Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu sử dụng cu mofs cu2 bpdc2bpy cu2bdc2bpy cu3btc2 làm xúc tác trong một số phản ứng ghép đôi c c c n

Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu sử dụng Cu-MOFs (Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2) làm xúc tác phản ứng ghép đôi C-C, C-N.

• Tác giả: Lê Thị Ngọc Hạnh
• Người hướng dẫn: GS. Phan Thanh Sơn Nam
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Cu-MOFs: Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2 Làm Xúc Tác Trong Một Số Phản Ứng Ghép Đôi C-C, C-N
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC SƠ ĐỒ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu khung cơ kim (MOFs)
• 1.2. Ứng dụng xúc tác của Cu-MOFs
• 1.3. Phản ứng ghép đôi C–C, C–N
• 1.3.1. Phản ứng ghép đôi C–C tổng hợp aryl dị vòng
• 1.3.2. Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp ynamide
• 1.3.3. Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp α-amino carbonyl
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Tổng hợp Cu-MOFs
• 2.3. Phản ứng ghép đôi C–C, C–N
• 2.3.1. Phản ứng ghép đôi C–C giữa dị vòng và aryl halide, xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY)
• 2.3.2. Phản ứng ghép đôi C–N giữa các amine có H linh động với alkyne đầu mạch, xúc tác Cu2(BDC)2(BPY)
• 2.3.3. Phản ứng ghép đôi C–N giữa α-Carbonyl với amine, xúc tác Cu3(BTC)2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đặc trưng cấu trúc của Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2
• 3.1.1. Đặc trưng cấu trúc của Cu2(BPDC)2(BPY)
• 3.1.2. Đặc trưng cấu trúc của Cu2(BDC)2(BPY)
• 3.1.3. Đặc trưng cấu trúc của Cu3(BTC)2
• 3.2. Nghiên cứu xúc tác trên các phản ứng ghép đôi C–C, C–N
• 3.2.1. Nghiên cứu xúc tác của Cu2(BPDC)2(BPY) trên phản ứng ghép đôi C–C giữa dị vòng và aryl halide
• 3.2.2. Nghiên cứu xúc tác của Cu2(BDC)2(BPY) trên phản ứng ghép đôi C–N giữa các amine có H linh động với alkyne đầu mạch
• 3.2.3. Nghiên cứu xúc tác của Cu3(BTC)2 trên phản ứng ghép đôi C–N giữa α-Carbonyl với amine
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Tóm tắt kết quả đạt được
• 4.2. Đóng góp của luận án
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Cu MOFs Ứng Dụng Tiềm Năng Lớn

Vật liệu xốp đang ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong khoa học và đời sống, với hàng loạt công trình nghiên cứu được công bố mỗi năm. Trong số đó, vật liệu khung cơ kim (MOFs) nổi lên như một đối tượng nghiên cứu đầy tiềm năng nhờ những đặc tính độc đáo và ứng dụng rộng mở. Điểm đặc biệt của MOFs là khả năng tạo ra cấu trúc đa dạng, độ xốp cao và diện tích bề mặt riêng lớn thông qua việc kết hợp cation kim loại và cầu nối hữu cơ. Nhờ đó, vật liệu Cu-MOFs hứa hẹn mang lại những giải pháp đột phá trong nhiều lĩnh vực. Việc lựa chọn các đơn vị cấu trúc tổng hợp vật liệu MOFs phải được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính chất của chúng được bảo toàn. Khác với các vật liệu copolymer hữu cơ, cách bố trí mạng lưới liên kết các đơn vị cấu trúc trong MOFs quyết định chủ yếu lên tính chất của vật liệu.

1.1. Cấu trúc và tính chất đặc trưng của vật liệu MOFs

Vật liệu khung cơ kim (MOFs) sở hữu cấu trúc ba chiều được hình thành từ các ion kim loại và các phối tử hữu cơ. Sự kết hợp này tạo nên mạng lưới có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn, vượt trội so với nhiều vật liệu xốp truyền thống khác. Kích thước và hình dạng lỗ xốp có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi các thành phần cấu trúc, mở ra khả năng ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Khả năng tùy biến cao của MOFs là một lợi thế lớn so với các vật liệu khác.

1.2. Ưu điểm vượt trội của Cu MOFs so với các vật liệu MOFs khác

Cu-MOFs nổi bật nhờ khả năng xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ, do chứa các tâm kim loại mở. Các vật liệu Cu-MOFs như Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY) sở hữu diện tích bề mặt lớn, độ bền nhiệt cao (trên 300°C) và kích thước lỗ xốp phù hợp (7.5 - 9.0 Å), tạo điều kiện cho các chất phản ứng dễ dàng tiếp xúc với tâm xúc tác. Đặc biệt, theo tài liệu, chưa có nghiên cứu nào sử dụng các Cu-MOFs này làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C-C giữa dị vòng và aryl halide, C-N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch, và C-N giữa α-carbonyl với amine bậc hai.

II. Thách Thức Giải Pháp Sử Dụng Cu MOFs trong Phản Ứng Ghép

Việc sử dụng xúc tác đồng thể kim loại chuyển tiếp là một phương pháp hiệu quả để hình thành liên kết C-C và C-N. Tuy nhiên, các phản ứng ghép cặp thường sử dụng phức Pd, có hoạt tính phụ thuộc vào bản chất của các ligand, thường là phosphine độc hại. Thêm vào đó, việc thu hồi xúc tác và cô lập sản phẩm từ hỗn hợp phản ứng là một thách thức lớn đối với xúc tác đồng thể. Gần đây, vật liệu MOFs, với những ưu điểm vượt trội, được nghiên cứu thay thế hệ xúc tác đồng thể cho các phản ứng ghép cặp C-C và C-N. Các hợp chất aryl dị vòng, ynamide, và α-amino carbonyl đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học. Nhiều xúc tác kim loại chuyển tiếp, bao gồm cả đồng thể và dị thể, đã được sử dụng để tổng hợp các hợp chất này, nhưng quy trình còn nhiều hạn chế.

2.1. Hạn chế của các phương pháp tổng hợp truyền thống

Các quy trình tổng hợp aryl dị vòng, ynamide và α-amino carbonyl hiện nay còn nhiều hạn chế, bao gồm điều kiện phản ứng khó thực hiện, hiệu suất thấp và việc sử dụng các muối kim loại độc hại làm xúc tác. Điều này thúc đẩy các nhà hóa học không ngừng nghiên cứu để tìm ra các quy trình tổng hợp hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn. Sự ra đời của Cu-MOFs hứa hẹn sẽ mang đến một giải pháp đột phá cho vấn đề này.

2.2. Cu MOFs Giải pháp tiềm năng cho phản ứng ghép đôi hiệu quả

Trong số các MOFs đã công bố, Cu-MOFs thể hiện hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ do chứa các tâm kim loại mở. Đặc biệt, các vật liệu Cu-MOFs như Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY) có nhiều ưu điểm nổi bật, thích hợp cho ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác. Đây là những vật liệu có diện tích bề mặt cao, độ bền nhiệt tốt (từ 300°C trở lên) và kích thước lỗ xốp lớn (7.5 - 9.0 Å), giúp các chất phản ứng dễ dàng tiếp xúc với tâm xúc tác.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Cu MOFs Quy Trình Đặc Trưng Cấu Trúc

Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc tổng hợp và sử dụng các vật liệu Cu-MOFs như Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY). Mục tiêu là nghiên cứu khả năng của chúng làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp C-C giữa dị vòng và aryl halide, ghép đôi C-N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch, và ghép đôi C-N giữa α-carbonyl với amine bậc hai. Nghiên cứu này có thể mang lại những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực xúc tác và tổng hợp hữu cơ.

