Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong nhiều thập niên, các phản ứng hình thành liên kết carbon–carbon (C–C) và carbon–nitrogen (C–N) giữ vai trò trọng tâm trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là quy trình chế tạo các hợp chất trung gian có hoạt tính sinh học như dẫn xuất aryl dị vòng, ynamide và $\alpha$-amino carbonyl. Phương pháp truyền thống thường sử dụng hệ xúc tác đồng thể kim loại chuyển tiếp (chủ yếu là palladium, rhodium hoặc đồng). Tuy nhiên, các hệ xúc tác này tồn tại nhiều nhược điểm:

  • Đòi hỏi sử dụng các phối tử (ligand) phosphine có độc tính cao và giá thành đắt.
  • Điều kiện phản ứng phức tạp, khó tách và thu hồi xúc tác ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng.
  • Khó tái sử dụng xúc tác, dẫn đến phát sinh chất thải kim loại và làm tăng chi phí sản xuất.

Sự phát triển của vật liệu khung hữu cơ kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs), đặc biệt là các MOFs tâm đồng (Cu-MOFs), mở ra hướng tiếp cận mới nhờ cấu trúc tinh thể xốp, diện tích bề mặt riêng lớn và sự hiện diện của các tâm kim loại mở hoạt động như acid Lewis. Mặc dù một số Cu-MOFs đã được khảo sát trong các phản ứng hữu cơ, việc ứng dụng các cấu trúc như $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C và C–N chuyên biệt vẫn chưa được công bố trong các tài liệu khoa học trước thời điểm nghiên cứu của tác giả. Do đó, việc thực hiện đề tài này là cần thiết nhằm phát triển hệ xúc tác dị thể có khả năng tái sử dụng cho các phản ứng ghép đôi chọn lọc.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính:

  1. Mục tiêu 1: Tổng hợp và đặc trưng hóa cấu trúc, tính chất hóa lý của ba vật liệu Cu-MOFs gồm $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$.
  2. Mục tiêu 2: Khảo sát và đánh giá hoạt tính xúc tác dị thể của các vật liệu Cu-MOFs đã tổng hợp trong ba hệ phản ứng ghép đôi:
    • Phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C giữa dị vòng và aryl halide (sử dụng xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$).
    • Phản ứng ghép đôi trực tiếp C–N giữa amine có hydro linh động với alkyne đầu mạch (sử dụng xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$).
    • Phản ứng ghép đôi C–N giữa $\alpha$-carbonyl và amine bậc hai (sử dụng xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Ba vật liệu khung hữu cơ tâm đồng ($\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$); các tác chất hữu cơ tham gia phản ứng ghép đôi gồm dị vòng (benzoxazole, oxazole...), aryl halide (iodobenzene...), alkyne đầu mạch (phenylacetylene...), hợp chất amine/amide (2-oxazolidinone, morpholine...) và dẫn xuất ketone ($\alpha$-carbonyl như propiophenone).
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật hóa học (mã số 62520301), tập trung vào phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi (solvothermal), phân tích cấu trúc vật liệu và tối ưu hóa các thông số phản ứng hóa học (nhiệt độ, dung môi, base, nồng độ xúc tác, chất oxy hóa, tỉ lệ tác chất) cùng việc kiểm tra tính dị thể và khả năng tái sử dụng xúc tác.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu về vật liệu MOFs và ứng dụng xúc tác của kim loại chuyển tiếp qua các công trình tiêu biểu:

