Giới thiệu nhóm flo và trifluoromethyl vào hợp chất hữu cơ dưới xúc tác kim loại chuyển tiếp

• Tác giả: Nguyễn Văn A
• Người hướng dẫn: PTS. Thanh Trương
• Trường học: Ho Chi Minh University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Sự Giới Thiệu Nhóm Flo Và Trifluoromethyl Vào Hợp Chất Hữu Cơ Dưới Xúc Tác Kim Loại Chuyển Tiếp
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• DECLARATION OF ORIGINALITY
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENT
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF SCHEMES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. CHƯƠNG 1: LITERATURE REVIEW
• 1.1. Introduction of fluorine into organic scaffolds
• 1.2. Introduction of trifluoromethyl group (CF3 group) into organic compounds
• 1.3. Metal organic frameworks (MOFs), delafossite-type oxides and nanoparticles in organic syntheses
• 1.4. MOFs in organic chemistry. Silver-Ferrite Nanoparticles AgFeO2
• 1.5. Aim and objectives
• 1.6. Materials and instrumentation
• 1.7. Preparation of metal organic framework Cu(INA)2
• 1.8. Preparation of Delafossite-type oxide AgFeO2 nanoparticles
• 1.9. Copper-catalyzed trifluoromethylation of aryl boronic acids using MOFs Cu(INA)2 as catalyst (reaction 1). Determination of GC yield
• 1.10. Silver-catalyzed fluorination of aliphatic acids using AgFeO2 as catalyst (reaction 2). Determination of GC yield
• 3. CHƯƠNG 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Catalyst synthesis and characterization of Cu(INA)2
• 3.2. Characterization of Delafossite-type oxide AgFeO2 (silver-ferrite oxide)
• 3.3. Copper-catalyzed trifluoromethylation of aryl boronic acids using MOFs Cu(INA)2 as catalyst
• 3.4. Effect of catalyst loading on reaction yield
• 3.5. Effect of fluoride anion sources on reaction yield
• 3.6. Effect of temperature on reaction yield
• 3.7. Effect of reactant molar ratio on reaction yield
• 3.8. Effect of ligand amount on reaction yield
• 3.9. Effect of solvent on reaction yield
• 3.10. Effect of reaction environment and oxidant on reaction yield
• 3.11. Reaction with different copper-based catalysts
• 3.12. Catalyst recycling studies
• 3.13. Substrate scope studies
• 3.14. Silver-catalyzed fluorination of aliphatic acids using AgFeO2 as catalyst
• 3.15. Effect of SelectFluor equivalent on reaction yield
• 3.16. Effect of catalyst loading on reaction yield
• 3.17. Effect of different solvents on reaction yield
• 3.18. Effect of volume ratio of acetone to water on reaction yield
• 3.19. Effect of the concentration of reactant on reaction yield
• 3.20. Effect of temperature on reaction yield
• 3.21. Reaction with different silver- and other metals-based catalysts
• 3.22. Catalyst recycling studies
• 3.23. Substrate scope studies
• 3.24. Initial study for the feasible pathway of the reaction
• LIST OF PUBLICATIONS

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vai Trò Nhóm Flo và Trifluoromethyl

Các hợp chất chứa fluor đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nhờ đặc tính độc đáo của nguyên tử fluor, bao gồm kích thước nhỏ, độ âm điện cao. Việc đưa fluor vào phân tử hữu cơ làm tăng tính kỵ nước, độ bền điện hóa, và ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học. Các hợp chất chứa fluor được ứng dụng rộng rãi trong dược phẩm, agrochemistry, và vật liệu. Đặc biệt, đồng vị fluor 18 (18F) được sử dụng trong kỹ thuật Positron Emission Tomography (PET) trong y học. Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu các phương pháp flo hóa và phương pháp trifluoromethyl hóa mới. Tuy nhiên, các phản ứng tổng hợp này vẫn còn nhiều hạn chế do tính chất hóa học mạnh của fluor, dẫn đến nhiều sản phẩm phụ, điều kiện phản ứng khắc nghiệt và sử dụng chất phản ứng/xúc tác đắt tiền.

1.1. Tầm quan trọng của các hợp chất chứa Fluor trong Hóa học

Các hợp chất chứa fluor có những tính chất đặc biệt do ảnh hưởng của nguyên tử fluor, như tăng độ âm điện, tính kỵ nước, và độ bền hóa học. Các đặc tính này rất quan trọng trong việc thiết kế và phát triển các dược phẩm mới, thuốc bảo vệ thực vật và vật liệu. Sự có mặt của fluor trong phân tử có thể cải thiện khả năng hấp thụ, phân phối, chuyển hóa và bài tiết (ADME) của thuốc, cũng như tăng cường tương tác với mục tiêu sinh học.

