Niken Khung Hữu Cơ Ni-MOF-74: Xúc Tác Aryl Hóa Liên Kết Sp2 C–H Hiệu Quả

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa học aryl hóa các hợp chất có liên kết sp2 c h bằng xúc tác niken khung hữu cơ kim loại, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Hường
• Người hướng dẫn: TS. Trương Vũ Thanh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Aryl Hóa Các Hợp Chất Có Liên Kết Sp2 C–H Bằng Xúc Tác Niken Khung Hữu Cơ Kim Loại–74
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: LITERATURE REVIEW
• 1.1. Metal-Organic Frameworks (MOFs)
• 1.2. Nickel-Metal-Organic Frameworks in Catalysts Study
• 1.3. Recent applications of Ni-MOF in catalysis
• 1.4. Ni-MOF-74
• 1.5. Arylation of Acidic C-H Heterocycles with Aryl Halide under Nickel Catalysis
• 1.6. Approach
• 2. CHAPTER 2: EXPERIMENTAL SECTION
• 2.1. Materials and Instruments
• 2.2. Ni-MOF-74 Synthesis
• 2.3. GC yield calculation
• 3. CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Analytical Results of The synthesized Ni-MOF-74
• 3.2. Results of Catalytic Research
• 3.2.1. Effect of temperature
• 3.2.2. Effect of time
• 3.2.3. Effect of solvent
• 3.2.4. Effect of catalyst amount
• 3.2.5. Effect of Ligands
• 3.2.6. Effect of reagent concentration
• 3.2.7. Effect of reagent molar ratio
• 3.2.8. Effect of base
• 3.2.9. Reactivity of other heterogeneous and homogeneous catalysts
• 3.2.10. Recoverability and reusability
• 3.2.11. Reaction scope with various derivatives
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Ni MOF 74 Tổng Quan và Tiềm Năng Xúc Tác Vượt Trội 55 ký tự

Khung hữu cơ kim loại (MOF) đang nổi lên như một lớp vật liệu xốp đầy hứa hẹn, được tạo thành từ các nút kim loại (SBUs) và liên kết hữu cơ. Tính linh hoạt về cấu trúc, kích thước và chức năng khiến MOF sở hữu độ xốp siêu cao và diện tích bề mặt lớn. Ni-MOF-74, một loại MOF đặc biệt chứa niken (Ni), thu hút sự chú ý nhờ cấu trúc tổ ong ba chiều độc đáo và khả năng tạo ra các vị trí kim loại hở khi loại bỏ nước. Các vị trí hở này có thể tăng cường tương tác với các chất hấp phụ, cũng như các vị trí kim loại xúc tác. Ni-MOF-74 có độ ổn định nhiệt cao, thể tích lỗ xốp lớn và diện tích bề mặt đáng kể, khiến nó trở thành một ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng xúc tác dị thể. Đặc biệt, việc sử dụng Ni-MOF-74 trong phản ứng aryl hóa liên kết sp2 C-H đang được quan tâm nghiên cứu.

1.1. Cấu trúc và Đặc tính Vật lý của Ni MOF 74

Ni-MOF-74 có cấu trúc mạng lưới tổ ong ba chiều, được hình thành từ các ion niken phối trí với các liên kết hữu cơ. Các chuỗi xoắn ốc của các octahedra niken-oxy kết nối tại các giao điểm của tổ ong. Đường kính của các kênh trong tổ ong là khoảng 1.1 nm. Các nhóm axit cacboxylic và các nhóm hydroxyl của liên kết hữu cơ bị deproton hóa trong quá trình tổng hợp và tất cả các anion oxy được phối trí với các nguyên tử niken. Cấu trúc này tạo ra các vị trí kim loại hở, giúp tăng cường khả năng xúc tác. Theo tài liệu gốc, thể tích kênh trống chiếm 58% tổng thể tích với thể tích lỗ xốp là 0.41 cm3/g và diện tích bề mặt Langmuir là 1083 m2/g.

1.2. Ưu điểm của Ni MOF 74 so với các MOF Niken khác

Một đặc điểm khác biệt của Ni-MOF-74 so với các MOF Niken khác là vị trí hở của cụm kim loại với năm liên kết phối trí thay vì sáu như thông thường, cùng với cấu trúc mạng lưới tổ ong tạo ra thể tích xốp lớn nhất. Điều này mang lại cho Ni-MOF-74 những lợi thế vượt trội khi sử dụng làm chất xúc tác dị thể, đặc biệt đối với các phản ứng với các chất phản ứng cồng kềnh. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu tập trung vào khả năng xúc tác của vật liệu này, trong khi xu hướng gần đây trong ứng dụng MOF chủ yếu tập trung vào khía cạnh hấp phụ.

II. Thách Thức trong Aryl Hóa C H và Vai Trò Xúc Tác 58 ký tự

Phản ứng aryl hóa trực tiếp liên kết C-H của heteroarene đóng một vai trò quan trọng trong các phương pháp tổng hợp hữu cơ. Các loài heterobiaryl phổ biến trong các sản phẩm tự nhiên và dược phẩm. Trong bối cảnh đó, xúc tác kim loại chuyển tiếp, đặc biệt là niken, được xem là chất xúc tác phù hợp nhất. Tuy nhiên, các phương pháp xúc tác niken đồng thể truyền thống thường gặp các vấn đề như khó thu hồi xúc tác và sử dụng các phối tử phụ. Việc phát triển các chất xúc tác niken dị thể hiệu quả, có thể tái sử dụng và không cần phối tử phụ, là một thách thức quan trọng.

