Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các phản ứng ghép đôi carbon-carbon (cross-coupling reactions) như Heck, Suzuki và Sonogashira đóng vai trò trung tâm trong tổng hợp hữu cơ hiện đại nhằm tạo khung phân tử cho dược phẩm, vật liệu kỹ thuật và hóa chất tinh khiết. Xúc tác truyền thống sử dụng cho các phản ứng này là các phức chất đồng thể của palladium kết hợp với phối tử phosphine. Mặc dù có hoạt tính và độ chọn lọc cao, xúc tác đồng thể gặp phải nhược điểm lớn là khó tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng, không thể thu hồi để tái sử dụng, dẫn đến nguy cơ sản phẩm bị nhiễm vết kim loại nặng và phối tử phosphine có độc tính cùng giá thành cao.

Để đáp ứng các tiêu chuẩn của hóa học xanh và phát triển bền vững, các hệ xúc tác dị thể trên chất mang rắn (như polymer, silica) đã được phát triển. Tuy nhiên, xúc tác dị thể dạng hạt thông thường có diện tích bề mặt tiếp xúc hạn chế, tốc độ khuếch tán tác chất chậm, đòi hỏi điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Việc thu nhỏ kích thước xúc tác về thang nanomet giúp tăng diện tích bề mặt riêng nhưng lại làm nảy sinh khó khăn trong quá trình phân tách: các hạt nano có đường kính dưới 100 nm tạo hệ huyền phù bền vững, rất khó thu hồi bằng phương pháp lọc hoặc ly tâm thông thường mà phải dùng siêu ly tâm tốn kém. Việc sử dụng vật liệu nano từ tính có cấu trúc spinel ferrite $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ làm chất mang cho phép kết hợp ưu thế diện tích tiếp xúc lớn của vật liệu nano và khả năng thu hồi nhanh chóng, triệt để bằng từ trường ngoài từ nam châm.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là chế tạo hệ xúc tác dị thể trên cơ sở hạt nano từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$, khảo sát hoạt tính xúc tác, độ chọn lọc và khả năng thu hồi, tái sử dụng trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ nhằm nâng cao giá trị sản phẩm, hạn chế sản phẩm phụ và giảm chi phí kinh tế. Theo văn bản luận án, các nội dung nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Tổng hợp xúc tác cố định trên vật liệu nano từ tính.
  2. Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng Knoevenagel.
  3. Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng Sonogashira.
  4. Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng Suzuki.
  5. Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng Heck.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ siêu thuận từ; hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ được chức hóa bề mặt bằng nhóm amine ($\text{1N-MNPs}$, $\text{2N-MNPs}$, $\text{3N-MNPs}$); hệ xúc tác phức palladium cố định qua phối tử base Schiff ($\text{Pd-1N-MNPs}$, $\text{Pd-2N-MNPs}$, $\text{Pd-3N-MNPs}$); các phản ứng hữu cơ bao gồm phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde và malononitrile, phản ứng Sonogashira giữa các dẫn xuất aryl halide với phenylacetylene, phản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất aryl halide với phenylboronic acid, và phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide với styrene.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi điều kiện phản ứng: Khảo sát trong hai hệ thống truyền nhiệt: điều kiện gia nhiệt đối lưu thông thường và điều kiện có sự hỗ trợ của vi sóng (microwave irradiation).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu tiền đề

Luận án đã hệ thống hóa lịch sử phát triển của các phản ứng ghép đôi carbon-carbon điển hình qua các mốc thời gian:

Phản ứng Năm Tác chất A Tác chất B Loại ghép đôi Xúc tác Điều kiện bổ sung
Wurtz 1855 $\text{R-X } (sp^3)$ $\text{R-X } (sp^3)$ Homo $\text{Na}$
Glaser 1869 $\text{RC}\equiv\text{CH } (sp)$ $\text{RC}\equiv\text{CH } (sp)$ Homo $\text{Cu}$
Ullmann 1901 $\text{Ar-X } (sp^2)$ $\text{Ar-X } (sp^2)$ Homo $\text{Cu}$
Gomberg-Bachmann 1924 $\text{Ar-H } (sp^2)$ $\text{Ar-N}_2\text{X } (sp^2)$ Cross Không Có base
Cadiot-Chodkiewicz 1957 $\text{RC}\equiv\text{CH } (sp)$ $\text{RC}\equiv\text{CX } (sp)$ Cross $\text{Cu}$ Có base
Castro-Stephens 1963 $\text{RC}\equiv\text{CH } (sp)$ $\text{Ar-X } (sp^2)$ Cross $\text{Cu}$
Gilman 1967 $\text{R}_2\text{CuLi}$ $\text{R-X}$ Cross $\text{Cu}$
Cassar 1970 $\text{Alkene } (sp^2)$ $\text{R-X } (sp^2)$ Cross $\text{Pd}$ Có base
Kumada 1972 $\text{Ar-MgX } (sp^2)$ $\text{Ar-X } (sp^2)$ Cross $\text{Pd}$ hoặc $\text{Ni}$
Heck 1972 $\text{Alkene } (sp^2)$ $\text{R-X } (sp^2)$ Cross $\text{Pd}$ Có base
Sonogashira 1975 $\text{RC}\equiv\text{CH } (sp)$ $\text{R-X } (sp^2)$ Cross $\text{Pd}$ và $\text{Cu}$ Có base
Negishi 1977 $\text{R-Zn-X } (sp^3, sp^2, sp)$ $\text{R-X } (sp^2)$ Cross $\text{Pd}$ hoặc $\text{Ni}$
Stille 1978 $\text{R-SnR}_3\text{ } (sp^3, sp^2, sp)$ $\text{R-X } (sp^2)$ Cross $\text{Pd}$
Suzuki 1979 $\text{R-B(OR)}_2\text{ } (sp^2)$ $\text{R-X } (sp^2, sp)$ Cross $\text{Pd}$ Có base
Hiyama 1988 $\text{R-SiR}_3\text{ } (sp^2)$ $\text{R-X } (sp^2, sp)$ Cross $\text{Pd}$ Có base
Buchwald-Hartwig 1994 $\text{R}_2\text{N-R/SnR}_3\text{ } (sp^3)$ $\text{R-X } (sp^2)$ Cross $\text{Pd}$ Có base
Fukuyama 1998 $\text{RCO(SEt) } (sp^2)$ $\text{R-Zn-I } (sp^3)$ Cross $\text{Pd}$

Luận án phân tích chi tiết bốn nhóm chất mang xúc tác palladium được công bố trong các tài liệu chuyên ngành:

  • Xúc tác palladium trên chất mang polymer: Minfeng Zeng và cộng sự [36] sử dụng vi cầu chitosan xử lý bằng polyethylene glycol (PEG) cho phản ứng Heck; Marek Cypryk và cộng sự [37] dùng polysiloxane gắn nhóm chức phối trí với $\text{PdCl}_2(\text{PhCN})_2$; Linjun Shao và cộng sự [38] dùng lưới sợi nano poly(vinyl alcohol) (PVA); Bahman Tamami và cộng sự [39] dùng poly(N-vinylpyrrolidone) (PVP) liên kết silica; Peipei Zhou và cộng sự [40] dùng sợi nano cellulose vi khuẩn; Roozbeh Javad Kalbasi và cộng sự [41, 44, 45] chế tạo các hệ xúc tác $\text{Pd-PHEMA/CMK-1}$, $\text{Pd-PVP/KIT-5}$ và $\text{Pd-PVP/CKT-3}$; Yaying Zhang và cộng sự [42] dùng hydrogel từ N-isopropylacrylamide; Mélanie Chtchigrovsky và cộng sự [43] dùng aerogel alginate lưỡng kim; Dong Zhang và cộng sự [46] dùng Click ionic copolymer; Ehsan Ullah và cộng sự [47] dùng polystyrene gắn trialkylphosphine; Tatiana V. Magdesieva và cộng sự [48, 50] gắn phức $\text{Pd/PPy}$ hoặc $[\text{Cu}^\text{I}\text{Pd}^\text{II}\text{PA}][\text{BF}_4]_2$ lên graphite; Hariprasad [49] ủ màng PVA nanocomposite; Habib Firouzabadi và cộng sự [51] dùng agarose; Chunmei Kang và cộng sự [52] điều chế phức $[\text{Pd(II)-PPh}_2\text{-PMO(Et)}]$.
  • Xúc tác palladium trên chất mang silica: Elizabeth Tyrrell và cộng sự [53] và Vivek Polshettiwar và cộng sự [54] tổng hợp phức $\text{Pd-NHC}$ trên silica và silica hữu cơ sol-gel; Wei Chen và cộng sự [55] cố định phức palladium-phosphine; Gruber-Woelfler và cộng sự [56] gắn phức bis(oxazoline) palladium lên 3-mercaptopropyl silica; Sharma và cộng sự [57] dùng diphenyldiketone-monothiosemicarbazone silica; Nasser Iranpoor và cộng sự [58] dùng hạt nano $\text{Pd(0)}$ trên silica diphenylphosphinite (SDPP); Mehran Ghiaci và cộng sự [59] cố định palladium qua phối tử amine-thiol; các nhóm nghiên cứu Susmita Bhunia [60], Bo-Nan Lin [61], Hong Zhao [62], Subhash Banerjee [63], Hongling Li [64], Xiu Juan [65], Peiyu Wang [66], Wonghil Chang [67] đã phát triển các hệ xúc tác trên vật liệu silica xốp trung bình như MCM-41, MCM-48 và SBA-15.
  • Xúc tác nano palladium không chất mang hoặc dị thể kim loại: Moisés Pérez-Lorenzo [74], Thomas S. Heugebaert [75] (tổng hợp nano Pd và Pd/Au từ vi khuẩn Shewanella oneidensis); Gizelda O. Estrada [76] ($\text{Pd/Nb}2\text{O}5$); Sanjaykumar [77] ($\text{Ce}{0,98}\text{Pd}{0,02}\text{O}_{2-\delta}$ bằng phương pháp đốt dung dịch); Felora Heshmatpour [78] (hạt nano hợp kim $\text{Pd/Cu}$, $\text{Pd/Ag}$, $\text{Pd/Ni}$ bằng vi nhũ ngược AOT); Wei Wang [79] (chế tạo từ allyl palladium); Dingzhong Yuan và Bin Huang [80] (dùng vi cầu $\text{P(GMA-DVB-TRIM)}$).
  • Xúc tác trên chất mang nano từ tính: Các nghiên cứu biến tính bề mặt hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ hoặc ferrite bằng dopamine [92-95], silane hóa [91], bọc polymer hoặc silica bằng phương pháp Stöber và vi nhũ [91].

