Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Tổng hợp và Ứng dụng Cu-MOF làm xúc tác cho phản ứng" (tên tiếng Anh: Cu-Based Organic Frameworks as Catalysts for C–C and C–N Coupling Reactions) được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Đặng Huỳnh Giao tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh vào năm 2015, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa hữu cơ (mã số: 62527505), dưới sự hướng dẫn của GS. Phan Thanh Sơn Nam và TS. Lê Thành Dũng.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong hóa học tổng hợp hữu cơ pha lỏng, các phức chất kim loại chuyển tiếp đồng thể thường được sử dụng phổ biến để thúc đẩy quá trình chuyển hóa hóa học. Tuy nhiên, việc tách loại và thu hồi xúc tác đồng thể ra khỏi hỗn hợp sản phẩm cuối cùng gặp nhiều trở ngại, dẫn đến nguy cơ nhiễm tạp chất kim loại, gây hạn chế lớn cho ứng dụng trong công nghiệp hóa dược. Propargylamine và quinoxaline là hai nhóm hợp chất trung gian quan trọng trong quá trình tổng hợp các phân tử có hoạt tính sinh học chứa nitơ cũng như các vật liệu hữu cơ chức năng. Nhiều hệ xúc tác kim loại chuyển tiếp đồng thể và dị thể trước đây khi áp dụng vào phản ứng ghép đôi hình thành liên kết C–C và C–N thường gặp phải một số hạn chế như: điều kiện phản ứng khắc nghiệt, hiệu suất chưa tối ưu, quy trình xử lý tách chiết phức tạp, hoặc sử dụng các muối kim loại độc hại.

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (Metal-Organic Frameworks - MOFs), đặc biệt là các khung kim loại gốc đồng (Cu-MOFs), sở hữu các tâm kim loại đồng chưa bão hòa phối trí (open metal sites), đóng vai trò như các tâm axit Lewis hoạt động. Các vật liệu Cu-MOF như $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}(\text{BDC})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ và $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ được tạo thành từ các phối tử carboxylate thương mại có giá thành hợp lý gồm axit 1,4-benzenedicarboxylic (BDC), axit 1,3,5-benzenetricarboxylic (BTC) và axit 4,4'-biphenyldicarboxylic (BPDC), kết hợp cùng các phối tử cầu nối dạng trụ như 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) và 4,4'-bipyridine (BPY). Các vật liệu này có diện tích bề mặt riêng lớn (thường vượt trên 1000 $\text{m}^2/\text{g}$, ngoại trừ $\text{Cu}(\text{BDC})$), độ bền nhiệt lên đến trên 300 °C và kích thước cửa sổ mao quản khoảng 7,0 Å, cho phép các cơ chất hữu cơ kích thước trung bình khuếch tán vào bên trong cấu trúc xốp để tiếp cận các tâm hoạt tính.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: Trước thời điểm thực hiện luận án, các phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C và C–N nhằm tổng hợp propargylamine và quinoxaline sử dụng các xúc tác dị thể Cu-MOF này chưa từng được công bố trong các tài liệu khoa học.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính được đánh số như sau:

  1. Tổng hợp và đặc trưng cấu trúc của bốn vật liệu khung hữu cơ kim loại gốc đồng (Cu-MOFs) bao gồm $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}(\text{BDC})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ và $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$.
  2. Khảo sát việc ứng dụng bốn vật liệu Cu-MOF trên làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C và C–N nhằm tổng hợp các hợp chất propargylamine và quinoxaline.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bốn cấu trúc vật liệu Cu-MOF ($\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}(\text{BDC})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$) và các mô hình phản ứng ghép đôi C–C (phản ứng oxy hóa ghép đôi C–C trực tiếp giữa $N,N$-dimethylaniline với phenylacetylene; phản ứng ghép đôi C–C qua methyl hóa và chức hóa liên kết C–H giữa $N$-methylaniline với phenylacetylene; phản ứng ghép đôi 3 cấu tử $A^3$ giữa tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và phenylacetylene) và phản ứng ghép đôi C–N (phản ứng đóng vòng oxy hóa giữa $\alpha$-hydroxyacetophenone và $o$-phenylenediamine tạo khung quinoxaline).
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Hóa hữu cơ, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2011–2015.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại sự phát triển của các hệ vật liệu xốp từ zeolit, silica mao quản trung bình, carbon mao quản trung bình đến vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs). So với các vật liệu xốp truyền thống, MOFs sở hữu cấu trúc tinh thể có trật tự cao, kích thước lỗ xốp đồng đều và có thể điều chỉnh linh hoạt thông qua việc lựa chọn ion kim loại và phối tử hữu cơ.

