Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học cufe2o4 and fe2o3 superparamagnetic nanoparticles as catalysts for some c n crosscoupling reactions

Luận án về ứng dụng nanoparticles CuFe2O4 và Fe2O3 siêu thuận từ làm chất xúc tác cho phản ứng C-N cross-coupling. Nghiên cứu kỹ thuật hóa học chuyên sâu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Oanh
• Người hướng dẫn: Prof. Phan Thanh Sơn Nam
• Trường học: Ho Chi Minh City University Of Technology
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Tổng hợp và Ứng dụng Nanoparticles Siêu Thuận Từ CuFe2O4 và Fe2O3 làm Chất Xúc Tác cho Phản Ứng Ghép C-N
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT TIẾNG ANH (ABSTRACT)
• TÓM TẮT LUẬN ÁN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC SƠ ĐỒ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Xúc tác xanh và bền vững
• 1.2. Xúc tác đồng thể và dị thể
• 1.3. Xúc tác nano và hạt nano từ tính
• 1.4. Hạt nano ferrite và hạt nano đồng ferrite
• 1.4.1. Xúc tác hạt nano ferrite
• 1.4.2. Xúc tác hạt nano đồng ferrite
• 1.5. Ứng dụng của hạt nano siêu thuận từ trong xúc tác
• 1.6. Phản ứng ghép đôi C–N
• 1.6.1. Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp triphenylamine
• 1.6.2. Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp Quinoxalin-2-one
• 1.6.3. Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp aroylimidazo[1,2-a]pyrimidine/aroylimidazo[1,2-a]pyridine
• 1.7. Tính cấp thiết – Tính mới của luận án
• 1.7.1. Tính cấp thiết của luận án
• 1.7.2. Tính mới của luận án
• 1.8. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Công thức tính hiệu suất và hiệu suất cô lập
• 2.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác của nano CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp triphenylamine (TPAs)
• 2.4. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu cấu trúc nano Fe2O3 cho phản ứng tổng hợp quinoxalin-2-one
• 2.5. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu cấu trúc nano CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng cấu trúc của vật liệu
• 3.1.1. Vật liệu cấu trúc nano CuFe2O4
• 3.1.2. Vật liệu cấu trúc nano Fe2O3
• 3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác cho các phản ứng ghép đôi C–N
• 3.2.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác của CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp triphenylamine (TPAs)
• 3.2.1.1. Ảnh hưởng của các chất xúc tác khác nhau đến phản ứng chuyển hóa
• 3.2.1.2. Ảnh hưởng của các dung môi khác nhau đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.1.3. Ảnh hưởng của các loại bazơ và lượng bazơ khác nhau đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng và tỷ lệ mol chất phản ứng đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.1.5. Ảnh hưởng của nồng độ chất xúc tác đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.1.6. Ảnh hưởng của xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.1.7. Đề xuất cơ chế phản ứng
• 3.2.1.8. Thu hồi và tái sử dụng chất xúc tác
• 3.2.1.9. Ảnh hưởng của các dẫn xuất TPAs đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của Fe2O3 cho phản ứng tổng hợp quinoxalin-2-one
• 3.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ khác nhau đến phản ứng chuyển hóa
• 3.2.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol chất phản ứng đến phản ứng chuyển hóa
• 3.2.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích dung môi đến phản ứng chuyển hóa
• 3.2.2.4. Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác đến phản ứng chuyển hóa
• 3.2.2.5. Ảnh hưởng của các loại dung môi đến phản ứng chuyển hóa
• 3.2.2.6. Ảnh hưởng của các chất xúc tác khác nhau đến phản ứng chuyển hóa
• 3.2.2.7. Đề xuất cơ chế phản ứng
• 3.2.2.8. Ảnh hưởng của tải lượng xúc tác đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.2.9. Thu hồi và tái sử dụng chất xúc tác
• 3.2.2.10. Ảnh hưởng của dẫn xuất quinoxalin-2(1H)-one đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác của nano CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone
• 3.2.3.1. Ảnh hưởng của các nhiệt độ khác nhau đến phản ứng chuyển hóa
• 3.2.3.2. Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác khác nhau đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.3.3. Ảnh hưởng của các tỷ lệ chất phản ứng khác nhau đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.3.4. Ảnh hưởng của lượng iod đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.3.5. Ảnh hưởng của các loại dung môi đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.3.6. Ảnh hưởng của xúc tác đồng thể và dị thể đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.3.7. Đề xuất cơ chế phản ứng
• 3.2.3.8. Ảnh hưởng của tải lượng xúc tác đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.2.3.9. Thu hồi và tái sử dụng chất xúc tác
• 3.2.3.10. Ảnh hưởng của các dẫn xuất aroylimidazo[1,2-a]pyrimidine và aroylimidazo[1,2-a]pyridine đến độ chuyển hóa phản ứng
• 3.3. Đóng góp của luận án
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Ứng Dụng Nanoparticles Siêu Thuận Từ 55 ký tự

Các nanoparticles siêu thuận từ (NPs) đang thu hút sự chú ý lớn nhờ khả năng phản ứng với từ trường. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực xúc tác. Tách từ tính nổi lên như một công cụ mạnh mẽ để cô lập chất xúc tác, vượt trội so với các kỹ thuật truyền thống như chiết lỏng-lỏng, sắc ký hoặc ly tâm. Các vật liệu nano siêu thuận từ thể hiện hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ do chứa các tâm kim loại mở. Nghiên cứu tập trung vào hai vật liệu chính: CuFe2O4 và Fe2O3, được tổng hợp bằng phương pháp đơn giản, chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng xúc tác. Các tài liệu gốc chỉ ra sự tiềm năng to lớn của các NPs này trong việc thay đổi cách tiếp cận các phản ứng hóa học.

1.1. Ưu Điểm Vượt Trội của Vật Liệu Từ Tính Nano

Vật liệu từ tính nano, đặc biệt là nanoparticles siêu thuận từ, sở hữu nhiều ưu điểm so với các hệ xúc tác truyền thống. Khả năng dễ dàng thu hồi và tái sử dụng thông qua tác dụng của từ trường giúp giảm thiểu lãng phí và chi phí. Bên cạnh đó, diện tích bề mặt lớn của các nanoparticles tạo điều kiện cho hoạt tính xúc tác cao hơn. Theo tài liệu, việc sử dụng vật liệu này giúp tăng hiệu quả và tính bền vững của quá trình xúc tác. Khả năng điều chỉnh kích thước và thành phần của nanoparticles CuFe2O4 và Fe2O3 cho phép tối ưu hóa hiệu quả xúc tác cho từng phản ứng cụ thể.

1.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Xúc Tác Dị Thể của CuFe2O4 Fe2O3

CuFe2O4 và Fe2O3 là những vật liệu tiềm năng cho xúc tác dị thể nhờ tính ổn định nhiệt và hóa học cao. Chúng có thể được sử dụng trong nhiều loại phản ứng, bao gồm cả phản ứng ghép C-N. Khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt và dễ dàng tách khỏi sản phẩm phản ứng làm cho chúng trở thành lựa chọn hấp dẫn. Tài liệu nhấn mạnh rằng việc sử dụng CuFe2O4 và Fe2O3 giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đơn giản hóa quy trình sản xuất hóa chất.

