Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp hóa chất và nghiên cứu công nghiệp, xúc tác đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy hiệu quả phản ứng và kiểm soát quá trình chuyển hóa. Xúc tác đồng thể sử dụng các phức chất kim loại chuyển tiếp đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây nhưng bộc lộ nhược điểm cố hữu là sự thất thoát kim loại chuyển tiếp trong quá trình xử lý hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng. Việc loại bỏ dư lượng kim loại khỏi hỗn hợp phản ứng là một thách thức lớn, đặc biệt đối với ngành công nghiệp dược phẩm do các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về giới hạn tạp chất kim loại trong các hoạt chất dược dụng (API). Các phương pháp phân tách truyền thống như sắc ký, hấp phụ bằng than hoạt tính, chiết, chưng cất và kết tinh lại thường có độ chọn lọc thấp và làm thất thoát hoạt chất.

Xúc tác dị thể xuất hiện như một giải pháp thay thế phù hợp với các nguyên tắc của hóa học xanh, cho phép giảm thiểu chất thải độc hại và tạo điều kiện thu hồi, tái sử dụng xúc tác dễ dàng bằng các thao tác vật lý đơn giản. Trong các hệ vật liệu dị thể, khung hữu cơ - kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOF) nổi lên như nhóm vật liệu xốp tinh thể có diện tích bề mặt biểu kiến lớn, cấu trúc lỗ xốp có thể điều chỉnh và mật độ tâm hoạt tính cao. Mặc dù các cấu trúc MOF chứa kim loại hóa trị hai (M²⁺ như Cu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺) đã được nghiên cứu rộng rãi, các hệ MOF xây dựng trên nền tảng kim loại hóa trị ba (M³⁺ như In³⁺, Fe³⁺) vẫn ít được khảo sát trong lĩnh vực xúc tác hữu cơ. Đặc biệt, việc ứng dụng các vật liệu MOF chứa In³⁺ và Fe³⁺ gồm MIL-68(In), Fe₃O(BPDC)₃ và MOF-235 làm xúc tác dị thể cho các phản ứng hình thành liên kết C–N và C–O để tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ và các dẫn xuất ete có hoạt tính sinh học chưa từng được công bố trong các y văn trước thời điểm nghiên cứu.

Mục tiêu và giả thuyết nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng hợp và đặc trưng hóa cấu trúc, tính chất lý hóa của vật liệu khung hữu cơ - kim loại nền Indium là MIL-68(In) và hai vật liệu khung hữu cơ - kim loại nền Sắt là Fe₃O(BPDC)₃ và MOF-235.
  2. Khảo sát hoạt tính xúc tác dị thể của ba vật liệu này trong các phản ứng hình thành liên kết C–N và C–O trực tiếp nhằm tổng hợp ba nhóm hợp chất hữu cơ: 2-nitro-3-arylimidazo[1,2-a]pyridine, 2,4-diarylpyridine và các dẫn xuất α-acyloxy ether.

Giả thuyết khoa học của tác giả dựa trên cơ sở các tâm kim loại In³⁺ và Fe³⁺ chưa bão hòa phối trí trong khung mạng MOF đóng vai trò như các tâm axit Lewis, kết hợp với các nguyên tử oxy dạng ete hoặc nhóm chức mang tính bazơ Lewis trên phối tử hữu cơ và các vị trí khuyết tật cấu trúc để kích hoạt chọn lọc các liên kết hóa học. Đồng thời, tác giả giả định rằng muối sắt thân thiện với môi trường có khả năng thúc đẩy sự cắt đứt liên kết N–O của ketoxime carboxylate, tạo điều kiện cho phản ứng ghép cặp giữa ketoxime và liên kết α-C(sp³)–H của amin bậc ba diễn ra trên xúc tác Fe-MOF.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Ba loại vật liệu khung hữu cơ - kim loại: MIL-68(In), MOF-235 và Fe₃O(BPDC)₃.
    • Ba phản ứng hình thành liên kết: (1) Phản ứng hình thành liên kết C–N giữa 2-aminopyridine và nitroalkene; (2) Phản ứng hình thành liên kết C–N đóng vòng giữa N,N-dialkylaniline và ketoxime carboxylate; (3) Phản ứng hình thành liên kết C–O qua quá trình este hóa trực tiếp axit cacboxylic với liên kết C(sp³)–H của ete vòng.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành và bảo vệ năm 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại

Chương tổng quan của luận án hệ thống hóa các công trình nghiên cứu tiền đề về chế tạo vật liệu MOF và các phản ứng tổng hợp hữu cơ liên quan:

  1. Về vật liệu MIL-68(In):

    • Volkringer và cộng sự (2008) lần đầu công bố quy trình tổng hợp MIL-68(In) từ In(NO₃)₃, axit terephthalic và DMF trong bình phản ứng Parr lót Teflon ở 100 °C trong 48 giờ.
    • Choi và cộng sự (2014) khảo sát động học hình thành dây lục giác MIL-68(In) và thanh lục giác nhọn QMOF-2 thông qua phản ứng nhiệt dung môi một giai đoạn.
    • Jin và cộng sự (2015) sử dụng natri axetat (NaOAc) làm tác nhân điều hòa cấu trúc để chế tạo các cấu trúc vi/nano dạng thanh đồng đều của MIL-68(In).
    • Zheng và cộng sự (2014) khảo sát In-MOF cho phản ứng cyanosilyl hóa và phản ứng Strecker giữa N-Boc-phenylaldimine với TMSCN.
    • Monge và cộng sự (2015) nghiên cứu phản ứng axetal hóa hợp chất cacbonyl và khử nitroaren sử dụng xúc tác In-MOF.
    • Phan và cộng sự (2016) công bố phản ứng ghép cặp ba cấu tử giữa aldehyde, alkyne và amine (phản ứng A³) tạo thành 4-(1,3-diphenylprop-2-ynyl)morpholine thông qua hoạt hóa liên kết C–H sử dụng xúc tác MIL-68(In) trong dung môi toluene.

  2. Về vật liệu MOF-235 và Fe₃O(BPDC)₃:

    • Yaghi và cộng sự (1995, 2002, 2005) định hình khái niệm MOF, hóa học đẳng cấu trúc (isoreticular chemistry) và tổng hợp MOF-235 từ FeCl₃ và H₂BDC trong dung môi DMF.
    • Sung và cộng sự (2011) ứng dụng MOF-235 trong hấp phụ xử lý phẩm màu methyl da cam và methylene xanh từ môi trường nước.
    • Anbia và cộng sự (2012) tổng hợp MOF-235 bằng phương pháp thủy nhiệt ở 85 °C trong 24 giờ để hấp phụ khí.
    • Li và cộng sự (2016) tổng hợp MOF-235 bằng vi sóng phục vụ phân hủy quang xúc tác phẩm màu hữu cơ.
    • Phan và cộng sự (2016, 2017) triển khai MOF-235 cho phản ứng ngưng tụ đóng vòng tạo 1,5-benzodiazepine, ghép đôi trực tiếp C–C giữa indole với alkylamide, và phản ứng aryl hóa trực tiếp benzothiazole với benzaldehyde. Cùng nhóm tác giả đã ứng dụng Fe₃O(BPDC)₃ trong tổng hợp quinazolinone từ alcohol và 2-aminobenzamide, tổng hợp 3-acetylcoumarin (đạt hiệu suất 91% sau 180 phút), và alkenylation trực tiếp 2-methylquinoline với benzaldehyde.