1.2. Ứng dụng của đồng vị Fluor 18 18F trong chẩn đoán hình ảnh PET

Đồng vị fluor 18 (18F) là một đồng vị phóng xạ có thời gian bán rã ngắn (109.8 phút), phát ra positron. Nó được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật Positron Emission Tomography (PET) để chẩn đoán các bệnh lý khác nhau, bao gồm ung thư, bệnh tim mạch và bệnh thần kinh. Các chất đánh dấu phóng xạ chứa 18F cho phép tạo ra hình ảnh chi tiết về hoạt động sinh lý và sinh hóa trong cơ thể.

II. Thách Thức Trong Phản Ứng Flo Hóa và Trifluoromethyl Hóa

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong hóa học fluor, các phản ứng flo hóa và trifluoromethyl hóa vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Các phương pháp hiện tại thường sử dụng thuốc thử mạnh, tạo ra nhiều sản phẩm phụ và đòi hỏi điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Việc sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp đồng thể cũng gây khó khăn trong việc thu hồi và tái sử dụng. Hơn nữa, phạm vi chất nền (substrate scope) còn hạn chế, đòi hỏi sự phát triển các phương pháp mới, hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn. Cần phát triển phương pháp tổng hợp mới để vượt qua những hạn chế này.

2.1. Hạn chế của các phương pháp flo hóa và trifluoromethyl hóa hiện tại

Các phương pháp flo hóa và trifluoromethyl hóa hiện tại thường gặp phải các vấn đề như sử dụng thuốc thử mạnh (ví dụ: Selectfluor), tạo ra nhiều sản phẩm phụ, điều kiện phản ứng khắc nghiệt (nhiệt độ cao, dung môi độc hại), và phạm vi ứng dụng hạn chế. Ngoài ra, việc sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp đồng thể cũng gây khó khăn trong việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác.

2.2. Sự cần thiết của các phương pháp flo hóa và trifluoromethyl hóa mới

Do những hạn chế của các phương pháp hiện tại, việc phát triển các phương pháp flo hóa và trifluoromethyl hóa mới là rất cần thiết. Các phương pháp mới cần phải hiệu quả hơn, có tính chọn lọc vùng và chọn lọc lập thể cao, sử dụng các chất phản ứng và xúc tác kim loại chuyển tiếp thân thiện với môi trường, dễ thu hồi và tái sử dụng, và có phạm vi ứng dụng rộng rãi.

2.3. Vấn đề thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong tổng hợp hữu cơ

Việc sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp đồng thể trong tổng hợp hữu cơ thường gặp khó khăn trong việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác sau phản ứng. Điều này không chỉ làm tăng chi phí của quá trình mà còn gây ra các vấn đề về môi trường do sự tồn dư của kim loại trong sản phẩm.

III. Xúc Tác Kim Loại Chuyển Tiếp Dị Thể Giải Pháp Tiềm Năng

Nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp dị thể như MOFs Cu(INA)2 và hạt nano delafossite AgFeO2 cho các phản ứng trifluoromethyl hóa và phản ứng flo hóa. Việc sử dụng xúc tác dị thể có ưu điểm là dễ thu hồi và tái sử dụng, giúp giảm chi phí và thân thiện với môi trường hơn so với xúc tác đồng thể. Các kết quả cho thấy MOFs Cu(INA)2 và hạt nano AgFeO2 có hoạt tính xúc tác tốt trong các phản ứng C-CF3 và phản ứng C-F, với hiệu suất cao và phạm vi chất nền rộng.

3.1. Ưu điểm của xúc tác kim loại chuyển tiếp dị thể

Xúc tác kim loại chuyển tiếp dị thể có nhiều ưu điểm so với xúc tác kim loại chuyển tiếp đồng thể, bao gồm dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, độ bền cao, khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, và giảm thiểu ô nhiễm kim loại trong sản phẩm. Điều này làm cho xúc tác dị thể trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ quy mô lớn.

3.2. Giới thiệu về MOFs Cu INA 2 và hạt nano delafossite AgFeO2

MOFs Cu(INA)2 (Metal-Organic Frameworks Copper Isonicotinate) là một vật liệu khung hữu cơ kim loại có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng điều chỉnh tính chất. Hạt nano delafossite AgFeO2 là một oxit kim loại hỗn hợp có cấu trúc tinh thể đặc biệt, có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xúc tác.

3.3. Ứng dụng MOFs và hạt nano trong phản ứng hữu cơ

MOFs và hạt nano đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các phản ứng hữu cơ nhờ vào các đặc tính độc đáo của chúng, như diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ và giải phóng chất phản ứng, khả năng ổn định các trung gian phản ứng, và khả năng tạo ra môi trường phản ứng đặc biệt. Điều này giúp cải thiện hiệu suất, tính chọn lọc và khả năng tái sử dụng của xúc tác.