II. Thách Thức Chất Xúc Tác Cho Phản Ứng Ghép C N 53 ký tự

Các phản ứng ghép C-N đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ, bao gồm dược phẩm và vật liệu. Tuy nhiên, việc tìm kiếm chất xúc tác hiệu quả, có giá thành hợp lý và thân thiện với môi trường vẫn là một thách thức. Các xúc tác palladium truyền thống thường đắt đỏ và sử dụng ligand độc hại. Do đó, việc phát triển các chất xúc tác thay thế, đặc biệt là các vật liệu nano siêu thuận từ như CuFe2O4 và Fe2O3, là vô cùng quan trọng. Bài toán đặt ra là làm sao tối ưu hóa hiệu quả xúc tác của các nanoparticles này và mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng trong các phản ứng ghép C-N khác nhau.

2.1. Giới Hạn của Xúc Tác Palladium Truyền Thống

Mặc dù hiệu quả, các xúc tác palladium truyền thống có nhiều hạn chế. Giá thành cao và sự cần thiết phải sử dụng các ligand phức tạp và độc hại làm tăng chi phí và ảnh hưởng đến môi trường. Theo nghiên cứu, việc loại bỏ palladium khỏi sản phẩm phản ứng cũng là một thách thức lớn. Do đó, việc tìm kiếm các chất xúc tác thay thế rẻ hơn, bền hơn và thân thiện với môi trường hơn là mục tiêu quan trọng trong hóa học xanh.

2.2. Yêu Cầu Đối Với Chất Xúc Tác Ghép C N Thay Thế

Chất xúc tác thay thế cho palladium trong phản ứng ghép C-N cần đáp ứng nhiều tiêu chí quan trọng. Chúng phải có hoạt tính xúc tác cao, độ chọn lọc tốt, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng. Bên cạnh đó, chúng cần có giá thành hợp lý và sử dụng các tiền chất không độc hại. Các nanoparticles siêu thuận từ như CuFe2O4 và Fe2O3 có tiềm năng đáp ứng các yêu cầu này, nhưng cần phải nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa hiệu suất của chúng.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Nanoparticles CuFe2O4 Fe2O3 59 ký tự

Việc tổng hợp nanoparticles CuFe2O4 và Fe2O3 bằng các phương pháp đơn giản, chi phí thấp là yếu tố then chốt để ứng dụng rộng rãi chúng trong xúc tác. Nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp như đồng kết tủa, nhiệt phân và thủy nhiệt để tạo ra các nanoparticles với kích thước và hình dạng khác nhau. Các phương pháp này cho phép kiểm soát các tính chất siêu thuận từ và diện tích bề mặt của vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp nanoparticles phù hợp là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu trong các phản ứng ghép C-N.

3.1. Các Phương Pháp Tổng Hợp Nanoparticles Phổ Biến

Đồng kết tủa là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để tổng hợp nanoparticles CuFe2O4 và Fe2O3. Phương pháp này bao gồm việc kết tủa đồng thời các ion kim loại trong dung dịch, sau đó nung để tạo thành vật liệu nano. Nhiệt phân là một phương pháp khác, sử dụng nhiệt để phân hủy các tiền chất hữu cơ chứa kim loại, tạo thành nanoparticles. Phương pháp thủy nhiệt sử dụng nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường nước để tổng hợp vật liệu nano. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước hạt, độ ổn định và diện tích bề mặt của nanoparticles.

3.2. Tối Ưu Hóa Điều Kiện Tổng Hợp Để Cải Thiện Hiệu Quả

Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp nanoparticles như nhiệt độ, pH, nồng độ tiền chất và thời gian phản ứng là rất quan trọng để đạt được hiệu quả xúc tác cao nhất. Ví dụ, việc kiểm soát pH có thể ảnh hưởng đến kích thước hạt và độ kết tinh của nanoparticles. Việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt có thể giúp ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano, tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng phân tán của chúng trong dung môi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các điều kiện tổng hợp nanoparticles có thể làm tăng đáng kể hoạt tính xúc tác trong phản ứng ghép C-N.

IV. Ứng Dụng Nanoparticles Xúc Tác Phản Ứng Ghép C N 56 ký tự

Nanoparticles CuFe2O4 và Fe2O3 đã được ứng dụng thành công làm chất xúc tác cho nhiều phản ứng ghép C-N. Nghiên cứu cho thấy chúng có hiệu quả trong việc tổng hợp các hợp chất như triphenylamine, quinoxalin-2-ones và phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone. Các nanoparticles này cho thấy hoạt tính xúc tác cao, độ chọn lọc tốt và khả năng tái sử dụng nhiều lần. Việc sử dụng nanoparticles siêu thuận từ giúp đơn giản hóa quá trình tách chất xúc tác khỏi sản phẩm, giảm thiểu lãng phí và ô nhiễm môi trường. Các kết quả cho thấy tiềm năng to lớn của CuFe2O4 và Fe2O3 trong việc thay thế các chất xúc tác palladium đắt đỏ và độc hại.

4.1. Tổng Hợp Triphenylamine với Xúc Tác CuFe2O4 Hiệu Quả

Nghiên cứu đã sử dụng CuFe2O4 nanoparticles làm chất xúc tác cho phản ứng giữa benzoxazole và iodobenzene để tổng hợp triphenylamine. Kết quả cho thấy hiệu suất đạt gần 95% sau 2 giờ ở 140°C trong dung môi diethylene glycol. Việc sử dụng xúc tác dị thể giúp đơn giản hóa quá trình tách và tái sử dụng chất xúc tác. Các kết quả này cho thấy CuFe2O4 là một chất xúc tác hiệu quả và bền vững cho việc tổng hợp triphenylamine.

4.2. Fe2O3 Xúc Tác Tổng Hợp Quinoxalin 2 ones

Fe2O3 nanoparticles đã được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng giữa 2-oxo-2-phenylacetic acid và benzene-1,2-diamine để tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one. Kết quả cho thấy hiệu suất đạt khoảng 82% sau 24 giờ ở 100°C trong hỗn hợp dung môi C6H5Cl/H2O. Việc sử dụng xúc tác Fe2O3 giúp giảm thiểu lượng chất thải và đơn giản hóa quy trình tổng hợp. Các kết quả này cho thấy Fe2O3 là một lựa chọn thay thế hấp dẫn cho các chất xúc tác truyền thống trong việc tổng hợp quinoxalin-2-ones.

4.3. Ứng Dụng CuFe2O4 trong Tổng Hợp Phenyl 2 phenylimidazo

CuFe2O4 nanoparticles cũng đã được sử dụng để xúc tác phản ứng giữa trans-chalcone và 2-aminopyrimidine để tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone. Hiệu suất đạt khoảng 84% sau 7 giờ ở 140°C trong dung môi 1,4-dioxane. Độ chọn lọc cao và khả năng tái sử dụng của chất xúc tác làm cho quy trình này trở nên kinh tế và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của CuFe2O4 trong tổng hợp các hợp chất dị vòng phức tạp.

V. Kết Luận Tiềm Năng Ứng Dụng Chất Xúc Tác Nano 52 ký tự

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng to lớn của nanoparticles siêu thuận từ CuFe2O4 và Fe2O3 làm chất xúc tác cho phản ứng ghép C-N. Chúng cho thấy hoạt tính xúc tác cao, độ chọn lọc tốt, khả năng tái sử dụng và dễ dàng thu hồi. Việc sử dụng các vật liệu nano này giúp giảm thiểu chi phí, ô nhiễm môi trường và đơn giản hóa quy trình tổng hợp. Trong tương lai, việc tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu quả xúc tác và mở rộng phạm vi ứng dụng của CuFe2O4 và Fe2O3 là rất quan trọng. Điều này có thể dẫn đến sự phát triển của các quy trình hóa học xanh và bền vững hơn.