Loại vật liệu xốp Đặc trưng cấu trúc và hình thái mao quản Diện tích bề mặt ($\text{m}^2/\text{g}$) Kích thước mao quản
Silica gel Vô định hình; hình dạng và kích thước không đồng đều; nhóm chức bề mặt chủ yếu là hydroxyl trung tính < 1000 Đường kính trung bình: 20 – 30 Å
Activated alumina Vô định hình; hình dạng không đồng đều; nhóm chức bề mặt mang tính axit hoặc bazơ < 1000 Đường kính trung bình: 20 – 50 Å
Zeolite Tinh thể; hình dạng và kích thước mao quản đồng đều < 1000 Đường kính cửa sổ: 3 – 10 Å
Activated carbons Vô định hình; kích thước không đồng đều; độ phân cực bề mặt cục bộ khác nhau > 1000 Đường kính trung bình: 3 – 100 Å
Molecular sieve carbons Vô định hình; kích thước mao quản lớn hơn than hoạt tính > 1000 Đường kính cửa sổ: 3 – 5 Å
MOFs Tinh thể; hình dạng, kích thước mao quản và nhóm chức bề mặt có thể điều chỉnh linh hoạt Thường > 1000 Có thể kiểm soát từ vi mao quản đến mao quản trung bình

Lịch sử nghiên cứu tổng hợp bốn vật liệu Cu-MOF

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trước đây về quy trình tổng hợp bốn vật liệu Cu-MOF:

  • $\text{Cu}(\text{BDC})$: Được Mori và cộng sự tổng hợp lần đầu vào năm 1997 từ đồng(II) formate và axit terephthalic ($\text{H}_2\text{BDC}$) trong methanol ở nhiệt độ phòng sau vài tuần (Mori et al., 1997). Đến năm 2009, Cantwell và cộng sự công bố quy trình nhiệt dung môi sử dụng $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ và $\text{H}_2\text{BDC}$ trong $N,N$-dimethylformamide (DMF) ở 110 °C trong 36 giờ, đạt diện tích bề mặt BET 625 $\text{m}^2/\text{g}$ và Langmuir 752 $\text{m}^2/\text{g}$ (Cantwell et al., 2009).
  • $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ (HKUST-1): Chui và cộng sự phát hiện năm 1999 thông qua phản ứng giữa $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ và axit 1,3,5-benzenetricarboxylic ($\text{H}_3\text{BTC}$) trong hệ dung môi $\text{H}_2\text{O}:\text{EtOH}$ ở nhiệt độ và áp suất cao (Chui et al., 1999). Các nghiên cứu hồi lưu sau đó trong EtOH, DMF hoặc $\text{DMF}/\text{H}_2\text{O}$ ghi nhận diện tích bề mặt BET đạt lần lượt 1624, 1239 và 1333 $\text{m}^2/\text{g}$.
  • $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$: Seki tổng hợp lần đầu năm 2001 thông qua phản ứng dị thể giữa đồng dicarboxylate xốp và DABCO trong methanol/toluene ở 433 K, đạt diện tích bề mặt BET 3265 $\text{m}^2/\text{g}$ (Seki, 2001). Cấu trúc tinh thể được khẳng định bằng SC-XRD một năm sau đó. Đến năm 2007, Lee và cộng sự công bố quy trình tổng hợp trực tiếp từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$, $\text{H}_2\text{BDC}$ và DABCO trong DMF ở 120 °C trong 36 giờ (Lee et al., 2007).
  • $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$: Được báo cáo tổng hợp từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$, axit 4,4'-biphenyldicarboxylic ($\text{H}_2\text{BPDC}$) và 4,4'-bipyridine (BPY) trong DMSO ở 125 °C trong 24 giờ. Năm 2013, Phan và cộng sự cải tiến điều kiện tổng hợp sử dụng hệ dung môi DMF:EtOH:Pyridine ở 120 °C trong 24 giờ, thu được vật liệu có diện tích bề mặt Langmuir đạt 1547 $\text{m}^2/\text{g}$ (Phan et al., 2013).

