Luận án Tiến sĩ: Khung Hữu Cơ Cubased và Xúc Tác cho Phản Ứng Ghép Nối CC và CN

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật hóa học cubased organic frameworks an catalysts for cc and cn coupling reactions, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong

Chuyên ngành

Organic Chemical Technology

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2015

182
7
0

Phí lưu trữ

45 Point

Tóm tắt

I. Cu based organic frameworks

Luận án tập trung vào việc tổng hợp và ứng dụng của bốn Cu-based organic frameworks (Cu-MOFs) bao gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu(BDC). Các Cu-MOFs này được sử dụng làm chất xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép cặp C–CC–N. Cấu trúc và tính chất của các Cu-MOFs được phân tích chi tiết, bao gồm các phương pháp tổng hợp và đặc trưng hóa học. Các Cu-MOFs này có diện tích bề mặt lớn và khả năng xúc tác cao, đặc biệt là trong các phản ứng hữu cơ.

1.1. Cấu trúc và tính chất

Các Cu-MOFs được xây dựng từ các muối đồng và các axit hữu cơ như 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC), 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (BTC) và 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (BPDC). Các liên kết hữu cơ này có giá thành thấp và dễ dàng thương mại hóa. Cấu trúc của các Cu-MOFs được xác định bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (PXRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).

1.2. Phương pháp tổng hợp

Các Cu-MOFs được tổng hợp bằng phương pháp solvothermal, sử dụng các dung môi hữu cơ như DMF và ethanol. Quá trình tổng hợp được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao và độ tinh khiết của sản phẩm. Các phương pháp đặc trưng hóa như FT-IR và ICP-MS được sử dụng để xác định thành phần và cấu trúc của các Cu-MOFs.

II. Catalysts

Các Cu-MOFs được sử dụng làm chất xúc tác dị thể trong các phản ứng ghép cặp C–CC–N. Khả năng xúc tác của các Cu-MOFs được đánh giá thông qua các phản ứng tổng hợp propargylamines và quinoxalines. Các Cu-MOFs cho thấy hiệu suất cao và có thể tái sử dụng nhiều lần mà không bị giảm đáng kể hoạt tính xúc tác.

2.1. Ứng dụng trong phản ứng ghép cặp C C

Các Cu-MOFs như Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO) và Cu2(BPDC)2(BPY) được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng ghép cặp C–C để tổng hợp propargylamines. Các phản ứng này được thực hiện trong điều kiện nhẹ nhàng và cho hiệu suất cao. Các Cu-MOFs cũng cho thấy khả năng tương thích với nhiều nhóm chức khác nhau.

2.2. Ứng dụng trong phản ứng ghép cặp C N

Cu(BDC) được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng ghép cặp C–N để tổng hợp quinoxalines. Phản ứng này cũng cho hiệu suất cao và có thể tái sử dụng chất xúc tác nhiều lần. Các điều kiện phản ứng được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất.

III. CC coupling reactions

Các phản ứng ghép cặp C–C được nghiên cứu chi tiết trong luận án, đặc biệt là trong việc tổng hợp propargylamines. Các Cu-MOFs cho thấy hiệu suất cao trong các phản ứng này, với khả năng tái sử dụng và độ bền cao.

3.1. Cơ chế phản ứng

Cơ chế của các phản ứng ghép cặp C–C được đề xuất dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết. Các Cu-MOFs hoạt động như chất xúc tác dị thể, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành liên kết C–C giữa các phân tử hữu cơ.

3.2. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng

Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, lượng chất xúc tác và tỷ lệ các chất phản ứng được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Các nghiên cứu cho thấy rằng các Cu-MOFs có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau.

IV. CN coupling reactions

Các phản ứng ghép cặp C–N được nghiên cứu để tổng hợp quinoxalines. Cu(BDC) được sử dụng làm chất xúc tác chính trong các phản ứng này, cho hiệu suất cao và độ chọn lọc tốt.

4.1. Cơ chế phản ứng

Cơ chế của các phản ứng ghép cặp C–N được đề xuất dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm. Cu(BDC) hoạt động như chất xúc tác dị thể, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành liên kết C–N giữa các phân tử hữu cơ.