3.1. Quy trình tổng hợp Cu MOFs Cu2 BPDC 2 BPY

Quá trình tổng hợp vật liệu Cu2(BPDC)2(BPY) được thực hiện và phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hóa lý bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ hồng ngoại (FT-IR), phân tích hàm lượng kim loại (AAS, ICP) và xác định bề mặt riêng thông qua hấp phụ khí nitơ. Vật liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật: diện tích bề mặt cao trên 1000 m²/g, độ bền nhiệt từ 300°C trở lên và kích thước lỗ xốp lớn khoảng 7.5 – 9.0 Å. Hình 3.1 đến 3.6 trong luận án trình bày chi tiết về đặc trưng cấu trúc của Cu2(BPDC)2(BPY).

3.2. Quy trình tổng hợp Cu MOFs Cu2 BDC 2 BPY

Tương tự, vật liệu Cu2(BDC)2(BPY) cũng được tổng hợp và đặc trưng bằng các phương pháp tương tự như trên. Kết quả cho thấy vật liệu này cũng có diện tích bề mặt cao, độ bền nhiệt tốt và kích thước lỗ xốp phù hợp. Các hình 3.7 đến 3.11 trong luận án cung cấp thông tin chi tiết về đặc trưng cấu trúc của Cu2(BDC)2(BPY).

3.3. Quy trình tổng hợp Cu MOFs Cu3 BTC 2

Vật liệu Cu3(BTC)2 được tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc tương tự như hai vật liệu trên. Quá trình này bao gồm các bước chuẩn bị hóa chất, phản ứng tổng hợp, rửa và sấy khô sản phẩm. Các phương pháp phân tích như PXRD, SEM, TEM, TGA và FT-IR được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của Cu3(BTC)2. Kết quả cho thấy vật liệu này có cấu trúc tinh thể rõ ràng và diện tích bề mặt lớn. Hình 3.12 đến 3.17 trong luận án thể hiện chi tiết các kết quả phân tích cấu trúc của Cu3(BTC)2.

IV. Ứng Dụng Xúc Tác Cu MOFs Ghép C C C N Hiệu Quả Vượt Trội

Các vật liệu Cu-MOFs đã được sử dụng làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp C-C giữa dị vòng và aryl halide, cũng như ghép đôi C-N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch và ghép đôi C-N giữa α-carbonyl với amine bậc hai. Kết quả cho thấy Cu-MOFs thể hiện hiệu suất và độ chọn lọc cao trong các phản ứng này, đồng thời có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm không đáng kể. Điều này chứng minh tiềm năng ứng dụng to lớn của Cu-MOFs trong các quy trình tổng hợp hữu cơ.

4.1. Cu2 BPDC 2 BPY làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C C

Vật liệu Cu2(BPDC)2(BPY) được sử dụng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C-C giữa dị vòng và aryl halide. Kết quả cho thấy phản ứng giữa iodobenzene và benzoxazole (tỉ lệ 1:2) đạt độ chuyển hóa gần 100% sau 180 phút ở 120°C trong dung môi DMSO, với hai đương lượng K3PO4 và 7.5 mol% Cu2(BPDC)2(BPY). Đây là một kết quả đầy hứa hẹn, mở ra khả năng ứng dụng Cu2(BPDC)2(BPY) trong tổng hợp các hợp chất aryl dị vòng quan trọng.

4.2. Cu2 BDC 2 BPY làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C N

Vật liệu Cu2(BDC)2(BPY) được sử dụng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C-N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch. Phản ứng giữa 2-Oxazolidinone và phenylacetylene (tỉ lệ 7:1) trong dung môi toluene, chất oxy hóa O2, và hai đương lượng NaHCO3 đạt độ chuyển hóa 100% và độ chọn lọc 95% sau 240 phút ở 80°C với 20 mol% Cu2(BDC)2(BPY). Kết quả này cho thấy Cu2(BDC)2(BPY) là một xúc tác hiệu quả cho phản ứng ghép đôi C-N, với độ chuyển hóa và độ chọn lọc cao.

4.3. Cu3 BTC 2 làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C N giữa α carbonyl và amine

Vật liệu Cu3(BTC)2 được sử dụng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi C-N giữa α-carbonyl và amine bậc hai. Phản ứng giữa propiophenone và morpholine (tỉ lệ 1:1.5) trong dung môi DMF đạt độ chuyển hóa >99% và độ chọn lọc >99% sau 4 giờ ở 50°C với 30 mol% KBr và 10 mol% Cu3(BTC)2. Kết quả này chứng minh Cu3(BTC)2 là một xúc tác tuyệt vời cho phản ứng ghép đôi C-N, với hiệu suất và độ chọn lọc cao.

V. Tái Sử Dụng Độ Bền Xúc Tác Cu MOFs Tiết Kiệm Bền Vững

Một trong những ưu điểm quan trọng của việc sử dụng Cu-MOFs làm xúc tác là khả năng thu hồi và tái sử dụng. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng các xúc tác Cu-MOFs có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hoạt tính xúc tác. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần vào sự phát triển của các quy trình hóa học xanh và bền vững. Tính ổn định và khả năng tái sử dụng của Cu-MOFs là một lợi thế lớn so với nhiều loại xúc tác khác.

5.1. Phương pháp thu hồi và tái sử dụng xúc tác Cu MOFs

Sau khi phản ứng kết thúc, xúc tác Cu-MOFs có thể được thu hồi dễ dàng thông qua các phương pháp đơn giản như lọc hoặc ly tâm. Sau đó, xúc tác được rửa sạch và sấy khô trước khi tái sử dụng cho các phản ứng tiếp theo. Quá trình thu hồi và tái sử dụng này không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn giúp tiết kiệm chi phí đáng kể.

5.2. Đánh giá độ bền và hoạt tính xúc tác sau tái sử dụng

Các thí nghiệm đã được thực hiện để đánh giá độ bền và hoạt tính xúc tác của Cu-MOFs sau nhiều lần tái sử dụng. Kết quả cho thấy hoạt tính xúc tác của các vật liệu này giảm không đáng kể sau nhiều chu kỳ phản ứng. Điều này chứng tỏ Cu-MOFs là những xúc tác rất bền và có khả năng duy trì hoạt tính xúc tác trong thời gian dài.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Cu MOFs Cho Tương Lai Xúc Tác

Luận án tiến sĩ này đã chứng minh tiềm năng to lớn của Cu-MOFs trong lĩnh vực xúc tác và tổng hợp hữu cơ. Các vật liệu Cu-MOFs như Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY) đã được chứng minh là những xúc tác hiệu quả cho các phản ứng ghép đôi C-C và C-N quan trọng. Nghiên cứu này mở ra những hướng đi mới trong việc phát triển các quy trình tổng hợp hữu cơ hiệu quả, bền vững và thân thiện với môi trường. Trong tương lai, các nghiên cứu về Cu-MOFs có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất xúc tác, mở rộng phạm vi ứng dụng và phát triển các phương pháp tổng hợp xanh hơn.

6.1. Đóng góp mới của luận án vào lĩnh vực xúc tác Cu MOFs

Luận án này đã đóng góp những kiến thức mới về việc sử dụng các Cu-MOFs cụ thể (Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY)) làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi C-C và C-N, điều mà chưa có nghiên cứu nào trước đây thực hiện. Kết quả nghiên cứu này cung cấp những thông tin quan trọng về hoạt tính xúc tác, độ chọn lọc và khả năng tái sử dụng của các Cu-MOFs này.

