به نام خدا

جلسه ششم: فهرست مطالب: نقش حلال در سنتز موادآلي حلال هاي جايگزين حلال هاي ايمن تر استفاده از آب به عنوان حلال در واكنش هاي سنتزي استفاده از مايعات يوني

حلال ها نقش حلال در سنتز موادآلي معمولا اولين نقش حلال ايجاد محيطي است كه در آن مواد اوليه مي توانند با همديگر برخورد نموده و واكنش دهند آب، اسيد استيک، الکل ها قطبي پروتون دار (Protic Solvent) قطبي استن، اتر، استونيتريل قطبي بدون پروتون (Aprotic Solvent) حلال ها هگزان، آلکان ها، تتراکلريد کربن و... غير قطبي نقش حلال را مي توان به شرح ذيل خلاصه نمود: بستر مناسب براي انتقال و کنترل حرارت، با هر حلالي دما در حالت رفلاكس ثابت باقي مي ماند و نگراني براي تغيير درجه حرارت وجود ندارد. به عنوان مثال در صورتيکه دماي 76 درجه نياز است از اتيل استات و يا حلال هاي با نقطه جوش مشابه استفاده مي گردد. وسيله اي براي جداسازي و خالص سازي محصولات مي باشند و همچنين در صنعت عطر سازي، رنگ سازي، دارو سازي و ... امکان توليد محصولات با غلظت هاي مختلف را ممکن مي سازد. تامين بخشي از انرژي اکتيواسيون توسط حلال از طريق حلال پوشي گونه هاي واکنش دهنده مقدور مي گردد. به گونه اي که اگر از حلال استفاده نشود معادل انرژي مورد نياز براي انجام واكنش در فاز گازي، انرژي لازم است.

به عنوان مثال واکنش زير در صورتي که در حلال آب نباشد، بايد معادل انرژي لازم براي تفکيک پيوند کربن - برم ( C – Br ) را تامين نمود. در حالي که در حضور آب اين مقدار انرژي به كمتر از يک پنجم کاهش مي يابد. براي واکنش هاي SN2، حلال هاي قطبي بدون پروتون مناسب مي باشند. زيرا حلال هائي مانند استن، استونيتريل، تتراهيدروفوران، DMF , DMSO , HMPA يون مثبت را حلالپوش مي کنند و آنيون را ( که به عنوان نوکلئوفيل عمل مي کنند) رها مي سازند، و فعاليت آن را افزايش مي دهد. در صورتيکه حلال قطبي پروتون دار براي واکنش هاي SN1 مناسب مي باشند. زيرا در اين واکنش ها حد واسط هاي يوني تشکيل شده در حلال ها ي پروتون دار بيشترين پايداري را دارند.

در نتيجه سرعت انجام واكنش نوكلئوفيلي افزايش پيدا مي كند. حلال دي متيل سولفوكسايد (DMSO) داراي پيوند دوگانه گوگرد – اكسيژن بوده كه به شدت قطبي است و دانسيته بار منفي روي اتم اكسيژن بيشتر بوده و اتم گوگرد داراي دانسيته بار مثبت مي باشد. بار مثبت در داخل مولكول قرار دارد و امكان برهم كنش با يونهاي منفي محيط را ندارد. در حاليكه بار منفي در نوك مولكول قرار دارد و به سهولت با كاتيون هاي موجود در محيط (مانند يون مخالف هسته دوست) برهم كنش داشته و به اصطلاح كاتيون حلال پوش شده و آنيون كه حلال پوشي مؤثري روي آن صورت نمي گيرد و با آزادي بيشتري وارد واكنش مي شود. در نتيجه سرعت انجام واكنش نوكلئوفيلي افزايش پيدا مي كند.

واكنش زيردر حلال دي متيل سولفوكسايد (DMSO) انجام مي گيرد حلال پوشي كاتيون سديم توسط حلال قطبي در دي متيل سولفواكسايد كاتيون سد يم داري شعاع مشخصي مي باشد كه هنگام حلال پوش شدن شعاع مؤثر كاتيون افزايش يافته و برهم كنش آن با يون مخالف (كه به عنوان هسته دوست عمل مي كند) كمتر شده و سرعت انجام واكنش نسبت به حالتي كه چنين برهمكنشي وجود نداشته باشد، بيشتر است.