5.1. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Vật Liệu Nano Xúc Tác

Các hướng nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa kích thước hạt, hình dạng, và thành phần của nanoparticles để tăng cường hoạt tính xúc tác. Việc biến tính bề mặt nanoparticles bằng các ligand hoặc polyme cũng có thể cải thiện khả năng phân tán và độ ổn định của chúng. Nghiên cứu về cơ chế phản ứng trên bề mặt nanoparticles sẽ giúp thiết kế các chất xúc tác hiệu quả hơn. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp tổng hợp xanh nanoparticles thân thiện với môi trường hơn là rất quan trọng.

5.2. Ứng Dụng Thực Tế và Triển Vọng Phát Triển

Việc ứng dụng nanoparticles CuFe2O4 và Fe2O3 làm chất xúc tác có tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực, bao gồm dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và vật liệu. Các quy trình tổng hợp sử dụng chất xúc tác nano có thể giúp giảm chi phí sản xuất, giảm lượng chất thải và tăng tính bền vững. Trong tương lai, việc phát triển các quy trình sản xuất quy mô lớn nanoparticles giá rẻ và hiệu quả sẽ là yếu tố quan trọng để ứng dụng rộng rãi các vật liệu nano này trong công nghiệp. Cần nghiên cứu sâu hơn về độc tính và an toàn của các nanoparticles để đảm bảo sử dụng chúng một cách an toàn và có trách nhiệm.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Sự phát triển của nền hóa học hiện đại đang chứng kiến một bước chuyển dịch mang tính chiến lược hướng đến Hóa học Xanh và phát triển bền vững (Green and Sustainable Chemistry). Trong các quy trình tổng hợp hữu cơ và công nghiệp dược phẩm, phản ứng tạo liên kết cacbon - nitơ (C–N cross-coupling) đóng vai trò xương sống để kiến tạo nên các khung dị vòng hoạt tính sinh học, dược chất (như thuốc kháng sinh, kháng u, ức chế enzyme) và vật liệu quang điện tử tiên tiến. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống như phản ứng ngưng tụ Ullmann kinh điển hay phản ứng ghép đôi Buchwald-Hartwig thường đòi hỏi xúc tác kim loại quý đắt đỏ (Palladium, Ruthenium), phối tử (ligand) phức tạp, độc hại, cùng điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt và dung môi hữu cơ nguy hại. Hơn thế nữa, các hệ xúc tác đồng thể (homogeneous catalysts) gặp phải rào cản kỹ thuật nghiêm trọng trong khâu tách chiết và tái sử dụng, dẫn đến nguy cơ nhiễm bẩn kim loại nặng trong thành phẩm dược phẩm—vốn bị kiểm soát nghiêm ngặt bởi các tiêu chuẩn dược điển quốc tế.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi được xác định là: Sự thiếu vắng các hệ xúc tác dị thể (heterogeneous catalysts) có nguồn gốc kim loại chuyển tiếp rẻ tiền, thân thiện với môi trường, sở hữu các tâm kim loại mở linh hoạt, và đặc biệt là khả năng phân lập tức thời nhờ từ trường ngoài mà không cần qua các bước lọc, ly tâm hay sắc ký phức tạp.

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Hóa học (Mã ngành: 9520301) của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Kim Oanh với đề tài: "CuFe2O4 AND Fe2O3 SUPERPARAMAGNETIC NANOPARTICLES AS CATALYSTS FOR SOME C-N CROSS-COUPLING REACTIONS", được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TS. Phan Thanh Sơn Nam tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh (2021), đã giải quyết trực diện thách thức này. Nghiên cứu tiên phong ứng dụng các hạt nano siêu thuận từ (superparamagnetic nanoparticles) $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ và $\text{Fe}_2\text{O}_3$ làm xúc tác dị thể tái tuần hoàn cao cho ba chuỗi phản ứng ghép đôi C–N tạo ra các hợp chất dị vòng và amin thơm giá trị cao.

Hệ thống câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học được xác lập rõ ràng:

1. Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Liệu hạt nano $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ có thể kích hoạt quá trình mở vòng benzoxazole kết hợp ghép đôi C–N với aryl halide để tạo triphenylamines (TPAs) trong điều kiện không phối tử (ligand-free) với hiệu suất cao không?
   • Giả thuyết 1 (H1): Cấu trúc cuprospinel với các tâm $\text{Cu}^{2+}$ bị biến dạng Jahn-Teller sẽ cung cấp hoạt tính acid Lewis mạnh, thúc đẩy phản ứng mở vòng và ghép đôi chọn lọc.
2. Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Hạt nano $\text{Fe}_2\text{O}_3$ có khả năng xúc tác phản ứng ngưng tụ chọn lọc giữa acid $\alpha$-keto và diamine thơm để tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one trong hệ dung môi thân thiện không?
   • Giả thuyết 2 (H2): Các tâm sắt oxit cấu trúc nano đóng vai trò xúc tác acid dị thể hiệu quả cho quá trình tạo ketimine và đóng vòng chọn lọc vùng (regioselective).
3. Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Hệ xúc tác $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ kết hợp oxy hóa bằng iod phân tử ($\text{I}_2$) trong khí quyển oxy ($\text{O}_2$) có tạo ra phản ứng đóng vòng oxy hóa (oxidative cyclization) giữa trans-chalcone và aminopyrimidine để thu được phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone không?
   • Giả thuyết 3 (H3): Sự phối hợp giữa tâm đồng redox và chất oxy hóa giúp chuyển hóa liên kết $\text{C}=\text{C}$ và tạo liên kết C–N/C–C liên tiếp theo cơ chế cascade.

Khung lý thuyết của luận án được định hình vững chắc dựa trên: 12 Nguyên tắc Hóa học Xanh của Anastas & Warner (1998), Lý thuyết Siêu thuận từ Néel-Brown, và Hóa học Phối trí bề mặt & Hiệu ứng Jahn-Teller trên mạng tinh thể Spinel.

Về quy mô và tác động định lượng: Luận án đã tổng hợp và tối ưu hóa 3 chuỗi phản ứng với hàng chục dẫn xuất, đạt độ chuyển hóa từ $82%$ đến $95%$, kích thước hạt nano kiểm soát từ $5 - 20\text{ nm}$, diện tích bề mặt riêng lớn, độ từ hóa bão hòa đạt tới $33.5\text{ emu}\cdot\text{g}^{-1}$, và khả năng tái sử dụng qua nhiều chu kỳ (5–6 chu kỳ) mà không suy giảm đáng kể hoạt tính xúc tác.

---

Literature Review và Positioning

Lịch sử kiến tạo liên kết C–N thơm bắt đầu từ phản ứng Ullmann (1903) và Goldberg (1906), sử dụng lượng đương lượng muối đồng ở nhiệt độ trên $200^\circ\text{C}$. Bước đột phá tiếp theo diễn ra vào thập niên 1990 với phản ứng Buchwald-Hartwig (Buchwald & Hartwig, 1994–1995), sử dụng xúc tác phức chất Palladium cùng các ligand phosphine cồng kềnh. Mặc dù phản ứng Buchwald-Hartwig đem lại hiệu suất vượt trội ở nhiệt độ ôn hòa hơn, hạn chế nan giải vẫn là giá thành Pd cực đắt, độc tính cao, và độ bền kém của ligand nhạy không khí.

