Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu nano từ cufe2o4 trên phản ứng tạo a ketoamide giữa phenylglyoxal và pyrrolidine

Luận văn nghiên cứu hoạt tính xúc tác của vật liệu nano từ CuFe2O4 trong phản ứng tạo α-ketoamide từ phenylglyoxal và pyrrolidine. Ứng dụng trong công nghệ hóa học.

• Tác giả: Nguyễn Thị Minh Thư
• Người hướng dẫn: TS. Trương Vũ Thanh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ hóa học
• Đề tài: Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu nano từ CuFe2O4 trên phản ứng tổng hợp α-ketoamide giữa phenylglyoxal và pyrrolidine
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC SƠ ĐỒ
• DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• PHẦN MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu của đề tài
• Nội dung của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Hạt nano từ tính
• 1.1.1. Các ứng dụng của hạt nano từ tính
• 1.1.2. Các phương pháp tổng hợp
• 1.2. Phản ứng ghép đôi C-N tổng hợp α-ketoamide
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Các phương pháp phân tích
• 2.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của CuFe2O4 trên phản ứng ghép đôi C–N giữa amine và α-carbonyl aldehyde
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Xác định một số tính chất đặc trưng vật liệu nano từ CuFe2O4
• 3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác nano từ CuFe2O4 trong phản ứng ghép đôi C-N
• 3.2.1. Xây dựng đường chuẩn
• 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian
• 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ tác chất phản ứng
• 3.2.5. Ảnh hưởng của dung môi
• 3.2.6. Ảnh hưởng của hàm lượng mol% xúc tác
• 3.2.7. Ảnh hưởng của các xúc tác nano từ khác
• 3.2.8. Ảnh hưởng của xúc tác đồng thể
• 3.2.9. Vai trò ligand hữu cơ
• 3.2.10. Ảnh hưởng của tác nhân oxi hóa
• 3.2.11. Khảo sát tính dị thể của xúc tác
• 3.2.12. Thu hồi và tái sử dụng xúc tác
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan CuFe2O4 nano từ tính Ứng dụng 55 ký tự

Trong bối cảnh hóa học xanh ngày càng được chú trọng, việc sử dụng chất xúc tác dễ thu hồi và tái sử dụng trở nên vô cùng quan trọng. Xúc tác đồng thể tuy có nhiều ưu điểm như dễ hòa tan, tác chất dễ tiếp xúc tâm hoạt tính và hoạt tính cao, nhưng lại gặp khó khăn trong việc tinh chế sản phẩm, tốn kém chi phí. Để khắc phục điều này, chuyển sang các hệ xúc tác dị thể hứa hẹn cải thiện khả năng tách, thu hồi và tái sử dụng mà vẫn đảm bảo khả năng xúc tác. Hạt nano từ tính nổi lên như một giải pháp tiềm năng với nhiều ưu điểm vượt trội.

1.1. Hạt nano CuFe2O4 từ tính Định nghĩa và đặc tính

Hạt nano từ tính được định nghĩa là các hạt rắn có kích thước từ 1-100nm, có thể ở dạng không kết tinh, tập hợp các tinh thể hoặc đơn tinh thể. Chúng thu hút sự quan tâm lớn trong nhiều lĩnh vực như xúc tác, công nghệ sinh học, và xử lý môi trường. Ưu điểm của chúng bao gồm bề mặt riêng lớn, năng lượng bề mặt lớn, tính siêu thuận từ (dễ thu hồi), chi phí thấp, ít độc hại và độ bền nhiệt, hóa học cao. Theo tài liệu nghiên cứu, khi không có từ trường ngoài, vật liệu sẽ không thể hiện từ tính. Ngay khi tiếp xúc với từ trường ngoài các hạt vật liệu này thể hiện tính chất tương tự như vật liệu thuận từ. Tính siêu thuận từ giúp nano từ tính dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp.

1.2. Ưu điểm vượt trội của xúc tác nano từ tính

So với các vật liệu truyền thống, xúc tác nano từ tính thể hiện nhiều ưu điểm đáng kể. Kích thước nhỏ và tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn tạo ra các tính chất đặc biệt. Tính siêu thuận từ giúp nano từ tính dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp, đây là yếu tố then chốt cho việc thu hồi xúc tác và đơn giản hóa quá trình tinh chế sản phẩm. Bên cạnh đó, khả năng phân tán cao cũng đóng góp vào hiệu quả xúc tác. Theo nguồn tài liệu, cùng với những ưu điểm như kích thước nhỏ, bề mặt riêng lớn, khả năng phân tán cao, tính siêu thuận từ ngay ở nhiệt độ phòng, hạt nano ngày càng được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác

II. Vấn đề Hạn chế của xúc tác truyền thống Giải pháp 57 ký tự

Các phương pháp tổng hợp α-ketoamide hiện nay vẫn còn tồn tại những hạn chế nhất định. Việc sử dụng xúc tác đồng thể gây khó khăn trong quá trình thu hồi và tái sử dụng, dẫn đến lãng phí và tăng chi phí sản xuất. Ngoài ra, một số phương pháp còn sử dụng các chất hỗ trợ độc hại, gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tổng hợp α-ketoamide mới, thân thiện với môi trường và hiệu quả hơn là vô cùng cần thiết. Xúc tác CuFe2O4 nano từ tính nổi lên như một giải pháp tiềm năng.

