ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

TIỂU LUẬN MƠN HĨA HỌC XANH

KẾT HỢP VI SĨNG VÀ SIÊU ÂM
TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ

CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC HỮU CƠ
GVHD: GS. TS. LÊ NGỌC THẠCH

TP. Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2020


Nội dung

2


Danh mục hình ảnh

3


Danh mục bảng biểu

4


Đặt vấn đề

Ngày nay, cùng với sự gia tăng dân số, ngành công nghiệp dược phẩm và nhiên liệu cũng
đã không ngừng phát triển cho nhu cầu của con người. Để giải quyết vấn đề này, lĩnh vực
tổng hợp hữu cơ đã được mở rộng và đạt được nhiều thành tựu. Tổng hợp hữu cơ tạo ra
nhiều hợp chất và phát triển các dẫn xuất của chúng để hy vọng tìm thấy các ứng dụng
mới hoặc tăng khả năng tương thích sinh học. Tuy nhiên, một trong những nhược điểm
của các phản ứng hữu cơ là sử dụng nhiều dung mơi, tốn thời gian, sử dụng nhiều năng
lượng. Do đó, nâng cao hiệu quả và khả năng cơ động của phản ứng là một trong những
thách thức thú vị nhất đối với các nhà hóa học tổng hợp.
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã chứng minh vi sóng và siêu âm là hai
phương pháp kích hoạt phản ứng hiệu quả giúp giảm thời gian cũng như làm giảm dung
môi trong phản ứng. Sự kết hợp hai phương pháp thường ít được đề cập do thiết kế hệ
thống phức tạp tuy nhiên hiệu quả mang lại rất đáng mong đợi.

5


I.
Giới thiệu về vi sóng và siêu âm
1. Vi sóng

Vi sóng là sóng điện từ với tần số từ 100 Mhz đến 3Ghz. Dưới tác dụng của điện trường
một chiều, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp theo chiều của điện trường
này. Nếu điện trường là một điện trường xoay chiều, sự định hướng của các lưỡng cực sẽ
thay đổi theo chiều xoay đó. Năng lượng của bức xạ vi sóng làm chuyển động các ion và
chuyển động quay của các lưỡng cực, nhưng không ảnh hưởng đến cấu trúc phân tử. Sự
chuyển động của các ion hoặc lưỡng cực trong điện trường xoay chiều có tần số rất cao
trong chiếu xạ vi sóng gây ra một sự xáo động ma sát rất lớn giữa các phân tử. Đó chính
là nguồn gốc sự nóng lên của vật chất.1-3

Hình 1. Hiện tượng làm nóng lên bởi vi sóng4

Vi sóng có đặc tính là có thể đi xun được qua khơng khí, gốm sứ, thủy tinh, polyme và
phản xạ trên bề mặt các kim loại. Gia nhiệt bằng vi sóng sử dụng tính chất của một số hợp
chất (chất lỏng hoặc chất rắn) để biến đổi năng lượng điện từ thành nhiệt. Chiếu xạ vi

6


sóng nhanh chóng với tồn bộ vật liệu được làm nóng đồng thời. Ngược lại, gia nhiệt
thơng thường chậm và sự nóng lên bắt đầu từ bên ngồi vào trong (hình 2).1

Hình 2. Sự nóng lên của vật chất bằng (a) vi sóng và (b) gia nhiệt truyền thống3
Bên cạnh đó, chiếu xạ vi sóng cịn gây nên hiện tượng quá nhiệt đối với những chất lỏng
phân cực. Hiện tượng này được mơ tả là có sự tăng lên về nhiệt độ sôi từ 13‒26 oC so với
điểm sôi thông thường. Hiện tượng này được dùng để giải thích cho sự gia tăng tốc độ
phản ứng quan sát được trong hóa học hữu cơ và hóa học hữu cơ ‒ kim loại. Hiệu ứng
nhiệt này không dễ dàng tái tạo bằng cách gia nhiệt thơng thường và có thể được sử dụng
để cải thiện năng suất và hiệu quả của một số quá trình nhất định.3
2. Siêu âm