حلال غيرقطبي ( بخاطر كاهش انرژي اكتيواسيون) براي واكنش زير چه حلالي مناسب تر است؟ چرا؟ حلال غيرقطبي ( بخاطر كاهش انرژي اكتيواسيون) در اين واکنش هر دو گونه واکنشگر باردار هستند، ولي در حالت گذار از تراکم بار روي گونه ها کاسته مي شود. با توجه به اين موضوع، اگر حلال انتخاب شده قطبي باشد، برهمکنش حلال با مواد اوليه بيشتر از برهمکنش آنها در حالت گذار مي باشد، زيرا در حالت گذار به دليل حلال پوشي تراکم بار کمتر است و برهم کنش بين واكنشگرها ضعيف تر مي باشد. بنابراين پايداري حاصل شده از حلال پوشي در حالت پايه از پايداري حاصل شده ناشي از حلال پوشي در حالت گذار بيشتر بوده که نتيجه نهايي آن افزايش انرژي اکتيواسيون واکنش در اين حلال مي باشد. در نتيجه حلال قطبي براي اين واكنش مناسب نيست؛ درحاليکه درحلال غيرقطبي گونه هاي واکنش دهنده کمتر از گونه حدواسط در حالت گذار حلال پوش شده و انرژي اکتيواسيون واکنش در اين حلال کاهش پيدا مي کند و اين حلال براي انجام واکنش مناسب مي باشد.

براي واكنش زير چه حلالي مناسب تر است؟ چرا؟ براي واکنش بالا حلال قطبي مناسب است، زيرا گونه هاي واکنش دهنده خنثي مي باشند و درحالت گذار جدائي بار وجود دارد که برهمکنش حلال با اين بارهاي تشکيل شده در حدواسط موجب پايداري حالت گذار و کاهش انرژي اکتيواسيون مي شود وسرعت واکنش افزايش پيدا مي کند.

يون كلريد معمولا يك هسته دوست ضعيف است، ولي در واكنش زير به عنوان يك باز عمل مي كند. چه عاملي موجب اين اتفاق شده است؟ حلال DMF (دي متيل فرماميد) كاتيون ليتيم را به خوبي حلال پوش كرده و قدرت بازي كلر را افزايش داده و واكنش حذفي صورت پذيرفته است.

حلال هاي جايگزين به منظور کاهش مقدار مواد زايد، حلال هاي سمي، فرار و اشتعال پذير و انرژي در شيمي سبز، جايگزين هائي براي حلال هاي آلي در نظر گرفته شده است که مي توان به موارد زير اشاره کرد: استفاده از حلال هاي ايمن تر استفاده از آب به عنوان حلال انجام واکنش ها در شرايط بدون حلال استفاده از پلي اتيلن گليکول ها به عنوان محيط واکنش استفاده از مايعات يوني و سيال هاي فوق بحراني استفاده از حلال هاي پرفلوئوره که ايجاد کننده محيط دوفازي مي باشند.

حلال هاي ايمن تر يکي از مهمترين اصول شيمي سبز تاکيد مي کند که: از مواد کمکي نظير حلال ها، عوامل جداسازي و ... تا آنجا که امکان دارد کمتر استفاده شود و تنها در مواردي که اجتناب ناپذير است، استفاده شود. بسياري از حلال هاي متداول (بنزن، حلال هاي آلي کلر دار و...) به عنوان مواد سرطانزا شناخته شده اند و بسياري از رفتارهاي پر خطر ديگري براي محيط زيست دارند. بايد از حلال هاي غير سمي، غير قابل اشتعال و سازگار با محيط زيست، مانند آب استفاده شود. جايگزيني حلال هاي آلي، بايد اثرات زيست محيطي را کاهش دهند. جدول حلال هاي ايمن رديف حلال 1 ايزو آميل الکل 8 بوتيل استات 2 2- اتيل هگزانول 9 n- پروپيل استات 3 2- بوتانول 10 ايزوپروپيل استات 4 اتيلن گليکول 11 دي متيل پروپيلن اوره 5 1- بوتانول 12 پروپانوئيک اسيد 6 دي اتلين گليکول بوتيل اتر 13 اتيل استات 7 t- بوتيل استات 14 متيل ايزوبوتيل کتون

نکته هميشه نياز نيست که حلال تمامي مواد اوليه را حل کند، اگر حلال مواد اوليه را حل نکند و محصول را حل کند و يا بلعکس، بهتر است زيرا جداسازي محصول ساده تر مي گردد. د ر مثال زير مواد اوليه در حلال دي کلرومتان حل مي شوند، در حالي که عامل اکسنده پس از انجام واکنش در دي کلرو متان نامحلول بوده و جداسازي محصول را آسانتر مي کند.

