Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Metal-Organic Frameworks IRMOF-8, ZIF-9, MOF-199 and IRMOF-3 as Catalysts for the Friedel-Crafts Acylation, Knoevenagel, Aza-Michael and Paal-Knorr Reactions" do nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Lệ Liên thực hiện năm 2013 tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học Hữu cơ (mã ngành: 62527505), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Phan Thanh Sơn Nam. Hội đồng đánh giá luận án gồm các nhà khoa học: PGS. Vũ Anh Tuấn (Phản biện độc lập 1), PGS. Phạm Thanh Huyền (Phản biện độc lập 2), PGS. Trần Đại Lâm (Ủy viên 1), TS. Nguyễn Quốc Chính (Ủy viên 2) và PGS. Phạm Thành Quân (Ủy viên 3).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong những năm gần đây, ngành tổng hợp hữu cơ đối mặt với áp lực lớn trong việc phát triển các quy trình công nghệ sạch và thân thiện với môi trường hơn ("hóa học xanh"). Một trọng tâm quan trọng là tìm kiếm các hệ xúc tác dị thể có khả năng thay thế hiệu quả các xúc tác đồng thể truyền thống.

  • Các phản ứng hữu cơ quan trọng như phản ứng acyl hóa Friedel-Crafts, phản ứng ngưng tụ Knoevenagel, phản ứng cộng aza-Michael và phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr truyền thống thường sử dụng xúc tác acid/base đồng thể (như $\text{AlCl}_3$, $\text{FeCl}_3$, $\text{TiCl}_4$, acid vô cơ, hydroxit kiềm hoặc amine lỏng). Các phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế: tiêu tốn lượng lớn xúc tác, nguy cơ ăn mòn thiết bị, độc hại, phát sinh lượng chất thải lớn sau quá trình xử lý ngưng tụ/chiết rửa với nước, đồng thời gây khó khăn cho việc tinh chế sản phẩm và không thể thu hồi, tái sử dụng xúc tác.
  • Việc sử dụng các vật liệu xúc tác dị thể truyền thống như zeolite hay silica biến tính gặp phải rào cản về giới hạn kích thước mao quản (thường $<1\text{ nm}$ đối với zeolite), hạn chế độ linh hoạt trong thiết kế khung cấu trúc hoặc kém bền nhiệt (như vật liệu sét).
  • Vật liệu khung cơ kim (Metal-Organic Frameworks - MOFs) sở hữu độ xốp cao, diện tích bề mặt riêng lớn, kích thước mao quản có thể điều chỉnh linh hoạt và mật độ tâm hoạt tính kim loại cao. Tuy nhiên, tại thời điểm nghiên cứu, số lượng công bố về ứng dụng MOFs làm xúc tác dị thể còn rất hạn chế so với lĩnh vực lưu trữ và tách khí; đồng thời các đánh giá chi tiết, thực nghiệm hệ thống về hoạt tính xúc tác, hiện tượng rửa trôi (leaching) và khả năng tái sử dụng của các hệ MOF cụ thể trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ chọn lọc vẫn đang là khoảng trống cần được khảo sát.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định ba mục tiêu cụ thể:

  1. Tổng hợp bốn loại vật liệu khung cơ kim bao gồm: IRMOF-8, ZIF-9, MOF-199 và IRMOF-3 bằng phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal) trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  2. Đặc trưng cấu trúc, hình thái và tính chất lý hóa của bốn vật liệu tổng hợp được bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
  3. Nghiên cứu khả năng xúc tác của bốn vật liệu này trong bốn phản ứng hữu cơ tương ứng: phản ứng acyl hóa Friedel-Crafts (xúc tác IRMOF-8), phản ứng ngưng tụ Knoevenagel (xúc tác ZIF-9), phản ứng cộng aza-Michael (xúc tác MOF-199) và phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr (xúc tác IRMOF-3).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bốn cấu trúc vật liệu khung cơ kim ($\text{IRMOF-8}$, $\text{ZIF-9}$, $\text{MOF-199}$, $\text{IRMOF-3}$) và bốn phản ứng tổng hợp hữu cơ điển hình (Friedel-Crafts acylation giữa toluene và benzoyl chloride; Knoevenagel giữa benzaldehyde và malononitrile; aza-Michael giữa benzylamine và ethyl acrylate; Paal-Knorr giữa benzylamine và 2,5-hexanedione).
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Hóa học Hữu cơ và Trung tâm MANAR, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM, hoàn thành năm 2013.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới về vật liệu khung cơ kim và ứng dụng của chúng trong xúc tác:

Các hướng nghiên cứu trước đây được điểm luận

  • Lưu trữ và hấp phụ khí: Yaghi và cộng sự đã phát triển các cấu trúc MOF như $\text{MOF-177}$ (diện tích bề mặt $5640\text{ m}^2/\text{g}$ hoặc $3275\text{ m}^2/\text{g}$), $\text{MOF-20}$ ($4590\text{ m}^2/\text{g}$), $\text{MOF-5}$ ($2449\text{ m}^2/\text{g}$), $\text{MOF-210}$ ($6240\text{ m}^2/\text{g}$), nghiên cứu khả năng lưu trữ hydrogen và thu giữ $\text{CO}_2$ vượt trội so với than hoạt tính ($2400\text{ m}^2/\text{g}$) và zeolite beta ($200\text{ - }500\text{ m}^2/\text{g}$).
  • MOFs chứa tâm kim loại hoạt tính (Metal Active Sites):
    • Navarro và cộng sự (2006) tổng hợp $[\text{Pd}(2\text{-pymo})_2]\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ ứng dụng xúc tác cho phản ứng hydro hóa olefin (1-octene), oxy hóa alcohol và phản ứng ghép mạch Suzuki C-C.
    • Zhang và cộng sự (2008) biến tính $\text{IRMOF-3}$ tạo phức $\text{Au(III)}$-Schiff base xúc tác chọn lọc cho phản ứng hydro hóa 1,3-butadiene và phản ứng domino tạo indole.
    • Suslick và cộng sự (2004) phát triển $\text{PIZA-3}$ chứa cụm $\text{Mn(III)}$ porphyrin xúc tác phản ứng hydroxyl hóa alkane và epoxid hóa alkene.
    • Corma và cộng sự (2007) khảo sát $[\text{Cu}(2\text{-pymo})_2]$ và $[\text{Co(bzim)}_2]$ ($\text{ZIF-9}$) trong phản ứng oxy hóa tetralin bằng không khí.
    • Kim và cộng sự (2008) ứng dụng $\text{MIL-101(Cr)}$ cho phản ứng oxy hóa tetralin với chất oxy hóa $t\text{-BuOOH}$.
    • Zou và cộng sự (2008) tổng hợp $[\text{Cu}(5\text{-mipt})(\text{H}_2\text{O})]$ ứng dụng oxy hóa $\text{CO}$ thành $\text{CO}_2$.
    • Cho và cộng sự (2006) nghiên cứu $[\text{Zn}_2(\text{bphdc})_2(\text{salenMnCl})]$ cho phản ứng epoxid hóa bất đối xứng.
    • Schlichte và cộng sự (2004) ứng dụng $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ ($\text{HKUST-1}/\text{MOF-199}$) làm xúc tác acid Lewis cho phản ứng cyanosilyl hóa aldehyde.
    • Ravon và cộng sự (2008) sử dụng $\text{IRMOF-1}$ và $\text{IRMOF-8}$ làm xúc tác acid cho phản ứng alkyl hóa hợp chất thơm với tert-butyl chloride.
    • Férey và cộng sự (2008) khảo sát $\text{Fe(III)-MIL-100}$ xúc tác phản ứng benzyl hóa Friedel-Crafts của benzene.
  • MOFs chứa nhóm chức phản ứng hữu cơ (Reactive Functional Groups):
    • Kim và cộng sự (2000) tổng hợp $\text{POST-1}$ chứa nhóm pyridyl tự do làm xúc tác base cho phản ứng chuyển este.
    • Gascon và cộng sự (2008) khảo sát $\text{IRMOF-3}$ và $\text{MIL-53}(\text{NH}_2)$ mang nhóm amino tự do xúc tác phản ứng ngưng tụ Knoevenagel.
    • Hasegawa và cộng sự (2007) chế tạo $[\text{Cd}(4\text{-btapa})_2(\text{NO}_3)_2]$ chứa nhóm chức amide xúc tác phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde và malononitrile.
    • Hwang và cộng sự (2008) gắn phân tử diamine lên $\text{MIL-101(Cr)}$ tạo xúc tác base $\text{ED-MIL-101}$ cho phản ứng Knoevenagel.
  • MOFs làm chất mang cho các tâm xúc tác ghép (Grafted Species):
    • Opelt và cộng sự (2008) tẩm hạt nano $\text{Pd}$ lên $\text{MOF-5}$ để hydro hóa ethyl cinnamate.
    • Huang và cộng sự (2010) tẩm $\text{Pd}$ lên $\text{MIL-53(Al)-NH}_2$ cho phản ứng ghép Suzuki–Miyaura.
    • Cirujano và cộng sự (2012) tổng hợp $\text{PA@MIL-101}$ chuyển hóa citronellal thành menthol.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu xốp truyền thống (zeolite, silica meso như $\text{SBA-15}$, $\text{MCM-41}$) đã được triển khai từ lâu, nhưng hướng nghiên cứu MOFs mới chỉ bắt đầu từ năm 2008 tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM. Luận án giải quyết khoảng trống thực nghiệm trong việc khảo sát có hệ thống 4 cấu trúc MOF điển hình cho 4 loại phản ứng hữu cơ cụ thể, đặc biệt tập trung chứng minh bản chất xúc tác dị thể thực sự (không có sự rửa trôi ion kim loại/tâm acid-base vào pha lỏng) và khả năng tái sử dụng bền vững của các vật liệu này.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm

  • Vật liệu khung cơ kim (MOFs): Là các polyme phối trí kết tinh được tạo thành từ các nút vô cơ (Secondary Building Units - SBUs, là các ion hoặc cụm ion kim loại chuyển tiếp) liên kết với các phối tử hữu cơ đa càng (organic linkers).
  • Cơ chế xúc tác trong MOFs:
    • Tâm kim loại Lewis: Cụm ion kim loại chứa các vị trí phối trí chưa bão hòa (coordinatively unsaturated metal sites) hoặc khuyết tật cấu trúc ($\text{Zn-OH}$, $\text{Cu}^{2+}$ hở) đóng vai trò là tâm acid Lewis nhận cặp electron để hoạt hóa các liên kết carbonyl hoặc tác chất ái điện tử.
    • Tâm base hữu cơ: Các nhóm chức gắn trên phối tử như amino ($-\text{NH}_2$) hoặc khung imidazole hoạt động như tâm base Bronsted/Lewis để tách proton của nhóm methylene hoạt động.
Vật liệu MOF Nút vô cơ (SBU) Phối tử hữu cơ (Linker) Loại tâm xúc tác chính Phản ứng ứng dụng
IRMOF-8 Cụm $\text{Zn}_4\text{O}$ 2,6-Naphthalenedicarboxylate ($\text{NDC}$) Tâm acid Lewis ($\text{Zn-OH}$ defects) Friedel-Crafts acylation
ZIF-9 Cation $\text{Co}^{2+}$ Benzimidazolate ($\text{PhIM}$) Tâm base trên vòng imidazole Knoevenagel condensation
MOF-199 Cụm $\text{Cu}_2(\text{COO})_4$ 1,3,5-Benzenetricarboxylate ($\text{BTC}$) Cation $\text{Cu}^{2+}$ hở (tâm acid Lewis) aza-Michael addition
IRMOF-3 Cụm $\text{Zn}_4\text{O}$ 2-Amino-1,4-benzenedicarboxylate ($\text{NH}_2\text{-BDC}$) Tâm phối trí/nhóm chức amin base Paal-Knorr condensation

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu: Phương pháp nhiệt dung môi (Solvothermal method) sử dụng dung môi phân cực có nhiệt độ sôi cao ($\text{DMF}$, ethanol, nước) trong bình phản ứng kín được gia nhiệt kiểm soát, tiếp theo là quá trình rửa và trao đổi dung môi ($\text{DMF}$, $\text{DCM}$, ethanol) và hoạt hóa chân không ở nhiệt độ cao.
  • Phương pháp đặc trưng vật liệu:
    • Nhiễu xạ tia X dạng bột (XRD): Đo trên máy D8 Advance Bruker sử dụng bức xạ $\text{Cu K}\alpha$ để xác định cấu trúc pha tinh thể.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Thực hiện trên thiết bị JSM 740 để quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt.
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Thực hiện trên máy JEOL JEM 1400 ở điện thế $100\text{ kV}$ để kiểm tra cấu trúc vi mô và mạng mao quản.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Sử dụng máy Netzsch Thermoanalyzer STA 409 (tốc độ gia nhiệt $10\text{ }^\circ\text{C/phút}$, từ $30$ đến $900\text{ }^\circ\text{C}$ trong môi trường khí nitơ) để đánh giá độ bền nhiệt.
    • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Đo trên thiết bị Bruker TENSOR37 sử dụng mẫu ép viên $\text{KBr}$.
    • Quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS): Đo hàm lượng kim loại trên máy AA-6800 Shimadzu.
    • Hấp phụ đẳng nhiệt Nitơ: Đo trên hệ thống Quantachrome 2200e (tiền xử lý mẫu ở $150\text{ }^\circ\text{C}$ trong $3\text{ h}$ dưới chân không) để xác định diện tích bề mặt riêng BET.
    • Phân bố kích thước hạt: Đo bằng phương pháp tán xạ ánh sáng laser động (DLS) trên thiết bị LA 920 cho mẫu ZIF-9.
    • Giải hấp $\text{NH}_3$ theo chương trình nhiệt độ ($\text{NH}_3$-TPD): Đo cho vật liệu MOF-199 trong khoảng nhiệt độ từ $100\text{ }^\circ\text{C}$ đến $400\text{ }^\circ\text{C}$.
  • Phương pháp phân tích phản ứng và dữ liệu:
    • Sắc ký khí với đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC-FID, Shimadzu GC 17-A, cột DB-5: dài $30\text{ m}$, đường kính trong $0.25\text{ mm}$, độ dày pha tĩnh $0.25\text{ }\mu\text{m}$).
    • Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS, Hewlett Packard 5972, cột RTX-5MS, đối chiếu thư viện phổ chuẩn NIST).
    • Định lượng độ chuyển hóa dựa trên chất chuẩn nội ($n$-hexadecane hoặc $n$-dodecane).