  • Độ bền cấu trúc MOFs trong môi trường ẩm: Công trình của Kui Tan và cộng sự (2012) nghiên cứu cơ chế phân ly của vật liệu cấu trúc paddle-wheel $\text{M}(\text{bdc})(\text{ted})_{0.5}$ ($\text{M} = \text{Cu}, \text{Zn}, \text{Ni}, \text{Co}$) dưới tác động của hơi $\text{D}_2\text{O}$, chỉ ra rằng ở độ ẩm cao, phân tử nước tương tác với tâm kim loại và nhóm $\text{Cu-O-C}$ gây thủy giải cấu trúc khung.
  • Ứng dụng xúc tác của $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ và các Cu-MOFs:
    • Nguyen và cộng sự công bố phản ứng aza-Michael giữa amine và ethyl acrylate xúc tác bởi $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$.
    • M. Opanasenko và cộng sự (2013) nghiên cứu phản ứng ngưng tụ Pechmann giữa phenol và ethyl acetoacetate tạo coumarin trên các xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{FeBTC}$, zeolite Al-BEA và Al-USY.
    • Phan Thanh Sơn Nam và cộng sự công bố việc ứng dụng $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ cho phản ứng $\alpha$-aryl hóa acetylacetone với aryl iodide và phản ứng ghép đôi Ullmann tạo diaryl ether; sử dụng $\text{Cu}(\text{BDC})$ trong phản ứng Friedländer; ứng dụng $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ trong phản ứng ghép đôi giữa 2-hydroxybenzaldehyde với 1,4-dioxane và giữa phenol với DMF; sử dụng $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ cho phản ứng ghép giữa phenol và nitroarene cũng như phản ứng $N$-aryl hóa aryl halide với imidazole.
    • Giao H. Dang và cộng sự nghiên cứu tổng hợp amide sử dụng $\text{Cu}_2(\text{EDB})_2(\text{BPY})$, phản ứng ghép đôi C–C tạo propargylamine bằng $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$, phản ứng 3 tác chất bằng $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, phản ứng oxy hóa đóng vòng bằng $\text{Cu}(\text{BDC})$ và phản ứng ghép 3 thành phần aldehyde–amine–alkyne bằng $\text{Cu-MOF-74}$.
    • Thanh Truong và cộng sự (2016) nghiên cứu phản ứng ghép đôi C–N giữa benzimidazole và DMA với xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{DABCO})$.
    • A. Dhakshinamoorthy và cộng sự khảo sát phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic và acetal hóa aldehyde với methanol sử dụng $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$.
    • Luz và cộng sự khảo sát tổng hợp propargylamine và dẫn xuất imidazopyridine sử dụng $\text{Cu}(\text{BDC})$ và $\text{Cu}(2\text{-pymo})_2$.
  • Phản ứng ghép đôi C–C aryl hóa trực tiếp dị vòng:
    • Khởi đầu từ công trình của Ohta (dùng $\text{Pd}(\text{PPh}_3)_4$), Miura (dùng $\text{Pd}(0)/\text{Cs}_2\text{CO}_3$), Alagille (bổ sung $\text{CuBr}$ làm đồng xúc tác), F. Bellina và F. Besselièvre (khảo sát hệ $\text{Pd}(0)/\text{Cu}(\text{I})$).
    • Pivsa-Art và cộng sự, Hien-Quang Do và Olafs Daugulis (2007) phát triển quy trình aryl hóa chọn lọc vị trí C2 của oxazole sử dụng xúc tác đồng $\text{Cu}(\text{I})$ với base mạnh $\text{LiO}t\text{Bu}$.
    • Yoshizumi và Zhao mở rộng hệ xúc tác $\text{CuI}$ phối hợp cùng các ligand phosphine hoặc phenanthroline.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây về phản ứng aryl hóa dị vòng C–C hoặc ghép đôi C–N tạo ynamide và $\alpha$-amino carbonyl đều sử dụng phức kim loại đồng thể đắt tiền, xúc tác đồng thể đòi hỏi ligand độc hại hoặc các xúc tác khó thu hồi. Mặt khác, vật liệu $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ chưa từng được báo cáo về ứng dụng xúc tác; đồng thời $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ chưa được nghiên cứu trên các phản ứng ghép đôi C–C (dị vòng và aryl halide) và ghép đôi C–N ($\alpha$-amine hóa ketone) tương ứng. Luận án định vị việc lấp đầy các khoảng trống này bằng cách phát triển hệ xúc tác dị thể không cần bổ sung ligand tự do.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs): MOFs là vật liệu tinh thể xốp tạo thành từ các ion/cụm kim loại liên kết với các cầu nối hữu cơ (linkers/ligands). Cấu trúc của các Cu-MOFs trong luận án dựa trên các đơn vị cấu trúc thứ cấp (Secondary Building Units - SBUs) dạng paddle-wheel gồm dimer đồng $[\text{Cu}_2(\text{COO})_4]$. Các dimer này phối trí với 4 nhóm carboxylat tạo thành mạng lưới phẳng hai chiều $[\text{M}_2\text{L}_2]_n$, sau đó được liên kết với nhau qua các phân tử cầu nối trung hòa (như 4,4’-bipyridine) tạo thành khung không gian ba chiều có lỗ xốp đồng nhất.
  • Tính chất xúc tác của Cu-MOFs: Các nguyên tử đồng trong nút mạng paddle-wheel có vị trí phối trí trục còn trống (open metal sites) sau khi loại bỏ dung môi liên kết, hoạt động như các trung tâm acid Lewis hoặc tham gia vào các chu trình oxy hóa khử ($\text{Cu}^{\text{I}}/\text{Cu}^{\text{II}}$), giúp hoạt hóa các liên kết C–H, C–X hoặc phối trí với tác nhân ái nhân.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               ĐƠN VỊ CẤU TRÚC THỨ CẤP (SBU) DẠNG PADDLE-WHEEL Cu2(COO)4           |
|                                                                                   |
|        [Cầu nối dicarboxylic: BDC hoặc BPDC]  <--->  [Tâm kim loại Cu(II)]        |
|                                 |                                                 |
|                                 v                                                 |
|                 Mạng lưới phẳng 2 chiều [Cu2L2]n                                  |
|                                 |                                                 |
|                                 +---> Liên kết cầu nối trục: 4,4'-bipyridine (BPY)|
|                                 |                                                 |
|                                 v                                                 |
|                   Khung mạng 3D xốp với tâm Cu mở                                 |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Luận án áp dụng phương pháp thực nghiệm định lượng trong phòng thí nghiệm:

  1. Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp nhiệt dung môi (solvothermal method) trong các bình áp suất có lót Teflon ở nhiệt độ và thời gian xác định đối với từng loại vật liệu:
    • $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$: từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ và acid 1,3,5-benzenetricarboxylic.
    • $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$: từ muối đồng, acid 4,4’-biphenyldicarboxylic và 4,4’-bipyridine.
    • $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$: từ muối đồng, acid 1,4-benzenedicarboxylic và 4,4’-bipyridine.
  2. Phương pháp phân tích cấu trúc và hóa lý:
    • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) và dữ liệu nhiễu xạ đơn tinh thể (SC-XRD) để xác định độ kết tinh, thông số mạng và chiều dài liên kết.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái học bề mặt và kích thước tinh thể.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để xác định độ bền nhiệt và khoảng nhiệt độ mất dung môi/phân hủy khung.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để xác nhận các nhóm chức và liên kết phối trí carboxylat/pyridine.
    • Đo hấp phụ đẳng nhiệt nitơ (phương pháp BET) để xác định diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp.
    • Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng cao tần (ICP-OES) hoặc hấp thu nguyên tử (AAS) để xác định hàm lượng đồng.
  3. Phương pháp đánh giá phản ứng xúc tác:
    • Sắc ký khí với đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC/FID) để theo dõi tiến trình phản ứng, tính toán độ chuyển hóa và độ chọn lọc theo chất chuẩn nội.
    • Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR) để định danh cấu trúc sản phẩm.
    • Phương pháp lọc nóng (hot filtration test) để kiểm tra tính dị thể của phản ứng (xác định xem phản ứng có bị xúc tác bởi ion đồng hòa tan hay không).
    • Thử nghiệm thu hồi và tái sử dụng xúc tác qua nhiều chu kỳ phản ứng liên tiếp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về vật liệu khung cơ kim (MOFs), cấu trúc thứ cấp SBU, các phương pháp tổng hợp và phân tích hóa lý vật liệu. Chương này so sánh đặc điểm của MOFs với các vật liệu xốp truyền thống (zeolite, silica gel, alumina hoạt tính, than hoạt tính), nhấn mạnh ưu thế về diện tích bề mặt riêng và khả năng điều chỉnh kích thước mao quản. Đồng thời, chương 1 điểm luận chi tiết các nghiên cứu ứng dụng xúc tác của Cu-MOFs trong các phản ứng oxy hóa, phản ứng Friedländer, phản ứng Pechmann, phản ứng ghép đôi Ullmann, ghép đôi C–C, C–N và tổng quan cơ chế phản ứng aryl hóa trực tiếp chọn lọc C2 trên vòng dị vòng azole.