2.1. Tổng quan về α Ketoamide và ứng dụng thực tiễn

α-ketoamide và các dẫn xuất của chúng là những hợp chất quan trọng, đóng vai trò trung gian trong quá trình chuyển hóa thành nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học và dược tính cao. Ứng dụng của chúng trải rộng trong nhiều lĩnh vực, từ dược phẩm đến nông nghiệp. Do đó, việc tìm kiếm các phương pháp tổng hợp hiệu quả và bền vững cho α-ketoamide là một vấn đề được quan tâm hàng đầu. Từ tài liệu nghiên cứu, α-ketoamide và dẫn xuất của chúng là một trong các hợp chất quan trọng đóng vai trò trung gian để chuyển hóa thành nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học và dược tính cao [3].

2.2. Thách thức trong tổng hợp α Ketoamide Cần giải pháp mới

Mặc dù đã có nhiều báo cáo về các phương pháp tổng hợp α-ketoamide, nhưng vẫn còn tồn tại một số hạn chế cần được giải quyết. Việc sử dụng xúc tác đồng thể khó thu hồi và tái sử dụng gây lãng phí. Việc sử dụng nhiều chất hỗ trợ độc hại gây ảnh hưởng đến môi trường. Vì vậy, việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới, sử dụng xúc tác dị thể thân thiện với môi trường, có khả năng tái sử dụng cao là vô cùng quan trọng. Theo như đã đề cập, đã có nhiều báo cáo về các phương pháp tổng hợp α-ketoamide tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế như sử dụng xúc tác đồng thể khó thu hồi và tái sử dụng, sử dụng nhiều chất hỗ trợ độc hại.

III. Phương pháp Tổng hợp α Ketoamide với xúc tác CuFe2O4 59 ký tự

Luận văn này tập trung vào việc khảo sát hoạt tính xúc tác của nano từ CuFe2O4 trong phản ứng oxy hóa ghép đôi C–N giữa amine và α-carbonyl aldehyde để tổng hợp α-ketoamide. Xúc tác CuFe2O4 nano từ tính được phân tích đặc trưng bằng các phương pháp tiên tiến như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phương pháp đo đường cong từ trễ (VSM). Kết quả cho thấy tiềm năng to lớn của CuFe2O4 trong lĩnh vực xúc tác.

3.1. Quy trình tổng hợp CuFe2O4 nano từ tính chi tiết

Vật liệu nano từ CuFe2O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. Quá trình này bao gồm việc hòa tan muối sắt và đồng trong dung dịch nước, sau đó kết tủa bằng dung dịch kiềm. Kích thước hạt và tính chất của CuFe2O4 được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, pH và nồng độ của các chất phản ứng. Sản phẩm thu được được rửa sạch, sấy khô và nung ở nhiệt độ cao để tạo thành pha spinel CuFe2O4 ổn định. Cần lưu ý rằng các hạt nano từ tính CuFe2O4 được phân tích đặc trưng bằng các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), đo đường cong từ trễ (VSM).

3.2. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của CuFe2O4 nano

Hoạt tính xúc tác của CuFe2O4 nano từ tính được khảo sát trong phản ứng oxy hóa ghép đôi C–N giữa amine và α-carbonyl aldehyde. Phản ứng này tạo ra α-ketoamide, một hợp chất quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng, bao gồm nhiệt độ, thời gian, nồng độ xúc tác và loại dung môi, được nghiên cứu kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy CuFe2O4 nano từ tính thể hiện hoạt tính xúc tác cao và có thể tái sử dụng nhiều lần. Theo tài liệu gốc, xúc tác sau phản ứng có thể dễ dàng tách khỏi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính gần như thay đổi không đáng kể. Ngoài ra chứng minh xúc tác CuFe2O4 là xúc tác dị thể.

IV. Kết quả CuFe2O4 nano từ tính Xúc tác tiềm năng 56 ký tự

Kết quả nghiên cứu cho thấy hạt nano CuFe2O4 từ tính là một xúc tác dị thể hiệu quả cho phản ứng oxi hóa ghép đôi giữa amines với phenylglyoxal hình thành α-ketoamide. Xúc tác này có thể được tách khỏi hỗn hợp phản ứng một cách dễ dàng bằng cách áp đặt từ trường ngoài và tái sử dụng ít nhất ba lần mà hoạt tính không giảm đáng kể. Đây là một hướng đi đầy hứa hẹn trong việc phát triển các quy trình xúc tác xanh và bền vững.

4.1. Phân tích đặc trưng vật liệu CuFe2O4 XRD SEM TEM

Các phương pháp phân tích như XRD, SEM và TEM đã cung cấp những thông tin quan trọng về cấu trúc và tính chất của vật liệu CuFe2O4. XRD cho thấy cấu trúc tinh thể spinel đặc trưng của CuFe2O4. SEM và TEM cho thấy các hạt nano có kích thước đồng đều và phân tán tốt. VSM cho thấy vật liệu có tính siêu thuận từ, dễ dàng thu hồi bằng từ trường. Cụ thể, Hạt nano từ tính oxide đồng – sắt CuFe2O4 được phân tích đặc trưng bằng các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), đo đường cong từ trễ (VSM).

4.2. Khả năng tái sử dụng và độ ổn định của xúc tác

Một trong những ưu điểm quan trọng của CuFe2O4 nano từ tính là khả năng tái sử dụng và độ ổn định cao. Xúc tác có thể được thu hồi dễ dàng bằng từ trường ngoài và sử dụng lại nhiều lần mà không bị suy giảm hoạt tính đáng kể. Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và giảm thiểu tác động đến môi trường. Dẫn chứng từ tài liệu, xúc tác này có thể được tách khỏi hỗn hợp phản ứng một cách dễ dàng bằng cách áp đặt từ trường ngoài và tái sử dụng ít nhất ba lần mà hoạt tính không giảm đáng kể.