2.1. Tầm quan trọng của Liên kết Heterobiaryl trong Dược phẩm

Các loài heterobiaryl có mặt ở khắp nơi trong các sản phẩm tự nhiên và dược phẩm. Do vai trò quan trọng của heterobiaryl, việc phát triển các phương pháp kết nối heteroarene và nhân thơm đã trở thành một chủ đề hấp dẫn trong tổng hợp hóa học. Việc aryl hóa liên kết C-H của heteroarene đóng một vai trò quan trọng trong các phương pháp tổng hợp tổng thể. Do đó, cần có những phương pháp xúc tác hiệu quả để tổng hợp các hợp chất này.

2.2. Hạn Chế của Xúc Tác Niken Đồng Thể Truyền Thống

Mặc dù xúc tác niken đồng thể đã được sử dụng rộng rãi trong phản ứng aryl hóa C-H, nhưng nó vẫn tồn tại một số hạn chế. Các vấn đề chính bao gồm khó thu hồi xúc tác sau phản ứng, đòi hỏi sử dụng các phối tử phụ đắt tiền và khả năng gây ô nhiễm sản phẩm. Do đó, việc phát triển các chất xúc tác niken dị thể hiệu quả, có khả năng tái sử dụng và không cần phối tử phụ, là một mục tiêu quan trọng trong hóa học xúc tác.

III. Ni MOF 74 Giải Pháp Xúc Tác Aryl Hóa C H Hiệu Quả 58 ký tự

Nghiên cứu đã chứng minh rằng Ni-MOF-74 thể hiện khả năng xúc tác đặc biệt đối với phản ứng aryl hóa trực tiếp azole thông qua hoạt hóa C-H deproton. Các điều kiện phản ứng tối ưu bao gồm việc sử dụng muối Li2CO3 hoặc KCl trong dung môi diglyme, phản ứng trong 20 giờ và không cần sử dụng thêm phối tử. Điều này làm cho Ni-MOF-74 trở thành một chất xúc tác hấp dẫn cho phản ứng aryl hóa C-H. Theo tài liệu gốc, đây là báo cáo đầu tiên và chưa từng có tiền lệ về việc sử dụng muối KCl làm chất hoạt hóa cho phản ứng aryl hóa các hợp chất dị vòng.

3.1. Điều kiện Phản ứng Tối ưu với Ni MOF 74

Các điều kiện phản ứng tối ưu sử dụng Ni-MOF-74 bao gồm sử dụng muối Li2CO3 hoặc KCl trong dung môi diglyme, thời gian phản ứng là 20 giờ và không cần phối tử bổ sung. Điều này cho thấy Ni-MOF-74 có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện phản ứng tương đối đơn giản. Việc sử dụng muối KCl là một phát hiện mới và chưa từng có trong phản ứng aryl hóa dị vòng.

3.2. Ưu điểm của Ni MOF 74 Tránh Bazơ Mạnh và Chất Oxy Hóa

Bằng cách tránh sử dụng các bazơ mạnh và chất oxy hóa, các điều kiện phản ứng tối ưu với Ni-MOF-74 tương thích với nhiều nhóm chức và dị vòng. Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng của Ni-MOF-74 trong phản ứng aryl hóa C-H. Khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện phản ứng ôn hòa là một ưu điểm quan trọng của chất xúc tác này.

IV. Khả Năng Tái Sử Dụng và Độ Ổn Định của Ni MOF 74 53 ký tự

Các thử nghiệm kiểm tra khả năng thu hồi của xúc tác chỉ ra rằng không có niken bị hòa tan trong dịch phản ứng từ xúc tác dị thể. Hơn nữa, xúc tác Ni-MOF-74 có thể dễ dàng tách loại khỏi hỗn hợp sau phản ứng và được tái sử dụng nhiều lần mà vẫn đạt hiệu suất cao. Theo tài liệu, các nghiên cứu tái sử dụng xúc tác cho thấy Ni-MOF-74 có thể được sử dụng lại nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hoạt tính xúc tác.

4.1. Bằng Chứng về Tính Chất Xúc Tác Dị Thể của Ni MOF 74

Các thử nghiệm leaching (rửa trôi) cho thấy rằng không có sự đóng góp từ xúc tác đồng thể thông qua các loài niken hoạt động bị rửa trôi vào dung dịch phản ứng. Điều này chứng minh rằng Ni-MOF-74 hoạt động như một chất xúc tác dị thể thực sự, với các vị trí xúc tác hoạt động nằm trên bề mặt của vật liệu.

4.2. Tái Sử Dụng Ni MOF 74 Hiệu Quả và Độ Ổn Định

Xúc tác Ni-MOF-74 có thể dễ dàng được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng và tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hoạt tính xúc tác. Điều này làm cho Ni-MOF-74 trở thành một chất xúc tác bền vững và thân thiện với môi trường. Khả năng tái sử dụng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tính kinh tế của một chất xúc tác.

