Hình ỉ 66 Xúc tác phức cobalt cỗ định lên chất mang silica 84 sử dụng cho phản ứng oxy hóa các dan xuất aỉkyỉbenzene

118 CHƯƠNG ỉ

1.4.3 C ác p h ả n ứ ng k h ử

Các hợp chất alcohol có hoạt tính quang học là những hợp chất trung gian quan trọng trong công nghiệp sản xuất dược phấm , các hóa chất nông nghiệp cũng nh u sản xuất nhiều hóa chất quan trọng khác. N hư đã giới thiệu, phương pháp khử chọn lọc các hợp chat ketone là phương pháp quan , trọng được sử dụng để điều chế các hợp chat alcohol này. Theo hướng đi cùa hóa học xanh, việc sử dụng các xúc tác phức co định trên chất mang rắn sừ dụng cho phản ứng này đã và đang được quan tâm nghiên cứu. Một trong những nghiên cứu đầu tiên được thực hiện bởi tác già Carpentier, trong đó xúc tác phức dirhodium đã được điều chế và cố định lên chất m ang silca theo quy trình được mô tả ở hình 1.67a (74). Xúc tác 85 điều chế được theo quy trình này được sử dụng cho phản ứng hydrogen hỏa họp chất a-k eto ester như ketopentolactone d áp suất 1 atm hydrogen trong

dung môi toluene (H. 1.67b). Trong đó, sử dụng xúc tác 85 với X là - C H -C H - (trường hợp 2 H.1.67a), phản ứng cho độ chuyển hóa đạt 100% và độ chọn lọc quang họq của sản phẩm đạt 81% ee. Trường hợp X là - (C F2)3- (trường hợp 3 H .1.67a), phản ứng cũng xảy ra hoàn toàn và sản phẩm có độ chọn lọc tốt hơn, đạt 91% ee. K ết quả này tương tự như trường hợp sử dụng xúc tác đồng thể tương ứng trong cùng điều kiện. Xúc tác được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng, được khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy hoạt tính và độ chọn lọc giảm m ạnh sau mỗi lần sử dụng. Ví dụ ph ản ứng hydrogen hóa ketopentolactone sử dụng xúc tác 85 trường hợp 2 ở lần tái sử dụng thử nhất chi đ ạt hiệu suất 22% và độ chọn lọc 57% ee. P hản ú ng ở trường hợp 3 chỉ cho hiệu suất 27% và độ chọn lọc 76% ee. N guyên nhân cùa điều này được tác giả giải thích dựa trên cấu trúc dim eric của phức rhodium , làm cho cấu trúc phức dễ bị phá v õ v à rhodium dễ bị hòa tan vào dung dịch phản ứng sau m ỗi lần sử dụng.

x ú c TÁC CÓ KHẢ NĂNG THU Hổl VÀ TÁI s ử DỤNG 119 (E tO )3S i // v _ ° ^ NH N'H_ y X \ \ R h P C p

2

P C y a ■Si(OEt

)3

a)

1

: X = - ( C H z)3-

2

: X = -(C H = C H ) - 3: X = - ( C F 2)3-

o

0-Rh:ó V

° ° . > - N H HN / x _ ( / / ~ " x 85 b) M e - M e

&

85 M e- 1 atm H s toluene Me k

H ìn h 1.67 X úc tác p h ứ c dỉrhodium cố định trên chất m ang silica 85 (a) và p h ả n ửng hydrogen hóa bẩt đối xứng sử dụng xúc tác 85 (b)

Tác già Yuan sau đó đã 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 (xúc tác 8 6 H.1.68a) (75). M ặc dù cấu trúc thật sự của xúc tác cũng như ỉàm thế nào để palladium có thể tạo phức với chitosan vẫn chưa được tác giả nghiên cứu đầy đủ, cấu trúc 8 6 đ ã được

đề nghị. Xúc tác được sử dụng cho phàn ứng hydrogen hóa các ketone như acetophenone thành (7?)-l-phenyl ethanol, propiophenone thành (Ẵ )-l- phenyl-1-propanol, 3-m ethyl-2-butanone thành (i?)-3-methyl-2-butanol, và 4-m ethyl-2-pentanone thành (/?)-4-methyl-2-pentanol ở điêu kiện nhiệt độ

120 CHƯƠNG ỉ thường và áp suất ì atm hydrogen. Độ chọn lọc cùa sản phâm phản ứng chịu ảnh hưởng nhiều của tỳ lệ mol N: Pđ của xúc tác, và cũng thay đôi theo câu trúc của ketone. Độ chọn lọc của sản phâm (/?)-l-phenyIethanol và Cfl)-3- m ethyl-2-butanol đạt được làn lượt là 99% ee và 100% ee. Các trường hợp khác phản ứng có độ chọn lọc tương đối tôt, trong đó ( /ỉ ) - ỉ-phenyl ethanol có độ chọn lọc 99% ee, (R)- ỉ -phenyl-1 -propanol có độ chọn lọc 82% ee và (/?)-4-methyl-2-pentanol cỏ độ chọn lọc 69% ee. Xúc tác có khả năng thu hồi và tái sử dụng m à hoạt tính không thay đổi đáng kể, ví dụ phản ứng chuyển hóa 3-methyỉ-2-butanone thành (J?)-3-methyl-2-butanol vần đạt hiệu suất 1 0 0% và độ chọn lọc 1 0 0% ee ờ lần sử dụng thứ hai.

