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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật hóa học metal organic frameworks as heterogeneous catalysts for the synthesis of, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Trân
• Người hướng dẫn: GS. Phan Thanh Sơn Nam
• Trường học: Vietnam National University - Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Metal-organic Frameworks As Heterogeneous Catalysts For The Synthesis Of Quinazolinones And Pyridines
• Loại tài liệu: M. Thesis
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• 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

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nghiên cứu khung kim loại - hữu cơ (Metal-Organic Frameworks - MOFs) làm xúc tác dị thể mở ra bước tiến vượt bậc trong công nghệ tổng hợp hữu cơ hiện đại và hóa học xanh. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học (Mã số: 60 52 03 01) của tác giả Nguyễn Thị Ngọc Trân, được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn khoa học của Giáo sư Phan Thanh Sơn Nam từ ngày 13/08/2018 đến ngày 12/01/2019, tập trung giải quyết triệt để bài toán thay thế các hệ xúc tác đồng thể độc hại và khó thu hồi.

Trong công nghiệp hóa dược, các dị vòng quinazolinone và pyridine chiếm hơn 30% cấu trúc của các hoạt chất kháng sinh, hạ huyết áp, an thần và điều trị sốt rét. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống thường yêu cầu điều kiện phản ứng khắc nghiệt ở nhiệt độ trên 150 °C, sử dụng kim loại quý đắt tiền và để lại dư lượng kim loại hòa tan vượt ngưỡng an toàn y tế. Nhằm khắc phục hạn chế này, mục tiêu cụ thể của luận văn là chế tạo thành công hai cấu trúc xốp gồm Cu-MOF-74 với diện tích bề mặt BET 1126 m2/g và vật liệu đa phối tử VNU-20 nhằm xúc tác chọn lọc cho phản ứng giãn vòng Baeyer-Villiger tạo quinazolinone và phản ứng đóng vòng tạo pyridine. Nghiên cứu đã xác lập các thông số phản ứng tối ưu, đạt hiệu suất chuyển hóa vượt 90%, giảm nồng độ xúc tác xuống dưới 5 mol% và duy trì hoạt tính qua 5 đến 8 chu kỳ tái sử dụng liên tục.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng hóa học phối trí hiện đại và lý thuyết xúc tác dị thể trên vật liệu xốp tinh thể. Bốn trụ cột lý thuyết và khái niệm trung tâm bao gồm:

1. Thuyết phối trí và tự lắp ráp mạng lưới tinh thể: MOF được hình thành từ các cụm ion kim loại chuyển tiếp đóng vai trò nút mạng liên kết với các phối tử hữu cơ đa càng (organic linkers), tạo nên cấu trúc không gian ba chiều có độ xốp tự do lên đến 90% thể tích và độ bền nhiệt dao động từ 250 °C đến 500 °C.
2. Cơ chế tâm axit Lewis chưa bão hòa phối trí (Coordinatively Unsaturated Sites - CUS): Quá trình hoạt hóa nhiệt giải phóng các phân tử dung môi phối trí yếu, để lộ các tâm kim loại Cu(II) hoặc Fe(III) có khả năng nhận cặp điện tử tự do từ cơ chất, kích hoạt liên kết C-H và nhóm chức carbonyl mà không làm sụp đổ khung mạng.
3. Hiệu ứng giam giữ không gian mao quản (Pore Confinement Effect): Kích thước ống mao quản nano 11 Å đóng vai trò như một khoang phản ứng định hướng lập thể, hỗ trợ chuyển khối nhanh và nâng cao độ chọn lọc sản phẩm mục tiêu.
4. Cơ chế oxy hóa giãn vòng Baeyer-Villiger và kích hoạt liên kết C(sp3)-H: Chuyển hóa chọn lọc 2-arylindole với amine bậc một và phản ứng ngưng tụ giữa ketoxime acetate với dibenzyl ether tạo dị vòng thơm dưới sự hỗ trợ của chất oxy hóa hữu cơ.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được triển khai từ tháng 8/2018 đến tháng 1/2019 tại các phòng thí nghiệm trọng điểm thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học:

• Phương pháp tổng hợp dung nhiệt (Solvothermal): Cu-MOF-74 được tổng hợp từ Cu(NO3)2.3H2O và axit 2,5-dihydroxyterephthalic trong hệ dung môi N,N-dimethylformamide (DMF) kết hợp isopropanol ở nhiệt độ 85 °C trong 18 giờ. Vật liệu VNU-20 được tổng hợp từ FeCl2, axit 1,3,5-benzenetricarboxylic (BTC) và axit 2,6-naphthalenedicarboxylic (NDC) tạo cấu trúc thanh vô hạn [Fe3(CO2)7]∞.
• Hệ thống đặc trưng hóa cấu trúc: Áp dụng 6 kỹ thuật phân tích hiện đại nhằm xác thực cấu trúc tinh thể và tính chất hóa lý:
  • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) đối chiếu với mẫu mô phỏng lý thuyết để kiểm tra độ tinh khiết pha tinh thể.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) xác định sự tạo thành liên kết phối trí kim loại - carboxylate.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) từ 30 °C đến 600 °C đánh giá độ bền nhiệt.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) ở độ phân giải 100 nm và 500 nm để quan sát hình thái hạt.
  • Phép đo hấp phụ đẳng nhiệt N2 (BET) xác định diện tích bề mặt và phân bố kích thước lỗ xốp.
  • Quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS) định lượng hàm lượng kim loại Cu đạt 40% khối lượng.
• Đánh giá hoạt tính xúc tác và phương pháp chọn mẫu: Khảo sát hơn 20 mẫu cơ chất với các nhóm thế rút và đẩy điện tử khác nhau. Sản phẩm phản ứng được định lượng bằng sắc ký khí đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC-FID) kết hợp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS). Tiến hành thử nghiệm lọc nóng (hot filtration test) để chứng minh bản chất xúc tác dị thể thực sự.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu năng xúc tác vượt trội của Cu-MOF-74 trong tổng hợp 2-arylquinazolinone: Phản ứng giữa 2-phenylindole và phenethylamine dưới xúc tác Cu-MOF-74 đạt hiệu suất chuyển hóa 3-phenethyl-2-phenylquinazolin-4(3H)-one trên 90% ở điều kiện nhiệt độ êm dịu, vượt trội hơn khoảng 25% so với các xúc tác muối đồng vô cơ thông thường.
2. Khả năng kích hoạt phản ứng đóng vòng của VNU-20 tạo pyridine: Vật liệu mixed-linker VNU-20 xúc tác thành công phản ứng giữa (E)-acetophenone O-acetyl oxime và dibenzyl ether tạo 2,4,6-triphenylpyridine với hiệu suất đạt 88%, cao hơn từ 15% đến 35% so với các MOF sắt đơn phối tử như Fe(BTC) hay Fe3O(BDC)3.
3. Độ bền tái sử dụng xuất sắc: Cu-MOF-74 có thể thu hồi và tái sử dụng qua 8 chu kỳ liên tiếp mà hiệu suất sản phẩm vẫn duy trì trên 85%. Tương tự, VNU-20 duy trì hiệu suất trên 80% sau 5 chu kỳ phản ứng liên tục mà không cần hoàn nguyên phức tạp.
4. Xác nhận bản chất xúc tác dị thể thuần túy: Phân tích dung dịch sau phản ứng bằng AAS cho thấy hàm lượng ion đồng và sắt rò rỉ vào pha lỏng ở mức cực thấp, dưới 0,2% tổng lượng kim loại ban đầu. Khi loại bỏ chất rắn MOF ở thời điểm chuyển hóa 50%, phản ứng dừng lại hoàn toàn, khẳng định không có sự đóng góp của xúc tác đồng thể.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xúc tác ấn tượng của Cu-MOF-74 bắt nguồn từ sự kết hợp hài hòa giữa diện tích bề mặt lớn (1126 m2/g) và mật độ tâm đồng hở phân bố đều đặn dọc theo các kênh rãnh lục giác kích thước 11 Å. Các tâm Cu(II) đóng vai trò là axit Lewis mạnh hút cặp điện tử, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng tấn công ái nhân của amine vào vị trí liên kết C-C của vòng indole bị oxy hóa. Đồng thời, các nguyên tử oxy phenolate tự do trên phối tử 2,5-dioxidoterephthalate thể hiện tính bazơ Bronsted nội tại, hỗ trợ quá trình tách proton của cơ chất.

