Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Ứng dụng vật liệu MOF-235 làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp 1,5 Benzodiazepines và a-Acyloxy ethers

Vật liệu MOF-235 được sử dụng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ngưng tụ đóng vòng giữa o-phenylenediamine và acetone để tạo thành dẫn xuất 1H-1,5-benzodiazepines và phản ứng tổng hợp α-ac

TỔNG QUAN

Vật liệu khung hữu cơ – kim loại (MOFs)

1.1.1 Giới thiệu về vật liệu khung hữu cơ – kim loại

Trong vài năm trở lại đây, lĩnh vực xúc tác ngày càng phát triển mạnh mẽ, rất nhiều nghiên cứu khảo sát hoạt tính của các loại xúc tác trong các phản ứng hóa học đã đƣợc công bố Xúc tác đồng thể nhận đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong những năm qua với nhiều ƣu điểm điển hình nhƣ hoạt tính cao, cấu trúc đa dạng, dễ tổng hợp…[1, 2] Tuy nhiên, xúc tác đồng thể vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhƣ sử dụng các kim loại quý với hàm lƣợng cao, khó thu hồi và tái sử dụng Những hạn chế này gây tốn kém cho quá trình tổng hợp hữu cơ, chất thải kim loại nặng và vết kim loại tồn tại trong sản phẩm ảnh hưởng tới môi trường và sức khỏe con người

Do đó việc tìm ra các loại xúc tác dị thể để thay thế cho xúc tác đồng thể luôn là mục tiêu của các nhà khoa học Bởi lẽ, việc sử dụng xúc tác dị thể giúp quá trình chiết, tách sản phẩm sau phản ứng dễ dàng hơn Ngoài ra, những xúc tác rắn có độ bền cơ học, độ bền hóa học cao, diện tích bề mặt lớn có thể đƣợc thu hồi và tái sử dụng nhiều lần, giảm được các chất thải độc hại ra môi trường và tiết kiệm chi phí sản xuất Do đó, xúc tác dị thể đƣợc xem là giải pháp góp phần “xanh hóa” phòng thí nghiệm và các quá trình sản xuất tổng hợp hóa chất trên quy mô công nghiệp

Tuy nhiên việc tổng hợp các loại xúc tác này gặp không ít khó khăn: điều kiện tổng hợp phức tạp, ít đa dạng, không thể đáp ứng hết những ứng dụng đồng thời…

Bên cạnh đó việc sử dụng xúc tác dị thể gặp khá nhiều khó khăn về mặt truyền khối do hạn chế về diện tích tiếp xúc cũng nhƣ sự phân bố các tâm hoạt động [3]

Hơn 20 năm qua các nhà khoa học đã đạt đƣợc những thành tựu đáng kể bằng việc sử dụng zeolite và silica làm xúc tác dị thể với vai trò là acid Lewis và chất mang cố định các tâm kim loại chuyển tiếp Tuy nhiên zeolite và silica bị giới hạn bởi vách ngăn khá dày, tâm hoạt tính không đa dạng hay diện tích bề mặt không cao chƣa kể đến quá trình tổng hợp zeolite và silica khá phức tạp và tốn kém [4] Do đó cần có một loại vật liệu mới có thể đáp ứng đƣợc những yêu cầu ngày càng cao về mặt phản ứng và khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của những loại xúc tác nói trên

Phát triển từ ý tưởng của giáo sư S Robson và cộng sự, vào năm 1999 nhóm nghiên cứu của giáo sƣ O M Yaghi đã phát triển thành công một họ vật liệu mới, vật liệu khung hữu cơ-kim loại MOFs (metal-organic frameworks) Họ vật liệu này đang đƣợc cho là đứng đầu danh sách các vật liệu xốp tiềm năng, có ứng dụng to lớn với những ưu thế vượt trội về diện tích bề mặt riêng, kích thước lỗ xốp, tỷ trọng và đặc biệt hơn cả là mật độ tâm kim loại cao cũng nhƣ khả năng bắt giữ có chọn lọc một số phân tử vào trong cấu trúc xốp[5]