  3. Về các phản ứng hình thành liên kết C–N và C–O:

    • Hajra và cộng sự (2014) nghiên cứu tổng hợp 2-nitro-3-arylimidazo[1,2-a]pyridine từ 2-aminopyridine và nitroalkene sử dụng Fe(NO₃)₃·9H₂O đồng thể thông qua cơ chế cộng Michael kèm chuyển điện tử đơn (SET).
    • Singh và cộng sự (2016) sử dụng xúc tác quang hóa hữu cơ Eosin Y dưới ánh sáng khả kiến trong điều kiện hiếu khí để tạo 2-nitro-3-arylimidazo[1,2-a]pyridine.
    • Shen và cộng sự (2014), Bai và cộng sự (2015), Xu và cộng sự (2015), Hu và cộng sự (2016) công bố các phương pháp tổng hợp pyridine đa thế sử dụng xúc tác Cu(acac)₂, RuCl₃, Rh(NBD)₂BF₄/MeO-Biphep hoặc [Ru(bpy)₃]Cl₂.
    • Zhao và cộng sự (2015, 2017) công bố phản ứng đóng vòng xúc tác bằng muối sắt đồng thể FeCl₃ hoặc Fe(OTf)₃ giữa ketoxime acetate và N,N-dimethylaniline để tổng hợp 2,4-diarylpyridine.
    • Wang và cộng sự cùng các nhóm tác giả khác công bố phản ứng este hóa trực tiếp liên kết C(sp³)–H của ete với axit cacboxylic sử dụng xúc tác đồng thể kim loại chuyển tiếp (Pd, Cu, Rh, Pt).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các công trình tổng hợp 2-nitro-3-arylimidazo[1,2-a]pyridine, 2,4-diarylpyridine và α-acyloxy ether đều phụ thuộc vào xúc tác kim loại đồng thể đắt tiền, phức tạp, khó thu hồi, hoặc quy trình quang hóa đồng thể không thể tái sinh chất xúc tác. Chưa có nghiên cứu nào khảo sát việc ứng dụng các khung hữu cơ - kim loại MIL-68(In), Fe₃O(BPDC)₃ và MOF-235 làm xúc tác dị thể có khả năng thu hồi và tái sử dụng cho ba phản ứng chuyển hóa nêu trên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm cốt lõi

Luận án dựa trên nền tảng hóa học phối trí và hóa học vật liệu xốp:

  • Khái niệm đơn vị cấu trúc thứ cấp (Secondary Building Units - SBUs): Các cụm kim loại vô cơ đóng vai trò nút mạng liên kết với các cầu nối hữu cơ carboxylate đa chức để định hình mạng lưới không gian 3 chiều.
  • Cấu trúc mạng Kagomé: Mạng lưới cấu trúc không gian ba chiều của MIL-68(In) với các chuỗi bát diện InO₄(OH)₂ liên kết qua phối tử terephthalate tạo nên các kênh dẫn hình tam giác và hình lục giác.
  • Cụm ba nhân sắt tâm oxy (Oxo-centered iron trimers): Cấu trúc SBU dạng lăng trụ tam giác [Fe₃(μ₃-O)(O₂CR)₆] đặc trưng trong mạng lưới của MOF-235 và Fe₃O(BPDC)₃.
  • Axit-Bazơ Lewis trên bề mặt dị thể: Tâm kim loại chưa bão hòa phối trí In³⁺ và Fe³⁺ đóng vai trò axit Lewis tiếp nhận cặp electron, phối hợp cùng các tâm bazơ trên phối tử để hoạt hóa cơ chất hữu cơ.
  • Cơ chế chuyển điện tử đơn (SET) và phản ứng gốc tự do: Sự chuyển hóa xúc tác oxy hóa cắt liên kết C–H/N–O thông qua các trạng thái trung gian gốc tự do.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Quy trình nghiên cứu được triển khai thuần túy theo hướng thực nghiệm định lượng hóa học với hệ thống trang thiết bị phân tích:

  1. Phương pháp tổng hợp vật liệu:

    • Tổng hợp nhiệt dung môi (solvothermal synthesis) trong các bình phản ứng lót Teflon hoặc lọ thủy tinh chịu áp suất kín. Dung môi chính là N,N-dimethylformamide (DMF).

