Tổng quan luận án

Tổng hợp bất đối xứng nhằm thu nhận các hợp chất đơn đối hình giữ vai trò trọng yếu trong công nghiệp dược phẩm, do hai cấu hình quang học của một phân tử thường thể hiện hoạt tính sinh học và dược lý khác biệt. Các phương pháp phân tách cơ học hỗn hợp racemic thường đòi hỏi chi phí cao và tiêu tốn dung môi, trong khi tổng hợp bất đối xứng trực tiếp sử dụng xúc tác dị thể thể hiện tính kinh tế nguyên tử vượt trội. Khung cơ - kim (Metal-Organic Frameworks - MOFs) là nhóm vật liệu xốp tinh thể sở hữu diện tích bề mặt lớn, kích thước lỗ xốp điều chỉnh được và khả năng đa dạng hóa nhóm chức. Mặc dù các nghiên cứu ứng dụng MOF trong xúc tác tăng trưởng mạnh mẽ kể từ cuối thập niên 1990, việc ứng dụng MOF làm xúc tác dị thể bất đối xứng vẫn đang ở giai đoạn ban đầu do độ bền nhiệt, độ bền hóa học hạn chế và sự mất ổn định của môi trường chiral xung quanh tâm hoạt động dưới các điều kiện phản ứng hữu cơ.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ giới hạn độ bền của các mạng MOF truyền thống khi tiếp xúc với nhiệt độ, dung môi và tác chất. Các khung cơ - kim trên cơ sở zirconi (IV) (Zr-MOFs) sở hữu độ bền vượt trội nhờ liên kết phối trí mạnh giữa ion kim loại điện tích cao Zr4+ (acid cứng) và các phối tử carboxylate (base cứng). Tuy nhiên, việc đưa các tâm hoạt động bất đối xứng vào Zr-MOFs gặp phải các trở ngại lớn: hiện tượng sụt giảm thể tích lỗ xốp và diện tích bề mặt khi biến tính sau tổng hợp; sự thiếu kiểm soát đối với tỉ lệ tâm xúc tác trên các mạng 12-kết nối; đặc biệt là sự tương tác và cạnh tranh bất lợi giữa tâm acid Lewis vô cơ tại cụm Zr6 và tâm xúc tác hữu cơ (như L-proline), dẫn đến triệt tiêu độ chọn lọc đối hình trong các phản ứng tạo liên kết cacbon - cacbon (C-C).

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Phát triển phương pháp cố định hóa tâm xúc tác hữu cơ bất đối xứng (L-proline) lên cụm vô cơ của Zr-MOF có số kết nối giảm (DUT-67) và khảo sát hiệu năng xúc tác trong phản ứng cộng Michael bất đối xứng.
  2. Làm rõ vai trò cạnh tranh của cụm zirconi và tâm L-proline trong phản ứng cộng Aldol bất đối xứng; thiết lập giải pháp ức chế tâm acid Lewis tự do để kiểm soát độ chọn lọc đối hình (enantioselectivity) và chọn lọc đồng phân lập thể (diastereoselectivity).
  3. Thiết kế và tổng hợp cấu trúc Zr-MOF 1D bất đối xứng mới (DUT-136) thông qua phản ứng tạo liên kết imine in situ từ các tiền chất diamine bất đối xứng, thực hiện biến tính sau tổng hợp và ứng dụng làm xúc tác cho các phản ứng tạo liên kết C-C bất đối xứng.

Các câu hỏi nghiên cứu được luận án đặt ra tại Mục 1.4 gồm:

  1. Làm thế nào để đưa các tâm hoạt động bất đối xứng (enantiopure active sites) vào cấu trúc Zr-MOFs một cách hiệu quả?
  2. Mạng lưới khung Zr-MOF có những tác động tích cực hay tiêu cực nào đối với hiệu năng hoạt động của các tâm xúc tác bất đối xứng?
  3. Trong trường hợp tồn tại các tác động này, liệu có khả năng kiểm soát và điều biến các hiệu ứng đó trong giai đoạn phản ứng hay không?
  4. Khả năng thu hồi và tái sử dụng (recyclability) của các hệ xúc tác rắn Zr-MOF bất đối xứng đạt mức độ nào?