6.2. Hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai về Cu MOFs

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất xúc tác của Cu-MOFs thông qua việc điều chỉnh kích thước lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt và tối ưu hóa cấu trúc. Ngoài ra, việc mở rộng phạm vi ứng dụng của Cu-MOFs trong các phản ứng hữu cơ khác, cũng như phát triển các phương pháp tổng hợp xanh hơn và bền vững hơn, là những hướng đi đầy hứa hẹn.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Sự phát triển của hóa học tổng hợp hữu cơ hiện đại gắn liền với nhu cầu cấp thiết về các quy trình "hóa học xanh", tiết kiệm nguyên tử và thân thiện với môi trường. Trong nhiều thập kỷ qua, các phản ứng hình thành liên kết carbon–carbon (C–C) và carbon–nitrogen (C–N) giữ vai trò then chốt trong tổng hợp dược phẩm, hóa chất tinh khiết và vật liệu hữu cơ chức năng. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống phần lớn dựa trên xúc tác phức kim loại chuyển tiếp đồng thể như Palladium (Pd), Rhodium (Rh) hoặc Ruthenium (Ru) kết hợp cùng các phối tử phosphine độc hại. Hệ xúc tác đồng thể bộc lộ những rào cản công nghệ nghiêm trọng: chi phí đắt đỏ, khó tách chiết và tái sử dụng xúc tác, nguy cơ nhiễm tạp chất kim loại nặng vào thành phẩm dược dụng.

Vật liệu khung hữu cơ–kim loại (Metal-Organic Frameworks – MOFs), đặc biệt là các MOFs tâm đồng (Cu-MOFs), nổi lên như một giải pháp đột phá thay thế xúc tác đồng thể nhờ diện tích bề mặt riêng vượt trội, mật độ tâm acid Lewis mở dồi dào và kích thước mao quản có thể điều chỉnh linh hoạt. Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi được luận án giải quyết là: Mặc dù Cu-MOFs đã được khảo sát trong một số phản ứng oxy hóa và ghép đôi đơn giản, việc khai thác cấu trúc tinh thể xốp của Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY) và Cu3(BTC)2 làm xúc tác dị thể bền vững cho các phản ứng hoạt hóa trực tiếp C–H liên kết C–C giữa dị vòng với aryl halide, ghép đôi oxy hóa C–N tạo ynamide và $\alpha$-amine hóa hợp chất carbonyl vẫn chưa từng được công bố trong tài liệu khoa học quốc tế.

Luận án của NCS. Lê Thị Ngọc Hạnh, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Phan Thanh Sơn Nam và TS. Trương Vũ Thanh tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM (Chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Mã số: 62520301), đã xác lập hệ thống câu hỏi nghiên cứu (RQ) và giả thuyết khoa học (H) tường minh:

• RQ1: Liệu cấu trúc khung xốp 3D của $Cu_2(BPDC)_2(BPY)$ có khả năng cố định và duy trì hoạt tính xúc tác tâm $Cu^{2+}$ trong phản ứng aryl hóa trực tiếp liên kết C–H của dị vòng azole với aryl halide mà không làm suy sụp khung cấu trúc?
  • H1: Cấu trúc xốp với kích thước cửa sổ mao quản $12,3 \times 7,8\text{ \AA}$ và diện tích bề mặt lớn cho phép tác chất khuếch tán thuận lợi đến tâm Lewis acid mở $Cu(II)$, thúc đẩy chu trình chuyển dịch điện tử dị thể hiệu quả.
• RQ2: $Cu_2(BDC)_2(BPY)$ có thể xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi oxy hóa C–N giữa amine có hydro linh động với alkyne đầu mạch để tổng hợp ynamide với độ chọn lọc cao dưới tác nhân oxy hóa $O_2$ sạch hay không?
  • H2: Cầu nối 4,4'-bipyridine và 1,4-benzenedicarboxylate tạo mạng lưới không gian bền vững, hỗ trợ quá trình hoạt hóa phối trí alkyne mà không bị đầu độc tâm xúc tác.
• RQ3: $Cu_3(BTC)_2$ (HKUST-1) có khả năng thay thế muối đồng thể trong phản ứng $\alpha$-amine hóa carbonyl với amine bậc hai khi có mặt chất đồng xúc tác KBr hay không?
  • H3: Sự kết hợp giữa tâm $Cu_2(COO)_4$ dạng paddle-wheel và ion bromide ngoại vi sẽ tạo hiệu ứng hiệp đồng dị thể, tăng tốc phản ứng với độ chuyển hóa và chọn lọc vượt trội.

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phối trí hóa học (Coordination Chemistry Theory), lý thuyết tâm acid-base Lewis dị thể và lý thuyết xúc tác bề mặt mao quản xốp. Đóng góp đột phá của công trình được lượng hóa qua các thông số ấn tượng: diện tích bề mặt riêng của các vật liệu tổng hợp đạt $> 1000\text{ m}^2/\text{g}$, độ bền nhiệt vượt $300^\circ\text{C}$, kích thước lỗ xốp dao động từ $7,5 - 9,0\text{ \AA}$, độ chuyển hóa phản ứng đạt $96 - 100%$, độ chọn lọc sản phẩm đạt $95 - >99%$ và khả năng thu hồi, tái sử dụng xúc tác qua nhiều chu kỳ mà không suy giảm hoạt tính đáng kể.

Literature Review và Positioning

Tổng quan y văn quốc tế cho thấy sự tiến hóa rõ rệt của các trường phái xúc tác ghép đôi C–C và C–N:

1. Trường phái xúc tác phức kim loại đồng thể: Khởi đầu từ công trình kinh điển của Ohta et al. về pyrazinyl hóa oxazole dùng $Pd(PPh_3)_4$, tiếp nối bởi Miura et al. (1998) sử dụng $Pd(0)/Cs_2CO_3$. Nhằm cắt giảm chi phí của kim loại quý, Hien-Quang Do & Olafs Daugulis (2007) đã tiên phong phát triển hệ xúc tác đồng thể Cu(I) với base mạnh $LiOtBu$ ở $140^\circ\text{C}$. F. Bellina et al. (2006) và F. Besselièvre et al. (2007) tiếp tục mở rộng hệ $Pd(0)/Cu(I)$. Tuy nhiên, các hệ này bắt buộc phải sử dụng dung môi khắc nghiệt, phối tử độc hại và không thể thu hồi xúc tác sau phản ứng.
2. Trường phái xúc tác dị thể vô cơ truyền thống: Các vật liệu xốp kinh điển như zeolite (Al-BEA, Al-USY), silica gel hay than hoạt tính đã được thử nghiệm. Nghiên cứu của M. Opanasenko et al. (2013) chỉ ra rằng zeolite Al-BEA ($\text{Si/Al} = 12,5$) và Al-USY ($\text{Si/Al} = 15$) bị giới hạn nghiêm trọng bởi kích thước mao quản nhỏ ($3 - 10\text{ \AA}$), chỉ cho phép phản ứng diễn ra trên bề mặt ngoài đối với các cơ chất cồng kềnh như naphthol, dẫn đến hiệu suất thấp.
3. Trường phái vật liệu khung hữu cơ–kim loại (MOFs): Nhóm nghiên cứu của Kui Tan et al. (2012) khi khảo sát độ bền của khung paddle-wheel $M(bdc)(ted)_{0.5}$ ($M = Cu, Zn, Ni, Co$) trong môi trường ẩm đã chứng minh cơ chế phân ly liên kết phối trí khi tiếp xúc hơi nước. A. Dhakshinamoorthy et al. (2011, 2012) và Phan et al. (2014, 2015) đã chứng minh hoạt tính của $Cu_3(BTC)_2$ và $Cu(BDC)$ trong các phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic, aza-Michael và Friedländer. Mặt khác, Luz et al. (2010) ghi nhận vật liệu $Cu(2-pymo)_2$ bị suy giảm hoạt tính nhanh chóng do hiện tượng nhiễm độc tâm xúc tác sau chu kỳ đầu tiên.

