Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu khung hữu cơ-kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs) là nhóm vật liệu xốp có cấu trúc tinh thể ba chiều, được cấu tạo từ các ion kim loại liên kết với cầu nối hữu cơ giàu điện tử như carboxylate, pyridine, imidazole. Trong đó, Cu-MOFs nổi bật nhờ tâm kim loại đồng (Cu) có thể đóng vai trò acid Lewis hoặc chất oxy hóa-khử, thích hợp làm xúc tác cho nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ. Hai vật liệu Cu-MOF-74 và Cu(INA)2 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi, có diện tích bề mặt riêng lớn (khoảng 1064 m²/g đối với Cu-MOF-74) và cấu trúc xốp ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho ứng dụng xúc tác dị thể.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc và khảo sát hoạt tính xúc tác của Cu-MOF-74 cho phản ứng tổng hợp α-ketoamide giữa phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine, cũng như Cu(INA)2 cho phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole. Mục tiêu chính là đánh giá hiệu suất xúc tác, khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác, đồng thời mở rộng ứng dụng của các Cu-MOFs trong phản ứng ghép đôi C–N, một phản ứng quan trọng trong tổng hợp dược phẩm và hợp chất sinh học.

Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7/2014 đến tháng 5/2015 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển các hệ xúc tác dị thể thân thiện môi trường, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả tổng hợp các hợp chất có giá trị sinh học, đồng thời mở ra hướng ứng dụng mới cho vật liệu MOFs trong công nghệ hóa học hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cấu trúc MOFs: MOFs là vật liệu xốp có cấu trúc tinh thể ba chiều, được tạo thành từ các ion kim loại (như Cu²⁺) liên kết với cầu nối hữu cơ (carboxylate, isonicotinic acid). Cấu trúc này cho phép điều chỉnh kích thước lỗ xốp và mật độ tâm kim loại, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính xúc tác.

  • Phản ứng ghép đôi C–N: Phản ứng tổng hợp α-ketoamide và N-aryl hóa là các phản ứng ghép đôi C–N quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, thường sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp. Các phản ứng này có thể được xúc tác bởi Cu-MOFs với ưu điểm dị thể, dễ thu hồi và tái sử dụng.

  • Tính dị thể của xúc tác: Khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác mà không làm giảm hoạt tính là yếu tố then chốt trong phát triển xúc tác dị thể, giúp giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

Các khái niệm chính bao gồm: diện tích bề mặt riêng BET, phân bố kích thước lỗ xốp, acid Lewis, oxy hóa ghép đôi, xúc tác đồng thể và dị thể, hiệu suất phản ứng, và khả năng tái sử dụng xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các hóa chất chuẩn, vật liệu Cu-MOF-74 và Cu(INA)2 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm theo phương pháp nhiệt dung môi. Các phản ứng tổng hợp α-ketoamide và N-aryl hóa được thực hiện trong điều kiện kiểm soát nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ mol tác chất.

  • Phương pháp phân tích: Đặc trưng vật liệu được xác định bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) để xác định cấu trúc tinh thể; kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái; phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) đánh giá độ bền nhiệt; phổ hồng ngoại (FT-IR) xác định nhóm chức; phân tích hàm lượng đồng bằng ICP-MS; và đo diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp hấp phụ khí nitơ (BET).

  • Phân tích hoạt tính xúc tác: Hiệu suất phản ứng được theo dõi bằng sắc ký khí (GC) với nội chuẩn diphenyl ether. Phản ứng α-ketoamide được khảo sát ở 80°C trong toluene, tỷ lệ mol phenylglyoxal monohydrate:pyrrolidine tối ưu là 1:3, với 5 mol% xúc tác Cu-MOF-74. Phản ứng N-aryl hóa được thực hiện ở 100°C trong DMF với xúc tác Cu(INA)2, sử dụng K3PO4 làm base.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đặc trưng vật liệu trong 3 tháng đầu; khảo sát hoạt tính xúc tác và tối ưu điều kiện phản ứng trong 6 tháng tiếp theo; đánh giá khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong 3 tháng cuối cùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp và đặc trưng Cu-MOF-74: Vật liệu Cu-MOF-74 được tổng hợp với hiệu suất 60%. PXRD cho thấy cấu trúc tinh thể cao, tương đồng với mẫu mô phỏng. Hàm lượng đồng đo bằng ICP-MS đạt 27.51%, gần với giá trị lý thuyết 28%. Diện tích bề mặt riêng BET đạt khoảng 1064 m²/g, kích thước lỗ xốp trung bình 7 Å. TGA cho thấy vật liệu ổn định đến 280°C, phân hủy hoàn toàn ở 460°C.

