Mang tính quôc tế của ngành hóa học.

ǁ.1 Mười hai nguyên tắc do Paul Anastas
và John Warrner đề nghị
ǁ.2 Mười hai nguyên tắc do Neil
Winterton đề nghị
ǁ.3 Mười hai nguyên tắc do Samantha
Tang, Richard Smith và Martyn
Poliakoff đề nghị
ǁ. CÁC NGUYÊN
TẮC CỦA HÓA
HỌC XANH
Nội dung

Nguyên tắc thứ hai – tiết kiệm nguyên tử
Nguyên tắc thứ ba – sử dụng quá trình ít độc
hại nhất
Nguyên tắc thứ tư - thiết kế các hóa chất an
toàn hơn
Nguyên tắc thứ năm - sử đụng dung môi và
chất trợ an loàn hơn
Nguyên tắc thứ sáu - thiết kế quá trinh để đạt
hiệu quả năng lượng
Nguyên tắc thứ nhất – phòng ngừa chất thải
Paul Anastas và
John Warrner
đề nghị
ǁ.1 Mười hai nguyên tắc do Paul Anastas và John Warrner đề nghị

Nguyên tắc thứ mười một - phân tích sản phầm
ngay trong quy trình
Nguyên tắc thứ mười hai - hóa học an toàn và
phòng ngừa tai nạn
Nguyên tắc thứ bảy – sử dụng nguyên liệu có khả
năng lái tạo
Nguyên tắc thứ tám - hạn chế quá trình tạo dẫn xuất
Nguyên tắc thứ chín - sử dụng xúc tác
Nguyên tắc thứ mười - thiết kế sản phẩm phân
hủy được
ǁ.1 Mười hai nguyên tắc do Paul Anastas và John Warrner đề nghị
Paul Anastas và
John Warrner
đề nghị

Neil Winterton
đề nghị
Nguyên tắc thứ hai – báo cáo cả độ chuyển hóa, độ
chọn lọc và hiệu quả của quá trình
Nguyên tắc thứ ba – thiết lập một cân bằng vật chất
hoàn chỉnh cho quá trình
Nguyên tắc thứ năm - nghiên cứu các nguyên tắc
nhiệt hóa học cơ bản
Nguyên tắc thứ tư - định lượng sự mất mát xúc tác
và dung môi
Nguyên tắc thứ sáu - dự đoán các giới hạn về truyền
khối hay truyền năng lượng
Nguyên tắc thứ nhất – nhận dạng các sản phẩm phụ,
nếu có thể, hãy định lượng chúng
ǁ.2 Mười hai nguyên tắc do Neil Winterton đề nghị

Nguyên tắc thứ mười một - nhận ra điểm không tương
thích giữa sự an toàn cho người vận hành và việc giảm
đến mức tối đa lượng chât thải
Nguyên tắc thứ mười hai - giám sát, hạn chế đến mức tối đa và
báo cáo lại tất cả lượng chất thải được phóng thích
Nguyên tắc thứ tám - tính toán cân nhắc ảnh hưởng của
toàn bộ quá trình lên sự lựa chọn phương diện hóa học
Nguyên tắc thứ chín – tạo điều kiện phát triển và áp dụng
các biện pháp đánh giá có tính bền vững
Nguyên tắc thứ mười - định lượng và hạn chế tối đa việc
sử dụng điện, nước, khí trơ... cho quá trình
Neil Winterton
đề nghị
Nguyên tắc thứ bảy - tham khảo ý kiến của kỹ sư
quá trình hóa học
ǁ.2 Mười hai nguyên tắc do Neil Winterton đề nghị

ǁ.3 Mười hai nguyên tắc do Samantha Tang, Richard Smith và Martyn Poliakoff đề nghị
“PRODUCTIVELY”
O - omit: hạn chế,
loại trừ các giai
đoạn trung gian
I - in-process:
giám sát quá trình
online
P - prevent: ngăn
ngừa sự hình
thành chất thải.
T - temperature: thực
hiện các quá trình ở T
và P thường.
E - E-fator:
chuyển hóa tối đa
nguyên liệu thành
sản phẩm.
V - very: sử
dụng it chất trợ
cho quá trình.
D - degradabie: sản
phẩm hóa học có khả
năng tự phân hủy
L - low: sản
phẩm hóa học
có độc tính thấp.
Y - yes, it is
safe: an toàn.
U - use: sử dụng các
phương pháp tổng
hợp hữu cơ an toàn.
R – renewable: sử
dụng các vật liệu có
khà năng tái tạo.
C - catalytic: sử dụng
xúc tác cho quá trình

KỸ THUẬT
XANH
Nguyên tắc thứ hai - phòng ngừa thay vì xử lý
Nguyên tắc thứ ba – thiết kế cho quá trình phân riêng
Nguyên tắc thứ tư - sử dụng được tối đa hiệu quả vật
chất, năng lượng, không gian và thời gian
Nguyên tắc thứ năm - quan tâm xử lý đầu ra thay
vì tăng cường đầu vào
Nguyên tắc thứ sáu - tính phức tạp của sản phẩm
Nguyên tắc thứ nhất - càng không độc hại càng tốt
III. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA KỸ THUẬT XANH

Nguyên tắc thứ mười một - thiết kế phải quan tâm
đên giá trị sau khi hoàn thành chức năng sử dụng
Nguyên tắc thứ mười hai - có khả năng tái tạo
thay vì cạn kiệt
Nguyên tắc thứ bảy - bền, nhưng khi thải ra môi
trường thì không tồn tại lâu dài
Nguyên tắc thứ tám - đáp ứng nhu cầu và hạn chế dư
thừa quá mức quy định
Nguyên tắc thứ chín - hạn chế tối đa tính đa dạng
của nguyên vật liệu
Nguyên tắc thứ mười - tận đụng nguồn nguyên
vật liệu và năng lượng sẵn có
KỸ THUẬT
XANH
III. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA KỸ THUẬT XANH

III. Thúc
đẩy kỹ thuật
xanh thông
qua hóa học
xanh
Nguồn
nguyên
liệu
Tác
chất
Dung
môi
Phương
pháp và
quy trình
tổng hợp

• Nguồn sinh khối có nguồn gốc nông nghiệp là một nguồn nguyên liệu có khả năng tái
tạo thường gặp.
• Quá trình chuyển hóa sinh khối. (Hình 1)
• Nguồn sinh khối có nguồn gốc từ nông nghiêp có ứng dụng rất lớn trong tất cả các
ngành sản xuất, nó có nguồn nguyên liệu cung cấp vô hạn và phong phú.
III.1. Nguồn nguyên liệu
Furfural (furfuraldehydrat, C5H4O2)
• Là một sinh khối có nguồn gốc từ chất thải trong hoạt động nông nghiêp và lâm nghiệp.
• Quá trình sản xuất furfural. (Hình 2)
• Furfural là một hóa chất trung gian quan trọng của công nghiệp hóa học.
Chất thải Furfural
Thủy phân
Nhiệt độ cao
Hình 2. Sơ đồ khối của quá trình sản xuất furfural

Nguồn sinh khối
− residue harvesting
− energy crops
sugar platform
− Thủy phân bằng enzyme
− Các sản phẩm lignin
Nhiệt hóa
− Nhiệt phân
− Khí hóa
Sản phẩm
Nhiên liệu, hóa chất,
nguyên vật liệu, nhiệt
và năng lượng.
biorefineries
Chất trung gian
đường và lignin
Chất trung gian
khí và dung dịch
Hình 1. Sơ đồ khối của chuyển hóa sinh khối

Hemicellulose và cellulose được thủy phân thành các loại đường khác nhau, sau đó có thể lên
men hay tham gia các chuyển hóa hóa học hình thành nhiều sản phẩm khác nhau. (Hình 3)
Sinh khối
Thủy phân bằng acid hay enzym
Đường
Lên men
Chuyển hóa hóa học
Chế biến Chuyển hóa hóa học
Lignin
Protein
Điện năng
Nhiên liệu
Phenols
Aromatics
Dicarboxylic acids
Olefins
Citric acid
Fumaric acid
Lactic acid
Propionic acid
Succinic acid
Itaconic acid
Acetic acid
Acetaldehyde
Ethanol
Glycerol
Lipids
Acetone
n-Butanol
Butane diol
Isipropanol
Butyric acid
Furfural
Furans
Glycols
Methyl ethyl ketone
Adipic acid
Ethylene
Propylene
Thực phẩm
Thức ăn gia súc
Hình 3. Chuyển hóa cellulose, hemicellulose, lignin, protein trong sinh khối thành nhiên
liệu, hóa chất, nhiệt năng, điện năng, thực phẩm và thức ăn gia súc

CO2 siêu tới hạn
• Là một nguồn tài nguyên có khả năng tái tạo.
• Quá trình tổng hợp CO2 siêu tới hạn. (Hình 3)
III.1. Nguồn nguyên liệu
Nhiên liệu hóa thạch Khí CO2 CO2 siêu tới hạn
Đốt cháy Nhiệt độ
Áp suất
Có tiềm năng rất lớn trong công nghiêp hóa học, ví dụ kết hợp với CO2 siêu tới hạn thì các
vật liệu tấm lợp nhà, tấm lát tường sẽ có chất lượng tốt hơn (bền cơ học hơn, cứng
hơn,…),…
Hình 3. Sơ đồ khối quá trình tổng hợp CO2 siêu tới hạn
Trích ly Chiết xuất

III.2. Tác chất
Hydrogen peroxide
Tác nhân oxy hóa trong các
quá trình epoxy hóa ankene
Tác nhân oxy hóa được cho là
“xanh hơn” các tác nhân chứa
chlorine truyền thống
Ưu điểm:
Xanh và sạch hơn
cho quá trình tách
lignin và tẩy trắng
bột giấp theo
phương pháp hóa
học.
Nhược điểm:
Phải dùng các
hệ xúc tác có
yêu cầu cao.
Ưu điểm:
Hoạt tính cao,
lượng sản phẩm
phụ sinh ra ít.
Nhược điểm:
Phải dùng các hệ
xúc tác để hoạt
hóa hydrogen
peroxide.

