Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu sử dụng Cu-MOFs: $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ làm xúc tác trong một số phản ứng ghép đôi C–C, C–N" được tác giả Lê Thị Ngọc Hạnh thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Phan Thanh Sơn Nam, bảo vệ năm 2016 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật hóa học (mã số: 62520301).

Sự hình thành liên kết carbon–carbon (C–C) và carbon–nitrogen (C–N) giữ vai trò then chốt trong quy trình tổng hợp hóa hữu cơ, đặc biệt là sản xuất các hợp chất trung gian có hoạt tính sinh học như aryl dị vòng, ynamide và $\alpha$-amino carbonyl phục vụ ngành dược phẩm và vật liệu chức năng. Trong nhiều thập niên, các hệ xúc tác đồng thể kim loại chuyển tiếp (chủ yếu là phức của paladi, rhodi) được áp dụng phổ biến nhưng bộc lộ nhiều nhược điểm: hoạt tính phụ thuộc vào các phối tử phosphine độc hại, giá thành kim loại cao, quy trình tổng hợp phức tạp, đồng thời rất khó tách thu hồi xúc tác và tinh chế sản phẩm ra khỏi hỗn hợp phản ứng.

Vật liệu khung cơ kim chứa tâm kim loại đồng (Cu-MOFs) nổi lên như một hệ xúc tác dị thể tiềm năng nhờ diện tích bề mặt riêng lớn (trên $1000\ \text{m}^2/\text{g}$), độ bền nhiệt cao (từ $300\ ^\circ\text{C}$ trở lên), kích thước lỗ xốp mở rộng ($7,5\text{–}9,0\ \text{Å}$) và sự hiện diện của các tâm kim loại mở hoạt động như acid Lewis. Tuy nhiên, trước thời điểm thực hiện luận án, các vật liệu $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ chưa từng được nghiên cứu ứng dụng làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C giữa dị vòng với aryl halide, phản ứng ghép đôi C–N giữa amine có hydro linh động với alkyne đầu mạch, cũng như phản ứng ghép đôi C–N giữa $\alpha$-carbonyl với amine bậc hai.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  1. Mục tiêu thứ nhất: Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hóa lý của ba loại 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 thứ hai: Nghiên cứu ứng dụng ba vật liệu Cu-MOFs đã tổng hợp làm xúc tác dị thể cho ba phản ứng ghép đôi:
    • Sử dụng $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C giữa hợp chất dị vòng và aryl halide.
    • Sử dụng $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C–N giữa amine có hydro linh động với alkyne đầu mạch.
    • Sử dụng $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C–N giữa hợp chất $\alpha$-carbonyl với amine bậc hai.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là ba cấu trúc vật liệu Cu-MOFs ($\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$) và ba hệ phản ứng ghép đôi tạo liên kết C–C, C–N. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào năm 2016.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về cấu trúc, độ bền và hoạt tính xúc tác của vật liệu khung cơ kim (MOFs), cũng như các phương pháp tổng hợp liên kết C–C và C–N:

  • Nghiên cứu cấu trúc và độ bền của Cu-MOFs trong môi trường ẩm: Tác giả Kui Tan và cộng sự (2012) đã phân tích 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 $\text{D}2\text{O}$ bằng phổ hồng ngoại (FT-IR), Raman và nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD). Kết quả chỉ ra rằng ở độ ẩm thấp khung mạng $\text{Cu}(\text{bdc})(\text{ted}){0.5}$ không bị sụp đổ cấu trúc mà chỉ thủy phân một phần liên kết $\text{Cu–O–C}$, cung cấp cơ sở để kiểm soát độ bền xúc tác trong các phản ứng hữu cơ.
  • Ứng dụng xúc tác của Cu-MOFs trong tổng hợp hữu cơ:
    • A. Dhakshinamoorthy và cộng sự (2011, 2012) nghiên cứu $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ và $\text{Fe-BTC}$ xúc tác cho phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic bằng tert-butyl hydroperoxide (TBHP) và phản ứng acetal hóa aldehyde với methanol.
    • Nguyen và cộng sự công bố phản ứng aza-Michael giữa amine và ethyl acrylate sử dụng $5\ \text{mol}%$ $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ trong dung môi methanol ở nhiệt độ phòng.
    • M. Opanasenko và cộng sự so sánh hoạt tính của $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Fe-BTC}$ với các zeolite Al-BEA và Al-USY trong phản ứng ngưng tụ Pechmann tổng hợp Coumarin giữa phenol và ethyl acetoacetate.
    • Phan Thanh Sơn Nam và cộng sự công bố chuỗi ứng dụng xúc tác của Cu-MOFs: phản ứng $\alpha$-aryl hóa acetylacetone với aryl iodide và phản ứng ghép đôi Ullmann giữa aryl iodide với phenol dùng $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$; phản ứng Friedländer dùng $\text{Cu}(\text{BDC})$; phản ứng ghép đôi giữa 2-hydroxybenzaldehyde với 1,4-dioxane và giữa phenol với dimethylformamide (DMF) dùng $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$; phản ứng tổng hợp diaryl ether từ phenol và nitroarene dùng $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$.
    • Tung Nguyen và Phan Thanh Sơn Nam (2014) sử dụng $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ xúc tác cho phản ứng N-aryl hóa aryl halide với imidazole.
    • Nhóm nghiên cứu của Giao H. Dang và cộng sự (2014–2016) công bố các phản ứng: tổng hợp amide từ N,N-dimethylaniline và acetic anhydride xúc tác $\text{Cu}_2(\text{EDB})_2(\text{BPY})$ (2014); ghép đôi C–C giữa N,N-dimethylaniline với phenylacetylene xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ (2014); ghép đôi C–C giữa N-methylaniline với alkyne đầu mạch xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ (2014); ghép đôi ba tác chất tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và alkyne xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ (2015); phản ứng oxy hóa đóng vòng tạo 2-arylquinoxaline xúc tác $\text{Cu}(\text{BDC})$ (2015); phản ứng ba thành phần tổng hợp indolizine xúc tác Cu-MOF-74 (2016).
    • Christopher H. Hendon và Aron Walsh (2015) phân tích đặc tính trung tâm ái điện tử và biến đổi trạng thái oxy hóa-khử ($\text{Cu}^\text{I}/\text{Cu}^\text{II}$) của cấu trúc dimer paddle-wheel $\text{Cu}\cdot\text{Cu}$ trong $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$.
    • Thanh Truong và cộng sự (2016) công bố phản ứng ghép đôi C–N giữa benzimidazole và dimethylacetamide (DMA) xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{DABCO})$.
  • Nghiên cứu về các phản ứng ghép đôi C–C và C–N mục tiêu:
    • Phản ứng aryl hóa trực tiếp C–C: Ohta khởi xướng phản ứng pyrazinyl hóa oxazole dùng $\text{Pd}(\text{PPh}_3)_4$; Miura và cộng sự (1998) dùng $\text{Pd}(0)$ và base $\text{Cs}_2\text{CO}_3$; Alagille và cộng sự bổ sung $\text{CuBr}$ làm đồng xúc tác; F. Bellina và cộng sự (2006), F. Besselièvre và cộng sự (2007) khảo sát xúc tác $\text{Pd}(0)/\text{Cu}(\text{I})$; Hien-Quang Do và Olafs Daugulis (2007) sử dụng muối $\text{Cu}(\text{I})$ kết hợp base $\text{LiO}t\text{Bu}$ trong DMF ở $140\ ^\circ\text{C}$; Yoshizumi và cộng sự (2008), Zhao và cộng sự (2008) sử dụng $\text{CuI}$ phối hợp các ligand phenanthroline hoặc $\text{PPh}_3$.
    • Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp ynamide và $\alpha$-amino carbonyl: Hsung (2003, 2004), Danheiser (2003) nghiên cứu tổng hợp ynamide từ alkynyl halide xúc tác đồng; các quy trình amine hóa ketene silyl acetal hoặc $\alpha$-amine hóa carbonyl xúc tác muối đồng đồng thể.