Hình 1.1 Cấu trúc hình học của một số loại IR-MOF tiêu biểu

Một điều đặc biệt là vật liệu MOFs được phát triển từ ý tưởng tổng hợp dựa trên sự tương tự về cấu trúc bằng việc nối dài các cầu nối hữu cơ hoặc định hình những nhóm chức lên chúng sẽ tạo ra được một vật liệu có kích thước lỗ xốp lớn hơn, nhƣng vẫn giữ đƣợc cấu trúc nguyên bản

Hơn hết là khả năng dự đoán cấu trúc hình học của tinh thể tạo thành thông qua những tính chất của cụm kim loại, hình dạng và kích thước của cầu nối hữu cơ điều này có ý nghĩa hết sức to lớn khi mà các nhà nghiên cứu muốn tạo ra một số chủng loại vật liệu MOFs có kích thước lỗ xốp khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu cho từng mục đích sử dụng [6]

Vì vậy, trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, MOFs đang trở thành một trong những đề tài nghiên cứu hấp dẫn trong lĩnh vực xúc tác Với sự kết hợp những ƣu điểm của cả vật liệu xốp vô cơ và hữu cơ truyền thống, vật liệu MOFs chứng minh đƣợc khả năng ứng dụng cao trong lĩnh vực xúc tác khi mà nó sở hữu tâm kim loại dày đặc, diện tích bề mặt riêng lớn thêm vào đó là khả năng tách, loại, thu hồi và tái sử dụng xúc tác nhiều lần [7]

Hình 1.2 Số lƣợng bài báo về cấu trúc vật liệu MOFs và ứng dụng MOFs trong xúc tác từ năm 2002 đến năm 2012 [8]

1.1.2 Cấu trúc của vật liệu MOFs

Họ vật liệu khung cơ kim đƣợc hình thành từ cầu nối hữu cơ đa chức gắn với nút hay cụm kim loại tạo ra một loại vật liệu giống nhƣ polymer có cấu trúc sắp xếp trật tự theo cả ba chiều không gian Các liên kết này chủ yếu đƣợc dựa trên những liên kết cho nhận giữa cácion kim loại hoặc nhóm nguyên tử có tâm là ion kim loại nằm ở nút mạng với cầu nối là các phân tử hữu cơ Các nút mạng thường dùng là các cation kim loại nhƣ: Cu 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Cd 2+ , Mo 2+ , Al 3+

Các dẫn xuất của acid carboxylic đa chức thường được dùng làm cầu nối cho việc tổng hợp vật liệu MOFs [9]

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của vật liệu MOF [10]

Chính sự sắp xếp có trật tự giữa các nút mạng kim loại hay cụm kim loại với các cầu nối hữu cơ đã tạo cho vật liệu MOFs một thể tích lỗ trống lớn, quan trọng hơn cả là có thể điều chỉnh kích thước và hình dạng các lỗ trống như mong muốn bằng cách thay đổi các kim loại ở các nút mạng hoặc độ dài ngắn của các phân tử hữu cơ [6]

Hình 1.4 Một số cầu nối hữu cơ đƣợc sử dụng trong tổng hợp MOFs

1.1.3 Tính chất của vật liệu MOFs

Vật liệu khung cơ-kim được các nhà nghiên cứu đánh giá cao về kích thước các lỗ xốp, đây cũng là một trong những đặc điểm đặc trƣng nỗi trội nhất của họ vật liệu này Trong khi một số loại vật liệu zeolite truyền thống chỉ có diện tích bề mặt riêng khoảng từ 200-500 m 2 /g thì một số loại vật liệu MOFs có thể đạt đến diện tích bề mặt riêng lên tới 5000 m 2 /g ( MOF–200 hay MOF–201) [4, 11] Kích thước lỗ xốp của zeolite thường không thể vượt quá 10 angstrom trong khi một số họ vật liệu MOFs có kích thước lỗ xốp có thể thay đổi đạt từ vài angstrom đến vài chục angstrom (họ vật liệu MIL-101) [6]