III.2. Tác chất
Dimethyl carbonate
Nguồn gốc
Được tổng hợp từ
methanol và oxygen hay
carbon dioxide
Ưu điểm
Quá trình thực hiện an
toàn, sản phẩm phụ ít, độ
chọn lọc cao, hệ xúc tác
có khả năng thu hồi và tái
sử dụng
Nhược điểm
Thực hiện ở áp suất và
nhiệt độ cao

III.3. Dung môi
Thay vì sử dụng các dung môi hữu cơ (benzene, toluene,…) các nhà hóa học đã và đang tìm
kiếm những dung môi xanh để thay thế cho nó như dung môi ion, nước, CO2 siêu tới hạn,…
Dung môi ion
Ưu điểm
Không bay hơi, ít độc hại, không gây
cháy nổ khi sử dụng và có số lượng
phong phú
Nhược điểm
Quy trình điều chế phức tạp hiệu quả
và kinh tế thấp, có sản phẩm phụ và tác
chất dư

tetraalkylammonium
Dd ion họ imizadolium
1,3-dialkylimidazolium
1-hexyl-3-methylimidazolium bromide ([Hmim]Br)

III.3. Dung môi
Nước
Ưu điểm
Rẻ tiền, an toàn, trữ lượng nhiều, tăng
tốc độ, tăng độ chọn lọc,
Nhược điểm
Quy trình điều chế phức tạp hiệu quả
và kinh tế thấp, có sản phẩm phụ và tác
chất dư

III.4. Phương pháp và quá trình tổng hợp
Quy trình sản xuất sertraline, hoạt chất chính trong dược phẩm chống trầm cảm Zoloft.
Áp dụng quy trình mới (Hình 4) đã mang lại nhiều ích lợi: lượng sản phẩm tăng gấp
đôi, giảm lượng sử dụng các chất TiO2, HCl 35%, NaOH 50%, giảm việc sử dụng bốn
loại dung môi khác nhau xuống chỉ còn một dung môi duy nhất là ethanol trong giai
đoạn đầu và lượng dung môi cần sử dụng giảm dần.
Chất Khối lượng giảm (tấn)
Lượng dung môi (L dung môi/1000kg
sản phẩm)
TiO2 140 -
HCl 35% 150 -
NaOH 50% 100 -
ethanol - 6000

MeNH2
EtOH H2/EtOH
Pd/C/CaCO3
Imine
không tách và tinh chế
Hỗn hợp racemic
không tách và tinh chế
(D)-mandelic acid
EtOH, MeOH
EtOAc
HCl
Sertraline mandelate
tinh chế
Sertraline
tinh chế

CHƯƠNG II
2
I. Mở đầu
II. XT phức trên chất mang POLYME rắn
III. XT phức trên chất mang POLYME hòa tan
IV. Tổng hợp xúc tác phức chất trên chất mang silica

I. Mở đầu
3
❖ Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng – tham gia tương tác hóa học
với các chất phản ứng ở giai đoạn trung gian, được phục hồi lại và giữ
nguyên về lượng, về thành phần và tinh chất hóa học.
❖ VD:
✓ Không có xúc tác:
(CH3)3CH → (CH3)3C+ + H-
✓ Có xúc tác axit rắn:
(CH3)3CH + [H+]s → [(CH3)3C+ ]s + H2

4
I. Mở đầu
• Xúc tác thích hợp sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất các sản phẩm
hóa chất bằng các quy trình không chất thải
• So sánh xúc tác:
Xúc tác đồng thể Xúc tác dị thể
- Hình thành sản phẩm phụ độc hại
- Tạo ra chất thải trong cả khi phản
ứng và tách, tinh chế sản phẩm
- Sự nhiễm vết kim loại nặng
- Khó thu hồi và tái sử dụng
- Tách và tinh chế đơn giản (lọc, ly
tâm)
- Có khả năng thu hồi, tái sử dụng
- Không nhiễm vết kim loại nặng
- Không hoặc ít chất thải
➢ Tuy nhiên, việc sử dụng xúc tác trên chất mang rắn cũng có những hạn chế
nhất định như: hoạt tính và độ chọn lọc thấp hơn so với xúc tác đồng thể
tương ứng; hiện tượng hòa tan xúc tác.

5
II. Xúc tác phức trên chất mang POLYME rắn
Ưu điểm:
• Quá trình tách và tinh chế sản phẩm dễ dàng
• Tách bằng phương pháp lọc hay ly tâm
• Có thể thu hồi và tái sử dụng
• Tiết kiệm chi phí
Nhược điểm:
• Có thể các kim loại xúc tác tan vào dung dịch phản ứng (hòa tan xúc tác)
(leaching)
• Cấu trúc cứng nhắc của chất mang đã làm cho các tâm xúc tác không còn
linh động, tác chất trở nên khó tiếp cận hơn
• Hoạt tính và độ chọn lọc thấp hơn so với các xúc tác đồng thể tương ứng

1. Xúc tác trong phản ứng hình thành liên kết C-C
Tác giả Jang và cộng sự đã tổng hợp phức palladium cố định trên nhựa Merrifield:
6
❖ Ứng dụng:

7
• Xúc tác có hoạt tính cao tương tự như dạng xúc tác đồng thể Pd(PPh3)4.
• Xúc tác được tách ra khỏi hỗn hợp sản phẩm dễ dàng bằng phương pháp lọc.
• Lượng xúc tác sử dụng rất nhỏ.
• Tái sử dụng 10 lần mà hoạt tính giảm không đáng kể.
• Hiệu suất phản ứng rất cao (81-96%).
➢ Kết quả thực nghiệm cho thấy hoạt tính xúc tác giảm nhẹ sau mỗi lần tái sử
dụng.

❖ Tác giả Styring và cộng sự đã nghiên cứu phản ứng suzuki giữa 4-
bromoanisole và phenylporonic acid thiếu công thức ct xúc tác 6
Xúc tác 6 được sử dụng cho phản ứng heck
8

9
• Xúc tác có thể thu hồi
• Tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm nhiều
• Hiệu suất phản ứng cao
➢ Kết quả phân tích cho thấy sau mỗi phản ứng xúc tác mất khoảng dưới 1%
palladium so với lượng ban đầu.

10
• Các phản ứng oxy hoá nhóm chức là một trong những quá trình cơ bản của
tổng hợp hữu cơ.
• Ưu và nhược điểm của phương pháp tổng hợp truyền thống:
- Có khả năng thu hồi và tái sử dụng
- Sử dụng dung môi hóa chất độc hại, làm giảm độ tinh khiết sản phẩm
- Quá trình tinh chế phức tạp
2. Xúc tác trong phản ứng oxy hóa
❖ Nhóm nghiên cứu của Kobayashi đã nghiên cứu điều chế xúc tác osmium
tetroxide (OsO4) cố định trên polystyrene.

11
2. Xúc tác trong phản ứng oxy hóa
• Hiệu suất khá cao (84%)
• Xúc tác được tách ra khỏi hỗn hợp đơn giản bằng lọc
• Tái sử dụng 5 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm
• Sản phẩm không bị ô nhiễm OsO4 như tổng hợp trong hệ đồng thể
Phản ứng đihydroxyl hóa xyclohexene sử dụng xúc tác dạng microcapsule của
osmium tetroxide (OsO4)

12
3. Xúc tác trong phản ứng khử
- Sản phẩm phản ứng dễ bị nhiễm vết tác chất khử hay vết xúc tác.
- Tách và tinh chế sản phẩm khó khăn, tạo ra nhiều chất thải, tốn kém.
- Khó thu hồi và tái sử dung.
❖ Nhóm nghiên cứu của tác giả Islam đã điều chế xúc tác phức palladium cố
định trên polystyrene.

13
• Hiệu suất cao (92-98%)
• Khó thu hồi
• Tái sử dụng 10 lần
• Bền với điều kiện thực hiện ở nhiệt độ cao và áp suất cao
• Sau 1 năm, xúc tác vẫn duy trì được hoạt tính
3. Xúc tác trong phản ứng khử
Xúc tác 32 được sử dụng cho phản ứng khử các hợp chất nitro, carbonyl,
nitrile, alkene thành các sản phẩm tương ứng.

14
4. Xúc tác trong phản ứng khác
❖ Nhóm nghiên cứu của Kobayashi công bố phản ứng aza-Diels-Alder
• Hiệu suất và độ chọn lọc cao
• Thu hồi dễ dàng
➢ Kết quả cho thấy xúc tác sau khi
sử dung ba lần được thu hồi vẫn
có hoạt tính và độ chọn lọc tương
tự như xúc tác mới.

15
III. Xúc tác phức trên chất mang POLYME hoà tan
1. Phân tách xúc tác trên chất mang polymer theo nhiệt độ
Xúc tác tan trong pha phân cực
Xúc tác tan trong pha không phân cực
a)
b)

16
1. Phân tách xúc tác trên chất mang polymer theo nhiệt độ
❖ Xúc tác 49: phức palladium cố định trên oligo ethylen
Phản ứng Heck của nhiều dẫn xuất (xt 49, dung môi diethylacet amide
10%nước và hepthane)
- Thu hồi xúc tác trong pha phân cực
- Tái sử dụng 4 lần, hoạt tính không đổi
- Lượng xúc tác mất vào pha không phân cực hầu như không đáng kể

17
2. Phân tách xúc tác trên chất mang polymer theo pH
❖ Ưu điểm:
- Phản ứng lúc xảy ra ở dạng đồng thể
- Không bị quá trình chuyển khối khống chế
- Tách và thu hồi xúc tác dễ dàng. Phân riêng pha L – R (xúc tác)
- Dựa vào pH của dung dịch cho nhiều xúc tác tan trong nước
Xúc tác +
Tác chất
Phản ứng Xúc tác +
Sản phẩm
CH3SO3H
Sản phẩm
Sản phẩm
Xúc tác
Phân riêng
Xúc tác
+
pH = 7,5
pH = 4
pH = 7,5
+ Tác chất mới
+ Dung môi mới pH = 7,5
Thu hổi và tái sử dụng

18
2. Phân tách xúc tác trên chất mang polymer theo pH
❖ Xúc tác 50: rhodium trên chất
mang copolymer của maleic
anhydride-methyl vinyl ether.
• Xúc tác có hoạt tính giảm nhẹ
• Tách khỏi hỗn hợp dễ dàng
bằng phương pháp ly tâm
➢ Kết quả thí nghiệm cho thấy
xúc tác 50 có hoạt tính giảm
nhẹ so với xúc tác đồng thể
dạng monomer tương ứng

19
3. Phân tách xúc tác trên chất mang polymer theo phương pháp kết tủa
Phân tách thu hồi và tái sử dụng xúc tác trên chất mang polymer có độ tan thay
đổi theo phương pháp kết tủa bằng dung môi thích hợp
Xúc tác +
Tác chất
Phản ứng Xúc tác +
Sản phẩm
Sản phẩm
Sản phẩm
Phân riêng
Xúc tác
+
pH = 7,5
+ Tác chất mới
+ Dung môi hoà tan
Thu hổi và tái sử dụng
Dung môi
Không hoà tan
Xúc tác

