Tổng quan nghiên cứu

Trong hóa học hữu cơ hiện đại và công nghiệp dược phẩm, việc xây dựng liên kết cacbon - nitơ (C-N) đóng vai trò then chốt khi có tới hơn 80% các hợp chất có hoạt tính sinh học chứa nhóm chức mang nguyên tử nitơ. Tuy nhiên, các quy trình tổng hợp truyền thống để tạo ra dẫn xuất ynamine và hợp chất alpha-amino carbonyl thường đòi hỏi sử dụng tiền chất halogen hóa, thuốc thử cơ kim độc hại hoặc xúc tác đồng thể khó tách hồi, dẫn đến nguy cơ nhiễm bẩn kim loại nặng và tạo ra lượng lớn chất thải.

Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Hóa học (mã ngành 60 52 03 01) tập trung nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng hóa cấu trúc và khảo sát hoạt tính xúc tác dị thể của hai loại vật liệu khung hữu cơ kim loại gốc đồng: Cu2(BDC)2(BPY) và Cu3(BTC)2. Mục tiêu trọng tâm là ứng dụng các vật liệu này làm xúc tác dị thể hiệu năng cao, có khả năng thu hồi và tái sử dụng cho hai phản ứng ghép đôi oxy hóa quan trọng: phản ứng oxy hóa amid hóa alkyne đầu mạch (giữa phenylacetylene và 2-oxazolidinone) và phản ứng oxy hóa alpha-amin hóa liên kết C-H/N-H (giữa propiophenone và morpholine).

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện từ ngày 20/01/2014 đến ngày 21/11/2014 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. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi phát triển thành công hệ xúc tác dị thể đạt độ chuyển hóa 100% và độ chọn lọc 95% đối với sản phẩm ghép đôi C-N mong muốn, đồng thời sở hữu diện tích bề mặt riêng BET vượt trội lên đến 1378 m2/g, mở ra giải pháp xanh hóa quy trình tổng hợp hóa dược phẩm chất lượng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết vật liệu khung hữu cơ kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs), một phân lớp vật liệu polyme phối trí xốp ba chiều được hình thành từ liên kết phối trí bền vững giữa các nút kim loại hoặc cụm đa nguyên tử kim loại (Secondary Building Units - SBUs) với các phối tử hữu cơ đa chức. Nhờ cấu trúc tinh thể trật tự cao và diện tích bề mặt riêng lớn, MOFs đóng vai trò như các xúc tác dị thể có tính axit Lewis mạnh bắt nguồn từ các tâm kim loại đồng chưa bão hòa phối trí (open metal sites).

Khung lý thuyết phản ứng ghép đôi oxy hóa C-N (Oxidative C-N Coupling) được vận dụng để giải quyết thách thức của phản ứng hóa học xanh. Cơ chế phản ứng dựa trên quá trình hoạt hóa trực tiếp liên kết C-H đầu mạch của alkyne và liên kết C-H tại vị trí alpha của carbonyl kết hợp với liên kết N-H của amin/amit. Dưới sự hiện diện của tâm đồng Cu(II) và tác nhân oxy hóa sạch như oxy phân tử hoặc không khí, phản ứng chuyển hóa qua trạng thái chuyển tiếp phối trí mà không cần giai đoạn halogen hóa sơ bộ, đồng thời hạn chế tối đa phản ứng phụ dimer hóa Glaser-Hay không mong muốn nhờ hiệu ứng cản trở không gian của khung mao quản MOF.

Các khái niệm then chốt bao gồm: Đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU), Độ chọn lọc hóa học (Chemoselectivity), Diện tích bề mặt BET, Độ rửa trôi kim loại (Leaching test) và Khả năng tái sử dụng xúc tác (Catalyst Recyclability).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi (Solvothermal method) để chế tạo hai hệ vật liệu MOFs. Cụ thể, mẫu Cu2(BDC)2(BPY) được tổng hợp từ hỗn hợp Cu(NO3)2.3H2O (4 mmol), axit 1,4-benzenedicarboxylic (4 mmol) và 4,4'-bipyridine (2 mmol) trong 240 mL dung môi N,N-dimethylformamide (DMF) ở 120 độ C trong 24 giờ, thu được 1.578 g tinh thể xanh lục với hiệu suất 75%. Mẫu Cu3(BTC)2 được chế tạo từ Cu(NO3)2.3H2O (10 mmol) và axit 1,3,5-benzenetricarboxylic (6.6 mmol) trong hệ dung môi DMF/Ethanol/Nước tại 85 độ C trong 24 giờ.