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các hệ xúc tác hạt nano mang lại diện tích bề mặt lớn, chúng vẫn gặp trở ngại trong việc thu hồi tách pha. Mặt khác, các hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4$ dễ bị oxy hóa trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Luận án lựa chọn giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng hạt nano từ tính spinel ferrite $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ có độ bền hóa học cao, biến tính bề mặt bằng các silane chứa amine khác nhau, liên kết với phối tử base Schiff để tạo phức bền với palladium acetate, tạo ra hệ xúc tác dị thể $\text{Pd(II)-CoFe}_2\text{O}_4$ vừa duy trì hoạt tính cao, vừa dễ dàng phân tách bằng nam châm ngoài và tái sử dụng nhiều lần mà không bị rửa trôi kim loại đáng kể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm cốt lõi

  1. Cấu trúc Spinel Ferrite và hiện tượng Siêu thuận từ (Superparamagnetism): Vật liệu ferrite có công thức tổng quát $\text{MFe}_2\text{O}_4$ ($\text{M} = \text{Co, Fe, Ni, Zn...}$). Khi kích thước hạt giảm xuống dưới kích thước tới hạn của đơn domain từ, năng lượng nhiệt $k_B T$ thắng thế năng lượng dị hướng từ $KV$. Vận tốc dao động của moment từ hạt đơn domain tuân theo phương trình Néel: $$\nu = \nu_0 \exp\left(-\frac{KV}{k_B T}\right)$$ Khi $KV \le k_B T$, vật liệu chuyển sang trạng thái siêu thuận từ: có từ độ bão hòa ($M_s$) lớn khi đặt trong từ trường ngoài nhưng lực kháng từ ($H_c$) và từ dư ($M_r$) bằng không khi ngắt từ trường, giúp hạt không bị vón cục tự phát trong dung dịch.
  2. Cơ chế các phản ứng xúc tác:
    • Phản ứng Knoevenagel: Xúc tác base rắn (nhóm amine trên bề mặt hạt $\text{CoFe}_2\text{O}_4$) nhận proton từ hợp chất chứa methylene hoạt động (malononitrile), tạo carbanion tấn công vào nhóm carbonyl của benzaldehyde, tiếp theo là giai đoạn tách nước tạo dẫn xuất alkene.
    • Phản ứng Heck, Suzuki, Sonogashira: Chu trình xúc tác palladium trải qua 3 giai đoạn cơ bản: (i) Cộng hợp oxy hóa (Oxidative Addition) của aryl halide vào trung tâm $\text{Pd(0)}$; (ii) Chuyển vị kim loại (Transmetalation đối với phản ứng Suzuki/Sonogashira) hoặc phối trí - chèn phân tử olefin (Migratory Insertion đối với phản ứng Heck); (iii) Khử loại (Reductive Elimination) giải phóng sản phẩm ghép đôi và tái sinh trung tâm hoạt động $\text{Pd(0)}$.

