Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Application of Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY), MOF-235 as catalysts for carbon−heteroatom bond forming reactions" (Ứng dụng Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY), MOF-235 làm xúc tác cho các phản ứng hình thành liên kết carbon–dị tố) được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Trần Bội Châu (Tran Boi Chau), dưới sự hướng dẫn khoa học của Giáo sư Phan Thanh Sơn Nam (Prof. Phan Thanh Son Nam) và Phó Giáo sư Trương Vũ Thanh (Assoc. Truong Vu Thanh) tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (Ho Chi Minh University of Technology, VNU-HCM), bảo vệ năm 2020 thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học (Chemical Engineering), mã số 62520301.

Hội đồng đánh giá luận án gồm các nhà khoa học:

  • Cán bộ phản biện độc lập 1: PGS. Trần Ngọc Quyền (Assoc. Tran Ngoc Quyen)
  • Cán bộ phản biện độc lập 2: PGS. Tôn Thất Quang (Assoc. Ton That Quang)
  • Cán bộ phản biện 1: GS. Phan Đình Tuấn (Prof. Phan Dinh Tuan)
  • Cán bộ phản biện 2: PGS. Nguyễn Phương Tùng (Assoc. Nguyen Phuong Tung)
  • Cán bộ phản biện 3: PGS. Nguyễn Quang Long (Assoc. Nguyen Quang Long)

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các hợp chất dị vòng chứa dị tố oxy, nitơ, lưu huỳnh ngưng tụ với vòng benzene (benzo-fused heterocycles) như benzazole, quinazoline, 4H-3,1-benzoxazine cũng như các dẫn xuất aryl ether đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc của nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học, dược phẩm điều trị (ung thư, kháng khuẩn, huyết áp, thần kinh) và hóa chất nông nghiệp (thuốc diệt nấm, trừ cỏ).

Các phương pháp truyền thống để tạo liên kết carbon–dị tố (C–O, C–N, C–S) thường sử dụng chất xúc tác đồng thể (muối kim loại chuyển tiếp hoặc phức chất), đòi hỏi cơ chất đã được tiền chức hóa (aryl halide, axit aryl boronic), kèm theo điều kiện phản ứng khắc nghiệt (nhiệt độ trên 200°C, thời gian kéo dài), phát sinh nhiều sản phẩm phụ và gặp trở ngại lớn trong khâu tách sản phẩm cũng như thu hồi chất xúc tác. Việc phát triển các quy trình xúc tác dị thể sử dụng vật liệu khung cơ kim (Metal–Organic Frameworks - MOFs) dựa trên các kim loại không quý, ít độc hại như đồng (Cu) và sắt (Fe) là hướng tiếp cận có tiềm năng khắc phục các nhược điểm trên. Mặc dù MOF đã được ứng dụng trong một số phản ứng hóa học hữu cơ, việc sử dụng Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY) và MOF-235 cho các phản ứng tạo liên kết carbon–dị tố chuyên biệt vẫn còn rất hạn chế và chưa được khảo sát một cách hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng hợp và phân tích đặc trưng hóa lý hoàn chỉnh của ba loại vật liệu khung cơ kim: Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY) và MOF-235 bằng phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal).
  2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của Cu-MOF-74 cho phản ứng ether hóa trực tiếp liên kết Csp2–H của N-(quinolin-8-yl)benzamides với các alcohol và phenol sử dụng nhóm định hướng 8-aminoquinoline.
  3. Đánh giá hoạt tính xúc tác của MOF-235 cho phản ứng oxy hóa cộng vòng (oxidative cyclization) giữa benzyl alcohol với 2-aminophenol và 2-aminothiophenol để tổng hợp các dẫn xuất 2-arylbenzoxazole và 2-arylbenzothiazole.
  4. Đánh giá hoạt tính xúc tác của Cu2(OBA)2(BPY) trong phản ứng tổng hợp quinazoline và 4H-3,1-benzoxazine thông qua quy trình một bình hai giai đoạn (one-pot, two-step): ngưng tụ không xúc tác và oxy hóa tách hydro liên kết C–N có xúc tác MOF.
  5. Kiểm tra và chứng minh tính dị thể thực sự (heterogeneity) của các hệ xúc tác, khảo sát hiện tượng rửa trôi kim loại (leaching) và khả năng thu hồi, tái sử dụng xúc tác qua nhiều chu kỳ phản ứng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Ba vật liệu khung cơ kim gồm Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY), MOF-235; các phản ứng hình thành liên kết C–O, C–N, C–S phục vụ tổng hợp aryl ether, 2-arylbenzoxazole, 2-arylbenzothiazole, quinazoline và 4H-3,1-benzoxazine.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các nghiên cứu thực nghiệm, tổng hợp hữu cơ, phân tích hóa lý và đo đạc phổ được thực hiện tại các phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM, Trung tâm Vật liệu Cấu trúc Nano và Phân tử (INOMAR), Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong giai đoạn từ năm 2014 đến 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Trong Chương 1, tác giả đã điểm luận chi tiết các công trình nghiên cứu tiền đề liên quan đến vật liệu MOF và các phản ứng hình thành liên kết carbon–dị tố:

  • Cơ sở xúc tác của MOF: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính như phương pháp tổng hợp (ZIF-8 tổng hợp qua sấy phun ZIF-8-SP, vi sóng ZIF-8-MW, nhiệt độ phòng ZIF-8-RT và nhiệt dung môi ZIF-8-SV tạo ra mật độ khuyết tật và diện tích bề mặt khác nhau theo nghiên cứu [32]), ảnh hưởng của phối tử (ligand) [33-35], ảnh hưởng của đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBUs) [33, 39-43] và ảnh hưởng của dung môi phản ứng [40, 44].
  • Cấu trúc và ứng dụng của ba loại MOF mục tiêu:
    • MOF-235 ([Fe3O(1,4-BDC)3(DMF)3]FeCl4-3): Được tổng hợp lần đầu năm 2005, có cấu trúc cation mang điện tích +1 được cân bằng bởi anion đối ion FeCl4-, chứa các tâm sắt mở (open metal sites) và tính axit Lewis [45, 48, 49].
    • Cu2(OBA)2(BPY): Cấu trúc lớp 2D tạo bởi phối tử 4,4'-oxybis(benzoate) (OBA) nối với Cu(II) dạng tháp đôi tam giác biến dạng Jahn–Teller, liên kết với nhau qua phối tử cầu nối 4,4'-bipyridine (BPY) tạo khung 3D [47, 50].
    • Cu-MOF-74: Cấu trúc mạng tổ ong 3D chứa kênh lục giác 1D kích thước khoảng 11 Å với mật độ tâm Cu(II) chưa bão hòa phối trí rất cao (4,4 tâm/nm3) [51-53, 65].
  • Tổng hợp các dị vòng ngưng tụ nhân thơm:
    • Phản ứng ghép chéo nội phân tử của anilides dùng xúc tác kim loại chuyển tiếp Cu, Pd [73-76].
    • Phản ứng Phillip kinh điển sử dụng axit vô cơ (H3PO4) hoặc axit Lewis (ZrCl4, SnCl4, TiCl4, ZrOCl2) [79, 80].
    • Các nghiên cứu dùng MOF: MOF-537 (Cu2(TPPB)2(DMF)6) chuyển hóa amidine thành 2-phenylbenzimidazole [86]; Cu2(OBA)2(BPY) xúc tác ghép 2-aminobenzyl alcohol và propiophenone [87]; MOF-235 và MIL-100(Fe) xúc tác phản ứng giữa 1,2-phenylenediamine và acetone tạo benzodiazepine [88, 89]; VNU-21 và Fe@PCN-222(Fe) xúc tác tổng hợp 2-phenylquinazolin-4(3H)-one [90-92].
  • Tổng hợp aryl ether qua tạo liên kết C–O:
    • Phản ứng ghép đôi Ullmann và Chan–Evans–Lam xúc tác bởi đồng/palladium [95-104].
    • Phản ứng kích hoạt C–H trực tiếp có nhóm định hướng sử dụng Pd, Ru với chất oxy hóa mạnh như K2S2O8 hoặc PhI(OAc)2 [101-104], hoặc xúc tác đồng đồng thể [105].
    • Ứng dụng MOF: MOF-199 (Cu3(BTC)2) cho phản ứng Ullmann giữa aryl iodide và phenol [110]; Cu2(BDC)2(DABCO) cho phản ứng ghép giữa nitroarene và phenol [111]; Cu2(BPDC)2(BPY) và [Cu6(L)3(H2O)6] xúc tác ghép chéo tách hydro (cross-dehydrogenative coupling) giữa 2-hydroxybenzaldehyde và 1,4-dioxane [119-121].