Bên cạnh đó, quá trình tổng hợp zeolite đòi hỏi một số điều kiện nhƣ phải có chất nền và tỉ lệ các nguyên tố nguyên liệu Si-Al tương đối ngặt nghèo thì điều kiện tổng hợp vật liệu MOFs lại tương đối dễ dàng, các cấu trúc MOFs có thể được tổng hợp linh động và đa dạng hơn theo từng mục đích sử dụng [6]

Hình 1.5 So sánh kích thước lỗ xốp giữa zeolite và MIL 100 [11]

Ngoài ra, MOFs còn tạo đƣợc sự khác biệt và thu hút đƣợc sự quan tâm đặc biệt từ các nhà khoa học nhờ sự ổn định trong điều kiện nhiệt độ so với các xúc tác dị thể truyền thống khác [12] Hơn nữa, tâm kim loại và nhóm chức trên các cầu nối định hình của cấu trúc có khả năng điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với từng nhu cầu sử dụng, hàm lƣợng tâm kim loại trong cấu trúc MOFs đặc biệt cao hơn so với các xúc tác rắn lâu đời khác, điều này tạo rất nhiều thuận lợi cho việc sử dụng MOFs làm xúc tác dị thể

Không chỉ vậy các tâm kim loại này còn đƣợc cố định bằng các liên kết hóa học tương đối mạnh trong mạng tinh thể điều này đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình phản ứng xúc tác phải chịu những tác động cơ, nhiệt nhƣng vẫn giữ đƣợc cấu trúc bền vững giúp nâng cao hiệu quả cho việc tinh chế sản phẩm cũng nhƣ tách và thu hồi xúc tác [7]

1.1.4 Một số ứng dụng của vật liệu khung hữu cơ – kim loại

Ứng dụng của vật liệu MOFs trong lĩnh vực xúc tác

1.2.1 Sử dụng vật liệu MOFs làm xúc tác acid Lewis

Với khả năng ổn định của các tâm kim loại trong mạng tinh thể, hàm lƣợng kim loại trong cấu trúc cao Do đó khả năng định hướng hoạt tính xúc tác trên tâm kim loại trở nên khả thi và hiệu quả hơn hẳn so với các xúc tác rắn truyền thống khác Bên cạnh đó, với độ linh động cao, vật liệu MOFs đƣợc tổng hợp với những tâm kim loại khác nhau để phù hợp cho mục đích xúc tác Với những đặc điểm nổi bật đó, vật liệu MOFs đƣợc xem là một trong những vật liệu triển vọng trong việc làm xúc tác với vai trò nhƣ là acid Lewis [5]

Năm 2012, nhóm tác giả H Garcia đã tổng hợp xúc tác Fe(BTC), một trong những loại MOFs đã được thương mại hóa bởi BASF và có tên thương mại là Basolite F 300, và các loại vật liệu MIL–88, MIL–100 và MIL–127 để khảo sát hoạt tính xúc tác cho phản ứng sắp xếp lại của α-pinene oxide đạt độ chuyển hóa từ 10–50% với độ chọn lọc đến 40% ở 150 o C trong hai giờ ở điều kiện không sử dụng dung môi, TON = 1,9 h -1 đối với Fe(BTC) và TON = 1,3 h -1 đối với MIL–100

Phản ứng cũng đƣợc tiến hành với xúc tác MOF–199 Cu 3 (BTC) 2 với độ chuyển hóa đạt 48% trong cùng thời gian Xúc tác đƣợc thu hồi và tái sử dụng mà hoạt tính vẫn không giảm đi đáng kể [15].