Các ứng dụng xúc tác đã ghi nhận trong tài liệu

Luận án tổng hợp các phản ứng chuyển hóa hữu cơ từng sử dụng bốn vật liệu Cu-MOF làm xúc tác dị thể:

  • $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$: Xúc tác cho phản ứng acetal hóa aldehyde với methanol đạt hiệu suất cô lập 88% (Garcia et al., 2008); oxy hóa hợp chất benzylic bằng tert-butylhydroperoxide (TBHP) đạt hiệu suất 80% (Garcia et al., 2010); phản ứng cộng vòng 1,3-lưỡng cực giữa phenylacetylene và benzyl azide đạt độ chuyển hóa >99% (Corma et al.); phản ứng cộng Aza-Michael giữa benzylamine và ethylacrylate đạt 100% (Phan et al.); phản ứng tạo arylketone từ iodobenzene và acetylacetone đạt 74%; phản ứng ghép đôi Ullmann giữa phenol và benzaldehyde đạt 89%.
  • $\text{Cu}(\text{BDC})$: Xúc tác cho phản ứng Friedländer biến tính giữa 2-aminobenzylalcohol và acetophenone đạt độ chuyển hóa 100% (Phan et al., 2013); phản ứng đóng vòng alkyne, amine và aldehyde đạt hiệu suất 97% (Carson et al., 2009); phản ứng hydroxyl hóa và nitrat hóa aryl halide.
  • $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$: Phản ứng ghép đôi Ullmann giữa nitrobenzaldehyde và phenol tạo diaryl ether đạt độ chuyển hóa 100% (Phan et al.); phản ứng arylation giữa imidazole và 4-iodoacetophenone đạt 97%.
  • $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$: Phản ứng ghép đôi khử hydro chéo (cross-dehydrogenative coupling - CDC) giữa 2-hydroxybenzaldehyde và 1,4-dioxane đạt độ chuyển hóa 100% (Phan et al., 2013); phản ứng oxy hóa phenol với formamide đạt 97%; phản ứng arylation giữa benzoxazole và iodobenzene đạt 95%.

Tổng quan phản ứng tạo liên kết C–C và C–N

  • Phản ứng ghép đôi C–C: Các phương pháp truyền thống sử dụng hợp chất cơ kim Grignard hoặc hợp chất cơ kẽm, cơ thiếc đòi hỏi điều kiện nghiêm ngặt và nhiều bước phản ứng. Phương pháp chức hóa trực tiếp liên kết C–H sử dụng kim loại quý (Pd, Rh, Ru) tốn kém. Daugulis và Do đã phát triển các hệ xúc tác đồng rẻ tiền cho phản ứng arylation trực tiếp liên kết $\text{sp}^2\text{ C–H}$. Đối với liên kết $\text{sp}^3\text{ C–H}$, Li và cộng sự đã phát triển phản ứng ghép đôi 3 cấu tử $A^3$ và phản ứng ghép đôi khử hydro chéo (CDC) giữa amine bậc ba và alkyne đầu mạch có mặt chất oxy hóa TBHP để tổng hợp propargylamine.
  • Phản ứng ghép đôi C–N: Tổng hợp quinoxaline truyền thống dựa trên phản ứng ngưng tụ giữa aryl 1,2-diamine và hợp chất 1,2-dicarbonyl có mặt xúc tác axit Lewis để hoạt hóa nhóm carbonyl và tách loại hai phân tử nước tạo vòng dị vòng thơm.

Vị trí và giải pháp của luận án

Dù các phản ứng tạo liên kết C–C và C–N đã được nghiên cứu với nhiều hệ xúc tác đồng thể, việc sử dụng các khung hữu cơ kim loại gốc đồng làm xúc tác dị thể tái sử dụng cho các phản ứng ghép đôi oxy hóa trực tiếp C–C và C–N hình thành propargylamine và quinoxaline giải quyết khoảng trống về việc loại bỏ tạp chất kim loại và đơn giản hóa quy trình thu hồi xúc tác.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình cấu trúc