Trong phân nhánh tổng hợp Triphenylamines (TPAs)—vật liệu cốt lõi cho pin mặt trời hữu cơ và thiết bị điện sắc (electrochromic devices):

• Gauthier & Fréchet (1987) tổng hợp TPAs từ diphenylamine và aryl halide nhưng đòi hỏi dung môi độc hại $o$-dichlorobenzene ở nhiệt độ hồi lưu trên $200^\circ\text{C}$ với thời gian kéo dài $18 - 36\text{ giờ}$ (hiệu suất $78 - 93%$).
• Zhao và cộng sự (2007) thay thế bằng dung môi tetraethyl orthosilicate thân thiện hơn, đạt hiệu suất $61 - 94%$, nhưng chi phí dung môi quá cao khiến quy trình khó ứng dụng công nghiệp.
• Safaei-Ghomi và cộng sự (2014) sử dụng hạt nano $\text{CuI}$, thu được hiệu suất $71 - 92%$, nhưng vẫn phụ thuộc vào ligand hữu cơ đắt tiền và không chứng minh được độ bền tái sử dụng của xúc tác.
• Yue He và cộng sự (2016) phát triển phản ứng không ligand trong PEG-400, tuy nhiên sử dụng xúc tác đồng thể làm phức tạp khâu tinh chế sản phẩm sau phản ứng.

Đối với dòng hợp chất Quinoxalin-2(1H)-one—khung dị vòng mang hoạt tính kháng u và kháng khuẩn nổi bật:

• Dianjun Li và cộng sự (2015) công bố phương pháp quang hóa tạo gốc iminyl từ 2-(N-arylcarbamoyl)-2-chloroiminoacetates sử dụng xúc tác $\text{Ru(phen)}_3\text{Cl}_2$ dưới ánh sáng khả kiến. Dù có tính mới, tiền chất chlorimine rất khó điều chế và kém bền.
• Erivaldo P. da Costa và cộng sự (2018) và Huy V. Huynh và cộng sự (2018) tiếp cận qua phản ứng đa cấu tử ngưng tụ pyruvate với diamine trong acid acetic, nhưng hiệu suất chọn lọc isomer còn phụ thuộc lớn vào bản chất điện tử của tiền chất.

Đối với dẫn xuất Aroylimidazo[1,2-a]pyrimidines/pyridines: Các quy trình trước đây thường dựa vào xúc tác đồng thể kim loại chuyển tiếp hoặc muối sắt trong điều kiện nhiệt phân kéo dài, tạo ra nhiều phụ phẩm oligomer hóa.

Vị thế khoa học của luận án (Positioning): Nghiên cứu của NCS Nguyễn Thị Kim Oanh vượt lên trên các hạn chế của các công trình quốc tế bằng việc thiết lập một nền tảng xúc tác dị thể từ tính "Ligand-free, Magnetically Recoverable, High Chemoselectivity". Luận án chứng minh rõ ràng khả năng thay thế hoàn toàn các kim loại quý hiếm bằng các oxit sắt spinel và hematite thương mại giá rẻ hoặc tổng hợp đơn giản, mở ra lối thoát cho bài toán ô nhiễm kim loại trong hóa dược.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đóng góp sâu sắc vào lý thuyết xúc tác dị thể và hóa học phối trí bề mặt thông qua việc làm sáng tỏ cơ chế hoạt hóa của các tâm kim loại chuyển tiếp trong mạng tinh thể nano:

1. Mở rộng Lý thuyết Hiệu ứng Jahn-Teller trên mạng tinh thể Cuprospinel ($\text{CuFe}_2\text{O}_4$): Tính toán cấu trúc điện tử ab initio và dữ liệu nhiễu xạ tia X (XRD) trong luận án chỉ ra rằng cấu trúc mạng cuprospinel bị biến dạng bốn phương (tetragonally distorted spinel). Trong môi trường phối trí bát diện quanh $\text{Cu}^{2+}$, các vân đạo điện tử $3d_{z^2}$ định vị sâu sắc, tạo ra sự tương tác đẩy phản liên kết (antibonding orbital character) mạnh mẽ giữa $\text{Cu}^{2+}$ và ion $\text{O}^{2-}$. Chính sự bất đối xứng hình học này làm lộ ra các tâm acid Lewis mở có độ linh động điện tử cực cao, đóng vai trò như các "bẫy điện tử" hoạt hóa liên kết $\text{C}-\text{X}$ và liên kết dị vòng mà không cần sự trợ giúp của bất kỳ ligand hữu cơ nào.

2. Hiện thực hóa Lý thuyết Siêu thuận từ (Superparamagnetism) trong Động học Xúc tác: Dựa trên lý thuyết của Louis Néel (1949), khi kích thước hạt của vật liệu ferri/ferromagnet giảm xuống dưới bán kính tới hạn đơn domain ($r_c \to r_0$, thường $< 20\text{ nm}$), năng lượng nhiệt trở nên tương đương với rào cản dị hướng từ tính, làm cho độ kháng từ (coercivity) triệt tiêu về $0$. Luận án chứng minh rằng các hạt nano $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ và $\text{Fe}_2\text{O}_3$ tồn tại ở trạng thái phân tán đồng nhất như một huyền phù giả đồng thể (pseudo-homogeneous emulsion) khi khuấy trộn, tối đa hóa diện tích tiếp xúc bề mặt ($> 100\text{ m}^2/\text{g}$). Khi ngắt khuấy và áp từ trường ngoài, lực hút từ dipol-dipol cảm ứng kích hoạt sự gom tụ tức thời, cho phép tách triệt để pha rắn khỏi dung dịch mà không để lại từ dư gây vón cục tự phát khi phân tán lại.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp ba trụ cột lý thuyết: (1) Green Chemistry Principles, (2) Solid-state Physics of Superparamagnetism, và (3) Transition Metal Coordination Catalysis.

Mô hình phân tích cấu trúc - hoạt tính đặt ra các điều kiện biên (boundary conditions) chặt chẽ:

• Đường kính mao quản trung bình của xúc tác đạt xấp xỉ $7.0\text{ \AA}$, cho phép các phân tử chất phản ứng hữu cơ kích thước trung bình khuếch tán sâu vào bên trong các tâm hoạt tính nội mao quản.
• Khả năng bền nhiệt lên tới $600^\circ\text{C}$ bảo toàn mạng tinh thể trước các điều kiện phản ứng khắc nghiệt.
• Giới hạn tải trọng xúc tác tối ưu được chuẩn hóa ở $10\text{ mol}%$, dung hòa giữa tốc độ phản ứng và tính kinh tế.

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ triết lý thực chứng thực nghiệm chặt chẽ (Positivist Paradigm), kết hợp phương pháp tối ưu hóa đa biến (multivariate optimization) để khảo sát toàn diện ảnh hưởng của các thông số động học và nhiệt động học: nhiệt độ, loại dung môi, bản chất bazơ, tỷ lệ mol tác chất, và nồng độ xúc tác.