Siêu âm là âm thanh có tần số từ 20 kHz đến 1 MHz. Siêu âm cung cấp năng lượng thông
qua hiện tượng tạo bọt và vỡ bọt có kích thước micromet được tạo ra khi một sóng áp suất
có cường độ đủ lớn truyền qua chất lỏng. Trong môi trường chất lỏng, bọt có thể hình
thành trong nửa chu ky đầu và sẽ vỡ trong nữa chu kì sau và giải phóng năng lượng rất
lớn. Sự vỡ bọt tạo ra các điều kiện cục bộ với hàng nghìn độ Kelvin và hàng trăm khí
quyển kèm theo các sóng xung kích có thời gian cực ngắn. Năng lượng này có thể sử
dụng để tẩy rửa các chất bẩn ngay trong những vị trì không thể tẩy rửa bằng phương pháp
thông thường, khoan cắt những chi tiết tinh vi, hoạt hóa nhiều phản ứng hóa học, …
7



Ngồi ra trong hóa học hợp chất thiên nhiên, siêu âm hỗ trợ tẩm trích làm rút ngắn thời
gian của quá trình. Thiết bị siêu âm hiện nay bao gồm hai dạng: bồn siêu âm (40 kHz) và
thanh siêu âm (20 kHz).1,4

Hình 3. Hiện tượng tạo và vỡ bọt trong siêu âm
II.

Giới thiệu về vi sóng kết hợp siêu âm

Ban đầu, sự kết hợp giữa vi sóng và siêu âm gặp khó khăn bởi cơng nghệ và độ an tồn.
Năng lượng siêu âm được tạo bởi một bộ chuyển đổi (chuyển đổi năng lượng cơ hoặc
điện thành năng lương siêu âm) được đưa đến bình phản ứng bằng một thanh siêu âm,
thường được làm bằng hợp kim titan. Tuy nhiên, sự hiên diện của kim loại đặt bên trong
buồng vi sóng sẽ dẫn đến phóng điện hồ quang có thể làm vỡ mạch hoặc có thể gây nổ
nếu có các hợp chất dễ cháy.4
Để khắc phục tình trạng trên, Chemat và cộng sự đã thiết kế một hệ thống vi sóng kết hợp
siêu âm mà bộ phận siêu âm nằm bên ngồi lị vi sóng (hình 4). Việc phát sóng siêu âm
(20 kHz) được thực hiện ở đáy lò phản ứng. Đầu dị siêu âm khơng tiếp xúc trực tiếp với
8


hỗn hợp phản ứng. Nó được đặt cách trường điện từ một khoảng để tránh tương tác và
đoản mạch. Sự lan truyền của sóng siêu âm trong lị phản ứng được thực hiện nhờ hợp
chất decalin. Chất lỏng này được chọn vì có độ nhớt thấp tạo ra sự truyền sóng siêu âm tốt
và khơng hoạt động đối với vi sóng.5

Hình 4. Sơ đồ hệ thống vi sóng kết hợp siêu âm với bộ phận siêu âm nằm bên ngoài lị vi
sóng.5
Ngồi ra, để khắc phục những hạn chế này, có thể thực hiện chiếu xạ siêu âm với các
thanh siêu âm làm từ thạch anh, thủy tinh pyrex và gốm (hình 5). Tuy nhiên, thạch anh,

thùy tinh pyrex và gốm có chung nhược điểm là dễ vỡ. Năm 2006, Cravotto và các cộng
sự đã báo cáo về thanh siêu âm được làm từ polime chẳng hạn PEEK (polieter eter ceton)
hoặc PTFE (politetrafloroetilen). Những vật liệu có khả năng chống va đập cao hơn nhiều
và có thể được nối chắc chắn hơn với bộ tăng áp (hình 5).4

9


Hình 5. Các loại thanh siêu âm làm từ thạch anh, thủy tinh pyrex và PEEK.4
Có nhiều hệ thống siêu âm kết hợp vi sóng khác nhau. Một trong số đó là siêu âm kết hợp
với lị vi sóng gia dụng (hình 6a). Tuy nhiên nhược điểm của các lị vi sóng gia dụng là độ
lặp lại thấp và khơng cho phép kiểm sốt chính xác các thơng số phản ứng. Do đó nên áp
dụng chiếu xạ song song hoặc đồng thời vi sóng và siêu âm với các hệ thống đa chế độ
chuyên nghiệp hiện có trên thị trường (hình 6b).4