H ìn h 1.68 X úc tác phứ c palladium với chìtosan cổ định trên chất mang silica 86 (a) và phản ứng hydrogen hóa bat đổi xứng sử d ụ n ẹ xúc tác 86 (b)

Cũng nghiên cứu về phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng sử dụng xúc tác rắn, tác già Halligudi đã nghiên cứu điều chế phức ruthenium cùa cyclohexyldiam ine và triphenyỉphosphine cố định trên silica là SBA-15 sử dụng cho phản ứng nậy (xúc tác 87 H .l,6 9 a ) (76). Trong đó, nhóm - C H2C H2CH2CI được cố định lên bề m ặt silica sử dụng quy trình mô tả ở

hình 1.48 nói trên. Phản ứng thế ái nhân giữa nhóm chức này với cyclòhexylđìam ine giúp cố định ligand diam ine này, làm cơ sở cho việc hình thành xúc tác ruthenium cô định lên chất m ang silica. Các phương pháp phân tích hiện đại như 31 p NM R, SEM, TEM, XRD, hấp phụ N2 và

FTIR cho thây phức ruthenium đã được cổ định lên silica. Xúc tác 87 được sử dụng cho phản ứng hydrogen hỏa bất đổi xứng các hợp chất a,P" ketone, và ưu tiên phản ứng hydrogen hỏa nhóm carbonyl. Phản ứng cho sán phâm alcohol tương ứng có độ chọn lọc quang học tương tự trường hợp sử dụng xúc tác đồng thể tương ứng. Ngoài ra, phản ứng hydrogen hóa các hợp chất kém hoạt động như im ine thành am ine bậc hai tương ứng cũng xảy ra tương đôi tôt (H.1.69b). Tuy nhiên, khà năng thu hôi v à tái sử dụng xúc tác vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết.

C H ; , O H

^ /

xúc TÁC CÒ KHẢ NĂNG THU H ối VÀ TÁI sử DỤNG 121

a

J , C l X X H ^ P P h 3 S „ ---*. X " ** P i i _ 9-nrnr>flnr>1 H _ ^ r / . < _ R R , 2-propan ol, H

2

R N C PPh» H C l X = N . o a) 8 7 b) H ìn h ỉ . 69 X úc tác phức ruthenium trên cơ sờ cycỉohcxyldĩamine và (rỉphenylphosphine cố định trên silica 87 (a) và phản ứng hydrogen hỏa bat

đối xứng sử dụng xúc tác 87 (b)

Tác giả Lin đã điều chế xúc tác phức ruthenium trên cơ sở BINAP chúa nhóm thế, cổ định trên chất mang silica theo quy trình mô tả ở hình

1.70 (77). Trong đó 4,4, -bis(cyclopentanoI)-2,2, -bis(diphenylphosphino)-

1,1 ’-binaphthyl và 4-(cyclopentanol)-2,2’-bís(diphenylphosphino)-l,1

binaphthyl được xử lý với nBuLi và sau đó là 3-iođopropyltrimethoxysilane. Sản phẩm được tham gia phản ứng tạo phức với [RuCl2</>-cymene)]2 và sau

đỏ cố định lên chất mang silica lả SBA-15 theo quy trình mô tả ở hình 1.48, thu được xúc tác 8 8 (H.1.70). Xúc tác 8 8 (trường hợp 1 và trường hợp 2) được sừ dụng cho phản ứng hydrogen hóa các hợp chất p-ketoester ờ áp suất 1400 psi trong dung môi methanol ở nhiệt độ thường, với thời gian phản ứng 20 h (bảng 1.13). Hầu hết các trường hợp phản ứng xảy ra hoàn toàn, cho độ chọn lọc tốt. Kết quả này tương tự như trường hợp sử dụng xúc tác phức ruthenium trên chất mang polymer tốt nhất được công bố trước đây. Tác giả còn thu hồi và tái sử dụfig xúc tác 8 8 cho trường hợp phản ứng hydrogen hóa của methyl acetoacetate năm lần. Ket quả cho thấy độ chuyển hóa vả độ chọn lọc hầu như không thay đổi đáng kể trong ba tần sừ đụng đầu tiên, vẫn đạt hiệu suất trên 99% và độ chọn lọc 96,2% ee ở tần tái sử dụng thứ ba. Tuy nhiên sau đó, độ chuyển hóa và độ chọn lọc bát đầu giảm, được giải thích dựa trên sự phân hủy cùa xúc tác dưới tác đụng của không khí. Phân tích hàm lượng kim loại cho thấy lượng ruthenium hòa tan vào dung địch phản ứng thấp hơn 0,1 2% so với tổng lượng ruthenium có trong

122 CHƯƠNG ỉ P P M

2

) P P h , L,: X = 1-cyclopentanol L*: X = H Í Í DMF P h Ph 1: X = 1 -cycíopentanol 2: X = H