Quy trình tổng hợp thực nghiệm

  • Tổng hợp hạt nano từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$: Điều chế bằng phương pháp vi nhũ trong dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate (SDS) và methylamine.
  • Làm giàu nhóm $-\text{OH}$ bề mặt: Hạt $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ thô được xử lý hóa học để gia tăng mật độ nhóm hydroxyl bề mặt.
  • Amine hóa hạt nano từ tính: Sử dụng ba loại amino silane khác nhau để tạo các chất mang:
    • $\text{1N-MNPs}$: Sử dụng (3-aminopropyl)triethoxysilane.
    • $\text{2N-MNPs}$: Sử dụng [3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane.
    • $\text{3N-MNPs}$: Sử dụng (3-trimethoxysilylpropyl)diethylenetriamine.
  • Tạo phối tử Base Schiff và cố định Palladium: Cho các hạt nano amine hóa phản ứng với pyridine-2-carboxaldehyde để tạo phối tử base Schiff trên bề mặt, sau đó tạo phức với palladium acetate $\text{Pd(OAc)}_2$ trong dung môi hữu cơ, thu được các hệ xúc tác $\text{Pd-1N-MNPs}$, $\text{Pd-2N-MNPs}$ và $\text{Pd-3N-MNPs}$ với hàm lượng palladium đạt $0,30\text{ mmol/g}$.

Phương pháp phân tích và thiết bị đặc trưng

  • XRD (X-ray Diffraction): Nhiễu xạ tia X (bức xạ $\text{Cu-K}_\alpha$) xác định cấu trúc pha tinh thể spinel của $\text{CoFe}_2\text{O}_4$.
  • SEM và TEM: Kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi điện tử truyền qua quan sát hình thái học, kích thước và độ đồng đều của hạt nano.
  • VSM (Vibrating Sample Magnetometer): Từ kế mẫu rung đo đường cong từ trễ $M(H)$, xác định từ độ bão hòa, từ dư và lực kháng từ.
  • FT-IR: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức hydroxyl, liên kết $\text{Si-O-Si}$, liên kết amine, liên kết imine ($\text{C=N}$) của base Schiff và sự tạo phức với $\text{Pd}$.
  • TGA / DTA: Phân tích nhiệt trọng lượng và nhiệt vi sai xác định độ bền nhiệt và hàm lượng chất hữu cơ biến tính trên bề mặt chất mang.
  • AAS: Quang phổ hấp thụ nguyên tử định lượng nồng độ palladium cố định trên hạt nano và kiểm tra lượng kim loại rửa trôi.
  • Nitrogen Physisorption: Đo diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp; phân tích nguyên tố định lượng hàm lượng nitơ.
  • GC và GC-MS: Sắc ký khí và sắc ký khí ghép khối phổ xác định độ chuyển hóa của tác chất và độ chọn lọc của sản phẩm phản ứng.

Nội dung chính theo từng chương

Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày bối cảnh nghiên cứu, tính cấp thiết của việc phát triển xúc tác dị thể nano có khả năng thu hồi từ tính trong xu hướng hóa học xanh. Đặt ra 5 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm từ khâu tổng hợp vật liệu mang $\text{CoFe}_2\text{O}_4$, chức hóa bề mặt, cố định palladium đến việc đánh giá hoạt tính trên phản ứng Knoevenagel và 3 phản ứng ghép đôi carbon-carbon (Heck, Suzuki, Sonogashira).