  2. Hoạt tính xúc tác Cu-MOF-74 trong tổng hợp α-ketoamide: Ở tỷ lệ mol phenylglyoxal monohydrate:pyrrolidine là 1:3, nhiệt độ 80°C, và 5 mol% xúc tác, hiệu suất phản ứng đạt 94% sau 120 phút. Hiệu suất tăng rõ rệt khi tăng lượng pyrrolidine từ 1 lên 3 đương lượng, nhưng giảm nhẹ khi vượt quá 3 đương lượng. Nhiệt độ phản ứng dưới 60°C cho hiệu suất thấp (80%), tăng đến 80°C đạt 95%, không cải thiện đáng kể ở 90°C.

  3. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác và dung môi: Không có xúc tác, hiệu suất chỉ 5%. Với 1 mol% xúc tác, hiệu suất đạt 58%, tăng lên 95% với 5 mol%. Dung môi toluene, p-xylene, o-xylene cho hiệu suất cao trên 95%, trong khi dung môi 1,4-dioxane chỉ đạt 36%. Các dung môi DMF, DMA, NMP cũng cho hiệu suất trên 90%.

  4. Khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác Cu-MOF-74: Xúc tác có thể thu hồi và tái sử dụng ít nhất 5 lần mà hoạt tính gần như không thay đổi, chứng minh tính dị thể và bền vững của Cu-MOF-74.

  5. Tổng hợp và đặc trưng Cu(INA)2, khảo sát xúc tác N-aryl hóa: Cu(INA)2 được tổng hợp với hiệu suất 65%, có cấu trúc tinh thể ổn định, diện tích bề mặt lớn. Trong phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole, xúc tác cho độ chuyển hóa cao, có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hiệu suất đáng kể.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy Cu-MOF-74 và Cu(INA)2 là các xúc tác dị thể hiệu quả cho phản ứng ghép đôi C–N, với ưu điểm nổi bật là khả năng thu hồi và tái sử dụng, khắc phục nhược điểm của xúc tác đồng thể truyền thống như khó tách chiết và chi phí cao. Hiệu suất phản ứng α-ketoamide đạt 94% với Cu-MOF-74 tương đương hoặc vượt trội so với các nghiên cứu sử dụng xúc tác đồng thể (thường dùng 10 mol% xúc tác và ligand). Việc lựa chọn dung môi toluene và nhiệt độ 80°C tối ưu giúp cân bằng hiệu suất và điều kiện phản ứng thân thiện.

Phân tích TGA và PXRD chứng minh vật liệu có độ bền nhiệt và cấu trúc ổn định, phù hợp cho ứng dụng xúc tác trong điều kiện nhiệt độ phản ứng. So sánh với các nghiên cứu trước, việc sử dụng Cu-MOFs làm xúc tác dị thể cho các phản ứng này là mới mẻ và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp dược phẩm và hợp chất sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất phản ứng theo thời gian, biểu đồ ảnh hưởng tỷ lệ mol tác chất, hàm lượng xúc tác và loại dung môi, cũng như bảng so sánh hiệu suất và điều kiện phản ứng với các nghiên cứu trước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng nghiên cứu xúc tác Cu-MOFs cho các phản ứng ghép đôi C–N khác: Thực hiện khảo sát hoạt tính xúc tác trên các amine và aryl halide đa dạng hơn để đánh giá phạm vi ứng dụng, nhằm nâng cao target metric hiệu suất và độ chọn lọc trong vòng 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu hóa hữu cơ tại các trường đại học thực hiện.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp xúc tác Cu-MOFs quy mô lớn: Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp để tăng hiệu suất và độ ổn định vật liệu, giảm chi phí sản xuất, hướng đến ứng dụng công nghiệp trong 18 tháng, phối hợp với các phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu.