20
3. Phân tách xúc tác trên chất mang polymer theo phương pháp kết tủa
❖ Tác giả Yao đã nghiên cứu điều chế xúc tác phức của ruthenium sử dụng cho
phản ứng metathesis
❖ Ứng dụng: Phản ứng đóng vòng metathesis
• Có hoạt tính cao trong phản ứng đóng vòng metathesis ngay cả trong điều
kiện tiếp xúc với không khí mà không cần khí trơ
• Thu hồi và tái sử dụng 8 lần

21
4. Phân tách xúc tác trên chất mang polymer trong hệ hai pha nước – hữu cơ
- Hai pha không tan lẫn vào nhau ngay cả trong quá trình phản ứng
- Phản ứng xảy ra thông thường ở bề mặt phân chia pha (hoặc pha nước hoặc
pha hữu cơ)
- Thu hồi bang quá trình phân riêng long – long và tái sử dụng
Tác chất
Xúc tác
Khuấy trộn
Phản ứng Tác chất
Sản phẩm
Xúc tác
Tách pha Sản phẩm
Xúc tác
Phân tách, thu hồi và tái sử dụng xúc tác trên chất mang polymer trong hệ hai
pha nước – hữu cơ

22
II. Xúc tác phức trên chất mang POLYME hoà tan
4. Phân tách xúc tác trên chất mang polymer trong hệ hai pha nước – hữu cơ
❖ Xúc tác 55: Tác giả Andersson đã điều chế xúc tác phức Rhodium trên chất
mang polymer tan trong nước
• Sử dụng trong phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng
• Độ chọn lọc quang học 89%
• Thu hồi và tái sử dụng mà hoạt tính hầu như không thay đổi
❖ Phản ứng hydrogen hoá bất đối xứng trong hệ hai pha nước – ethyl acetate

23
IV. Tổng hợp xúc tác phức chất trên chất mang silica
❑ Các phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu
❑ Các phản ứng oxi hóa
❑ Các phản ứng khử

IV. Xúc tác phức chất trên chất mang silica
➢ Tổng quát về tổng hợp xúc tác phức chất trên chất mang silica
Phương pháp sử dụng để cố định xúc tác phức lên bề mặt silica là phương pháp tạo liên kết
nhờ phản ứng giữa nhóm -OH và các hợp chất silane trong dung môi không phân cực.
24
➢ Ưu điểm: bền hóa, bền cơ, bền nhiệt ➔ thực hiện cho phản ứng có điều kiện nhiệt độ
cao và khuấy trộn mạnh.
➢ Nhược điểm: hạn chế về số lượng nhóm chức trên bề mặt chất mang vô cơ, do đó
phương pháp cố định các xúc tác phức lên chất mang vô cơ cũng hạn chế hơn.
Xúc tác phức palladium trên
chất mang silica
Phản ứng giữa các nhóm –OH trên bề
mặt silica và hợp chất silane

1. Các phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu
Tác giả Corma đã nghiên cứu cố định phức palladium (65) họ oxime- Carbapalldacycle lên
chất mang silica hình thành xúc tác (66) cho phản ứng Suzuki.
25
65
Phương pháp được thực hiện bằng cách điều chế phức palladium có chứa nhóm alkene đầu
mạch, sau đó ghép đôi với silica chứa các nhóm chức mercaptopropyl theo phản ứng gốc tự
do sử dụng chất khơi mào AIBN.
Ứng dụng:

26
Phản ứng Diels-Alder hình thành các hợp chất có hoạt tính quang học đã và đang thu hút
sự chú ý của nhiều nhà khoa học do sản phẩm của các phản ứng này có giá trị sử dụng cao
➢ Tác giả Seebach nghiên cứu điều chế phức chromium họ salen (xúc tác Jacobsen)
chứa liên kết đôi C=C cuối mạch và cố định phức này trên chất mang silica nhờ
phản ứng gốc tự do giữa liên kết đôi C=C và nhóm -SH với sự có mặt của chất khơi
mào AIBN
Ứng dụng:

2. Các phản ứng oxi hóa
27
Ưu điểm Nhược điểm
- Sản phẩm có độ chọn lọc quang học cao
trong các phản ứng oxy hóa bất đối xứng,
dị thể
- Xúc tác tách khỏi hỗn hợp phản ứng dễ
dàng
- Khả năng tái sử dụng chưa nghiên cứu
được
- Xúc tác đồng thể cho độ chọn lọc quang
học thấp
Xúc tác sử dụng trong các phản ứng:
• Oxi hóa bất đối xứng: Epoxy các alkene
• Oxi hóa khác bất đối: Oxi hóa các hợp chất alcohol, allylic, các dẫn xuất alkyl
benzen

Tác giả Che đã cố định phức chromium của binaphthyl Schiff base lên chất mang silica
MCM-41 bằng phản ứng tạo phức giữa chromium và nhóm amine cố định trên bề mặt chất
mang, hình thành xúc tác 77.
28
CH2Cl2
✓ Phương pháp này ít được sử dụng do sự tạo phức trực tiếp với tâm xúc tác. Như vậy,
làm ảnh hưởng đến hoạt tính cũng như độ chọn lọc của xúc tác.

➢ Xúc tác 77 được sử dụng cho phản ứng epoxy hóa các alkene với tác chất oxy hóa là
idosylbenzene (PhlO) ở nhiệt độ khoảng 20°C.
➢ Phản ứng cho hiệu suất 62% và độ chọn lọc quang học đạt 68%.
➢ Xúc tác có thể được thu hồi và tái sử dụng bốn lần, tuy nhiên hoạt tính và độ chọn lọc
giảm sau mỗi lần tái sử dụng.
29

- Độ chuyển hóa và chọn lọc quang
học tốt
- Xúc tác tách khỏi hỗn hợp phản ứng
dễ dàng
- Dễ thu hồi và tái sử dụng
- Hoạt tính, độ chọn lọc giảm sau mỗi
lần tái sử dụng
- Rhodium dễ bị hòa tan vào dung dịch
phản ứng
Xúc tác sử dụng trong các phản ứng:
• Khử chọn lọc các hợp chất ketone để điều chế các hợp chất alcohol
• Phản ứng chuyển hydrogen và hydrogen hóa bất đối xứng:
+ Các dẫn xuất cinnamic acid
+ Ethyl nicotinate ➔ ethyl nipecotinate
3. Các phản ứng khử

3. Các phản ứng khử
❖ Tác giả Yuan điều chế xúc tác phức palladium với chitosan và cố định phức này
trên chất mang silica sử dụng cho phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng các hợp
chất ketone.
31
➢Phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng sử dụng xúc tác (86) ở điều kiện nhiệt độ
thường và áp suất 1 atm H2.
➢ Phản ứng có độ chọn lọc tương đối tốt thay đổi theo cấu trúc của ketone. Xúc
tác có khả năng thu hồi và tái sử dụng mà hoạt tính không thay đổi đáng kể.

CHƯƠNG III
I. Sử dụng chất lỏng ion làm dung môi cho tổng hợp hữu cơ
II. Chất lỏng ion đóng vai trò xúc tác
III. Kết luận

❑ Mở đầu
❖ Chất lỏng ion được định nghĩa là những chất lỏng chỉ chứa toàn bộ ion mà không có các
phân tử trung hòa trong đó.
✓ Thường là các muối chứa cation: tetra-alkylammonium, alkylpyridinium, 1,3-
dialkylimidazolium, tetra-alkylphosphonium,… và các anion BF4
-, PF6
-, ZnCl3
-
❖ Phân loại: thường là dung môi anion và dung môi cation
- Chất lỏng ion họ Imidazolium
- Chất lỏng ion họ Chloroaluminate
- Chất lỏng ion có hoạt tính quang học
- Chất lỏng ion cố định trên chất mang rắn.
3
✓ Chất lỏng ion là dung môi có thể thay đối theo yêu cầu của phản ứng cần thực hiện
bằng cách thay đổi cấu trúc của các cation và anion hình thành liên kết chất lỏng ion.
✓ Chúng được xem như là

4
➢ Ưu điểm
- Dung môi hoặc hệ dung môi-xúc tác sau khi thu hồi thì vẫn có thể sử dụng lại nhiều lần
nên lượng chất thải ra môi trường sẽ được hạn chế đến mức thấp nhất.
- Chất lỏng ion dung làm dung môi là chất lỏng không bay hơi nên hạn chế được các vấn
đề liên quan đến cháy nổ, an toàn cho người vận hành và môi trường sống xung quanh.
➢ Nhược điểm
- Dung môi ion có chứa anion đa nhân thường dễ bị phân hủy dưới tác động của không
khí và nước.
- Chất lỏng ion họ Imidazolium không bay hơi nên không thể tinh chế bằng phương pháp
chưng cất
- Việc tổng hợp và ứng dụng các chất lỏng ion bất đối xứng có hoạt tính quang học vẫn
còn rất hạn chế.

1. Nhờ có tính chất ion, rất nhiều phản ứng hữu cơ thực hiện trong dung môi chất
lỏng ion thường có tốc độ phản ứng lớn hơn so với trường hợp sử dụng các dung
môi hữu cơ thông thường, đặc biệt là khi có sự hỗ trợ của vi sóng.
2. Hầu hết các chất lỏng ion có thể được lưu trữ trong một thời gian dài mà không
bị phân hủy.
3. Các chất lỏng ion là dung môi có nhiều triển vọng cho các phản ứng cần độ chọn
lọc quang học tốt. Có thể sử dụng các chắt lỏng ion có cấu trúc bất đối xứng để
điều chỉnh độ chọn lọc quang học của phản ứng.
4. Các chất lỏng ion chứa chloroaluminate ion là những Lewis axit mạnh, có khả
năng thay thế cho các axit độc hại như HF trong nhiều phản ứng cần sử dụng xúc
tác axit.
5
❖ Các tính chất đặc trưng của chất lỏng ion

6
❖ Nguyên tắc
Thông thường, các quá trình tổng hợp chất lỏng ion được chia thành hai loại tổng quát:
• Tạo muối để hình thành cation thích hợp
• Trao đổi anion để hình thành chất lỏng ion.
❑ Tổng hợp các chất lỏng ion thường gặp
Cấu trúc của các cation thường gặp trong chất
lỏng ion 1 - 10
Một quy trình điều chế chất lỏng ion họ
muối ammonium tổng quát

7
❖Tổng hợp các chất lỏng ion họ imidazolium
Tác giả Varma đã tổng hợp chất lỏng ion họ imidazolium nhờ sự hỗ trợ của vi sóng
(microwave) trong điều kiện phản ứng không dung môi.
✓ Phương pháp được thực hiện bằng cách sử dụng các tác nhân alkyl dihalie cho phản
ứng alkyl hóa
✓ Ưu điểm: các phản ứng có sự hỗ trợ của vi sóng đều cho hiệu suất cao trên 70%,có
trường hợp lên đến 94% đặc biệt trong khoảng thời gian t < 2 phút.
✓ Phản ứng được thực hiện trong điều kiện không dung môi đã loại trừ được các vấn đề
do việc sử dụng dung môi hữu cơ dễ bay hơi gây ra.