Chương 1: Tổng quan

Chương này tổng quan toàn diện các tài liệu khoa học liên quan đến 4 chủ đề chính:

  1. Tổng quan cơ chế và phạm vi ứng dụng của các phản ứng ghép đôi carbon-carbon Heck, Suzuki, Sonogashira trong tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học, dược phẩm chống ung thư (như TMC-95A, epothilone, dynemicin A), thuốc chống đột quỵ (BMS-204352), thuốc hạ huyết áp (valsartan).
  2. Tình hình nghiên cứu xúc tác phức palladium cố định trên các chất mang polymer mach thẳng, hydrogel, aerogel, màng nanocomposite và các chất mang silica xốp trung bình (MCM-41, SBA-15).
  3. Lý thuyết vật lý từ học: cấu trúc domain từ, hiện tượng từ trễ, độ từ thẩm, từ độ bão hòa, lực kháng từ, nhiệt độ Curie, nhiệt độ Néel; bản chất hiện tượng siêu thuận từ của hạt nano ferrite khi kích thước nhỏ hơn giới hạn đơn domain.
  4. Các phương pháp biến tính bề mặt chất mang nano từ tính: phương pháp trao đổi/gắn phối tử (dopamine, silane) và phương pháp bọc phủ (polymer hóa bề mặt, phủ silica qua phương pháp Stöber hoặc vi nhũ).

Chương 2: Thực nghiệm

Trình bày chi tiết danh mục hóa chất, dung môi, thiết bị phân tích và quy trình thực nghiệm:

  • Quy trình tổng hợp hạt nano từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ qua hệ vi nhũ SDS/methylamine.
  • Quy trình kích hoạt làm giàu nhóm $-\text{OH}$ bề mặt hạt nano bằng dung dịch kiềm/axit thích hợp.
  • Quy trình ghép nối 3 dẫn xuất silane amine hóa ($\text{1N}$, $\text{2N}$, $\text{3N}$) trong dung môi toluene hồi lưu.
  • Quy trình ngưng tụ tạo phối tử base Schiff với pyridine-2-carboxaldehyde và phản ứng phức hóa với $\text{Pd(OAc)}_2$ trong acetone/DMF.
  • Quy trình tiến hành các phản ứng xúc tác:
    • Phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde và malononitrile trên xúc tác $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ amine hóa.
    • Phản ứng Sonogashira giữa 4'-bromoacetophenone và phenylacetylene có mặt đồng xúc tác $\text{CuI}$, base và xúc tác $\text{Pd-MNPs}$.
    • Phản ứng Suzuki giữa 4'-bromoacetophenone và phenylboronic acid có mặt base và xúc tác $\text{Pd-MNPs}$.
    • Phản ứng Heck giữa 4'-bromoacetophenone và styrene có mặt base và xúc tác $\text{Pd-MNPs}$.
  • Phương pháp lấy mẫu, làm lạnh, tách xúc tác bằng nam châm và phân tích định lượng bằng sắc ký khí GC sử dụng chất chuẩn nội.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương kết quả và bàn luận trình bày toàn bộ số liệu đo đạc đặc trưng vật liệu và khảo sát hoạt tính xúc tác:

1. Đặc trưng vật liệu xúc tác

  • XRD: Giản đồ XRD của hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ xuất hiện đầy đủ các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho pha tinh thể spinel ferrite mà không có pha tạp.
  • SEM và TEM: Ảnh hiển vi điện tử cho thấy các hạt nano có dạng hình cầu tương đối đồng đều với đường kính trung bình nằm trong khoảng nanomet.
  • VSM: Đường cong từ trễ $M(H)$ của $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ trước và sau amine hóa đều đi qua gốc tọa độ, lực kháng từ $H_c \approx 0$ và từ dư $M_r \approx 0$ ở nhiệt độ phòng, chứng minh vật liệu có đặc tính siêu thuận từ. Sau khi gắn phối tử hữu cơ, từ độ bão hòa $M_s$ có giảm nhẹ do sự hiện diện của lớp vỏ vô cơ/hữu cơ không từ tính nhưng vẫn phân tách nhanh chóng khi áp đặt nam châm bên ngoài bình phản ứng.
  • FT-IR: Xuất hiện các vân hấp thụ đặc trưng của liên kết $\text{Fe-O}$/$\text{Co-O}$ ở vùng sóng thấp ($580-600\text{ cm}^{-1}$), vân dao động $\text{Si-O-Si}$ quanh $1050\text{ cm}^{-1}$, các dao động uốn và kéo của nhóm $-\text{NH}_2$, $-\text{NH}-$, và vân kéo của liên kết imine $\text{C=N}$ ($1630-1650\text{ cm}^{-1}$) xác nhận phối tử base Schiff và phức palladium đã gắn kết thành công.
  • TGA-DTA: Đường cong phân tích nhiệt ghi nhận các giai đoạn mất khối lượng do bay hơi ẩm/dung môi hấp phụ vật lý (dưới $150^\circ\text{C}$) và sự phân hủy nhiệt oxy hóa của các phối tử hữu cơ silane/base Schiff ở dải nhiệt độ $250-550^\circ\text{C}$, khẳng định độ bền nhiệt của hệ xúc tác trong điều kiện phản ứng khảo sát.