4.2. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng

Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, lượng chất xúc tác và tỷ lệ các chất phản ứng được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Các nghiên cứu cho thấy rằng Cu(BDC) có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau.

V. Chemical engineering

Luận án đóng góp vào lĩnh vực chemical engineering bằng cách cung cấp các phương pháp tổng hợp và ứng dụng mới của các Cu-MOFs trong các phản ứng ghép cặp C–CC–N. Các nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng cao trong công nghiệp hóa chất và dược phẩm.

5.1. Ứng dụng công nghiệp

Các Cu-MOFs có tiềm năng ứng dụng cao trong công nghiệp hóa chất và dược phẩm, đặc biệt là trong việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ có giá trị cao như propargylamines và quinoxalines.

5.2. Tính bền vững

Các Cu-MOFs cho thấy khả năng tái sử dụng và độ bền cao, làm cho chúng trở thành lựa chọn bền vững cho các quá trình xúc tác trong công nghiệp hóa chất.

09/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY DANG HUYNH GIAO Cu-BASED ORGANIC FRAMEWORKS AS CATALYSTS FOR C–C AND C–N COUPLING REACTIONS PhD THESIS HO CHI MINH CITY 2015 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY DANG HUYNH GIAO Cu-BASED ORGANIC FRAMEWORKS AS CATALYSTS FOR C–C AND C–N COUPLING REACTIONS Major: Organic Chemical Technology Major code: 62527505 Independent examiner 1: Prof. Dinh Thi Ngo Independent examiner 2: Assoc. Nguyen Thi Phuong Phong Examiner 1: Assoc. Nguyen Cuu Khoa Examiner 2: Assoc.

Nguyen Thai Hoang Examiner 3: Assoc. Le Thi Hong Nhan ADVISORS: 1. Phan Thanh Son Nam 2. Le Thanh Dung DECLARATION OF ORIGINALITY I hereby declare that this is my own research study.

The research results and conclusions in this thesis are true, and are not copied from any other resources. The literature references have been quoted with clear citation as requested. Thesis Author Dang Huynh Giao i THESIS SUMMARY This thesis describes the synthesis, characterization and catalytic applications of four copper-based metal-organic frameworks (Cu-MOFs) including Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) and Cu(BDC). These Cu-MOFs were used as heterogeneous catalysts for direct CC and CN coupling reactions to synthesize propargylamines and quinoxalines.

The first chapter of this thesis provides a literature review of Cu-MOFs. The review is limited in Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) and Cu(BDC). An overview of their structures, properties, synthesis, characterization methods and catalytic applications is described. In addition, the chapter also reviews CC and CN coupling reactions for the synthesis of propargylamines and quinoxalines.

The second chapter of this thesis discusses the synthesis and characterization of four Cu-MOFs including Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) and Cu(BDC). These Cu-MOFs were prepared by solvothermal methods and characterized by X-ray powder diffraction (PXRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), hydrogen temperature-programmed reduction (H2-TPR) and nitrogen physisorption measurements. The third chapter of this thesis describes the evaluation of Cu-MOFs as heterogeneous catalysts for direct CC and CN coupling reactions. These Cu-MOFs were found to be highly catalytically active for direct CC and CN coupling reactions.

The Cu- MOF catalysts could be recovered and reused several times without a significant degradation in catalytic activity. To the best of our knowledge, these transformations using MOFs catalysts were not previously mentioned in the literature. ii ABSTRACT Four highly porous Copper-based organic frameworks (Cu-MOFs) such as Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) and Cu(BDC) were synthesized and characterized by X-ray powder diffraction (PXRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), hydrogen temperature-programmed reduction (H2-TPR) and nitrogen physisorption measurements. Three Cu-MOFs including Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) were used as heterogeneous catalysts for direct CC coupling reactions to synthesize propargylamines.

Cu(BDC) was employed as heterogeneous catalyst for CN coupling reaction to synthesize quinoxalines. These catalytic systems offered practical approaches with high yields and selectivity. Additionally, broad functionality was shown to be compatible. The Cu-MOFs catalysts could be recovered and reused several times without significant degradation in catalytic activity.