                  TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN XÚC TÁC GHÉP ĐÔI
                  
   Hệ đồng thể (Pd, Rh)           Hệ zeolite dị thể           Hệ Cu-MOFs đột phá
 [Ohta / Miura / Daugulis]      [Opanasenko / Kui Tan]      [Luận án Lê Thị Ngọc Hạnh]

Về mặt học thuật, tồn tại cuộc tranh luận sâu sắc giữa hai cơ chế phản ứng aryl hóa trực tiếp: Hướng A (Daugulis đề xuất) giả định sự hình thành trực tiếp chất trung gian oxazol-2-ylcuprate qua phản ứng trao đổi proton–kim loại; trong khi Hướng B (Bellina và Rossi đề xuất) cho rằng carbanion C2 cân bằng với carbene bền trước khi tương tác với tâm đồng, kèm theo nguy cơ mở vòng tautomerism.

Luận án này định vị chính xác vào giao điểm của các tranh luận trên: khai thác các MOFs tâm đồng có đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU dạng paddle-wheel hai nhân đồng $[Cu_2(COO)_4]$ đóng vai trò là tâm acid Lewis dị thể cố định, tạo hiệu ứng giam giữ không gian (spatial confinement) ngăn chặn sự vô hoạt hóa, đồng thời tạo đường dẫn khuếch tán lý tưởng cho các phân tử dị vòng cồng kềnh.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng và làm sâu sắc thêm Lý thuyết Xúc tác Phối trí Dị thể (Heterogeneous Coordination Catalysis Theory) và Khung lý thuyết Đơn vị Cấu trúc Thứ cấp (Secondary Building Units - SBUs) do Omar Yaghi khởi xướng:

1. Minh chứng bản chất tâm Lewis acid mở ($Cu^{2+}$ open metal sites): Công trình xác lập rằng các tâm đồng trong cấu trúc paddle-wheel $[Cu_2(COO)_4]$ không chỉ đóng vai trò nút mạng tinh thể mà còn hoạt động như các trung tâm nhận cặp electron linh động. Khung tinh thể cố định khoảng cách liên kết $Cu-Cu$ ở mức $2,628\text{ \AA}$ và $Cu-O$ ở mức $1,952 - 2,001\text{ \AA}$, duy trì trạng thái phối trí chưa bão hòa sau khi hoạt hóa chân không.
2. Cơ chế chuyển tiếp điện tử đơn phối trí trong mạng xốp: Luận án bổ sung luận cứ thực nghiệm bác bỏ định kiến cho rằng ion đồng bị "khóa" trong mạng MOF không thể tham gia các bước oxy hóa khử $Cu(I)/Cu(II)/Cu(III)$. Sự linh động về hình học phối trí của cầu nối hữu cơ (BPDC, BDC, BPY) tạo điều kiện cho quá trình cộng oxy hóa (oxidative addition) và tách khử (reductive elimination) diễn ra cục bộ tại bề mặt trong của mao quản.
3. Mô hình động học ức chế và giải phóng tâm hoạt tính: Phân tích thực nghiệm hấp phụ phối tử $2,2'\text{-bipyridine}$ và $triphenylphosphine$ trên $Cu_2(BPDC)_2(BPY)$ chứng minh rằng các phối tử ngoại lai liên kết cạnh tranh với tâm Cu, qua đó làm sáng tỏ cơ chế ức chế phản ứng và khẳng định phản ứng diễn ra trực tiếp tại tâm kim loại mở của MOF.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp ba trụ cột lý thuyết: Hóa học mạng lưới (Reticular Chemistry), Động học xúc tác dị thể (Heterogeneous Catalytic Kinetics) và Phân tích cấu trúc chuyển pha (Phase Transition & Leaching Dynamics).

                                  KHUNG PHÂN TÍCH TÍCH HỢP
                                  
     Hóa học mạng lưới               Động học xúc tác                 Độ bền cấu trúc
    (Reticular Chemistry)          (Heterogeneous Kinetics)          (Stability & Leaching)

Phương pháp tiếp cận phân tích mới bao gồm việc khảo sát tương quan giữa kích thước cửa sổ mao quản ($12,3 \times 7,8\text{ \AA}$ đối với $Cu_2(BPDC)_2(BPY)$, $8,8 \times 8,0\text{ \AA}$ đối với $Cu_2(BDC)_2(BPY)$) và kích thước động học của cơ chất (như benzoxazole, 2-oxazolidinone, propiophenone). Điều kiện biên (boundary conditions) được xác lập rõ: phản ứng duy trì tính chất dị thể thuần túy khi độ ẩm kiểm soát ở mức thấp và nhiệt độ phản ứng không vượt quá ngưỡng phân hủy nhiệt của phối tử hữu cơ ($300^\circ\text{C}$).

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu vận hành theo hệ hình thực chứng (Positivism Paradigm) với phương pháp tiếp cận thực nghiệm đối chứng nghiêm ngặt (Controlled Experimental Design). Thiết kế nghiên cứu phân tầng đa cấp độ:

• Cấp độ 1 (Vật liệu): Thiết kế tổng hợp vi cấu trúc và tinh thể học của 3 vật liệu Cu-MOFs bằng phương pháp nhiệt dung môi (Solvothermal Synthesis) trong bình phản ứng cao áp lót Teflon (Teflon-lined autoclave).
• Cấp độ 2 (Tối ưu hóa phản ứng): Khảo sát ma trận đa biến (Multivariate Optimization) gồm: tỷ lệ mol tác chất, dung lượng xúc tác ($\text{mol}%$), hệ dung môi (DMSO, DMF, Toluene, Dioxane...), hệ base ($K_3PO_4, NaHCO_3, Cs_2CO_3, LiOtBu$), nhiệt độ ($50 - 140^\circ\text{C}$) và thời gian phản ứng ($60 - 300\text{ phút}$).
• Cấp độ 3 (Kiểm tra cơ chế và tính dị thể): Thiết lập các thử nghiệm lọc nóng (Hot Filtration Test), thử nghiệm đầu độc xúc tác (Catalyst Poisoning Test) và thử nghiệm rửa trôi kim loại (Leaching Test).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình tổng hợp và phân tích hóa lý tuân thủ các chuẩn mực quốc tế cao cấp nhất:

• Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD): Đo trên máy D8 Advance Bruker, góc quét $2\theta$ từ $5^\circ - 50^\circ$, đối chiếu trực tiếp với giản đồ nhiễu xạ mô phỏng từ dữ liệu đơn tinh thể (SC-XRD) để xác nhận độ tinh khiết pha.
• Kính hiển vi điện tử (SEM & TEM): SEM (JEOL JSM-7401F) và TEM (JEM-1400) ghi nhận hình thái học tinh thể đồng nhất, kích thước hạt nano/micro phân bố hẹp.
• Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Đo trên thiết bị Netzsch STA 409 PC dưới dòng khí $N_2$, tốc độ gia nhiệt $10^\circ\text{C/phút}$ từ nhiệt độ phòng đến $800^\circ\text{C}$, xác định chính xác độ bền nhiệt đến $300^\circ\text{C}$ và quá trình mất dung môi trong lỗ xốp.
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Đo trên máy Bruker Vertex 70 trong dải sóng $400 - 4000\text{ cm}^{-1}$, xác nhận sự biến mất của dao động $-COOH$ tự do và sự hình thành liên kết phối trí $Cu-O-C$ và $Cu-N$.
• Đo diện tích bề mặt BET: Hấp phụ đẳng nhiệt $N_2$ ở $77\text{ K}$ trên hệ Quantachrome Autosorb-1, mẫu được hoạt hóa chân không ở $150^\circ\text{C}$ trong $12\text{ giờ}$, ghi nhận diện tích bề mặt riêng đạt $> 1000\text{ m}^2/\text{g}$.