Hình 1.10 Phản ứng đồng phân hóa của a-pinene oxide sử dụng Fe(BTC) và MIL–100 làm xúc tác [15]

Ngoài ra, vào năm 2011, nhóm tác giả J Cejka thông qua nghiên cứu về việc sử dụng MOFs tâm Cu (MOF-199) làm xúc tác cho phản ứng Friedlander giữa 2- aminobenzophenone và acetylacetone, nhóm tác giả đã một lần nữa chứng minh hoạt tính ổn định và khả năng vƣợt trội của tâm Cu trong cấu trúc mở [16]

Những điều này này góp phần minh chứng cho sự ƣu tiên tổng hợp các vật liệu MOFs có cấu trúc tâm mở để nghiên cứu tính hiệu quả của vật liệu này trong những nghiên cứu về lĩnh vực xúc tác dị thể

Hình 1 11 Phản ứng Friedlander giữa 2-aminobenzophenone và acetylacetone [16]

1.2.2 Sử dụng vật liệu MOFs làm xúc tác base Lewis

Phản ứng ngƣng tụ Knoevenagel giữa các aldehyde thơm với các tác chất có nhóm methylene hoạt động nhƣ malonic ester, cyanoacetate và malononitrile, để tạo thành các dẫn xuất benzylidene là một trong những phản ứng điển hình để đánh giá hoạt tính của các xúc tác có tính base Lewis

Việc đƣợc định hình nhóm chức -NH 2 trong cấu trúc IRMOF-3 đã thể hiện đƣợc tính base qua công trình nghiên cứu của Gascon và các đồng sự đã khảo sát hoạt tính xúc tác của IRMOF-3 trong phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde và ethylcyanoacetate hoặc ethylacetoacetate ở 40 o C hoặc 80 o C trong dung môi

DMSO [17] Xúc tác này thể hiện hoạt tính vƣợt trội so với các xúc tác khác nhƣ zeolite đã trao đổi ion Hiệu suất thu đƣợc là 99% thu đƣợc sau hai giờ

R=4-NO 2 Ph, 4-BrPh, 4-MePh; R 1 ,R 2 =CN, COOEt

Hình 1.12 Phản ứng ngƣng tụ Knoevenagel sử dụng xúc tác IRMOF-3

1.2.3 Sử dụng vật liệu MOFs làm xúc tác cho các phản ứng oxy hóa

Vào năm 2010, nhóm tác giả A Dhakshinamoorthy đã thực hiện phản ứng oxy hóa các dẫn xuất của benzylamine Sau 24 giờ phản ứng đạt độ chuyển hóa của tác chất gần nhƣ hoàn toàn, đồng thời độ chọn lọc của sản phẩm N- benzylidenebenzylamine đạt trên 90% Điều này, chứng tỏ hệ xúc tác này thật sự có tiềm năng ứng dụng hiệu quả trong việc xúc tác cho các phản ứng oxi hóa các họ dẫn xuất amine, cycloalkane [18]…

Hình 1.13 Hệ xúc tác NHPT/FeBTC tham gia phản ứng oxi hóa benzylamine [18]

1.2.4 Sử dụng vật liệu MOFs làm chất mang xúc tác

Năm 2011, tác giả R Cao và các đồng sự đã thử gắn Pd lên khung MIL- 53(Al)-NH 2 và tiến hành khảo sát hoạt tính xúc tác trong phản ứng Suzuki-Miyaura giữa aryl halide và phenylboronic acid Phản ứng được thực hiện dưới sự có mặt của Na 2 CO 3 đóng vài trò là base trong hỗn hợp dung môi gồm nước và ethanol Độ chuyển hóa của phản ứng đạt đƣợc 97% chỉ sau 30 phút Hệ xúc tác Pd/ MIL- 53(Al)-NH 2 có thể thu hồi và tái sử dụng 5 lần mà hoạt tính giảm không đáng kể [19]

Hình 1.14 Phản ứng Suzuki–Miyaura [19].

