Phản ứng hữu cơ trong dung môi nước

I. Cái nhìn dưới góc độ Hóa học xanh

Rõ ràng việc thay thế các dung môi hữu cơ độc hại bằng nước có những ưu điểm rất nổi bật, bao gồm hạ giá thành (nước ở đâu cũng có), an toàn (không gây bệnh tật và các vấn đề cháy nổ) và thân thiện môi trường. Bên cạnh đó các kết quả nghiên cứu gần đây cũng cho thấy rằng việc sử dụng dung môi nước có khả năng àm tăng tốc độ phản ứng hữu cơ. Việc tách sản phẩm hữu cơ ra khỏi pha nước cũng rất dễ dàng bằng phương pháp tách pha (cho dung môi hữu cơ vào thì sản phẩm sẽ chuyển về pha hữu cơ).

II. Các phản ứng hóa học trong môi trường nước

Có thể thực hiện được ở trong nước nhiều loại phản ứng hữu cơ với kết quả rất tuyệt vời.

Chẳng hạn phản ứng thế nucleophile

Cộng Diels – Alder

Hay phản ứng Passerini

Do nước là một dung môi phân cực tốt nên vi sóng cũng góp phần vào

III. Kỹ thuật thực nghiệm

Thông thường để xảy ra phản ứng thì các chất phải ở trong môi trường đồng thể. Tuy nhiên một hạn chế lớn của nước khiến cho nó bị bỏ quên trong một thời gian dài là do nước hòa tan kém các chất hữu cơ. Như vậy làm thế nào để có thể tiến hành phản ứng hữu cơ trong dung môi nước? Có khá nhiều nghiên cứu đã được tiến hành, ở đây chủ yếu giới thiệu các cách sau đây:

1. Sử dụng đồng dung môi

Nguyên tắc: Sử dụng thêm một đồng dung môi hữu cơ làm tăng độ tan của chất trong pha nước do giảm mật độ liên kết hydro nên giảm khả năng tách các chất không phân cực ra khỏi dung môi. Các đồng dung môi thường gặp là DMF, axeton, axetonitrin hay các ancol mạch ngắn… (do chúng có thể tan tốt trong nước) chẳng hạn phản ứng cộng vòng 1,3-lưỡng cực sau:

Nhược điểm: Có thể có ảnh hưởng không tốt đến phản ứng, đặc biệt các phản ứng có mặt thành phần tích điện hay độ phân cực cao

2. Chỉnh pH

Nguyên tắc: Biến đổi một tác chất trở thành mang điện tích sẽ làm tăng độ tan của nó trong nước, và khi kết thúc phản ứng có thể điều chỉnh lại pH để kết tủa sản phẩm

Nhược điểm: Làm thay đổi cấu trúc hóa học của tác chất nên không có ứng dụng rộng rãi

3. Dùng xúc tác chuyển pha

Nguyên tắc:

Ở đây các xúc tác chuyển pha hay được sử dụng là các chất hoạt động bề mặt, trong đó các tác chất phân cực được phân bố chủ yếu ở trên bề mặt phân cực, nhờ vậy tác chất dễ tan hơn trong nước, bên cạnh đó cũng dễ dàng tách lấy sản phẩm

Nhược điểm: Khó tách sản phẩm khỏi xúc tác, và xúc tác chuyển pha loại muối tetraankylamoni mạch dài rất dễ bị phân hủy

4. Tạo dẫn xuất tan trong nước

Nguyên tắc: Gắn các nhóm ưa nước vào phân tử kém phân cực. Mặc dù không được dùng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ nhưng lại được dùng nhiều trong công nghiệp dược do nhiều dược phẩm không tan được trong nước nên khả năng ứng dụng bị hạn chế đi nhiều. Tuy nhiên khi gắn thêm các nhóm ưa nước thì độ tan tăng đáng kể.

Nhược điểm: Phải tốn thêm các phản ứng phụ để tách nhóm này ra, làm giảm hiệu suất chung

Tài liệu tham khảo

1. Bài giảng Hóa học xanh cho lớp cao học K18 – PGS TS Lê Ngọc Thạch, Đại học KHTN – ĐHQGTPHCM
2. Hóa học xanh trong tổng hợp hữu cơ, tập 1 – PGS TS Phan Thanh Sơn Nam, Đại học Bách Khoa – ĐHQGTPHCM, 2008
3. Organic reaction in water: principles, strategies and applications – U. Marcus Lindstrom – Blackwell publishing, 2007
4. Alternative solvent in green chemistry – Kerton F. M – RSC publishing, 2009
5. Methods and reagent for green chemistry – Pietro Tundo, Alvise Perosa, Fulvio Zecchini, Wiley 2007
6. Green chemistry: An introductory text – Mike Lancaster – RSC publishing, 2003