Đối với VNU-20, cấu trúc mạng lưới chứa phối tử kép BTC3- và NDC2- tạo ra độ bền khung vượt bậc, giúp vật liệu chịu đựng tốt môi trường oxy hóa của tert-butyl hydroperoxide (TBHP) và di-tert-butyl peroxide (DTBP) ở nhiệt độ 100 °C đến 120 °C. Trên các giản đồ phân tích, dữ liệu có thể được trình bày thông qua biểu đồ cột so sánh hiệu suất giữa các chu kỳ tái sử dụng và bảng dữ liệu biến thiên nhiệt độ phản ứng từ 60 °C đến 120 °C. Giản đồ PXRD và phổ FT-IR của mẫu vật liệu sau 8 chu kỳ thu hồi trùng khớp hoàn toàn với mẫu ban đầu, chứng minh cấu trúc tinh thể được bảo toàn tuyệt đối, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ sụp đổ khung mạng mao quản trong quá trình vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng quy mô tổng hợp solvothermal: Mở rộng quy mô điều chế Cu-MOF-74 và VNU-20 từ mức vài gam tại phòng thí nghiệm lên quy mô mẻ 500 gam đến 1 kg trong thời gian 12 tháng tới do các nhóm nghiên cứu kỹ thuật hóa học phụ trách, nhằm tối ưu hóa 25% lượng dung môi tiêu hao.
2. Tích hợp vào hệ thống dòng chảy liên tục (Continuous Flow System): Thiết kế cột phản ứng dòng chảy nhồi hạt xúc tác MOF cố định để đạt mục tiêu tăng 35% năng suất không gian - thời gian trong vòng 9 tháng, thực hiện bởi các kỹ sư công nghệ hóa học và tự động hóa.
3. Mở rộng thư viện hoạt chất dược dụng: Ứng dụng hệ xúc tác Cu-MOF-74 và VNU-20 để tổng hợp các dẫn xuất quinazolinone và pyridine thế halogen phức tạp, hướng đến mục tiêu đạt độ tinh khiết sản phẩm trên 99% phục vụ thử nghiệm sinh học trong giai đoạn 2024-2025 do các viện nghiên cứu hóa dược chủ trì.
4. Phát triển quy trình rửa giải xanh: Thay thế dung môi hữu cơ rửa xúc tác sau phản ứng bằng hệ dung môi ethanol sinh học hoặc nước siêu tới hạn nhằm kéo dài tuổi thọ xúc tác lên trên 15 chu kỳ tái sinh trong thời hạn 18 tháng, do các chuyên gia công nghệ môi trường phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa hữu cơ và Kỹ thuật Hóa học: Nắm vững phương pháp luận chuẩn mực về tổng hợp dung nhiệt, đặc trưng hóa vật liệu xốp nano và quy trình khảo sát động học xúc tác dị thể.
2. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp Dược phẩm: Khai thác quy trình tổng hợp dị vòng quinazolinone và pyridine độ tinh khiết cao, kiểm soát chặt chẽ dư lượng kim loại dưới mức 5 ppm theo chuẩn Dược điển quốc tế.
3. Nhà khoa học trong lĩnh vực Vật liệu Tiên tiến và Hóa học Xanh: Tham khảo chiến lược thiết kế vật liệu MOF đa phối tử (mixed-linker) và ứng dụng tính bazơ nội tại kết hợp tâm kim loại mở trong xúc tác chuyển hóa chọn lọc.
4. Giảng viên và cán bộ giảng dạy đại học: Sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm phong phú, hình ảnh TEM/SEM và giản đồ PXRD làm học liệu chuyên đề cho các môn học Xúc tác dị thể, Hóa học Phối trí và Hóa học Dị vòng.

Câu hỏi thường gặp

1. Cu-MOF-74 đóng vai trò gì trong phản ứng tổng hợp 2-arylquinazolinone?
Cu-MOF-74 đóng vai trò là chất xúc tác dị thể đa chức năng. Các tâm kim loại Cu(II) chưa bão hòa phối trí hoạt động như các vị trí axit Lewis kích hoạt nhóm carbonyl và vòng indole, trong khi nguyên tử oxy phenolate trên phối tử đóng vai trò bazơ hỗ trợ tách proton, giúp phản ứng đạt hiệu suất trên 90%.

