Khung kim loại hữu cơ làm xúc tác dị thể cho tổng hợp quinazolinones và pyridines

LỜI MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: LITERATURE REVIEW

1.1. Metal-organic frameworks (MOFs)

1.2. General methods for the synthesis of MOFs

1.3. Application of MOFs

1.4. INTRODUCTION TO CU-MOF-74 AS AN EFFICIENT HETEROGENEOUS CATALYST

1.5. INTRODUCTION TO IRON-BASED METAL-ORGANIC FRAMEWORKS AND IRON-BASED MOF VNU-20 [FE3(BTC)(NDC)2.65H2O] AS A HETEROGENEOUS CATALYST

1.6. THE QUINAZOLINONES SYNTHESIS OF 2-ARYLINDOLES WITH AMINES UTILIZING CU-MOF-74 AS AN EFFICIENT HETEROGENEOUS CATALYST

1.7. THE CYCLIZATION REACTIONS OF KETOXIME ACETATES AND DIBENZYL ETHER TO PRODUCE PYRIDINES UTILIZING MOF VNU-20 AS A HETEROGENEOUS CATALYST

1.8. AIMS AND OBJECTIVES

2. CHƯƠNG 2: EXPERIMENTAL SECTION

2.1. MATERIALS AND INSTRUMENTATION

2.2. SYNTHESIS OF THE METAL-ORGANIC FRAMEWORKS (MOFS)

2.2.1. Synthesis of Cu-MOF-74

2.2.2. Synthesis of VNU-20

2.3. Catalytic studies in the expansion reaction to produce 2-arylquinazolinones

2.4. Catalytic studies in the cyclization reaction of ketoxime acetates and dibenzyl ether to synthesize 2,4,6-triphenyl pyridine

3. RESULT AND DISCUSSION

3.1. THE CU-MOF-74-CATALYZED BAEYER-VILLIGER OXIDATION EXPANSION REACTION TO SYNTHESIZE 2-ARYLQUINAZOLINONES

3.1.1. Synthesis and characterization of Cu-MOF-74

3.1.2. Catalytic studies in the synthesis of 2-arylquinazolinones

3.1.2.1. Effect of temperature on the reaction

3.1.2.2. Effect of solvent on the reaction

3.1.2.3. Effect of reactant molar ratio on the reaction yield

3.1.2.4. Effect of catalyst quantity on the reaction yield

3.1.2.5. Effect of different catalysts on the reaction yield

3.1.2.8. Effect of different substituents on the reaction

3.2. THE MIXED-LINKER MOF VNU-20-CATALYZED CYCLIZATION REACTIONS OF KETOXIME ACETATES AND DIBENZYL ETHER TO PRODUCE SYMMETRICAL PYRIDINES

3.2.1. Synthesis and characterization of VNU-20

3.2.2. Catalytic studies in the synthesis of symmetrical pyridines

3.2.2.1. Effect of temperature on the reaction

3.2.2.2. Effect of solvent on the reaction

3.2.2.3. Effect of ratio reactants on the reaction

3.2.2.4. Effect of catalyst amount on the reaction

3.2.2.5. Effect of time on the reaction

3.2.2.6. Effect of oxidant on the reaction

3.2.2.7. Effect of oxidant amount on the reaction

3.2.2.8. Effect of antioxidant on the reaction

3.2.2.12. Effect of different catalysts on the reaction

3.2.2.13. Effect of different atmospheres on the reaction

3.2.2.14. Effect of different substituents on the reaction

APPENDIX A: CALIBRATION CURVE

APPENDIX B: GC YIELD

APPENDIX C: CHARACTERIZATION DATA

LIST OF FIGURES

LIST OF SCHEME

LIST OF TABLES

LIST OF ABBREVIATION

I. Tổng Quan Về Khung Kim Loại Hữu Cơ MOF và Xúc Tác Dị Thể

Khung kim loại hữu cơ (MOF) là vật liệu xốp tinh thể, được tạo thành từ các ion kim loại hoặc cụm kim loại liên kết với các phối tử hữu cơ, tạo ra cấu trúc một, hai hoặc ba chiều. MOF sở hữu diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng điều chỉnh kích thước lỗ xốp, khiến chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho nhiều ứng dụng, bao gồm xúc tác dị thể. Xúc tác dị thể sử dụng chất xúc tác ở pha khác với các chất phản ứng, tạo điều kiện tách chất xúc tác khỏi sản phẩm sau phản ứng. Việc kết hợp hai lĩnh vực này hứa hẹn tạo ra các chất xúc tác hiệu quả và bền vững. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng MOF như chất xúc tác dị thể cho tổng hợp các hợp chất hữu cơ quan trọng. GS. Phan Thanh Sơn Nam nhấn mạnh tầm quan trọng của MOF trong việc tạo ra các phản ứng xúc tác hiệu quả.