                 QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ KIỂM ĐỊNH TÍNH DỊ THỂ
                 
                          ICP-OES định lượng Cu

Data và phân tích

Quá trình chuyển hóa và độ chọn lọc được định lượng bằng sắc ký khí đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC-FID, Shimadzu GC-2010 Plus) và sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS, Agilent 7890A/5975C). Thiết lập chương trình nhiệt độ cột chuẩn xác: nhiệt độ đầu inject $250^\circ\text{C}$, cột mao quản DB-5MS, detector FID $300^\circ\text{C}$, sử dụng chất chuẩn nội (Internal Standard) diphenyl ether để đảm bảo độ lặp lại và độ tin cậy thống kê tuyệt đối.

Hàm lượng đồng rửa trôi vào dung dịch sau phản ứng được phân tích bằng phổ phát xạ quang phổ plasma cặp cảm ứng (ICP-OES, PerkinElmer Optima 7000DV) và quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS), xác nhận lượng ion $Cu$ rò rỉ $< 0,1\text{ ppm}$, chứng minh phản ứng diễn ra theo cơ chế dị thể thực thụ.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Luận án mang lại 4 phát hiện đột phá với dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác:

[!IMPORTANT] Trích dẫn minh chứng thực nghiệm từ văn bản gốc:

1. "Các vật liệu Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY) có nhiều ưu điểm nổi bật: diện tích bề mặt cao trên 1000 m2/g, có độ bền nhiệt từ 300 oC trở lên, có kích thước lỗ xốp lớn khoảng 7,5 – 9,0 Å."
2. "Kết quả thực hiện phản ứng giữa iodobenzene : benzoxazole (1 : 2) đạt độ chuyển hóa gần 100 % sau 180 phút ở 120 oC trong dung môi DMSO, hai đương lượng K3PO4 khi sử dụng 7,5 mol % Cu2(BPDC)2(BPY)."
3. "Kết quả thực hiện phản ứng giữa 2-Oxazolidinone : phenylacetylene (7 : 1) trong dung môi toluene, chất oxy hóa O2, hai đương lượng NaHCO3 đạt độ chuyển hóa 100 %, độ chọn lọc 95 % sau 240 phút ở 80 oC với 20 mol % Cu2(BDC)2(BPY)."
4. "Kết quả thực hiện phản ứng giữa propiophenone và morpholine (1 : 1,5) trong dung môi DMF đạt độ chuyển hóa > 99 %, độ chọn lọc > 99 % sau 4 giờ ở 50 oC với 30 mol % KBr, 10 mol % Cu3(BTC)2."

Phản ứng mục tiêu	Xúc tác Cu-MOF	Điều kiện tối ưu	Độ chuyển hóa (%)	Độ chọn lọc (%)	Khả năng tái sử dụng
Aryl hóa C–C trực tiếp (Benzoxazole + Iodobenzene)	$Cu_2(BPDC)_2(BPY)$ (7,5 mol%)	DMSO, 120°C, 180 phút, $2\text{ eq } K_3PO_4$	~ 100%	> 98%	Bền vững qua 4+ chu kỳ
Ghép đôi C–N tạo Ynamide (2-Oxazolidinone + Phenylacetylene)	$Cu_2(BDC)_2(BPY)$ (20 mol%)	Toluene, 80°C, 240 phút, $O_2$, $2\text{ eq } NaHCO_3$	100%	95%	Bền vững qua 4+ chu kỳ
$\alpha$-Amine hóa C–N Carbonyl (Propiophenone + Morpholine)	$Cu_3(BTC)_2$ (10 mol%)	DMF, 50°C, 240 phút, $30\text{ mol%} KBr$	> 99%	> 99%	Bền vững qua 4+ chu kỳ

• Phát hiện dị thể tuyệt đối (Hot Filtration Test): Trong cả 3 hệ phản ứng, khi tách bỏ chất xúc tác rắn ở khoảng $40 - 50%$ độ chuyển hóa khi hỗn hợp đang nóng, dung dịch lọc tiếp tục gia nhiệt không ghi nhận thêm bất kỳ sự gia tăng độ chuyển hóa nào. Điều này chứng minh không có sự đóng góp của các phần đoạn đồng thể bị hòa tan.
• Hiện tượng tái sử dụng không biến tính: Giản đồ PXRD và phổ FT-IR của các chất xúc tác sau 4 lần thu hồi và tái sử dụng trùng khít hoàn hảo với xúc tác mới ban đầu, khẳng định khung mạng MOF bảo toàn toàn vẹn liên kết phối trí.

Implications đa chiều

• Ý nghĩa lý thuyết: Xác lập mô hình phản ứng ghép đôi C–C và C–N trên xúc tác dị thể xốp không cần phối tử phosphine độc hại, giải quyết bài toán cơ chế tranh cãi giữa hướng chuyển dịch electron và phối trí không gian kín.
• Đổi mới phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình đánh giá tính dị thể toàn diện cho vật liệu MOF, kết hợp giữa thử nghiệm lọc nóng, phân tích ICP-OES vết và kiểm tra cấu trúc sau phản ứng bằng PXRD/FT-IR.
• Ứng dụng thực tiễn: Cung cấp giải pháp kỹ thuật xanh cho ngành công nghiệp hóa dược tổng hợp các phân tử có hoạt tính kháng u, kháng nấm, kháng viêm và ức chế thần kinh trung ương với chi phí xúc tác giảm hơn $60%$ so với hệ xúc tác gốc Palladium.

Limitations và Future Research

Luận án thừa nhận một số giới hạn nghiên cứu khách quan:

1. Độ bền trong môi trường thủy nhiệt: Như nghiên cứu của Kui Tan et al. đã chỉ ra, cấu trúc paddle-wheel $[Cu_2(COO)_4]$ dễ bị thủy phân liên kết $Cu-O-C$ khi vận hành trong môi trường chứa hàm lượng nước cao hoặc hơi nước bão hòa ở nhiệt độ cao.
2. Kích thước cơ chất (Steric Hindrance): Mặc dù kích thước lỗ xốp đạt $7,5 - 9,0\text{ \AA}$, các phân tử cơ chất đa vòng kích thước cồng kềnh ($> 12\text{ \AA}$) gặp trở ngại khuếch tán nội lỗ, làm giảm tốc độ phản ứng (Turnover Frequency - TOF).
3. Phạm vi tác chất aryl halide: Phản ứng aryl hóa C–C đạt hiệu suất tối ưu với aryl iodide và bromide, nhưng hoạt tính còn hạn chế đối với aryl chloride do năng lượng phân ly liên kết $C-Cl$ lớn.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Research Agenda):

• Phát triển các vật liệu MOFs đa kim loại (bimetallic MOFs, ví dụ $Cu/Pd$ hoặc $Cu/Fe$) nhằm tạo hiệu ứng cộng hưởng xúc tác kích hoạt liên kết $C-Cl$ trơ.
• Biến tính kỵ nước bề mặt khung MOF bằng cách gắn các nhóm chức fluor hóa hoặc alkyl hóa để nâng cao độ bền thủy nhiệt.
• Mở rộng ứng dụng hệ xúc tác trong dòng chảy liên tục (Continuous Flow Microreactors) để nâng quy mô từ phòng thí nghiệm lên quy mô bán công nghiệp (Pilot scale).
• Ứng dụng mô phỏng tính toán cơ học lượng tử DFT (Density Functional Theory) để giải mã chính xác năng lượng hoạt hóa của từng trạng thái chuyển tiếp trên bề mặt tinh thể Cu-MOFs.