Quy mô thực nghiệm được định lượng chính xác:

• Phản ứng tổng hợp Triphenylamine: Khảo sát phản ứng giữa benzoxazole và iodobenzene ($1:3$ mol) trên lượng mẫu chuẩn bị quy mô $0.25 - 0.5\text{ mmol}$, dung môi diethylene glycol (DEG), bazơ $\text{Cs}_2\text{CO}_3$ ($2.5\text{ equiv}$), $10\text{ mol}%\text{ CuFe}_2\text{O}_4$, $140^\circ\text{C}$ dưới khí quyển Argon.
• Phản ứng tổng hợp 3-Phenylquinoxalin-2(1H)-one: 2-oxo-2-phenylacetic acid ($0.25\text{ mmol}$) và benzene-1,2-diamine ($0.375\text{ mmol}$, tỷ lệ $1:1.5$) trong hệ dung môi lưỡng pha chlorobenzene/nước ($\text{C}_6\text{H}_5\text{Cl}/\text{H}_2\text{O} = 1:5\text{ v/v}$), $10\text{ mol}%\text{ Fe}_2\text{O}_3$, $100^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$.
• Phản ứng tổng hợp Phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone: trans-chalcone ($0.3\text{ mmol}$) và 2-aminopyrimidine ($0.3\text{ mmol}$), $2\text{ equiv }\text{I}_2$, $10\text{ mol}%\text{ CuFe}_2\text{O}_4$, dung môi 1,4-dioxane, $140^\circ\text{C}$ dưới khí quyển $\text{O}_2$ trong $7\text{ giờ}$.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình kiểm soát chất lượng và độ chuẩn xác khoa học được thiết kế đa tầng (Triangulation):

1. Kiểm tra độ rửa trôi kim loại (Leaching / Hot Filtration Test): Để chứng minh tuyệt đối phản ứng diễn ra theo cơ chế xúc tác dị thể chứ không phải do các ion kim loại bị hòa tan vào pha lỏng, thí nghiệm lọc nóng đã được tiến hành. Hỗn hợp phản ứng được tách xúc tác bằng nam châm ở thời điểm độ chuyển hóa đạt $\sim 50%$. Pha lỏng sau khi tách xúc tác tiếp tục được khuấy ở nhiệt độ phản ứng. Kết quả ghi nhận độ chuyển hóa hoàn toàn dừng lại, khẳng định không có hiện tượng xúc tác đồng thể do rò rỉ kim loại ($\text{Cu}/\text{Fe}$). Hàm lượng kim loại trong dung dịch được định lượng kiểm chứng bằng phổ hấp thu nguyên tử (AAS - Atomic Absorption Spectrophotometry).
2. Kỹ thuật phân tích đặc trưng vật liệu (Physicochemical Characterization):
   • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định pha tinh thể của $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ (spinel bốn phương) và $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ (hematite mặt thoi) trước và sau phản ứng.
   • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Đánh giá hình thái học, phân bố kích thước hạt nano ($5 - 20\text{ nm}$).
   • Đo diện tích bề mặt riêng BET (Brunauer–Emmett–Teller): Đo độ xốp và diện tích tiếp xúc bề mặt.
   • Từ kế mẫu rung (VSM - Vibrating Sample Magnetometer): Đo đường cong từ trễ, chứng minh đường cong đi qua gốc tọa độ với độ kháng từ bằng 0 (đặc trưng siêu thuận từ).

Data và phân tích

Toàn bộ quá trình theo dõi phản ứng và xác định độ chuyển hóa, độ chọn lọc được thực hiện trên hệ thống Sắc ký khí với đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC-FID) sử dụng chất chuẩn nội (internal standard), và cấu trúc sản phẩm được giải mã bằng Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) cùng Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, HMBC, HSQC).

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Luận án đã đạt được các phát hiện thực nghiệm mang tính đột phá, được chứng thực qua các trích dẫn và dữ liệu gốc từ văn bản luận án:

"The result of the reaction between benzoxazole: iodobenzene (1: 3) produced triphenylamine with a conversion rate of nearly 95% after 2 hours at 140 C in diethylene glycol solvent, 2.5 equivalent Cs2CO3 using 10 mol% catalyst of CuFe2O4 in the argon gas."

"Fe2O3 material was used as a catalyst for the 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one compound from 2-oxo-2-phenylacetic acid (0.25 mmol) and benzene-1,2-diamine (0. The results achieved a conversion of about 82% after 24 hours at 100 °C in a mixture of solvent C6H5Cl/H2O (1.5) (v / v), using 10 mol% catalyst of Fe2O3."

"In tetragonally distorted cuprospinel, the electronic orbitals are much more localized on the octahedral environment of the Cu2+ than the tetrahedral environment of the Fe3+. It is evident that the Jahn-Teller distortion at the M site is caused by the spatial distribution of the 3d2z orbitals of Cu2+."

Chuỗi phản ứng	Tác chất ban đầu	Hệ xúc tác & Điều kiện tối ưu	Thời gian & Nhiệt độ	Hiệu suất chuyển hóa
Tổng hợp TPAs	Benzoxazole + Iodobenzene ($1:3$)	$10\text{ mol}%\text{ CuFe}_2\text{O}_4$, $2.5\text{ eq }\text{Cs}_2\text{CO}_3$, DEG, Khí Ar	$2\text{ giờ}$, $140^\circ\text{C}$	$\approx 95%$
Tổng hợp Quinoxalin-2-ones	2-Oxo-2-phenylacetic acid + Benzene-1,2-diamine	$10\text{ mol}%\text{ Fe}_2\text{O}_3$, $\text{C}_6\text{H}_5\text{Cl}/\text{H}_2\text{O}$ ($1:5\text{ v/v}$)	$24\text{ giờ}$, $100^\circ\text{C}$	$\approx 82%$
Tổng hợp Aroylimidazo-pyrimidines	trans-Chalcone + 2-Aminopyrimidine	$10\text{ mol}%\text{ CuFe}_2\text{O}_4$, $2\text{ eq }\text{I}_2$, 1,4-Dioxane, Khí $\text{O}_2$	$7\text{ giờ}$, $140^\circ\text{C}$	$\approx 84%$

Các kết quả bất ngờ mang tính phát hiện (counter-intuitive findings):

• Trong phản ứng tổng hợp TPAs, việc sử dụng benzoxazole đóng vai trò như một nguồn tiền chất amin thơm được "bảo vệ" tự nhiên. Dưới tác dụng của $\text{CuFe}_2\text{O}_4$, phản ứng mở vòng xảy ra đồng thời với quá trình $N$-arylation kép tạo ra 2-(diphenylamino)phenol với độ chọn lọc tuyệt đối, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng các amin tự do dễ bị oxy hóa và độc hại.
• Khả năng xúc tác của $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ trong hệ dung môi chứa nước ($\text{C}_6\text{H}_5\text{Cl}/\text{H}_2\text{O}$) cho thấy hiệu ứng cộng hưởng bề mặt pha (interfacial catalysis), nơi nước đóng vai trò thúc đẩy sự chuyển dịch cân bằng ngưng tụ mà không làm vô hoạt các tâm acid Lewis của hạt nano sắt oxit.

Implications đa chiều

• Về mặt Lý thuyết: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm vững chắc chứng minh rằng các oxit kim loại hỗn hợp cấu trúc spinel có thể thay thế phức chất kim loại quý trong các phản ứng hoạt hóa liên kết $\text{C}-\text{X}$ và $\text{C}-\text{H}$.
• Về mặt Phương pháp luận: Thiết lập quy trình chuẩn hóa để đánh giá tính dị thể thực thụ của xúc tác nano từ tính thông qua chuỗi phân tích XRD/TEM/VSM kết hợp thử nghiệm lọc nóng và phổ AAS.
• Về mặt Thực tiễn & Công nghiệp: Mở ra công nghệ phân lập xúc tác không màng lọc (filterless separation), giảm thiểu chi phí năng lượng trong công nghiệp tinh chế hóa chất và dược phẩm.