  • Đơn vị cấu trúc thứ cấp (Secondary Building Units - SBUs): Cả bốn vật liệu Cu-MOF đều xây dựng từ đơn vị hình "bánh xe guồng" (paddle-wheel) lưỡng nhân gồm hai cation đồng liên kết với 4 nhóm carboxylate. Độ dài liên kết $\text{Cu–Cu}$ đặc trưng khoảng 2,6 Å; độ dài liên kết $\text{Cu–O(carboxylate)}$ trong khoảng 1,95 – 1,97 Å.
  • Tâm kim loại mở (Open Metal Sites): Ở trạng thái tổng hợp ban đầu, mỗi nguyên tử đồng hoàn thiện cầu phối trí giả bát diện với một phân tử khách tại vị trí trục đối diện liên kết $\text{Cu–Cu}$ (ví dụ $\text{H}_2\text{O}$ đối với $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ với khoảng cách $\text{Cu–O} = 2,16\text{ \AA}$; hoặc DMF đối với $\text{Cu}(\text{BDC})$ với khoảng cách $\text{Cu–O} = 2,13\text{ \AA}$). Khi hoạt hóa loại bỏ dung môi liên kết phối trí này, cấu trúc hình thành các tâm đồng $\text{Cu(II)}$ chưa bão hòa, đóng vai trò axit Lewis nhận cặp electron từ cơ chất hữu cơ.
  • Cấu trúc trụ liên kết (Pillared Frameworks): Trong $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ và $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$, các phối tử chứa nitơ hai càng (DABCO và BPY) đóng vai trò làm trụ kết nối các lớp mạng lưới 2D thành khung không gian 3D. Độ dài liên kết $\text{Cu–N(pillar)}$ lần lượt là 2,11 Å và 2,103 Å.
Vật liệu Cu-MOF Nhiệt độ phân hủy (TGA) Diện tích bề mặt BET / Langmuir Cấu trúc không gian và kích thước cửa sổ mao quản Phối tử thành phần
$\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ $\ge 300\text{ }^\circ\text{C}$ BET: 1000 – 1624 $\text{m}^2/\text{g}$ Khung 3D lập phương; cửa sổ mao quản lớn ~ 9,0 Å $\text{Cu(II)}$ + axit 1,3,5-benzenetricarboxylic
$\text{Cu}(\text{BDC})$ $\ge 300\text{ }^\circ\text{C}$ BET: 625 $\text{m}^2/\text{g}$, Langmuir: 752 $\text{m}^2/\text{g}$ Khung 2D xếp lớp (lamellar stacking); chuyển pha thuận nghịch khi hấp phụ/giải hấp DMF $\text{Cu(II)}$ + axit 1,4-benzenedicarboxylic
$\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ $> 300\text{ }^\circ\text{C}$ BET: > 1000 $\text{m}^2/\text{g}$ (lên đến 3265 $\text{m}^2/\text{g}$) Khung 3D dạng cột; cửa sổ DABCO (3,7 Å) và cửa sổ terephthalate (7,5 Å) $\text{Cu(II)}$ + axit 1,4-benzenedicarboxylic + DABCO
$\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ $> 300\text{ }^\circ\text{C}$ Langmuir: 1547 $\text{m}^2/\text{g}$ Khung 3D đan xen kép (doubly interpenetrating); kích thước cửa sổ ~ 7,0 Å $\text{Cu(II)}$ + axit 4,4'-biphenyldicarboxylic + 4,4'-bipyridine

Phương pháp tổng hợp thực nghiệm

Luận án áp dụng phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal method) trong bình phản ứng kín có kiểm soát nhiệt độ và thời gian:

  • Tổng hợp $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ trong hệ dung môi phân cực.
  • Tổng hợp $\text{Cu}(\text{BDC})$ từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$ và $\text{H}_2\text{BDC}$ trong DMF ở 110 °C trong 36 giờ.
  • Tổng hợp $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$, $\text{H}_2\text{BDC}$ và DABCO trong DMF ở 120 °C trong 36 giờ.
  • Tổng hợp $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ từ $\text{Cu}(\text{NO}_3)_2\cdot 3\text{H}_2\text{O}$, $\text{H}_2\text{BPDC}$ và BPY trong hỗn hợp dung môi DMF:EtOH:Pyridine ở 120 °C trong 24 giờ.

Kỹ thuật phân tích đặc trưng hóa lý

  • Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD): Xác định pha tinh thể, độ tinh khiết và kiểm tra cấu trúc pha thông qua đối chiếu với giản đồ mô phỏng từ dữ liệu nhiễu xạ đơn tinh thể (SC-XRD).
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái học tinh thể (kích thước, dạng hình học khối lập phương/bát diện) và cấu trúc vi xốp của hạt vật liệu.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Đo độ bền nhiệt, xác định các giai đoạn mất khối lượng gồm giải hấp dung môi tự do, dung môi phối trí và sự phân hủy khung hữu cơ ở nhiệt độ trên 300 °C.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Nhận diện các nhóm chức carboxylate liên kết phối trí với tâm kim loại đồng và kiểm tra sự hiện diện của phân tử dung môi.
  • Đo hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt nitơ ($\text{N}_2$ physisorption): Xác định diện tích bề mặt riêng theo mô hình BET/Langmuir, thể tích lỗ xốp và phân bố kích thước mao quản.
  • Khử theo chương trình nhiệt độ bằng hydro ($\text{H}_2$-TPR): Khảo sát tính chất oxy hóa - khử của các tâm đồng trong khung vật liệu.
  • Khối phổ plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS): Định lượng hàm lượng đồng trong vật liệu và phân tích nồng độ đồng rửa giải trong dung dịch phản ứng.

Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác và tính chất dị thể

  • Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ: nhiệt độ phản ứng, lượng xúc tác, tỷ lệ mol giữa các cơ chất, loại và nồng độ chất oxy hóa, dung môi phản ứng.
  • Kiểm tra hiện tượng rửa giải (Leaching test / Hot filtration test): Lọc tách xúc tác rắn ở nhiệt độ phản ứng khi độ chuyển hóa đạt mức trung bình, tiếp tục duy trì dịch lọc ở điều kiện phản ứng để chứng minh phản ứng dừng lại hoàn toàn, khẳng định không có sự đóng góp của xúc tác đồng thể do ion đồng hòa tan.
  • Thử nghiệm đầu độc xúc tác (Catalyst poison test) và nạp sản phẩm: Đánh giá tính chọn lọc và kiểm tra sự ức chế tâm hoạt tính.
  • Nghiên cứu tái sử dụng xúc tác (Catalyst recycling studies): Thu hồi xúc tác sau phản ứng, rửa sạch, sấy khô và tái sử dụng qua nhiều chu kỳ; phân tích PXRD và FT-IR của xúc tác sau thu hồi để đánh giá độ bền khung cấu trúc.
  • Khảo sát phạm vi cơ chất (Substrate scope): Mở rộng trên các dẫn xuất thế khác nhau của aldehyde, alkyne và amine.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Literature Review: Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY), Cu(BDC) and CC, CN Coupling Reactions

Chương này tổng quan cơ sở lý thuyết về vật liệu MOF, trọng tâm là bốn cấu trúc Cu-MOF gồm $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}(\text{BDC})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ và $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$. Tác giả phân tích chi tiết:

  • Cấu trúc đơn vị mạng lưới SBU hình bánh xe guồng chứa hai tâm $\text{Cu(II)}$ và các kiểu phối trí carboxylate/pillar.
  • Hiện tượng chuyển pha tinh thể thuận nghịch của $\text{Cu}(\text{BDC})$ giữa cấu trúc dạng phiến (lamellar) và cấu trúc đặc khít (compact) khi giải hấp và tái hấp phụ phân tử chứa nhóm carbonyl như DMF.
  • Cấu trúc đan xen kép (doubly interpenetrating framework) của $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ hình thành do sự kết hợp của hai phối tử hữu cơ có chiều dài lớn ($\text{BPDC}$ và $\text{BPY}$).
  • Tổng kết các phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi và các kỹ thuật đặc trưng vật liệu.
  • Phân tích cơ chế các phản ứng ghép đôi C–C (ghép đôi chéo, chức hóa trực tiếp liên kết C–H, phản ứng CDC, phản ứng 3 cấu tử $A^3$ tổng hợp propargylamine) và phản ứng ghép đôi C–N (ngưng tụ đóng vòng tạo quinoxaline).

Chương 2: Synthesis and Characterization of Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY), and Cu(BDC)

Chương này trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp và kết quả phân tích đặc trưng hóa lý của bốn vật liệu Cu-MOF:

  • $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$: Tinh thể tổng hợp có hình thái bát diện đều quan sát dưới ảnh SEM và TEM. Giản đồ PXRD khớp với phổ chuẩn mô phỏng. Phổ FT-IR ghi nhận sự dịch chuyển dải hấp thụ của nhóm carboxylate khi tạo liên kết phối trí với Cu(II). Phân tích TGA xác nhận độ bền nhiệt đạt trên 300 °C. Phổ $\text{H}_2$-TPR thể hiện các pic khử đặc trưng của ion $\text{Cu}^{2+}$.
  • $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$: Tinh thể dạng khối lập phương đồng đều. Cấu trúc tinh thể được khẳng định qua PXRD. Phổ FT-IR xác nhận sự hiện diện đồng thời của liên kết phối trí từ phối tử BDC và DABCO. Vật liệu có độ bền nhiệt trên 300 °C trên đường cong TGA và diện tích bề mặt BET vượt trên 1000 $\text{m}^2/\text{g}$.
  • $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$: Hình thái tinh thể dạng khối lập phương rõ nét. Phổ FT-IR khẳng định sự phối trí của cả hai phối tử axit 4,4'-biphenyldicarboxylic và 4,4'-bipyridine với tâm đồng. Kết quả TGA chứng minh độ bền nhiệt trên 300 °C; diện tích bề mặt Langmuir đạt 1547 $\text{m}^2/\text{g}$.
  • $\text{Cu}(\text{BDC})$: Thu được ở dạng bột màu xanh lam, có cấu trúc xếp lớp 2D. Kết quả PXRD và TGA khẳng định vật liệu bền nhiệt đến 300 °C. Diện tích bề mặt BET đạt 625 $\text{m}^2/\text{g}$ và Langmuir đạt 752 $\text{m}^2/\text{g}$.