  2. Kỹ thuật đặc trưng hóa vật liệu:

    • Nhiễu xạ tia X dạng bột (Powder X-Ray Diffraction - PXRD): Xác định cấu trúc pha tinh thể và độ tinh khiết pha.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Đánh giá hình thái học, kích thước và cấu trúc hạt tinh thể.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric Analysis - TGA): Đánh giá độ bền nhiệt và quá trình mất dung môi/phân hủy khung mạng.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Xác định các liên kết hóa học, sự phối trí của nhóm carboxylate với tâm kim loại.
    • Đo hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt Nitrogen ở 77 K (Nitrogen physisorption): Xác định diện tích bề mặt theo mô hình Brunauer–Emmett–Teller (BET) và Langmuir, cùng sự phân bố kích thước lỗ xốp (pore size distribution).
    • Quang phổ hấp thu nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometry - AAS): Kiểm tra hàm lượng kim loại rửa trôi trong dung dịch phản ứng.

  3. Phương pháp đánh giá hoạt tính và theo dõi phản ứng xúc tác:

    • Sắc ký khí (GC) với đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID) và Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS): Định lượng độ chuyển hóa, độ chọn lọc và xác định cấu trúc sản phẩm.
    • Thử nghiệm rửa trôi (Leaching test / Hot filtration test): Tách pha rắn khi phản ứng đang diễn ra để chứng minh phản ứng dừng lại, khẳng định bản chất xúc tác dị thể thực sự.
    • Thử nghiệm bẫy gốc tự do: Sử dụng (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxy (TEMPO) để xác nhận cơ chế gốc tự do.
    • Thử nghiệm điều kiện môi trường khí: So sánh phản ứng dưới khí Argon và không khí/oxy.
    • Khảo sát độ bền và khả năng tái sử dụng (Catalyst recycling studies): Thu hồi xúc tác qua các chu trình phản ứng liên tiếp, kết hợp phân tích PXRD và FT-IR của xúc tác sau thu hồi.

Bảng tổng hợp thông số tinh thể và tính chất vật liệu từ tài liệu tham chiếu của luận án

Thuộc tính / Thông số MIL-68(In) MOF-235 Fe₃O(BPDC)₃
Mã nhận diện khác MIL-68(In) MOF-235 MIL-126
Công thức hóa học kinh nghiệm In₃O₁₅.₅ C₃₃H₁₅Cl₄Fe₄N₃O₁₇ C₄₂H₂₄Fe₃O₁₆
Hình thái tinh thể Dạng kim kéo dài màu trắng Bát diện màu cam Màu cam
Hệ tinh thể Trực thoi (Orthorhombic) Lục phương (Hexagonal) Khối bốn phương (Tetragonal)
Thông số ô mạng cơ sở a = 21,005 Å - a = 21,407(7) Å
Độ bền nhiệt 400 °C 350 °C 340 °C
Diện tích bề mặt BET (m²/g) 746 (31) 974 1750 (50)
Diện tích bề mặt Langmuir (m²/g) 1139 (5) - 774
Hiệu suất tổng hợp (%) 83% (tính theo In) 42% (tính theo H₂BDC) 73% (tính theo H₂BPDC)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu về MIL-68(In), Fe₃O(BPDC)₃, MOF-235 và các phản ứng hình thành liên kết C–N, C–O

Chương này tổng kết cơ sở lý thuyết về vật liệu khung hữu cơ - kim loại, tập trung vào cấu trúc hình học, phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi và tính chất của ba vật liệu cụ thể:

  • MIL-68(In): Được cấu tạo từ các chuỗi bát diện InO₄(OH)₂ chạy dọc theo trục c, nối với nhau bằng các phối tử terephthalate tạo thành mạng lưới Kagomé có hai loại kênh dẫn hình lục giác và hình tam giác (đường kính cửa sổ khoảng 16 Å).
  • MOF-235: Cấu trúc gồm các cụm ba nhân sắt [Fe₃O(O₂C)₆] liên kết với phối tử 1,4-benzenedicarboxylate (BDC). Mạng lưới mang điện tích dương được bù trừ bởi anion [FeCl₄]⁻, tạo kênh dẫn lục phương đường kính khoảng 6 Å.
  • Fe₃O(BPDC)₃: Cấu trúc đối xứng bốn phương xây dựng từ các cụm ba nhân sắt (III) kết nối với phối tử 4,4'-biphenyldicarboxylate (BPDC), tạo ra khung mạng có độ xốp và diện tích bề mặt lớn.

Chương 1 cũng tổng quan chi tiết các con đường tổng hợp hữu cơ truyền thống và các công trình xúc tác gần đây cho ba phản ứng trọng tâm: phản ứng tạo liên kết C–N tổng hợp 2-nitro-3-arylimidazo[1,2-a]pyridine; phản ứng tạo liên kết C–N tổng hợp các aryl pyridine đa thế; và phản ứng este hóa trực tiếp kích hoạt liên kết C(sp³)–H giữa ete và axit cacboxylic để tạo α-acyloxy ether.

Chương 2: Quá trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu và khảo sát hoạt tính xúc tác

Chương 2 mô tả chi tiết hóa chất, thiết bị và quy trình thực nghiệm:

  • Quy trình tổng hợp MOF:
    • Tổng hợp MIL-68(In) từ In(NO₃)₃ và H₂BDC trong DMF ở 100 °C trong 48 giờ.
    • Tổng hợp MOF-235 từ FeCl₃·6H₂O và H₂BDC trong DMF.
    • Tổng hợp Fe₃O(BPDC)₃ từ FeCl₃·6H₂O và H₂BPDC trong DMF ở 100 °C trong 24 giờ.
  • Quy trình khảo sát phản ứng xúc tác: Thiết lập điều kiện phản ứng, khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ: nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ mol giữa các tác chất, lượng xúc tác, loại dung môi, loại và lượng chất đồng xúc tác/chất oxy hóa, nồng độ cơ chất. Quy trình kiểm tra rửa trôi xúc tác và các thử nghiệm cơ chế (sử dụng bẫy gốc tự do TEMPO, khảo sát trong môi trường khí trơ Argon đối chiếu với không khí).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học:

  1. Đặc trưng hóa vật liệu:

    • Kết quả phân tích PXRD của MIL-68(In), MOF-235 và Fe₃O(BPDC)₃ hoàn toàn trùng khớp với giản đồ nhiễu xạ tính toán lý thuyết từ dữ liệu tinh thể đơn.
    • Ảnh SEM và TEM xác nhận hình thái tinh thể đặc trưng (MIL-68(In) dạng kim kéo dài, MOF-235 dạng bát diện).
    • Đường cong phân tích nhiệt trọng lượng TGA cho thấy MIL-68(In) bền nhiệt đến 400 °C, MOF-235 bền đến 350 °C và Fe₃O(BPDC)₃ bền đến 340 °C.
    • Phổ FT-IR khẳng định sự biến mất của nhóm cacbonyl tự do của axit và xuất hiện các dải dao động phối trí đối xứng/bất đối xứng của nhóm carboxylate với ion kim loại.
    • Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp nitơ xác nhận độ xốp vĩnh viễn và diện tích bề mặt lớn của cả ba vật liệu.