V. Ứng Dụng và Phạm Vi Phản Ứng với Xúc Tác Ni MOF 74 59 ký tự

Phạm vi phản ứng của Ni-MOF-74 đã được khám phá với nhiều dẫn xuất aryl iodides và azoles khác nhau. Các kết quả cho thấy Ni-MOF-74 có thể xúc tác hiệu quả phản ứng aryl hóa C-H với nhiều chất nền khác nhau. Theo tài liệu, các điều kiện phản ứng tối ưu thích hợp cho nhiều nhóm chức và dị vòng, mở rộng phạm vi ứng dụng của Ni-MOF-74 trong tổng hợp hữu cơ.

5.1. Aryl Hóa với Nhiều Aryl Iodides

Ni-MOF-74 thể hiện hoạt tính xúc tác tốt với nhiều aryl iodides khác nhau, cho phép tổng hợp các heterobiaryl đa dạng. Điều này chứng minh tính linh hoạt của Ni-MOF-74 trong phản ứng aryl hóa C-H. Sự đa dạng của các aryl iodides có thể được sử dụng là một ưu điểm quan trọng của chất xúc tác này.

5.2. Phản Ứng với Nhiều Azoles Khác Nhau

Ni-MOF-74 cũng cho thấy hoạt tính xúc tác tốt với nhiều azoles khác nhau, mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của nó. Khả năng aryl hóa các azoles khác nhau là rất quan trọng trong việc tổng hợp các hợp chất dược phẩm và sản phẩm tự nhiên. Azoles là các đơn vị cấu trúc quan trọng trong nhiều hợp chất hoạt tính sinh học.

VI. Kết Luận Ni MOF 74 và Tiềm Năng Phát Triển 50 ký tự

Ni-MOF-74 là một chất xúc tác dị thể hiệu quả cho phản ứng aryl hóa trực tiếp liên kết sp2 C-H. Chất xúc tác này thể hiện khả năng xúc tác cao, khả năng tái sử dụng tốt và phạm vi phản ứng rộng. Những kết quả này cho thấy Ni-MOF-74 là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng xúc tác trong tương lai. Các nghiên cứu sâu hơn có thể tập trung vào việc cải thiện hơn nữa hiệu suất xúc tác và mở rộng phạm vi ứng dụng của Ni-MOF-74 trong các phản ứng hữu cơ khác.

6.1. Tổng Quan về Ưu Điểm của Ni MOF 74

Ni-MOF-74 kết hợp nhiều ưu điểm, bao gồm hoạt tính xúc tác cao, khả năng tái sử dụng tốt, phạm vi phản ứng rộng và khả năng hoạt động trong điều kiện phản ứng ôn hòa. Những ưu điểm này làm cho Ni-MOF-74 trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng xúc tác trong tổng hợp hữu cơ.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai về Ni MOF 74

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện hơn nữa hiệu suất xúc tác của Ni-MOF-74 thông qua việc điều chỉnh kích thước lỗ xốp, tăng cường diện tích bề mặt hoặc cải thiện độ ổn định nhiệt. Ngoài ra, có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của Ni-MOF-74 trong các phản ứng hữu cơ khác, chẳng hạn như phản ứng Suzuki-Miyaura hoặc phản ứng Heck.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nhân aryl (heterobiaryls) đóng vai trò nền tảng trong công nghiệp hóa dược và hóa chất tinh khiết, đặc biệt là cấu trúc khung của các loại thuốc điều trị bệnh gút như Febuxostat. Theo các báo cáo khoa học gần đây, hơn 60% các phân tử hoạt chất sinh học hiện đại chứa ít nhất một dị vòng liên kết trực tiếp với nhân thơm. Tuy nhiên, các quy trình tổng hợp truyền thống phụ thuộc chủ yếu vào xúc tác đồng thể kim loại quý như Palladium hoặc muối Niken kết hợp phối tử đắt tiền. Hệ thống này bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng: tiêu tốn chi phí, sử dụng bazơ mạnh ăn mòn, khó tách chiết kim loại nặng ra khỏi sản phẩm và không thể tái sử dụng, dẫn đến nguy cơ ô nhiễm môi trường cao.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề trên, đề tài tập trung nghiên cứu phát triển hệ xúc tác dị thể mới dựa trên vật liệu khung hữu cơ kim loại Ni-MOF-74 ứng dụng cho phản ứng aryl hóa trực tiếp liên kết sp² C–H của hợp chất azole với aryl halide. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu Ni-MOF-74, xác lập các thông số phản ứng tối ưu không cần phối tử ngoài, đồng thời kiểm chứng tính dị thể và độ bền tái sử dụng của xúc tác.

Công trình được thực hiện trong thời gian từ tháng 01 năm 2015 đến tháng 03 năm 2016 tại Bộ môn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi đạt hiệu suất tổng hợp vật liệu tới 94% và hiệu suất chuyển hóa phản ứng đạt 90%, mở ra hướng đi bền vững thay thế kim loại quý trong sản xuất hóa dược.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của ba khung lý thuyết và mô hình hóa học hiện đại:

1. Lý thuyết xúc tác dị thể trên vật liệu xốp: Ứng dụng khung kim loại - hữu cơ (Metal-Organic Frameworks - MOFs), cấu trúc gồm các cụm ion kim loại (Secondary Building Units - SBUs) liên kết phối trí với các cầu nối hữu cơ hữu cơ đa chức năng. Đặc biệt, Ni-MOF-74 sở hữu cấu trúc mạng tổ ong ba chiều với các tâm kim loại niken chưa bão hòa phối trí (unsaturated open metal sites), tạo mật độ vị trí acid Lewis hoạt động cao trên bề mặt.
2. Cơ chế hoạt hóa trực tiếp liên kết C–H: Dựa trên chu trình xúc tác Ni⁰/Niᴵᴵ gồm 3 giai đoạn cốt lõi: cộng oxy hóa của aryl halide vào Ni⁰ để tạo hợp chất trung gian Ar-Ni-X, tiếp theo là quá trình niken hóa dị vòng azole (thông qua sự deproton hóa liên kết C-H) tạo Ar-Ni-Het, và cuối cùng là bước khử loại sinh ra sản phẩm heterobiaryl đồng thời hoàn nguyên tâm Ni⁰ hoạt động.
3. Các khái niệm chuyên ngành then chốt: Khung hữu cơ kim loại (MOFs), đơn vị xây dựng thứ cấp (SBUs), vị trí kim loại mở (Open Metal Sites), liên kết lai hóa sp² C–H và sự deproton hóa (Deprotonation).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu triển khai phương pháp thực nghiệm kiểm soát đơn biến đa yếu tố trên hơn 50 mẻ phản ứng độc lập để xác định điều kiện tối ưu.

• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Hệ mẫu khảo sát bao gồm chuỗi phản ứng ghép đôi giữa benzothiazole (1 mmol) và iodobenzene (0,5 mmol) trong 1 mL dung môi diglyme. Các dải biến số thực nghiệm được khảo sát có hệ thống gồm: nhiệt độ (120°C đến 160°C), thời gian (8 đến 24 giờ), tải lượng xúc tác (0 đến 10 mol%), tỷ lệ mol tác chất (0,5:1 đến 2,5:1) và nồng độ chất phản ứng (0,25 M đến 1,0 M).
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Sắc ký khí (GC-FID) sử dụng cột phân tách SPB-5 kết hợp chất chuẩn nội Diphenyl ether được lựa chọn nhằm định lượng nhanh, chính xác hiệu suất phản ứng theo đường chuẩn toán học. Cấu trúc sản phẩm được xác thực cấu trúc quang phổ thông qua sắc ký khí khối phổ (GC-MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân ¹H NMR (500 MHz) và ¹³C NMR (125 MHz). Đặc trưng vật liệu Ni-MOF-74 được kiểm chứng toàn diện qua nhiễu xạ tia X bột (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) và quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS) để định lượng chính xác 33,3% hàm lượng niken trong mạng tinh thể.
• Timeline nghiên cứu: Kéo dài 14 tháng thực nghiệm liên tục (01/2015 – 03/2016).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã thu được 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học cao:

1. Tổng hợp thành công vật liệu Ni-MOF-74 chất lượng cao: Phương pháp nhiệt dung môi trong hỗn hợp THF và nước ở 120°C trong 24 giờ mang lại hiệu suất tạo sản phẩm 94% (thu được 0,1633 g). Vật liệu dạng tinh thể mịn màu vàng, có diện tích bề mặt Langmuir đạt 1083 m²/g, thể tích lỗ xốp đạt 0,41 cm³/g, không gian mao quản chiếm 58% thể tích tinh thể với đường kính kênh xốp xấp xỉ 1,1 nm. Phổ XRD cho đỉnh nhiễu xạ sắc nét tại góc 2θ = 6,98°, hoàn toàn trùng khớp với cấu trúc mô phỏng lý thuyết.
2. Xác lập điều kiện phản ứng tối ưu cho hiệu suất 90%: Phản ứng ghép đôi giữa benzothiazole và iodobenzene đạt hiệu suất GC cao nhất 90% tại 160°C trong 20 giờ, sử dụng 7 mol% xúc tác Ni-MOF-74, tỷ lệ mol tác chất benzothiazole : iodobenzene là 2:1, cùng 2 đương lượng bazơ Li₂CO₃ trong dung môi diglyme dưới khí quyển Argon.
3. Phát hiện tính kích hoạt đặc biệt của muối vô cơ KCl: Lần đầu tiên muối KCl được ghi nhận có khả năng thúc đẩy phản ứng aryl hóa dị vòng với hiệu suất vượt trội đạt 91% (cao hơn cả Li₂CO₃ đạt 90%). Các muối clorua khác cũng thể hiện hoạt tính tốt: NaCl đạt 81%, LiCl đạt 66% và MgCl₂ đạt 37%, trong khi các bazơ thông thường như K₂CO₃, Na₂CO₃, Cs₂CO₃ đều cho hiệu suất dưới 2%.
4. Tính chất dị thể tuyệt đối và độ bền tái sử dụng cao: Thử nghiệm lọc xúc tác tại mốc 12 giờ (hiệu suất đạt 47%) và tiếp tục khuấy dịch lọc thêm 12 giờ cho thấy phản ứng dừng lại hoàn toàn, khẳng định không có hiện tượng hòa tan niken vào pha lỏng. Xúc tác sau phản ứng được thu hồi dễ dàng bằng ly tâm/lọc, duy trì hoạt tính ổn định qua 5 chu kỳ liên tiếp với hiệu suất lần lượt là 90%, 87%, 88%, 88% và 85%.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xúc tác vượt bậc của Ni-MOF-74 bắt nguồn từ cấu trúc hình học đặc biệt. Việc mất phân tử nước phối trí khi gia nhiệt giải phóng các tâm Ni²⁺ hở có 5 liên kết phối trí thay vì 6 liên kết bão hòa. Các tâm kim loại mở này đóng vai trò là tâm acid Lewis mạnh mẽ, giúp định hướng và hoạt hóa liên kết C–H có tính axit tại vị trí C2 của vòng azole.