Chương 3: Catalytic Studies of Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) and Cu(BDC) on CC and CN Coupling Reactions

Chương này công bố kết quả khảo sát chi tiết hoạt tính xúc tác của 4 vật liệu Cu-MOF trong 4 mô hình phản ứng ghép đôi:

  1. Phản ứng ghép đôi C–C (1) - Xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$:

    • Phản ứng ghép đôi oxy hóa trực tiếp liên kết C–C giữa $N,N$-dimethylaniline và phenylacetylene tạo propargylamine.
    • Khảo sát tối ưu hóa: nhiệt độ, lượng xúc tác $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, tỷ lệ mol phenylacetylene : $N,N$-dimethylaniline, loại và nồng độ chất oxy hóa (TBHP), loại dung môi.
    • Thử nghiệm rửa giải (Leaching test) xác nhận không có đóng góp từ xúc tác đồng thể.
    • Thử nghiệm tái sử dụng xúc tác: $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$ được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà không suy giảm đáng kể hoạt tính; phổ PXRD và FT-IR của xúc tác sau tái sử dụng chứng minh khung cấu trúc được duy trì nguyên vẹn. Mở rộng phạm vi cơ chất với các dẫn xuất gắn nhóm thế.
  2. Phản ứng ghép đôi C–C (2) - Xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$:

    • Phản ứng ghép đôi C–C trực tiếp qua methyl hóa và chức hóa C–H giữa $N$-methylaniline và phenylacetylene.
    • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng: nhiệt độ phản ứng, hàm lượng xúc tác, tỷ lệ mol cơ chất, nồng độ chất oxy hóa, dung môi.
    • Kết quả kiểm tra độ chọn lọc, thử nghiệm rửa giải khẳng định tính dị thể thuần túy.
    • Thử nghiệm tái sử dụng: độ chuyển hóa và độ chọn lọc của phản ứng được duy trì ổn định qua các chu kỳ phản ứng; cấu trúc xúc tác tái sử dụng được khẳng định qua PXRD và FT-IR.
  3. Phản ứng ghép đôi C–C (3) - Xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$:

    • Phản ứng ghép đôi 3 cấu tử $A^3$ (C1-alkynylation) giữa tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và phenylacetylene tổng hợp dẫn xuất propargylamine dạng alkaloid.
    • Tối ưu hóa tỷ lệ mol 3 cấu tử, nhiệt độ phản ứng, lượng xúc tác $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ và dung môi.
    • So sánh đối chứng: $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ cho hoạt tính xúc tác vượt trội so với các muối đồng vô cơ và các MOF gốc đồng khác.
    • Thực hiện thử nghiệm đầu độc xúc tác, nạp sản phẩm vào hỗn hợp phản ứng và leaching test.
    • Xúc tác có khả năng tái sử dụng bền bỉ, phổ PXRD và FT-IR sau phản ứng không thay đổi cấu trúc. Khảo sát thành công trên chuỗi dẫn xuất benzaldehyde và phenylacetylene khác nhau.
  4. Phản ứng ghép đôi C–N (4) - Xúc tác $\text{Cu}(\text{BDC})$:

    • Phản ứng đóng vòng oxy hóa giữa $\alpha$-hydroxyacetophenone và 1,2-aryldiamine (ví dụ $o$-phenylenediamine) tổng hợp các dẫn xuất quinoxaline.
    • Khảo sát tối ưu hóa nhiệt độ, lượng xúc tác $\text{Cu}(\text{BDC})$, tỷ lệ mol $\alpha$-hydroxyacetophenone : phenylenediamine, loại dung môi, ảnh hưởng của khí trơ argon.
    • So sánh hoạt tính với các hệ xúc tác khác; thực hiện kiểm tra leaching và đầu độc xúc tác.
    • Đánh giá khả năng tái sử dụng: xúc tác giữ vững hoạt tính và độ chọn lọc qua nhiều vòng phản ứng; giản đồ PXRD và FT-IR xác nhận tính bền vững của khung $\text{Cu}(\text{BDC})$. Mở rộng phản ứng thành công với nhiều dẫn xuất 1,2-aryldiamine khác nhau.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới của luận án