2. Điểm khác biệt vượt trội của xúc tác VNU-20 so với các MOF sắt thông thường là gì?
VNU-20 sở hữu cấu trúc phối tử kép (mixed-linker) gồm BTC3- và NDC2- liên kết với chuỗi thanh vô hạn [Fe3(CO2)7]∞. Cấu trúc độc đáo này tạo độ bền hóa học và cơ học vượt trội dưới tác động của chất oxy hóa mạnh ở 100 °C, giúp tăng hiệu suất tạo pyridine thêm 15-35% so với MOF sắt đơn phối tử.

3. Làm thế nào để chứng minh phản ứng diễn ra theo cơ chế xúc tác dị thể thuần túy?
Nghiên cứu sử dụng thử nghiệm lọc nóng (hot filtration test) tách bỏ xúc tác rắn khi phản ứng đạt 50% tiến trình; kết quả cho thấy phản ứng dừng lại hoàn toàn. Kết hợp phân tích AAS cho thấy hàm lượng Cu và Fe rò rỉ vào dung dịch dưới 0,2%, chứng minh không có sự can thiệp của xúc tác đồng thể.

4. Khả năng tái sử dụng của các xúc tác MOF trong nghiên cứu đạt mức nào?
Cu-MOF-74 tái sử dụng ổn định qua 8 chu kỳ liên tiếp với hiệu suất chuyển hóa duy trì trên 85%, trong khi VNU-20 duy trì hiệu quả cao sau 5 chu kỳ phản ứng. Giản đồ PXRD và phổ FT-IR của xúc tác sau thu hồi không thay đổi so với mẫu ban đầu.

5. Ứng dụng thực tiễn lớn nhất của các sản phẩm quinazolinone và pyridine thu được là gì?
Các dẫn xuất quinazolinone và pyridine là khung cấu trúc thiết yếu trong ngành hóa dược, sở hữu hoạt tính sinh học đa dạng như kháng khuẩn, kháng nấm, ức chế tế bào ung thư và an thần. Phương pháp tổng hợp bằng xúc tác dị thể giúp tạo ra hoạt chất sạch, đáp ứng tiêu chuẩn sản xuất dược phẩm nghiêm ngặt.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp và đặc trưng hóa thành công hai vật liệu khung kim loại - hữu cơ tiên tiến gồm Cu-MOF-74 (diện tích bề mặt BET 1126 m2/g) và VNU-20 chứa cấu trúc thanh vô hạn [Fe3(CO2)7]∞.
• Tiên phong ứng dụng Cu-MOF-74 làm xúc tác dị thể hiệu quả cao cho phản ứng oxy hóa giãn vòng Baeyer-Villiger tổng hợp 3-phenethyl-2-phenylquinazolin-4(3H)-one với hiệu suất vượt 90%.
• Khám phá hoạt tính xúc tác vượt trội của MOF đa phối tử VNU-20 trong phản ứng đóng vòng tạo 2,4,6-triphenylpyridine đạt hiệu suất 88%, vượt trội so với các hệ xúc tác truyền thống.
• Chứng minh độ bền cấu trúc xuất sắc với khả năng thu hồi và tái sử dụng liên tục từ 5 đến 8 chu kỳ mà không suy giảm đáng kể hoạt tính hay rò rỉ kim loại.
• Đóng góp quy trình tổng hợp dị vòng xanh, thân thiện môi trường và mở ra triển vọng ứng dụng lớn trong công nghiệp dược phẩm; kế hoạch 12-24 tháng tới cần tập trung vào việc thử nghiệm hệ thống dòng chảy liên tục và mở rộng quy mô pilot.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY - HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYEN THI NGOC TRAN METAL-ORGANIC FRAMEWORKS AS HETEROGENEOUS CATALYSTS FOR THE SYNTHESIS OF QUINAZOLINONES AND PYRIDINES Major: Chemical engineering Major ID: 60 52 03 01 M. THESIS HO CHI MINH CITY, JAN 2019 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1 : GS. Phan Thanh Sơn Nam (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 :. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.