Hình 6. (a) Hệ thống siêu âm kết hợp với lị vi sóng gia dụng và (b) Hệ thống vi sóng/siêu
âm đa chế độ.4

10


Ngồi ra, một số lị phản ứng vi sóng kết hợp siêu âm còn được thết kế thêm hệ thống
dòng chảy để phù hợp cho các quy trình tổng hợp tự động (hình 7).4

Hình 7. Hệ thống siêu âm/vi sóng kết hợp phản ứng dịng chảy4
III.
Kết hợp vi sóng và siêu âm trong tổng hợp hữu cơ
1. Phản ứng Knoevenagel‒Doebner tổng hợp acid 3-arilacrilic6

Acid cinamic và các dẫn xuất của nó là những chất nền quan trọng trong tổng hợp hữu cơ.

Thông thường, chúng được tổng hợp từ phản ứng giữa aldehid hương phương và acid
malonic (phản ứng Knoevenagel – Doebner) hoặc anhidrid acetic (phản ứng Perkin).
Trong đó, Phản ứng Knoevenagel – Doebner được thực hiện trong dung môi hữu cơ là các
amin bậc 1 hoặc bậc 2. Tuy nhiên, dung môi hữu cơ được sử dụng trong phản ứng này
được xếp hạng cao trong danh sách các hóa chất gây hại vì tính chất dễ bay hơi, độc tính
đáng kể và được sử dụng với số lượng lớn cho phản ứng. Mặt khác, các amin bậc hai
được sử dụng như chất xúc tác trong các quy trình này rất khó thu hồi và thường kéo theo
ơ nhiễm mơi trường nghiêm trọng trong quá trình xử lý chất thải. Do đó, cần phải nghiên
cứu để đưa ra các phương pháp mới, chất nền rẻ tiền và các điều kiện thân thiện với môi
trường.

11


Năm 2003, Peng và Song đã thực hiện phản ứng Knoevenvagel – Doebner trong dung
môi là nước và sử dụng phương pháp vi sóng kết hợp siêu âm. Việc kết hợ cà hai phương
pháp trên giúp làm giảm được thời gian phản ứng (65 giây) rất nhiều so với gia nhiệt
truyền thống (7 giờ) hoặc làm riêng lẽ siêu âm (2,5 giờ) và vi sóng (30 phút) (bảng 1).
Bảng 1. So sánh hiệu suất giữa các phương pháp tổng hợp acid cinnamic

2. Phản ứng Mannich tổng hợp β-aminoceton7

Phản ứng Mannich là một trong những phản ứng quan trọng nhất trong hóa học hữu cơ.
Nó là một phương pháp tạo liên kết cacbon‒cacbon hữu ích và được áp dụng rộng rãi như
một bước quan trọng trong quá trình tổng hợp nhiều dược phẩm. Phản ứng bao gồm các
chất nền là formaldehid, một amin và một hợp chất carbonil với dung môi truyền thống là
etanol. Tuy nhiên, phản ứng vẫn gặp hạn chế do etanol là dung môi dễ bay hơi và dễ cháy.
Năm 2005, Peng và cộng sự đã thực hiện phản ứng Mannich trong dung môi là nước và
trong điều kiện vi sóng kết hợp siêu âm. Với phương pháp trên, phản ứng cũng dã rút
ngắn được thời gian so với những điều kiện khác đồng thời đã thay dung môi etanol thành

nước than thiện với môi trường.

12


Bảng 2. So sánh hiệu suất giữa các phương pháp trong phản ứng Mannich.

3. Phản ứng Williamson tổng hợp ester8

Phản ứng Williamson là phản ứng rất hữu ích trong tổng hợp hữu cơ vì các sản phẩm có
giá trị trong công nghiệp. Tổng hợp Williamson sử dụng tác chất và chất nền muối kim
loại kiềm của các hợp chất hidroxil và halogenur. Các phản ứng này thường được thực
hiện bằng cách đun hoàn lưu hỗn hợp phản ứng trong dung môi hữu cơ hoặc với chất xúc
tác tác chuyển pha. Nhiều năm trước đây đã có báo cáo rằng quá trình tổng hợp
Williamson được thúc đẩy bằng cách chiếu xạ siêu âm với sự có mặt của các chất xúc tác
chuyển pha. Tuy nhiên sự kết hợp giữa vi sóng và siêu âm bên cạnh làm giảm thời gian
phản ứng nó cũng khơng cần sử dụng dung mơi hữu cơ lẫn xúc tác chuyển pha như những
phương pháp truyền thống. Đây được xem như một phương pháp hiệu quả, tiết kiệm và
thân thiện với môi trường để tổng hợp nên các eter.
Bảng 3. So sánh hiệu suất giữa các phương pháp trong phản ứng Williamson