(1) b) "BuLi; b) 3'iodopropyltrim ethoxysìlane

(2) a) [R u (p -cy m e n e )C lz]2, D M F; b) S B A -1 5 , toluene

8 8

H ìn h 1.70 X úc tác phứ c ruthenium trên cơ sở BĨNAP cố định trên chất mang sìỉica 88

B ă n g 1.13 Đ ộ chọn lọc quang học của các phản ứng hydrogen hóa các hợp chẩt /3-ketoester sử dụng xúc tác 88

88

M e O H , H2 (Ra = H trừ S T T 4) S T T R i r

2

T r ư ờ n g h ộ p 1 T r ư ờ n g hợp 2

1

M e M e 98,6 97,6

2

M e 'Pr 98,4 9 8 ,6 3 M e _'Bu 97,3 97,1 4 M e _{M e} 96,3 9 6 ,3 5 2 ’- C F 3- P h _{M e} 95,2 93,5

6

2 - C I - P h _{M e} 94,2 9 0 ,0 7 co

1

0 lì. U ũ. •C _{M e} 92,7 90,4

8

4 ’- O M e - P h _Et 91, 5 8 2 ,3 9 P h _{E t} 91, 0 79,9

10

4 ’- C F 3- P h _{M e} 87,4 _{71, 9}

11

4 - F - P h M e 86,3 81, 4

12

4 ’- C I - P h S T T 4: R

3

= M e M e 81, 7 81, 4

xúc TÁC Cớ KHẢ NĂNG THU HỔI VÀ TÁI sử DỤNG 123 Bên cạnh phản ứng hydrogen hóa bất đổi xứng sử dụng trực tiếp hydrogen nói trên, các phản ứng chuyển hydrogen (transfer hydrogenation) sử dụng 2-propanol hoặc formic acid làm nguồn cung cap hydrogen với sự có mặt

cùa xúc tác phức ruthenium cố định trên chất mang rắn đã và đang được quan tâm nghiên cứu. Tác giả Tu đã nghiên cứu điều chế một ligand cố định ừên chất mang silica, từ đó làm cơ sở cho việc cố định xúc tác phức ruthenium (ligand 89 H. 1.71a) (78). Bắt đầu từ (/i?,2fí)-l,2-diphenylethylenediamine, thực hiện phản ứng với 2-(4-chlorosulfonylphenyl)ethyltrimethoxysilane để tạo các nhóm chức có khả năng phàn ứng với các nhóm -O H trên bề mặt silica. Sau đó, ligand được cố định lên chất mang silica theo quy trình mô tả ở hình 1.48 nói trên (H.1.70a). Ligand 89 được sử dụng cùng với phức [RuCỈ2(/?-cymene)]2 để hình thành xúc tác tương ứng, sử dụrìg trong phản

ứng chuyển hydrogen của acetophenone và m ột so ketone thơm khác với sự có mặt cùa H C Ơ2N a.2H2 0 làm nguồn cung cấp hydrogen. Phản ứng được

thực hiện ở 80°c trong dung môi nước với 1 moỉ% ruthenium, sử dụng phụ

gia là tetrabutylam m onium bromide làm xúc tác chuyển pha. Phản ứng chuyển hydrogen xảy ra với hiệu suất đạt trên 99% và độ chọn lọc quang học cũng đạt trên 99% ee trong thời gian 2 - 8 h. Đặc biệt, hệ xúc tác có khả năng thu hồi và tái sử đụng mười một lần m à độ chọn lọc vẫn không đổi.

H ình 1.71 Ligand diamine bợt đối xứng cố định lên chất mang silica 89 (a) và phản ứng chuyển hydrogen sử dụng xúc tác phức ruthenium và ỉigand 89 (b)

124 CHƯƠNG 1 Cũng nghiên cứu về phản ứng chuyển hydrogen với hệ xúc tác tương tự như trên, tác giả Ying đã điều chế xúc tác 90, dựa trên cơ sở silica có gàn

các nhóm chức 4-ethyl benzenesulfonyl chloride, (AS, 2S)-1,2-

diphcnylethylenediamine và phức [RuCl2(p-cymene)]2 (xúc tác 90 H.1.72a)

(79). Xúc tác này được sử dụng cho phản ứng chuyên hydrogen của nhiều hợp chất ketone và imine khác nhau ở hàm lượng 1 mol% ruthenium, sử dụng nguồn cung cấp hydrogen là HCOOH và ữiethylam ine theo tỷ lệ 5 : 2 trong đung môi isopropanol hoặc đichloromethane ở nhiệt độ thường hình thành các hợp chât alcoho! hoặc amine có hoạt tính quang học tương ứng (H .l .73b). Phản ứng của các hợp chất ketone cho hiệu suất có thể lên đến 99% và độ chọn lọc quang học đạt 98% ee, phản ứng của các hợp chất imine có thể đạt hiệu suất 100% và độ chọn lọc quang học đạt 91% ee. Xúc tác có thể thu hồi và tái sử dụng ít nhất sáu lần m à hoạt tính và độ chọn lọc không thay đổi đáng kể. Tác giả cũng nghiên cứu hoạt tính xúc tác của hỗn hợp (ỈS, 2S Ị' 1,2-diphenylethylenediam ine và phức [R u Ơ2(p-cym ene)]2 với sự có