Đối tượng nghiên cứu là các khung cơ - kim chứa zirconi được chức hóa bất đối xứng (DUT-67 chức hóa L-proline, DUT-136 và các dẫn xuất amine, amide, Ni-DUT-136; cùng các cấu trúc đối chứng UiO-66, UiO-67, DUT-51, MOF-808) và hoạt tính của chúng trong các phản ứng cộng Michael, Aldol và Friedel-Crafts alkylation. Phạm vi không gian của nghiên cứu được thực hiện tại Nhóm Hóa học Vô cơ I (Professur für Anorganische Chemie I), Khoa Toán học và Khoa học Tự nhiên, Đại học Kỹ thuật Dresden (Technische Universität Dresden), Cộng hòa Liên bang Đức. Phạm vi thời gian nghiên cứu thực nghiệm diễn ra từ tháng 01/2016 đến tháng 12/2019, luận án được đệ trình vào năm 2019 dưới sự tài trợ của Đề án 911 thuộc Chính phủ Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại lịch sử phát triển của vật liệu MOF từ công trình ban đầu của Tomic (1965) về polymer phối trí xốp nhưng kém bền. Sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực này được đánh dấu vào cuối thập niên 1990 với các cấu trúc chuẩn mực như MOF-5 (Zn4O(BDC)3) do Yaghi và O’Keeffe phát triển theo lý thuyết hóa học mạng lưới (reticular chemistry), và HKUST-1 (Cu3(BTC)2) với các tâm đồng mở do Chui, Williams và cộng sự công bố. Luận án ghi nhận các bước tiến gia tăng diện tích bề mặt qua các vật liệu MIL-101 (Férey et al., 4100 m2/g), DUT-49 (Kaskel et al., 5476 m2/g), NU-110 (Farha, Hupp et al., 7140 m2/g) và DUT-60 (Kaskel et al., 7839 m2/g).

Về phân nhóm Zr-MOFs bền vững, cột mốc được xác lập bởi Cavka và cộng sự (2008) khi tổng hợp thành công UiO-66 từ cụm zirconi bát diện và phối tử BDC. Cấu trúc đơn tinh thể của UiO-66 và ảnh hưởng của các chất điều hòa (axit benzoic, axit axetic, nước) được Behrens và cộng sự làm rõ vào năm 2011. Các nghiên cứu tiếp theo của nhóm Kaskel đã phát triển các mạng Zr-MOF có số kết nối giảm từ phối tử bẻ góc như DUT-51 (mạng reo, 8-kết nối từ DTTDC), DUT-67 (mạng reo từ TDC), DUT-68 (mạng bon) và DUT-69 (mạng bct, 10-kết nối).

Đối với hướng tiếp cận xúc tác bất đối xứng trên nền Zr-MOF, luận án phân tích hai nhánh chính:

  • Nhánh gắn tâm bất đối xứng lên cầu nối hữu cơ: Lin và cộng sự (2004, 2015) sử dụng dẫn xuất BINAP và BINOL để tạo polymer phối trí zirconi và cấu trúc tinh thể BINAP-MOF, BINAP-dMOF chứa Rh cho phản ứng hydro hóa và cộng hợp Alder-ene; tiếp đó là E2-MOF (2015) mang phối tử chiral diene phối trí Rh xúc tác phản ứng cộng 1,4- và 1,2- của arylboronic acid. Hupp, Nguyen và cộng sự (2006) khởi xướng việc tích hợp chiral metallosalen vào mạng Zn-MOF, sau đó được nhóm Lin mở rộng sang họ Zr-MOF ZSF-1 đến ZSF-4 (2018) và kỹ thuật trao đổi phối tử trên UiO-68. Ngoài ra, việc gắn N-Boc L-proline lên phối tử amino của UiO-67 và UiO-68 cũng được ghi nhận.
  • Nhánh gắn tâm bất đối xứng lên cụm vô cơ: Kim và cộng sự (2009) gắn L-proline lên tâm Cr mở của MIL-101 cho phản ứng Aldol đạt độ chuyển hóa 90% và độ dư đối hình (ee) 80%. Năm 2018, Van Der Voort và cộng sự đưa L-proline vào UiO-66, DUT-52 và UiO-67. Tuy nhiên, hệ xúc tác này tạo ra sản phẩm ưu tiên cấu hình syn bất thường và hoàn toàn không quan sát thấy độ chọn lọc đối hình (ee ~ 0%).