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Literature Reviews

Chương này tổng quan về định nghĩa, cấu trúc và phân loại MOFs, trong đó nhấn mạnh vai trò của các khối cấu trúc thứ cấp (SBUs) vô cơ kết hợp với các phối tử hữu cơ tạo thành mạng lưới tinh thể xốp.

  • Trình bày các đặc tính tiêu biểu của MOFs: độ xốp cực cao, diện tích bề mặt riêng lớn (từ $2000$ đến hơn $6000\text{ m}^2/\text{g}$), độ bền nhiệt ổn định trong khoảng $300\text{ - }400\text{ }^\circ\text{C}$.
  • Điểm luận các phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi thông thường, phương pháp khuấy trộn trực tiếp và phương pháp hỗ trợ vi sóng.
  • Phân tích chi tiết ba cách tiếp cận thiết kế xúc tác MOF: (1) MOFs có tâm kim loại hoạt tính; (2) MOFs có nhóm chức phản ứng trên phối tử; (3) MOFs đóng vai trò chất mang cho các tiểu phân kim loại hoạt tính được ghép nối.
  • Giới thiệu tổng quan về 4 phản ứng hữu cơ khảo sát, cơ chế phản ứng, các hệ xúc tác đồng thể/dị thể đã công bố trong y văn cùng các nhược điểm hiện tại cần khắc phục.

Chapter 2: Experimental

Chương này trình bày chi tiết danh mục hóa chất (Sigma-Aldrich, Merck), thiết bị đo đạc, quy trình tổng hợp 4 hệ vật liệu và quy trình thực hiện các phản ứng xúc tác:

[Tiền chất Kim loại + Phối tử hữu cơ] 
[Thu nhận tinh thể thô] 
[Hoạt hóa chân không nhiệt độ cao (100–200 °C, 5–6 h)] 
[Vật liệu xúc tác MOF tinh khiết]
  1. Tổng hợp vật liệu:

    • IRMOF-8: $\text{Zn(NO}_3)_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ ($1.40\text{ mmol}$) và acid 2,6-naphthalenedicarboxylic ($0.27\text{ mmol}$) trong $15\text{ mL DMF}$, ủ nhiệt $100\text{ }^\circ\text{C}$ trong $24\text{ h}$. Rửa DMF ($3 \times 10\text{ mL}$, 3 ngày), trao đổi $\text{DCM}$ ($2 \times 10\text{ mL}$, 2 ngày), sấy chân không $140\text{ }^\circ\text{C}$ trong $5\text{ h}$. Thu được $0.061\text{ g}$ tinh thể lập phương màu vàng nhạt (hiệu suất $71%$).
    • ZIF-9: $\text{Co(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ ($2.21 \times 10^{-3}\text{ mol}$) và benzimidazole ($0.08 \times 10^{-3}\text{ mol}$) trong $180\text{ mL DMF}$, gia nhiệt $5\text{ }^\circ\text{C/phút}$ lên $140\text{ }^\circ\text{C}$ ($48\text{ h}$), làm nguội $0.4\text{ }^\circ\text{C/phút}$. Thêm $20\text{ mL chloroform}$, thu tinh thể lớp trên, rửa DMF ($3 \times 15\text{ mL}$, 3 ngày), trao đổi $\text{DCM}$ ($3 \times 15\text{ mL}$, 3 ngày), sấy chân không $200\text{ }^\circ\text{C}$ trong $6\text{ h}$. Thu được $0.25\text{ g}$ tinh thể lập phương màu tím (hiệu suất $25%$).
    • MOF-199: $\text{Cu(NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ ($0.81\text{ mmol}$) và acid 1,3,5-benzenetricarboxylic ($0.12\text{ mmol}$) trong hỗn hợp $\text{DMF}$ ($3\text{ mL}$), ethanol ($4\text{ mL}$) và nước ($2\text{ mL}$), ủ nhiệt $85\text{ }^\circ\text{C}$ trong $24\text{ h}$. Rửa DMF ($3 \times 8\text{ mL}$), trao đổi ethanol ($3 \times 8\text{ mL}$), sấy chân không $170\text{ }^\circ\text{C}$ trong $6\text{ h}$. Thu được $0.298\text{ g}$ tinh thể màu tím đậm dạng $\text{Cu}_3(\text{C}_9\text{H}_3\text{O}_6)_2$ (hiệu suất $88%$).
    • IRMOF-3: $\text{Zn(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ ($1.1\text{ mmol}$) và acid 2-amino-1,4-benzenedicarboxylic ($0.43\text{ mmol}$) trong $10\text{ mL DMF}$, ủ nhiệt $100\text{ }^\circ\text{C}$ trong $48\text{ h}$. Rửa DMF ($3 \times 10\text{ mL}$, 3 ngày), trao đổi $\text{DCM}$ ($2 \times 10\text{ mL}$, 2 ngày), sấy chân không $160\text{ }^\circ\text{C}$ trong $6\text{ h}$. Thu được $0.079\text{ g}$ tinh thể màu vàng nhạt dạng $\text{Zn}_4\text{O(NH}_2\text{BDC)}_3$ (hiệu suất $68%$).
  2. Quy trình thực hiện 4 phản ứng xúc tác:

    • Phản ứng Friedel-Crafts acylation: Toluene ($0.60\text{ mmol}$) + benzoyl chloride ($0.40\text{ mmol}$) + chất chuẩn nội $n$-hexadecane ($0.15\text{ mL}$) + $\text{IRMOF-8}$ ($64\text{ mg}$, $5\text{ mol}%$ tính theo $\text{Zn}$/toluene) khuấy ở $100\text{ }^\circ\text{C}$ trong $6\text{ h}$. Dập phản ứng bằng $\text{NaOH } 1%$ ($0.5\text{ mL}$), chiết diethyl ether ($3 \times 1\text{ mL}$), làm khô bằng $\text{Na}_2\text{SO}_4$, phân tích GC/GC-MS. Xúc tác được thu hồi qua ly tâm, rửa bằng toluene và $\text{DCM}$ khan, sấy chân không $100\text{ }^\circ\text{C}$ trong $5\text{ h}$.
    • Phản ứng Knoevenagel: Benzaldehyde ($0.9\text{ mmol}$) + malononitrile ($0.8\text{ mmol}$) + chất chuẩn nội $n$-dodecane ($0.58\text{ mmol}$) + $\text{ZIF-9}$ trong $5\text{ mL}$ toluene khuấy ở nhiệt độ phòng trong $6\text{ h}$. Dập phản ứng bằng acetone, lọc qua cột silica gel ngắn, phân tích GC/GC-MS. Xúc tác thu hồi bằng ly tâm, rửa toluene và $\text{DCM}$, sấy chân không $200\text{ }^\circ\text{C}$ trong $6\text{ h}$.
    • Phản ứng aza-Michael: Benzylamine ($2\text{ mmol}$) + ethyl acrylate ($2\text{ mmol}$) + $n$-dodecane ($0.88\text{ mmol}$) + $\text{MOF-199}$ trong $4\text{ mL}$ methanol khuấy ở nhiệt độ phòng trong $60\text{ phút}$. Dập phản ứng bằng diethyl ether, làm khô $\text{Na}_2\text{SO}_4$, phân tích GC. Xúc tác thu hồi bằng ly tâm, rửa methanol khan, sấy chân không ở nhiệt độ phòng $3\text{ h}$.
    • Phản ứng Paal-Knorr: Benzylamine ($2\text{ mmol}$) + 2,5-hexanedione ($0.4\text{ mmol}$) + $n$-dodecane ($0.2\text{ mL}$) + $\text{IRMOF-3}$ trong $4\text{ mL}$ toluene khuấy ở nhiệt độ phòng trong $60\text{ phút}$. Dập phản ứng bằng acetone, làm khô $\text{Na}_2\text{SO}_4$, phân tích GC/GC-MS. Xúc tác thu hồi bằng lắng gạn, rửa $\text{DCM}$ khan, sấy chân không ở nhiệt độ phòng $1\text{ h}$.