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Phần lớn các phản ứng tổng hợp aryl ether trước đây đòi hỏi cơ chất aryl halide hoặc nitroarene đắt tiền và tạo sản phẩm phụ muối thải. Việc kích hoạt trực tiếp liên kết Csp2–H bằng xúc tác dị thể MOF chứa tâm đồng chưa bão hòa (Cu-MOF-74) với sự hỗ trợ của nhóm định hướng 8-aminoquinoline chưa từng được công bố. Tương tự, việc ứng dụng MOF-235 trong phản ứng oxy hóa cộng vòng giữa alcohol trực tiếp với aminophenol/aminothiophenol và ứng dụng Cu2(OBA)2(BPY) trong chuyển hóa một bình hai giai đoạn tạo khung quinazoline và benzoxazine dưới điều kiện êm dịu vẫn còn là khoảng trống khoa học cần được giải quyết.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Lý thuyết phối trí và cấu trúc mạng MOF: Nguyên lý hình thành vật liệu xốp từ các ion/cụm kim loại chuyển tiếp (Cu2+, Fe3+) với các phối tử hữu cơ đa càng (carboxylate, pyridine) để tạo ra các tâm axit Lewis, tâm kim loại hở (open metal sites) hoặc vị trí phối trí linh động.
  • Cơ chế hoạt hóa liên kết C–H có định hướng: Nhóm 8-aminoquinoline đóng vai trò phối tử bidentate định hướng tâm đồng tiếp cận chọn lọc vị trí ortho (Csp2–H) của vòng benzamide để tạo phức trung gian organocopper, giảm năng lượng hoạt hóa cho phản ứng thế ái nhân với alcohol/phenol.
  • Cơ chế phản ứng gốc tự do và oxy hóa tách hydro: Cơ chế chuyển điện tử đơn (single electron transfer - SET) trên tâm kim loại biến tính hóa trị (Fe3+/Fe2+ hoặc Cu2+/Cu+) kết hợp với chất oxy hóa (như TBHP, không khí, O2) để tạo các gốc tự do trung gian phục vụ quá trình cộng vòng và đóng vòng dị tố.

Phương pháp tổng hợp và thực nghiệm

Tất cả ba vật liệu MOF được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal method) nhằm kiểm soát độ tinh khiết pha, độ kết tinh và hình thái tinh thể:

  • Tổng hợp Cu-MOF-74: Phản ứng giữa 2,5-dihydroxyterephthalic acid (H2DHTP, 0,97 mmol) và Cu(NO3)2·3H2O (2,07 mmol) trong hỗn hợp DMF và 2-propanol (tỷ lệ thể tích 20:1) ở 85°C trong 18 giờ. Rửa bằng DMF, trao đổi dung môi với methanol trong 3 ngày, sấy chân không ở 150°C trong 8 giờ, thu được tinh thể dạng kim màu đỏ-đen với hiệu suất 62%.
  • Tổng hợp Cu2(OBA)2(BPY): Phản ứng giữa 4,4'-oxybis(benzoic) acid (H2OBA, 1 mmol), 4,4'-bipyridine (BPY, 0,5 mmol) và Cu(NO3)2·3H2O trong hỗn hợp DMF và nước cất ở 85°C trong 48 giờ. Tinh thể màu xanh lục được rửa bằng DMF, trao đổi dung môi với methanol, sấy chân không ở 150°C trong 6 giờ.
  • Tổng hợp MOF-235: Phản ứng giữa FeCl3·6H2O (1,0 mmol) và 1,4-benzenedicarboxylic acid (H2BDC, 1,0 mmol) trong hỗn hợp DMF (40,0 mL) và ethanol (40,0 mL) ở 85°C trong 48 giờ. Tinh thể màu cam nhạt được rửa bằng DMF, trao đổi dung môi bằng ethanol trong 3 ngày, sấy chân không ở 140°C trong 6 giờ, thu được chất rắn màu đỏ gạch với hiệu suất 45%.
           [FeCl3·6H2O + H2BDC] + [DMF/Ethanol] 
              [MOF-235 (Tinh thể đỏ gạch)]