Khoảng trống học thuật mà luận án lựa chọn giải quyết là: làm sáng tỏ bản chất sự can thiệp của cụm zirconi đối với tâm xúc tác L-proline; khắc phục triệt để hiện tượng mất tính chọn lọc quang học bằng cách phát triển phương pháp biến tính trên Zr-MOF có số kết nối giảm xác định (DUT-67); thiết lập kỹ thuật khóa tâm Lewis acid bằng chất phụ gia; và phát triển cấu trúc Zr-MOF 1D bất đối xứng trực tiếp qua phản ứng ngưng tụ imine in situ vốn hiếm khi thành công do tính nhạy cảm của liên kết C=N trong môi trường axit tổng hợp Zr.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết hóa học mạng lưới (reticular chemistry), xem các cụm kim loại-oxy và phối tử hữu cơ là các đơn vị cấu trúc thứ cấp (Secondary Building Units - SBUs). Cụm vô cơ trung tâm thường gặp là lõi bát diện [Zr6(μ3-O)4(μ3-OH)4]12+ hoặc [Zr6(μ3-O)6(μ3-OH)2]10+, trong đó mỗi nguyên tử Zr có số phối trí 8 theo hình học đối lăng trụ vuông (square-antiprismatic). Phối tử carboxylate đóng vai trò base cứng liên kết với tâm acid cứng Zr4+. Kỹ thuật điều hòa (modulated synthesis) sử dụng các monocarboxylic acid (axit benzoic, axit axetic, axit formic, axit trifluoroacetic) để cạnh tranh thuận nghịch với phối tử chính, kiểm soát tốc độ mầm tinh thể và tạo khuyết tật định hướng. Luận án cũng vận dụng cơ chế xúc tác hữu cơ qua chất trung gian enamine của L-proline trong phản ứng cộng hợp ái nhân vào liên kết C=C và C=O.

Phương pháp thực nghiệm được triển khai đồng bộ qua hệ thống thiết bị và thông số kỹ thuật chuẩn hóa:

Phương pháp phân tích Thiết bị và điều kiện đo thực tế Mục đích phân tích
Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) Máy STOE STADI P, bức xạ Cu-Kα1 (λ = 0,15406 nm), dải đo 2θ = 2–30°, bước nhảy 0,01°. Đo thermo-XRD in situ từ 2θ = 2–45°. Xác định độ kết tinh, cấu trúc pha và độ bền nhiệt của mạng tinh thể.
Hấp phụ đẳng nhiệt khí Thiết bị BELSORP-max (MicrotracBEL). Hấp phụ N2 ở 77 K (độ tinh khiết 99,999%), CO2 ở 298 K đến 1 bar. Tính toán diện tích bề mặt BET, phân bố kích thước và thể tích lỗ xốp theo mô hình NLDFT.
Hiển vi điện tử và phổ EDX Kính hiển vi điện tử quét ZEISS DSM-982 Gemini, mẫu phủ màng vàng trên đế carbon. Quan sát hình thái học vi tinh thể và phân tích bán định lượng thành phần nguyên tố.
Quang phổ phát xạ ICP-OES Máy Optima 7000 DV. Xác định định lượng hàm lượng kim loại Zr và Ni trong mẫu rắn.
Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Thiết bị STA 409 PC Luxx (Netzsch), tốc độ gia nhiệt 5 K/phút từ 25 đến 1000 °C trong không khí. Đánh giá độ bền nhiệt, hàm lượng dung môi sót và thành phần hữu cơ liên kết.
Phổ hồng ngoại (FT-IR) Máy Vertex 70, mẫu ép viên KBr, dải quét 32 scans, độ phân giải 2 cm⁻¹. Xác định các dao động đặc trưng của phối tử, liên kết imine, amine, amide và carboxylate.
Phổ NMR dung dịch Máy Bruker DRX 500 P (500 MHz). Mẫu MOF được phân hủy bằng 15 mg CsF và 5 giọt DCl 37% trong DMSO-d6. Xác định tỷ lệ mol giữa phối tử chính, chất điều hòa và phân tử chức hóa (L-proline).
Phổ NMR chất rắn (MAS & DNP) Máy Bruker AVANCE III HD (14 T, 600,12 MHz cho 1H), đầu dò H/X 3,2 mm, tốc độ MAS 14–22 kHz. Máy Bruker Avance III 400 MHz tích hợp gyrotron 9,7 T (263 GHz) đo DNP ở 112–124 K với gốc TOTAPOL/TEMPO. Phân tích cấu trúc phối trí cục bộ, tương quan dị nhân 13C{1H} và 15N{1H} HETCOR để định vị tâm L-proline.
Sắc ký khí (GC, GC-MS) Shimadzu GC 17A (FID, cột BPX5 30 m × 0,25 mm × 0,25 μm), chất chuẩn nội n-hexadecane hoặc n-dodecane. GCMS-QP5000 so sánh thư viện NIST. Theo dõi động học phản ứng, xác định độ chuyển hóa và hiệu suất phản ứng.
Sắc ký lỏng HPLC bất đối Hệ thống Elite LaChrom (VWR/Hitachi), đầu dò UV L-2400, cột Lux Amylose-1, pha động n-hexane/isopropanol. Xác định độ dư đối hình (% ee), tỷ lệ đồng phân lập thể (dr, de).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: State of the art