13


4. Phản ứng tổng hợp các dẫn xuất của 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol9

Các dẫn xuất khung 4H-pyran được báo cáo có nhiều hoạt tính sinh học quan trọng. Trong
nghiên cứu về phản ứng tổng hợp hợp chất 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol từ 5-etoxicarbonil-2amino-4-phenil-3-ciano-6-metil-4H-pyran và hidrazin, nhóm tác giả đã báo cáo rằng phản
ứng trên được thực hiện trong điều kiện vi sóng kết hợp siêu âm đã rút ngắn được thời
gian phản ứng cũng như tăng đựơc hiệu suất và thay thế dung môi hữu cơ truyền thống

bằng nước. Sự thay đổi độ chuyển hóa theo thời gian của các phương pháp được thể hiện
ở đồ thị hình 8. Nhận thấy sự kết hợp hai phương pháp cho độ chuyển hóa 100 % chỉ sau
chưa đầy một phút, hơn hẳng những phương pháp truyền thống.

Hình 8. Sự thay đổi độ chuyển hóa theo thời gian của phản ứng tổng hợp 4H-pyrano[2,3c]pyrazol trong điều kiện khuấy từ, vi sóng, siêu âm và vi sóng kết hợp siêu âm

14


Bên cạnh đó, các dẫn xuất cũng được tổng hợp. Tất cả đều cho hiệu suất cao với thời gian
ít hơn 1 phút (bảng 4).
Bảng 4. Hiệu suất cô lập của các dẫn suất 4H-pyrano[2,3-c]pyrazol và thời gian tổng hợp
nên chúng

5. Phản ứng Suzuki ghép cặp C‒C10

Các hợp chất biaril có mặt trong rất nhiều hợp chất hữu cơ phổ biến như hợp chất thiên
nhiên, dược phẩm, thuốc diệt cỏ, polyme dẫn và vật liệu kết tinh lỏng. Do đó, việc phát
triển các phản ứng đơn giản và thân thiện với môi trường để ghép cặp aril-aril là một vấn
đề đáng được quan tâm. Phản ứng Suzuki tổng hợp nên các hợp chất biaril từ các dẫn xuất
của acid arilboronic với aril halogenur từ lâu đã được ứng dụng trong quy mơ phịng thí
nghiệm lẫn cơng nghiệp. Để làm cho nó thân thiện với mơi trường hơn, mục tiêu quan
trọng là sử dụng nước làm dung môi và loại bỏ được palladium trên carbon. Báo cáo của
Cravoto và cộng sự đã thực hiện phản ứng Suzuki bằng phương pháp vi sóng kết hợp siêu
âm cho hiệu suất của phản ứng cao hơn so với tách riêng lẻ ra từng phương pháp (bảng 5).
Bên cạnh đó, nhóm tác giả đã nỗ lực giảm việc sử dụng dung môi hữu cơ bằng các thêm
nước vào hệ thống.

15



Bảng 5. Hiệu suất của các phản ứng Suzuki trong điều kiện siêu âm, vi sóng và vi sóng
kết hợp siêu âm

6. Phản ứng trans‒ester hóa vi tảo11

Nhiên liệu sinh học là nguồn năng lượng bền vững hấp dẫn hơn so với nhiên liệu hóa
thạch truyền thống khi chúng ta đang phải đối mặt với thách thức ngày càng gia tăng của
khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường. Vi tảo đã được nghiên cứu kỹ lưỡng
trong những năm gần đây như một nguyên liệu đầy hứa hẹn để sản xuất nhiên liệu sinh
học do các đặc tính bao gồm tăng trưởng nhanh, hàm lượng lipid cao, hấp thu CO 2 và xử
lý nước thải. Một trong những phương pháp phổ biến nhất để sản xuất nhiên liệu sinh học
là phản ứng trans‒ester hóa triglycerid (hợp chất lipid trong vi tảo) với sự có mặt của
metanol và chất xúc tác. Sản phẩm thu được là các metil ester của axit béo được đặt tên là
biodiesel và glixerol. Dưới sự kích hoạt của vi sóng đồng thời siêu âm, hiệu suất của phản
ứng đạt hiệu suất lên đến 90 % chỉ sau 30 phút, cao hơn hẳn khi làm riêng lẽ bằng hai
phương pháp (hình 9).