2. Kết quả phản ứng Knoevenagel

  • Khảo sát ảnh hưởng của dung môi, hàm lượng xúc tác base rắn $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ amine hóa và các nhóm thế trên vòng benzene của benzaldehyde.
  • Xúc tác dị thể thể hiện hoạt tính cao, kiểm tra tính dị thể khẳng định phản ứng dừng lại sau khi tách xúc tác; xúc tác được thu hồi bằng từ trường và tái sử dụng 5 lần mà giản đồ XRD, ảnh SEM/TEM và đường cong VSM không có sự biến đổi cấu trúc pha đáng kể.

3. Kết quả phản ứng Sonogashira

  • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng: loại base (như $\text{K}_3\text{PO}_4$, $\text{Et}_3\text{N}$, $\text{K}_2\text{CO}_3...$), nhiệt độ gia nhiệt thông thường và cường độ chiếu xạ vi sóng, hàm lượng xúc tác $\text{Pd-2N-MNPs}$, hàm lượng đồng xúc tác $\text{CuI}$, tỷ lệ mol phenylacetylene : 4'-bromoacetophenone, tỷ lệ mol $\text{K}_3\text{PO}_4$ : 4'-bromoacetophenone.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các nhóm thế (đẩy/hút điện tử), bản chất halogen ($\text{Cl, Br, I}$) và vị trí thế (ortho, meta, para) trên vòng benzene của dẫn xuất aryl halide.
  • So sánh hoạt tính giữa ba hệ xúc tác: $\text{Pd-1N-MNPs}$, $\text{Pd-2N-MNPs}$ và $\text{Pd-3N-MNPs}$; kết quả cho thấy hệ $\text{Pd-2N-MNPs}$ và $\text{Pd-3N-MNPs}$ thể hiện độ chuyển hóa vượt trội nhờ độ bền phối trí của phối tử đa càng.
  • Thử nghiệm lọc nóng/tách xúc tác trong khi phản ứng đang diễn ra chứng minh phản ứng không tiếp tục tăng độ chuyển hóa, khẳng định tính dị thể thực sự; xúc tác được tái sử dụng thành công trong cả hai điều kiện gia nhiệt thông thường và vi sóng.

4. Kết quả phản ứng Suzuki

  • Tối ưu hóa điều kiện phản ứng: loại base, nhiệt độ, hàm lượng xúc tác, tỷ lệ mol phenylboronic acid : 4'-bromoacetophenone dưới gia nhiệt thường và vi sóng.
  • Khảo sát mở rộng cơ chất với các dẫn xuất aryl halide chứa nhóm thế đẩy/hút điện tử và dẫn xuất phenylboronic acid mang các nhóm chức khác nhau.
  • So sánh hoạt tính của xúc tác 1, 2 và 3; kiểm tra tính dị thể của xúc tác 2 và 3; đánh giá độ suy giảm hoạt tính qua các chu kỳ tái sử dụng dưới gia nhiệt thường và vi sóng.

5. Kết quả phản ứng Heck

  • Đánh giá đồng thời hai chỉ tiêu: độ chuyển hóa (conversion) và độ chọn lọc (selectivity) đối với đồng phân trans-stilbene dẫn xuất.
  • Khảo sát toàn diện ảnh hưởng của loại base, hàm lượng xúc tác, nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ mol tác chất styrene : 4'-bromoacetophenone, tỷ lệ mol base, bản chất nhóm thế halogen và vị trí thế trên vòng benzene dưới điều kiện thường và vi sóng.
  • So sánh hoạt tính và độ chọn lọc giữa các hệ xúc tác $\text{Pd-1N-MNPs}$, $\text{Pd-2N-MNPs}$, $\text{Pd-3N-MNPs}$; kiểm tra tính dị thể và khả năng thu hồi, tái sử dụng của xúc tác qua nhiều chu trình phản ứng.