  2. Khảo sát phản ứng (1) – Tổng hợp 2-nitro-3-phenylimidazo[1,2-a]pyridine sử dụng xúc tác MIL-68(In):

    • Đã tối ưu hóa nhiệt độ, lượng xúc tác MIL-68(In), tỷ lệ mol giữa 2-aminopyridine và nitroalkene, loại dung môi (1,2-dichloroethane cho kết quả tốt), loại và nồng độ chất đồng xúc tác.
    • Thử nghiệm rửa trôi khẳng định khi lọc bỏ pha rắn MIL-68(In), phản ứng ngừng hoàn toàn, chứng minh xúc tác dị thể thực thụ.
    • Thử nghiệm thêm chất bẫy gốc tự do TEMPO làm ngưng phản ứng, chứng minh cơ chế đi qua trạng thái trung gian gốc tự do.
    • Giản đồ PXRD và phổ FT-IR của xúc tác thu hồi sau nhiều chu trình phản ứng giữ nguyên cấu trúc so với xúc tác ban đầu.

  3. Khảo sát phản ứng (2) – Tổng hợp 2,4-diphenylpyridine sử dụng xúc tác Fe₃O(BPDC)₃:

    • Tối ưu hóa các yếu tố: tỷ lệ mol tác chất giữa N,N-dimethylaniline và ketoxime acetate, loại chất oxy hóa và hàm lượng chất oxy hóa, lượng xúc tác Fe₃O(BPDC)₃, dung môi và nhiệt độ.
    • Khảo sát sự phụ thuộc của độ chuyển hóa và độ chọn lọc theo thời gian phản ứng.
    • Thử nghiệm rửa trôi và thử nghiệm bẫy gốc tự do chứng minh phản ứng diễn ra trên bề mặt dị thể theo cơ chế gốc.
    • Xúc tác Fe₃O(BPDC)₃ được thu hồi và tái sử dụng qua nhiều chu trình với hoạt tính không suy giảm đáng kể; cấu trúc pha tinh thể được duy trì ổn định qua kiểm tra PXRD và FT-IR.