Chapter 3: Results and Discussions

Chương 3 trình bày các kết quả phân tích đặc trưng vật liệu và thảo luận chi tiết về hoạt tính xúc tác:

  • Đặc trưng vật liệu: Giản đồ XRD của cả 4 vật liệu đều thể hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng trùng khớp với cấu trúc tinh thể chuẩn đã công bố; ảnh SEM và TEM khẳng định hình thái tinh thể lập phương đồng đều và hệ thống mao quản xốp; phân tích FT-IR xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức hữu cơ liên kết với tâm kim loại; phân tích TGA xác nhận độ bền nhiệt của vật liệu; phép đo hấp phụ đẳng nhiệt $\text{N}_2$ khẳng định diện tích bề mặt riêng lớn của cả 4 hệ MOF tổng hợp được.
  • Khảo sát phản ứng Friedel-Crafts acylation (xúc tác IRMOF-8):
    • Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ mol giữa benzoyl chloride và toluene, và nồng độ xúc tác đến độ chuyển hóa.
    • Thử nghiệm rửa trôi (leaching test) tiến hành bằng cách ngắt phản ứng ở $1\text{ h}$, ly tâm tách bỏ xúc tác rắn rồi tiếp tục đun nóng dịch lọc ở $100\text{ }^\circ\text{C}$ thêm $5\text{ h}$. Kết quả cho thấy độ chuyển hóa không tăng sau khi loại bỏ xúc tác, khẳng định không có sự đóng góp của xúc tác đồng thể từ các tiểu phân acid tan vào dung dịch.
    • Khảo sát khả năng tái sử dụng: Xúc tác được thu hồi và tái sử dụng lên đến 5 chu kỳ mà không bị suy giảm hoạt tính đáng kể; cấu trúc sau phản ứng được kiểm chứng bằng XRD và FT-IR.
  • Khảo sát phản ứng Knoevenagel (xúc tác ZIF-9):
    • Đánh giá ảnh hưởng của dung môi phản ứng, nồng độ xúc tác, tỷ lệ mol benzaldehyde : malononitrile và ảnh hưởng của các nhóm thế trên vòng thơm.
    • Thử nghiệm rửa trôi sau $2\text{ h}$ phản ứng khẳng định bản chất xúc tác dị thể.
    • Phổ FT-IR của $\text{ZIF-9}$ tươi và $\text{ZIF-9}$ sau tái sử dụng cho thấy khung cấu trúc được duy trì nguyên vẹn.
  • Khảo sát phản ứng aza-Michael (xúc tác MOF-199):
    • Phổ $\text{NH}_3$-TPD của $\text{MOF-199}$ trong khoảng $100\text{ - }400\text{ }^\circ\text{C}$ xác nhận tính acid Lewis mạnh của các tâm $\text{Cu}^{2+}$ hở.
    • Khảo sát tỷ lệ mol benzylamine : ethyl acrylate, nồng độ xúc tác, các loại dung môi và các loại amine khác nhau.
    • Thử nghiệm rửa trôi ngắt ở $5\text{ phút}$ (tiếp tục khuấy dịch lọc $55\text{ phút}$) xác nhận không có hiện tượng rửa trôi hoạt chất.
    • Giản đồ XRD và phổ FT-IR của $\text{MOF-199}$ sau tái sử dụng 5 lần chứng minh vật liệu duy trì độ kết tinh và độ bền cấu trúc.
  • Khảo sát phản ứng Paal-Knorr (xúc tác IRMOF-3):
    • Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xúc tác, tỷ lệ mol benzylamine : 2,5-hexanedione, ảnh hưởng của các loại amine và diketone khác nhau, cùng dung môi phản ứng.
    • Thử nghiệm rửa trôi ngắt ở $5\text{ phút}$ khẳng định phản ứng hoàn toàn xảy ra trên bề mặt dị thể.
    • Thử nghiệm tái sử dụng 5 lần, giản đồ XRD và phổ FT-IR của mẫu $\text{IRMOF-3}$ trước và sau phản ứng xác nhận độ ổn định cấu trúc cao.

Chapter 4: Conclusion

Chương này tổng kết các kết quả thực nghiệm đạt được, khẳng định việc tổng hợp thành công 4 loại MOF và chứng minh tính khả thi, hiệu quả của chúng trong vai trò xúc tác dị thể cho các phản ứng hóa học hữu cơ với các ưu điểm: hiệu suất cao, quy trình thực hiện đơn giản, không cần khí trơ, dễ thu hồi và có khả năng tái sử dụng bền vững.


Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Tổng hợp và đặc trưng hệ thống: Thiết lập quy trình tổng hợp nhiệt dung môi ổn định cho bốn hệ vật liệu khung cơ kim ($\text{IRMOF-8}$, $\text{ZIF-9}$, $\text{MOF-199}$ và $\text{IRMOF-3}$) tại điều kiện phòng thí nghiệm trong nước, xác lập đầy đủ bộ dữ liệu cấu trúc qua XRD, SEM, TEM, TGA, FT-IR, AAS và diện tích bề mặt riêng BET.
  2. Khám phá và tối ưu hóa hoạt tính xúc tác dị thể:
    • Ứng dụng thành công $\text{IRMOF-8}$ làm xúc tác acid Lewis cho phản ứng acyl hóa Friedel-Crafts giữa toluene và benzoyl chloride.
    • Ứng dụng $\text{ZIF-9}$ làm xúc tác base hiệu quả cho phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde và malononitrile ở nhiệt độ phòng.
    • Ứng dụng $\text{MOF-199}$ (với tâm acid Lewis $\text{Cu}^{2+}$ hở) xúc tác cho phản ứng cộng aza-Michael giữa benzylamine và ethyl acrylate ở nhiệt độ phòng trong thời gian ngắn ($60\text{ phút}$).
    • Ứng dụng $\text{IRMOF-3}$ làm xúc tác cho phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr giữa benzylamine và 2,5-hexanedione tạo hợp chất dị vòng pyrrole ở nhiệt độ phòng trong $60\text{ phút}$.
  3. Chứng minh bản chất xúc tác dị thể và độ bền tái sử dụng:
    • Sử dụng các thử nghiệm rửa trôi (leaching tests / hot filtration / decantation) để khẳng định phản ứng dừng lại hoàn toàn sau khi tách xúc tác, không xảy ra hiện tượng xúc tác đồng thể do rò rỉ ion kim loại hay tiểu phân acid/base vào dung dịch.
    • Chứng minh bốn loại xúc tác có thể tách ly dễ dàng bằng ly tâm hoặc lắng gạn thông thường và có thể tái sử dụng đến 5 chu kỳ liên tiếp mà không bị suy giảm hoạt tính đáng kể, cấu trúc tinh thể được bảo toàn (được đối chứng qua XRD và FT-IR của mẫu tái sử dụng).
  4. Cải tiến điều kiện phản ứng theo hướng hóa học xanh: Các phản ứng xúc tác đều đạt độ chuyển hóa cao trong điều kiện êm dịu (nhiều phản ứng thực hiện ngay ở nhiệt độ phòng), không đòi hỏi môi trường khí trơ, giảm thiểu phát sinh chất thải độc hại so với quy trình dùng acid/base đồng thể truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Quy mô khảo sát các phản ứng tổng hợp hữu cơ mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (lượng tác chất trong khoảng vài milimol, thực hiện trong bình cầu dung tích $25\text{ - }50\text{ mL}$).
  • Quy trình chế tạo vật liệu đòi hỏi thời gian rửa và trao đổi dung môi kéo dài qua nhiều ngày (từ 2 đến 3 ngày cho mỗi bước trao đổi dung môi $\text{DMF}$ và $\text{DCM}$/ethanol) cùng quá trình sấy chân không nhiệt độ cao.
  • Độ bền nhiệt của các cấu trúc MOF khảo sát chỉ ổn định trong khoảng $300\text{ - }400\text{ }^\circ\text{C}$, thấp hơn so với các vật liệu vô cơ truyền thống như zeolite.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các cơ chất phức tạp hơn trong tổng hợp hóa dược và các hợp chất có hoạt tính sinh học.
  • Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp tổng hợp nhanh hơn và thân thiện môi trường hơn như phương pháp nhiệt dung môi hỗ trợ vi sóng để rút ngắn thời gian kết tinh và điều khiển kích thước hạt nano.
  • Triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô phản ứng (scale-up) và đánh giá chi tiết hơn về mặt động học cũng như tính toán lý thuyết mô phỏng cấu trúc tâm hoạt tính.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Hóa hữu cơ, Kỹ thuật Hóa học, Hóa dầu và Khoa học Vật liệu: Cung cấp tài liệu hệ thống về cấu trúc, cơ chế hoạt động và phương pháp đặc trưng vật liệu khung cơ kim (MOFs).
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Xúc tác dị thể và Hóa học xanh: Tham khảo chi tiết quy trình tổng hợp, kỹ thuật tinh chế trao đổi dung môi của $\text{IRMOF-8}$, $\text{ZIF-9}$, $\text{MOF-199}$, $\text{IRMOF-3}$; đặc biệt là phương pháp thiết kế thực nghiệm kiểm tra hiện tượng rửa trôi (leaching test) để xác thực bản chất xúc tác dị thể.
  • Kỹ sư công nghệ hóa chất và nghiên cứu phát triển (R&D) trong ngành hóa dược: Tham khảo các điều kiện phản ứng tổng hợp êm dịu (nhiệt độ phòng, không dùng khí trơ) để chế tạo các chất trung gian quan trọng như dẫn xuất pyrrole, hợp chất $\beta$-amino carbonyl và các khung phân tử có hoạt tính sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. Bốn loại vật liệu MOF trong luận án được tổng hợp từ những tiền chất nào và có hiệu suất bao nhiêu?