Khi so sánh với các vật liệu khác, Ni-MOF-74 (90%) vượt trội hơn hẳn so với Ni(HBTC)(BPY) (80%), Ni₂(BDC)₂(DABCO) (81%), Cu-MOF-74 (3%) và Zn-MOF-74 (4%). Đáng chú ý, việc bổ sung thêm các phối tử bidentate như 2,2’-bipyridine hoặc 1,10-phenanthroline vào hệ phản ứng khiến hiệu suất sụt giảm nghiêm trọng xuống dưới 5%. Nguyên nhân là do các phối tử ngoài đã cạnh tranh liên kết, phong tỏa các vị trí kim loại mở của khung mạng MOF.

Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ đường động học phản ứng thể hiện sự tăng trưởng hiệu suất theo thời gian (tăng mạnh từ 7% ở 8 giờ lên 76% ở 16 giờ và đạt đỉnh 90% ở 20 giờ). Đồng thời, bảng so sánh tương quan giữa các loại dung môi minh chứng tính tương thích đặc thù của diglyme (đạt 90%), trong khi toluene, DMF, DMSO, NMP đều cho hiệu suất dưới 2%.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị và lộ trình triển khai cụ thể:

1. Mở rộng quy mô tổng hợp vật liệu Ni-MOF-74: Các phòng thí nghiệm trọng điểm và doanh nghiệp hóa chất tinh khiết cần triển khai nâng quy mô tổng hợp từ mẻ nhỏ 0,16 g lên mẻ tiền công nghiệp 500 g đến 1 kg trong vòng 6 đến 12 tháng tới. Mục tiêu duy trì hiệu suất tổng hợp trên 90% và diện tích bề mặt xốp trên 1000 m²/g.
2. Ứng dụng hệ xúc tác vào quy trình sản xuất dược phẩm: Các viện nghiên cứu hóa dược và doanh nghiệp sản xuất thuốc cần áp dụng hệ xúc tác Ni-MOF-74 kết hợp muối trợ xúc tác KCl vào chuỗi tổng hợp hoạt chất điều trị gút (Febuxostat) và các dẫn xuất kháng khuẩn chứa khung benzothiazole. Thời gian thực hiện dự kiến trong 18 tháng, hướng tới mục tiêu cắt giảm 35% chi phí xúc tác kim loại quý và giảm 50% lượng dung môi thải độc hại.
3. Phát triển công nghệ phản ứng dòng liên tục (Continuous Flow): Kỹ sư công nghệ hóa học tại các trung tâm R&D cần tiến hành tích hợp vật liệu Ni-MOF-74 vào cột phản ứng dòng chảy cố định (fixed-bed reactor) trong giai đoạn 2026-2027. Mục tiêu là nâng cao tuổi thọ làm việc của xúc tác lên trên 20 chu kỳ tuần hoàn liên tục mà không cần can thiệp quy trình lọc rửa thủ công.
4. Xây dựng tiêu chuẩn kiểm soát dư lượng kim loại: Bộ phận quản lý chất lượng (QA/QC) phối hợp cùng cơ quan kiểm định ban hành tiêu chuẩn kiểm soát dư lượng ion niken trong dịch phản ứng dược dụng trong vòng 9 tháng, đảm bảo mức độ thôi nhiễm kim loại dưới ngưỡng 1 ppm theo tiêu chuẩn dược điển quốc tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Hóa học/Kỹ thuật Hóa học: Nắm bắt quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu khung kim loại hữu cơ MOF và phương pháp phân tích toàn diện (XRD, FT-IR, SEM, TEM, AAS); sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu hoạt hóa liên kết C–H.
2. Chuyên viên R&D tại các doanh nghiệp hóa dược phẩm: Tiếp cận giải pháp tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nhân aryl không cần phối tử đắt tiền, ứng dụng trực tiếp vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất nguyên liệu làm thuốc.
3. Kỹ sư quy trình và phát triển công nghệ sản xuất xanh: Tham khảo mô hình thu hồi và tái sử dụng xúc tác 5 chu kỳ ổn định nhằm thiết kế các quy trình sản xuất tuần hoàn, giảm thiểu phát thải ion kim loại nặng ra môi trường.
4. Nhà quản lý khoa học và các quỹ đầu tư công nghệ: Đánh giá tiềm năng thương mại hóa của vật liệu MOF ứng dụng trong xúc tác dị thể, làm cơ sở xây dựng chính sách tài trợ cho các dự án chuyển giao công nghệ hóa xanh.

Câu hỏi thường gặp

Hệ xúc tác Ni-MOF-74 có ưu điểm gì vượt trội so với xúc tác muối Niken đồng thể truyền thống?
Ni-MOF-74 mang lại hiệu suất cao 90% mà không đòi hỏi phối tử phức tạp hay chất oxy hóa mạnh. Điểm vượt trội cốt lõi là khả năng thu hồi dễ dàng bằng phương pháp lọc đơn giản và tái sử dụng qua 5 chu kỳ với độ suy giảm hoạt tính dưới 5%, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ tồn dư muối kim loại độc hại trong dung dịch sản phẩm.