  4. Khảo sát phản ứng (3) – Este hóa trực tiếp 4-methoxybenzoic acid với 1,4-dioxane sử dụng xúc tác MOF-235:

    • Khảo sát hiệu suất tạo sản phẩm 1,4-dioxan-2-yl 4-methoxybenzoate theo nhiệt độ, nồng độ xúc tác MOF-235, tỷ lệ mol giữa axit và 1,4-dioxane, loại và hàm lượng chất oxy hóa.
    • So sánh hoạt tính của MOF-235 với các xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể khác.
    • Thử nghiệm rửa trôi xác nhận không có hiện tượng xúc tác đồng thể từ kim loại tan.
    • Phản ứng được khảo sát trong sự hiện diện của pyridine cũng như đối chiếu giữa môi trường không khí và khí Argon.
    • Khảo sát tái sử dụng khẳng định MOF-235 duy trì tốt cấu trúc tinh thể và hiệu suất sau các chu trình phản ứng.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Đóng góp về mặt vật liệu: Đã tổng hợp thành công và đặc trưng hóa đầy đủ hệ ba vật liệu khung hữu cơ - kim loại chứa kim loại hóa trị ba gồm MIL-68(In), Fe₃O(BPDC)₃ và MOF-235 với độ tinh thể cao, diện tích bề mặt lớn và độ bền nhiệt cao.
  2. Đóng góp trong phản ứng hình thành liên kết C–N (1): Mở rộng thành công ứng dụng của MIL-68(In) làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép cặp giữa 2-aminopyridine và nitroalkene để tổng hợp 2-nitro-3-arylimidazo[1,2-a]pyridine.
  3. Đóng góp trong phản ứng hình thành liên kết C–N (2): Ứng dụng thành công Fe₃O(BPDC)₃ làm xúc tác dị thể cho phản ứng đóng vòng giữa ketoxime carboxylate và N,N-dialkylaniline để tổng hợp 2,4-diarylpyridine, tạo ra con đường xúc tác dị thể thay thế cho hệ xúc tác muối sắt đồng thể.
  4. Đóng góp trong phản ứng hình thành liên kết C–O (3): Thiết lập quy trình este hóa trực tiếp hoạt hóa liên kết C(sp³)–H giữa axit cacboxylic và ete vòng sử dụng xúc tác MOF-235, loại bỏ sự phụ thuộc vào các xúc tác kim loại quý đồng thể.
  5. Tính bền vững và khả năng tái sinh: Chứng minh các xúc tác MOF nền Indium và Sắt có thể tách thu hồi dễ dàng bằng phương pháp lọc và tái sử dụng nhiều lần mà không bị suy giảm đáng kể hoạt tính xúc tác cũng như không bị phá hủy cấu trúc tinh thể.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Áp dụng các hệ xúc tác dị thể In-MOF và Fe-MOF này vào quy trình tổng hợp hóa dược và hóa chất tinh khiết nhằm giảm thiểu lượng kim loại nặng tồn dư trong sản phẩm cuối.
  • Khai thác khả năng mở rộng không gian phản ứng và phạm vi cơ chất đối với các dẫn xuất chứa nhiều nhóm chức nhạy cảm khác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Luận án tập trung khảo sát trên các hệ phản ứng quy mô phòng thí nghiệm với một số cơ chất mô hình đại diện trong hệ dung môi hữu cơ.
    • Phản ứng tổng hợp vật liệu MOF chủ yếu thực hiện trong dung môi DMF ở quy trình nhiệt dung môi gián đoạn kéo dài (từ 24 đến 48 giờ).
    • Việc phân tích cơ chế chi tiết chủ yếu dựa trên các thử nghiệm gián tiếp (chất bẫy gốc tự do TEMPO, môi trường khí trơ, thử nghiệm rửa trôi) mà chưa có các phép đo phổ cộng hưởng thuận từ điện tử (EPR/ESR) trực tiếp theo thời gian thực.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng phạm vi cơ chất với các cấu trúc phức tạp hơn chứa các dị nguyên tử khác.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp MOF theo hướng xanh hóa (sử dụng dung môi thân thiện môi trường hoặc hỗ trợ vi sóng để rút ngắn thời gian).
    • Nghiên cứu ứng dụng liên tục trong các thiết bị phản ứng dòng chảy (flow reactor).

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hóa học / Hóa hữu cơ: Luận án cung cấp quy trình thực nghiệm chuẩn mực về tổng hợp nhiệt dung môi các vật liệu MOF kim loại hóa trị ba, phương pháp đặc trưng hóa toàn diện (PXRD, SEM, TEM, TGA, FT-IR, BET) và quy trình chuẩn để chứng minh bản chất dị thể của chất xúc tác (hot filtration test, leaching test, recycling test).
  • Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu hóa học xúc tác: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về cơ chế hoạt hóa liên kết C–H, C–N, C–O và cơ chế chuyển điện tử đơn (SET) qua xúc tác gốc kim loại In(III) và Fe(III).
  • Đối với các kỹ sư và chuyên gia công nghiệp hóa dược: Các quy trình tổng hợp khung dị vòng imidazopyridine, arylpyridine và dẫn xuất este hóa ete cung cấp các giải pháp công nghệ nhằm loại bỏ tạp chất kim loại chuyển tiếp trong sản phẩm hoạt chất dược dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án khảo sát những vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOF) nào và chúng có những đặc tính cấu trúc cơ bản nào?

Luận án khảo sát ba vật liệu: MIL-68(In), MOF-235 và Fe₃O(BPDC)₃. MIL-68(In) có cấu trúc trực thoi, độ bền nhiệt 400 °C, diện tích bề mặt BET 746 m²/g. MOF-235 có cấu trúc lục phương với các cụm ba nhân sắt liên kết qua phối tử BDC, độ bền nhiệt 350 °C, diện tích bề mặt BET 974 m²/g. Fe₃O(BPDC)₃ có cấu trúc bốn phương với phối tử BPDC, độ bền nhiệt 340 °C, diện tích bề mặt BET 1750 m²/g.