---

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những thành tựu đột phá, luận án cũng thẳng thắn chỉ ra các giới hạn nghiên cứu (boundary conditions & limitations):

1. Nhiệt độ phản ứng còn tương đối cao: Một số phản ứng vẫn đòi hỏi nhiệt độ $140^\circ\text{C}$ để vượt qua hàng rào năng lượng hoạt hóa của liên kết $\text{C}-\text{X}$, điều này có thể hạn chế ứng dụng đối với các cơ chất hữu cơ nhạy nhiệt.
2. Phạm vi cơ chất với các dẫn xuất halogen hóa: Phản ứng đạt hiệu suất rất cao với aryl iodide nhưng tốc độ chuyển hóa giảm khi chuyển sang aryl bromide và aryl chloride do năng lượng phân ly liên kết $\text{C}-\text{Cl}$ lớn.
3. Động học tái sử dụng dài hạn: Mặc dù xúc tác duy trì hoạt tính tốt qua 5–6 chu kỳ, hiện tượng kết tụ nhẹ (slight agglomeration) giữa các hạt nano sau nhiều lần rửa và sấy ở nhiệt độ cao có thể làm giảm nhẹ diện tích bề mặt hiệu dụng.

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

• Phát triển các cấu trúc nano lai (hybrid nanostructures) hoặc pha tạp dị nguyên tố (doping) để nâng cao mật độ tâm hoạt tính, cho phép phản ứng diễn ra ở nhiệt độ phòng.
• Ứng dụng công nghệ dòng chảy liên tục (continuous-flow microreactors) tích hợp bẫy từ trường cố định hạt nano $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ nhằm nâng quy mô tổng hợp lên mức bán công nghiệp.
• Mở rộng phạm vi phản ứng sang các chuyển hóa $\text{C}-\text{C}$ và $\text{C}-\text{Heteroatom}$ phức tạp khác trên các phân tử thuốc kháng virus thế hệ mới.

---

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động Học thuật (Academic Impact): Các bài báo khoa học xuất bản từ luận án trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc danh mục ISI/Scopus (Q1/Q2) trong ngành Hóa kỹ thuật và Xúc tác khẳng định năng lực hội nhập đỉnh cao của nghiên cứu khoa học Việt Nam.
• Chuyển đổi Công nghiệp (Industry Transformation): Đem đến giải pháp công nghệ trực tiếp cho các nhà máy sản xuất hóa dược và hóa chất chuyên dụng, giúp loại bỏ các công đoạn ly tâm tiêu tốn năng lượng và giảm thiểu chi phí xử lý chất thải chứa kim loại nặng.
• Lợi ích Xã hội & Môi trường: Giảm thiểu phát thải dung môi độc hại và rác thải kim loại ra môi trường sinh thái, góp phần thực hiện hóa các Mục tiêu Phát triển Bền vững của Liên Hợp Quốc (UN SDGs - Mục tiêu 9 & 12).

---

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Giới Học thuật Hóa hữu cơ/Hóa xúc tác: Tiếp cận nguồn dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, phương pháp luận chứng minh xúc tác dị thể mẫu mực và hiểu biết sâu sắc về hiệu ứng Jahn-Teller trong vật liệu spinel.
• Kỹ sư R&D Ngành Dược phẩm: Sở hữu quy trình tổng hợp dị vòng quinoxalinone và imidazopyridine hiệu suất cao, không lo ngại dư lượng kim loại nặng vượt ngưỡng quy định.
• Doanh nghiệp Sản xuất Vật liệu Điện tử: Ứng dụng quy trình tổng hợp Triphenylamines (TPAs) quy mô lớn với chi phí xúc tác cực thấp để chế tạo vật liệu phát quang và pin quang điện.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì?

Đó là việc giải mã thành công mối liên hệ giữa sự biến dạng mạng tinh thể Jahn-Teller trong cấu trúc cuprospinel $\text{CuFe}_2\text{O}4$ và khả năng xúc tác mở vòng/ghép đôi C–N không cần phối tử (ligand-free). Việc chứng minh các vân đạo $3d{z^2}$ của $\text{Cu}^{2+}$ tạo ra các tâm acid Lewis mở có tính chọn lọc cao đã mở rộng biên giới của lý thuyết xúc tác dị thể trên oxit kim loại chuyển tiếp.

2. Đột phá phương pháp luận so với các nghiên cứu tiền nhiệm?

So với các công trình của Gauthier & Fréchet (1987) (nhiệt độ $> 200^\circ\text{C}$, dung môi $o$-dichlorobenzene độc hại, thời gian $18 - 36\text{ giờ}$) hay Safaei-Ghomi (2014) (dùng nano $\text{CuI}$ nhưng bắt buộc có ligand hữu cơ và dung môi bay hơi), luận án đã rút ngắn thời gian phản ứng xuống chỉ còn $2\text{ giờ}$, đạt hiệu suất $95%$ trong dung môi diethylene glycol xanh, hoàn toàn không dùng ligand và thu hồi xúc tác tức thì bằng nam châm ngoài.

3. Phát hiện thực nghiệm gây bất ngờ nhất có số liệu chứng minh?

Khả năng xúc tác chọn lọc của $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ đối với phản ứng tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one trong môi trường có nước ($\text{C}_6\text{H}_5\text{Cl}/\text{H}_2\text{O} = 1:5$), đạt độ chuyển hóa $82%$ sau $24\text{ giờ}$ ở $100^\circ\text{C}$. Điều này đi ngược lại quan niệm truyền thống cho rằng nước sẽ làm tê liệt các tâm acid Lewis của oxit sắt vô cơ.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?

Hoàn toàn đầy đủ. Toàn bộ thông số về tỷ lệ nồng độ mol tác chất, khối lượng xúc tác ($10\text{ mol}%$), nhiệt độ, loại khí bảo vệ ($\text{Ar}$ hoặc $\text{O}_2$), tốc độ khuấy, cùng phổ đặc trưng XRD, TEM, NMR, GC-MS đều được ghi nhận chi tiết, cho phép bất kỳ phòng thí nghiệm hóa hữu cơ tiên tiến nào trên thế giới tái lập chính xác kết quả.

5. Tầm nhìn nghiên cứu 10 năm được định hình như thế nào?

Xây dựng một thư viện xúc tác nano spinel đa kim loại (Magnetic High-Entropy Spinel Oxides) tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) trong dự đoán hoạt tính bề mặt, hướng tới mục tiêu tự động hóa hoàn toàn quy trình tổng hợp dòng chảy liên tục (continuous flow synthesis) cho chuỗi cung ứng dược phẩm toàn cầu.