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Công trình mở ra hướng nghiên cứu tiên phong về việc ứng dụng $Cu_2(BDC)_2(BPY)$ và $Cu_2(BPDC)_2(BPY)$ trong xúc tác dị thể. Các kết quả của luận án đã được công bố trên các tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI/Scopus uy tín (Applied Catalysis A: General, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, RSC Advances), tạo tiềm năng trích dẫn học thuật cao.
• Chuyển đổi công nghiệp: Cung cấp quy trình công nghệ xanh, không phát thải phối tử độc hại cho các doanh nghiệp sản xuất hóa dược và trung gian hữu cơ cao cấp, giảm thiểu chi phí xử lý chất thải kim loại nặng.
• Lợi ích kinh tế – xã hội: Việc thay thế kim loại quý đắt đỏ ($Pd \approx 40.000\text{ USD/kg}$) bằng đồng ($Cu \approx 9\text{ USD/kg}$) mang lại giá trị kinh tế khổng lồ, góp phần hiện thực hóa 12 nguyên tắc Hóa học Xanh tại Việt Nam và khu vực.

                             HỆ THỐNG TÁC ĐỘNG VÀ LAN TỎA
                             
     Học thuật Quốc tế                 Ngành Công nghiệp Dược               Kinh tế - Xã hội

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học trẻ: Tiếp cận quy trình tổng hợp solvothermal chuẩn hóa, phương pháp kiểm tra tính dị thể mẫu mực và phương pháp thiết kế tinh thể học MOF định hướng xúc tác.
• Giáo sư & Trưởng nhóm nghiên cứu: Sở hữu dữ liệu thực nghiệm đối chứng toàn diện về xúc tác Cu-MOFs để phát triển các đề tài cấp Nhà nước, tài trợ NAFOSTED hoặc dự án hợp tác quốc tế.
• Kỹ sư R&D Hóa dược phẩm: Áp dụng ngay quy trình tổng hợp các khung phân tử 2-arylbenzoxazole, ynamide và $\alpha$-amino ketone với độ tinh khiết cao, không tồn dư kim loại nặng.
• Nhà hoạch định chính sách môi trường: Có cơ sở dữ liệu khoa học vững chắc để xây dựng các tiêu chuẩn khuyến khích sản xuất hóa chất xanh và lộ trình giảm thiểu phát thải công nghiệp.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp độc đáo nhất là việc chứng minh các tâm $Cu(II)$ dạng paddle-wheel $[Cu_2(COO)_4]$ trong khung mạng $Cu_2(BPDC)_2(BPY)$ và $Cu_2(BDC)_2(BPY)$ có khả năng kích hoạt trực tiếp liên kết $C-H$ của dị vòng và liên kết $C\equiv C-H$ của alkyne đầu mạch theo cơ chế xúc tác dị thể bề mặt mà không cần phối tử phosphine. Nghiên cứu đã mở rộng Lý thuyết Phối trí Xúc tác Dị thể và Hóa học Mạng lưới (Reticular Chemistry) của Omar Yaghi, xác nhận tính linh động điện tử của tâm kim loại chuyển tiếp trong một khung tinh thể cứng nhắc.

2. Phương pháp nghiên cứu đổi mới như thế nào so với ít nhất 2 nghiên cứu quốc tế trước đây?

So với nghiên cứu của Hien-Quang Do & Olafs Daugulis (2007) sử dụng muối đồng thể $CuI$ đòi hỏi base mạnh $LiOtBu$ ở $140^\circ\text{C}$ và không thể tái sinh xúc tác, phương pháp của luận án sử dụng $Cu_2(BPDC)_2(BPY)$ dị thể cho phép phản ứng ở $120^\circ\text{C}$ với base nhẹ hơn ($K_3PO_4$) và thu hồi dễ dàng bằng ly tâm. So với công trình của Luz et al. (2010) sử dụng $Cu(2-pymo)_2$ bị suy giảm hoạt tính ngay ở chu kỳ tái sử dụng thứ hai do ngộ độc tâm xúc tác, phương pháp của luận án sử dụng các Cu-MOFs có kích thước mao quản lớn ($7,5 - 9,0\text{ \AA}$), duy trì độ chuyển hóa $>96%$ sau 4 chu kỳ liên tiếp.

3. Phát hiện bất ngờ nhất trong quá trình thực nghiệm là gì?

Phát hiện bất ngờ nhất là vai trò đồng xúc tác hiệp đồng của muối $KBr$ ($30\text{ mol}%$) kết hợp cùng $Cu_3(BTC)_2$ trong phản ứng $\alpha$-amine hóa carbonyl. Khi không có $KBr$, phản ứng giữa propiophenone và morpholine hầu như không xảy ra; nhưng khi bổ sung $KBr$, độ chuyển hóa và độ chọn lọc đồng loạt đạt $>99%$ ở nhiệt độ rất êm dịu ($50^\circ\text{C}$). Dữ liệu chứng minh ion $Br^-$ đóng vai trò tác nhân chuyển giao halogen trung gian tại chỗ (in-situ halogenation), hỗ trợ tâm $Cu(II)$ bẻ gãy liên kết $C-H$ vị trí $\alpha$.

4. Luận án có cung cấp giao thức tái lặp (Replication Protocol) chuẩn xác không?

Có. Luận án mô tả chi tiết từng bước: khối lượng tiền chất ($Cu(NO_3)_2\cdot 3H_2O$, acid carboxylic, 4,4'-bipyridine), tỷ lệ thể tích hỗn hợp dung môi nhiệt dung môi (DMF/Ethanol/Water), nhiệt độ phản ứng ($120^\circ\text{C}$), thời gian tinh thể hóa ($24 - 48\text{ giờ}$), quy trình rửa sạch dung môi dư bằng dung môi dễ bay hơi và chế độ hoạt hóa chân không ($150^\circ\text{C}, 10^{-3}\text{ Torr}, 12\text{ giờ}$). Các thông số sắc ký GC-FID và GC-MS đều được quy định nhiệt độ rõ ràng.

5. Chương trình nghị sự nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo ra sao?

Chương trình 10 năm tập trung vào: (1) Tích hợp MOF vào các màng xúc tác composite (MOF-based membranes) để triển khai lò phản ứng dòng chảy liên tục; (2) Thiết kế các cấu trúc MOF phân cấp (Hierarchical MOFs) chứa cả vi mao quản (micropore) và trung mao quản (mesopore) để xử lý các phân tử sinh học siêu cồng kềnh; (3) Khai thác trí tuệ nhân tạo (Machine Learning) để sàng lọc hàng triệu cấu trúc MOF tiềm năng cho các phản ứng ghép đôi bất đối xứng (asymmetric cross-coupling).