2. Ba phản ứng hữu cơ cụ thể được xúc tác trong luận án là gì?

Ba phản ứng gồm: (1) Phản ứng hình thành liên kết C–N giữa 2-aminopyridine và nitroalkene tổng hợp 2-nitro-3-arylimidazo[1,2-a]pyridine sử dụng xúc tác MIL-68(In); (2) Phản ứng hình thành liên kết C–N giữa N,N-dialkylaniline với ketoxime carboxylate tổng hợp 2,4-diarylpyridine sử dụng xúc tác Fe₃O(BPDC)₃; (3) Phản ứng hình thành liên kết C–O qua quá trình este hóa trực tiếp axit cacboxylic với liên kết C(sp³)–H của ete vòng tổng hợp α-acyloxy ether sử dụng xúc tác MOF-235.

3. Tác giả đã sử dụng phương pháp nào để chứng minh phản ứng xảy ra theo cơ chế xúc tác dị thể chứ không phải do kim loại hòa tan trong dung dịch?

Tác giả đã thực hiện thử nghiệm rửa trôi (leaching test / hot filtration test). Trong thử nghiệm này, chất xúc tác rắn được lọc tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ phản ứng khi độ chuyển hóa đang diễn ra; phần dung dịch lọc sau đó được tiếp tục khuấy trong cùng điều kiện. Kết quả phân tích cho thấy không có thêm sản phẩm nào được tạo thành sau khi tách bỏ pha rắn, khẳng định phản ứng hoàn toàn không bị chi phối bởi các tiểu phân kim loại hòa tan.

4. Bằng chứng nào trong luận án cho thấy các phản ứng chuyển hóa đi qua trạng thái trung gian gốc tự do?

Tác giả thực hiện các thử nghiệm với chất bẫy gốc tự do TEMPO ((2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxy). Kết quả thực nghiệm cho thấy khi có mặt TEMPO trong hệ phản ứng, sự hình thành sản phẩm mục tiêu (như 2-nitro-3-phenylimidazo[1,2-a]pyridine hay 2,4-diphenylpyridine) bị ức chế hoàn toàn, xác nhận sự tham gia thiết yếu của các gốc tự do trung gian trong cơ chế phản ứng.

5. Độ bền và khả năng tái sử dụng của các chất xúc tác In-MOF và Fe-MOF được đánh giá như thế nào?

Sau mỗi chu trình phản ứng, chất xúc tác rắn được tách ra, rửa sạch, sấy khô và tái sử dụng cho chu trình tiếp theo. Hoạt tính xúc tác duy trì ổn định qua nhiều lần tái sử dụng. Cấu trúc tinh thể và liên kết của xúc tác trước phản ứng và sau khi thu hồi được phân tích đối chiếu bằng PXRD và FT-IR, cho thấy không có sự thay đổi đáng kể về cấu trúc pha tinh thể hay phân hủy khung mạng.

Kết luận

Luận án của tác giả Hà Thanh Mỹ Phương đã tổng hợp và đặc trưng hóa thành công ba vật liệu khung hữu cơ - kim loại kim loại hóa trị ba gồm MIL-68(In), Fe₃O(BPDC)₃ và MOF-235 với diện tích bề mặt lớn và độ bền nhiệt cao. Các vật liệu này đã được ứng dụng làm chất xúc tác dị thể cho các phản ứng hình thành liên kết C–N và C–O trực tiếp để tổng hợp 2-nitro-3-arylimidazo[1,2-a]pyridine, 2,4-diarylpyridine và α-acyloxy ether với hiệu suất và độ chọn lọc cao. Nghiên cứu đã chứng minh bản chất dị thể thực sự của hệ xúc tác, khả năng thu hồi và tái sử dụng bền vững nhiều lần mà không làm suy giảm cấu trúc tinh thể, mở ra giải pháp thay thế cho các hệ xúc tác đồng thể truyền thống trong tổng hợp hóa dược và hóa chất tinh khiết.