Vật liệu xốp Đặc điểm cấu trúc Kích thước lỗ xốp Diện tích bề mặt ($m^2/g$)
Silica gel Vô định hình, không đồng đều Đường kính trung bình: $20 - 30\text{ \AA}$ $< 1000$
Alumina hoạt tính Vô định hình, tính acid/base bề mặt Đường kính trung bình: $20 - 50\text{ \AA}$ $< 1000$
Zeolite Tinh thể, đồng đều Cửa sổ mở: $3 - 10\text{ \AA}$ Vài trăm đến $\sim 1000$
Than hoạt tính Vô định hình, phân cực không đều Đường kính trung bình: $3 - 100\text{ \AA}$ $500 - 1500$
MOFs Tinh thể, cấu trúc điều chỉnh linh hoạt Cửa sổ mở: $3 - 100\text{ \AA}$ (tùy cấu trúc) $> 1000$ (vài ngàn)

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, dung môi, thiết bị và quy trình tổng hợp ba loại vật liệu Cu-MOFs bằng phương pháp nhiệt dung môi. Tác giả thiết lập quy trình phản ứng và chương trình nhiệt phân tích GC/FID, GC/MS cho ba hệ phản ứng:

  1. Quy trình ghép đôi C–C trực tiếp giữa dị vòng và aryl halide sử dụng xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$.
  2. Quy trình ghép đôi C–N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch sử dụng xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$.
  3. Quy trình ghép đôi C–N giữa $\alpha$-carbonyl với amine bậc hai sử dụng xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được, chia thành hai phần chính:

1. Đặc trưng cấu trúc và tính chất hóa lý của các Cu-MOFs

  • Độ kết tinh và cấu trúc mạng: Giản đồ PXRD của cả ba vật liệu $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ tổng hợp đều khớp với dữ liệu mô phỏng từ SC-XRD và các nghiên cứu chuẩn được công bố. Dữ liệu khoảng cách liên kết Cu–Cu nằm trong khoảng $2{,}590 - 2{,}630\text{ \AA}$, liên kết $\text{Cu–OCO}$ trong khoảng $1{,}900 - 2{,}140\text{ \AA}$.
  • Hình thái và kích thước: Ảnh SEM và TEM chứng minh các tinh thể tạo thành có dạng hình học đồng đều, cấu trúc tinh thể rõ ràng.
  • Độ bền nhiệt: Phân tích TGA cho thấy cả ba vật liệu có độ bền nhiệt cao, ổn định nhiệt lên đến $300\ ^\circ\text{C}$ hoặc cao hơn trước khi khung cấu trúc bị phân hủy hoàn toàn.
  • Diện tích bề mặt và mao quản: Cả ba vật liệu đều có diện tích bề mặt riêng đạt trên $1000\text{ m}^2/\text{g}$, kích thước cửa sổ lỗ xốp lớn nằm trong khoảng $7{,}5 - 9{,}0\text{ \AA}$, tạo điều kiện cho các phân tử tác chất hữu cơ khuếch tán vào các tâm hoạt tính bên trong mao quản.

2. Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác

Phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C giữa dị vòng và aryl halide

Khảo sát phản ứng mô hình giữa iodobenzene và benzoxazole với xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$:

  • Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng: Khảo sát các dung môi (DMSO, DMF, DMA, toluene, dioxane...), các base ($\text{K}_3\text{PO}_4$, $\text{Cs}_2\text{CO}_3$, $\text{K}_2\text{CO}_3$, $\text{LiO}t\text{Bu}$...), nhiệt độ và hàm lượng xúc tác.
  • Điều kiện tối ưu: Tỉ lệ iodobenzene : benzoxazole là $1 : 2$, xúc tác $7{,}5\text{ mol}%$, base $\text{K}_3\text{PO}_4$ ($2$ đương lượng), dung môi DMSO, nhiệt độ $120\ ^\circ\text{C}$, thời gian $180$ phút. Độ chuyển hóa đạt gần $100%$.
  • Kiểm tra tính dị thể và độ bền: Thử nghiệm lọc nóng xác nhận phản ứng dừng lại sau khi lọc bỏ xúc tác rắn. Phổ PXRD và FT-IR của xúc tác sau thu hồi cho thấy cấu trúc khung được duy trì, xúc tác tái sử dụng nhiều lần không bị suy giảm hoạt tính đáng kể.
Phản ứng ghép đôi C–N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch

Khảo sát phản ứng mô hình giữa 2-oxazolidinone và phenylacetylene với xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$:

  • Ảnh hưởng của các yếu tố: Khảo sát chất oxy hóa ($\text{O}_2$, không khí, TBHP...), base ($\text{NaHCO}_3$, $\text{Et}_3\text{N}$, $\text{K}_2\text{CO}_3$...), dung môi và hàm lượng xúc tác.
  • Điều kiện tối ưu: Tỉ lệ 2-oxazolidinone : phenylacetylene là $7 : 1$, xúc tác $20\text{ mol}%$, base $\text{NaHCO}_3$ ($2$ đương lượng), chất oxy hóa $\text{O}_2$, dung môi toluene, nhiệt độ $80\ ^\circ\text{C}$, thời gian $240$ phút. Độ chuyển hóa đạt $100%$, độ chọn lọc sản phẩm ynamide đạt $95%$.
  • Độ bền xúc tác: Xúc tác thu hồi và tái sử dụng cho thấy độ chọn lọc và hiệu suất duy trì ổn định, giản đồ PXRD sau phản ứng không có biến đổi pha tinh thể.
Phản ứng ghép đôi C–N giữa $\alpha$-carbonyl với amine bậc hai

Khảo sát phản ứng mô hình giữa propiophenone và morpholine với xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$:

  • Ảnh hưởng của phụ gia và điều kiện: Luận án phát hiện vai trò của phụ gia KBr trong việc thúc đẩy phản ứng oxy hóa $\alpha$-amine hóa.
  • Điều kiện tối ưu: Tỉ lệ propiophenone : morpholine là $1 : 1{,}5$, xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ ($10\text{ mol}%$), phụ gia $\text{KBr}$ ($30\text{ mol}%$), dung môi DMF, nhiệt độ $50\ ^\circ\text{C}$, thời gian $4$ giờ ($240$ phút). Độ chuyển hóa đạt $> 99%$, độ chọn lọc đạt $> 99%$.
  • Kiểm tra tính dị thể: Phản ứng xảy ra theo cơ chế dị thể thực sự, không xảy ra hiện tượng thôi nhiễm kim loại đồng gây xúc tác đồng thể; xúc tác tái sử dụng tốt.
Phản ứng ghép đôi Xúc tác Cu-MOF Tác chất mô hình (Tỉ lệ mol) Điều kiện tối ưu Kết quả (Độ chuyển hóa / Độ chọn lọc)
Ghép đôi C–C (Aryl hóa) $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ Iodobenzene : Benzoxazole ($1 : 2$) $7{,}5\text{ mol}%$ xúc tác, $2\text{ eq }\text{K}_3\text{PO}_4$, DMSO, $120\ ^\circ\text{C}$, $180$ phút Độ chuyển hóa: $\approx 100%$
Ghép đôi C–N (Ynamide) $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ 2-Oxazolidinone : Phenylacetylene ($7 : 1$) $20\text{ mol}%$ xúc tác, $2\text{ eq }\text{NaHCO}_3$, khí $\text{O}_2$, Toluene, $80\ ^\circ\text{C}$, $240$ phút Chuyển hóa: $100%$ / Chọn lọc: $95%$
Ghép đôi C–N ($\alpha$-Amine hóa) $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ Propiophenone : Morpholine ($1 : 1{,}5$) $10\text{ mol}%$ xúc tác, $30\text{ mol}%\text{ KBr}$, DMF, $50\ ^\circ\text{C}$, $4$ giờ Chuyển hóa: $> 99%$ / Chọn lọc: $> 99%$