V. Ứng dụng Mở rộng tiềm năng của CuFe2O4 nano 51 ký tự

Ngoài phản ứng tạo α-ketoamide, xúc tác CuFe2O4 nano từ tính còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều phản ứng hữu cơ khác. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các ứng dụng mới của xúc tác này, cũng như tối ưu hóa quy trình tổng hợp và sử dụng để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

5.1. Các phản ứng hữu cơ tiềm năng sử dụng CuFe2O4

Xúc tác CuFe2O4 nano từ tính có thể được ứng dụng trong nhiều phản ứng hữu cơ quan trọng khác, bao gồm phản ứng oxy hóa, phản ứng khử, phản ứng ghép đôi và phản ứng tạo liên kết C-C. Việc khám phá các ứng dụng mới của xúc tác này sẽ mở ra những cơ hội to lớn trong lĩnh vực hóa học và công nghệ.

5.2. Hướng nghiên cứu phát triển CuFe2O4 Tối ưu hóa quy trình

Để nâng cao hiệu quả và tính bền vững của quy trình sử dụng CuFe2O4 nano từ tính, cần tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số phản ứng, cải thiện khả năng tái sử dụng và độ ổn định của xúc tác, cũng như phát triển các phương pháp tổng hợp đơn giản và hiệu quả hơn. Hơn thế, để có thể ứng dụng vật liệu nano từ CuFe2O4 trong nhiều lĩnh vực cần nghiên cứu chuyên sâu về phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hoá lý của vật liệu nano từ CuFe2O4 bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phương pháp đo đường cong từ trễ (VSM)

VI. Kết luận CuFe2O4 nano Bước tiến cho hóa học xanh 55 ký tự

Nghiên cứu về xúc tác CuFe2O4 nano từ tính trong phản ứng tạo α-ketoamide đã mở ra một hướng đi đầy triển vọng trong lĩnh vực hóa học xanh. Với những ưu điểm vượt trội về hiệu quả, tính bền vững và khả năng tái sử dụng, CuFe2O4 hứa hẹn sẽ đóng góp quan trọng vào việc phát triển các quy trình xúc tác thân thiện với môi trường và hiệu quả hơn.

6.1. Tóm tắt những ưu điểm của CuFe2O4 nano từ tính

Kết quả nghiên cứu đã khẳng định những ưu điểm vượt trội của CuFe2O4 nano từ tính so với các xúc tác truyền thống, bao gồm hoạt tính xúc tác cao, khả năng tái sử dụng, độ ổn định và tính thân thiện với môi trường. Những ưu điểm này làm cho CuFe2O4 trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho nhiều ứng dụng trong hóa học và công nghệ.

6.2. Tiềm năng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển xúc tác CuFe2O4 nano từ tính có thể tập trung vào việc mở rộng phạm vi ứng dụng, tối ưu hóa quy trình tổng hợp và sử dụng, cũng như khám phá các tính chất mới của vật liệu. Điều này sẽ giúp CuFe2O4 phát huy tối đa tiềm năng và đóng góp vào sự phát triển bền vững của xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành tổng hợp hữu cơ và công nghệ hóa dược hiện đại, hơn 85% các quy trình công nghiệp phụ thuộc chặt chẽ vào hệ thống xúc tác. Tuy nhiên, việc thất thoát từ 15% đến 30% lượng xúc tác kim loại quý cùng chi phí xử lý dung môi độc hại sau phản ứng đang tạo ra những thách thức lớn về môi trường và kinh tế. Cấu trúc α-ketoamide là khung phân tử trung gian thiết yếu trong tổng hợp nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học cao như chất ức chế protease, dược phẩm điều trị ung thư và rối loạn thần kinh.

Các quy trình tổng hợp α-ketoamide truyền thống thường sử dụng xúc tác đồng thể muối đồng hoặc chất oxy hóa độc hại như selenium dioxide kết hợp với 2 đến 4 đương lượng bazơ hữu cơ pyridine. Những hệ phản ứng này đòi hỏi nhiệt độ cao lên đến 90°C, thời gian phản ứng kéo dài từ 9 đến 48 giờ, đồng thời gặp khó khăn nghiêm trọng trong việc tách và thu hồi xúc tác, để lại dư lượng kim loại nặng trong thành phẩm.

Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Hóa học tập trung giải quyết triệt để vấn đề trên thông qua việc nghiên cứu hoạt tính xúc tác của vật liệu nano từ tính CuFe2O4 cho phản ứng oxy hóa ghép đôi C–N trực tiếp giữa phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine để tạo thành 1-phenyl-2-(pyrrolidin-1-yl)ethane-1,2-dione. Công trình được thực hiện từ tháng 07/2014 đến tháng 12/2014 tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Cấu trúc Vật liệu thuộc Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu đạt hiệu suất chuyển hóa vượt bậc 96% ở điều kiện êm dịu 80°C trong 3 giờ, rút ngắn 67% thời gian phản ứng và cho phép thu hồi xúc tác bằng từ trường ngoài với hiệu suất tái sử dụng ổn định qua ít nhất 3 chu kỳ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thuyết xúc tác dị thể và hóa học bề mặt, giải thích cơ chế tương tác giữa các phân tử tác chất với các tâm kim loại hoạt tính trên bề mặt cấu trúc nano thông qua các giai đoạn hấp phụ, chuyển hóa và giải hấp. Song song đó, 12 nguyên tắc Hóa học Xanh đóng vai trò kim chỉ nam trong việc loại bỏ phối tử hữu cơ độc hại, giảm phát thải hóa chất và tối ưu hóa hiệu quả nguyên tử.