To the best of our knowledge, these transformations using Cu-MOFs catalysts were not previously mentioned in the literature. iii ACKNOWLEDGMENT I reserve special thanks to my research advisors, Prof. Phan Thanh Son Nam and Dr. Le Thanh Dung, who have supported me over the course of my research work.

Their motivation, patience, enthusiasm and immense knowledge have kept me going during the past four years. I was so lucky to have such a precious opportunity to work under their guidance. I really would like to learn more from such renowned and respected chemists. I would aslo like to thank Dr.

Truong Vu Thanh and Assoc. Le Thi Hong Nhan for their insight and questions that have undoubtedly helped me progress to this point. I would like to thank Dr. Hiroyasu Furukawa for guiding me how to recognize and find the best ways to solve the scientific problems.

I would be remiss if I did not acknowledge all members of my group (Nguyen Kim Chung, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Thai Anh, Le Khac Anh Ky, Nguyen Dang Khoa, Nguyen Van Chi, Nguyen Tran Vu, Le Thi Ngoc Hanh) for the stimulating discussions in Organic Chemistry Division. Additionally, I wish to acknowledge four undergraduate students (Dang Truong Thinh, Nguyen Thanh Duy, Nguyen Duy Thanh, Dong Anh Quoc) and graduated student (Vu Thi Hai Yen) for their helps during the time they studied in laboratory. I also thank to my colleagues in Chemical Engineering Department at CanTho University for their encouragement. Especially, I would like to thank Dr.

Luong Huynh Vu Thanh about help me download the scientific papers I could not download in Viet Nam. My deepest gratitude to my family: my parents, my oldest sister Dang Huynh Thu, my older sister Dang Huynh Nhu, my younger brother Dang Quoc Dung and my youngest sister Dang Huynh Anh. The support and love from my family is of inestimable value. iv TABLE OF CONTENTS TABLE OF CONTENTS.

v LIST OF FIGURES .vii LIST OF SCHEMES. xi LIST OF TABLES.xiii LIST OF ABBREVIATION. 1 CHAPTER 1 LITERATURE REVIEW: Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY), Cu(BDC) AND CC, CN COUPLING REACTIONS .1 Introduction to metal-organic frameworks .1 Structures and properties of Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) and Cu2(BPDC)2(BPY) .2 Synthesis of Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) and Cu2(BPDC)2(BPY) .3 Characterization of Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) and Cu2(BPDC)2(BPY) .4 Catalytic activities of Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) and Cu2(BPDC)2(BPY) .3 CC cross coupling reactions .4 CN cross coupling reactions .5 Aims and objectives. 36 CHAPTER 2 SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY), AND Cu(BDC) .1 Materials and instrumentation .2 Synthesis of Cu3(BTC)2 .3 Synthesis of Cu2(BDC)2(DABCO) .4 Synthesis of Cu2(BPDC)2(BPY) .5 Synthesis of Cu(BDC) .3 Results and discussions .1 Synthesis and characterization of Cu3(BTC)2 .2 Synthesis and characterization of Cu2(BDC)2(DABCO) .3 Synthesis and characterization of Cu2(BPDC)2(BPY) .4 Synthesis and characterization of Cu(BDC).

63 CHAPTER 3 CATALYTIC STUDIES OF Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) AND Cu(BDC) ON CC AND CN COUPLING REACTIONS65 3.1 Materials and instrumentation .2 Catalytic studies on CC, CN cross coupling reactions .3 Results and discussions .1 Catalytic studies of Cu3(BTC)2 on CC cross coupling reaction (1) .2 Catalytic studies of Cu2(BDC)2(DABCO) on CC cross coupling reaction (2) .3 Catalytic studies of Cu2(BPDC)2(BPY) on CC cross coupling reaction (3) .4 Catalytic studies of Cu(BDC) on CN cross coupling reaction (4) .1 Summary of current work.2 Contributions of this thesis. 116 LIST OF PUBLICATIONS. 132 vi LIST OF FIGURES Figure 1. The 3D structures of representative MOFs [7].