Khoảng trống học thuật mà luận án giải quyết: Hầu hết các công trình trước đó đều dựa trên hệ xúc tác đồng thể hoặc phức kim loại quý phối trí ligand phosphine đắt tiền và độc hại. Luận án định vị việc thay thế hoàn toàn các hệ đồng thể này bằng ba loại vật liệu Cu-MOFs dị thể đặc thù ($\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$), nhằm đạt hiệu suất chuyển hóa cao, tính chọn lọc sản phẩm định hướng và khả năng thu hồi tái sử dụng xúc tác nhiều lần mà không làm suy giảm cấu trúc khung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cấu trúc khung mạng cơ kim (MOFs): Được hình thành từ các ion/cụm ion kim loại chuyển tiếp liên kết với các cầu nối hữu cơ (linkers) đa chức carboxylate hoặc bipyridine.
  • Đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU): Dạng "paddle-wheel" gồm dimer kim loại đồng liên kết với 4 nhóm carboxylate tạo thành mạng lưới phẳng $[\text{M}_2\text{L}_2]_n$, các mặt phẳng này được kết nối không gian 3 chiều qua các cầu nối pillar như 4,4’-bipyridine (BPY).
  • Bản chất tâm xúc tác: Các tâm đồng $\text{Cu}(\text{II})$ chưa bão hòa phối trí (open metal sites) sau quá trình hoạt hóa đóng vai trò acid Lewis mạnh; đồng thời tâm dimer đồng có khả năng tham gia vào chu trình oxy hóa–khử chuyển tiếp giữa các trạng thái $\text{Cu}(\text{I})$ và $\text{Cu}(\text{II})$.
  • Cơ chế phản ứng: Quá trình C2-aryl hóa dị vòng oxazole diễn ra thông qua sự trao đổi proton–kim loại hình thành chất trung gian organocopper (C2-cuprate hoặc carbene phối trí đồng); quá trình ghép đôi C–N diễn ra nhờ sự hoạt hóa liên kết $\text{C}\text{–}\text{H}$ hoặc $\text{N}\text{–}\text{H}$ linh động trên bề mặt và trong mao quản xốp của Cu-MOFs.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Luận án tiếp cận hoàn toàn bằng phương pháp thực nghiệm định lượng trong hóa học kỹ thuật:

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu: Phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal) thực hiện trong bình phản ứng cao áp lót Teflon (Teflon-lined autoclave) ở nhiệt độ và thời gian kiểm soát, sau đó lọc, rửa dung môi và hoạt hóa nhiệt chân không để loại bỏ phân tử dung môi phối trí tự do.
  • Kỹ thuật đặc trưng hóa lý vật liệu:
    • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD): Xác định độ kết tinh, cấu trúc pha tinh thể và so sánh với dữ liệu chuẩn.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Xác định kiểu phối trí của nhóm carboxylate ($-\text{COO}^-$) và phối tử chứa nitrogen lên tâm kim loại.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Đo độ bền nhiệt và xác định khoảng nhiệt độ phân hủy khung mạng.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Đánh giá hình thái học, kích thước và bề mặt hạt tinh thể.
    • Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt nitơ (BET/Langmuir): Xác định diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp và phân bố kích thước mao quản.
    • Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng cao tần (ICP-OES) và quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Định lượng hàm lượng đồng trong cấu trúc và kiểm tra hàm lượng đồng thôi nhiễm vào dung dịch phản ứng (leaching).
  • Kỹ thuật phân tích và theo dõi phản ứng xúc tác:
    • Sắc ký khí với đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC/FID): Xác định độ chuyển hóa của tác chất và độ chọn lọc sản phẩm theo thời gian thực nghiệm dựa trên chất chuẩn nội.
    • Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Nhận danh và xác định cấu trúc hóa học của các sản phẩm tạo thành.
    • Thử nghiệm kiểm tra tính dị thể (leaching test / hot filtration test): Tách pha rắn xúc tác tại thời điểm phản ứng đang diễn ra và theo dõi tiếp pha lỏng để chứng minh phản ứng không bị xúc tác bởi ion đồng hòa tan.
    • Thử nghiệm đầu độc tâm xúc tác: Sử dụng các phân tử phối tử base cồng kềnh (2,2’-bipyridine, triphenylphosphine) để khóa các tâm hoạt tính trong mao quản.
    • Thử nghiệm tái sử dụng: Thu hồi xúc tác sau phản ứng bằng ly tâm/lọc, rửa sạch dung môi, hoạt hóa lại và khảo sát hoạt tính qua nhiều chu kỳ liên tiếp; kiểm tra độ bền khung sau tái sử dụng bằng PXRD và FT-IR.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về vật liệu MOFs, phân tích chi tiết cấu trúc paddle-wheel và so sánh đặc tính của MOFs với các vật liệu xốp vô cơ truyền thống (silica gel, alumina hoạt tính, zeolite, carbon hoạt tính, carbon rây phân tử). Phân tích số liệu tinh thể học SC-XRD của các Cu-MOFs tiêu biểu:

Vật liệu Cu-MOF Khoảng cách liên kết $\text{Cu–Cu}$ (Å) Khoảng cách liên kết $\text{Cu–OCO}$ (Å) Khoảng cách $\text{Cu–G}$ / $\text{Cu–P}$ (Å)
$\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ 2,628 1,952 2,165
$\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ 2,628 1,990 – 2,001 2,103; 2,181
$\text{Cu}_2(\text{O}_2\text{CR})_4(\text{BPY})$ 2,590 – 2,630 1,900 – 2,140 2,100 – 2,260
$\text{Cu}(\text{BDC})$ 2,630 1,992 2,163
$\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ 2,627 1,996 2,101

Bên cạnh đó, chương 1 tổng hợp các hướng nghiên cứu xúc tác của Cu-MOFs trong các phản ứng chuyển hóa hữu cơ (đồng phân hóa, cyclopropanation, Pechmann, aza-Michael, Ullmann, aryl hóa, amidation), đồng thời phân tích cơ chế phản ứng ghép đôi C–C (aryl hóa dị vòng), C–N (tổng hợp ynamide và $\alpha$-amino carbonyl).

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm:

  • Tổng hợp $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$, acid 4,4’-biphenyldicarboxylic ($\text{H}_2\text{BPDC}$) và 4,4’-bipyridine (BPY).
  • Tổng hợp $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$, acid 1,4-benzenedicarboxylic ($\text{H}_2\text{BDC}$) và BPY.
  • Tổng hợp $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ và acid 1,3,5-benzenetricarboxylic ($\text{H}_3\text{BTC}$).
  • Thiết lập quy trình phản ứng ghép đôi, quy trình phân tích định lượng trên hệ thiết bị GC/FID và định tính cấu trúc bằng GC/MS.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 là nội dung trọng tâm của luận án, gồm hai hợp phần lớn:

  1. Đặc trưng cấu trúc của ba vật liệu Cu-MOFs tổng hợp:

    • $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$: Giản đồ PXRD thể hiện các đỉnh nhiễu xạ sắc nét trùng khớp với dữ liệu đã công bố; TGA chứng minh độ bền nhiệt ổn định đến trên $300\ ^\circ\text{C}$; phổ FT-IR xác nhận sự phối trí của carboxylate và pyridine; ảnh SEM/TEM cho thấy tinh thể đồng nhất; diện tích bề mặt BET đạt trên $1000\ \text{m}^2/\text{g}$, kích thước lỗ xốp khoảng $7,5\text{–}9,0\ \text{Å}$.
    • $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$: PXRD phù hợp hoàn toàn với cấu trúc công bố; TGA khẳng định độ bền nhiệt $\ge 300\ ^\circ\text{C}$; FT-IR ghi nhận các liên kết đặc trưng của phối tử BDC và BPY; cấu trúc xốp có diện tích bề mặt lớn và kích thước mao quản đồng đều.
    • $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$: PXRD sau khi gia nhiệt 24 giờ và sau khi hoạt hóa chân không trùng khớp với cấu trúc chuẩn; TGA ghi nhận độ bền nhiệt vượt $300\ ^\circ\text{C}$; FT-IR chứng minh sự phối trí hoàn toàn của nhóm tricarboxylate.