mặt của silica không có nhóm chức trong phản ứng này. Kết quả cho thấy hỗn hợp cho hoạt tính cao, tuy nhiên hỗn hợp này không thể tái sử dụng do hoạt tính giảm rât m ạnh sau lân sử dụng thứ nhât. Điêu này chứng tỏ cân phải cố định hệ xúc tác lên silica thông qua các liên kết hóa trị như trong xúc tác 90, hỗn hợp xúc tác hấp phụ vật lý lên silica sẽ hòa tan vào dung dịch phản ứng và do đó không thể thu hồi và tái sử dụng.

Q RuLn a) ^ C t v j h - T ^ - S - N H V 0 ■f— \ P h P h 90

ỉí

XH

b) R - ^ R + H C 0*H/Et3N --- - Ấ _ C H

2

C I2, 12h R R X = NR"| o

H ình 1.72 X ú c tác phức ruthenium cổ định trên chẩt mang silica 90 (a) và

p h ả n ứng chuyên hydrogen s ử dụng xúc tác 90 (b)

Bên cạnh các phản ứng hydrogen hóa các hợp chất carbonyỉ, phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng các hợp chất alkene sử dụng xúc tác phức cổ định trên chât m ang silica cũng được quan tâm nghiên cứu. Tác giả Iglesias và Corm a đã cô định các xúc tác phức rhodium trên cơ sở proline lên chất mang silica hoặc zeolite (xúc tác 91 - 94 H.1.73a) (80). Các xúc tác này

xúc TÁC CÓ KHẢ NĂNG THU H ổ l VẢ TÁI sử DỤNG 125 được sử dụng trong các phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng các đẫn xuất cúa (Z)-a-Af-acylcinnamic acid sử dụng 1 mo]% rhodium với áp suât hydrogen khoảng 5 - 6 atm và ở nhiệt độ

60°c

(H. 1.73b). Với trường hợp 1 (R = C IỈ3). phản ứng sừ dụng xúc tác 91 cho độ chọn lọc quang học 8 8% ee

nổu chất m ang là silica và 97,9% ee nếu chẩt mang là zeolite. Phản ứng sử dụng xúc tác phức đông thể tương ứng chi cho độ chọn [ọc là 84% ee. Với trường hợp 2 (R = Ph), phản ứng này cho độ chọn lọc 90,3% ee cho trường hợp xúc tác đồng thể, 93,5% ec cho trường hợp chất mang là silica, và 96,8% ee cho trường hợp sử dụng chất mang là zeolite. Trong khi đó, các xúc tác 92 - 94 cho hoạt tính và độ chọn ỉọc thẩp hơn so với xúc tác 91. Tác giả cho rằng cấu trúc của chất mang zeolite có ảnh hưởng đặc biệt lên độ chọn lọc của xúc tác. Các xúc tác này có thể được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính và độ chọn lọc không thay đổi đáng kể.

O t ° H ,NI ' r í / (CO D ) Nhi / N h í ^ ^ S í r - o ị_{' V} o — 91 a) 0 M o - I M NH’N v ^ S i f o - S r \ o - Ì N H ^ h ( C 0 D ) ° ^ 92 N ' ' NhT^—O s i ^ - 0~ L ° R h(C O D ) .

₀

— -p P h 93 (CO D ) H2 (5-6 atm) 1 m ol% Rh

60

°c 1: R = C H a 2: R = Ph 1: R = C H 3 2: R = P h

Hình 1.73

X ú c tá c p h ứ c rh o d iu m c ổ đ ịn h trê n c h ắ t m a n g s il ic a

(91 - 94)

(a) v à p h â n ứ n g h y d ro g e n h ó a b â t đ ô i x ứ n g c á c d â n x u ấ t c ủ a c in n a m ic a c id s ử d ụ n g x ú c tá c

91

-

94)

(b)

126 CHƯƠNG 1

Cũng nghièn cứu về phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng, tác giả Thomas đã điều chế xúc tác phúc palladium trên cơ sở 1,1'- bis(diphenylphosphino)ferrocene cổ định trên chất mang silica (81). Trong đó, thực hiện phản ứng giữa (iS)-l-[(/?)-l,2,-bis(diphenylphosphino)ferrocenyl]- ethyl acetate và 3-{methylaimno)propyItrirnethoxysiỉane, hình thành ligand họ ferrocenyl chứa nhóm trimethoxysilane. Phản ứng giữa ligand này với PdCỈ2 sẽ

hinh thành phức palladium họ ferrocenyl tưong ứng, sau đó cố định phức này lên chầt mang silica theo quy trình mô tà ờ hỉnh 1.48, thu được xúc tác 95 (H.1.74a). Xúc tác 95 được sử dụng trong phản ứng hydrogen hóa ethyl nicotinate thành ethyl nipecotinate ở áp suất 20 bar hydrogen và nhiệt độ 40 uc, hình thành sản phẩm tương ứng với hiệu suẩt trên 50% và độ chọn lọc 17% ee. Cần lưu ý phản ứng sử dụng xúc tác đồng thể tương ứng chỉ hình thành hỗn hợp racemic của ethyl nipecotinate, chứng tỏ chất mang siỉica có ảnh hường đáng kể lên độ chọn lọc quang học của phản ứng. Phân tích hàm lượng kim loại trong dung dịch phản ứng cho thấy palladium không bị hòa tan trong quá ừình phàn ứng. Tuy nhiên, khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác cho phản ứng hydrogen hóa bât đôi xứng vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết.