  • IRMOF-8: Tổng hợp từ $\text{Zn(NO}_3)_2\cdot 4\text{H}_2\text{O}$ và acid 2,6-naphthalenedicarboxylic trong $\text{DMF}$ ở $100\text{ }^\circ\text{C}$ ($24\text{ h}$), hiệu suất đạt $71%$.
  • ZIF-9: Tổng hợp từ $\text{Co(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ và benzimidazole trong $\text{DMF}$ ở $140\text{ }^\circ\text{C}$ ($48\text{ h}$), hiệu suất đạt $25%$.
  • MOF-199: Tổng hợp từ $\text{Cu(NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ và acid 1,3,5-benzenetricarboxylic trong hỗn hợp $\text{DMF}$/ethanol/nước ở $85\text{ }^\circ\text{C}$ ($24\text{ h}$), hiệu suất đạt $88%$.
  • IRMOF-3: Tổng hợp từ $\text{Zn(NO}_3)_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}$ và acid 2-amino-1,4-benzenedicarboxylic trong $\text{DMF}$ ở $100\text{ }^\circ\text{C}$ ($48\text{ h}$), hiệu suất đạt $68%$.

2. Tác giả đã kiểm chứng bản chất xúc tác dị thể (không rửa trôi tâm hoạt tính) bằng cách nào?

Tác giả đã thực hiện các thử nghiệm rửa trôi (leaching test) chuyên biệt cho từng phản ứng:

  • Cho phản ứng diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định ($1\text{ h}$ đối với Friedel-Crafts; $2\text{ h}$ đối với Knoevenagel; $5\text{ phút}$ đối với aza-Michael và Paal-Knorr).
  • Tiến hành ly tâm hoặc lắng gạn để tách triệt để xúc tác rắn ra khỏi hỗn hợp phản ứng.
  • Tiếp tục khuấy và duy trì nhiệt độ dịch lỏng trong thời gian còn lại của phản ứng.
  • Phân tích GC cho thấy độ chuyển hóa của phản ứng dừng lại hoàn toàn sau khi tách pha rắn, chứng minh không có ion kim loại hay phức chất hòa tan trong pha lỏng đóng vai trò xúc tác đồng thể.

3. Độ bền tái sử dụng của các xúc tác MOF được đánh giá như thế nào?

Cả bốn loại xúc tác ($\text{IRMOF-8}$, $\text{ZIF-9}$, $\text{MOF-199}$, $\text{IRMOF-3}$) đều được thu hồi sau phản ứng thông qua ly tâm hoặc lắng gạn, rửa sạch bằng dung môi hữu cơ khan ($\text{DCM}$, toluene hoặc methanol) và sấy chân không. Kết quả thử nghiệm cho thấy các xúc tác đều có thể tái sử dụng đến 5 chu kỳ liên tiếp mà không bị suy giảm hoạt tính đáng kể. Cấu trúc tinh thể và các liên kết chức năng của xúc tác sau tái sử dụng được kiểm chứng bằng phân tích XRD và FT-IR, cho thấy phổ tương đồng với mẫu xúc tác tươi ban đầu.

4. Các phản ứng xúc tác trong luận án có ưu điểm gì về điều kiện thực hiện so với phương pháp truyền thống?

  • Phản ứng ngưng tụ Knoevenagel, phản ứng cộng aza-Michael và phản ứng ngưng tụ Paal-Knorr đều diễn ra hiệu quả ngay ở nhiệt độ phòng trong dung môi hữu cơ thông thường.
  • Thời gian phản ứng ngắn (chỉ $60\text{ phút}$ đối với aza-Michael và Paal-Knorr).
  • Tất cả các phản ứng đều không yêu cầu môi trường khí trơ bảo vệ, giảm bớt sự phức tạp trong quy trình thao tác.
  • Tách sản phẩm và xúc tác dễ dàng, loại bỏ được công đoạn rửa acid/base phức tạp phát sinh nhiều chất thải độc hại.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Lệ Liên đã tổng hợp thành công bốn loại vật liệu khung cơ kim gồm $\text{IRMOF-8}$, $\text{ZIF-9}$, $\text{MOF-199}$ và $\text{IRMOF-3}$, đồng thời đặc trưng toàn diện cấu trúc và tính chất lý hóa của chúng. Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả xúc tác dị thể của các vật liệu này trong bốn phản ứng hữu cơ quan trọng: Friedel-Crafts acylation, Knoevenagel, aza-Michael và Paal-Knorr. Các kết quả thực nghiệm khẳng định xúc tác hoạt động theo cơ chế dị thể thực sự, không bị rửa trôi tâm hoạt tính vào pha lỏng và có khả năng thu hồi, tái sử dụng bền vững qua 5 chu kỳ liên tiếp, mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu MOF trong công nghệ tổng hợp hữu cơ sạch và thân thiện với môi trường.