8
✓ Tác giả Shreeve đã tiến hành tổng hợp các chất lỏng ion họ triazolium với gốc alkyl
chứa nhiều nguyên tử F.
Tiến hành thực hiện phản ứng trao đổi anion với dung dịch các muối thích hợp trong dung
môi là nước ở nhiệt độ khoảng 400C, để hình thành các chất lỏng ion tương ứng có nhiệt độ
nóng chảy thấp hơn các dẫn xuất iodide hay bromie
Tổng hợp chất lỏng ion chứa các gốc polyfluoroalkyl

9
❖ Tổng hợp chất lỏng ion có hoạt tính quang học
* Tác giả Gaumont đã tổng hợp các chất lỏng bất đối xứng trên cơ sở Thiazolinium:
✓ Đầu tiên, phản ứng giữa (R)-2-aminobutanol và dẫn xuất dithioester thu được dẫn
xuất thioamide.
✓ Dẫn xuất thioamide phản ứng với mesyl chloride và triethylamide trongdung môi
dichloromethane thu được dẫn xuất thiazoline.
✓ Hiệu suất: khoảng 90%

10
❑ Các thông số hóa lý cơ bản của chất lỏng ion
❖ Nhiệt độ nóng chảy và các vấn đề liên quan
✓ Nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion là giới hạn thấp nhất
✓ Nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion giảm khi kích thước cũng như tính bất đối
xứng của cation tăng lên.
✓ Khi tăng tính đối xứng của cấu trúc cation sẽ làm tăng nhiệt độ nóng chảy của chất
lỏng ion và làm cấu trúc tinh thể sắp xếp chặt chẽ hơn và ngược lại.
✓ Khi tăng chiều dài gốc alkyl, đầu tiên nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion
imidazolium tương ứng giảm xuống, xu hướng chuyển qua trạng thái thủy tinh hóa
khi hạ thấp nhiệt độ đối với gốc alkyl chứa 4-10 nguyên tử carbon.
✓ Tuy nhiên, khi mạch carbon của gốc alkyl chứa 8 - 10 nguyên tử carbon trở lên,
nhiệt độ nóng chảy của chất lỏng ion tương ứng có xu hướng tăng theo sự tăng chiều
dài của gốc alkyl

11
❖ Độ nhớt, tỷ trọng và các vấn đề liên quan
✓ Độ nhớt cao của chất lỏng ion có thể làm giảm tốc độ của rất nhiều phản ứng
✓ Cần lưu ý là các tạp chất có mặt trong chất lỏng ion sẽ gây ra sai số một cách đáng kể
cho việc xác định độ nhớt.
✓ Tỷ trọng của chất lỏng ion có lẽ là thông số vật lý được sử dụng thường xuyên nhất và
phương pháp xác định tỷ trọng cũng ít sai số nhất.
✓ VD: Trong trường hợp chất lỏng ion chứa nhôm, tăng tỉ lệ mol của muối imidazolium
sẽ làm giảm tỉ trọng .

12
❖ Độ tan của chất lỏng ion và các vấn đề liên quan
✓ Các chất lỏng ion được xếp vào loại dung môi phân cực. Bằng cách thay đổi cấu trúc
của các cation hoặc anion, có thể điều chỉnh độ tan của chất lỏng ion từ tan hoàn toàn
đến không tan hoàn toàn trong nước.
✓ Các kết quả nghiên cứu trước đây cũng cho thấy chất lỏng ion không tan trong nước
có khả năng hấp thụ hơi nước từ không khí.
✓ Các hợp chất hydrocarbon tan ít trong các chất lỏng ion chứ không phải hoàn toàn
không tan.
✓ VD: Bằng cách thay đổi cấu trúc của các anion hoặc cation, có thể điều chỉnh độ tan
của chất lỏng ion từ tan hoàn toàn đến không tan hoàn toàn trong nước.

1. Các phản ứng hình thành liên kết C – C
a, Các phản ứng ghép đôi Heck: Phản ứng Heck có thể tổng hợp được nhiều sản
phẩm hóa chất tinh khiết hoặc các hóa chất có hoạt tính sinh học
▪ Xúc tác: PdCl2
▪ Môi trường bazơ: NaHCO3
▪ Dung môi: tetraakylammonioum bromide
▪ Nhiệt độ: 80-1200C
▪ Tách sản phẩm ra khỏi hỗn hợp bằng phương pháp trích ly với diethyl ether
+
PdCl2/NaHCO3
n(Bu)4N+Br-

b, Phản ứng Suzuki: sản phẩm hình thành là các dẫn xuất của biphenyl
▪ Phản ứng Suzuki giữa bromobenzene và tolylboronic acid thực hiện trong chất lỏng
ion họ imidazodium tetrafluoroborate
▪ Xúc tác: (CH3CN)PdCl2
▪ Dung môi: họ imidazodium tetrafluoroborate
▪ Sản phẩm được tách ra bằng cách trích ly với hexane
▪ Dung môi được tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính ít bị thay đổi

c, Phản ứng ghép đôi C – C của hợp chất Grignard
▪ Xúc tác : FeCl3
▪ Dung môi: 1-butyl-3-methyl-imidazodium tetrafluoroborate
▪ Thời gian phản ứng: 10 phút
▪ Hiệu suất: 86%
▪ Sản phẩm tách ra khỏi hỗn hợp bằng cách trích ly với diethyl ether
▪ Chất lỏng ion chứa sắt được thu hồi và tái sử dụng 4 lần
+ n-C12H25Br
Et2O, 0oC, 10min
5 Mol %

d, Phản ứng hình thành liên kết C – C từ các alkene (olefin metathesis)
▪ Phản ứng metathesis đóng vòng của dẫn xuất diallytosylamide
▪ Xúc tác: ruthenium
▪ Dung môi: 1-butyl-3-methyl-imidazodium ([brim][X]) với các anion khác nhau
▪ Nhiệt độ: 80oC
▪ Hiệu suất: 23-100%
▪ Hoạt tính của dung môi bị giảm khi tái sử dụng
[Ru][X] cat

2. Các phản ứng hình thành liên kết cacbon-dị tố tiêu biểu
a, Phản ứng hình thành liên kết cacbon – oxygen
▪ Xúc tác : InCl3
▪ Dung môi : 1-butyl-3-dimethylimidazodium hexafluorophosphate
▪ Hiệu suất : 92%
▪ Sản phẩm được tách bằng cách trích ly với ether, chất lỏng ion chứa xúc tác được
thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà không cần bổ sung xúc tác.

b, Phản ứng hình thành liên kết carbon – nitrogen
▪ Phản ứng cộng aza- Michael: là phản ứng để tổng hợp các chất ꞵ- amino carbonxyl
có hoạt tính sinh học
▪ Xúc tác : Phức đồng (II) acetylacetonate
▪ Dung môi : 1-butyl-3-methyl-imidazodium tetrafluoroborate
▪ Nhiệt độ phản ứng : Nhiệt độ phòng
▪ Hiệu suất : 98%
▪ Sản phẩm được tách ra bằng cách trích ly với ether, được tái sử dụng nhiều lần mà
hoạt tính không thay đổi đáng kể
Cu(acac)2, Ionic liquid
Room temp
+

3. Phản ứng oxy hóa
a, Phản ứng oxi hóa
▪ Phản ứng oxi hóa 1- tetralol thành 1- tetralone
▪ Xúc tác: RuCl3
▪ Dung môi: ion 1-butyl-3–methyl-imidazodium hexafluorophosphate
▪ Tác nhân oxy hóa: tert- butyl peroxide
▪ Xúc tác trong chất lỏng ion bị mất hoạt tính nhanh trong qt thu hồi và sử dụng

b, Phản ứng dihydroxyl hóa các hợp chất alkene
▪ Phản ứng dihydroxul hóa trong chất lỏng ion với sự có mặt của N-methylmorpholine
và flavin
▪ Xúc tác: OsO4
▪ Dung môi: 1-butyl-3–methyl-imidazodium hexafluorophosphate có mặt nước và
acetone
▪ Hiệu suất : 75-88%
▪ Hỗn hợp sản phẩm và tác nhân dư được trích ly với ether. Hỗn hợp này được tái sử
dụng nhiều lần mà hoạt tính vẫn không thay đổi đáng kể
30% aq.H2O2 (1,5 equiv)
2-(dimethylamino) pyridine (0,01 equiv)
Et4NOAc (0,5 equiv)
[C4mim][PF6]/Me2CO/H2O (2:4:1), rt,3h
(0,03 equiv)

4. Các phản ứng cần quan tâm khác
a, Phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde và malononitrile
▪ Xúc tác: KOH
▪ Thời gian pư: 6h
▪ Hỗn hợp sản phẩm và tác chất dư được trích ly bằng ether mà không cần trung hòa,
chất lỏng ion được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần
KOH
(bmim)PF6
+

b, Phản ứng Diels- Alder bất đối xứng
▪ Xúc tác: muối triflate của kim loại đất hiếm như La(Otf)3
▪ Dung môi: 1-buty-3-methylimidazolium
▪ Thời gian phaản ứng: 2h
▪ Sản phẩm được tách ra khỏi hỗn hợp bằng cách trích ly với ether, dung môi được tái
sử dụng nhiều lần mà hoạt tính rất ít bị thay đổi
+
+
[bmim][X]
a, R1 = R2 = H
b, R1 = CH3, R2 = H
c, R1 = H, R2 = CH3

II. Chất lỏng đóng vai trò xúc tác
1. Chất lỏng ion có tính acid được sử dụng làm xúc tác
▪ Phản ứng Prins giữa styrene và formaldehyde để điều chế các dẫn xuất của dioxane
▪ Xúc tác: 6 loại chất lỏng ion (a) trên cơ sở alkylimidazolium khác nhau
▪ Các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ hồi lưu, không dung môi và hầu hết đều
cho hiệu suất cao
▪ Kết thúc, làm nguội phản ứng sẽ có sự phân tách pha. Pha xúc tác tách ra được loại
bỏ các tạp chất và được tái sử dụng 5 lần mà hoạt tính không thay đổi
+ 2CH2O
a, b,