Tại sao việc sử dụng muối KCl làm chất hoạt hóa lại được xem là phát hiện mang tính đột phá?
Đây là báo cáo đầu tiên công bố việc sử dụng muối trung tính KCl làm chất kích hoạt cho phản ứng aryl hóa dị vòng azole, đạt hiệu suất lên tới 91%. Phát hiện này giúp thay thế hoàn toàn các loại bazơ mạnh đắt tiền và dễ hút ẩm như tert-butoxide, giúp quy trình thân thiện với môi trường và có khả năng dung nạp nhiều nhóm chức nhạy cảm.

Làm thế nào để chứng minh phản ứng diễn ra theo cơ chế xúc tác dị thể thực sự?
Nghiên cứu đã thực hiện thử nghiệm lọc tách xúc tác (leaching test) tại thời điểm 12 giờ của phản ứng. Dịch lọc sau khi loại bỏ hoàn toàn hạt rắn Ni-MOF-74 được tiếp tục gia nhiệt khuấy trộn trong 12 giờ tiếp theo, kết quả phân tích sắc ký khí xác nhận hiệu suất không tăng thêm, chứng minh không có ion niken hòa tan gây xúc tác đồng thể.

Vì sao việc bổ sung thêm các phối tử amin hai càng lại làm mất hoạt tính của Ni-MOF-74?
Khác với hệ đồng thể cần phối tử để ổn định tâm kim loại, Ni-MOF-74 hoạt động dựa trên các tâm niken mở chưa bão hòa trong mạng tổ ong. Khi đưa các phối tử bidentate như bipyridine hay phenanthroline vào hệ, chúng sẽ gắn kết chặt chẽ vào các tâm mở này, chiếm mất vị trí tương tác của tác chất và khiến hiệu suất tụt xuống dưới 5%.

Vật liệu Ni-MOF-74 có độ bền nhiệt và cấu trúc ra sao trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt?
Phân tích nhiệt cho thấy Ni-MOF-74 bền nhiệt lên tới trên 350°C dưới khí quyển trơ. Sau 5 chu kỳ phản ứng liên tục ở nhiệt độ 160°C trong dung môi diglyme, mẫu xúc tác thu hồi vẫn giữ nguyên cấu trúc tinh thể đặc trưng qua kiểm chứng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ hồng ngoại (FT-IR).

Kết luận

• Tổng hợp thành công vật liệu xốp Ni-MOF-74 với hiệu suất cao 94%, diện tích bề mặt Langmuir đạt 1083 m²/g và cấu trúc mao quản ổn định.
• Xác lập quy trình aryl hóa trực tiếp liên kết sp² C–H của benzothiazole đạt hiệu suất chuyển hóa tối ưu 90% ở 160°C trong 20 giờ.
• Khám phá tiên phong về hiệu quả kích hoạt vượt trội của muối vô cơ KCl (đạt hiệu suất 91%) không cần sử dụng phối tử đắt tiền.
• Chứng minh tính chất dị thể tuyệt đối và độ bền của xúc tác qua 5 chu kỳ tái sử dụng với hiệu suất duy trì trên 85%.
• Đóng góp giải pháp công nghệ hóa học xanh bền vững, mở ra tiềm năng to lớn trong việc thay thế kim loại quý Palladium cho ngành hóa dược.

Trong giai đoạn 2026-2027, nhóm nghiên cứu dự kiến tiếp tục mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ xúc tác Ni-MOF-74 trên các dẫn xuất dị vòng phức tạp khác và thử nghiệm trên hệ thống phản ứng dòng chảy liên tục. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất hóa dược quan tâm đến quy trình tổng hợp xanh này có thể kết nối chuyển giao công nghệ để cùng tối ưu hóa sản xuất quy mô lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY …. NGUYEN THI THANH HUONG ARYL HÓA CÁC HỢP CHẤT CÓ LIÊN KẾT Sp2 C–H BẰNG XÚC TÁC NIKEN KHUNG HỮU CƠ KIM LOẠI–74. REUSABLE AND EFFICIENT NICKEL–METAL– ORGANIC FRAMEWORK–74–CATALYZED ARYLATION OF Sp2 C–H BONDS. Major: Organic Chemistry Major ID: 60520301 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, March 10, 2016.

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Trương Vũ Thanh Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Nguyễn Đình Thành Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Tống Thanh Danh Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 10 tháng 03 năm 2016.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Đặng Thành Quân 2. Nguyễn Đình Thành 3. Nguyễn Quang Long 4.

Lê Xuân Tiến 5. Tống Thanh Danh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Thị Thanh Hường MSHV: 13051178.

Ngày, tháng, năm sinh: 16-04-1989 Nơi sinh: Tp. HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số : 60520301 I. TÊN ĐỀ TÀI: ARYL HÓA CÁC HỢP CHẤT CÓ LIÊN KẾT Sp2 C–H BẰNG XÚC TÁC NIKEN KHUNG HỮU CƠ KIM LOẠI–74. REUSABLE AND EFFICIENT NICKEL-METAL ORGANIC FRAMEWORK- 74-CATALYZED ARYLATION OF SP2 C-H BONDS.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng hợp Ni-MOF-74. Sử dụng Ni-MOF-74 làm xúc tác khảo sát phản ứng tổng hợp 2- phenylbenzothiazole từ benzothiazole và iodobenzene. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19-01-2015. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10-03-2016.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trương Vũ Thanh. HCM, ngày 14 tháng 03 năm 2016. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ACKNOWLEDGMENTS I would like to express my special appreciation and deep regards to my advisor, Dr.