Cấu trúc và tính chất hóa lý của vật liệu được phân tích bằng hệ thống thiết bị tiêu chuẩn:

  • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) xác định độ kết tinh và pha tinh thể.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) quan sát hình thái học bề mặt và kích thước vi hạt.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) với tốc độ gia nhiệt 10 độ C/phút dưới dòng khí nitơ nhằm đánh giá độ bền nhiệt.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trên viên nén KBr kiểm tra liên kết phối trí carboxylate-đồng.
  • Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-AES) đo chính xác hàm lượng kim loại đồng.
  • Đo hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt nitơ ở 77 K bằng máy Micromeritics 2020 để tính toán diện tích bề mặt riêng BET và phân bố kích thước lỗ xốp.

Hoạt tính xúc tác được đánh giá trên hệ phản ứng khuấy gia nhiệt ở dải nhiệt độ từ 25 độ C đến 80 độ C. Động học phản ứng được theo dõi định kỳ qua sắc ký khí (GC-FID) sử dụng diphenyl ether làm chất chuẩn nội. Cấu trúc sản phẩm sau tinh chế được xác nhận bằng sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H/13C NMR (tần số 500 MHz và 125 MHz). Toàn bộ quá trình nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện xuyên suốt trong 10 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích cấu trúc vật liệu khẳng định sự hình thành hoàn hảo của hai hệ khung hữu cơ kim loại gốc đồng. Vật liệu Cu2(BDC)2(BPY) kết tinh dạng que với độ bền nhiệt cao lên tới 320 độ C. Đường cong TGA ghi nhận độ giảm khối lượng khoảng 6% trong khoảng 30 đến 260 độ C do mất các phân tử dung môi tự do, và giảm 54% khối lượng ở khoảng 300 đến 340 độ C do sự phân hủy khung phối tử. Diện tích bề mặt BET của Cu2(BDC)2(BPY) đạt 447 m2/g (Langmuir đạt 621 m2/g) với kích thước mao quản trung bình 6.2 Angstrom. Hàm lượng đồng xác định qua ICP đạt 20.83%, hoàn toàn phù hợp với công thức phân tử lý thuyết.

Vật liệu Cu3(BTC)2 thể hiện hình thái tinh thể bát diện đồng đều, diện tích bề mặt BET đặc biệt lớn đạt 1378 m2/g (Langmuir đạt 1571 m2/g) và kích thước mao quản 5.5 Angstrom. Phân tích TGA cho thấy vật liệu bền vững đến 300 độ C với hàm lượng đồng đạt 30.3% theo kết quả ICP.

Trong phản ứng ghép đôi oxy hóa giữa phenylacetylene và 2-oxazolidinone dưới xúc tác Cu2(BDC)2(BPY), điều kiện tối ưu được xác lập: dung môi toluene, bazơ NaHCO3 (2 đương lượng), nhiệt độ 80 độ C, dòng khí oxy thổi trong 15 phút đầu. Phản ứng đạt độ chuyển hóa 100%, hiệu suất phân lập sản phẩm ynamide đạt 90% và độ chọn lọc C-N đạt mức xuất sắc 95% sau 4 giờ. Trong khi đó, các dung môi phân cực như DMF hay Dichloroethane chỉ cho độ chọn lọc từ 0% đến 53%.

Đối với phản ứng alpha-amin hóa trực tiếp giữa propiophenone và morpholine, hệ xúc tác Cu3(BTC)2 (10 mol%) kết hợp phụ gia KBr (30 mol%) trong dung môi DMF ở nhiệt độ phòng (25-30 độ C) dưới điều kiện không khí cho độ chuyển hóa cao, vượt trội hơn hẳn so với việc sử dụng muối vô cơ thông thường.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của Cu2(BDC)2(BPY) được giải thích nhờ sự kết hợp hài hòa giữa phối tử cầu nối 1,4-benzenedicarboxylic acid và 4,4'-bipyridine. Cấu trúc trụ-lớp (pillared-layer) tạo nên môi trường không gian giới hạn xung quanh các tâm Cu(II), giúp kìm hãm mạnh mẽ quá trình tiếp cận của hai phân tử phenylacetylene cạnh nhau, từ đó triệt tiêu phản ứng phụ tự ghép đôi Glaser-Hay vốn thường chiếm ưu thế ở các hệ xúc tác đồng thể.