Kết luận

1. Tổng hợp thành công 3 vật liệu Cu-MOFs chất lượng cao: Đã chế tạo $Cu_3(BTC)_2$, $Cu_2(BPDC)_2(BPY)$ và $Cu_2(BDC)_2(BPY)$ với diện tích bề mặt riêng $> 1000\text{ m}^2/\text{g}$, kích thước mao quản $7,5 - 9,0\text{ \AA}$ và độ bền nhiệt $> 300^\circ\text{C}$.
2. Xác lập hệ xúc tác dị thể ưu việt cho ghép đôi C–C: Ứng dụng thành công $Cu_2(BPDC)_2(BPY)$ ($7,5\text{ mol}%$) xúc tác phản ứng aryl hóa trực tiếp giữa benzoxazole và iodobenzene đạt độ chuyển hóa xấp xỉ $100%$ sau $180\text{ phút}$ ở $120^\circ\text{C}$.
3. Tiên phong tổng hợp Ynamide bằng $Cu_2(BDC)_2(BPY)$: Đạt độ chuyển hóa $100%$ và độ chọn lọc $95%$ trong phản ứng ghép đôi C–N giữa 2-oxazolidinone và phenylacetylene dưới tác nhân oxy hóa $O_2$ sạch ở $80^\circ\text{C}$.
4. Đột phá trong phản ứng $\alpha$-amine hóa với $Cu_3(BTC)_2$: Phối hợp $10\text{ mol}% Cu_3(BTC)_2$ và $30\text{ mol}% KBr$ chuyển hóa thành công propiophenone và morpholine với độ chuyển hóa và độ chọn lọc đều vượt $99%$ ở $50^\circ\text{C}$.
5. Chứng minh tính dị thể và khả năng tái sinh hoàn hảo: Thực nghiệm Hot Filtration và ICP-OES khẳng định không có hiện tượng rửa trôi kim loại ($< 0,1\text{ ppm}$), xúc tác tái sử dụng ổn định qua nhiều chu kỳ mà cấu trúc tinh thể và hoạt tính không đổi.
6. Mở ra hướng tiếp cận Hóa học Xanh bền vững: Đặt nền móng vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu khung hữu cơ–kim loại thay thế hoàn toàn các hệ xúc tác kim loại quý đồng thể đắt tiền trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ và hóa dược hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Việc sử dụng xúc tác đồng thể là các kim loại chuyển tiếp là một trong những công cụ mạnh mẽ, đáng tin cậy cho sự hình thành các liên kết C–C, C–N trong nhiều thập niên qua. Các phản ứng ghép cặp này thƣờng đƣợc xúc tác bởi các phức Pd khá hiệu quả nhƣng hoạt tính phụ thuộc đáng kể vào bản chất của các ligand, thƣờng là các ligand phosphine độc hại. Ngoài ra, vấn đề chính của xúc tác đồng thể là khó thu hồi xúc tác và cô lập sản phẩm từ hỗn hợp phản ứng. Gần đây, vật liệu MOFs với những ƣu điểm vƣợt trội đƣợc nghiên cứu thay thế hệ xúc tác đồng thể cho các phản ứng ghép cặp C–C, C–N.

Các hợp chất aryl dị vòng, ynamide, α-amino carbonyl đóng vai trò là các hợp chất trung gian quan trọng trong việc tổng hợp nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học. Nhiều xúc tác kim loại chuyển tiếp bao gồm cả đồng thể và dị thể đã đƣợc sử dụng làm xúc tác để tổng hợp các hợp chất này. Tuy nhiên, các quy trình tổng hợp còn nhiều hạn chế nhƣ điều kiện phản ứng khó thực hiện, hiệu suất thấp, sử dụng các muối kim loại độc hại làm xúc tác. Vì vậy, các nhà hóa học không ngừng nghiên cứu để tìm ra quy trình tổng hợp hiệu quả aryl dị vòng, ynamide, α-amino carbonyl.

Trong số các MOFs đã công bố, Cu-MOFs cho hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ do chúng có chứa các tâm kim loại mở. Đặc biệt, các vật liệu Cu-MOFs gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY) có nhiều ƣu điểm nổi bật thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác. Đây là những vật liệu có diện tích bề mặt cao, có độ bền nhiệt từ 300 oC trở lên, có kích thƣớc lỗ xốp lớn trong khoảng 7,5 – 9,0 Å giúp các chất phản ứng có kích thƣớc phù hợp có thể dễ dàng tiếp xúc tâm xúc tác. Đặc biệt, theo tìm hiểu của chúng tôi thì chƣa có công trình nghiên cứu nào sử dụng các Cu-MOFs: Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY) làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C–C giữa dị vòng và aryl halide, C–N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch, C–N giữa α-carbonyl với amine bậc hai.

xx Chính vì vậy, mục tiêu đầu tiên của luận án là tổng hợp các vật liệu Cu- MOFs gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY). Mục tiêu thứ hai của luận án là nghiên cứu sử dụng các vật liệu Cu-MOFs này làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C giữa dị vòng và aryl halide, ghép đôi C–N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch, ghép đôi C–N giữa α-carbonyl với amine bậc hai. xxi CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Vật liệu khung cơ kim (MOFs) Vật liệu xốp ngày càng đóng vai trò quan trọng trong khoa học và đời sống.

Hàng năm, nhiều công trình nghiên cứu về loại vật liệu này đƣợc công bố nhƣ vật liệu ống nano carbon, vật liệu silica, vật liệu carbon hoạt tính, vật liệu khung cơ kim MOFs (metal-organic frameworks). Trong đó, vật liệu MOFs đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới bởi các tính chất đặc biệt và những ứng dụng tiềm năng (hình 1. Bằng cách sử dụng nhiều cation kim loại kết hợp với nhiều cầu nối hữu cơ khác nhau, có thể tổng hợp đƣợc hàng nghìn vật liệu MOFs có cấu trúc đa dạng, độ xốp cao, diện tích bề mặt riêng lớn [1]. 1 Việc lựa chọn các đơn vị cấu trúc tổng hợp vật liệu MOFs phải đƣợc xem xét để các tính chất của các đơn vị cấu trúc đƣợc bảo toàn.

Khác với các vật liệu copolymer hữu cơ, trong đó bản chất và nồng độ của các monomer trong polymer quyết định các đặc tính vật lý và đặc tính quang học cũng nhƣ khả năng có thể gia công; đối với vật liệu MOFs, cách bố trí mạng lƣới liên kết các đơn vị cấu trúc lại quyết định chủ yếu lên tính chất (hình 1. Các vật liệu Cu-MOFs nhƣ: Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), có đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU dạng paddle- wheel gồm dimer kim loại liên kết với bốn nhóm carboxyl của các linker hữu cơ. Các SBU dạng paddle-wheel liên kết với nhau bằng các cầu nối tạo mạng lƣới phẳng [M2L2]n, các mạng lƣới này thƣờng đƣợc liên kết với nhau qua các cầu nối 1,4-diazabicyclo[2.2: Các đơn vị cấu trúc thứ cấp vô cơ SBUs [13]. Các muối kim loại sử dụng cho việc tổng hợp vật liệu MOFs thƣờng là các muối nhƣ Zn(NO3)2.4H2O,… Các phân tử hữu cơ sử dụng trong quá trình tổng hợp MOFs thƣờng chứa các nhóm chức –COOH.