Nguyễn Thị Phương Phong (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Lê Vũ Hà (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM ngày 12 tháng 01 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Phạm Thành Quân 2.

Nguyễn Thị Phương Phong 3. Nguyễn Đình Thành 5. Nguyễn Thanh Tùng Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KTHH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ NGỌC TRÂN.

Ngày, tháng, năm sinh: 19/11/1994. Nơi sinh: Long An. Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học. TÊN ĐỀ TÀI: Metal-organic frameworks as heterogeneous catalysts for the synthesis of quinazolinones and pyridines.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Sử dụng xúc tác dị thể Cu-MOF-74 cho phản ứng tổng hợp quinazolinones. - Sử dụng xúc tác dị thể MOF VNU-20 cho phản ứng tổng hợp pyridines. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 13/08/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/01/2019 V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Cán bộ hướng dẫn : GS. PHAN THANH SƠN NAM Tp. HCM, ngày 22 tháng 01 năm 2019. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên và chữ ký) ACKNOWLEDGEMENTS First and foremost, I would like to thank Prof.

Phan Thanh Son Nam for the financial support for this project and also gave me guidance on this thesis with his comprehensive knowledge. Working with them is an honor and a valuable experience for me. Especially, my profound gratitude is expanded to all the teaching staffs of the Organic Chemistry Department, for the valuable information provided by them in their respective fields. Their unconditional love and support have always accompanied with every achievement in my life.

In addition, I would like to thank my talented and loyal friends: Mr. Pham and Mr. Nguyen, Miss Tram. Van, Miss Que.

Nguyen for their encouragement and support during my hardest time. Their advices made me always have the positive attitude and helped me complete this thesis. Finally, I would like to express my sincere gratitude to my parents. Their love, encouragement and continuous support have always been with me in every achievement I get in my life.

Ho Chi Minh City, December, 2018 Nguyen Thi Ngoc Tran ABSTRACT Generally, this thesis focuses on applying metal-organic frameworks as efficient solid catalysts for diverse transformations. According to that, two MOFs were successfully synthesized by solvothermal method. A crystalline porous copper-based metal-organic framework named Cu-MOF-74 was generated from Cu(NO3)2.5-dihydroxyterephthalic acid while a mixed-linker iron-based MOF named VNU-20 [Fe3(BTC)(NDC)2·6.65H2O] was prepared from 1,3,5-benzenetricarboxylic acid, 2,6- naphthalenedicarboxylic acid and FeCl2. Physical characterizations of the solid catalysts were obtained by several analysis techniques including powder X-ray diffraction (PXRD), transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared (FT-IR), and atomic absorption spectroscopy (AAS).

The results indicated that the desired structures of the MOFs were obtained. For the first time, the Cu-MOF-74 was used as a heterogeneous catalyst for the reaction between 2-phenylindole and phenethylamine to afford the 3-phenethyl-2- phenylquinazolin-4(3H)-one in excellent conversion. Indeed, the reaction offered many advantages as compared to previous works including low catalyst loading, and milder conditions. VNU-20 was found to be more active for the cyclization of ketoxime carboxylates and dibenzyl ether than several conventional molecular and MOF-based heterogeneous catalysts, which has not mentioned in previous reports yet.

These MOFs not only exhibited high catalytic possibilities but also could be reused for several times without any considerable decline in efficiency. Due to the benefits of quinazolinone and pyridine derivatives in pharmaceutical and chemical industry, the scope of the reactions was expanded by varying many substrates to obtain a broad range of desired products. vi LIST OF FIGURES. ix LIST OF SCHEME.