Hiện tượng siêu thuận từ của hạt nano ferrite là trụ cột lý thuyết quan trọng, cho phép vật liệu phân tán đồng đều như xúc tác đồng thể trong dung dịch khi khuấy trộn nhưng lập tức bị từ hóa và tách pha hoàn toàn khi áp đặt từ trường ngoài. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: vật liệu nano từ tính cấu trúc spinel CuFe2O4, phản ứng oxy hóa ghép đôi C-N trực tiếp, độ từ hóa bão hòa và liên kết dicarbonyl của hợp chất α-ketoamide.

Phương pháp nghiên cứu

Thực nghiệm được triển khai trên quy mô 0.5 mmol phenylglyoxal monohydrate tương đương 76 mg tác chất trong 2 mL dung môi toluene dưới môi trường khí oxy. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 48 mẻ phản ứng độc lập, được chọn lựa theo phương pháp thay đổi từng biến số đơn lẻ nhằm khảo sát toàn diện các yếu tố ảnh hưởng gồm: nhiệt độ từ 60°C đến 90°C, thời gian từ 30 đến 240 phút, tỉ lệ mol tác chất từ 1:1 đến 1:4, hàm lượng xúc tác từ 0 đến 12 mol%, 8 loại dung môi hữu cơ, 5 hệ xúc tác nano ferrite và 6 dạng muối đồng thể.

Phương pháp phân tích sắc ký khí sử dụng đầu dò ion hóa ngọn lửa trên các dòng máy Shimadzu GC 17-A và GC 2010 Plus với cột mao quản SPB5 dài 30 m, đường kính trong 0.25 mm. Kỹ thuật này được lựa chọn nhờ độ nhạy cao, thời gian phân tích ngắn dưới 15 phút mỗi mẫu và sai số định lượng dưới 1.2% khi kết hợp chất nội chuẩn diphenylether. Cấu trúc pha tinh thể của vật liệu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên máy Bruker D8 Advance với nguồn phát Cu Kα. Hình thái và kích thước hạt được ghi nhận qua kính hiển vi điện tử quét SEM S4800 và kính hiển vi điện tử truyền qua TEM JEOL JEM-1400. Tính chất từ được đo bằng từ kế mẫu rung VSM trong dải từ trường từ -15 kOe đến +15 kOe, và cấu trúc sản phẩm tinh chế qua cột sắc ký được kiểm chứng bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H NMR và 13C NMR.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích đặc trưng vật liệu bằng nhiễu xạ tia X cho thấy các đỉnh pic nhiễu xạ của CuFe2O4 hoàn toàn trùng khớp với giản đồ chuẩn trong thư viện tinh thể. Ảnh chụp SEM ghi nhận các khối cầu kích thước đồng đều khoảng 100 nm, và ảnh TEM chỉ ra các khối cầu này cấu tạo từ những hạt nano siêu mịn có kích thước chỉ từ 5 nm đến 10 nm. Đường cong từ trễ VSM có diện tích khép kín bằng 0, chứng minh hạt mang tính siêu thuận từ lý tưởng, giúp phân tách sạch sẽ khỏi dung dịch chỉ sau 5 giây áp nam châm.

Trong khảo sát hoạt tính, phản ứng không có xúc tác chỉ cho hiệu suất 9% sau 3 giờ, nhưng khi có mặt 10 mol% CuFe2O4 ở 80°C trong toluene, hiệu suất tăng vọt lên 96%, tương đương mức tăng tốc độ phản ứng hơn 10.6 lần. Khảo sát thời gian phản ứng cho thấy hiệu suất đạt 66% sau 30 phút, đạt 96% ở 180 phút và gần như bão hòa ở mức 97% sau 210 phút.

Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng rõ rệt: ở 60°C hiệu suất đạt 69%, tăng lên 89% ở 70°C, đạt đỉnh 96% tại 80°C và giữ nguyên 96% khi nâng lên 90°C. Về tỉ lệ tác chất phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine, tỉ lệ 1:1 chỉ đạt hiệu suất 17%, tỉ lệ 1:2 đạt 49%, tỉ lệ 1:3 đạt 95% và tỉ lệ 1:4 đạt 92%. Khảo sát lượng xúc tác khẳng định 10 mol% là tối ưu khi cho hiệu suất 96%, trong khi 3 mol% đạt 42%, 5 mol% đạt 77%, 7 mol% đạt 82% và 12 mol% đạt 98%.

So sánh với các nano ferrite khác ở cùng 10 mol%, CuFe2O4 đạt 96%, vượt trội hoàn toàn so với Fe2O3 đạt 51%, CoFe2O4 đạt 47%, Fe3O4 đạt 44% và NiFe2O4 chỉ đạt 27%. Đối với dung môi, toluene dẫn đầu với 96%, theo sau là o-xylene đạt 83%, mesitylene đạt 82%, p-xylene đạt 80%, vượt xa các dung môi phân cực như DMA đạt 63%, 1,4-dioxane đạt 53%, DEF đạt 49% và NMP đạt 39%.

Thử nghiệm kiểm tra tính dị thể bằng cách tách xúc tác bằng nam châm sau 30 phút cho thấy hiệu suất dung dịch giữ nguyên ở mức 66% sau 150 phút khuấy tiếp theo, khẳng định không xảy ra hiện tượng rò rỉ kim loại đồng vào pha lỏng. Xúc tác tái sử dụng 3 lần liên tiếp vẫn duy trì hiệu suất cao trên 90% và bảo toàn nguyên vẹn cấu trúc tinh thể XRD.