Tính chất dị thể thực sự của hệ xúc tác được khẳng định thông qua thử nghiệm lọc rửa (leaching test). Khi tách bỏ xúc tác bằng phương pháp ly tâm 3000 vòng/phút trong 10 phút sau 40 phút phản ứng (đối với Cu2(BDC)2(BPY)) hoặc sau 2 giờ (đối với Cu3(BTC)2), dung dịch lọc trong suốt tiếp tục được khuấy trong 200 phút tiếp theo ở 80 độ C nhưng không ghi nhận bất kỳ sự gia tăng độ chuyển hóa nào trên sắc ký đồ GC. Điều này chứng minh phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt khung rắn và không có hiện tượng hòa tan các tiểu phân đồng hoạt tính vào pha lỏng.

Khảo sát khả năng tái sử dụng cho thấy xúc tác Cu2(BDC)2(BPY) và Cu3(BTC)2 có thể thu hồi dễ dàng bằng cách rửa với dichloromethane và methanol, sau đó sấy khô và tái sử dụng liên tục nhiều chu kỳ mà không làm suy giảm đáng kể hoạt tính. Dữ liệu phổ PXRD và FT-IR của xúc tác sau các mẻ phản ứng hoàn toàn trùng khớp với mẫu tươi ban đầu, khẳng định độ bền cơ học và hóa học tuyệt vời của khung cấu trúc. Các mối tương quan về động học, ảnh hưởng của tỷ lệ mol cơ chất và nồng độ chất oxy hóa được biểu diễn trực quan qua các bảng dữ liệu tối ưu hóa và đồ thị chuyển hóa theo thời gian trong luận văn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô tổng hợp nhiệt dung môi từ mẻ nhỏ phòng thí nghiệm lên quy mô pilot 50 đến 100 gam/mẻ trong vòng 6 tháng tới, do các kỹ sư công nghệ hóa chất tại các viện nghiên cứu vật liệu đảm nhiệm, nhằm hoàn thiện quy trình thu hồi và tái tuần hoàn dung môi DMF và methanol để tiết kiệm 30% chi phí sản xuất.
  2. Ứng dụng hệ xúc tác Cu2(BDC)2(BPY) vào hệ thống phản ứng dòng chảy liên tục (Continuous Flow Reactor) trong vòng 12 tháng, đặt mục tiêu nâng cao chỉ số số vòng quay xúc tác (Turnover Number - TON) đạt trên 5000 và tần số quay vòng (Turnover Frequency - TOF) vượt 100 h-1, do nhóm nghiên cứu hóa dược phối hợp cùng các kỹ sư thiết bị thực hiện.
  3. Mở rộng khảo sát thư viện cơ chất ghép đôi C-N đối với các cấu trúc amin dị vòng phức tạp, alkaloid và steroid mang hoạt tính sinh học cao trong vòng 9 tháng tới, nhằm tạo ra các dẫn xuất tiền chất thuốc mới phục vụ điều trị y sinh.
  4. Xây dựng quy chuẩn kiểm tra hàm lượng đồng vết hòa tan trong sản phẩm tinh chế đạt ngưỡng dưới 5 ppm theo tiêu chuẩn Dược điển quốc tế, do phòng phân tích kiểm nghiệm chất lượng hoàn thiện trong thời hạn 3 tháng trước khi chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp sản xuất dược.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ và Khoa học Vật liệu: Tiếp cận trọn vẹn quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu MOFs, kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại (XRD, SEM, TEM, BET, TGA, FT-IR) và phương pháp đánh giá động học xúc tác dị thể.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học, viện nghiên cứu chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu trong giảng dạy môn Hóa học phối trí, Vật liệu xốp tiên tiến và Xúc tác hữu cơ hiện đại.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các công ty hóa chất tinh khiết và doanh nghiệp dược phẩm: Khai thác quy trình tổng hợp ynamide và alpha-amino carbonyls đạt hiệu suất cao 90-95% để ứng dụng vào sản xuất hoạt chất API với chi phí thấp và thân thiện với môi trường.
  • Chuyên gia kiểm soát môi trường và công nghệ hóa học xanh: Tham khảo mô hình thay thế xúc tác đồng thể độc hại bằng vật liệu dị thể tái sử dụng để giảm thiểu phát thải ion kim loại nặng ra môi trường.

Câu hỏi thường gặp

Vật liệu Cu2(BDC)2(BPY) có ưu điểm gì vượt trội so với các loại muối đồng thông thường trong phản ứng ghép đôi C-N?