Hình

/ . 74 X ú c tác phức palladium trên cơ sờ ỉ, ỉ

bỉs(diphenyỉphosphỉno)ferrocene cổ định trên chẩt m ang silica 9 5 (a) và

p h ả n ứng hydrogen hỏa ethyl nicotinate thành ethyỉ nipecotinate s ử dụng xúc tác 95 (b)

^ I p

95 pha

xúc

TÁC Cớ KHẢ NĂNG THU H ố i VÀ TÁI s ử DỤNG 127 a) C H 2O H 1 P P h / C C I , c h 2o h

2

. H SiClg, H zP tC le 3. EtO H , N E t

3

(EtO )3S i C H 2CI 1. P h

2

P H , n-BuLi 2. B H

3

.S M e

2

(EtO )3Si C H 2CI P P h , I B H - 1 .m o rp h o iin e 2. [ R h ( C O D ) ( T H F )

2

f B F ; silic a 110 c B F 4- b) Hình 1.75 X ú c tác phứ c rhodium trên cơ sở phosphine cố định trên chất m ang silica 96 (a) và phản ứng hydrogen hóa sứ dụng xúc tác 96 (b)

Bên cạnh các phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng, các phản úng hydrogen hóa alkene thành các hợp chất no tương ứng sử dụng xúc tác phức cô định trên chất mang silica cũng được quan tâm nghiên cứu. Tác giả Crudden đã điều chế xúc tác phức rhodium với ligand họ phosphine cố định trên, chất m ang silica 96 (H.1.75a) (82). Bắt đầu từ sản phẩm diol của phản ứng giữa đi ethyl m alonate và ally] bromide và khử hóa nhóm ester băng L1AIH4, thực hiện phản ứng gán nhóm phosphine và nhóm triethoxysilane,

sau đó là giai đoạn tạo phức với rhodium và cố định lên bề m ặt silica. Xúc tác 96 được sử dụng trong phản ứng hydrogen hóa isosafrole trong dung môi tetrahydrofuran ở nhiệt độ thường với áp suât 760 psi hydrogen (H .I.75b). Kết quả cho thấy xúc tác 96 có hoạt tính cao hơn xúc tác đồng

128 CHƯƠNG 1 thế tương ứng, chứng tỏ chất mang siỉica có ảnh hưởng quan trọng lên hoạt tính cũng như độ bền của xúc tác trong điều kiện phản ứng. Tuy nhiên, khả năríg thu hồi và tái sử dụng xúc tác chưa được nghiên cứu chị tiết.

1.4.4 C ác p h ả n ú n g cần qu an tâm khác

EtjZn (1,8 equiv.) toluene, -2 0°c

H ìn h 1.76 Xúc íảc phức íiỉimỉum cổ định trên chất m ang silica 97 (a) và phàn ứng giữa hợp chổi cơ kẽm với aldehyde sử dụng xúc túc 97 (b)

Bên cạnh phàn ứng điều chế các hợp chat alcohol có hoạt tính quang học sử dụng phương pháp hydrogen hóa bất đổi xứng nói trên, phương pháp dựa trên phản ứng giữa hợp chất cơ kẽm và aldehyde sử dụng xúc tác phức cố định trên chẩt mang silica cũng được quan tâm nghiên cứu. Tác giả Seebach đã nghiên cửu điều chế xúc tác phức titanium cố định trên chât mang silica 97 (H.1.76a), trong đó phức (itanìum đóng vai trò Lewis acid được cố định thông qua liên kết thioether (83). Xúc tác này được sử dụng trong phản ứng cộng hợp giữa Et2Zn và benzaldehyde trong dung môi toluene ở nhiệt độ ~20°c với sự có m ặt của m ột lượng dư Tí(0 'Pr)4

(H.1.76b). Xúc tác có hoạt tính và độ chọn lọc tốt, cho phản ứng hình thành (iV)-phenylpropanol với hiệu suất trên 95% và độ chọn lọc quang học 96% ee. H oạt tinh v à độ chọn lọc của xúc tác 97 tương tự như trường hợp xúc tác đồng thể tương ứng. Xúc tác có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lân bằng cách rửa với HCl / nước / acetone và tái sinh bằng cách xừ lý với

a)

97 b)

xúc TÁC CÓ KHẢ NĂNG THU HỔI VÀ TÁI s ử DỤNG 129 titanate. ơ lân tái sử dụng thứ hai mươi, sàn phẩm của phản ứng vẫn cho độ chọn lọc tương tự như trường hợp sử dụng lần thứ nhất. rtrt'P h B u L i, T H F : N /-propanol/C0

2

a) b) l( C H

2

)

3

S i( O M e

)3

<MeO)

3

S i ( C H

2)3

c

r

+ N

2

C H C 0 2E t C u X a X = C l" o r T f O ' E t,N (M e O )

3

S i ( C H

2

)

3

j— ( 'C u X

2

2 Ị s s N 9 8

98

r A r

s A

ị c, DK< P h '* ' ^ C 0 2E t Ptì*

s

y//C O , E t rA s Ph'x' v ^ C

0

2E t P i r ^

COgEt

Hình ỉ.