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết các kết quả đạt được về mặt tổng hợp vật liệu và hiệu quả xúc tác trong cả ba phản ứng nghiên cứu, đồng thời nêu các đề xuất cho việc mở rộng hướng nghiên cứu trên các cơ chất phức tạp hơn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Tổng hợp và làm sáng tỏ đặc tính xúc tác của các Cu-MOFs:
    • Đã tổng hợp thành công ba vật liệu $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ có diện tích bề mặt riêng cao ($> 1000\text{ m}^2/\text{g}$), kích thước mao quản lớn ($7{,}5 - 9{,}0\text{ \AA}$) và độ bền nhiệt từ $300\ ^\circ\text{C}$ trở lên.
  2. Tiên phong ứng dụng các hệ xúc tác mới trong tổng hợp hữu cơ:
    • Lần đầu tiên công bố việc sử dụng $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C giữa hợp chất dị vòng và aryl halide với độ chuyển hóa gần $100%$.
    • Lần đầu tiên công bố ứng dụng xúc tác của $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ trong phản ứng ghép đôi C–N trực tiếp giữa amine/amide có hydro linh động với alkyne đầu mạch tạo ynamide dưới tác nhân oxy hóa $\text{O}_2$.
    • Lần đầu tiên công bố việc sử dụng $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa ghép đôi C–N giữa hợp chất $\alpha$-carbonyl và amine bậc hai với sự hiện diện của chất xúc tiến KBr ở nhiệt độ êm dịu ($50\ ^\circ\text{C}$).
  3. Tính chất xúc tác dị thể bền vững:
    • Các xúc tác Cu-MOFs trong luận án thể hiện bản chất xúc tác dị thể thực sự (không bị chiết tách ion đồng hoạt tính vào dung dịch trong điều kiện phản ứng), có khả năng thu hồi đơn giản bằng phương pháp ly tâm/lọc và tái sử dụng nhiều lần mà không làm suy giảm đáng kể hoạt tính và độ chọn lọc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Luận án tập trung khảo sát trên các hệ dung môi hữu cơ kinh điển (DMSO, DMF, Toluene); chưa đánh giá sâu ảnh hưởng của độ ẩm môi trường cao lên độ bền khung của vật liệu theo cơ chế phân ly paddle-wheel trong quá trình bảo quản lâu dài.
  • Một số phản ứng vẫn đòi hỏi lượng xúc tác tương đối cao ($20\text{ mol}%$ trong trường hợp $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$) hoặc nhiệt độ phản ứng trên $100\ ^\circ\text{C}$ ($120\ ^\circ\text{C}$ đối với phản ứng aryl hóa).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng phạm vi cơ chất sang các dẫn xuất dị vòng phức tạp hơn, các hợp chất thiên nhiên hoặc các tiền chất dược phẩm có cấu trúc cồng kềnh.
  • Nghiên cứu biến tính bề mặt hoặc đưa thêm các nhóm chức phụ trợ vào khung hữu cơ nhằm giảm lượng xúc tác cần dùng và hạ thấp nhiệt độ phản ứng.
  • Khảo sát độ bền cơ học và hóa học của vật liệu khi vận hành trong hệ phản ứng dòng liên tục (continuous flow).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa vật liệu: Cung cấp chi tiết các quy trình tổng hợp nhiệt dung môi Cu-MOFs, kỹ thuật phân tích đặc trưng vật liệu xốp (PXRD, SEM, TEM, BET, TGA, FT-IR) và phương pháp đánh giá phản ứng hữu cơ bằng GC/FID, GC/MS.
  • Các nhóm nghiên cứu về xúc tác dị thể và Hóa học xanh: Cung cấp thông số thực nghiệm đối sánh về các phản ứng tạo liên kết C–C, C–N không sử dụng ligand phosphine độc hại, quy trình kiểm tra tính dị thể qua phương pháp lọc nóng và phương pháp khảo sát tái sử dụng xúc tác.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án khảo sát những vật liệu Cu-MOFs nào và các vật liệu này có đặc điểm cấu trúc gì nổi bật?

