Tổng quan nghiên cứu

Phản ứng ghép đôi chéo dehydro hóa (Cross-Dehydrogenative Coupling - CDC) là một phương pháp tổng hợp hữu cơ hiện đại, giúp tạo liên kết C–C trực tiếp từ các liên kết C–H mà không cần bước tiền chuyển hóa phức tạp. Theo ước tính, các phản ứng ghép đôi oxy hóa chiếm vị trí quan trọng trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ có hoạt tính sinh học, đặc biệt là các dẫn xuất tetrahydroquinoline – một khung cấu trúc phổ biến trong dược phẩm và vật liệu chức năng. Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu phản ứng ghép đôi chéo dehydro hóa giữa các dẫn xuất maleimide và N,N-dimethylaniline sử dụng vật liệu nano copper ferrite (CuFe2O4) làm xúc tác dị thể. Phản ứng được thực hiện trong dung môi acetonitrile với chất oxy hóa tert-butyl hydroperoxide (TBHP) dưới điều kiện không khí, tạo ra các dẫn xuất tetrahydroquinoline với hiệu suất từ trung bình đến cao.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển một quy trình tổng hợp thân thiện với môi trường, tiết kiệm nguyên tử, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng như lượng xúc tác, tỉ lệ tác chất, nhiệt độ, dung môi và chất oxy hóa đến hiệu suất sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ năm 2021 đến 2022. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần mở rộng ứng dụng của vật liệu nano CuFe2O4 trong xúc tác dị thể mà còn cung cấp nền tảng cho việc tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học với quy trình kinh tế và thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết phản ứng ghép đôi oxy hóa và lý thuyết xúc tác dị thể sử dụng vật liệu nano siêu thuận từ CuFe2O4. Phản ứng ghép đôi oxy hóa là quá trình tạo liên kết C–C trực tiếp giữa hai liên kết C–H dưới sự có mặt của chất oxy hóa, giúp tiết kiệm nguyên tử và giảm bước tổng hợp. Lý thuyết xúc tác dị thể nhấn mạnh ưu điểm của các vật liệu nano có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, khả năng phân tán tốt và dễ dàng thu hồi bằng từ trường ngoài nhờ tính siêu thuận từ của CuFe2O4.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Phản ứng ghép đôi chéo dehydro hóa (CDC): tạo liên kết C–C trực tiếp giữa các hợp chất chứa liên kết C–H mà không cần bước tiền chuyển hóa.
  • Xúc tác dị thể nano CuFe2O4: vật liệu nano có tính siêu thuận từ, dễ thu hồi và tái sử dụng, có nhiều trạng thái oxy hóa của Cu và Fe giúp xúc tác hiệu quả.
  • Chất oxy hóa tert-butyl hydroperoxide (TBHP): đóng vai trò thu nhận electron dư thừa trong phản ứng, giúp duy trì chu trình xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thí nghiệm tổng hợp và khảo sát phản ứng ghép đôi giữa N-phenylmaleimide và 4,N,N-trimethylaniline sử dụng xúc tác CuFe2O4. Cỡ mẫu thí nghiệm được thực hiện với lượng tác chất giới hạn 0,1 mmol, lượng xúc tác từ 2 đến 10 mg, trong dung môi acetonitrile, nhiệt độ từ 25 đến 60°C, thời gian phản ứng 16 giờ. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các điều kiện phản ứng khác nhau để khảo sát ảnh hưởng đến hiệu suất.

Phân tích sản phẩm được thực hiện bằng sắc ký khí (GC) với chất nội chuẩn diphenyl ether, sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (^1H NMR, ^13C NMR) và phân tích nhiễu xạ tia X bột (PXRD) để xác định cấu trúc và tính chất vật liệu xúc tác trước và sau phản ứng. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2/2021 đến tháng 6/2022, bao gồm tổng hợp tác chất, khảo sát điều kiện phản ứng, phân tích sản phẩm và đánh giá khả năng thu hồi xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của lượng xúc tác CuFe2O4: Khi tăng lượng xúc tác từ 2 mg đến 8 mg, hiệu suất sản phẩm tăng từ 26% lên 43%. Tuy nhiên, tăng thêm lên 10 mg chỉ nâng hiệu suất nhẹ lên 46%, cho thấy lượng xúc tác tối ưu là 8 mg để cân bằng hiệu quả và kinh tế.

  2. Ảnh hưởng tỉ lệ tác chất: Tỉ lệ N-phenylmaleimide (1a) : 4,N,N-trimethylaniline (2a) tăng từ 1:1 đến 1:3 làm hiệu suất tăng từ 26% lên 60%. Tỉ lệ cao hơn không cải thiện đáng kể hiệu suất, cho thấy tỉ lệ 1:3 là tối ưu.

  3. Ảnh hưởng nhiệt độ: Nhiệt độ phản ứng 40°C cho hiệu suất tốt nhất (khoảng 60%), thấp hơn hoặc cao hơn đều làm giảm hiệu suất do ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và sự ổn định của các thành phần.

  4. Ảnh hưởng dung môi và chất oxy hóa: Acetonitrile là dung môi phù hợp nhất, trong khi TBHP là chất oxy hóa hiệu quả giúp duy trì chu trình phản ứng và tạo sản phẩm với hiệu suất cao.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy xúc tác nano CuFe2O4 đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt liên kết C(sp3)–H cạnh dị tố và thúc đẩy phản ứng ghép đôi với liên kết C(sp2)–H của maleimide. Hiệu suất tăng theo lượng xúc tác và tỉ lệ tác chất phù hợp do tăng khả năng tiếp xúc giữa xúc tác và tác chất. Nhiệt độ 40°C cân bằng giữa tốc độ phản ứng và sự ổn định của các trung gian phản ứng.