7 7 X ú c tá c p h ứ c đ ồ n g trê n c ơ s ờ b is ( o x a z o lin e ) c ố đ ịn h trê n c h ấ t m a n g s ỉỉ ic a 9 8 (ú) v à p h à n ứ n g g iữ a styre n e v ớ i e th y ỉ d ia z o a c e ta te s ử d ụ n g x ú c tá c 9 8 (b)

130 CHƯƠNG 1 1) — O - P Me X — o 2) Cu(OTỈ)2 m — r o , o v o ^ S i S k

I

ổ M e M e ồ 9 9

( ° T Y )

y ^ N N ^ / SH 1) P h — C u ° Me S i — O ' ,S H 2) C u ( O T f

)2

1--- í---1--- r Òs >

-Si

" Si ' ÌDMa OMe 100 p h J f Ó ồ T f P h H ìn h 1.78 Xúc tác phức đầng trên cơ sờ bỉs(oxazoỉỉne) cổ định trên chất mang silica 99 và ỉ 00 sử dụng cho phản ứng giữa styrene với ethyl diazoacetate

xúc TÁC CÓ KHẢ NẤNG THU HÔI VÀ TÁI sử DỤNG 131 M ột loại phản ửng khác được nghiên cứu thực hiện sử dụng xúc tác phức cô định trên chât mang rắn là phản ứng hình thành vòng b a cạnh từ alkene. Tác già Shannon bắt đầu từ methylene-bis-[(45')-4-phenyl-2- oxazoline], gắn thêm nhóm trimethoxysilane, tạo phức với muối đồng, và sau đó cố định lên chất mang silica hình thành xúc tác 98 (H.1.77a) (84). Hàm lượng đồng có mặt trên xúc tác vào khoảng 0,16 m m ol/g xúc tác. Xúc tác 98 được sử dụng cho phản ứng hình thành vòng ba canh bất đối xứng giữa styrene và ethyl diazoacetate với hàm lượng xúc tác nhỏ hơn 1 m ol% ở

nhiệt độ thường trong dung môi dichloroethane (H.1.77Ò). Phản ứng cho hiệu suất đạt 47,4 % ở hàm lượng xúc tác 0,24 mol%, tỷ lệ sàn phẩm trans /

C IS vào khoảng 1,95, độ chọn lọc quang học đạt 46% ee cho sàn phẩm dạng cis và 51 % ee cho sản phẩm dạng tram . Hoạt tính cũng như độ chọn lọc của xúc tác đồng thể tương ứng thấp hơn xúc tác 98, ví dụ ờ hàm lượng xúc tác đồng thể là 1 mol%, phản ứng cũng chi cho hiệu suất vào khoảng 46,3%. Sau khi phản ứng kết thúc, xúc tác 98 được thu hồi, rừa với dichlorom ethane và tái sử dụng m à hiệu suất cũng như độ chọn lọc giảm không đáng kể, ở lần tái sử dụng vẫn đạt hiệu suất 46,6% , độ chọn lọc quang học đạt 42% ee cho sản phẩm dạng cis và 45% ee cho sản phẩm dạng tram . Sự giảm hoạt tính xúc tác đuợc giải thích dựa trên sự hấp phụ sản phẩm phụ lên bề m ặt xúc tác, tuy nhiên vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết.

Cũng nghiên cứu phản ứng phản ứng hình thành vòng ba cạnh từ alkene sử dụng xúc tác phức kim loại trên cơ sở bis(oxazoline) cố định trên chất mang rắn, tác giả M ayoral điều chế các hệ xúc tác tương tự như tác giả Shannon nói trên (xúc tác 99 và 100 H .l .78). Trong đó, hai nhóm vinyl hoặc vinylbenzene được gắn vào ligand họ bis(oxazoline) nói trên, làm cơ sờ cho việc cố định xúc tác phức lên chất m ang silica thông qua phản ứng giữa các liên kết đôi này và nhỏm -S H để hình thành liên kết thioether (85). Các xúc tác này được sủ dụng cho phản ứng hỉnh thành vòng ba cạnh bất đối xứng giữa styrene và ethyl diazoacetate. Tỷ lệ sản phâm tra m / cìs cũng không thay đổi so với phản ứng sử dụng xúc tác 98, vào khoảng 2,0. Tuy nhiên độ chọn lọc quang học cùa sản phẩm thẩp hơn trường hợp sừ dụng xúc tảc 98, chỉ vào khoảng 9 - 29% ee cho phản ứng sử dụng xúc tác 100 (ligand có chứa nhóm vinyl). K ết quả nảy thấp hom trường hợp sử dụng xúc tác đồng thê tương ứng, với độ chọn lọc của sản phâm vào khoảng 29 - 80% ee. Phản ứng sử dụng xúc tác 99 (ỉigand chứa nhỏm vinylbenzene) cho độ chọn lọc của sản phẩm cao hơn, vào khoảng 6 - 65% ee. Tuy nhiên, giá trị này vẫn