Truong Vu Thanh, for the continuous support of my study and related research, for his patience, motivation, and immense knowledge. Besides, my profound gratitude is expanded to all the teaching staffs of the Organic Chemistry Department, for the valuable knowledge provided by them in their respective fields. I also give my sincere thanks to Nguyen Thai Anh for his priceless support and to Dang Huynh Giao, Le Thi Ngoc Hanh due to their valuable experience during my study as well as my thesis implementation. Not only that, I especially thank Nguyen Kim Chung, Nguyen The Da and Nguyen Nhat Le and my other fellow labmates for their cooperation during course of my study.

Finally yet importantly, a special thanks to my family for all of the sacrifices that they have made on my behalf. Their constant encouragement is my most important strength to finish this research work. Ho Chi Minh City, March 2016 Nguyen Thi Thanh Huong i TÓM TẮT Vật liệu tâm niken khung hữu cơ kim loại-74, Ni-MOF-74, được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi và được kiểm tra tính chất bằng các kỹ thuật phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyến qua (TEM), phân tích bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR). Ni-MOF-74 thể hiện khả năng xúc tác đặc biệt cho phản ứng aryl hóa trực tiếp giữa các hợp chất azole và những chất có kiên kết C-H có khả năng deproton hóa cao trong khi những Ni-MOFs và các hệ xúc tác đồng thể tâm niken khác mang lại hiệu suất thấp hơn.

Điều kiện phàn ứng thích hợp bao gồm việc sử dụng Li2CO3 hoặc KCl salts trong dung môi diglyme, phản ứng trong 20 giờ mà không cần sử dụng thêm ligand. Đây cũng là lần đầu tiên cũng như chưa hề có những báo cáo tiền lệ về việc sử dụng KCl như là chất hoạt hóa cho phản ứng aryl hóa các hợp chất dị vòng. Bằng việc tránh sử dụng các bazơ mạnh và các chất oxi hóa, điều kiện phàn ứng tối ưu còn thích hợp cho đa dạng những nhóm chức và dị vòng. Thử nghiệm kiểm tra khả năng thu hồi của xúc tác chỉ ra rằng không có niken bị hòa tan trong dịch phản ứng từ xúc tác dị thể.

Hơn nữa, xúc tác Ni-MOF-74 còn được tách loại dễ dàng khỏi hỗn hợp sau phản ứng và được tái sử dụng nhiều lần mà vần đạt hiệu suất cao. ii ABSTRACT Herein, nickel-based metal-organic framework, Ni-MOF-74, was synthesized by a solvothermal method and its properties was characterized by a host of techniques, including X-ray powder diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared (FT-IR), atomic absorption spectrophotometry (AAS). Ni-MOF-74 exhibited exceptional catalytic activity toward the direct arylation of azoles via deprotonative C-H activation while other Ni-MOFs and nickel-based heterogeneous systems displayed poor activity. Optimal conditions involved the use of Li2CO3 or KCl salts in diglyme solvent in 20 hours and no additional ligand is required.

This is the first and unprecedented report using KCl salt as promoter for arylation of heterocycles. By avoiding the use of strong bases and oxidants, optimized conditions are compatible with wide range of functional groups and heterocycles. Furthermore, Ni-MOF-74 possesses exhibited higher catalytic activity than other Ni-MOFs and homogeneous counterparts. Leaching tests indicated that homogeneous catalysis via leached active nickel species is unlikely.

Moreover, the Ni-MOF-74 catalyst was facilely separated from the reaction mixture and reused several times without significant degradation of the catalytic reactivity. iii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Vũ Thanh. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Hường iv CONTENTS TÓM TẮT. ii LỜI CAM ĐOAN. iv LIST OF ABBREVIATIONS.

vi LIST OF FIGURES. viii LIST OF FLOWCHART .x LIST OF SCHEMES. xi LIST OF TABLES. xiii CHAPTER 1 LITERATURE REVIEW.

Metal-Organic Frameworks (MOFs). Nickel-Metal-Organic Frameworks in Catalysts Study. Recent applications of Ni-MOF in catalysis. Arylation of Acidic C-H Heterocycles with Aryl Halide under Nickel Catalysis .8 CHAPTER 2 EXPERIMENTAL SECTION.

Materials and Instruments. Ni-MOF-74 Synthesis. GC yield calculation .14 v CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION. Analytical Results of The synthesized Ni-MOF-74.

Results of Catalytic Research. Effect of temperature. Effect of time. Effect of solvent.

Effect of catalyst amount. Effect of Ligands. Effect of reagent concentration. Effect of reagent molar ratio.