Kết luận và kiến nghị

Tóm tắt các kết quả đạt được về quy trình tổng hợp chất mang nano từ tính, cố định phức palladium và hiệu quả xúc tác trong 4 phản ứng hữu cơ; đề xuất các định hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Đã thiết lập quy trình tổng hợp hạt nano spinel ferrite $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ siêu thuận từ bằng phương pháp vi nhũ, kiểm soát được kích thước hạt ở thang nano đồng đều và giữ nguyên tính siêu thuận từ sau quá trình biến tính hóa học bề mặt.
  2. Xây dựng thành công phương pháp biến tính bề mặt hạt nano $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ qua các dẫn xuất amino silane ($\text{1N}$, $\text{2N}$, $\text{3N}$) kết hợp tạo phối tử base Schiff với pyridine-2-carboxaldehyde, tạo môi trường phối trí đa càng cố định bền vững phức palladium acetate với tải lượng $0,30\text{ mmol/g}$.
  3. Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm về động học và hiệu ứng nhóm thế, vị trí nhóm thế (ortho, meta, para), loại halogen ($\text{Cl, Br, I}$) đối với độ chuyển hóa và độ chọn lọc trong các phản ứng Knoevenagel, Sonogashira, Suzuki, Heck trên hệ xúc tác dị thể nano từ tính.
  4. Chứng minh vai trò của vi sóng trong việc rút ngắn thời gian phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác nano từ tính so với phương pháp gia nhiệt đối lưu truyền thống.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Chế tạo thành công hệ xúc tác dị thể base rắn và xúc tác phức palladium có hoạt tính cao, hoạt động ổn định trong các phản ứng ghép đôi tạo liên kết $\text{C-C}$.
  2. Giải quyết triệt để bài toán phân tách xúc tác nano ra khỏi hỗn hợp phản ứng: chỉ cần áp đặt từ trường ngoài từ nam châm vĩnh cửu là có thể thu hồi hoàn toàn xúc tác rắn trong vài giây mà không cần màng lọc hay máy ly tâm đắt tiền.
  3. Hệ xúc tác có khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không suy giảm hoạt tính đáng kể, giúp giảm thiểu tiêu hao kim loại quý palladium và hạn chế sự nhiễm bẩn vết kim loại nặng vào sản phẩm tổng hợp.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và tối ưu hóa hệ xúc tác để nâng cao hơn nữa hoạt tính đối với các dẫn xuất aryl chloride vốn có độ hoạt động hóa học thấp do liên kết $\text{C-Cl}$ bền vững.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng hệ xúc tác nano từ tính $\text{Pd(II)-CoFe}_2\text{O}_4$ vào quy mô tổng hợp lớn hơn nhằm hướng tới triển khai sản xuất thực tế các hợp chất hóa dược và hóa chất tinh khiết tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được xác định từ phạm vi nghiên cứu

  • Hoạt tính xúc tác đối với các tác chất aryl chloride trơ vẫn còn hạn chế so với các dẫn xuất aryl bromide và aryl iodide, đòi hỏi thời gian phản ứng dài hơn hoặc nhiệt độ cao hơn.
  • Mặc dù xúc tác có thể tái sử dụng qua nhiều chu kỳ, hoạt tính vẫn có xu hướng giảm nhẹ sau số lần tái dùng nhất định do hiện tượng rửa trôi vết palladium hoặc sự bám dính của các hợp chất hữu cơ trên bề mặt hoạt động.
  • Các khảo sát mới được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm trên các hệ phản ứng gián đoạn (batch mode).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục nghiên cứu biến tính bề mặt với các phối tử có khả năng cho điện tử mạnh hơn nhằm hoạt hóa hiệu quả liên kết $\text{C-Cl}$ của các hợp chất aryl chloride giá thành thấp.
  • Khảo sát độ bền dài hạn của vật liệu từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ trong các môi trường phản ứng có tính axit hoặc chất oxy hóa mạnh.
  • Phát triển quy trình ứng dụng hệ xúc tác nano từ tính trong các hệ thống phản ứng dòng chảy liên tục (continuous-flow reactors) có bẫy từ trường để phục vụ sản xuất công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dầu, Công nghệ Hóa học và Khoa học Vật liệu nano.
  • Kỹ sư và cán bộ nghiên cứu: Tại các viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm phát triển sản phẩm (R&D) thuộc ngành công nghiệp tổng hợp hóa dược phẩm, hóa chất tinh khiết và vật liệu tiên tiến.