Chương này tổng kết lịch sử phát triển vật liệu MOF, lý thuyết hóa học mạng lưới và các mốc kỷ lục về diện tích bề mặt từ MOF-5, HKUST-1 đến DUT-60. Tác giả đi sâu phân tích hóa học tổng hợp Zr-MOFs với cụm phối trí đa dạng (từ 12-kết nối trong họ UiO đến 10-kết nối trong DUT-69, 8-kết nối trong DUT-51, DUT-67, DUT-126 và 6-kết nối trong MOF-808). Luận án phân tích cơ chế điều hòa mầm tinh thể và tạo khuyết tật bằng monocarboxylic acid. Về xúc tác bất đối xứng, tác giả hệ thống hóa các chiến lược gắn tâm chiral lên phối tử hữu cơ (dẫn xuất BINAP, chiral diene, metallosalen, N-Boc L-proline) và phối trí lên cụm vô cơ (như L-proline trên MIL-101 và UiO-66). Chương 1 kết thúc bằng việc đặt ra bốn câu hỏi nghiên cứu giải quyết bài toán độ bền, cơ chế can thiệp của khung Zr và khả năng tái sử dụng chất xúc tác.

Chương 2: Methods of characterization and Experimental section

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình tổng hợp, thiết bị phân tích và quy trình đánh giá xúc tác:

  • Tổng hợp DUT-67 theo hai phương pháp: phương pháp truyền thống sử dụng dung môi DMF/NMP với chất điều hòa axit formic (DUT-67-fa) ở 120 °C trong 48 giờ; và phương pháp tổng hợp xanh quy mô gram sử dụng ethanol/nước/axit axetic (DUT-67-EtOH) ở 80 °C trong 48 giờ đạt hiệu suất 79%. Biến tính DUT-67-Pro được thực hiện qua ngâm chiết trao đổi phối tử với L-proline trong 5 ngày.
  • Tổng hợp DUT-136 dựa trên phản ứng tạo liên kết imine in situ giữa ZrCl4 (0,95 mmol), axit 4-formylbenzoic (1,90 mmol) và (1R,2R)-1,2-diphenylethylenediamine (0,95 mmol) trong 100 mL DMF và 15 mL axit axetic ở 80 °C trong 168 giờ.
  • Biến tính sau tổng hợp DUT-136: khử bằng NaBH4 trong methanol tạo amine-DUT-136; oxy hóa Pinnick bằng NaClO2 và 2-methyl-2-butene trong 1,4-dioxane tạo amide-DUT-136; phối trí Ni(CH3COO)2 tạo Ni-DUT-136.
  • Tổng hợp hệ vật liệu đối chứng: DUT-51, UiO-66-H, UiO-67 (các biến thể form, H, benz), MOF-808-H.
  • Thiết lập thông số phân tích sắc ký: GC xác định hiệu suất cộng Michael (thời gian lưu sản phẩm chính t = 16,242 phút), Aldol (t = 17,398 phút), Friedel-Crafts (t = 20,412 phút); HPLC xác định enantiomer trên cột Lux Amylose-1.