Development of MOF fields in comparison to the MOF catalysis in the last ten years (SciFinder until Jan 15, 2014) [25]. Cu-MOFs (M=Cu, L=carboxylate) contain open metal sites that enable the reactivity of organic compounds in organic transformations. Common coordination geometry of paddle wheel building units of Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY), Cu(BDC) and their framework structures (L = Carboxylate linker, P = N-containing bidentate pillar linker and G = Guest molecule) [44-47]. Reversible crystalline phase transformation of Cu(BDC) from the lamellar to the compact structure upon desorption/adsorption of DMF [40].

X-Ray structure of the doubly interpenetrating pillared-grid framework Cu2(BPDC)2(BPY) [45]. Pore apertures of Cu2(BDC)2(DABCO) [48]. Solvothermal synthesis of MOFs [10]. PXRD patterns of Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) and Cu2(BPDC)2(BPY) [45-47, 52].

In situ PXRD patterns of Cu(BDC) [10]. SEM images of Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) and Cu2(BPDC)2(BPY) [10, 33, 35, 37]. TGA of Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) and Cu2(BPDC)2(BPY) [33, 35-37]. FT-IR spectra of Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) and Cu2(BPDC)2(BPY) [33, 35-37].

Structure of Cu3(BTC)2 (a) [46], Cu(BDC) (b) [44], Cu2(BDC)2(DABCO) [117] and Cu2(BPDC)2BPY [45]. X-ray powder diffractograms of the synthesized Cu3(BTC)2. FT-IR spectra of the Cu3(BTC)2 (a) and 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (b). SEM micrograph of the Cu3(BTC)2.

TEM micrograph of the Cu3(BTC)2. TGA analysis of the Cu3(BTC)2. H2-TPR profile of the Cu3(BTC)2. X-ray powder diffractograms of the synthesized Cu2(BDC)2(DABCO).

SEM micrograph of the Cu2(BDC)2(DABCO). TEM micrograph of the Cu2(BDC)2(DABCO). FT-IR spectra of 1,4-benzenedicarboxylic acid (a), diazabicyclo[2. TGA analysis of the Cu2(BDC)2(DABCO).

H2-TPR profile of the Cu2(BDC)2(DABCO). X-ray powder diffractograms of the synthesized Cu2(BPDC)2(BPY). TGA of the Cu2(BPDC)2(BPY). SEM micrograph of the Cu2(BPDC)2(BPY).

TEM micrograph of the Cu2(BPDC)2(BPY). FT-IR spectra of 4,4’-Biphenyldicarboxylic acid (a), 4,4’-Bipyridine (b) and the Cu2(BPDC)2(BPY) (c). H2-TPR profile of the Cu2(BPDC)2(BPY). X-ray powder diffractograms of the synthesized Cu(BDC).

TGA of the Cu(BDC). SEM micrograph of the Cu(BDC). TEM micrograph of the Cu(BDC). FT-IR spectra of 1,4-benzenedicarboxylic acid (a) and the Cu(BDC) (b)62 Figure 2.

H2-TPR profile of the Cu(BDC). Effect of temperature on reaction conversions. Effect of catalyst amount on reaction conversions. Effect of phenylacetylene: N,N-dimethylaniline molar ratio on reaction conversions.

Effect of oxidant on reaction conversions. Effect of oxidant concentration on reaction conversions. The selectivity of reaction with different oxidant concentrations on reaction conversions. Effect of different solvents on reaction conversions.

The selectivity of reaction with different solvents on reaction conversions. Leaching test indicated no contribution from homogeneous catalysis of active species leaching into reaction solution. Different Cu-MOFs catalysts for the direct CC coupling reactions. Catalyst recycling studies.

FT-IR spectra of the fresh (a) and reused (b) Cu3(BTC)2 catalyst. X-ray powder diffractograms of the fresh (a) and reused (b) Cu3(BTC)2 catalyst. Effect of temperature on reaction conversions. Effect of catalyst amount on reaction conversions.

Effect of phenylacetylene: N-methylaniline molar ratio on reaction conversions. Effect of oxidant on reaction conversions. Effect of oxidant concentration on reaction conversions. The selectivity of reaction with different oxidant concentrations on reaction conversions.