So sánh với các nghiên cứu trước sử dụng xúc tác đồng thể CuBr/TBHP hoặc hệ xúc tác quang Ru/Co, phương pháp sử dụng CuFe2O4 dị thể có ưu điểm về khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác, giảm thiểu chất thải kim loại, đồng thời duy trì hiệu suất sản phẩm tương đương hoặc cao hơn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện hiệu suất theo lượng xúc tác, tỉ lệ tác chất và nhiệt độ, cũng như bảng so sánh hiệu suất giữa các hệ xúc tác khác nhau.

Khả năng thu hồi xúc tác bằng nam châm và tái sử dụng ít nhất 5 lần mà hiệu suất giảm không quá 10% chứng tỏ tính bền vững và kinh tế của quy trình. Cơ chế phản ứng đề xuất dựa trên sự hình thành gốc tự do α-aminoalkyl và trung gian iminium cation, phù hợp với các nghiên cứu tương tự trong lĩnh vực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình phản ứng: Áp dụng lượng xúc tác 8 mg, tỉ lệ tác chất 1:3, nhiệt độ 40°C và dung môi acetonitrile để đạt hiệu suất tối ưu trên 60% trong 16 giờ. Thời gian thực hiện: ngay lập tức trong các nghiên cứu tiếp theo.

  2. Mở rộng phạm vi tác chất: Khuyến khích khảo sát các dẫn xuất maleimide và amine bậc ba khác nhau để đánh giá tính đa dạng của phương pháp, nhằm phát triển các hợp chất có hoạt tính sinh học mới. Thời gian: 6-12 tháng.

  3. Nâng cao khả năng tái sử dụng xúc tác: Nghiên cứu cải tiến quy trình thu hồi và tái sử dụng xúc tác CuFe2O4 nhằm duy trì hiệu suất trên 90% sau nhiều chu kỳ, giảm chi phí và chất thải. Thời gian: 3-6 tháng.

  4. Ứng dụng quy trình trong tổng hợp dược phẩm: Áp dụng phương pháp tổng hợp này trong quy trình sản xuất các hợp chất dược liệu chứa khung tetrahydroquinoline, tận dụng tính kinh tế và thân thiện môi trường của xúc tác dị thể. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm công nghiệp và nghiên cứu. Thời gian: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu hóa học hữu cơ: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp mới, đặc biệt trong lĩnh vực tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học chứa khung tetrahydroquinoline.

  2. Chuyên gia phát triển xúc tác: Nghiên cứu và phát triển các vật liệu nano xúc tác dị thể, tận dụng tính siêu thuận từ của CuFe2O4 để nâng cao hiệu quả và khả năng tái sử dụng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm: Áp dụng quy trình tổng hợp xanh, tiết kiệm nguyên tử và giảm thiểu chất thải kim loại trong sản xuất các hợp chất trung gian và dược liệu.

  4. Sinh viên và học viên cao học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, quy trình thí nghiệm và phân tích dữ liệu trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học và tổng hợp hữu cơ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng ghép đôi chéo dehydro hóa là gì?
    Là phản ứng tạo liên kết C–C trực tiếp giữa hai liên kết C–H mà không cần bước tiền chuyển hóa, sử dụng chất oxy hóa để duy trì chu trình phản ứng, giúp tiết kiệm nguyên tử và giảm chất thải.

  2. Tại sao chọn CuFe2O4 làm xúc tác?
    CuFe2O4 là vật liệu nano siêu thuận từ có diện tích bề mặt lớn, khả năng phân tán tốt, dễ thu hồi bằng nam châm và có nhiều trạng thái oxy hóa của Cu và Fe giúp xúc tác hiệu quả.

  3. Hiệu suất phản ứng đạt được là bao nhiêu?
    Hiệu suất tối ưu đạt khoảng 60% khi sử dụng 8 mg xúc tác, tỉ lệ tác chất 1:3, nhiệt độ 40°C trong 16 giờ.

  4. Có thể tái sử dụng xúc tác bao nhiêu lần?
    Xúc tác CuFe2O4 có thể được thu hồi và tái sử dụng ít nhất 5 lần với hiệu suất giảm không quá 10%, đảm bảo tính kinh tế và bền vững.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các tác chất khác không?
    Có, phương pháp đã được mở rộng với nhiều dẫn xuất maleimide và amine bậc ba khác nhau, cho thấy tính đa dạng và ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ.

Kết luận

  • Phản ứng ghép đôi chéo dehydro hóa giữa maleimide và N,N-dimethylaniline sử dụng xúc tác nano CuFe2O4 đã được phát triển thành công với hiệu suất lên đến 60%.
  • Xúc tác CuFe2O4 thể hiện ưu điểm về khả năng thu hồi dễ dàng và tái sử dụng nhiều lần mà không giảm đáng kể hiệu suất.
  • Các điều kiện phản ứng tối ưu gồm lượng xúc tác 8 mg, tỉ lệ tác chất 1:3, nhiệt độ 40°C và dung môi acetonitrile.
  • Phương pháp góp phần mở rộng ứng dụng của xúc tác dị thể trong tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học theo hướng hóa học xanh và kinh tế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng phạm vi tác chất, tối ưu hóa quy trình tái sử dụng xúc tác và ứng dụng trong sản xuất dược phẩm.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học và tổng hợp hữu cơ, đồng thời khuyến khích áp dụng các phương pháp tổng hợp thân thiện môi trường trong tương lai.