  2. Kết quả nghiên cứu hoạt tính xúc tác trên các phản ứng ghép đôi:

    • Phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C giữa dị vòng và aryl halide (xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$):
      • Phản ứng mô hình giữa benzoxazole và iodobenzene được khảo sát qua các thông số: nhiệt độ ($80\text{–}140\ ^\circ\text{C}$), tỷ lệ mol tác chất, nồng độ xúc tác ($2,5\text{–}10\ \text{mol}%$), các loại base ($\text{K}_3\text{PO}_4$, $\text{Cs}_2\text{CO}_3$, $\text{K}_2\text{CO}_3$, $\text{LiO}t\text{Bu}$,...), các dung môi (DMSO, DMF, DMA, toluene, dioxane).
      • Điều kiện tối ưu: Tỷ lệ mol iodobenzene : benzoxazole là $1 : 2$, sử dụng $7,5\ \text{mol}%$ $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, 2 đương lượng base $\text{K}_3\text{PO}_4$, dung môi DMSO, nhiệt độ $120\ ^\circ\text{C}$, thời gian phản ứng 180 phút. Độ chuyển hóa đạt gần $100%$.
      • Hoạt tính xúc tác của $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ vượt trội so với các muối đồng đơn chất ($\text{CuI}$, $\text{CuCl}$, $\text{Cu}(\text{OAc})_2$) và các Cu-MOFs khác. Thử nghiệm lọc nóng xác nhận tính dị thể hoàn toàn; thử nghiệm hấp phụ 2,2’-bipyridine và triphenylphosphine làm giảm mạnh độ chuyển hóa, chứng minh phản ứng diễn ra tại các tâm xúc tác bên trong lỗ xốp. Xúc tác thu hồi và tái sử dụng nhiều chu kỳ với hoạt tính suy giảm không đáng kể; giản đồ PXRD và phổ FT-IR của xúc tác sau tái sử dụng không đổi.
      • Khảo sát mở rộng cơ chất thành công trên nhiều dẫn xuất aryl iodide, aryl bromide mang nhóm thế hút/đẩy điện tử và các dị vòng khác nhau.
    • Phản ứng ghép đôi trực tiếp C–N giữa amine có hydro linh động với alkyne đầu mạch (xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$):
      • Phản ứng mô hình giữa 2-oxazolidinone và phenylacetylene được tối ưu hóa qua dung môi, base, chất oxy hóa ($\text{O}_2$, không khí, TBHP), nhiệt độ, nồng độ xúc tác.
      • Điều kiện tối ưu: Tỷ lệ mol 2-oxazolidinone : phenylacetylene là $7 : 1$, nồng độ xúc tác $20\ \text{mol}%$ $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$, 2 đương lượng base $\text{NaHCO}_3$, 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 $95%$.
      • Thử nghiệm lọc nóng và phân tích ICP xác nhận không có hiện tượng hòa tan tâm đồng hoạt tính. Xúc tác có khả năng thu hồi, tái sử dụng bền vững; PXRD và FT-IR sau phản ứng chứng minh khung mạng được bảo toàn. Luận án mở rộng phạm vi phản ứng trên nhiều dẫn xuất alkyne và amine/amide khác nhau.
    • Phản ứng ghép đôi C–N giữa $\alpha$-carbonyl với amine bậc hai (xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$):
      • Phản ứng mô hình giữa propiophenone và morpholine được khảo sát tối ưu theo tỷ lệ mol, nồng độ xúc tác, dung môi và hàm lượng phụ gia halide ($\text{KBr}$).
      • Điều kiện tối ưu: Tỷ lệ mol propiophenone : morpholine là $1 : 1,5$, nồng độ xúc tác $10\ \text{mol}%$ $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $30\ \text{mol}%$ phụ gia $\text{KBr}$, dung môi DMF, nhiệt độ $50\ ^\circ\text{C}$, thời gian 240 phút (4 giờ). Độ chuyển hóa đạt $> 99%$, độ chọn lọc sản phẩm $\alpha$-amino ketone đạt $> 99%$.
      • Tính chất dị thể và khả năng tái sử dụng của $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ được kiểm chứng nghiêm ngặt; phổ PXRD và FT-IR của xúc tác sau phản ứng tái sử dụng giữ nguyên các vân tinh thể đặc trưng. Cơ chất được mở rộng thành công trên nhiều hợp chất carbonyl và amine bậc hai.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết các phát hiện thực nghiệm: khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng ba hệ Cu-MOFs làm xúc tác dị thể trong các phản ứng ghép đôi chọn lọc; đưa ra các đóng góp mới của luận án và đề xuất định hướng phát triển ứng dụng vật liệu khung cơ kim trong hóa học tổng hợp.

Bảng tổng hợp điều kiện tối ưu và hiệu quả xúc tác của các hệ Cu-MOFs trong luận án