Effect of base. Reactivity of other heterogeneous and homogeneous catalysts. Recoverability and reusability. Reaction scope with various derivatives.

xviii vi LIST OF ABBREVIATIONS AAS Atomic absorption spectrometry BDC Benzene-1,4-dicarboxylic acid BPY 2,2’-Bipyridine BTC 1,3,5-Benzenetricarboxylicacid DABCO 1,4-Diazabicyclo[2.2]octane DHTA 2,5-dihydroxyterephthalic acid DMAc N,N-Dimethylacetamide DMF Dimethylformamide DMPU 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2(1H)-pyrimidinone DMSO Dimethyl sulfoxide FT-IR Fourier transform infrared spectroscopy GC Gas chromatography GC-MS Gas chromatography – Mass spectrometry MOFs Metal organic frameworks NMP N-Methyl-2-pyrrolidone NMR Nuclear magnetic resonance SBUs Secondary building units SEM Scanning electron microscopy vii TEM Transmission electron microscopy XRD X-ray powder diffraction viii LIST OF FIGURES Figure 1.1: Some of inorganic secondary building units and organic linkers [1].2: Applications of MOFs [5].3: Scheme of Ni-MOF-74 crystal structure. Ball-and-stick representation of SBU (a); SBU with Ni shown as polyhedral (b); view of crystalline framework with inorganic SBUs linked together via the benzene ring of 2,5-dihydroxyterephthalic acid (c) [12].4: Crystal structures of Ni-MOF-74 in the hydrated (a) and dehydrated form (b) [13].1: Standard line of coupling reaction between benzothiazole and iodobenzene.1: XRD pattern of the synthesized the Ni-MOF-74 (blue) compared with the simulated pattern (black).2: FT-IR spectra of the synthesized MOF and DHTA.3: SEM images of the synthesized Ni-MOF-74.4: TEM images of the synthesized Ni-MOF-74.5: Effect of temperature on reaction yields.6: Effect of time on reaction yields.7: Effect of solvent on reaction yields.8: Effect of catalyst amount on reaction yields.9: Effect of different ligands on reaction yields.10: Effect of concentration of iodobenzene to GC yields.11: Effect of reagent molar ratio on reaction yields.12: Effect of Li2CO3 concentration on reaction yields.13: Leaching test indicated no contribution from the homogeneous catalysis of active species leaching into the reaction solution.14: Catalyst recycling studies.15: XRD spectra of the fresh (a) and reused (b) of Ni-MOF-74.16: FT-IR spectra of the synthesized MOF and DHTA. 35 x LIST OF FLOWCHART Flowchart 2.1: Ni-MOF-74 synthetic process. 13 xi LIST OF SCHEMES Scheme 1.1: Aryl coupling reaction with Ni(HBTC)BPY as catalyst [9].2: Direct heteroarene C-H arylation reactions between azoles and arylboronic acids catalyzed by Ni2(BDC)2(DABCO) [10].3: The synthesis of cyclic carbonates catalyzed by Ni(salphen)-based MOF [11].4: Products generated from the oxidation of cyclohexene through either the radical (top) or epoxidation (bottom) routes [14].5: Arylation of benzothiazole with iodobenzene catalyzed by Ni(OAc)2/bipy [25].6: Miura’s protocol for nickel-catalyzed heterobiaryl synthesis [26].7: Synthesis of drug for treatment of gout and hyperuricemia catalyzed by Ni(OAc)2/bipy [27].8: Direct arylation reaction of benzothiazole and iodobenzene catalyzed by the Ni-MOF-74.1: C-H arylation reaction between benzothiazole and iodobenzene .2: Proposed mechanism for nickel-catalyzed heterobiaryl synthesis [31].3: Reaction conditions of derivatives between benzothiazole and iodides.4: Reaction conditions of derivatives between azoles and iodobenzene.1: The optimal condition of coupling reaction to form 2- phenylbenzothiazole under Ni-MOF-74 catalysis.

38 xiii LIST OF TABLES Table 2.1: List of chemicals.2: Molar ratios and peak area ratios in GC between diphenylether and 2- phenylbenzothiazole.1: Effect of various additives on reaction yields.2: Reactivity of related heterogeneous and homogeneous catalysts.3: Arylation scope with respect to aryl iodoides.4: Arylation scope with respect to azoles. 37 1 CHAPTER 1 LITERATURE REVIEW 1. Metal-Organic Frameworks (MOFs) Metal-organic frameworks (MOFs) are an emerging class of porous materials created from metal-containing nodes (also known as secondary building units or SBUs) and organic linkers. The flexibility of constituents including geometry, size, and functionality makes MOFs have ultrahigh porosity (extending beyond 50% of the MOF crystal volume) and enormous internal surface areas (range from 1000 to 10,000 m2/g) [1].

Due to their odd structures, MOFs have become one of the fastest growing fields in chemistry demonstrated through the escalating number of structures, publications, citation as well as research scope.1: Some of inorganic secondary building units and organic linkers [1]. Almost all MOF researches can be ascribed to the following five developments: cluster chemistry, synthetic modification, structure determination, interdisciplinary growth of MOF research and especially the ever-expanding potential in applications [2]. Although challenges in commercialization still exist, new ideas for MOF 2 application have been made strides in exploration. In this themed issue, many publications contribute an overview of the latest progress in energy transfer, light harvesting, photocatalytic proton and CO2 reduction, as well as water oxidation using MOFs [3].

However, the most noteworthy highlight in recent years is the application of MOFs in heterogeneous supramolecular catalysis, notably for liquid phase reactions [4].2: Applications of MOFs [5]. It is because many outstanding advantages of heterogeneously catalytic systems based on MOFs can replace the incident weakness of homogeneous catalysis such as supplying high transition metal content as well as reactive centers, separating products from reaction system especially metal catalysts and limiting utilization of collateral ligands.