1.1. Ưu Điểm Của MOF Xúc Tác So Với Xúc Tác Truyền Thống

MOF xúc tác mang lại nhiều ưu điểm so với xúc tác dị thể truyền thống. Cấu trúc xốp của MOF cho phép tiếp cận dễ dàng các tâm hoạt động, dẫn đến tăng hoạt tính xúc tác. Tính đồng nhất của các tâm kim loại trong MOF cho phép kiểm soát độ chọn lọc của phản ứng. MOF có thể được thiết kế để có độ ổn định nhiệt và hóa học cao. Khả năng tái sử dụng xúc tác MOF cũng là một lợi thế lớn. So với zeolit, carbon, và oxit, MOF có độ xốp lên đến 90% thể tích và diện tích bề mặt lớn.

1.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Của MOF Trong Hóa Học Xanh

MOF phù hợp với các nguyên tắc của hóa học xanh. Chúng cho phép thực hiện các phản ứng trong điều kiện ôn hòa, giảm thiểu việc sử dụng dung môi độc hại và tạo ra ít chất thải hơn. MOF có thể được sử dụng làm chất mang cho các chất xúc tác nano, tăng cường hiệu quả sử dụng nguyên tử. Việc phát triển MOF biến tính và MOF chức năng hóa mở ra những con đường mới cho tổng hợp hữu cơ xúc tác thân thiện với môi trường.

II. Tổng Hợp Quinazolinone MOF Xúc Tác và Các Thách Thức Hiện Tại

Quinazolinone là khung cấu trúc quan trọng trong nhiều hợp chất dược phẩm và hóa chất nông nghiệp. Việc tổng hợp quinazolinone hiệu quả và bền vững là một mục tiêu quan trọng. Các phương pháp tổng hợp truyền thống thường sử dụng các chất xúc tác đồng thể, đòi hỏi quá trình tách và thu hồi phức tạp. Việc sử dụng MOF làm chất mang xúc tác hứa hẹn giải quyết vấn đề này, tuy nhiên, vẫn còn những thách thức liên quan đến hoạt tính và độ chọn lọc của MOF trong các phản ứng cụ thể.

2.1. Cơ Chế Phản Ứng Tổng Hợp Quinazolinone và Yếu Tố Ảnh Hưởng

Có nhiều cơ chế phản ứng tổng hợp quinazolinone khác nhau, tùy thuộc vào các chất phản ứng và điều kiện phản ứng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng bao gồm nhiệt độ, dung môi, tỷ lệ mol chất phản ứng và lượng xúc tác. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được năng suất cao và độ chọn lọc tốt. Ví dụ, phản ứng giữa 2-arylindole và amine đòi hỏi điều kiện ôn hòa và lượng xúc tác thấp.

2.2. Vấn Đề Về Độ Độc Tính Của Quinazolinone và Giải Pháp Thay Thế

Mặc dù có nhiều ứng dụng, một số quinazolinone có thể có độc tính. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tổng hợp quinazolinone sử dụng các nguyên liệu đầu vào và chất xúc tác thân thiện với môi trường là rất quan trọng để giảm thiểu rủi ro độc tính. Sử dụng MOF làm chất xúc tác dị thể có thể giúp giảm thiểu lượng chất thải độc hại.

III. Tổng Hợp Pyridine MOF Xúc Tác và Ứng Dụng Tiềm Năng

Pyridine và các dẫn xuất của nó là những khối xây dựng quan trọng trong hóa học hữu cơ, dược phẩm và vật liệu. Các phương pháp tổng hợp pyridine truyền thống thường gặp nhiều hạn chế về hiệu suất và độ chọn lọc. MOF làm chất mang xúc tác mở ra những con đường mới để tổng hợp pyridine hiệu quả và bền vững hơn. Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng MOF để xúc tác quá trình vòng hóa ketoxime carboxylate và dibenzyl ether để tạo ra pyridine.

3.1. Các Phương Pháp Tổng Hợp Pyridine Phổ Biến và Hạn Chế

Các phương pháp tổng hợp pyridine cổ điển như phản ứng Chichibabin và aza-Diels-Alder có nhiều hạn chế về điều kiện phản ứng khắc nghiệt và hiệu suất thấp. Các phương pháp hiện đại hơn sử dụng các chất xúc tác kim loại chuyển tiếp, nhưng vẫn còn những lo ngại về tính bền vững và độc tính. MOF hứa hẹn cung cấp một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn.

3.2. Cơ Chế Phản Ứng Tổng Hợp Pyridine Dưới Xúc Tác MOF

Cơ chế phản ứng tổng hợp pyridine dưới xúc tác MOF có thể bao gồm sự hoạt hóa các chất phản ứng trên các tâm kim loại của MOF, tạo điều kiện cho quá trình vòng hóa xảy ra. Các yếu tố như kích thước lỗ xốp, tính axit/bazơ của MOF, và tương tác giữa MOF và các chất phản ứng đều ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng VNU-20 có hoạt tính cao trong quá trình vòng hóa ketoxime carboxylate và dibenzyl ether.