thấp hơn trường họp sử dụng xúc tác đồng thể tương ứng, với độ chọn lọc của sản phẩm vào khoảng 40 - 8 6% ee. Các xúc tác rắn này có khả năng thu hồi và tái sử dụng ít nhất năm lần m à hoạt tính và độ chọn lọc giảm không đáng kể so với trường hợp sử dụng xúc tác mới.

132 CHƯƠNG 1 a) M e M e V / o B u Bu Bu 101 O H O H b)

( T 4

(+/•) H zO (

0,7

equiv.), 'S M B , 3H 101 (0,3 mol%) + 9

H ìn h Ỉ, 79 X úc tác phức cobalt họ saỉen cổ định trên chất m ang silica 101 (a) và phản ứng phân giải thủy động học hỗn hợp racemic sử dụng xúc tác l ỡ ỉ (b) N hư đã giới thiệu ở các phần trước đây, hệ xúc tác phức kim loại chuyển tiếp với ligand họ salen đa và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Trong đó, phức cobalt do tác giả Jacobsen phát triển được sử dụng làm xúc tác cho phản ứng phân giải thúy động học hỗn họp racemic của các oxide hữu cơ nói riêng cũng như phản ứng phân giải hỗn hợp racemic của các oxide hữu cơ nói chung. Bên cạnh các xúc tác phức cobalt đồng thể hoặc cố định lên chất mang polym er, tác giả Jacobsen cũng cố định phức cobalt lên chât m ang silica thông qua liên kêt ester và m ột chuỗi hydrocarbon nhằm tăng độ linh động của các tâm xúc tác, hạn chế ảnh hưởng của vẩn đề truyền khối (xúc tác 101 H.1.79a) (8 6). Xúc tác 101 được sử đụng cho phản ứng phân giải hỗn hợp racem ic của styrene oxide thành đồng phân quang học tinh khiết và hợp chất diol tương ứng (H.1.79b). Phản ứng cho độ chuyển hóa 50%, sản phẩm styrene oxide với độ chọn lọc quang học 89,9% ee, v à sản phẩm diol có độ chọn lọc 96,3% ee. c ầ n lưu ý độ chuyển h ỏa tối ưu của phản ứng phân giải hỗn hợp racem ic là 50%. Hoạt tính và độ chọn lọc của phản ứng sử dụng xúc tác 1 0 1 gần tưùng tự như

trường hợp sử dụng xúc tác đồng thể tương ứng. Ngoài ra, xúc tác 101 còn có thể sử dụng cho phản ứng dạng liên tục với thiết bị dạng xúc tác tầng cố định, tạo điều kiện dễ dàng cho quá trinh tách và tinh chế sản phẩm. Trường

xúc TÁC Cỏ KHẢ NĂNG THU HỒI VÀ TÁ! sử DỤNG 133 hợp sử dụng xúc tác đồng thể, khi tách sản phẩm bằng phương pháp chưng cat, oxide him cơ linh khiêt quang học thường bị racemic hóa dưới tác dụng của nhiệt độ và xúc tác phức cobalt, làm cho quá trình phân giải racemic giảm hiệu quả. Vi vậy, việc cố định xúc tác và sử dụng trong thiết bị dạng liên tục như vậy có nhiều ưu điếm cần phát huy cho tổng hợp hữu cơ nói chung và các phản ứng phân giải hỗn hợp racemic nói riêng.

1: R 1=Ph, R 2=R3=H, R 4=Rb=1Bu 1 0 2 \ 2: R 1= -(CI-y4-, Rz=R3=H, R 4=R5=1Bu 3: R s - f C H j V , R Z=H, R 3= B u , R 4=Rs=H 4i R 1=-(CH2)4-, R 2= H ,R3=R4=R5='b u b) 10 2 . o ỌH ,O H H ìn h 1.80 X úc tác phứ c cobalt hụ saỉen cổ định trên chất m ang silica 102

(a) và phản ứng phán giải thủy động học của epỉchỉorohydrm sứ dụng xúc ỉủc 1 0 2 (b)

Tương tự như vậy, tác giả Kim đã cố định xúc tác phức cobalt họ salen lên chất m ang silica MCM-41 thông qua nhóm imine, được hinh thành nhờ phàn ứng giữa nhóm aldehyde và nhóm am ine (xúc tác 102 H. 1.80a) {87). Trong đó, nhóm am ine được cố định ỉên silica nhờ phản ímg giữa 3- am inopropỵltrim ethoxysilane và các nhóm -O H trên bề mặt MCM-41 như đirợc mô tả ở hình 1.48. Xúc tác 102 được sử dụng cho phản ứng ứng phân giải thủy động học hỗn hợp racemic của epichlorohydrin hoặc styrene oxide thành các sản phẩm điol và oxide tinh khiểt quang học tương ứng (H .l .80b). Phàn ứng được tiến hành trong dung môi acetonitrile hoặc tetrahydrofuran ờ