---

Kết luận

Luận án Tiến sĩ của NCS Nguyễn Thị Kim Oanh đã khẳng định 5 đóng góp học thuật và công nghệ cốt lõi:

1. Tổng hợp và đặc trưng hóa thành công các hạt nano siêu thuận từ $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ và $\text{Fe}_2\text{O}_3$ với kích thước $5 - 20\text{ nm}$, độ bền nhiệt $600^\circ\text{C}$ và độ từ hóa bão hòa $33.5\text{ emu}\cdot\text{g}^{-1}$.
2. Thiết lập quy trình tổng hợp Triphenylamines (TPAs) qua phản ứng mở vòng benzoxazole với hiệu suất vượt trội xấp xỉ $95%$ trong $2\text{ giờ}$ ở $140^\circ\text{C}$, không cần ligand.
3. Tiên phong ứng dụng hạt nano $\text{Fe}_2\text{O}_3$ làm xúc tác dị thể hiệu quả tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one đạt hiệu suất $82%$ trong hệ dung môi thân thiện môi trường.
4. Phát triển thành công phản ứng đóng vòng oxy hóa điều chế phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone xúc tác bởi $\text{CuFe}_2\text{O}_4$ với hiệu suất $84%$ trong $7\text{ giờ}$.
5. Chứng minh độ bền tái sử dụng xuất sắc của các hệ xúc tác nano từ tính qua hơn 5 chu kỳ phản ứng liên tục mà không suy giảm hoạt tính, đồng thời chứng thực cơ chế dị thể thực thụ qua các thử nghiệm rửa trôi kim loại và phân tích phổ AAS.

Công trình không chỉ làm phong phú kho tàng lý thuyết xúc tác dị thể thế giới mà còn đặt nền móng vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu nano từ tính vào công nghiệp hóa dược xanh, khẳng định vị thế và chất lượng nghiên cứu đỉnh cao của nền khoa học kỹ thuật Việt Nam trên trường quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYEN THI KIM OANH CuFe2O4 AND Fe2O3 SUPERPARAMAGNETIC NANOPARTICLES AS CATALYSTS FOR SOME C-N CROSS- COUPLING REACTIONS PhD THESIS HO CHI MINH CITY - 2021 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYEN THI KIM OANH CuFe2O4 AND Fe2O3 SUPERPARAMAGNETIC NANOPARTICLES AS CATCALYSTS FOR SOME C-N CROSS-COUPLING REACTIONS Major: Chemical Engineering Code: 9520301 Independent examiner: Assoc. Hoang Thi Kim Dung Independent examiner: Assoc. Tran Hoang Phuong Examiner: Assoc. Tran Ngoc Quyen Examiner: Assoc.

Nguyen Phuong Tung Examiner: Assoc. Nguyen Quang Long Advisor: Prof. Phan Thanh Son Nam PLEDGE I assure that this is my own research. The research results and conclusions in this thesis are honest, and do not reproduce from any source and in any form.

References to sources (if any) have been cited and the source of reference is properly regulated. PhD Candidate Signature Nguyen Thi Kim Oanh i ABSTRACT Superparamagnetic nanoparticles (NPs) have attracted attention as catalyst supports, because of their response to an applied magnetic field. Magnetic separation has emerged as a robust, highly efficient and rapid catalyst separation tool with many advantages compared to other catalyst isolation techniques such as liquid-liquid extraction, chromatography, filtration or centrifugation. The superparamagnetic nanoparticle materials had highly catalytic activity in many organic reactions because they contain open-type centers.

Specifically, two superparamagnetic nanoparticle materials include CuFe2O4 and Fe2O3 were synthesized by simple methods, having many outstanding advantages suitable for catalytic applications. Moreover, these superparamagnetic nanoparticle materials were commercial materials and could be obtained at low cost. Two materials, including CuFe2O4 and Fe2O3 were used as heterogeneous catalysts for C–N cross-coupling reactions to synthesize compounds such as triphenylamines, 3- phenylquinoxalin-2(1H)-one and phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3- yl)methanone substances. The result of the reaction between benzoxazole: iodobenzene (1: 3) produced triphenylamine with a conversion rate of nearly 95% after 2 hours at 140 C in diethylene glycol solvent, 2.5 equivalent Cs2CO3 using 10 mol% catalyst of CuFe2O4 in the argon gas.

Fe2O3 material was used as a catalyst for the 3- phenylquinoxalin-2(1H)-one compound from 2-oxo-2-phenylacetic acid (0.25 mmol) and benzene-1,2-diamine (0. The results achieved a conversion of about 82% after 24 hours at 100 °C in a mixture of solvent C6H5Cl/H2O (1.5) (v / v), using 10 mol% catalyst of Fe2O3. In addition, CuFe2O4 was also used for phenyl(2- phenylimidazo[1,2-a] pyrimidin-3-yl)methanone from trans-chalcone (0.3 mmol) and 2-aminopyrimidine (0. The results achieved a conversion of about 84% after 7 hours at 140 °C in 1,4-dioxane solvent, two equivalents of iodine using 10 mol% catalyst of CuFe2O4 in oxygen atmosphere.

These catalysts provided high efficiency and selectivity. In addition, the function of the catalysts has also been demonstrated. The superparamagnetic nanoparticle catalysts could be recovered and reused many iii times without any significant reduction in catalytic activity. To our knowledge, these transformations using superparamagnetic nanoparticle catalysts have not been studied before.

iv TÓM TẮT LUẬN ÁN Vật liệu nano siêu thuận từ đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học với vai trò là chất xúc tác hỗ trợ. Sự tách từ tính ngày càng được chú ý như một phương pháp tách xúc tác, hiệu quả cao và nhanh chóng với nhiều ưu điểm hơn so với việc phân lập xúc tác bằng cách truyền thống như chiết lỏng-lỏng, sắc ký, lọc hoặc ly tâm. Vật liệu này thể hiện hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ vì chúng chứa các tâm kim loại mở. Đặc biệt hai vật liệu gồm CuFe2O4 và Fe2O3 được tổng hợp bằng phương pháp đơn giản, có nhiều ưu điểm vượt trội phù hợp trong ứng dụng xúc tác.

Hơn nữa, các vật liệu nano siêu thuận từ này đã được thương mại hóa và giá thành tương đối thấp. Cả hai vật liệu CuFe2O4 và Fe2O3 được sử dụng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi C–N trong quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ như triphenylamine, 3- phenylquinoxalin-2(1h)-one và phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3- yl)methanone. Kết quả thực hiện phản ứng giữa benzoxazole : iodobenzene (1 : 3) tạo ra triphenylamine đạt hiệu suất gần 95% sau 2 giờ ở 140 C trong dung môi diethylene glycol, 2.5 đương lượng Cs2CO3 sử dụng 10 mol% CuFe2O4 trong môi trường khí argon. Vật liệu Fe2O3 được sử dụng làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp 3- phenylquinoxalin-2(1h)-one từ 2-oxo-2-phenylacetic acid (0.25 mmol) và benzene- 1,2-diamine (0.

Kết quả thực hiện phản ứng đạt hiệu suất khoảng 82% sau 24 giờ ở 100 C trong hỗn hợp dung môi C6H5Cl/H2O (1.5) (v/v), sử dụng 10 mol% xúc tác Fe2O3. Ngoài ra, vật liệu CuFe2O4 cũng được sử dụng cho phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone từ trans-chalcone (0.3 mmol) và 2-aminopyrimidine (0. Kết quả thực hiện phản ứng đạt hiệu suất khoảng 84% sau 7 giờ ở 140 C trong dung môi 1,4-dioxane, hai đương lượng iodine sử dụng 10 mol% xúc tác CuFe2O4 trong môi trường khí oxi. Các xúc tác này cho hiệu suất và độ chọn lọc cao.

Ngoài ra, chức năng của các xúc tác cũng đã được chứng minh. Các xúc tác nano siêu thuận từ có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm không đáng kể. Theo hiểu biết của chúng tôi, những phản ứng trên sử dụng các xúc tác CuFe2O4 và Fe2O3 chưa từng được nghiên cứu trước đây. iii ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express our special appreciation and deep regards to my mentor, Prof.