Các phần có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Quy trình tổng hợp và biến tính hạt nano từ tính (Chương 2): Cung cấp các bước thực nghiệm chi tiết từ tạo hạt vi nhũ $\text{CoFe}_2\text{O}_4$, kích hoạt nhóm $-\text{OH}$, silane hóa đến tạo phức Schiff base với palladium.
  • Dữ liệu phân tích đặc trưng đa phương pháp (Chương 3): Là tài liệu tham khảo mẫu mực về việc kết hợp đồng bộ các kỹ thuật XRD, SEM, TEM, VSM, FT-IR, TGA-DTA, AAS trong xác định cấu trúc và đặc tính từ học của vật liệu lai vô cơ - hữu cơ.
  • Bộ thông số khảo sát phản ứng ghép đôi và kỹ thuật hỗ trợ vi sóng (Chương 3): Cung cấp hệ thống điều kiện tối ưu (dung môi, base, tỷ lệ mol, nhiệt độ, thời gian) cho các phản ứng Knoevenagel, Sonogashira, Suzuki, Heck.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ trong luận án được tổng hợp bằng phương pháp nào và có đặc tính từ học gì nổi bật?

Hạt nano từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ được tổng hợp bằng phương pháp vi nhũ sử dụng hệ chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate (SDS) và methylamine. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM) xác nhận hạt nano có đặc tính siêu thuận từ (superparamagnetic) ở nhiệt độ phòng, với lực kháng từ ($H_c$) và từ dư ($M_r$) xấp xỉ bằng không, giúp vật liệu không bị tự vón cục khi không có từ trường và dễ dàng thu hồi bằng nam châm ngoài khi cần tách pha.

2. Hàm lượng palladium được cố định trên chất mang nano từ tính là bao nhiêu và được xác định bằng phương pháp nào?

Hàm lượng palladium được cố định trên chất mang nano từ tính $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ thông qua phối tử base Schiff đạt giá trị $0,30\text{ mmol/g}$. Hàm lượng này được định lượng chính xác bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS).

3. Những phản ứng hóa học nào đã được sử dụng để đánh giá hoạt tính của hệ xúc tác trong luận án?

Luận án đã tiến hành đánh giá hoạt tính xúc tác trên 4 loại phản ứng hữu cơ:

  1. Phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde và malononitrile (sử dụng xúc tác base rắn $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ amine hóa).
  2. Phản ứng ghép đôi Sonogashira giữa 4'-bromoacetophenone và phenylacetylene.
  3. Phản ứng ghép đôi Suzuki giữa 4'-bromoacetophenone và phenylboronic acid.
  4. Phản ứng ghép đôi Heck giữa 4'-bromoacetophenone và styrene.

4. Tính dị thể (heterogeneous nature) của xúc tác được kiểm chứng qua thử nghiệm thực nghiệm nào?

Tính dị thể của hệ xúc tác $\text{Pd(II)-CoFe}_2\text{O}_4$ được kiểm chứng thông qua thử nghiệm lọc nóng/tách xúc tác bằng từ trường khi phản ứng đang xảy ra ở độ chuyển hóa trung gian. Sau khi tách bỏ hoàn toàn pha rắn từ tính, phần dung dịch còn lại tiếp tục được gia nhiệt trong cùng điều kiện; kết quả sắc ký khí GC cho thấy phản ứng dừng lại và không có sự gia tăng độ chuyển hóa, chứng minh phản ứng xảy ra trên bề mặt chất mang rắn dị thể chứ không phải do palladium hòa tan trong dung dịch.

5. Sự khác biệt về hiệu quả giữa gia nhiệt vi sóng và gia nhiệt thông thường trong luận án là gì?

So với phương pháp gia nhiệt đối lưu truyền thống, việc sử dụng bức xạ vi sóng giúp rút ngắn thời gian phản ứng từ vài giờ xuống còn vài phút đến vài chục phút, đồng thời duy trì độ chuyển hóa cao và độ chọn lọc tốt của các sản phẩm ghép đôi carbon-carbon.

Kết luận

Luận án của tác giả Bùi Tấn Nghĩa đã chế tạo thành công hệ xúc tác dị thể phức palladium cố định trên hạt nano từ tính spinel ferrite $\text{CoFe}_2\text{O}_4$ siêu thuận từ với tải lượng palladium $0,30\text{ mmol/g}$. Hệ vật liệu thể hiện hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc cao trong các phản ứng Knoevenagel, Sonogashira, Suzuki và Heck dưới cả điều kiện gia nhiệt thường lẫn chiếu xạ vi sóng. Điểm nổi bật của nghiên cứu là khả năng thu hồi xúc tác nhanh chóng bằng từ trường ngoài và tái sử dụng bền bỉ qua nhiều chu trình phản ứng, đóng góp dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc phát triển các quy trình tổng hợp hữu cơ theo định hướng hóa học xanh.