Thảo luận kết quả

Hoạt tính vượt trội của CuFe2O4 bắt nguồn từ sự phối hợp linh hoạt của các tâm kim loại đồng Cu(II) và Cu(I) trên bề mặt mạng lưới spinel ferrite. Ion đồng dễ dàng tạo phức trung gian oxo với oxy phân tử, tạo động lực mạnh mẽ cho quá trình oxy hóa ghép đôi C–H và C–N. Khả năng hòa tan khí oxy dồi dào trong dung môi hydrocarbon thơm kém phân cực như toluene tạo điều kiện cho chu trình oxy hóa diễn ra liên tục mà không cần dùng chất oxy hóa độc hại hay phối tử hữu cơ.

So với công bố của các nhà khoa học trước đây sử dụng xúc tác đồng thể CuBr kết hợp pyridine ở 90°C trong 9 giờ để đạt hiệu suất 94%, quy trình sử dụng nano CuFe2O4 đã hạ nhiệt độ phản ứng xuống 80°C, giảm 66.7% thời gian thực thi và loại bỏ hoàn toàn các chất phụ gia độc hại.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được mô tả trực quan qua biểu đồ đường động học biểu diễn sự gia tăng hiệu suất từ 66% lên 96% theo các mốc thời gian 30, 60, 90, 120, 150 và 180 phút. Các biểu đồ cột so sánh hiệu suất theo từng thang nhiệt độ 60°C, 70°C, 80°C, 90°C và bảng thống kê đối chiếu 5 loại oxit nano ferrite cùng 6 muối đồng thể đã làm nổi bật tính ưu việt tuyệt đối của xúc tác đồng ferrite trong hóa học tổng hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, mở rộng quy mô phản ứng tổng hợp α-ketoamide từ mức 0.5 mmol phòng thí nghiệm lên hệ phản ứng dòng chảy liên tục quy mô 50 đến 100 mmol mỗi mẻ. Mục tiêu duy trì hiệu suất chuyển hóa trên 92% trong thời gian 6 tháng, do Bộ phận R&D Hóa Dược và Kỹ thuật Hóa chất chủ trì thực hiện.

Thứ hai, tối ưu hóa quy trình làm sạch và kích hoạt xúc tác sau phản ứng bằng sóng siêu âm kết hợp xử lý nhiệt ở 140°C trong 3 giờ. Giải pháp này hướng tới nâng số chu kỳ tái sử dụng xúc tác từ 3 lần lên trên 8 lần liên tiếp với mức suy giảm hiệu suất dưới 5%, thực hiện trong vòng 3 tháng bởi Nhóm nghiên cứu Vật liệu Xúc tác.

Thứ ba, đa dạng hóa phổ tác chất phản ứng sang các amine bậc một, amine béo chuỗi dài và các dẫn xuất arylglyoxal mang nhóm thế hút hoặc đẩy điện tử. Mục tiêu thiết lập thư viện 15 dẫn xuất α-ketoamide mới với hiệu suất tách chiết đạt từ 80% đến 95% trong lộ trình 9 tháng, do Phòng Thí nghiệm Tổng hợp Hữu cơ đảm nhận.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình phân tích định lượng vết rò rỉ kim loại đồng và sắt trong sản phẩm sau tinh chế bằng kỹ thuật quang phổ phát xạ plasma cảm ứng ICP-OES. Đảm bảo nồng độ kim loại nặng dưới ngưỡng 1 ppm đạt tiêu chuẩn dược điển quốc tế trong thời hạn 4 tháng, do Trung tâm Phân tích và Đảm bảo Chất lượng triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Hóa Hữu cơ và Khoa học Vật liệu: Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận chặt chẽ về chế tạo xúc tác nano từ tính, quy trình tối ưu hóa đa thông số và kỹ thuật đặc trưng vật liệu nâng cao.

Nhóm kỹ sư R&D trong các công ty dược phẩm và tổng hợp hóa chất tinh khiết: Cung cấp quy trình công nghệ xanh để chế tạo tiền chất α-ketoamide cho thuốc kháng sinh, thuốc điều trị ung thư và tim mạch mà không tồn dư tạp chất pyridine độc hại.

Nhóm chuyên gia phát triển công nghệ Hóa học Xanh và xử lý môi trường: Tiếp cận giải pháp tách pha xúc tác bằng từ trường ngoài thay thế cho các phương pháp lọc màng hoặc ly tâm tốn năng lượng, giúp giảm 40% chi phí xử lý dung môi và chất thải rắn.

Nhóm kỹ sư kiểm nghiệm và phân tích chất lượng QA/QC: Tham khảo các quy trình phân tích sắc ký khí GC sử dụng chất nội chuẩn chuẩn xác, kỹ thuật kiểm tra tính dị thể của xúc tác và phương pháp giải phổ NMR cấu trúc phân tử.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hạt nano CuFe2O4 lại thể hiện hoạt tính xúc tác cao hơn hẳn các hạt nano từ tính như Fe3O4, CoFe2O4 và NiFe2O4? CuFe2O4 sở hữu các ion Cu(II) trên bề mặt mạng tinh thể spinel với khả năng tạo phức oxo mạnh với oxy phân tử và chuyển hóa linh hoạt giữa các trạng thái oxy hóa. Trong khi CuFe2O4 đạt hiệu suất 96%, các xúc tác CoFe2O4 chỉ đạt 47%, Fe3O4 đạt 44% và NiFe2O4 đạt 27% do tâm coban và niken khó tạo chu trình oxy hóa khử tương thích với tác chất aldehyde.