II. Chất lỏng đóng vai trò xúc tác
2. Chất lỏng ion có tính base được sử dụng làm xúc tác
▪ Phản ứng cộng hợp Micheal bất đối xúng giữa hợp chất carbonyl và các dẫn xuất
ꞵ-nitrostyrene
▪ Xúc tác: Pyrolidine-triazole cố định trên chất lỏng họ alkyldimidazodium
▪ Dung môi: Trifluoroacetic acid (TFA)
▪ Thời gian: 48h
▪ Sản phẩm được trích ly ra khỏi hỗn hợp bằng diethyl ether, xúc tác tách ra được tái
sử dụng 4 lần mà không làm thay đổi hoạt tính

III. Kết luận
➢ Chất lỏng ion vừa được sử dụng làm dung môi vừa sử dụng làm chất xúc tác
➢ Chất lỏng ion có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính rất ít bị
thay đổi
➢ Chất lỏng ion dùng làm dung môi cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ: Các
phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu (phản ứng Heck,
Suzuki, dihydroxyl hóa các hợp chất alkene), các phản ứng hình thành liên
kết carbon-dị tố tiêu biểu (như liên kết carbon-oxygen, carbon-nitrogen,
carbon-phosphor, carbon-lưu huỳnh),phản ứng oxy hóa và một số phản ứng
cần quan tâm khác (phản ứng Knoevenagel, phản ứng Diels-Alder, phản ứng
cộng hợp ái nhân của hợp chất Grignard vào các hợp chất carbonyl và phản
ứng hydrogen hóa bất đối xứng vào liên kết đôi (C=C) bằng xúc tác phức
rihodium

III. Kết luận
Ưu điểm của việc sử dụng chất lỏng ion trong các phản ứng là
Dung môi hoặc hệ dung môi-xúc tác sau khi thu hồi thì vẫn có thể sử dụng lại
nhiều lần nên lượng chất thải ra môi trường sẽ được hạn chế đến mức thấp nhất.
Chất lỏng ion dung làm dung môi là chất lỏng không bay hơi nên hạn chế được
các vấn đề liên quan đến cháy nổ, an toàn cho người vận hành và môi trường
sống xung quanh.

2
CHƯƠNG
IV
I
II
MỞ ĐẦU
ỨNG DỤNG CỦA DUNG
MÔI NƯỚC TRONG
PHẢN ỨNG THHC

3
MỞ ĐẦU
Có lợi với các chất tan trong nước do
không cần chuyển hóa thành dung môi
hữu cơ
Hòa tan kém nhiều chất hữu cơ không
phân cực
Ít ảnh hưởng xấu đến quá trình phản
ứng sử dụng xúc tác phức kim loại
chuyển tiếp
Cản trở phản ứng do tách pha, tác chất
không trộn lẫn vào nhau, tiếp xúc giữa
các tác chất không hiệu quả
An toàn: không gây cháy nổ, bệnh tật
Môi trường: giảm đáng kể 1 lượng chất
thải độc hại
Giá thành: rẻ và dễ tìm
Tăng tốc độ phản ứng, tăng độ chọn
lọc sản phẩm
Dễ thu hồi và tái sử dụng xúc tác tan
trong nước

Phương pháp cải thiện độ tan của tác chất hữu cơ trong nước
1. Sử dụng đồng dung môi
Sử dụng đồng dung môi (ancol mạch ngắn, DMF, aceton,…) làm giảm độ liên kết
hidro → giảm khả năng tách tác chất không phân cực ra khỏi dung môi.
Ưu: nhanh, hiệu quả
Nhược: ảnh hưởng không tốt lên các phản ứng có thành phần tích điện hoặc có
độ phân cực cao.
2. Điều chỉnh pH
Là biến đổi tác chất thành các dạng tích điện +/- → tăng độ tan trong nước.
Nhóm chức dạng tích điện: carboxylate, sulfonate, ammonium,… tăng tốc độ
phản ứng.
Ưu: kết thúc phản ứng, điều chỉnh pH để kết tủa sản phẩm → dễ tách và tinh chế
Nhược: làm thay đổi cấu trúc hóa học của tác chất → ít sử dụng 4

3. Sử dụng xúc tác chuyển pha
Ưu: hòa tan, phân tán trong nước dễ dàng
Nhược: sản phẩm không tinh khiết
4. Tạo dẫn xuất tan trong nước
Là gắn các nhóm ái nước (axit cacboxylic, amin, chuỗi poly) vào phân tử kém
phân cực → tăng độ hòa tan của tác chất kém phân cực trong nước.
Gắn nhóm ái nước chỉ là tạm thời và phải tách khỏi tác chất dễ dàng = phương
pháp hóa học hoặc enzym.
Ứng dụng: tổng hợp dược phẩm và trong y học.
Thường dùng các chất HĐBM gồm:
1 đầu ái nước, 1 đuôi kị nước có xu
hướng phân bố sao cho hạn chế tương tác
giữa đuôi kị nước và phân tử nước.
5

1. Các phản ứng hình thành liên kết carbon – carbon (C – C) tiêu biểu
a) Phản ứng ghép đôi Heck
Dung môi: nước, dimethylformamide DMF, dimethylacetamide DMA,…
Xúc tác: phức palladium dạng đồng thể hoặc dị thể
Ưu điểm: Hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm cao; sản phẩm tinh khiết, có hoạt
tính sinh học
VD
6
ỨNG DỤNG CỦA DUNG MÔI NƯỚC TRONG PHẢN ỨNG THHC
➢ Nguyên liệu: iodobenzen và axit acrylic
➢ Xúc tác: Pd(OAc)2
Phản ứng Heck trong môi trường nước
➢ Bazơ: NaHCO3 /K2CO3
➢ To = 80 – 100oC

7
➢ Nguyên liệu: iodobenzene và bromobenzen với metyl acrylate, etyl acrylate
➢ Dung môi: nước nguyên chất
➢ Xúc tác: PdCl2 không cần ligand, CTAB để tăng độ tan/phân tán
➢ To = 130oC
➢ Hiệu suất: >80%
Phản ứng Heck trong nước với xúc tác không ligand

8
b) Phản ứng Suzuki
Dung môi: nước nguyên chất; hỗn hợp nước và axeton, axetonitrile, etanol
Xúc tác: Phức palladium dễ thu hồi và tái sử dụng; phosphin độc hại và chi phí cao
Sản phẩm: các dẫn xuất chứa biphenyl
VD
➢ Nguyên liệu: dẫn xuất aryl halide, dẫn xuất phenyl boromic axit
➢ Xúc tác: RB(OH)2 trong môi trường bazo là K2CO3
➢ To = 50oC, t = 12 giờ
Phản ứng Suzuki thực hiện trong nước với xúc tác phức rubidi cố
định trên chất mang polymer ái nước
➢ Sản phẩm: dẫn xuất biaryl
➢ Hiệu suất: 94 – 99%

➢ Nguyên liệu: dẫn xuất brombenzene chứa các nhóm thế khác nhau,
phenylboronic acid
➢ Xúc tác: phức palladium trên cơ sở porphyrin
➢ Bazo: K2CO3
➢ T = 100C, t = 4h
➢ Hiệu suất: 83 – 99%
R = OMe, H, CN, NO2
Phản ứng Suzuki trong môi trường nước với xúc tác phức
palladium trên cơ sở porphyrin
9

10
➢ Nguyên liệu: iodobenzene
➢ Xúc tác: Pd(OAc)2/PdCl2 có ligand họ phosphine
➢ Bazơ: KOH
➢ To = 100oC, t = 4h
Phản ứng Stille thực hiện trong dung môi nước
c) Phản ứng Stille
VD

2. Các phản ứng hydrogen hóa
VD
11
Phản ứng hydrogen hóa bằng tác nhân Zn/D2O
➢ Nguyên liệu: benzyl acrylat
➢ Dung môi: nước nguyên chất; 1,4-dioxane
➢ Xúc tác: nano palladium
➢ Sản phẩm: benzyl propionat
➢ Hiệu suất 98%

12
III. CÁC PHẢN ỨNG SỬ DỤNG XÚC TÁC HOẶC KHÔNG SỬ DỤNG XÚC
TÁC
IV. PHẢN ỨNG POLIME HÓA TRONG MÔI TRƯỜNG CHỨA NƯỚC
V. KẾT LUẬN

I- Các phản ứng sử dụng xúc tác hoặc không sử dụng xúc tác
1- Các phản ứng sử dụng xúc tác hữu cơ
a) Phản ứng aldol hóa bất đối xứng
Phản ứng aldol hóa bất đối xứng giữa các hợp chất aldehyde thơm với cyclohexanone
Xúc tác: 2-amino-2‘-hydroxy-1,1‘-binaphthyl (NOBIN) và pyrrolidine
Kết quả cho thấy phản ứng thực hiện trong dung môi là nước cho hiệu suất
cao hơn so với trong tetrahydrofuran.
Hạn chế: phản ứng giữa hợp chất aldehyde no mạch hở và keton mạch hở
xảy ra hầu như không đáng kể. 13

b) Phản ứng ester hóa
Phản ứng ester hóa thực hiện trong nước với xúc tác DBSA
Phản ứng thực hiện trong nước với xúc tác là DBSA.
Phản ứng xảy ra trong các giọt nhũ sẽ hình thành nước, nước được
chuyển ra môi trường nước bên ngoài tương tự như một hình thức tách
nước.
Sử dụng phương pháp này, không cần sử dụng thêm các biện pháp
tách nước truyền thống, không cần sử dụng tác nhân hút nước hoặc tác
nhân tạo hỗn hợp đẳng phí như các quá trình truyền thống.
14

c) Phản ứng cộng liên hợp của các cacbonyl anion
Phản ứng cộng hợp của hợp chất α-keton cacboxylate thực hiện trong
môi trường chứa nước với xúc tác trên cơ sở muối thiazolium
Xúc tác muối họ thiazolium có thể hoạt động trong môi trường chứa
nước với khoảng pH từ 5-12.
Do xúc tác có thể hoạt động trong một khoảng khá rộng, có thể áp dụng
cho các trường hợp tác chất chứa các nhóm thế hoặc nhạy vớc acid
hoặc nhạy với base bằng cách điều chỉnh pH của dung dịch phản ứng
với dung dịch đệm.
15