آشنايي با چند اصطلاح: Neat: ممکن است يکي از مواد اوليه خود نقش حلال ها را بازي کند، به چنين واكنش هايي Neat مي گويند. اما واکنش هايي كه در فاز جامد انجام مي شوند Solid Phase و آنهايي كه در غياب حلال انجام مي گيرند Solvent – Free نام دارند. واكنش هاي چند جزئي Multi Component Reactions : به واكنش هائي گفته مي شود كه بيش از دو واكنشگر با يكديگر تركيب شده و مولكول واحدي را بوجود آورند. خوشبختانه در ايران گروه هاي تحقيقاتي متعددي در اين زمينه فعال مي باشند كه از طريق پايگاه هاي اطلاعات علمي مي توان به مستندات علمي آنها دست يافت. گروه تحقيقاتي ياوري و دانش آموختگان ايشان در اين زمينه بيشترين توليدات علمي را منتشر نموده اند. واكنش چند جزيي زيردر غياب حلال انجام شده است:

مكانيسم اين واكنش؟؟؟

مكانيسم واكنش زير را بنويسيد و مشخص كنيد اين واكنش چند جزئي مي باشد؟ ؟؟؟ مكانيسم واكنش زير را بنويسيد و مشخص كنيد اين واكنش چند جزئي مي باشد؟

استفاده از آب به عنوان حلال در واكنش هاي سنتزي يکي از راه هاي دستيابي به شيمي سبز، استفاده از آب به عنوان حلال واکنش هاي شيميائي و صنعتي مي باشد. پژوهشهاي اخير نشان مي دهد که آب هم در حالت نرمال و هم در حالت فوق بحراني، مي تواند به عنوان جايگزين حلال هاي آلي در فرآيندهاي شيميائي استفاده شود. خواص منحصر به فرد آب : مايع بودن در محدوده دماي معمولي، شبكه پيوند هيدروژني گسترده، ظرفيت گرمائي بالا كه براي واكنش هاي گرمازا بسيار مناسب و ايمن است، زيرا گرماي آزاد شده از واكنش دهنده ها را جذب مي كند. اگر سابستريت نامحلول در آب بتواند واكنش دهد، محصول توليد شده از سابستريت نامحلول در آب غالبا در آب نامحلول بوده و جداسازي محصول با صاف كردن به سادگي صورت مي گيرد. ثابت دي الكتريك بالا، حل كردن مقدار مناسب اكسيژن جهت زنده ماندن موجودات آبزي، مهم تر از همه دردسترس و ارزان بودن، غير قابل اشتعال و غير سمي بودن و ... مي باشد. جايگزيني حلال هاي آلي با آب مي تواند انتشار ترکيبات آلي فرار را کاهش دهد. ولي آب هنوز به عنوان حلال مناسب براي بسياري از واكنش هاي سنتزي استفاده نشده است، زيرا بسياري از تركيبات آلي در آب حل نمي شوند و حلاليت پيش نياز اساسي براي واكنش پذيري در غالب اوقات است. در نتيجه در بسياري از موارد از كمك حلال هاي آلي كه قطبي باشند براي افزايش حلاليت تركيبات آلي در آب استفاده شده است.

سرعت واکنش هاي ديلز – آلدر در آب بسيار افزايش مي يابد همچنين اختلاف بين درصد محصولات نسبت به حلال هاي معمولي بيشتر است. چرا؟؟؟ به دليل آبگريزي، واكنش دهنده ها بايد کمترين سطح تماس را با آب داشته باشند، بنابراين به صورت کروي در آمده و در هم فرو مي روند. در نتيجه برخوردهاي مناسب افزايش يافته و به تبع آن سرعت واکنش نيز افزايش مي يابد. ضمنا اختلاف بين درصد محصولات در واكنش ديلز – آلدر در محيط آبي نسبت به حلال هاي معمولي بزرگتر مي باشد، اين نسبت نشان دهنده اين است كه در محيط آبي فضاگزيني بيشتر اتفاق مي افتد.

به واكنش هاي زير كه در آب به خوبي انجام مي پذيرند توجه نمائيد. در واكنش بين آزو دي كربوكسيلات ها و هيدروكربن هاي غير اشباع، پيوندهاي قوي كربن – نيتروژن (C-N) تشكيل مي شود كه واكنش به شدت گرمازا بوده و آب حلال مناسبي براي اين واكنش ها مي باشد.

واكنش زير نمونه اي ديگر از واكنش هاي پري سيكليك به نام واكنش اِن Ene Reaction or Hydrogen Abstraction - Addition يا حذف هيدروژن و افزايش اندوست مي باشد. واكنش هاي نوكلئوفيلي زير در حلال آب بازدهي بالا و زمان انجام واكنش كمتر دارند.

نمک هاي ترکيبات آلي به دليل حلاليت نسبتا مطلوب در آب مي توانند بستر انجام خيلي از واکنش ها را در محيط آب ايجاد نمايند.

هنگام انتخاب حلال بايد به امكان دخالت آن در مسير واكنش و انجام واكنش هاي ناخواسته توسط حلال نيز توجه نمود در واكنش هائي كه باز آنها آلكوكسيد است، حلال مربوطه هم بايد الكل اسيد مزدوج بنيان باز واكنش (الكوكسيد مربوطه) باشد، در غير اين صورت بخش الكلي استر ممكن است با باز جديد جايگزين شده و مخلوطي از محصولات را توليد كند.