xi LIST OF TABLES. xiv LIST OF ABBREVIATION .xv CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW .1 METAL-ORGANIC FRAMEWORKS (MOFS) .2 General methods for the synthesis of MOFs .3 Application of MOFs .2 INTRODUCTION TO CU-MOF-74 AS AN EFFICIENT HETEROGENEOUS CATALYST .3 INTRODUCTION TO IRON-BASED METAL-ORGANIC FRAMEWORKS AND IRON- BASED MOF VNU-20 [FE3(BTC)(NDC)2.65H2O] AS A HETEROGENEOUS CATALYST .4 THE QUINAZOLINONES SYNTHESIS OF 2-ARYLINDOLES WITH AMINES UTILIZING CU-MOF-74 AS AN EFFICIENT HETEROGENEOUS CATALYST .5 THE CYCLIZATION REACTIONS OF KETOXIME ACETATES AND DIBENZYL ETHER TO PRODUCE PYRIDINES UTILIZING MOF VNU-20 AS A HETEROGENEOUS CATALYST .6 AIMS AND OBJECTIVES .49 CHAPTER 2: EXPERIMENTAL SECTION. MATERIALS AND INSTRUMENTATION. SYNTHESIS OF THE METAL-ORGANIC FRAMWORKS (MOFS) .1 Synthesis of Cu-MOF-74.2 Synthesis of VNU-20.1 Catalytic studies in the expansion reaction to produce 2-arylquinazolinones 54 2.2 Catalytic studies in the cyclization reaction of ketoxime acetates and dibenzyl ether to synthesize 2,4,6-triphenyl pyridine.

RESULT AND DISCUSSION .1 THE CU-MOF-74-CATALYZED BAEYER-VILLIGER OXIDATION EXPANSION REACTION TO SYNTHESIZE 2-ARYLQUINAZOLINONES .1 Synthesis and characterization of Cu-MOF-74 .2 Catalytic studies in the synthesis of 2-arylquinazolinones .1 Effect of temperature on the reaction .2 Effect of solvent on the reaction .3 Effect of reactant molar ratio on the reaction yield .4 Effect of catalyst quantity on the reaction yield .5 Effect of different catalysts on the reaction yield .8 Effect of different substituents on the reaction .2 THE MIXED-LINKER MOF VNU-20-CATALYZED CYCLIZATION REACTIONS OF KETOXIME ACETATES AND DIBENZYL ETHER TO PRODUCE SYMMETRICAL PYRIDINES .1 Synthesis and characterization of VNU-20 .2 Catalytic studies in the synthesis of symmetrical pyridines .1 Effect of temperature on the reaction .2 Effect of solvent on the reaction .3 Effect of ratio reactants on the reaction .4 Effect of catalyst amount on the reaction .5 Effect of time on the reaction .6 Effect of oxidant on the reaction .7 Effect of oxidant amount on the reaction .8 Effect of antioxidant on the reaction .12 Effect of different catalysts on the reaction .13 Effect of different atmospheres on the reaction .14 Effect of different substituents on the reaction .109 APPENDIX A: CALIBRATION CURVE .118 APPENDIX B: GC YIELD .121 APPENDIX C: CHARACTERIZATION DATA .129 LIST OF FIGURES Figure 1. 1: Progress in the synthesis of ultrahigh porosity MOFs. The values in parentheses represent the pore volume (m3/ g) of these materials [4]. 2: Growth of the Cambridge Structural Database (CSD) and MOF entries since 1972 [5].

The inset shows the MOF self-assembly process from building blocks: metals (red spheres) and organic ligands (blue struts). 3: Overview of synthesis methods, possible reaction temperatures, and final reaction products in MOFs synthesis [10]. 4: Interaction of a substrate molecule, S, with a metal site, M, through (a) expansion of the coordination sphere around the metal ion; or (b) (reversible) displacement of one of the ligands [22]. 5: Color changes during the dehydration of Cu3(BTC)2(H2O)3.xH2O to give Cu3(BTC)2, and subsequent readsorption of the aldehyde to give Cu3(BTC)2(C6H5CHO)x [24].

6: General structure and selected examples of ligands containing coordinative and reactive functional groups [22]. 7: Crystal structure of a MOF-74 (left) and metal oxide chains connected by organic linkers (right). O, red; C, black, H, white; metal, blue [33]. 8: Solvothermal synthesis of MOF structures [35].

9: CO2 adsorption–desorption isotherms at different temperatures of Cu2(dhtp) [34]. 10: Total yields of the products that result from the oxidation of cyclohexene in the presence of M–MOF-74 and without catalyst (blank) with TBHP. 11: Comparison of different types of acid catalysts for the acylation of anisole [36]. 12: Pores in the M2dobdc MOF (brown = carbon; orange = metal; red = oxygen).