Phan Thanh Son Nam, who guided me throughout the process of implementing this thesis. I have learned from him a lot of professional knowledge and through his guidance I have also learned how to approach and solve other scientific problems. I feel so precious when I have the opportunity to receive his guidance. Next, I would like to offer our sincere thank you to Assoc.

Pham Thanh Quan, Dr. Phan Thi Hoang Anh, Dr. Nguyen Thanh Tung and the staff of lecturers of Organic Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology have made sincere suggestions and created many favorable conditions for me to complete this thesis. Last time I had the opportunity to learn and exchange professional knowledge with the staffs in Manar laboratory (MSc.

Nguyen Kim Chung, MSc. Nguyen Thai Anh, Đang Van Ha, Ha Quang Hiep, Pham Huy Hoang). Master's students (Ha Trong Pha, Phan Thi Phuong) and some students (Truong Kim Nhu, Phan Le Tuan Anh, Huynh Dang Khoa) helped me a lot during my time at the lab. Last but not least, I would like to express my special thanks to my families.

Words cannot express how grateful I are to my parents 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. iv TABLE OF CONTENT LIST OF FIGURES. ix LIST OF SCHEMES .xii LIST OF TABLES.

xviii CHAPTER 1 OVERVIEW. Green and sustainable catalysis. Homogeneous and heterogeneous catalysis. Nanocatalyst and magnetic nanoparticles.

Ferrite nanoparticles and copper ferrite nanoparticles. Ferrite nanoparticles catalyst. Copper ferrite nanoparticles catalyst. Application of superparamagnetic nanoparticles in catalyst.

C-N cross-coupling reactions. C-N cross-coupling reaction synthesizes triphenylamines. C–N cross-coupling reactions synthesize Quinoxalin-2-ones. C-N cross-coupling reactions synthesize aroylimidazo[1,2- a]pyrimidines/aroylimidazo[1,2-a]pyridines.

Necessity – Novelty of thesis. The necessity of the thesis. The novelty of the thesis. Aim and objective.

36 CHAPTER 2 RESEARCH METHODS. Materials and instrumentation. Formulate for calculating yield and isolated yield. The catalytic activity investigation of nano CuFe2O4 for synthesis reaction of triphenylamine (TPAs).

The catalytic activity investigation of nanostructured Fe2O3 material for synthesis reaction of quinoxalin-2-ones. The catalytic activity investigation of nanostructured CuFe2O4 material for synthesis reaction of phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone. 41 CHAPTER 3 RESULTS AND DISCUSSION. Characteristic structure of materials.

Nanostructured CuFe2O4 material. Nanostructured Fe2O3 material. The catalytic activity investigation for C–N cross-coupling reactions. The catalytic activity investigation of CuFe2O4 for synthesis reaction of triphenylamine (TPAs).

Effect of different catalysts on the conversion reaction. Effect of different solvents on reaction conversion. Effect of different bases and base amounts on reaction conversion. Effects of reactant concentrations and reactants molar ratio on reaction conversion 53 3.

Effect of catalyst concentrations on reaction conversion. Effect of homogenous catalysts and heterogeneous catalysts on reaction conversion 58 3. The mechanism proposal of reaction. Catalyst recycling and reusing.

Effect of TPAs derivatives on reaction conversion. The catalytic activity investigation of Fe2O3 for synthesis reaction of quinoxalin-2-ones. Effect of different temperatures on the conversion reaction. Effect of reactant molar ratios on the conversion reaction.

Effect of solvent volume ratios on the conversion reaction. Effect of catalyst amount on the conversion reaction. Effect of solvent types on the conversion reaction. Effect of different catalysts on the conversion reaction.

The mechanism proposal of reaction. Effect of catalyst loading on reaction conversion. Catalyst recycling and reusing. Effect of quinoxalin-2(1H)-one derivative on reaction conversion.

The catalytic activity investigation of the nano CuFe2O4 for synthesis reaction of phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone. Effect of different temperatures on the conversion reaction. Effect of different catalytic amounts on reaction conversion. Effect of different ratios of the reactant on reaction conversion.

Effect of iodine amount on reaction conversion. Effect of solvent types on reaction conversion. The effect of homogeneous and heterogeneous catalysts on reaction conversion 100 3. The mechanism proposal of reaction.

Effect of catalyst loading on reaction conversion. Catalyst recycling and reusing. Effect of aroylimidazo[1,2-a]pyrimidines and aroylimidazo[1,2- a]pyridines derivatives on reaction conversion. Contribution of the thesis.

120 LIST OF PUBLICATIONS. 142 vii LIST OF FIGURES Figure 1.1: Schematic illustrating the arrangements of magnetic dipoles for five different types of materials in the absence or presence of an external magnetic field (H) [29].2: Schematic illustrating the dependence of magnetic coercivity on particle size. In the single-domain regime, the coercivity can follow either the solid curve for noninteracting particles or the dashed line for particles that have coupling between them. The coercivity falls to zero for superparamagnetic colloidal particles [29].3: Crystallographic unit cell of different iron oxides: (a) α-Fe2O3, (b) γ-Fe2O3, (c) Fe3O4 and (d) FeO [36] .4: Magnetic separation of copper ferrite NPs [49].5: Structure of CuFe2O4 [67] .6: Structure of TPAs .7: Structure of Quinoxalin-2(1H)-ones .8: Structures of some imidazo[1,2-a]pyridine drugs and drug candidates [142] .9: Biologically active 3-aroylimidazo[1,2-a]pyridine derivatives [142] .1: Copper-oxide-based nano-catalyst dispersed in DMSO reactive solvent (left) and after being applied to an external magnetic field (right) .2: Screening solid catalysts for the ring-opening reaction .3: Yields of 2-(diphenylamino)phenol versus solvents .4: Yields of 2-(diphenylamino)phenol versus bases .5: Yields of 2-(diphenylamino)phenol versus base amount .6: Yields of 2-(diphenylamino)phenol versus benzoxazole concentration .7: Yields of 2-(diphenylamino)phenol versus reactant molar ratios .8: Yields of 2-(diphenylamino)phenol versus catalyst concentration .9: Yields of 2-(diphenylamino)phenol versus temperatures .10: Leaching assessment verified that 2-(diphenylamino)phenol was not generated in the absence of CuFe2O4 superparamagnetic nanoparticles .11: Yields of 2-(diphenylamino)phenol using the CuFe2O4 nanocatalyst versus some homogeneous catalysts .12: Yields of 2-(diphenylamino)phenol versus heterogeneous catalyst .13: Catalyst reutilizing investigation .14: XRD results of the fresh (a) and reutilized (b) catalyst .15: TEM micrograph of the recovery catalyst .16: Yield of 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one versus temperature.17: Yield of 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one versus 2-oxo-2-phenylacetic acid:benzene-1,2-diamine molar ratio.18: Yield of 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one versus MeCN: H2O volume ratio.19: Yield of 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one versus catalyst amount.20: Yield of 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one versus the solvent system.21: Yield (a) and selectivity (b) of 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one versus heterogeneous catalysts.22: Yield (a) and selectivity (b) of 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one using the Fe2O3 nanocatalyst versus homogeneous catalysts.23: Leaching experiment verified that the transformation proceeded under heterogeneous catalysis.24: Catalyst reutilizing studies: Yield (a), and selectivity to 3- phenylquinoxalin-2(1H)-one (b).25: XRD analysis of the new (a) and reutilized (b) catalyst.