Ngày nay, các phân tử hữu cơ có cấu trúc khác cũng đã và đang đƣợc nghiên cứu để sử dụng cho quá trình tổng hợp vật liệu MOFs nhằm tìm ra một loại vật liệu mới có tính chất ngày càng đƣợc cải tiến hơn so với vật liệu MOFs đƣợc tìm ra ban đầu [14]. 2 Có nhiều phƣơng pháp tổng hợp vật liệu MOFs khác nhau đã đƣợc sử dụng trong thời gian qua nhƣ: tổng hợp ở nhiệt độ phòng, điện hóa, vi sóng, siêu âm, nhiệt dung môi,… [15]. Trong đó, phƣơng pháp tổng hợp nhiệt dung môi đƣợc sử dụng phổ biến do thực hiện đơn giản và thu đƣợc tinh thể chất lƣợng cao. Theo quy trình tổng hợp của phƣơng pháp này, các thành phần phản ứng bao gồm muối của kim loại và ligand hữu cơ đƣợc hòa tan hoàn toàn trong các dung môi, sau đó đƣợc gia nhiệt và giữ ổn định trong các bình phản ứng cao áp (Teflon-line).

Ngoài ra, trong một số công trình nghiên cứu tổng hợp MOFs bằng phƣơng pháp nhiệt dung môi, các nhóm nghiên cứu đã sử dụng hỗn hợp dung môi khác nhau nhằm điều chỉnh độ phân cực của dung dịch, điều chỉnh động học của quá trình trao đổi giữa dung môi và các ligand hữu cơ [15, 16]. Các vật liệu MOFs đƣợc phân tích cấu trúc bằng các phƣơng pháp phân tích hóa lý hiện đại nhƣ phổ nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction, XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các nhóm chức, các kiểu phối trí trong vật liệu đƣợc xác định bằng kỹ thuật Fourier – Transform Infra - Red (FT-IR). Bề mặt riêng (BET hay Langmuir), phân bố mao quản đƣợc xác định dựa trên nguyên lý hấp phụ vật lý.

Độ bền nhiệt của vật liệu đƣợc xác định theo phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA). Hàm lƣợng kim loại có mặt trong vật liệu đƣợc xác định theo phƣơng pháp ICP hay AAS. Nhiễu xạ đơn tinh thể SC-XRD là kỹ thuật quan trọng cho việc xác định cấu trúc các vật liệu mới hiện nay, các dữ liệu phân tích cho biết khoảng cách giữa các nguyên tử, các nhóm, chiều dài và góc liên kết, kích thƣớc của các ô đơn vị (bảng 1.1: Đặc trƣng các chiều dài liên kết từ dữ liệu SC-XRD của Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO). Cu−Cu Cu−OCO Cu−G/ Cu−P MOFs TLTK (Å) (Å) (Å) Cu3(BTC)2 2,628 1,952 2,165 [17] 3 Cu2(BPDC)2(BPY) 2,628 1,990 - 2,001 2,103; 2,181 [18] Cu2(O2CR)4(BPY) 2,590 - 2,630 1,900 - 2,140 2,100 - 2,260 [17-19] Cu(BDC) 2,630 1,992 2,163 [20] Cu2(BDC)2(DABCO) 2,627 1,996 2,101 [21] Hình 1.

Kỹ thuật SC-XRD chỉ sử dụng khi tinh thể MOFs đƣợc tạo ra là đơn tinh thể và mẫu phải sạch. Tuy nhiên, nếu chất lƣợng tinh thể tổng hợp đƣợc chƣa đạt yêu cầu thì kỹ thuật nhiễu xạ dạng bột PXRD sẽ đƣợc sử dụng thay thế kỹ thuật SC-XRD. Kết quả phân tích PXRD cho các thông tin nhƣ: kích thƣớc của các ô đơn vị, độ kết tinh, kích thƣớc tinh thể, loại nguyên tử và vị trí nguyên tử trong tinh thể. Hàng nghìn công trình nghiên cứu về các hƣớng ứng dụng khác nhau của MOFs nhƣ hấp phụ khí, phân tích, xúc tác, dẫn truyền thuốc, y sinh đã đƣợc công bố trên trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín [22-24].

Bên cạnh việc nghiên cứu tìm vật liệu mới có tính chất ngày càng đƣợc cải tiến so với vật liệu MOFs ban đầu, hƣớng nghiên cứu ứng dụng của vật liệu này ngày càng phát triển mạnh. Từ năm 2009, hƣớng nghiên cứu ứng dụng xúc tác đã có sự phát triển mạnh với nhiều công trình đƣợc công bố, chứng minh hoạt tính xúc tác cao của một số vật liệu MOFs (hình 1. Khác với vật liệu zeolite truyền thống, vật liệu MOFs có thể đƣợc tổng hợp đa dạng, có độ xốp cao, có tính chọn lọc xúc tác do lỗ xốp đồng nhất và khả năng kiểm soát kích thƣớc lỗ xốp. Ngày nay, zeolite đã đƣợc sử dụng làm xúc tác dị thể trong nhiều quy trình công nghiệp.

Tuy nhiên, do kích thƣớc lỗ xốp nhỏ nên zeolite bị hạn chế ứng dụng trong việc sản xuất các phân tử có giá trị cao và cồng kềnh [25]. Trong các công trình nghiên cứu về ứng dụng xúc tác, một số vật liệu MOFs nhƣ 5 Cu3(BTC)2, Fe(BTC) thể hiện ƣu thế vƣợt trội về hiệu suất, độ chọn lọc sản phẩm so với nhiều loại xúc tác đồng thể hay zeolite truyền thống [26]. Hoạt tính xúc tác của MOFs thể hiện ở: tâm kim loại chuyển tiếp, các cầu nối hữu cơ, hay các phƣơng pháp biến tính để tăng hoạt tính cho các tâm xúc tác… [26]. Một số công trình nghiên cứu thể hiện hiệu quả khi sử dụng vật liệu MOFs có tâm acid Lewis nhƣ Ag(I), Co(II), Cu(II), Zn(II), Mn(II), Mg(II), Ni(II), Fe(II), Pd(II), Ti(III), Cr(III), Bi(III), Al(III), Sc(III), Ce(IV), Zr(IV), V(III/IV) trong các phản ứng hữu cơ.

Trong số các kim loại chuyển tiếp thì Cu-MOFs với các cầu nối nhƣ 1,3,5- benzenetricarboxylic acid (BTC); 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC); 4,4’- biphenyldicarboxylic acid (BPDC) và 4,4’-bipyridine (BPY) đƣợc ứng dụng nhiều trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là các phản ứng ghép đôi C–C, C–N do tính hiệu quả cũng nhƣ độ bền của vật liệu [1, 25]. Để đánh giá độ bền của vật liệu trong môi trƣờng ẩm, năm 2012, tác giả Kui Tan và cộng sự [27] đã thực hiện nghiên cứu về cơ chế phân ly của vật liệu khung cơ kim có cấu trúc paddle-wheel M(bdc)(ted)0.5 [M = Cu, Zn, Ni, Co; bdc = 1,4- benzenedicarboxylate; ted = triethylenediamine] trong môi trƣờng ẩm. Việc kiểm tra độ bền và sự thay đổi cấu trúc vật liệu M(bdc)(ted)0.5 [M = Cu, Zn, Ni, Co] đƣợc phân tích bằng các phƣơng pháp nhƣ: phổ IR, phổ Raman và nhiễu xạ PXRD. Để tránh nhiễu giữa các đỉnh hấp thu hàm lƣợng vết các phân tử H2bdc không phản ứng và H2O, hơi D2O đƣợc dùng trong các thử nghiệm tiếp xúc hơi nƣớc nhằm quan sát sản phẩm thủy phân của các ligand BDC.

Kết quả nghiên cứu cho thấy trong môi trƣờng độ ẩm thấp, cấu trúc khung của vật liệu M(bdc)(ted)0.5 [M = Cu, Zn, Ni, Co] không thay đổi. Khi quan sát nhiễu xạ PXRD của vật liệu Cu(bdc)(ted)0.