Cu2(BDC)2(BPY) có diện tích bề mặt BET 447 m2/g, độ bền nhiệt đến 320 độ C và cấu trúc không gian trật tự. Nhờ hiệu ứng giới hạn không gian, vật liệu giúp phản ứng đạt độ chọn lọc C-N lên tới 95%, triệt tiêu phản ứng phụ tự tạo dimer Glaser-Hay và dễ dàng tách khỏi sản phẩm bằng ly tâm thay vì phương pháp chiết phức tạp.

Làm thế nào để chứng minh xúc tác MOF không bị hòa tan (leaching) trong quá trình phản ứng?

Nghiên cứu thực hiện thí nghiệm leaching test bằng cách ly tâm tách hoàn toàn xúc tác sau 40 phút phản ứng ở 80 độ C. Dịch lọc tiếp tục được gia nhiệt khuấy trong 200 phút nhưng không ghi nhận thêm sự chuyển hóa cơ chất. Đồng thời, phổ XRD và FT-IR của xúc tác sau thu hồi vẫn giữ nguyên cấu trúc tinh thể như ban đầu.

Phản ứng alpha-amin hóa C-H/N-H bằng xúc tác Cu3(BTC)2 được thực hiện trong điều kiện nào?

Phản ứng giữa propiophenone và morpholine diễn ra tối ưu khi sử dụng 10 mol% Cu3(BTC)2 kết hợp 30 mol% muối KBr làm phụ gia trong dung môi DMF ở nhiệt độ phòng (25-30 độ C). Phản ứng sử dụng không khí tự nhiên làm chất oxy hóa sạch, tạo sản phẩm với độ tinh khiết cao được kiểm chứng qua phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H và 13C NMR.

Tại sao dung môi toluene và bazơ NaHCO3 lại đem lại hiệu quả chọn lọc cao nhất cho phản ứng tổng hợp ynamide?

Thực nghiệm so sánh 10 hệ dung môi và bazơ cho thấy toluene phân cực thấp kết hợp bazơ yếu NaHCO3 (2 đương lượng) tạo môi trường dị thể lý tưởng, giúp chuyển hóa 100% và độ chọn lọc C-N đạt 95%. Các dung môi phân cực mạnh như DMSO hay DMF làm suy giảm độ chọn lọc C-N xuống dưới 56% do thúc đẩy phản ứng phụ dimer hóa.

Quy trình điều chế Cu2(BDC)2(BPY) và Cu3(BTC)2 có yêu cầu thiết bị phức tạp không?

Cả hai vật liệu đều được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi đơn giản từ muối Cu(NO3)2.3H2O với các axit hữu cơ thương mại. Cu2(BDC)2(BPY) kết tinh tại 120 độ C trong 24 giờ với hiệu suất 75% (thu được 1.578 g), trong khi Cu3(BTC)2 điều chế tại 85 độ C trong 24 giờ, sử dụng các bình phản ứng thủy tinh thông thường có kiểm soát nhiệt độ.

Kết luận

  • Tổng hợp thành công hai loại vật liệu khung hữu cơ kim loại gốc đồng Cu2(BDC)2(BPY) và Cu3(BTC)2 có độ kết tinh cao, diện tích bề mặt BET lớn đạt lần lượt 447 m2/g và 1378 m2/g.
  • Xác lập điều kiện tối ưu cho phản ứng oxy hóa amid hóa alkyne đầu mạch đạt độ chuyển hóa 100% và độ chọn lọc 95% trong dung môi toluene tại 80 độ C sau 4 giờ.
  • Hiện thực hóa phản ứng alpha-amin hóa trực tiếp liên kết C-H/N-H giữa ketone và amin thứ cấp ở điều kiện êm dịu tại nhiệt độ phòng dưới xúc tác Cu3(BTC)2 và KBr.
  • Chứng minh tính chất xúc tác dị thể thực sự và độ bền cấu trúc qua các thử nghiệm lọc rửa (leaching test) và tái sử dụng nhiều chu kỳ không suy giảm hoạt tính.
  • Đóng góp quan trọng vào xu hướng phát triển hóa học xanh thông qua việc thay thế các hệ xúc tác đồng thể độc hại bằng vật liệu xốp tái sinh.

Đóng góp chính của luận văn là mở ra phương pháp tiếp cận mới, hiệu quả và bền vững trong tổng hợp liên kết C-N có giá trị cao cho ngành hóa dược. Kế hoạch tiếp theo là mở rộng quy mô tổng hợp và thử nghiệm trên hệ phản ứng dòng liên tục trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới. Quý độc giả và các đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể tham khảo toàn văn dữ liệu phổ và bảng thông số chi tiết trong luận văn để ứng dụng hiệu quả vào công tác nghiên cứu và sản xuất.