Chương 3: Chiral functionalization of a Zr-MOF (DUT-67) as a solid catalyst in asymmetric Michael addition reaction

Nội dung chương tập trung vào việc chức hóa L-proline lên cụm Zr của DUT-67 (vật liệu mạng reo, 8-kết nối, trong đó 4 vị trí phối trí mở còn lại trên cụm Zr6 bị chiếm bởi phân tử dung môi và ion carboxylate đơn chức). Việc trao đổi phối tử cho phép cố định L-proline trực tiếp vào các vị trí mở này mà không làm phá vỡ mạng tinh thể. Hệ xúc tác DUT-67-Pro được đánh giá trong phản ứng cộng Michael giữa trans-β-nitrostyrene (0,25 mmol) và cyclohexanone (5,0 mmol) tại 50 °C trong dung môi isopropanol/ethanol (1:1 v/v) với 15 mol% xúc tác. Kết quả kiểm tra tính dị thể qua phép thử lọc nóng (hot filtration test) sau 72 giờ phản ứng xác nhận không có hiện tượng rò rỉ hoạt tính xúc tác vào pha lỏng. Tác giả khảo sát độ bền tái sử dụng qua nhiều chu kỳ sau khi rửa sạch bằng DMF, ethanol và hoạt hóa chân không ở 120 °C.

Chương 4: Insights into the role of zirconium clusters in proline functionalized Zr-MOF attaining high enantio- and diastereoselectivity in asymmetric Aldol addition reaction

Chương 4 giải quyết hiện tượng mất tính chọn lọc đối hình từng được báo cáo trên UiO-66 chức hóa proline. Trong phản ứng cộng Aldol giữa 4-nitrobenzaldehyde (0,25 mmol) và cyclohexanone (5,0 mmol) ở 25 °C trong DMSO, tác giả phát hiện các cụm Zr6 tự do đóng vai trò tâm acid Lewis mạnh, cạnh tranh trực tiếp với tâm organocatalyst L-proline, dẫn đến việc ưu tiên hình thành đồng phân syn và triệt tiêu độ dư đối hình (ee). Để khắc phục, tác giả bổ sung 0,2 đương lượng axit benzoic vào hệ phản ứng nhằm che chắn chọn lọc các vị trí phối trí acid Lewis tự do trên cụm zirconi. Khi tâm kim loại bị khóa, phản ứng bị buộc phải diễn ra qua cơ chế enamine trên tâm L-proline, giúp phục hồi độ chọn lọc đồng phân anti và nâng cao độ dư đối hình của sản phẩm (2S, 1'S)-2-(hydroxy(4-nitrophenyl)methyl)cyclohexan-1-one (thời gian lưu HPLC t = 24,512 phút). Cấu trúc phối trí của L-proline trên cụm Zr được chứng minh trực tiếp bằng phổ 13C và 15N CP MAS NMR kết hợp kỹ thuật DNP-enhanced HETCOR ở nhiệt độ thấp (112–124 K).

Chương 5: New 1D chiral Zr-MOFs based on in situ imine linker formation for asymmetric C-C coupling reactions

Chương này công bố việc chế tạo thành công mạng Zr-MOF 1D bất đối xứng mới mang tên DUT-136. Phản ứng hình thành liên kết imine giữa axit 4-formylbenzoic và diamine chiral được tiến hành đồng thời với quá trình tự lắp ráp phối trí cùng ion Zr4+ dưới sự điều hòa của axit axetic ở 80 °C. Mạng tinh thể DUT-136 có công thức nguyên tố Zr6O6(imine-L)3(CH3COO)4(OH)2. Mạng khung này sau đó được biến tính cấu trúc hóa học qua phản ứng khử chọn lọc liên kết imine C=N thành liên kết amine C-NH bằng NaBH4 (tạo amine-DUT-136), hoặc oxy hóa Pinnick tạo nhóm chức amide (amide-DUT-136). Dẫn xuất Ni-DUT-136 mang 20 mol% Ni được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng cộng Michael bất đối xứng giữa diethylmalonate và trans-β-nitrostyrene trong toluene ở 50 °C, cũng như khảo sát trong phản ứng Friedel-Crafts alkylation.