2- Các phản ứng sử dụng xúc tác khác và phản ứng không sử dụng xúc tác
a) Phản ứng cộng hợp
Phản ứng cộng hợp giữa phenylacetylene với hợp chất aldehyde thông
qua sự hoạt hóa liên kết C-H theo kiểu Grignard thực hiện trong nước
➢Xúc tác: muối RuCl3 với sự có mặt của muối indium như In(OAc)3,
In OTf 3, In(NO3 )3
➢Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa RuCl3 và In(OAc)3 cho kết quả tốt
nhất.
16

b) Phản ứng chuyển vị
Phản ứng chuyển vị Claisen thực hiện trong dung môi là nước hiệu
quả hơn phản ứng trong các dung môi hữu cơ
➢Phản ứng thực hiện ở nhiệt độ thường trong 120h, dung môi là
nước và các dung môi hữu cơ khác nhau nhằm so sánh hiệu quả
của nước với dung môi thông thường.
➢Kết quả cho thấy phản ứng thực hiện trong nước có tốc độ lớn
hơn nhiều và cho hiệu suất 100%.
➢Chứng tỏ nước đã có tác động đặc biệt lên quá trình phản ứng.
17

II- Các phản ứng polyme hóa trong môi trường chứa nước
1. Phản ứng polyme hóa mở vòng metathesis (ROMP)
➢ Là phản ứng trao đổi olefin khi có xúc tác kim loại chuyển tiếp.
➢ Phương pháp ROMP đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp sản xuất
các loại polyme bất bão hòa.
➢ Các xúc tác phức ruthenium được dùng cho cả phản ứng ROMP và phản
ứng đóng vòng metathesis (RCM). Ở các điều kiện dung môi và pH dung
dịch khác nhau thì hoạt tính của xúc tác cũng thay đổi.
34
3
Xúc tác loại 4 sử dụng cho phản ứng metathesis 18

1.Phản ứng polyme hóa mở vòng metathesis (ROMP)
➢ Các phản ứng ROMP sử dụng xúc tác ruthenium có thể thực hiện
trong môi trường chứa nước với các monome tan hoặc không tan
được trong nước.
Phản ứng ROMP trong môi trường
nước với xúc tác phức ruthenium tan
trong nước
Ưu điểm: monome sử dụng có thể chứa các nhóm chức như carbohydrat và
có thể khống chế được sự phân bố trọng lượng phân tử.
Cấu trúc polyme chứa nhóm đường
tan tổng hợp từ phản ứng ROMP
trong môi trường nước
19

1. Phản ứng polyme hóa mở vòng metathesis (ROMP)
➢ Các xúc tác ruthenium không tan được trong nước được sử dụng cho quá
trình trùng hợp nhũ tương, trong đó xúc tác trong dung môi hữu cơ được ổn
định bằng chất hoạt động bề mặt sodium dodecylsulfate (SDS) được phân
tán trong nước ở dạng giọt lỏng kích thước nano. Phản ứng ROMP xảy ra
trong giọt lỏng, nhờ sự va chạm monome và các giọt xúc tác.
Phản ứng ROMP trong môi trường nước
Ưu điểm: hiệu suất của quá trình tăng (độ chuyển hóa cao). 20

2. Phản ứng polyme hóa các hợp chất alkyne
➢ Phản ứng polyme hóa các hợp chất alkyne trong các dung môi hữu cơ
với sự có mặt của các xúc tác trên cơ sở kim loại chuyển tiếp. Tùy thuộc
bản chất của xúc tác, có hai cơ chế phản ứng: phản ứng thông qua sản
phẩm trung gian là phức alkyl kim loại hoặc phức carbene kim loại.
Cơ chế phản ứng polyme hóa các hợp chất alkyne
Nhận xét:
• Cơ chế (a) phản ứng xảy ra thông qua phức alkyl kim loại kèm theo cộng
hợp alkyne vào liên kết cacbon-kim loại.
• Cơ chế (b) phản ứng đi qua phức carbene kim loại gần tương tự phản
ứng metathesis. 21

2. Phản ứng polyme hóa các hợp chất alkyne
➢ Phản ứng polyme hóa các hợp chất alkyne trong môi trường chứa nước.
• Tác giả Blum đã dùng xúc tác là hợp chất của rhodium cho phản ứng
oligomer hóa và polyme hóa các hợp chất alkyne đầu mạch và nhận thấy
xúc tác phức rhodium có hoạt tính ổn định trong môi trường chứa nước.
• Tác giả Tang nghiên cứu phản ứng polyme hóa phenylacetylene và dẫn xuất
của nó trong môi trường nước với các xúc tác là phức của rhodium không
tan trong nước và nhận thấy hệ dung môi chứa nước là dung môi tốt nhất
cho phản ứng polyme hóa phenylacetylene sử dụng các xúc tác này.
22

3. Phản ứng polyme hóa gốc tự do ATRP
➢ Phản ứng polyme hóa theo cơ chế gốc tự do khống chế được gồm 3 nhóm
chính: nhóm ATRP, nhóm RAFT và nhóm SFRP.
Cơ chế tổng quát của phản ứng polyme hóa ATRP thông thường
➢Phản ứng ATRP không có sự hình thành các sản phẩm trung gian chứa liên
kết giữa kim loại dùng làm xúc tác với các monome. Hệ xúc tác thường là
muối CuBr kết hợp với các ligand thích hợp. Xúc tác phản ứng với chất khơi
mào hoặc chuỗi polyme chứa nhóm halogen đầu mạch hình thành gốc tự
do. Tuy nhiên, khi thực hiện phản ứng ở môi trường chứa nước thì hệ xúc
tác lại không hoạt động hiệu quả do CuBr không bền trong điều kiện này.
23

3. Phản ứng polyme hóa gốc tự do ATRP
➢Nhóm tác giả Matyjaszewski đã nghiên cứu phản ứng ATRP đảo, sử dụng
muối CuX2 cho hệ dung môi. Phản ứng được thực hiện với sự có mặt của
một chất khơi mào gốc tự do thông thường.
➢Để khắc phục một số nhược điểm phản ứng, kết hợp cả quá trình khơi mào
thông thường và khơi mào như ở phản ứng ATRP đảo (ATRP kiểu SNRI)
trong đó lượng nhỏ xúc tác hoạt động sinh ra nhờ chất khơi mào gốc.
Phương pháp này để tổng hợp polime trong môi trường nước.
24

III- Kết luận
- Chương này đã giới thiệu một số tiến bộ trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ thực
hiện trong dung môi là nước và môi trường chứa nước nói chung.
- Một số phản ứng hữu cơ thực hiện trong dung môi chứa nước có hiệu quả tốt
hơn hẳn những trường hợp sử dụng dung môi hữu cơ thông thường.
- Ba ưu điểm nổi bật của nước
+ An toàn: hầu hết các dung môi hữu cơ thông thường đều có khả năng gây ra các
vấn đề cháy nổ hoặc gây ra những bệnh tật nguy hiểm.
+ Giá thành: nước là dung môi rẻ nhất và dễ tìm nhất cho đến nay
+ Các vấn đề liên quan đến môi trường: sử dụng nước làm dung môi sẽ giảm được
một lượng chất thải độc hại đáng kể vốn đang được thải ra môi trường từ những
quá trình sử dụng dung môi hữu cơ độc hại dễ bay hơi.
25

CHƯƠNG V
2
MỞ ĐẦU
TÍNH CHẤT HÓA LÝ CƠ BẢN CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

4.1. MỞ ĐẦU
CO2 siêu tới hạn là một trạng thái
vật lý của CO2 ở điều kiện nhiệt
độ và áp suất cao hơn nhiệt độ tới
hạn (Tc) và áp suất tới hạn (Pc),
nơi mà sự khác biệt giữa pha lỏng
và pha khí không tồn tại.
Điểm tới hạn (Tc , Pc) là giá trị áp
suất và nhiệt độ cao nhất mà tại đó
CO2 còn tồn tại ở trạng thái hơi và
trạng thái lỏng cân bằng với nhau.
3
Giản đồ pha nhiệt độ - áp suất của CO2

4
Các hình chụp thể hiện sự biến mất dần bề mặt phân chia pha của CO₂ khi tăng
nhiệt độ và áp suất
a) Bề mặt phân chia pha L – K rõ ràng
b) Bề mặt phân chia pha mờ dần
c) CO₂ ở trạng thái siêu tới hạn đồng nhất

4.1. MỞ ĐẦU
Dung môi CO2 siêu tới hạn giúp thực hiện tổng hợp hữu cơ xanh hơn:
+ Thay thế dung môi hiện tại bằng dung môi thân thiện với môi trường
+ Tăng hiệu suất và tăng độ chọn lọc cho phản ứng, hạn chế thấp nhất
năng lượng sử dụng
+ Sử dụng luôn CO2 làm tác chất cho phản ứng.
5

Ưu điểm
- Không độc hại, không gây cháy nổ và có chi phí thấp hơn so với dung môi hữu cơ
thông thường.
- Hòa tan tốt các chất khí (H2, O2, CO,…) giúp các phản ứng sử dụng khí xảy ra
nhanh hơn.
- Tăng cường quá trình truyền khối trong hệ phản ứng.
- Điều chỉnh được các tính chất vật lý theo yêu cầu bằng cách thay đổi nhiệt độ và áp
suất của hỗn hợp.
- Là dung môi lý tưởng cho các phản ứng oxy hóa và phản ứng tỏa nhiệt mạnh do
bền với các tác nhân oxy hóa, dẫn nhiệt tốt hơn dung môi hữu cơ.
- Thuận lợi cho việc phân riêng sản phẩm, thu hồi và tái sử dụng xúc tác (bay hơi,
trích ly).
- Tăng tuổi thọ xúc tác.
Nhược điểm
- CO2 kém phân cực → chỉ hòa tan tốt các tác chất và xúc tác kém phân cực.
- Cần thực hiện ở áp suất cao → chi phí đầu tư ban đầu lớn.
6

4.2. CÁC TÍNH CHẤT HÓA LÝ CƠ BẢN CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN
4.2.1. Tính chất một số thông số hóa lý cơ bản
Tăng nhiệt độ và áp suất → sự
khác biệt giữa pha lỏng và
pha khí mất dần và kết thúc
khi nhiệt độ, áp suất đạt giá trị
tới hạn.
CO2 đạt trạng thái tới hạn tại
Tc= 304,2K và Pc = 72,9atm, tỷ
trọng tương ứng ρc = 0,47 g/ml. Giản đồ pha nhiệt độ - áp suất của CO2
Điểm tới hạn
Tc
Pc
7

Chất Tc (K) Pc (atm) ρc (g/ml)
CO2 304,2 72,9 0,74
MeOH 513,7 78,9 0,27
EtOH 516,6 63 0,28
BuOH 548,2 42,4 0,27
Benzen 562,1 48,3 0,3
H2O 641,3 218,3 0,32
Nhiệt độ, áp suất và tỷ trọng của một số chất tại điểm tới hạn
Nhận xét: CO2 có điểm tới hạn thấp hơn đáng kể so với các chất hữu cơ và
nước → phản ứng hữu cơ thực hiện trong dung môi CO2 siêu tới hạn phổ
biến hơn so với dung môi nước và dung môi hữu cơ.
8