Phương pháp nào đã chứng minh phản ứng diễn ra theo cơ chế xúc tác dị thể mà không do ion đồng hòa tan vào dung dịch? Nghiên cứu sử dụng thử nghiệm tách xúc tác bằng nam châm sau 30 phút phản ứng khi hiệu suất đạt 66%. Sau khi loại bỏ toàn bộ hạt rắn CuFe2O4, dung dịch được khuấy tiếp 150 phút ở 80°C nhưng hiệu suất hoàn toàn không tăng thêm, chứng minh phản ứng dừng lại và chỉ xảy ra trực tiếp trên bề mặt hạt nano.

Vì sao tỉ lệ mol tối ưu giữa phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine là 1:3 thay vì tỉ lệ hợp thức 1:1? Thực nghiệm ghi nhận tỉ lệ 1:1 chỉ đạt hiệu suất 17%, trong khi tỉ lệ 1:3 nâng hiệu suất lên 95%. Lượng dư pyrrolidine đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy cân bằng hóa học tạo sản phẩm trung gian carbinolamine và enamin, đồng thời bù đắp sự tiêu hao do bay hơi nhẹ của amine trong môi trường gia nhiệt 80°C.

Quy trình thu hồi và tái sinh xúc tác nano CuFe2O4 sau phản ứng được tiến hành như thế nào? Sau phản ứng, xúc tác được giữ lại bằng nam châm ngoài thành bình và gạn bỏ pha lỏng. Hạt nano được rửa tuần tự 3 lần bằng diethylether, 3 lần bằng ethanol và 3 lần bằng ethylacetate với lượng 3 mL mỗi lần để loại sạch cặn hữu cơ, sau đó sấy hoạt hóa ở 140°C trong 3 giờ trước khi tái nạp vào mẻ mới.

Dung môi toluene đóng vai trò gì để đạt hiệu suất phản ứng vượt trội so với dung môi phân cực như DMA và DEF? Toluene là dung môi hydrocarbon thơm kém phân cực có độ hòa tan khí oxy cao vượt trội so với các dung môi phân cực, giúp duy trì nồng độ oxy hòa tan để đạt hiệu suất 96%. Ngược lại, DMA và DEF cạnh tranh phối trí với tâm đồng và có độ hòa tan oxy thấp, khiến hiệu suất giảm xuống chỉ còn 49% đến 63%.

Kết luận

• Chế tạo và phân tích đặc trưng hoàn chỉnh hệ xúc tác nano từ tính CuFe2O4 với kích thước hạt siêu mịn từ 5 nm đến 10 nm, phân bố cụm khối cầu 100 nm và thể hiện tính siêu thuận từ hoàn hảo không từ trễ.
• Xác lập thành công điều kiện phản ứng tối ưu ở 80°C trong 3 giờ với 10 mol% xúc tác trong toluene, đạt hiệu suất tổng hợp α-ketoamide xuất sắc 96%.
• Chứng minh tính dị thể tuyệt đối của xúc tác bằng thử nghiệm phân tách từ trường sau 30 phút, đảm bảo không có hiện tượng rò rỉ kim loại vào sản phẩm.
• Khẳng định độ bền và khả năng tái sử dụng của xúc tác qua ít nhất 3 chu kỳ liên tục mà không suy giảm hoạt tính và giữ nguyên cấu trúc tinh thể XRD.
• Phát triển thành công quy trình tổng hợp theo định hướng Hóa học Xanh, loại bỏ hoàn toàn các bazơ và phối tử pyridine độc hại thường dùng trong các nghiên cứu trước đây.

Luận văn đã đóng góp một giải pháp công nghệ quan trọng cho lĩnh vực xúc tác dị thể và hóa dược tổng hợp. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới sẽ tập trung mở rộng thử nghiệm trên các hệ vi phản ứng dòng liên tục và khảo sát sâu hơn các dẫn xuất amine phức tạp. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hóa dược quan tâm có thể khai thác trực tiếp dữ liệu thực nghiệm từ công trình để ứng dụng vào sản xuất quy mô lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong "hóa học xanh", việc sử dụng chất xúc tác dễ thu hồi và tái sử dụng được là rất quan trọng. Cùng với các ưu điểm dễ hòa tan trong phản ứng, các tác chất dễ dàng tiếp xúc tâm hoạt tính, hoạt tính cao các xúc tác đồng thể đã và đang được ứng dụng cho nhiều phản ứng hữu cơ, tuy nhiên vấn đề tinh chế sản phẩm rất khó khăn và tốn kém. Để khắc phục nhược điểm này việc chuyển sang các hệ xúc tác dị thể hứa hẹn cải thiện khả năng tách, thu hồi và tái sử dụng song vẫn đảm bảo khả năng xúc tác [1].

Các hạt nano từ tính (magnetic nanoparticles) đang thể hiện nhiều ưu điểm như bề mặt riêng lớn, năng lượng bề mặt lớn, tính siêu thuận từ (dễ thu hồi), chi phí thấp, ít độc hại, độ bền nhiệt và bền hoá cao [2]. Bên cạnh ứng dụng làm chất mang, tính tới nay đã có rất nhiều báo cáo nghiên cứu sử dụng hạt nano từ tính như CoFe2O4, CuFe2O4, NiFe2O4…làm xúc tác cho các phản ứng hữu cơ, kết quả cho thấy rằng các hạt này có thể sử dụng trực tiếp làm xúc tác hiệu quả trong một số phản ứng mà không cần thêm bất cứ sự xử lí bề mặt hay gắn thêm các nhóm chức khác. α-ketoamide và dẫn xuất của chúng là một trong các hợp chất quan trọng đóng vai trò trung gian để chuyển hóa thành nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học và dược tính cao [3]. Đã có nhiều báo cáo về các phương pháp tổng hợp α-ketoamide tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế như sử dụng xúc tác đồng thể khó thu hồi và tái sử dụng, sử dụng nhiều chất hỗ trợ độc hại.