Chương 6: Conclusions and Outlook

Tác giả tóm tắt toàn bộ các kết quả đạt được về việc chế tạo Zr-MOF bất đối xứng bằng hai chiến lược: phối trí lên cụm vô cơ có số kết nối giảm và tạo cầu nối hữu cơ bất đối xứng in situ. Luận án khẳng định nguyên nhân gốc rễ của sự mất tính chọn lọc quang học trong các hệ Zr-MOF trước đây là do sự can thiệp của cụm kim loại vô cơ, đồng thời đề xuất giải pháp kỹ thuật sử dụng monocarboxylic acid cạnh tranh để kiểm soát tính chọn lọc. Phần triển vọng định hướng việc mở rộng phương pháp tổng hợp imine in situ cho các cấu trúc đa chiều và tối ưu hóa thời gian phản ứng cho các quy trình tổng hợp hóa dược.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án mang lại các đóng góp cụ thể về mặt lý thuyết và thực tiễn:

  • Đóng góp lý luận:
    • Làm sáng tỏ bản chất tương tác giữa tâm xúc tác acid Lewis vô cơ (cụm Zr6) và tâm xúc tác hữu cơ (L-proline). Nghiên cứu chứng minh rằng hoạt tính acid Lewis nội tại của cụm Zr6 chính là nguyên nhân dẫn đến sự đảo ngược tính chọn lọc lập thể (tạo đồng phân syn) và làm mất độ chọn lọc đối hình trong phản ứng cộng Aldol.
    • Thiết lập nguyên lý ức chế chọn lọc (selective blocking): sử dụng monocarboxylic acid (axit benzoic) như một chất phụ gia cạnh tranh để che chắn các tâm Zr acid Lewis mở, chuyển hướng toàn bộ cơ chế phản ứng về tâm chiral L-proline, từ đó phục hồi tính chọn lọc đối hình và ưu tiên đồng phân anti.
    • Ứng dụng kỹ thuật phổ cộng hưởng từ hạt nhân tăng cường phân cực hạt nhân động học (DNP-enhanced CP MAS NMR) ở nhiệt độ thấp để xác định trực tiếp sự phối trí của nhóm carboxylate thuộc L-proline vào cụm zirconi ở cấp độ nguyên tử.
  • Đóng góp thực tiễn:
    • Phát triển quy trình tổng hợp "xanh" quy mô gram cho DUT-67 (EtOH) trong hỗn hợp dung môi ethanol/nước/axit axetic với hiệu suất 79%, loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng các dung môi độc hại như DMF và NMP.
    • Tổng hợp thành công cấu trúc Zr-MOF 1D bất đối xứng mới (DUT-136) thông qua phản ứng ngưng tụ imine in situ, vượt qua trở ngại về sự kém bền của liên kết imine trong môi trường axit tổng hợp Zr.
    • Chứng minh các dẫn xuất chức hóa sau tổng hợp (amine-DUT-136, amide-DUT-136 và Ni-DUT-136) cùng hệ DUT-67-Pro hoạt động như những chất xúc tác dị thể bền vững, có thể thu hồi và tái sử dụng qua nhiều chu kỳ phản ứng mà không suy giảm đáng kể hoạt tính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án phản ánh một số giới hạn thực nghiệm:

  • Thời gian tổng hợp và phản ứng xúc tác còn dài: Quá trình tinh thể hóa DUT-136 đòi hỏi gia nhiệt liên tục trong 168 giờ (7 ngày) ở 80 °C; các phản ứng cộng Aldol và Friedel-Crafts alkylation cần tới 7 ngày ở điều kiện khảo sát để hoàn tất chuyển hóa.
  • Phạm vi cơ chất khảo sát còn giới hạn ở các phân tử mô hình (trans-β-nitrostyrene, cyclohexanone, 4-nitrobenzaldehyde, diethylmalonate); chưa mở rộng trên các cơ chất có cấu trúc không gian cồng kềnh hoặc dị vòng phức tạp.
  • Hệ phản ứng Aldol đòi hỏi phải bổ sung liên tục 0,2 đương lượng axit benzoic làm phụ gia để duy trì sự che chắn cụm Zr, làm tăng thêm một bước tinh chế sản phẩm sau phản ứng.