Kỹ thuật đặc trưng hóa lý và phân tích

  • Nhiễu xạ tia X dạng bột (P-XRD): Thực hiện trên máy Bruker D8 Advance với nguồn bức xạ Cu Kα để kiểm tra cấu trúc tinh thể và độ sạch pha so với dữ liệu chuẩn CSD.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Đo trên thiết bị Nicolet 6700 với mẫu dạng viên nén KBr để xác định các dao động liên kết đặc trưng của phối tử và khung mạng.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM): Quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt (SEM trên S400, TEM trên JEOL JEM 1010 ở điện thế gia tốc 80 kV).
  • Hấp phụ đẳng nhiệt Nitrogen (BET/BJH): Thực hiện trên hệ thống Micromeritics 2020 ở 77 K (mẫu được hoạt hóa ở 150°C trong 3 giờ dưới chân không) để xác định diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp.
  • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Thực hiện trên máy Netzsch STA 409 với tốc độ nâng nhiệt 10°C/phút trong môi trường khí N2 từ nhiệt độ phòng đến 600–800°C để xác định độ bền nhiệt.
  • Quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS): Đo trên máy Shimadzu AA-6800 để định lượng kim loại đồng và sắt rửa trôi trong pha lỏng sau phản ứng.
  • Phương pháp kiểm tra tính dị thể:
    • Thử nghiệm lọc nóng (Hot filtration test): Tách xúc tác rắn khi phản ứng đạt độ chuyển hóa khoảng 30–40%, tiếp tục duy trì dịch lọc ở điều kiện phản ứng để theo dõi sự gia tăng nồng độ sản phẩm.
    • Thử nghiệm 3 pha (Three-phase test): Đánh giá sự chuyển hóa của cơ chất được cố định trên chất mang rắn độc lập.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY), MOF-235 và phản ứng hình thành liên kết carbon–dị tố

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu MOF, nêu bật các ưu điểm vượt trội (diện tích bề mặt lớn, cấu trúc tinh thể đồng nhất, khả năng tinh chỉnh linh hoạt kích thước mao quản và tâm hoạt tính) cùng các hạn chế (độ bền cơ học, độ bền nhiệt và nguy cơ rửa trôi kim loại trong môi trường phản ứng).

Chương này trình bày chi tiết về cấu trúc hóa học và đặc tính của ba vật liệu trọng tâm:

  • MOF-235 với trimer sắt dạng bát diện chia sẻ đỉnh Fe3O liên kết qua cầu terephthalate.
  • Cu2(OBA)2(BPY) với kiến trúc lớp-cột (pillared-layer) tạo bởi mạng lưới OBA–Cu và cột BPY.
  • Cu-MOF-74 với kênh tổ ong 1D chứa các tâm Cu(II) có thể giải phóng phân tử dung môi phối trí tạo tâm axit Lewis hở.

Đồng thời, chương 1 tổng quan toàn diện các quy trình tổng hợp liên kết C–N, C–O, C–S để tạo các dị vòng benzo-fused (benzoxazole, benzothiazole, quinazoline, benzoxazine) và aryl ether, làm rõ cơ sở lựa chọn các hệ xúc tác cho các phản ứng mục tiêu của luận án.

Chương 2: Thực nghiệm và kết quả của phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY), MOF-235

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp nhiệt dung môi và phân tích cấu trúc của ba loại vật liệu. Kết quả phân tích cho thấy:

  • P-XRD: Các đỉnh nhiễu xạ thực nghiệm của Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY) và MOF-235 hoàn toàn trùng khớp với giản đồ tính toán lý thuyết từ cơ sở dữ liệu tinh thể học (CSD), chứng minh vật liệu thu được có độ kết tinh cao và đơn pha.
  • FT-IR: Xác nhận sự dịch chuyển và xuất hiện của các dải hấp thu dao động carboxylate đối xứng/bất đối xứng phối trí với tâm kim loại (Cu–O, Fe–O) và sự biến mất của tín hiệu dao động –COOH tự do của các phối tử ban đầu (H2DHTP, H2OBA, H2BDC).
  • SEM và TEM: MOF-235 có hình thái tinh thể bát diện (octahedron) đồng đều; Cu-MOF-74 có dạng tinh thể hình kim (needle-like); Cu2(OBA)2(BPY) có hình thái tinh thể dạng khối đặc trưng.
  • TGA: Cu-MOF-74 và Cu2(OBA)2(BPY) bền nhiệt lên đến hơn 300°C sau khi mất các phân tử dung môi hấp phụ và phân tử dung môi phối trí; MOF-235 bền nhiệt ổn định trong khoảng nhiệt độ vận hành phản ứng.
  • Hấp phụ N2 (BET): Xác định đường đẳng nhiệt hấp phụ loại I điển hình của vật liệu vi xốp, diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp phù hợp với các thông số cấu trúc lý thuyết.
Thông số đặc trưng Cu-MOF-74 Cu2(OBA)2(BPY) MOF-235
Công thức kinh nghiệm C11.25O10Cu2 (tính toán) C19H12CuNO5 C33H15Fe4Cl4N3O17
Hệ tinh thể Tam giác (Trigonal) Đơn tà (Monoclinic) Lục giác (Hexagonal)
Thông số ô mạng cơ sở $a = b = 25,3\text{ \AA}$ Đặc trưng dạng lớp-cột Trimer $Fe_3O$, góc $\text{Fe-O-Fe } 120^\circ$
Hình thái tinh thể Dạng kim (Needle-shaped) Dạng khối đa diện màu xanh Dạng bát diện (Octahedron)
Tâm kim loại hoạt tính Cu(II) hở chưa bão hòa Cu(II) phối trí tháp đôi Fe(III) axit Lewis

Chương 3: Kết quả khảo sát và bàn luận về hoạt tính xúc tác của Cu-MOF-74, MOF-235 và Cu2(OBA)2(BPY)

Chương 3 là phần trọng tâm của luận án, tập trung vào ba hướng ứng dụng xúc tác chính:

1. Hoạt tính xúc tác của Cu-MOF-74 cho phản ứng ether hóa trực tiếp liên kết Csp2–H

  • Phản ứng mô hình: Phản ứng ether hóa trực tiếp giữa N-(quinolin-8-yl)benzamide với ethanol để tạo 2-ethoxy-N-(quinolin-8-yl)benzamide.
  • Tối ưu hóa điều kiện phản ứng: Luận án đã khảo sát chi tiết ảnh hưởng của bazơ (loại bazơ và lượng bazơ), dung môi phản ứng, nhiệt độ, loại và lượng chất oxy hóa, lượng xúc tác Cu-MOF-74 và thể tích chất trợ phối trí pyridine.
  • Khảo sát phạm vi cơ chất (Scope of reactions): Hệ xúc tác Cu-MOF-74 hoạt động hiệu quả cho phản ứng alkoxyl hóa (với các alcohol bậc một, bậc hai) và phenoxyl hóa (với các phenol có nhóm thế hút điện tử và đẩy điện tử khác nhau).
  • Tính dị thể và tái sử dụng: Thử nghiệm lọc nóng khẳng định không có phản ứng xảy ra trong pha lỏng sau khi tách chất rắn. Phân tích P-XRD và FT-IR của xúc tác sau phản ứng cho thấy cấu trúc khung mạng được duy trì; xúc tác có thể thu hồi và tái sử dụng qua nhiều chu kỳ liên tiếp.