  3. Nghiên cứu cơ chế xúc tác và tương tác bề mặt: Sử dụng các kỹ thuật phân tích phổ nâng cao (NMR, XPS, in situ FT-IR) để hiểu rõ cơ chế phản ứng và vai trò của tâm kim loại Cu trong xúc tác, nhằm cải tiến thiết kế xúc tác, thực hiện trong 12 tháng, do nhóm nghiên cứu hóa lý đảm nhiệm.

  4. Ứng dụng xúc tác trong tổng hợp dược phẩm và hợp chất sinh học: Thử nghiệm xúc tác trong tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học, đánh giá hiệu quả và tính bền vững, hướng đến thương mại hóa trong 24 tháng, phối hợp với các công ty dược phẩm và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Công nghệ Hóa học và Hóa hữu cơ: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích vật liệu MOFs, cũng như khai thác xúc tác dị thể trong nghiên cứu và giảng dạy.

  2. Chuyên gia phát triển xúc tác trong công nghiệp hóa chất và dược phẩm: Tận dụng kết quả nghiên cứu để phát triển xúc tác dị thể hiệu quả, thân thiện môi trường, giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Công nghệ Hóa học: Tham khảo quy trình tổng hợp, kỹ thuật phân tích và thiết kế thí nghiệm khảo sát hoạt tính xúc tác, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển vật liệu mới: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các vật liệu MOFs mới có tính năng xúc tác ưu việt, mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cu-MOF-74 và Cu(INA)2 có ưu điểm gì so với xúc tác đồng thể truyền thống?
    Cu-MOF-74 và Cu(INA)2 là xúc tác dị thể có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hoạt tính, giúp giảm chi phí và ô nhiễm môi trường so với xúc tác đồng thể không thể tái sử dụng.

  2. Phản ứng tổng hợp α-ketoamide sử dụng Cu-MOF-74 đạt hiệu suất bao nhiêu?
    Trong điều kiện tối ưu, hiệu suất phản ứng đạt khoảng 94% sau 120 phút ở 80°C với tỷ lệ mol phenylglyoxal monohydrate:pyrrolidine là 1:3 và 5 mol% xúc tác.

  3. Khả năng tái sử dụng xúc tác Cu-MOF-74 như thế nào?
    Xúc tác Cu-MOF-74 có thể được thu hồi và tái sử dụng ít nhất 5 lần mà hoạt tính xúc tác gần như không thay đổi, chứng minh tính bền vững và hiệu quả kinh tế.

  4. Tại sao dung môi toluene được chọn cho phản ứng α-ketoamide?
    Toluene cho hiệu suất phản ứng cao (95-96%) và ổn định hơn so với nhiều dung môi khác như DMF, DMA, NMP, đồng thời dễ xử lý và thân thiện hơn trong tổng hợp hữu cơ.

  5. Phương pháp tổng hợp Cu-MOFs có thể áp dụng quy mô công nghiệp không?
    Phương pháp nhiệt dung môi hiện tại có thể được tối ưu để nâng cao hiệu suất và giảm thời gian tổng hợp, tạo điều kiện thuận lợi cho mở rộng quy mô sản xuất trong tương lai.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu Cu-MOF-74 và Cu(INA)2 bằng phương pháp nhiệt dung môi với hiệu suất lần lượt 60% và 65%, có cấu trúc tinh thể ổn định và diện tích bề mặt lớn.
  • Cu-MOF-74 thể hiện hoạt tính xúc tác cao trong phản ứng tổng hợp α-ketoamide với hiệu suất lên đến 94% dưới điều kiện tối ưu.
  • Cu(INA)2 là xúc tác hiệu quả cho phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole, có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần.
  • Khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác dị thể giúp giảm chi phí và ô nhiễm môi trường, mở rộng ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ và dược phẩm.
  • Đề xuất nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng xúc tác, phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn và nghiên cứu cơ chế xúc tác để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Next steps: Tiến hành nghiên cứu mở rộng phản ứng ghép đôi C–N với các hệ xúc tác Cu-MOFs khác, tối ưu quy trình tổng hợp xúc tác và ứng dụng trong tổng hợp dược phẩm.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực hóa học và dược phẩm nên cân nhắc áp dụng xúc tác Cu-MOFs dị thể để nâng cao hiệu quả sản xuất và phát triển công nghệ xanh.