Tính chất Khí Siêu tới hạn Lỏng
Tỷ trọng (g/ml) 10-3 3.10-1 1
Độ nhớt (g.cm/s) 10-4 10-4 10-2
Khả năng khuếch tán (cm2/s) 10-1 10-3 5.10-6
Tính chất vật lí của CO2 ở dạng khí, siêu tới hạn và lỏng
- Nhận xét: CO2 siêu tới hạn có tỷ trọng tương đối cao (xấp xỉ tỷ trọng
của chất lỏng) vừa đủ để dùng làm dung môi, nhưng vẫn giữ được khả
năng khuếch tán mạnh, độ linh động cao, độ nhớt thấp → tốc độ phản
ứng tăng khi thay đổi điều kiện phản ứng từ pha lỏng sang điều kiện siêu
tới hạn.
Các tính chất:
- Tăng áp suất, nhiệt độ của CO2 siêu tới hạn → độ tan của các tác chất,
xúc tác tăng.
- Chọn nhiệt độ, áp suất thích hợp → độ chọn lọc trong phản ứng tăng.
9

- CO2 siêu tới hạn thích hợp làm dung môi cho phản ứng sử dụng xúc tác phức
kim loại chuyển tiếp.
- Các biện pháp làm tăng độ tan của các phức kim loại chuyển tiếp trong CO2
siêu tới hạn:
1. Biến đổi cấu trúc của ligand theo hướng tăng độ tan trong CO2 siêu tới hạn.
Thay thế ligand chứa nhiều vòng thơm với các nhóm thế khác nhau bằng các
ligand chứa gốc alkyl không phân cực.
2. Thêm đuôi “ái CO2” vào các nhóm thế trên vòng thơm của ligand
Ví dụ: phức Rh(hfacac)(R2PCH2CH2PR2) không tan trong CO2 siêu tới hạn khi
R là gốc phenyl. Khi thêm đuôi ái CO2 (polyfluoroalkyl), R trở thành C6H4-(p)-
(CH2)2(CF2)7CF3 thì độ tan của phức tăng 7 lần.
10

3. Sử dụng các chất hoạt động bề mặt thích hợp
Chất hoạt động bề mặt thích hợp thường chứa thêm phần ái CO2. Đầu phân
cực của chất hoạt động bề mặt gắn vào phức kim loại, còn phần không phân
cực (ái CO2) sẽ quay ra ngoài dung môi → tăng độ tan của phức kim loại
chuyển tiếp trong CO2 siêu tới hạn.
4. Sử dụng đồng dung môi
Ví dụ: thêm 5% methanol làm đồng dung môi, độ tan của phức thủy ngân với
ligand là bis(dietyldithiocarbamato) tăng lên 4 lần trong CO2 siêu tới hạn.
Tuy nhiên nếu lượng dung môi hữu cơ thêm vào càng lớn thì ý nghĩa dung môi
xanh của CO2 siêu tới hạn càng giảm.
11

4.2.2. Quá trình phân riêng trong lưu chất
Các phương pháp phân riêng sản phẩm khỏi lưu chất:
• Phương pháp tách sản phẩm lỏng ra khỏi dung môi siêu tới hạn: hạ nhiệt
độ hoặc giảm áp suất để tách sản phẩm khỏi dung môi.
• Phương pháp kết tủa sản phẩm rắn ra khỏi dung môi siêu tới hạn (nhằm
giữ đặc tính vật lý của sản phẩm), gồm các kĩ thuật:
✓ Giãn nở nhanh
✓ Sử dụng lưu chất siêu tới hạn làm dung môi tạo ra kết tủa
✓ Kỹ thuật phun phân tán thích hợp
12

a. Phương pháp tách sản phẩm lỏng ra khỏi dung môi siêu tới hạn
Giảm áp suất xuống dưới
giá trị áp suất tới hạn của
CO2 → CO2 trở về thể khí,
sản phẩm ở dạng lỏng
→ quá trình tách pha xảy
ra dễ dàng.
Quá trình phân riêng sản phẩm lỏng từ phản ứng
hydro hóa sử dụng dung môi CO2 siêu tới hạn
13

b. Sử dụng lưu chất siêu tới hạn làm dung môi tạo ra kết tủa
Sơ đồ nguyên lý hệ thống ROSA với CO2 siêu tới hạn làm dung môi kết tủa
Kí hiệu
R+S - Dung môi và tác chất PR – Sản phẩm
P - Bơm EV – Van giãn nở
OB – Bể điều nhiệt bằng dầu S+ER – Dung môi và tác chất dư 14

NỘI DUNG
I. Tổng hợp hữu cơ trong CO2 siêu tới hạn
II. CO2 vừa đóng vai trò dung môi vừa đóng vai trò tác chất
III. Phương pháp thu hồi CO2 siêu tới hạn
15

1. Các phản ứng oxy hóa – khử:
Phản ứng oxy hóa cyclohexene
Tác nhân: tert-butyl peroxide
Xúc tác: Mo(CO)6
Nhiệt độ: 95oC
Dung môi: CO2 siêu tới hạn, tert-butyl peroxide
Hiệu suất: 73%
Thu hồi: giảm áp suất, có thể tái sử dụng
16

17
2, Các phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu:
Phản ứng Heck thực hiện trong CO2 siêu tới hạn với xúc tác palladium
Môi trường: base
Xúc tác: Palladium (Pd(OAc)2)
Nhiệt độ: 70-80oC
Dung môi: scCO2
Hiệu suất: 80%
Thời gian: 18h

18
2, Các phản ứng hình thành liên kết carbon-carbon tiêu biểu:
Phản ứng Suzuki thực hiện trong siêu tới hạn với xúc tác palladium
Môi trường: base nBu4NOMe
Xúc tác: [PdEnCat]
Nhiệt độ: 40oC
Dung môi: scCO2
Hiệu suất: 74%

19
3, Các phản ứng cần quan tâm khác:
Phản ứng đóng vòng Diels-Ander
Nhiệt độ: 60oC
Áp suất: 80-430 bar
Dung môi: scCO2
Mục đích: Khảo sát ảnh hưởng của áp suất CO2 siêu tới hạn lên tốc độ
phản ứng.
Kết quả: Tốc độ tăng nhẹ khi áp suất tăng lên tương tự, tuy nhiên, ở gần
điểm tới hạn, sự biến đổi theo áp suất là rất lớn.

Tổng hợp dẫn xuất của 1H-quinazoline-2,4-dione trong CO2 siêu tới hạn
Xúc tác: DBU (1,8-Diazabicyclo(5.4.0) undec-7-ene
Nguyên liệu: Hợp chất 2-aminobenzenzonitrile và CO2
Dung môi: CO2 siêu tới hạn
Nhiệt độ: 80oC
Áp suất: 10MPa
Thời gian phản ứng: 4h
Hiệu suất: 70%
Thu hồi: giảm áp suất, có thể tái sử dụng 20

Phản ứng giữa các hợp chất epoxide và CO2
Xúc tác: n-Bu4Br/SiO2 (muối amonium bậc 4 cố định trên chất mang silica)
Nguyên liệu: các hợp chất epoxide và CO2
Nhiệt độ: 150oC
Áp suất: 8MPa
Hiệu suất: 97%
21

Phản ứng hidrogen hóa CO2 siêu tới hạn
Xúc tác: 0,06% RuH2(P(CH3)3)4 và sự có mặt triethylamine
Nguyên liệu: hidro (85atm) và CO2
Nhiệt độ: 50oC
Áp suất: 210atm C
22

Xúc tác: Alumina
Môi trường: base
Nguyên liệu: CO2
Nhiệt độ: 85%
Thời gian: 21h
Tổng hợp N-benzyl-4,4-dimethyl-5-methylen-2-oxazolidinone
23

24
III. Phương pháp thu hồi CO2 siêu tới hạn
Để phân riêng các sản phẩm lỏng ra khỏi CO2 siêu tới hạn chỉ cần giảm
áp suất xuống dưới giá trị áp suất tới hạn CO2, quá trình tách pha sẽ xảy ra.
Đối với sản phẩm là dạng rắn, sử dụng một số kỹ thuật để có thể kết tủa
sản phẩm ra khỏi dung môi siêu tới hạn mà vẫn khống chế được các đặc
tính vật lý của sản phẩm:
+ Giãn nở nhanh
+ Sử dụng CO2 siêu tới hạn làm dung môi tạo kết tủa
+ Kỹ thuật phun phân tán thích hợp
Bên cạnh đó, độ tan của các chất lỏng trong lưu chất siêu tới hạn thường
cao hơn nhiều lần so với các chất rắn nên không cần phải sử dụng một
lượng lớn dung môi siêu tới hạn.

CHƯƠNG VI
II. Các quá trình phản ứng đồng thể trong micro
reactor
I. Mở đầu
2

MỞ ĐẦU
3
Micro reator gồm hệ thống các rãnh nhỏ có kích thước từ 10 – 300µm,
được khắc vào 1 bề mặt một bề mặt rắn làm bằng thủy tinh, vật liệu
silicat, thạch anh, kim loại ,polyme,…
Các rãnh nhỏ được kết nối với 1 hệ thống bình chứa nhỏ, là nợi chứa
nguyên liệu và sản phẩm cho quá trình.
Toàn bộ hệ thống các rãnh và bình chứa có kích thước vài cm.