16


Hình 9. Đồ thị hiệu suất theo thời gian của phản ứng trans‒ester hóa vi tảo bằng ba
phương pháp là vi sóng, siêu âm và si sóng kết hợp siêu âm.
IV.

Kết luận

Vi sóng kết hợp siêu âm có thể được áp dụng một cách đơn giản cho nhiều phản ứng hóa
học. Phương pháp này giúp làm giảm thời gian phản ứng nhiều lần so với phương pháp
truyền thống cũng như tăng hiệu suất phản ứng. Bên cạnh đó trong nhiều phản ứng,

phương pháp này cịn thay thế những dung mơi hữu cơ bằng dung môi nước thân thiện
với môi trường. Tuy nhiên, cho đến nay chỉ có một số nghiên cứu hạn chế mơ tả các thí
nghiệm được thực hiện song song vi sóng và siêu âm do trở ngại về thiết bị cũng như việc
khảo sát các tham số tối ưu của cả hai quá trình. Vì vậy, cần nhiều hơn nữa các nghiên
cứu về sự kết hợp vi sóng và siêu âm để xác định ưu và nhược điểm của quy trình này
trong tổng hợp hữu cơ.

17


Tài liệu tham khảo
1. Lê Ngọc Thạch, Tinh dầu, NXB ĐHQG TP.HCM, 2003, 98-101.
2. Chemat, S., Lagha, A., Amar, H.A. and Chemat, F., 2004. Ultrasound assisted

microwave digestion. Ultrasonics Sonochemistry, 11(1), 5-8.
3. Hoz, A., Diaz-Ortiz, A. and Moreno, A., 2005. Microwaves in organic synthesis.
Thermal and non-thermal microwave effects. Chemical Society Reviews, 34(2),
164-178.
4. Cravotto, G. and Cintas, P., 2007. The combined use of microwaves and
ultrasound: improved tools in process chemistry and organic synthesis. Chemistry–
A European Journal, 13(7), 1902-1909.
5. Chemat, S., Lagha, A., Amar, H.A. and Chemat, F., 2004. Ultrasound assisted
microwave digestion. Ultrasonics Sonochemistry, 11(1), 5-8.
6. Peng, Y. and Song, G., 2003. Combined microwave and ultrasound accelerated
Knoevenagel–Doebner reaction in aqueous media: a green route to 3-aryl acrylic
acids. Green chemistry, 5(6), 704-706.
7. Leveque, J.M. and Cravotto, G., 2006. Microwaves, power ultrasound, and ionic
liquids. A new synergy in green organic synthesis. Chimia International Journal
for Chemistry, 60(6), 313-320.
8. Peng, Y. and Song, G., 2002. Combined microwave and ultrasound assisted

Williamson ether synthesis in the absence of phase-transfer catalysts. Green
chemistry, 4(4), 349-351.
9. Peng, Y., Song, G. and Dou, R., 2006. Surface cleaning under combined
microwave and ultrasound irradiation: flash synthesis of 4 H-pyrano [2, 3-c]
pyrazoles in aqueous media. Green Chemistry, 8(6), 573-575.
10. Cravotto, G., Beggiato, M., Penoni, A., Palmisano, G., Tollari, S., Lévêque, J.M.
and Bonrath, W., 2005. High-intensity ultrasound and microwave, alone or
combined,

promote

Pd/C-catalyzed

aryl–aryl

couplings. Tetrahedron

letters, 46(13), 2267-2271.
11. Ma, G., Hu, W., Pei, H., Jiang, L., Song, M. and Mu, R., 2015. In situ

heterogeneous transesterification of microalgae using combined ultrasound and
microwave irradiation. Energy Conversion and Management, 90, 41-46.

18


19