Luận án khảo sát ba vật liệu Cu-MOFs gồm $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$. Cả ba vật liệu đều có đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) dạng paddle-wheel dimer đồng liên kết với các cầu nối hữu cơ carboxylat và bipyridine, có diện tích bề mặt riêng lớn trên $1000\text{ m}^2/\text{g}$, độ bền nhiệt từ $300\ ^\circ\text{C}$ trở lên và kích thước cửa sổ lỗ xốp trong khoảng $7{,}5 - 9{,}0\text{ \AA}$.

2. Điều kiện tối ưu cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C giữa benzoxazole và iodobenzene là gì?

Phản ứng đạt độ chuyển hóa gần $100%$ sau $180$ phút ở nhiệt độ $120\ ^\circ\text{C}$ khi sử dụng xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ ($7{,}5\text{ mol}%$) trong dung môi DMSO, với base $\text{K}_3\text{PO}_4$ ($2$ đương lượng) và tỉ lệ mol iodobenzene : benzoxazole là $1 : 2$.

3. Phản ứng ghép đôi C–N tạo ynamide xúc tác bởi $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ sử dụng chất oxy hóa và base nào?

Phản ứng ghép đôi giữa 2-oxazolidinone và phenylacetylene (tỉ lệ $7 : 1$) sử dụng khí oxy ($\text{O}_2$) làm chất oxy hóa, $2$ đương lượng base $\text{NaHCO}_3$, dung môi toluene ở nhiệt độ $80\ ^\circ\text{C}$, xúc tác $20\text{ mol}%\ \text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ trong thời gian $240$ phút, cho độ chuyển hóa $100%$ và độ chọn lọc sản phẩm đạt $95%$.

4. Vai trò của phụ gia KBr trong phản ứng $\alpha$-amine hóa xúc tác bởi $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ là gì?

Trong phản ứng giữa propiophenone và morpholine (tỉ lệ $1 : 1{,}5$), phụ gia $\text{KBr}$ ($30\text{ mol}%$) đóng vai trò là chất xúc tiến hỗ trợ quá trình hoạt hóa và chuyển hóa nhóm $\alpha$-carbonyl, giúp phản ứng đạt độ chuyển hóa $> 99%$ và độ chọn lọc $> 99%$ sau $4$ giờ ở nhiệt độ $50\ ^\circ\text{C}$ trong dung môi DMF với $10\text{ mol}%\ \text{Cu}_3(\text{BTC})_2$.

5. Tính dị thể và khả năng tái sử dụng của các xúc tác Cu-MOFs được chứng minh như thế nào?

Tính dị thể được chứng minh thông qua thử nghiệm lọc nóng (hot filtration test), trong đó việc tách bỏ pha rắn Cu-MOFs làm ngừng tiến trình phản ứng, khẳng định không có sự xúc tác đồng thể từ các ion kim loại bị thôi nhiễm. Độ bền và khả năng tái sử dụng được chứng minh qua nhiều chu kỳ phản ứng liên tiếp mà hiệu suất không giảm đáng kể, đồng thời cấu trúc tinh thể của xúc tác sau phản ứng được kiểm chứng là không thay đổi qua phân tích PXRD và phổ FT-IR.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Thị Ngọc Hạnh đã tổng hợp thành công và xác định đầy đủ các đặc trưng cấu trúc, tính chất hóa lý của ba vật liệu khung hữu cơ tâm đồng $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$. Công trình đã chứng minh hiệu quả của các Cu-MOFs này trong vai trò xúc tác dị thể cho ba phản ứng ghép đôi chọn lọc gồm: phản ứng ghép C–C giữa dị vòng và aryl halide, phản ứng ghép C–N tạo ynamide và phản ứng $\alpha$-amine hóa ketone. Các hệ xúc tác này đạt độ chuyển hóa và độ chọn lọc cao, vận hành không cần ligand phosphine tự do, đồng thời có thể thu hồi và tái sử dụng ổn định, đóng góp các dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho lĩnh vực kỹ thuật hóa học và công nghệ xúc tác dị thể.