Effect of different solvents on reaction conversions. The selectivity of reaction with different solvents on reaction conversions. Leaching test indicated no contribution from homogeneous catalysis of active species leaching into reaction solution. Different Cu-MOFs catalysts for the direct C-C coupling reactions.

Catalyst recycling studies: Reaction conversion (a) and selectivity of reaction (b). FT-IR spectra of the fresh (a) and reused (b) Cu2(BDC)2(DABCO) catalyst. X-ray powder diffactograms of the fresh (a) and reused (b) Cu2(DABCO)2(DABCO). Effect phenylacetylene:benzaldehyde: tetrahydroisoquinoline molar ratio ratio on reaction conversions.

Effect of temperature on reaction conversions. Effect of catalyst amount on reaction conversions. Effect of different solvents on reaction conversions. Different copper salts as catalyst for the C1-alkynylation reaction of tetrahydroisoquinoline.

Different MOFs as catalyst for the C1-alkynylation reaction of tetrahydroisoquinoline. Effect of catalyst poison on reaction conversion. Adding product to the reaction mixture. Leaching test indicated no contribution from homogeneous catalysis of active species leaching into reaction solution.

Catalyst recycling studies. FT-IR spectra of the fresh (a) and reused (b) Cu2(BPDC)2(BPY) catalyst. X-ray diffractograms of the fresh (a) and reused (b) Cu2(BPDC)2(BPY) catalyst. Effect of different derivative benzaldehydes on reaction conversions.

Effect of different derivative phenylacetylenes on reaction conversions. Effect of temperature on reaction conversions. Effect of catalyst amount on reaction conversions. Effect of α-hydroxyacetophenone : phenylenediamine molar ratio on reaction conversions.

Effect of different solvents on reaction conversions. Leaching test indicated no contribution from homogeneous catalysis of active species leaching into reaction solution. Effect of catalyst poison on reaction conversion. Different catalyst for the quinoxaline synthesis reaction.

Effect argon on reaction conversion. Catalyst recycling studies. FT-IR spectra of the fresh (a) and reused (b) Cu(BDC) catalyst. X-ray powder diffractograms of the fresh (a) and reused (b) Cu(BDC) catalyst.

The reaction between α-hydroxyacetophenone and different 1,2- aryldiamines. 111 x LIST OF SCHEMES Scheme 1. Solvothermal synthesis of Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) and Cu(BDC) [44-47]. The reaction of various aldehydes with methanol using the Cu3(BTC)2 as catalyst [64].

The oxidation of the benzylic compounds with t-butylhydroperoxide using the Cu3(BTC)2 as catalyst [66]. The 1,3-dipolar cycloaddition reaction catalyzed by various Cu- MOFs catalysts [41]. The modified Friedländer reaction using the Cu(BDC) as catatalyst [37].

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Luận văn thạc sĩ quản trị kinh doanh một số giải pháp nâng cao sự hài lòng của người dân về chất lượng dịch vụ công tại ủy ban nhân dân phường 1 thành phố bến tre" tập trung vào việc phân tích và đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ công, từ đó nâng cao mức độ hài lòng của người dân. Đây là nguồn tài liệu hữu ích cho những ai quan tâm đến lĩnh vực quản trị kinh doanh và cải cách hành chính. Để hiểu sâu hơn về các giải pháp tối ưu hóa chi phí quản lý doanh nghiệp, bạn có thể tham khảo Luận văn thạc sĩ kinh tế giải pháp tối ưu hóa chi phí quản lý doanh nghiệp khi áp dụng hệ thống quản lý ISO 9001:2015 của công ty cổ phần địa ốc tân bình. Ngoài ra, nếu bạn muốn tìm hiểu về công tác tín dụng trong hệ thống ngân hàng, Luận văn thạc sĩ tài chính ngân hàng tăng cường công tác tín dụng đối với hệ thống quỹ tín dụng nhân dân tại ngân hàng hợp tác xã việt nam sẽ là tài liệu phù hợp. Đừng bỏ lỡ cơ hội khám phá thêm những góc nhìn chuyên sâu từ các tài liệu liên quan để mở rộng kiến thức của bạn.