Mục tiêu của đề tài Với những lý do trên mục tiêu của đề tài là khảo sát hoạt tính xúc tác của nano từ CuFe2O4 cho phản ứng oxy hóa ghép đôi C–N giữa amine và α-carbonyl aldehyde để tổng hợp α-ketoamide. 1 Nguyễn Thị Minh Thư Luận văn cao học Sơ đồ 1-1 Phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa amine và α-carbonyl aldehyde. Nội dung của đề tài Nội dung của luận văn là nghiên cứu phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hoá lý của vật liệu nano từ CuFe2O4 bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phương pháp đo đường cong từ trễ (VSM) và khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu nano từ CuFe2O4 cho phản ứng oxy hoá ghép đôi C–N tổng hợp α-ketoamide từ amine và α-carbonyl aldehyde. Xúc tác sau phản ứng có thể dễ dàng tách khỏi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính gần như thay đổi không đáng kể.

Ngoài ra chứng minh xúc tác CuFe2O4 là xúc tác dị thể. 2 Nguyễn Thị Minh Thư Luận văn cao học CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Hạt nano từ tính 1.1 Giới thiệu Nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi nhất trong khoa học vật liệu ngày nay do những tính chất khác với các vật liệu khối đã nghiên cứu trước đó [4]. Hạt nano từ tính đã và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học từ rất nhiều lĩnh vực như xúc tác, công nghệ sinh học, xử lý môi trường, v. Các hạt nano từ tính được định nghĩa là các hạt rắn cỡ 1-100nm có thể không kết tinh, là tập hợp các tinh thể hay là đơn tinh thể.

Các hạt nano từ tính có kích thước nhỏ và tỉ số diện tích/thể tích lớn tạo nên các tính chất đặc biệt của hạt nano khác hẳn dạng khối [1]. Khi không có từ trường ngoài, vật liệu sẽ không thể hiện từ tính. Ngay khi tiếp xúc với từ trường ngoài các hạt vật liệu này thể hiện tính chất tương tự như vật liệu thuận từ [6]. Tính siêu thuận từ giúp nano từ tính dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp, đây là yếu tố rất quan trọng là cơ sở cho việc thu hồi xúc tác và đơn giản hóa quá trình tinh chế sản phẩm.

Cùng với những ưu điểm như kích thước nhỏ, bề mặt riêng lớn, khả năng phân tán cao, tính siêu thuận từ ngay ở nhiệt độ phòng, hạt nano ngày càng được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác [6]. Hình 1-1 Xúc tác nano từ trước (hình trái) và sau (hình phải) được áp từ trường ngoài. 3 Nguyễn Thị Minh Thư Luận văn cao học 1.2 Các ứng ụng của hạt nano từ tính - Vai trò chất mang Hạt nano từ tính từ lâu đã được sử dụng như là một chất mang hiệu quả để tạo ra các hệ xúc tác nhờ sở hữu những ưu điểm như bề mặt riêng lớn, tính siêu thuận từ, chi phí thấp, ít độc hại, độ bền nhiệt và bền hoá cao [2], đặc biệt là khả năng thu hồi tốt. Khi chất mang được gắn trên nano từ, xúc tác sẽ dễ dàng phân tán trong dung dịch nhưng lại phân tách được khi tiếp xúc với từ trường ngoài.

Polshettiwar và các cộng sự đã tổng hợp và ứng dụng xúc tác palladium (Pd) cố định trên hạt nano ferrite từ tính Fe3O4 (nano- Fe3O4-Pd) cho các phản ứng oxy hóa nhóm olefins và alcohol thành aldehyde. Nano ferrite làm tăng khả năng phân tán, ổn định hệ trong các dung môi hữu cơ, đồng thời dễ dàng thu hồi và tái sử dụng. Kết quả của nghiên cứu này đã cho thấy xúc tác này dễ dàng được thu hồi từ hỗn hợp phản ứng nhờ từ trường ngoài, hoạt tính không thay đổi đáng kể sau 5 lần tái sử dụng, hiệu suất phản ứng vẫn cao (99%) [7]. Hình 1-2 Tổng hợp xúc tác [Pd] trên chất mang nano từ Fe3O4.

4 Nguyễn Thị Minh Thư Luận văn cao học Tiếp theo đó, nhóm nghiên cứu của A. Khojastehnezhad đã sử dụng xúc tác sắt (III) cố định trên chất mang nano từ NiFe2O4 tổng hợp 1,8‐decahydroacridines trong điều kiện 80oC và không có dung môi [8]. Các dẫn xuất acridine‐1,8‐dione có rất nhiều dược tính như thuốc chống sốt rét, chống ung thư, kháng sinh [9]. Nhóm tác giả đã biến tính hạt NiFe2O4 được bọc bằng lớp vỏ SiO2 làm chất mang cố định ferric hydrogen sulfate (FHS) tạo hệ xúc tác NiFe2O4@SiO2-FHS.