ƯU ĐIỂM
➢ Cho ra sản phẩm có hiệu suất và độ tinh khiết cao hơn, thời gian
phản ứng ngắn hơn so với phản ứng thông thường
➢ Ít gây cháy nổ
➢ Giảm sự tiếp xúc giữa người và hóa chất ở mức tối thiểu
➢ Tác chất ban đầu được giảm đi
➢ Giảm chất thải thải ra
NHƯỢC ĐIỂM
➢ Chi phí cao
➢ Vệ sinh khó khăn do kích thước bé
➢ Phải có bơm cao áp để đẩy chất phản ứng vào
MỞ ĐẦU
4

1
Các phản ứng thế ái điện tử
2
Các phản ứng thế ái nhân
3
Các phản ứng đóng vòng
Các phản ứng khác
II. Các quá trình phản ứng đồng thể trong micro reactor
4
5

1. Phản ứng nitro hóa hình thành liên kết C-N
Phản ứng nitro hóa phenol trong micro reactor dạng rãnh, rộng 500μm,
thể tích 2ml.
Các phản ứng thế ái điện tử
6
Điều kiện: t = 20oC
Ưu điểm
➢ Sản phẩm phụ < 10 lần, hiệu suất sản phẩm chính > 20%.
➢ Phản ứng nitro hóa chỉ xảy ra bên trong thể tích micro reactor, không
xảy ra trong giai đoạn trộn chất.
➢ Không cần xúc tác H2SO4, CH3COOH; không xuất hiện khí NO độc hại.
1:1 77%

2. Phản ứng thế ái điện tử hình thành liên kết C-C
Phản ứng alkyl hóa theo Friedel-Crafts. Alkyl hoá 1,3,5- trimethoxybenzene,
tác nhân N-acyliminium trong micro reactor dạng rãnh kích thước 25μm.
Kết quả: tỉ lệ sản phẩm thế 1 lần tăng từ 37% lên 92%.
Tăng kích thước micro reactor lên 500μm, tỉ lệ sản phẩm thế 2 lần tăng lên
như đối với quá trình trong thiết bị khấy trộn thông thường.
Các phản ứng thế ái điện tử
7
Microflow 92%
Batch 37%

1. Phản ứng alkyl hoá hình thành liên kết C-C
Phản ứng alkyl hóa ethyl 2-oxocyclo pentanecarboxylate và benzyl
bromide.
8
Điều kiện: xúc tác tetrabutyl
ammonium bromide
Hiệu suất 57% ở thời gian lưu 60s.
Hiệu suất tăng lên 96% với thời
gian lưu 10 phút.

9
So sánh hiệu suất của phản ứng alkyl hóa thực hiện trong micro reactor
a) thực hiện trong bình khuấy trộn thông thường, tốc độ khuấy 1350rpm
b) thực hiện trong bình khuấy trộn thông thường, tốc độ khuấy 400rpm
c) quá trình không khuấy trộn

2. Phản ứng este hóa
Phản ứng este hóa benzyl alcohol anhydride acetic trong micro reactor
Dung môi: Nước
Nhiệt độ: 25 – 35oC
Thời gian lưu: 9,9s
Hiệu suất: 99% > bình khuấy trộn thông thường hiệu suất chỉ 17%.
Ưu điểm
• Tạo điều khiện thuận lợi cho quá trình tách pha.
• Hiệu suất lớn hơn so với phản ứng bình thường.
• Sản phẩm không bị thủy phân.
10

1. Phản ứng cộng tác hợp grinard vào các hợp chất carbonyl trong micro
reactor (Phản ứng cơ magie)
Điều kiện: t thường; thời gian lưu 33 phút; hiệu suất 98%.
Hiệu suất cao hơn đáng kể so với bình khuấy trộn thông thường.
Các phản ứng cộng hợp ái nhân
11
Ưu điểm
Hạn chế sự phân hủy Grignard và các sản phẩm phụ mà không cần hạ
tpứ xuống 20oC.

2. Phản ứng cộng Michael thực hiện trong micro reactor
Sử dụng kĩ thuật bơm gián đoạn nhằm tăng thời gian, tăng hiệu suất.
Chế độ dòng chảy mở bơm 2,5s; tắt bơm 5s; độ chuyển hóa tăng từ
39–95%, chủ yếu do thời gian phản ứng tăng lên.
Các phản ứng cộng hợp ái nhân
12
Phản ứng cộng hợp Michael giữa ethyl propilate với 2,4-pentanedione
trong micro reactor từ borosilicate, kích thước 100μm.

Phản ứng cộng hợp đóng vòng hetero Diels-Alder trong micro reactor
Ưu điểm
• Tổng hợp dị vòng họ oxazine có giá trị sử dụng cao.
• Trong nhiều trường hợp, hiệu suất của phản ứng thực hiện trong
micro reactor cho hiệu quả tốt hơn thiết bị khuấy trộn thông thường
Các phản ứng đóng vòng
13
Micro reactor: dạng ống mao quản chịu nhiệt, áp suất cao.

1. Phản ứng chuyển vị Bayer-Villiger thực hiện trong micro reactor
14
Micro reactor: dạng rãnh 30μm khắc vào borosilicate
Điều kiện: xúc tác scandium hòa tan trong borosilicate; t thường, dd
H2O2 30%; thời gian lưu hóa 8,1s.
Ưu điểm
Hiệu suất và độ chọn lọc của sản phẩm chính cao hơn đáng kể so với
bình khuấy trộn thông thường.

2. Phản ứng khử các hợp chất aldehyde thành alcohol bằng tác nhân
lithium tert-butoxide thực hiện trong micro reactor.
Tác nhân khử: lithium tert-butoxide
Điều kiện: t=180C; P=160bar; thời gian lưu 30 phút.
Micro reactor: dạng ống mao quản chịu nhiệt, áp suất cao
Ưu điểm
• Nhiều hợp chất alcohol đã được điều chế với hiệu suất cao hơn so với
bình khuấy trộn thông thường.
• Không cần sử dụng các tác nhân khử họ hydride đắt tiền cũng như các
hệ thống phản ứng với hydrogen ở P cao.
15

Nội Dung
• Các quá trình phản ứng dị thể trong
Micro Reactor.
• Phát triển Micro reactor ra quy mô lớn
hơn.
• Kết luận

Các quá trình phản ứng dị thể trong Micro Reactor.
1. Các phản ứng cộng hợp ái nhân
Phản ứng Knoevenagel giữa benzandehyd và ethylcyanoacetate để
hình thành sản phẩm 2-cyano-3-phenyl acrylic acid ethyl ester.
Ưu điểm: Sản phẩm tinh khiết mà không phải tinh chế.
Hiệu suất luôn đạt 98-99%.
Xúc tác silicagel có các nhóm piperazine cố định trên bề mặt

2. Các phản ứng sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp
Phản ứng ghép đôi Suzuki giữa hợp chất bromoarene với
phenylboronic acid
Hệ thống micro reactor dạng ống kích thước 3 𝜇𝑚
Xúc tác phức palladium họ salen cố định trên chất mang polymer
Kỹ thuật bơm tác chất 10 phút, thời gian lưu của tác chất trong hệ là 10 phút
Phương pháp:
Ưu điểm: Không cần phải sử dụng thêm các phức phosphine độc hại với môi trường và
con người
Thời gian gảm từ 24h xuống 10 phút với cùng độ chuyển hóa so với bình khuấy
trộn bình thường
Không sử dụng dung môi

3. Các phản ứng đóng vòng
Phản ứng cộng hợp các hợp chất ankyl isocyanoacetate và acyl
chloride và sau đó là giai đoạn đóng vòng nội phân tử có mặt xúc
tác base cố định trên chất mang polymer rắn tạo hợp chất dị vòng
họ oxazole.
Ưu điểm: Độ tinh khiết cao hơn đáng kể so với khuấy trộn thông
thường.
Không sử dụng dung môi.

4. Các phản ứng khác
Phản ứng azido iodine hóa các hợp chất alkene dùng xúc tác rắn
thực hiện trong micro reator.
- GĐ 1: Xúc tác polymer có mang các nhóm iodate(I) mong muốn
để tạo Sản phẩm họ ß-iodo azide mong muốn.
Ưu điểm: Thời gian phản ứng ngắn hơn rất nhiều nhưng có độ
chuyển hóa tương với khuấy trộn thông thường.

- GĐ 2: Tách loại sản phẩm trung gian ß-iodo azide bằng base
mạnh là 1,8-diazabicycloundec-7-ene cố định trên chất mang
polymer. Sản phẩm là vinyl azide.
Không sử dụng dung môi.
Hiệu suất luôn cao hơn so với trộn thông thường khoảng
91%
Ví dụ:

Phát triển micro reacator ra quy mô lớn hơn
1. Ứng dụng micro reactor trong tổng hợp hóa dược
Tổng hợp Imatinib
Giai đoạn 1:
- Bơm acyl chloride qua micro reactor chứa DMAP cố định trên
chất mang polymer với lưu lượng 100𝜇𝑙/min
- Đưa dẫn xuất của aniline qua micro reactor với lưu lượng 400
𝜇𝑙/min
Tổng hợp sản phẩm trung gian họ amide từ acyl chloride
và dẫn xuất của aniline

Giai đoạn 2: Thế ái nhân với N-methylpiperazine
- Sản phẩm trung gian amide được xử lý với CaCO3 để tham gia
phản ứng thế ái nhân với N-methylpiperazine
- Bơm chất qua micro reator chứa isocyante cố định trên chất
mang polymer
→ Sản phẩm trung gian amide thứ 2. Hiệu suất 70%

Giai đoạn 3:
Phản ứng ghép đôi Buchwald-Hartwig giữa sản phẩm
trung gian amide và 4(pyridine-3-yl)pyrimidin-2-amine
Xúc tác Palladium
Thời gian lưu trong micro reactor là 30 phút
Điều
kiện:
→ Hiệu suất 69%. Độ tinh khiết trên 95%

Tổng hợp Rimonabant
Hiệu suất luôn cao hơn so với trộn thông thường khoảng
80%
Thời gian tổng hợp 24 phút

2. Ứng dụng micro reactor trong tổng hợp hóa chất cơ bản
Phản ứng Paal-Knorr điều chế pyrrole
Hệ thống micro reactor dạng rãnh khắc vào thủy tinh có thể tích 7𝜇𝑙
Tác chất amine và diketone được bơm vào vùng phản ứng qua 2 cổng nhập liệu
Acetone được bơm vào dòng hỗn hợp phản ứng sau khi qua micro reactor

3. Kết Luận
Chương này giới thiệu một số tiến bộ trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ
thực hiện trong thiết bị phản ứng là các hệ thống micro reactor.
Phản ứng thực hiện trong micro reactor đạt hiệu quả cao hơn so với
các quá trình thông thường
Ưu điểm hệ thống: giảm đến mức tối thiểu nhu cầu vận chuyển và
tồn trữ hóa chất độc hại
Micro reactor có khả năng làm một cuộc cách mạng trong công
nghiệp hóa dược
Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về ứng dụng các hệ
thống thiết bị trên cơ sở micro reactor làm thiết bị xanh cho
các quá trình tổng hợp hữu cơ:
• Thực hiện các quá trình phản ứng đồng thể trong micro
reactor

Bai giang hoa hoc xanh dai hoc thuy loi

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Bai giang hoa hoc xanh dai hoc thuy loi

Similar to Bai giang hoa hoc xanh dai hoc thuy loi (20)

More from Nguyen Thanh Tu Collection

More from Nguyen Thanh Tu Collection (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Bai giang hoa hoc xanh dai hoc thuy loi