2. Hoạt tính xúc tác của MOF-235 cho phản ứng tổng hợp N,O- và N,S-heterocycles

  • Phản ứng mô hình: Phản ứng oxy hóa cộng vòng một bình giữa benzyl alcohol và 2-aminophenol tạo 2-phenylbenzo[d]oxazole.
  • Tối ưu hóa điều kiện: Khảo sát nhiệt độ phản ứng, loại chất oxy hóa (TBHP, H2O2, CHP, DTBP), lượng chất oxy hóa, dung môi phản ứng, lượng xúc tác MOF-235 và tỷ lệ mol giữa các chất phản ứng.
  • Cơ chế phản ứng: Thử nghiệm đầu độc xúc tác (catalyst poison) và thử nghiệm bẫy gốc tự do (radical trapping reagent) chứng minh phản ứng diễn ra theo cơ chế gốc tự do được khởi tạo và định hướng bởi các tâm sắt hoạt tính trong MOF-235.
  • Khảo sát mở rộng: Mở rộng thành công trên dãy các benzyl alcohol và 2-aminophenol/2-aminothiophenol khác nhau để tổng hợp 2-arylbenzoxazole và 2-arylbenzothiazole với hiệu suất từ trung bình đến cao. Xúc tác thể hiện tính dị thể thực sự và độ bền cấu trúc sau tái sử dụng qua kiểm tra P-XRD và FT-IR.

3. Hoạt tính xúc tác của Cu2(OBA)2(BPY) cho phản ứng tổng hợp N,N- và N,O-heterocycles

  • Quy trình một bình hai giai đoạn: Bước 1 là phản ứng ngưng tụ giữa aldehyde với 2-aminobenzylamine, 2-aminobenzyl alcohol hoặc 1,2-phenylenediamine trong điều kiện không có chất xúc tác; Bước 2 là phản ứng oxy hóa tách hydro liên kết C–N được xúc tác chọn lọc bởi Cu2(OBA)2(BPY) để tạo thành quinazoline và 4H-3,1-benzoxazine.
  • So sánh hoạt tính: Cu2(OBA)2(BPY) cho hiệu suất vượt trội so với các xúc tác đồng thể tương ứng (muối Cu(OAc)2, Cu(NO3)2) và một số MOF chứa đồng khác (Cu(BDC), MOF-199). Tính base nhẹ của nguyên tử nitơ trên phối tử BPY được cho là đóng vai trò hỗ trợ quá trình tách hydro trong chu trình xúc tác.
  • Độ bền xúc tác: Thử nghiệm rửa trôi và thử nghiệm lọc nóng xác nhận tính dị thể hoàn toàn. Xúc tác Cu2(OBA)2(BPY) duy trì hoạt tính và độ tinh thể sau ít nhất 5 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp (kiểm chứng qua giản đồ P-XRD trước và sau 5 lần chạy).

Chương 4: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về tổng hợp vật liệu, hoạt tính xúc tác trong việc hình thành liên kết C–O, C–N, C–S, tính dị thể của hệ xúc tác và đề xuất các định hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.


Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Quy trình ether hóa Csp2–H trực tiếp: Đã chứng minh Cu-MOF-74 là xúc tác dị thể hiệu quả cho phản ứng alkoxyl hóa và phenoxyl hóa trực tiếp liên kết Csp2–H của N-(quinolin-8-yl)benzamides. Đây là công bố đầu tiên về việc sử dụng MOF chứa đồng làm xúc tác dị thể cho loại chuyển hóa hoạt hóa liên kết C–H này mà không cần sử dụng muối kim loại quý (Pd, Ru).
  2. Quy trình oxy hóa cộng vòng tạo liên kết C–O, C–S: Đã phát triển thành công phản ứng một bình tổng hợp các dẫn xuất 2-arylbenzoxazole và 2-arylbenzothiazole trực tiếp từ alcohol ban đầu với 2-aminophenol/2-aminothiophenol dưới sự xúc tác của MOF-235, làm sáng tỏ cơ chế gốc tự do thông qua các thử nghiệm bẫy gốc.
  3. Quy trình một bình hai bước tạo quinazoline và benzoxazine: Thiết lập quy trình xanh tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ và oxy (quinazoline, 4H-3,1-benzoxazine) kết hợp giữa giai đoạn ngưng tụ không xúc tác và giai đoạn oxy hóa khử hydro hóa liên kết C–N xúc tác bởi Cu2(OBA)2(BPY).
  4. Chứng minh bản chất xúc tác dị thể: Xác lập bằng chứng thực nghiệm đầy đủ (hot filtration test, leaching test bằng AAS, P-XRD, FT-IR của xúc tác thu hồi) chứng minh ba loại MOF đóng vai trò xúc tác dị thể thực sự, có độ bền cơ lý hóa và khả năng tái sử dụng ổn định qua nhiều chu kỳ.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Cung cấp các quy trình tổng hợp hữu cơ theo định hướng hóa học xanh: thay thế xúc tác đồng thể độc hại bằng xúc tác dị thể có thể thu hồi, sử dụng các tiền chất kim loại rẻ tiền, ít độc (Cu, Fe), sử dụng các nguyên liệu ban đầu có sẵn (alcohols thay vì aryl halides).
  • Khả năng mở rộng quy mô (large scale) đã được kiểm chứng bước đầu trong việc tổng hợp các phân tử có hoạt tính sinh học mục tiêu, mở ra triển vọng ứng dụng trong sản xuất tiền chất dược phẩm và hóa chất tinh khiết.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Hoạt tính xúc tác đối với một số cơ chất chứa nhóm thế hút điện tử mạnh hoặc cồng kềnh về mặt không gian còn cho hiệu suất ở mức trung bình.
  • Một số phản ứng vẫn cần sự có mặt của chất oxy hóa hữu cơ (như TBHP) hoặc bazơ hỗ trợ để hoàn thành chu trình xúc tác.
  • Độ bền mao quản và diện tích bề mặt riêng của vật liệu có xu hướng suy giảm nhẹ sau số lượng lớn chu kỳ tái sử dụng do hiện tượng hấp phụ nghẽn lỗ xốp của các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Nghiên cứu mở rộng việc loại bỏ nhóm định hướng (deprotection/hydrolysis của nhóm 8-aminoquinoline) sau phản ứng để thu hồi các dẫn xuất axit carboxylic và este có hoạt tính sinh học cao.
  2. Ứng dụng các xúc tác Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY) và MOF-235 vào các phản ứng dòng liên tục (flow chemistry) nhằm nâng cao hiệu suất không gian - thời gian và khả năng tự động hóa quy trình.
  3. Nghiên cứu sâu hơn về động học phản ứng và tính toán mô phỏng hóa học lượng tử (DFT) để làm rõ vi cấu trúc của trạng thái chuyển tiếp trên bề mặt các tâm kim loại mở trong mao quản MOF.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Hóa học, Kỹ thuật Hóa học, Hóa dược và Khoa học Vật liệu: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tổng hợp solvothermal vật liệu MOF, phương pháp phân tích đặc trưng đa kỹ thuật (P-XRD, FT-IR, SEM, TEM, BET, TGA) và kỹ thuật thiết kế phản ứng tổng hợp hữu cơ hiện đại.
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Xúc tác dị thể và Hóa học xanh: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về việc kiểm chứng tính dị thể thực sự (hot filtration, leaching test) để phân biệt giữa xúc tác dị thể thực và hiện tượng xúc tác đồng thể do kim loại hòa tan.
  • Kỹ sư phát triển quy trình tổng hợp dược phẩm: Cung cấp các lộ trình tổng hợp mới cho các khung phân tử benzazole, quinazoline, benzoxazine và aryl ether có hoạt tính dược lý cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án khảo sát hoạt tính của những loại vật liệu MOF nào và cấu trúc kim loại trung tâm của chúng là gì?

Luận án khảo sát ba loại vật liệu khung cơ kim:

  • Cu-MOF-74: Chứa tâm kim loại đồng Cu(II) với cấu trúc mạng tổ ong 3D và các kênh vi xốp lục giác 1D kích thước khoảng 11 Å mang mật độ tâm Cu(II) hở cao.
  • Cu2(OBA)2(BPY): Chứa tâm Cu(II) có cấu trúc tháp đôi tam giác biến dạng Jahn–Teller, liên kết dạng lớp-cột 3D với phối tử 4,4'-oxybis(benzoic) acid và 4,4'-bipyridine.
  • MOF-235: Chứa các cụm trimer sắt Fe(III) dạng bát diện Fe3O mang điện tích dương được cân bằng bởi anion FeCl4-, có tính axit Lewis.