Hệ phản ứng Xúc tác Cu-MOF Tác chất phản ứng (Tỷ lệ mol) Base / Phụ gia Dung môi / Khí Nhiệt độ (°C) & Thời gian (phút) Độ chuyển hóa (%) Độ chọn lọc (%)
Ghép đôi C–C trực tiếp $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ ($7,5\ \text{mol}%$) Iodobenzene : Benzoxazole ($1 : 2$) $\text{K}_3\text{PO}_4$ ($2\ \text{eq}$) DMSO $120\ ^\circ\text{C}$, $180\ \text{phút}$ $\sim 100%$ Chọn lọc C2 cao
Ghép đôi C–N tạo ynamide $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ ($20\ \text{mol}%$) 2-Oxazolidinone : Phenylacetylene ($7 : 1$) $\text{NaHCO}_3$ ($2\ \text{eq}$) Toluene, khí $\text{O}_2$ $80\ ^\circ\text{C}$, $240\ \text{phút}$ $100%$ $95%$
Ghép đôi C–N tạo $\alpha$-amino carbonyl $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ ($10\ \text{mol}%$) Propiophenone : Morpholine ($1 : 1,5$) $\text{KBr}$ ($30\ \text{mol}%$) DMF $50\ ^\circ\text{C}$, $240\ \text{phút}$ $> 99%$ $> 99%$

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Cung cấp dữ liệu thực nghiệm toàn diện khẳng định ba vật liệu Cu-MOFs ($\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$) đóng vai trò là những xúc tác dị thể thực sự cho các phản ứng ghép đôi C–C và C–N tương ứng.
  2. Làm sáng tỏ cơ chế phản ứng xảy ra bên trong hệ thống mao quản xốp của Cu-MOFs thông qua các thử nghiệm đầu độc tâm hoạt tính bằng phối tử cồng kềnh, xác nhận vai trò của các tâm acid Lewis $\text{Cu}(\text{II})$ mở và sự tương thích kích thước mao quản ($7,5\text{–}9,0\ \text{Å}$) với các phân tử tác chất.
  3. Chứng minh khả năng duy trì độ bền liên kết và cấu trúc tinh thể của Cu-MOFs trong các điều kiện phản ứng nhiệt độ trung bình ($50\text{–}120\ ^\circ\text{C}$) với sự hiện diện của base và chất oxy hóa.

Đóng góp về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Xây dựng thành công các quy trình tổng hợp một giai đoạn cho các hợp chất có giá trị cao: aryl dị vòng, ynamide và $\alpha$-amino carbonyl với độ chuyển hóa đạt từ $99\text{–}100%$ và độ chọn lọc cao ($95\text{–}99%$).
  2. Loại bỏ việc sử dụng các phối tử phosphine độc hại và các kim loại quý đắt tiền (Pd, Rh) trong các phản ứng ghép đôi kinh điển, thay thế bằng xúc tác gốc đồng trên khung hữu cơ thân thiện hơn.
  3. Cung cấp quy trình thu hồi xúc tác dị thể đơn giản (bằng phương pháp ly tâm/lọc), có thể tái sử dụng qua nhiều chu kỳ liên tiếp mà hoạt tính xúc tác suy giảm không đáng kể, góp phần giảm chi phí xử lý và tinh chế sản phẩm.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất của tác giả

  • Tiếp tục mở rộng khảo sát ứng dụng của các hệ Cu-MOFs trên các dạng phản ứng ghép đôi C–C và C–dị nguyên tử khác.
  • Nghiên cứu biến tính khung mạng hoặc phối trộn các phối tử hữu cơ nhằm tăng cường độ bền nhiệt–thủy phân và hoạt tính xúc tác cho các cơ chất có kích thước phân tử cồng kềnh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án giới hạn phạm vi khảo sát ở quy mô phòng thí nghiệm (mẻ nhỏ) với ba hệ phản ứng cụ thể. Hoạt tính xúc tác và độ bền khung mạng phụ thuộc chặt chẽ vào loại dung môi, base và chất oxy hóa; môi trường có độ ẩm cao hoặc tính acid/base quá mạnh có thể gây rủi ro phá hủy một phần liên kết phối trí carboxylate–đồng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Thử nghiệm các hệ phản ứng dị thể liên tục (dòng chảy liên tục – continuous flow) sử dụng Cu-MOFs; khảo sát mở rộng trên các cơ chất phức tạp phục vụ tổng hợp dược phẩm đa chức năng; đánh giá sâu hơn về chi phí vận hành ở quy mô bán công nghiệp.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dầu, Kỹ thuật Hóa học: Là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tổng hợp nhiệt dung môi các vật liệu Cu-MOFs, phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý vật liệu (PXRD, FT-IR, TGA, SEM, TEM, BET, ICP-OES) và phương pháp luận thiết lập phản ứng xúc tác dị thể.
  • Đối với giảng viên và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác: Cung cấp phương pháp thực nghiệm bài bản để chứng minh tính dị thể của xúc tác (thử nghiệm lọc nóng, thử nghiệm đầu độc tâm hoạt tính, đánh giá tái sử dụng).
  • Đối với các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong ngành dược phẩm và hóa chất tinh khiết: Cung cấp các thông số điều kiện tối ưu để tổng hợp các khung phân tử aryl dị vòng, ynamide và $\alpha$-amino carbonyl với hiệu suất cao và chi phí xúc tác hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Ba vật liệu Cu-MOFs trong luận án có những đặc trưng cấu trúc và hóa lý nổi bật nào?