  1. Phát triển quy trình tổng hợp và đặc trưng hoàn chỉnh: Tổng hợp thành công bốn vật liệu Cu-MOF ($\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}(\text{BDC})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$, $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$) bằng phương pháp nhiệt dung môi và xây dựng hệ thống dữ liệu đặc trưng hóa lý đồng bộ (PXRD, SEM, TEM, TGA, FT-IR, ICP-MS, $\text{H}_2$-TPR, đẳng nhiệt hấp phụ $\text{N}_2$).
  2. Ứng dụng xúc tác dị thể mới cho phản ứng tạo liên kết C–C và C–N: Lần đầu tiên công bố việc sử dụng các vật liệu Cu-MOF làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C và C–N tổng hợp các hợp chất propargylamine và quinoxaline với hiệu suất và độ chọn lọc cao.
  3. Tính tương thích cơ chất rộng: Các hệ xúc tác thể hiện khả năng tương thích tốt với nhiều nhóm chức khác nhau trên các cơ chất dẫn xuất của benzaldehyde, phenylacetylene và 1,2-aryldiamine.
  4. Khẳng định bản chất xúc tác dị thể và độ bền tái sử dụng: Chứng minh thông qua các thử nghiệm rửa giải (leaching test) và đầu độc xúc tác rằng phản ứng diễn ra hoàn toàn trên bề mặt dị thể của vật liệu xốp, không có sự tham gia của các ion đồng hòa tan trong dung dịch. Các xúc tác Cu-MOF có thể thu hồi dễ dàng bằng phương pháp lọc/ly tâm và tái sử dụng nhiều chu kỳ mà không suy giảm đáng kể hoạt tính xúc tác hay biến tính khung tinh thể (được kiểm chứng qua PXRD và FT-IR).

Kiến nghị và đề xuất

  • Ứng dụng các hệ xúc tác dị thể Cu-MOF vào các quy trình tổng hợp hóa học hữu cơ theo định hướng hóa học xanh, nhằm thay thế các phức chất kim loại chuyển tiếp đồng thể đắt tiền hoặc độc hại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu tập trung trong phạm vi bốn cấu trúc Cu-MOF cụ thể dựa trên các phối tử thương mại thông dụng (BTC, BDC, BPDC, DABCO, BPY).
  • Vật liệu $\text{Cu}(\text{BDC})$ có diện tích bề mặt riêng (BET 625 $\text{m}^2/\text{g}$) thấp hơn đáng kể so với ba vật liệu Cu-MOF dạng khung 3D còn lại do cấu trúc dạng phiến xếp lớp 2 chiều.
  • Đối với phản ứng alkynylation tạo liên kết C–C, phản ứng đạt hiệu suất cao với các alkyne thơm (aromatic alkynes), trong khi các alkyne béo (aliphatic alkynes) cho hiệu suất chuyển hóa thấp hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng chi tiết, xác định các trạng thái chuyển tiếp và các tiểu phân trung gian phối trí trên tâm đồng của khung MOF.
  • Mở rộng phạm vi ứng dụng của các hệ xúc tác Cu-MOF sang các phản ứng tổng hợp các khung phân tử dược chất và hợp chất thiên nhiên phức tạp hơn.
  • Nghiên cứu nâng cao quy mô tổng hợp vật liệu Cu-MOF và tối ưu hóa độ bền cơ nhiệt trong các điều kiện phản ứng liên tục.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa vô cơ và Khoa học Vật liệu quan tâm đến kỹ thuật tổng hợp nhiệt dung môi vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) và ứng dụng xúc tác dị thể.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học hữu cơ thực nghiệm, xúc tác xanh, cần tham khảo quy trình phân tích đặc trưng vật liệu xốp (PXRD, SEM, TEM, TGA, FT-IR, $\text{H}_2$-TPR, BET) và các phương pháp luận chứng minh bản chất xúc tác dị thể (leaching test, catalyst poison test, recycling test).
  • Phần giá trị tham khảo trọng tâm: Bảng dữ liệu đặc trưng liên kết phối trí SC-XRD; quy trình thực nghiệm chi tiết điều chế bốn loại Cu-MOF; và các quy trình tối ưu hóa phản ứng tổng hợp propargylamine và quinoxaline.