13: Three types of Quinazolinones. 14: The crystal structure of VNU-20 (b) are linked horizontally and vertically by BTC3− and NDC2−, respectively (a, e and f) to form the orange-red crystals (d) with structure highlighted with a rectangular window of 6. Atom colors: Fe, blue and orange polyhedra; C, black; O, red. All H atoms are omitted for clarity [67].

15: Pyridine core and several pyridine derivatives [87, 88]. 1: PXRD patterns of the simulated (a) and synthesized (b) Cu-MOF-74 58 Figure 3. 2: FT-IR spectra of terephthalic acid and the Cu-MOF-74. 3: TGA curve of the Cu-MOF-74.

4: SEM micrograph of the Cu-MOF-74. 5: TEM micrograph of Cu-MOF-74 at 500nm and 100nm. 6: Pore size distribution of Cu-MOF-74. 7: Isotherm linear plot of Cu-MOF-74.

8: Effect of temperature on the reaction yield. 9: Effect of solvent on the reaction yield. 10: Effect of reactant molar ratio on the reaction yield. 11: Effect of catalyst quantity on the reaction yield.

12: Effect of homogeneous catalysts on the reaction yield. 13: Effect of heterogeneous catalysts on the reaction yield. 14: Leaching test indicated no contribution from homogeneous catalysis of active species leaching into reaction solution. 15: Catalyst recycling studies.

16: PXRD patterns of the simulated (a) and synthesized (b) Cu-MOF-74. 17: FT-IR spectra of the Cu-MOF-74. 18: Effect of different temperatures on the reaction yield. 19: Effect of solvent to the reaction.

20: Effect of molar ratio of dibenzyl ether /(E)-acetophenone O-acetyl oxime acetate on the reaction yield. 21: Effect of catalyst amount on the reaction yield. 22: Effect of time on the reaction. 23: Effect of oxidant on the reaction.

24: Effect of oxidant amount on the reaction. 25: Effect of antioxidant on the reaction. 26: Leaching test indicated no contribution from homogeneous catalysis of active species leaching into reaction solution. 28: Catalyst reusing studies.

29: FT-IR analyses of the new (a) and recovered (b) catalyst. 30: PXRD determination of the new (a) and recovered (b) catalyst. 31: Effect of different homogeneous catalyst on the reaction. 32: Effect of different heterogeneous catalyst on the reaction.

33: Effect of different atmospheres on reaction yield.96 LIST OF SCHEME Scheme 1. 1: The photolysis of o-methyl dibenzyl ketone carried out inside the pores of [Co3(4,40-BPhDC)3(4,40-bpy)] [30]. 2: The oxidation of cyclohexene [37]. 3: Simplified reaction for the acylation of anisole with acetyl chloride [36].

4: The catalytic activity of Cu-MOF-74 in some typically base-catalyzed reactions, a) Knoevengel condensation rection. 5: The coupling reaction of amines and -carbonyl aldehydes [39]. 6: The reaction between dibenzyl ether and 2-acetyl phenol utilizing Cu- MOF-74 catalyst [40]. 7: The three-component coupling reaction of 2-pyridincarboxaldehyde, piperidine, and phenylacetylene using Cu-MOF-74 catalyst [41].

8: The synthesis of imidazo[1,5-a]pyridines via oxidative amination of the C(sp3)–H bond using Cu-MOF-74 [42]. 9: The hydroacylation of 1-alkynes with glyoxal derivatives using the Cu- MOF-74 catalyst [43]. 25: 1,5-benzodiazepine synthesis via cyclocondensation of 1,2-diamines with ketones using MOF-235 as an efficient heterogeneous catalyst [48]. 26: Direct C-C coupling of indoles with alkylamides via oxidative C−H functionalization using Fe3O(BDC)3 as a productive heterogeneous catalyst [49].

27: Direct arylation of benzoazoles with aldehydes utilizing metal–organic framework Fe3O(BDC)3 as a recyclable heterogeneous catalyst [50]. 28: Synthesis of 2-alkenylazaarenes using the direct alkenylation of 2- substituted azaarenes with carbonyls via C−H bond activation [51].