Hướng nghiên cứu tiếp được xác định gồm:

  • Rút ngắn thời gian kết tinh của DUT-136 và đẩy nhanh tốc độ phản ứng xúc tác bằng cách nghiên cứu các điều kiện hỗ trợ vi sóng hoặc áp suất dòng.
  • Mở rộng ứng dụng của Ni-DUT-136 và các dẫn xuất amide/amine cho các phản ứng tạo liên kết C-C bất đối xứng phức tạp hơn.
  • Khảo sát sâu hơn sự can thiệp của cụm kim loại trên các Zr-MOFs có cấu trúc kết nối khác (như MOF-808 6-kết nối hoặc DUT-69 10-kết nối) nhằm xây dựng bức tranh toàn diện về ảnh hưởng của hình học cụm vô cơ lên xúc tác bất đối xứng.

Giá trị tham khảo

Nội dung luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng học thuật:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Hóa vô cơ, Hóa vật liệu: Tham khảo Chương 2 về các giao thức tổng hợp tinh thể Zr-MOF, đặc biệt là quy trình tổng hợp xanh thay thế dung môi DMF bằng hệ ethanol/nước/axit axetic. Phần phương pháp đặc trưng cung cấp quy trình chuẩn bị mẫu phân hủy MOF đo NMR dung dịch (CsF/DCl/DMSO-d6) và các thông số thiết lập chi tiết cho phép đo NMR chất rắn phân cực chéo (CP MAS) và DNP-enhanced HETCOR.
  • Các nhà nghiên cứu về xúc tác dị thể và tổng hợp hữu cơ bất đối xứng: Tham khảo Chương 3 và Chương 4 để hiểu rõ cơ chế tương tác và phương pháp kiểm soát sự cạnh tranh giữa tâm acid Lewis vô cơ và tâm hữu cơ, cũng như các thông số vận hành sắc ký pha tĩnh chiral HPLC (cột Lux Amylose-1) để phân tách các đồng phân đối hình.
  • Các nhóm nghiên cứu phát triển vật liệu khung cộng hóa trị/phối trí imine: Tham khảo Chương 5 về phương pháp ngưng tụ imine in situ và các phản ứng biến tính hóa học sau tổng hợp (khử chọn lọc bằng NaBH4, oxy hóa Pinnick) trên khung kim loại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cụm zirconi trong DUT-67 có đặc điểm cấu trúc phối trí nào thuận lợi hơn so với UiO-66 trong việc gắn tâm xúc tác L-proline? Trong khi UiO-66 lý tưởng có số kết nối bão hòa là 12 (mạng fcu, việc gắn chất chức hóa phụ thuộc vào khuyết tật ngẫu nhiên), DUT-67 là mạng reo 8-kết nối xây dựng từ phối tử TDC. Mỗi cụm [Zr6(μ3-O)6(μ3-OH)2]10+ trong DUT-67 cung cấp 8 vị trí liên kết với phối tử TDC, còn 4 vị trí phối trí mở còn lại tạm thời bị chiếm bởi các phân tử dung môi (DMF) hoặc ion monocarboxylate (formate, acetate). Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi phối tử định lượng với L-proline mà không làm phá vỡ tính toàn vẹn của khung mạng tinh thể.

  2. Vì sao sự hiện diện của cụm Zr6 trong các nghiên cứu trước đây lại làm triệt tiêu độ chọn lọc đối hình của L-proline trong phản ứng Aldol, và luận án khắc phục bằng cách nào? Cụm Zr6 sở hữu các tâm acid Lewis mở có hoạt tính xúc tác mạnh đối với phản ứng cộng Aldol nhưng không có tính chọn lọc đối hình và thúc đẩy phản ứng tạo sản phẩm dạng syn. Khi tồn tại đồng thời, phản ứng ưu tiên diễn ra trên cụm Zr hoặc bị can thiệp mạnh, làm giảm độ dư đối hình về xấp xỉ 0%. Luận án giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách bổ sung 0,2 đương lượng axit benzoic vào hỗn hợp phản ứng; axit benzoic liên kết ưu tiên và che chắn hoàn toàn các tâm Lewis acid trên cụm Zr, chuyển hướng phản ứng diễn ra thuần túy trên tâm L-proline thông qua cơ chế enamine, phục hồi độ chọn lọc anti và độ dư đối hình cao.