Câu hỏi thường gặp

1. Bốn vật liệu Cu-MOF trong luận án được cấu tạo từ những thành phần hóa học nào?

Bốn vật liệu gồm:

  • $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$: tạo bởi $\text{Cu(II)}$ và axit 1,3,5-benzenetricarboxylic ($\text{H}_3\text{BTC}$).
  • $\text{Cu}(\text{BDC})$: tạo bởi $\text{Cu(II)}$ và axit 1,4-benzenedicarboxylic ($\text{H}_2\text{BDC}$).
  • $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$: tạo bởi $\text{Cu(II)}$, axit 1,4-benzenedicarboxylic ($\text{H}_2\text{BDC}$) và 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) làm trụ.
  • $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$: tạo bởi $\text{Cu(II)}$, axit 4,4'-biphenyldicarboxylic ($\text{H}_2\text{BPDC}$) và 4,4'-bipyridine (BPY) làm trụ.

2. Những kỹ thuật phân tích nào đã được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của các Cu-MOF?

Luận án sử dụng 8 kỹ thuật phân tích chính:

  1. Nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD).
  2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
  4. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).
  5. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).
  6. Khối phổ plasma cảm ứng cao tần (ICP-MS).
  7. Khử theo chương trình nhiệt độ bằng hydro ($\text{H}_2$-TPR).
  8. Đo hấp phụ - giải hấp phụ đẳng nhiệt nitơ ($\text{N}_2$ physisorption).

3. Từng vật liệu Cu-MOF được ứng dụng cho mô hình phản ứng hóa học cụ thể nào trong Chương 3?

  • $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$: Xúc tác cho phản ứng ghép đôi oxy hóa trực tiếp C–C giữa $N,N$-dimethylaniline và phenylacetylene.
  • $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$: Xúc tác cho phản ứng ghép đôi C–C qua methyl hóa và chức hóa C–H giữa $N$-methylaniline và phenylacetylene.
  • $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$: Xúc tác cho phản ứng ghép đôi 3 cấu tử $A^3$ giữa tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và phenylacetylene.
  • $\text{Cu}(\text{BDC})$: Xúc tác cho phản ứng ghép đôi C–N đóng vòng oxy hóa giữa $\alpha$-hydroxyacetophenone và 1,2-aryldiamine để tổng hợp quinoxaline.

4. Tác giả chứng minh bản chất xúc tác dị thể thực sự (không do ion đồng hòa tan) bằng phương pháp nào?

Tác giả thực hiện thử nghiệm rửa giải (leaching test / hot filtration test): lọc tách pha rắn xúc tác ra khỏi hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ cao khi phản ứng đang diễn ra một phần, sau đó tiếp tục duy trì dịch lọc ở điều kiện phản ứng. Kết quả cho thấy độ chuyển hóa trong dịch lọc dừng lại hoàn toàn sau khi tách pha rắn, kết hợp định lượng ICP-MS khẳng định không có sự đóng góp xúc tác từ các dạng đồng hòa tan trong pha lỏng.

5. Khả năng tái sử dụng và độ bền cấu trúc của xúc tác Cu-MOF được ghi nhận ra sao?

Các chất xúc tác Cu-MOF được thu hồi qua nhiều chu kỳ phản ứng liên tiếp mà không có sự suy giảm đáng kể về độ chuyển hóa và độ chọn lọc. Phổ PXRD và FT-IR của các mẫu xúc tác sau khi tái sử dụng trùng khớp với mẫu xúc tác ban đầu, chứng minh khung mạng tinh thể và liên kết phối trí kim loại - phối tử được bảo toàn nguyên vẹn.


Kết luận

Luận án của Đặng Huỳnh Giao đã tổng hợp thành công và đặc trưng cấu trúc toàn diện bốn vật liệu khung hữu cơ kim loại gốc đồng gồm $\text{Cu}_3(\text{BTC})_2$, $\text{Cu}(\text{BDC})$, $\text{Cu}_2(\text{BDC})_2(\text{DABCO})$ và $\text{Cu}_2(\text{BPDC})_2(\text{BPY})$ bằng phương pháp nhiệt dung môi. Công trình đã ứng dụng các vật liệu này làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp tạo liên kết C–C và C–N tổng hợp propargylamine và quinoxaline, đạt hiệu suất và độ chọn lọc cao với phạm vi cơ chất tương thích rộng. Các kết quả thực nghiệm về thử nghiệm rửa giải và phân tích cấu trúc sau tái sử dụng đã chứng minh tính dị thể và độ bền cấu trúc của hệ xúc tác Cu-MOF, đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho lĩnh vực xúc tác dị thể và công nghệ hóa hữu cơ.