IV. Tổng Hợp Đánh Giá MOFs Cu INA 2 cho Phản Ứng Trifluoromethyl Hóa

MOFs Cu(INA)2 đã được tổng hợp thành công và đặc trưng bằng các phương pháp XRD, FT-IR, SEM và TGA. Kết quả cho thấy cấu trúc và tính chất của MOFs Cu(INA)2 tương đồng với các nghiên cứu trước đó. MOFs Cu(INA)2 được sử dụng làm xúc tác cho phản ứng trifluoromethyl hóa axit aryl boronic. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng như tải lượng xúc tác, nguồn fluor, nhiệt độ và dung môi đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy MOFs Cu(INA)2 là một xúc tác hiệu quả cho phản ứng trifluoromethyl hóa.

4.1. Các phương pháp tổng hợp và đặc trưng MOFs Cu INA 2

MOFs Cu(INA)2 có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp dung môi nhiệt, phương pháp vi sóng và phương pháp cơ học. Các phương pháp đặc trưng cấu trúc và tính chất của MOFs Cu(INA)2 bao gồm XRD (X-ray Diffraction), FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), SEM (Scanning Electron Microscopy), TEM (Transmission Electron Microscopy), TGA (Thermogravimetric Analysis) và phân tích diện tích bề mặt BET.

4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện phản ứng Trifluoromethyl hóa

Các điều kiện phản ứng như tải lượng xúc tác, loại dung môi, nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ chất phản ứng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng trifluoromethyl hóa. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được hiệu quả phản ứng cao nhất.

V. Nghiên Cứu Xúc Tác AgFeO2 Cho Phản Ứng Flo Hóa Axit Aliphatic

Hạt nano AgFeO2 được tổng hợp và đặc trưng bằng XRD, SEM và TEM. Kết quả xác nhận sự hình thành của hạt nano AgFeO2 với kích thước và cấu trúc phù hợp. AgFeO2 được sử dụng làm xúc tác cho phản ứng flo hóa axit aliphatic. Ảnh hưởng của các yếu tố như lượng SelectFluor, tải lượng xúc tác và dung môi đến hiệu suất phản ứng đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy AgFeO2 có hoạt tính xúc tác tốt và có thể tái sử dụng nhiều lần mà không giảm đáng kể hiệu suất.

5.1. Tổng hợp và đặc trưng hạt nano delafossite AgFeO2

Hạt nano AgFeO2 có thể được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa, phương pháp dung dịch sol-gel, hoặc phương pháp thủy nhiệt. Cấu trúc, kích thước và hình thái của hạt nano AgFeO2 có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thông số phản ứng như nhiệt độ, pH và nồng độ chất phản ứng. Đặc trưng bằng các phương pháp XRD, SEM, TEM,... .

5.2. Đánh giá hiệu quả của AgFeO2 trong phản ứng Flo hóa axit aliphatic

Hiệu quả của AgFeO2 trong phản ứng flo hóa axit aliphatic được đánh giá thông qua việc xác định hiệu suất phản ứng, tính chọn lọc và khả năng tái sử dụng của xúc tác. Các yếu tố như loại dung môi, nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ chất phản ứng cũng được nghiên cứu để tối ưu hóa điều kiện phản ứng.

5.3. Khả năng tái sử dụng và độ bền của xúc tác AgFeO2

Khả năng tái sử dụng và độ bền của xúc tác AgFeO2 là một yếu tố quan trọng để đánh giá tính ứng dụng của nó trong thực tế. Xúc tác có thể được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà không giảm đáng kể hiệu suất, cho thấy độ bền cao và khả năng ứng dụng tiềm năng.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Hóa Học Fluor Xúc Tác Dị Thể

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của xúc tác kim loại chuyển tiếp dị thể trong các phản ứng flo hóa và trifluoromethyl hóa. Việc sử dụng MOFs Cu(INA)2 và hạt nano AgFeO2 mang lại hiệu suất cao, khả năng tái sử dụng và thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc khám phá các xúc tác dị thể khác, mở rộng phạm vi ứng dụng và nghiên cứu cơ chế phản ứng để tối ưu hóa quy trình. Điều này góp phần vào sự phát triển của hóa học fluor bền vững.

6.1. Tóm tắt các kết quả chính của nghiên cứu

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công và đánh giá hoạt tính xúc tác của MOFs Cu(INA)2 và hạt nano AgFeO2 trong các phản ứng trifluoromethyl hóa và flo hóa. Kết quả cho thấy cả hai vật liệu đều có tiềm năng lớn trong việc phát triển các phương pháp tổng hợp hữu cơ thân thiện với môi trường và hiệu quả.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xúc tác dị thể

Các hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xúc tác dị thể cho phản ứng flo hóa và trifluoromethyl hóa bao gồm: khám phá các vật liệu xúc tác mới với hoạt tính và tính chọn lọc cao hơn, nghiên cứu cơ chế phản ứng để tối ưu hóa quy trình, mở rộng phạm vi ứng dụng của xúc tác cho các loại chất nền khác nhau, và phát triển các phương pháp tái chế và xử lý xúc tác đã qua sử dụng.