استفاده از مايعات يوني (Ionic Liquids) شيميدانها براي غلبه بر آثار زيان بار حلال هاي فرار آلي مايعات يوني ( با سرواژه (IL را طراحي کرده اند. مايعات يوني: داراي فشار بخار پاييني اند. حلاليت ترکيبات قطبي يوني در آنها بسيار بالاست. ميزان بازيابي و سميت آنها مناسب است. از مهمترين مزايا علاوه بر نقش حلال بودن آنها در مواردي به عنوان کاتاليزور هم عمل مي نمايند. اين ترکيبات شبيه مواد يوني مانند سديم کلريد (NaCl) بوده، با اين تفاوت که در دماي پايين و معمولي به صورت مايع مي باشند. اين ترکيبات از دو بخش تشکيل شده اند، يک بخش کاتيوني که اغلب گونه آلي است و بخش آنيوني که مي تواند آلي يا معدني باشد. بسياري از مايعات يوني تا دماي 300 درجه سانتيگراد پايدار هستند. بنابراين مي توان واکنش هاي با دماي بالا را در اين حلال ها با حداقل فشار بخار انجام داد. اين مايعات با حلال هاي آلي و آب قابل امتزاج نيستند و اين امر امکان استخراج و جداسازي محصولات و بازيابي مايعات يوني را فراهم مي سازد. در ضمن اين ترکيبات به آب و هوا حساسيت کمي دارند و فعاليت خود را دير از دست مي دهند.

ساختار دو نوع از مايعات يوني با يک بستر کاتيوني و تغيير آنيون ها مي توان يک مجموعه مايعات يوني را تهيه نمود که نقطه ذوب، جوش، دانسيته و ويسکوزيته آنها با يکديگر متفاوت باشد. يعني با تغيير آنيون نقطه ذوب و جوش تغيير مي کند. همچنين با تغيير استخلاف هاي آلکيلي متصل به نيتروژن ها در ايميدازولونيم نيز مي توان تغييراتي در خصوصيات مايع يوني ايجاد نمود. به عنوان مثال تغيير ويسکوزيته براي يک سري از آنيون ها به ترتيب زير مي باشد: (CF3SO2)2N- < BF4- < PF6- < NO3- و ترتيب افزايش دانسيته به ترتيب زير مي باشد. BF4- < PF6- < (CF3SO2)

با توجه به جدول زير تغيير نقطه ذوب مايعات يوني را با تغيير استخلاف و آنيون هاي مربوطه توضيح دهيد؟ Mp/ ºC X R 125 Cl Me 87 Et 65 n-Bu 38 NO3 7 AlCl4 6 BF4 9 - CF3SO3 3 - (CF3SO3)2N 14 - CF3CO2 16 -

کاربرد مايعات يوني به عنوان حلال و کاتاليزور در سنتز داروي پراوادولين مهم: واکنش در [emim]AlCl4­ در صفر درجه سانتيگراد انجام مي گيرد، زيرا اسيد لوئيس AlCl3 موجود در ساختار مايع يوني، مرحله آسيلاسيون را به راحتي پيش مي برد و کاتاليز مي نمايد، اما جداسازي به دليل کئوردينه شدن محصول به اسيد لوئيس AlCl3 مشکل مي باشد. از آنجائي که ايندول براي انجام واكنش آسيلاسيون به اندازه كافي فعال مي باشد، با جايگزين کردن مايع يوني فوق با [emim]PF6، اگرچه واکنش به 150 درجه دما نياز دارد، ولي جداسازي محصول و بازيابي مايع يوني بسيار ساده مي باشد.

واکنش هاي ديلز – آلدر در مايعات يوني سرعت بالائي دارند و نسبت محصول اندو به اگزو نيز بالا مي باشد. علت چيست؟ زيرا دي ان و دي اندوست به دليل غير قطبي بودن در حلال يوني حل نمي شوند و به اجبار بيشتر در هم فرو رفته و به حالت كروي در مي آيند و تعداد برخوردهاي مناسب افزايش يافته و به تبع آن سرعت واكنش نيز افزايش مي يابد.

مايعات يوني گازها را به خوبي در داخل خود حل مي کنند مايعات يوني گازها را به خوبي در داخل خود حل مي کنند. بنابراين واکنش هاي کاهش با هيدروژن گازي (H2)، اکسايش با گاز اکسيژن O2 و کربونيلاسيون با گاز منواکسيدکربن (CO) در اين حلال ها به خوبي انجام مي گيرد، همچنين در اين حلال ها در صورتيکه کاتاليزورهاي کايرال بکار برده شوند، فزوني انانتيومري (Enantiomeric Excess ) (ee %) محصولات بالا مي باشد.

پايان جلسه ششم