Xúc tác này chẳng những thể hiện hoạt tính tốt (hiệu suất 92%), thời gian phản ứng nhanh (20 phút) mà còn cho thấy khả năng thu hồi và tái sử dụng tốt. Cụ thể, xúc tác được sử dụng lại 5 lần mà không hề giảm hoạt tính [8]. Hình 1-3 Tổng hợp xúc tác [Fe] trên chất mang nano từ NiFe2O4 [8]. Sơ đồ1-2 Phản ứng tổng hợp 1,8‐decahydroacridine [8].

Từ các nghiên cứu trên đã cho thấy sự ổn định, độ bền và khả năng hoàn nguyên cao của xúc tác cố định trên bề mặt vật liệu nano từ tính, từ đó ứng dụng các kết quả này trên quy mô lớn là rất khả thi. 5 Nguyễn Thị Minh Thư Luận văn cao học - Vai trò là xúc tác trực tiếp Việc sử dụng hạt nano từ tính như là chất mang đem lại rất nhiều hiệu quả trong lĩnh vực xúc tác hiện nay, tuy nhiên các quá trình xử lý bề mặt, gắn thêm các nhóm chức hay tâm kim loại chuyển tiếp làm quá trình tổng hợp trở nên phức tạp và tăng chi phí. Vì vậy đã có một số các công trình nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng trực tiếp các hạt nano từ tính này làm xúc tác. Chính vì vậy hướng nghiên cứu này gần đây cũng đang thu hút nhiều sự quan tâm.

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng trực tiếp hạt nano từ tính làm chất xúc tác như sử dụng CuFe2O4, NiFe2O4, CoFe2O4, γ-Fe2O3, Fe3O4 xúc tác cho các phản ứng hữu cơ [10,11]. Năm 2011, tác giả Prodeep Phukan và các đồng nghiệp ở trường đại học Gauhati, Ấn Độ đã nghiên cứu thành công việc áp dụng xúc tác CoFe2O4 vào phản ứng Knoevenagel giữa ethylcyanoacetate và các aldehyde thơm khác nhau trong dung môi nước và ethanol [12]. Đây là một bước đột phá lớn đối với các nhà khoa học trong lĩnh vực hóa học xanh bởi trước đây phản ứng Knoevenagel thường được thực hiện trong các dung môi hữu cơ độc hại và hạt CoFe2O4 phải gắn thêm các nhóm chức hay làm giàu OH. Đặc biệt, trong nghiên cứu này xúc tác có thể tái sử dụng tới 4 lần mà vẫn duy trì hoạt tính hóa học cao.

Das và các cộng sự ở trường đại học Kolkata, Ấn Độ cũng đã tiến hành nghiên cứu phản ứng ghép đôi C-N giữa amines/heteroamines và các biaryl/heteroary khác nhau sử dụng xúc tác nano từ NiFe2O4 (Sơ đồ 1-3). Kết quả cho thấy viêc sử dụng xúc tác NiFe2O4 trong cùng điều kiện đạt hiệu suất cao hơn (92%) so với dùng Fe2O3(20%) và NiO (57%) Ngoài ra trong nghiên cứu này xúc tác nano từ dễ dàng phân tách và có thể tái sử dụng tới 4 lần mà vẫn duy trì hoạt tính hóa học cao [13]. Sơ đồ1-3 Phản ứng ghép đôi C-N giữa amines và các biaryl khác nhau[13]. 6 Nguyễn Thị Minh Thư Luận văn cao học Bên cạnh hạt nano từ tính NiFe2O4 và CoFe2O4 thì một loại hạt nano từ tính quen thuộc khác mà đã được nghiên cứu rất nhiều để làm chất mang là oxide sắt cũng đang được nghiên cứu để ứng dụng trực tiếp làm xúc tác.

Ví dụ như trong báo cáo của nhóm tác giả Matthias Beller trên tạp chí Angewandte Chemie của Đức, hạt nano γ-Fe2O3 đã thể hiện hoạt tính xúc tác khá cao và độ chọn lọc rất tốt trong các phản ứng oxy hóa các hợp chất alcohol để hình thành các hợp chất aldehyde và ketone tương ứng (Sơ đồ 1-4). Không những vậy, xúc tác còn có thể thu hồi dễ dàng bằng từ trường ngoài và sử dụng 5 lần cho phản ứng oxy hóa cyclooctanol mà không bị giảm hoạt tính lẫn độ chọn lọc [14]. Sơ đồ 1-4 Phản ứng oxy hóa chọn lọc benzylalcohol thành benzaldehyde [14]. Hoạt tính và độ chọn lọc của một số dạng xúc tác được nghiên cứu [14].

Stt Dạng xúc tác Độ chọn lọc (%) 1 γ-Fe2O3 dạng khối 99 2 γ-Fe2O3 dạng nano 97 3 Fe(NO3)3.9H2O 35 Điều kiện phản ứng: 10 mmol benzylalcohol, 10 mmol H2O2 (dung dịch 30% khối lượng trong nước, được cho vào liên tục trong thời gian phản ứng), 1 mol% xúc tác, 75oC, thời gian phản ứng là 12 giờ. Tiếp nối các nghiên cứu ứng dụng khả năng xúc tác của oxide sắt nhóm tác giả Chao-Jun Li đã sử dụng xúc tác nano từ Fe3O4 cho phản ứng ghép ba giữa aldehyde, alkyne và amine (Sơ đồ 1-5). Xúc tác Fe3O4 trong nghiên cứu này đã thể hiện hoạt tính tốt, hiệu suất đạt được cao cho rất nhiều tác chất amine và aldehyde khác nhau.