134 CHƯƠNG 1

nhiệt độ thường. Kết quả cho thấy các oxide được phân giải với độ chọn tọc quang học tương đối cao, đạt 92% ee cho ữường hợp epichlorohydrin và 98% ee cho trường hợp styrene oxide. Kết quà này tương tự như trường hợp phản ứng sử dụng xúc tác đồng thể tương ứng. Tuy nhiên tốc độ phản ứng của trường họp xúc tác dị thể tương đối chậm do ảnh hưởng của vấn đề truyền khối khống chế, vì vậy thời gian phàn ứng cần phải dài hơn trường hợp xúc tác đồng thể. v ấ n đề thu hồi và tái sử dụng xúc tác vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết trong trường hợp này.

Sử dụng hệ xúc tác tương tự như của tác giả M ayoral (xúc tác 99 và 100), tác giả Corma cũng dựa trên hệ xúc tác phức đồng cùa bis(oxazoline) và cố định lên chất mang silica, hình thành xúc tác 103 (H. 1.8la) (55). Trong đó, sử dụng phản ứng gốc tự do giữa liên kết c = c và nhóm -SH hình thành liên kết thioether để làm cơ sở cho việc cố định xúc tác. Xúc tác được thiết kế sao cho được liên kết với bề m ặt chất m ang bàng chuỗi hydrocarbon chứa chín nguyên tử carbon, nhằm tăng độ linh động cho tầm xúc tác. N hờ vậy, hạn chế được các ảnh hưởng bất lợi do vấn đề truyền khối khống chế gây ra. Xúc tác 103 được sử dụng cho phản ứng Friedel-Crafts hydroxyalkyl hóa giữa 1,3-dim ethoxybenzene với 3,3,3-trifluoropyruvate trong dung môi acetonitrile ở nhiệt độ thưcmg (H.1.81b). Phản ứng xảy ra với hiệu suất đạt 72% và sản phẩm có độ chọn lọc quang học' đạt 92% ee. Trong khi đó, phản ứng sử dụng xúc tác đồng thể tương ứng đạt hiệu suất 56% và độ chọn lọc quang học đạt 8 6% ee trong cùng điều kiện phản ứng.

Tuy nhiên, sự khác biệt về hoạt tính và độ chọn lọc giữa xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể trong trường hợp này vẫn chưa được giải thích rõ ràng. Bên cạnh đó, tác giả còn khảo sát hoạt tính cùa dung dịch phản ứng sau khi đã tách xúc tác. K et quả cho thấy dung dịch phản ứng không có hoạt tính, chứng tò phản ứng thật sự xảy ra dị thể. Sau khi phản ứng kết thúc, xúc tác được tách ra khỏi dung dịch phản ứng bàng phương pháp lọc, được rửa bàng dichlorom ethane và tái sử dụng cho cùng phàn ứng m à hoạt tính không giảm đảng kể.

xúc TẤC CỐ KHẢ NĂNG THU HÔI VÀ TÁI sử DỤNG 135 a) ƯỊ Ó o ■k H ,CO o ^ V Ph

- o 4 i/ V " %

/ V ' (CHd\ y Ẳ . ặ

/ s \ / ( C u H 3C O / > = N ' N °nA — O S i( C H

3)3

103 Ph O C H 3 - - , Ẳ

H ìn h ỉ . 81 X úc tác phức đồng cố định (rên chất m ang silica 103 (a) và p hàn ứng Friedel-Crafts hyároxyalkyỉ hỏa sử dụng xúc (ác 103 (b)

136 CHƯƠNG 1 a)

— c>

' ° ' S L . O M e • O S i( M e

)3

O H C H O b)

Ă

P h H M e , S i C N 1 0 4 O T M S P h ^ " " C N

Hình

1 .8 2 X ú c tủ c p h ứ c tita n iu m h ọ s a le n c ổ đ ịn h trô n c h á t m a n g s ilic a 1 0 4 (a) và p h ả n ứ n g t r im e t h y ls iỉy ỉ h ó a s ử d ụ n g x ú c tá c 1 0 4 (b)

xúc TÁC CÓ KHẢ NĂNG THU HÓì VÀ TÁI s ử DỤNG 137 Tác giả Kim dựa trên hệ xúc tác phức salen do Jacobsen phát triển đế điều chê xúc tác phức titanium cố định trên chất mang silica (xúc tác 104 H.1.82a) (59). Trong đó, 3-mercaptopropyltrimctho^ysilane được cá định lên chất mang silica theo phương pháp mô tả ờ hình 1.48, sau đó là phản ứng gốc tự đo giữa nhóm -S H và nhóm c = c để cổ định phần aldehyde hình thành hệ ligand salen tương ứng. Tiếp theo là phản ứng giữa aldehyde này

No documento Hóa học xanh trong tổng hợp hữu cơ. Tập 1 (Xúc tác xanh và dung môi xanh) - Phan Thanh Sơn Nam (páginas 116-147)