2. Nhóm định hướng nào được sử dụng trong phản ứng ether hóa trực tiếp liên kết Csp2–H xúc tác bởi Cu-MOF-74?

Nhóm định hướng được sử dụng là 8-aminoquinoline (AQ), tạo thành cấu trúc N-(quinolin-8-yl)benzamide. Nhóm này đóng vai trò là phối tử hai càng (bidentate ligand) phối trí với tâm Cu(II) trong Cu-MOF-74 để hoạt hóa chọn lọc liên kết Csp2–H ở vị trí ortho, tạo điều kiện cho phản ứng alkoxyl hóa hoặc phenoxyl hóa với các alcohol/phenol.

3. Quy trình tổng hợp quinazoline và 4H-3,1-benzoxazine xúc tác bởi Cu2(OBA)2(BPY) diễn ra theo những giai đoạn nào?

Quy trình được thực hiện theo phương thức một bình hai giai đoạn (one-pot, two-step):

  • Giai đoạn 1: Phản ứng ngưng tụ giữa aldehyde với 2-aminobenzylamine / 2-aminobenzyl alcohol / 1,2-phenylenediamine diễn ra trong điều kiện không cần chất xúc tác (catalyst-free).
  • Giai đoạn 2: Phản ứng oxy hóa tách hydro (oxidative dehydrogenation) liên kết C–N để đóng vòng dị vòng được xúc tác chọn lọc bởi Cu2(OBA)2(BPY).

4. Phương pháp nào được sử dụng trong luận án để chứng minh phản ứng diễn ra theo cơ chế dị thể thực sự mà không phải do kim loại bị rửa trôi?

Luận án kết hợp nhiều phương pháp thực nghiệm:

  • Thử nghiệm lọc nóng (Hot filtration test): Tách xúc tác rắn khỏi hỗn hợp phản ứng ở mức chuyển hóa trung bình (~30%) và tiếp tục đun hồi lưu dịch lọc; nếu không có thêm sản phẩm hình thành thì phản ứng không diễn ra trong pha lỏng.
  • Phân tích quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS): Định lượng nồng độ vết của các ion Cu hoặc Fe trong dung dịch sau phản ứng để đánh giá mức độ rửa trôi.
  • Phân tích P-XRD và FT-IR của xúc tác sau phản ứng: So sánh mẫu xúc tác tươi (fresh) và mẫu xúc tác đã qua tái sử dụng (reused) để chứng minh khung cấu trúc tinh thể và các liên kết phối trí vẫn được bảo toàn nguyên vẹn.

5. Vai trò xúc tác của MOF-235 trong phản ứng tổng hợp benzoxazole và benzothiazole là gì?

MOF-235 đóng vai trò là chất xúc tác dị thể thúc đẩy phản ứng oxy hóa cộng vòng (oxidative cyclization) giữa benzyl alcohol và 2-aminophenol (hoặc 2-aminothiophenol). Các tâm sắt Fe(III) trong khung mạng đóng vai trò kích hoạt chất oxy hóa (như TBHP) tạo các gốc tự do để oxy hóa alcohol thành intermediate tương ứng và thúc đẩy quá trình ngưng tụ - đóng vòng tạo dị vòng 2-arylbenzoxazole và 2-arylbenzothiazole.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Bội Châu đã nghiên cứu tổng hợp thành công và phân tích cấu trúc toàn diện ba vật liệu khung cơ kim Cu-MOF-74, Cu2(OBA)2(BPY) và MOF-235 bằng phương pháp nhiệt dung môi. Công trình đã chứng minh hoạt tính xúc tác dị thể hiệu quả của các MOF này trong các phản ứng hình thành liên kết carbon–dị tố (C–O, C–N, C–S), bao gồm phản ứng ether hóa trực tiếp liên kết Csp2–H có định hướng, phản ứng oxy hóa cộng vòng một bình tạo benzazole và quy trình một bình hai bước tổng hợp quinazoline, benzoxazine. Các kết quả thực nghiệm về thử nghiệm lọc nóng, độ ổn định tinh thể qua phân tích P-XRD, FT-IR và khả năng tái sử dụng nhiều lần đã khẳng định tính dị thể thực sự và độ bền của các hệ xúc tác nghiên cứu, đóng góp những dẫn liệu khoa học có giá trị vào lĩnh vực hóa học xúc tác dị thể và tổng hợp hữu cơ xanh.