  3. Kỹ thuật DNP-enhanced CP MAS NMR được áp dụng với những điều kiện thực nghiệm cụ thể nào để nghiên cứu mẫu DUT-67-Pro? Phép đo được thực hiện trên máy Bruker Avance III 400 MHz kết hợp hệ thống gyrotron 9,7 T phát sóng vi ba ở tần số 263 GHz, đầu dò triple resonance 1H/X/Y 3,2 mm. Mẫu được phân tán trong dung dịch gốc phân cực TOTAPOL (hoặc TEMPO) trong D2O/H2O (1:1 v/v) và duy trì nhiệt độ đo ở 112 K (không chiếu vi ba) và 124 K (khi chiếu vi ba) dưới tốc độ quay góc ma thuật MAS 8 kHz. Kỹ thuật HETCOR hai chiều 13C{1H} và 15N{1H} kết hợp giải cặp FSLG (90 kHz) cho phép quan sát trực tiếp tương quan không gian gần giữa nguyên tử 1H và hạt nhân 13C, 15N của L-proline với cụm kim loại.

  4. Quy trình tổng hợp "xanh" của DUT-67 trong Chương 2 đạt hiệu suất bao nhiêu và sử dụng hệ dung môi nào? Quy trình tổng hợp xanh của DUT-67 (EtOH) sử dụng hỗn hợp dung môi nước/axit axetic (1:1 v/v) để hòa tan ZrOCl2·8H2O và ethanol để hòa tan axit 2,5-thiophenedicarboxylic (H2TDC). Phản ứng kết tinh được thực hiện ở nhiệt độ 80 °C trong 48 giờ, đạt hiệu suất 79% tính theo lượng phối tử H2TDC, tạo ra sản phẩm dạng bột trắng có công thức Zr6O6(TDC)4(CH3COO)4 tương đương về mặt cấu trúc so với phương pháp solvothermal truyền thống dùng DMF.

  5. Vật liệu DUT-136 được tổng hợp từ những hóa chất ban đầu nào và cấu trúc hóa học của nó được biến đổi sau tổng hợp ra sao? DUT-136 được tổng hợp từ ZrCl4, axit 4-formylbenzoic và phối tử diamine chiral (1R,2R)-1,2-diphenylethylenediamine trong dung môi DMF có mặt axit axetic ở 80 °C trong 168 giờ. Cầu nối imine (C=N) trong DUT-136 được biến tính sau tổng hợp theo hai hướng: khử bằng chất khử NaBH4 trong methanol tạo amine-DUT-136 mang liên kết C-NH; hoặc oxy hóa Pinnick bằng NaClO2 và 2-methyl-2-butene tạo amide-DUT-136. Cấu trúc DUT-136 cũng được phối trí với Ni(CH3COO)2 tạo xúc tác dị thể Ni-DUT-136.

Kết luận

Luận án của tác giả M. Khoa Dang Nguyen đã thiết lập hệ thống các phương pháp hiệu quả để tích hợp các tâm xúc tác bất đối xứng lên khung cơ - kim chứa zirconi (Zr-MOF) thông qua cả hai hướng: cố định hóa lên cụm vô cơ có số kết nối giảm và tạo cầu nối hữu cơ bất đối xứng in situ. Nghiên cứu đã giải mã cơ chế cạnh tranh xúc tác giữa tâm acid Lewis của cụm Zr6 và tâm hữu cơ L-proline, đồng thời cung cấp giải pháp kỹ thuật sử dụng axit benzoic để che chắn chọn lọc tâm kim loại, giúp phục hồi độ chọn lọc lập thể cao cho phản ứng cộng Aldol. Việc ứng dụng thành công kỹ thuật phổ NMR chất rắn DNP-enhanced ở nhiệt độ thấp cùng quy trình tổng hợp xanh quy mô gram khẳng định giá trị thực nghiệm của luận án trong việc phát triển các vật liệu xúc tác dị thể bất đối xứng ổn định và có khả năng tái sử dụng.