IV. Nghiên Cứu Ứng Dụng Cu MOF 74 trong Tổng Hợp Quinazolinone Hiệu Quả

Nghiên cứu đã sử dụng thành công Cu-MOF-74 làm xúc tác dị thể cho phản ứng giữa 2-phenylindole và phenethylamine để tạo ra 3-phenethyl-2-phenylquinazolin-4(3H)-one với hiệu suất tuyệt vời. Phản ứng này mang lại nhiều ưu điểm so với các công trình trước đây, bao gồm lượng chất xúc tác thấp và điều kiện phản ứng ôn hòa. Kết quả này chứng minh tiềm năng của Cu-MOF-74 trong tổng hợp quinazolinone.

4.1. Quy Trình Thiết Kế MOF và Tối Ưu Hóa Hoạt Tính Xúc Tác

Thiết kế MOF phù hợp với phản ứng cụ thể là rất quan trọng để đạt được hoạt tính xúc tác cao. Điều này bao gồm việc lựa chọn các ion kim loại và phối tử hữu cơ phù hợp, điều chỉnh kích thước lỗ xốp và tính chất bề mặt của MOF. Các phương pháp như MOF biến tính và MOF chức năng hóa có thể được sử dụng để cải thiện hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc.

4.2. Đánh Giá Tính Ổn Định Của MOF và Khả Năng Tái Sử Dụng Xúc Tác

Tính ổn định của MOF trong điều kiện phản ứng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo khả năng tái sử dụng xúc tác. Nghiên cứu đã chứng minh rằng Cu-MOF-74 có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu quả xúc tác. Điều này làm cho MOF trở thành một lựa chọn bền vững cho xúc tác dị thể.

V. Ứng Dụng VNU 20 Trong Phản Ứng Vòng Hóa Tạo Pyridine Đối Xứng

MOF VNU-20 tỏ ra hoạt động tích cực hơn trong quá trình vòng hóa ketoxime carboxylate và dibenzyl ether so với nhiều chất xúc tác dị thể và phân tử thông thường. VNU-20 không chỉ thể hiện khả năng xúc tác cao mà còn có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu quả đáng kể. Phạm vi của các phản ứng được mở rộng bằng cách thay đổi nhiều chất nền để thu được một loạt các sản phẩm mong muốn do lợi ích của các dẫn xuất quinazolinone và pyridine trong ngành dược phẩm và hóa chất.

5.1. So Sánh Hoạt Tính Xúc Tác Của VNU 20 với Các Xúc Tác Khác

Hoạt tính xúc tác của VNU-20 đã được so sánh với các chất xúc tác dị thể và phân tử khác trong phản ứng vòng hóa ketoxime carboxylate và dibenzyl ether. Kết quả cho thấy VNU-20 vượt trội hơn về hiệu suất và độ chọn lọc. Điều này có thể là do cấu trúc đặc biệt của VNU-20, cho phép tiếp cận dễ dàng các tâm hoạt động và tạo điều kiện cho quá trình phản ứng.

5.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Xúc Tác Của VNU 20

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác của VNU-20, bao gồm nhiệt độ, dung môi, tỷ lệ chất phản ứng, lượng xúc tác, thời gian phản ứng, chất oxy hóa, và bầu khí quyển. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được năng suất cao và độ chọn lọc tốt. Nghiên cứu đã khám phá ảnh hưởng của từng yếu tố này đến hiệu suất của phản ứng.

VI. Triển Vọng Tương Lai và Ứng Dụng MOF Trong Tổng Hợp Dược Phẩm

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của MOF trong xúc tác dị thể cho tổng hợp quinazolinone và pyridine. Trong tương lai, có thể tập trung vào việc phát triển các MOF mới với hoạt tính xúc tác cao hơn, độ chọn lọc tốt hơn và tính ổn định tốt hơn. Ứng dụng của MOF trong tổng hợp dược phẩm hứa hẹn mang lại những phương pháp mới để sản xuất các loại thuốc hiệu quả và bền vững hơn.

6.1. Mở Rộng Phạm Vi Ứng Dụng Của MOF Trong Các Phản Ứng Hữu Cơ Khác

Ngoài tổng hợp quinazolinone và pyridine, MOF có thể được sử dụng trong nhiều phản ứng hữu cơ khác, bao gồm phản ứng ghép cặp, phản ứng oxy hóa, và phản ứng khử. Việc khám phá các ứng dụng mới của MOF trong xúc tác dị thể sẽ mở ra những cơ hội mới cho hóa học xanh và tổng hợp hữu cơ xúc tác.

6.2. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Cấu Trúc MOF Đến Hoạt Tính Xúc Tác

Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của cấu trúc MOF đến hoạt tính xúc tác là rất quan trọng để thiết kế các MOF hiệu quả hơn. Điều này bao gồm việc nghiên cứu mối quan hệ giữa kích thước lỗ xốp, diện tích bề mặt, tính chất bề mặt, và vị trí của các tâm kim loại trong MOF với hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc. Sử dụng các phương pháp mô phỏng và tính toán có thể giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố này.