Cả ba vật liệu $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ đều sở hữu đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU dạng paddle-wheel gồm dimer đồng phối trí với các nhóm carboxylate, có diện tích bề mặt riêng BET đạt trên $1000\ \text{m}^2/\text{g}$, độ bền nhiệt cao từ $300\ ^\circ\text{C}$ trở lên và kích thước cửa sổ lỗ xốp lớn trong khoảng $7,5\text{–}9,0\ \text{Å}$.

2. Điều kiện tối ưu và hiệu quả của phản ứng ghép đôi C–C xúc tác bởi $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ được xác lập như thế nào?

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

3. Quy trình ghép đôi C–N tạo hợp chất ynamide sử dụng xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ diễn ra trong điều kiện nào?

Phản ứng giữa 2-oxazolidinone và phenylacetylene (tỷ lệ mol $7 : 1$) được thực hiện trong dung môi toluene dưới khí $\text{O}_2$, sử dụng 2 đương lượng base $\text{NaHCO}_3$ và $20\ \text{mol}%$ xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ ở $80\ ^\circ\text{C}$ trong 240 phút; phản ứng đạt độ chuyển hóa $100%$ và độ chọn lọc ynamide đạt $95%$.

4. Vai trò của phụ gia $\text{KBr}$ và hiệu quả của xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ trong phản ứng tổng hợp $\alpha$-amino carbonyl là gì?

Phụ gia $\text{KBr}$ ($30\ \text{mol}%$) đóng vai trò hỗ trợ kích hoạt phản ứng ghép đôi giữa propiophenone và morpholine (tỷ lệ mol $1 : 1,5$) dưới sự hiện diện của $10\ \text{mol}%$ $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ trong dung môi DMF ở $50\ ^\circ\text{C}$; sau 4 giờ phản ứng đạt độ chuyển hóa $> 99%$ và độ chọn lọc sản phẩm $> 99%$.

5. Luận án đã chứng minh tính dị thể và độ bền của xúc tác Cu-MOFs bằng những bằng chứng thực nghiệm nào?

Tác giả đã thực hiện thử nghiệm lọc nóng (ly tâm tách xúc tác khi phản ứng đang diễn ra để chứng minh phản ứng dừng lại hoàn toàn, không có xúc tác đồng thể do thôi nhiễm đồng), phân tích hàm lượng kim loại bằng ICP-OES/AAS, thực hiện thử nghiệm đầu độc tâm hoạt tính bằng phối tử cồng kềnh, và phân tích giản đồ PXRD cùng phổ FT-IR của xúc tác sau nhiều chu kỳ tái sử dụng để chứng minh cấu trúc tinh thể được bảo toàn.

Kết luận

Luận án của tác giả Lê Thị Ngọc Hạnh đã tổng hợp thành công ba vật liệu khung cơ kim chứa đồng gồm $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{BPY})$ và $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ với diện tích bề mặt trên $1000\ \text{m}^2/\text{g}$ và độ bền nhiệt từ $300\ ^\circ\text{C}$ trở lên. Công trình đã thiết lập các quy trình xúc tác dị thể hiệu quả cho phản ứng ghép đôi C–C (tổng hợp aryl dị vòng), phản ứng ghép đôi C–N (tổng hợp ynamide) và phản ứng ghép đôi C–N (tổng hợp $\alpha$-amino carbonyl) với độ chuyển hóa và độ chọn lọc đạt từ $95\text{–}100%$ trong điều kiện êm dịu. Các bằng chứng thực nghiệm chặt chẽ về thử nghiệm lọc nóng, thử nghiệm hấp phụ đầu độc tâm và phân tích cấu trúc sau phản ứng đã khẳng định bản chất dị thể bền vững cùng khả năng tái sử dụng nhiều lần của các hệ xúc tác Cu-MOFs.