MOF-Fe đƣợc sử dụng làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp hữu cơ

Năm 2011, R Cao và các cộng sự đã chứng minh đƣợc palladium có thể đính đƣợc trên lỗ xốp của MIL-101 đã thể hiện đƣợc hoạt tính xúc tác trong phản ứng ghép đôi giữa N-methylindole và iodobenzen [20], Cũng trong năm này thì nhóm tác giả H Garcia đã thành công trong việc sử dụng MIL - 100 (Fe) làm xúc tác trực tiếp cho phản ứng oxy hóa diphenylmethane thành benzophenone dưới sự hổ trợ của chất oxy hóa là TBHP, cũng trong báo cáo này H Garcia và cộng sự cũng đã cho thấy hoạt tính xúc tác của MIL-100 (Fe) trong các phản ứng ghép đôi điển hình là phản ứng hình thành diphenyldisunfile từ thiophenol [21]

Hình 1.15 Phản ứng oxy hóa diphenylmethane thành benzophenone

Hình 1.16 Phản ứng hình thành diphenyldisulfide

Và mới đây năm 2014 nhóm tác giả Y Igor và cộng sự đã công bố một hệ xúc tác mới cho việc thực hiện các phản ứng oxy hóa các hợp chất hydrocarbon bằng cách sử dụng MIL 100 hoặc MIL 101 thực hiện phản ứng oxy hóa các hợp chất chứa vòng như cyclohexene dưới điều kiện êm dịu [10]

Hình 1.17 Phản ứng oxy hóa cyclohexene Điều đáng quan tâm là tất cả những báo cáo trên đây đều cho thấy đƣợc khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác nhiều lần nhƣng hoạt tính vẫn giảm không đáng kể, và một lần nữa khẳng định vai trò của tâm kim loại Fe trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ, đây cũng là hướng đi mới đang được các nhà khoa học quan tâm.

Phản ứng tổng hợp dẫn xuất 1H-1,5-benzodiazepines

Những hợp chất hữu cơ chứa nguyên tử nitrogen có ý nghĩa hết sức quan trọng trong ngành polymer và khoa học đời sống Nhiều chất trong số chúng có hoạt tính sinh học quan trọng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong ngành dƣợc phẩm nhƣ vắc-xin kháng khuẩn, kháng nấm Một trong những hợp chất tiêu biểu trong số đó đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm đó là benzodiazepines, hợp chất này có hoạt tính sinh học quan trọng và việc tổng hợp thành công benzodiazepines đã gặt hái đƣợc rất nhiều thành công trong y dƣợc và hóa học Benzodiazepines đƣợc ứng dụng làm thuốc chống co giật, kháng viêm, thuốc giảm đau, thuốc an thần, và quan trọng hơn cả là kháng virus HIV [22]

Hình 1.18 Công thức cấu tạo chung của 1H-1,5-benzodiazipines

Là một trong những nhóm nghiên cứu đi đầu trong việc tổng hợp benzodiazepines Năm 2008, W W Chun và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng cyanuaric chloride (2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine) làm xúc tác cho phản ứng giữa 1,2-phenylenediamine và acetone trong điều kiện êm dịu và đạt hiệu suất khá cao trên 90% Tuy nhiên, việc sử dụng xúc tác cyanuaric chloride là một hạn chế rất lớn vì những nguy cơ ảnh hưởng với sức khỏe và môi trường [23]

Hình 1.19 Phản ứng giữa 1,2-phenylenediamine và aceton với xúc tác cyanuaric chloride [23] Để khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm trên vào năm 2011 R Kaoua và cộng sự đã đề xuất một quy trình cải tiến trong đó heteropolyacid đƣợc sử dụng làm xúc tác phản ứng tổng hợp 1,4-benzodiazepines và 1,5-benzodiazepines trong dung môi ethylacetate Tuy nhiên phản ứng này đạt hiệu suất phản ứng không cao và chƣa thể loại triệt để đƣợc xúc tác, chƣa kể các sản phẩm phụ sinh ra khá nhiều gây khó khăn cho quá trình tinh chế sản phẩm [24]

Hình 1.20 Quá trình tổng hợp 1,4-benzodiazepines (4) và 1,5- benzodiazepines

(5) sử dụng xúc tác heteropolyacid [24]

Gần đây nhất, năm 2013 nhóm tác giả A Sandhar và R K Singh đã công bố một phương pháp tổng hợp benzodiazepines khá mới đó là sử dụng xúc tác chloroacetic acid với hiệu suất phản ứng thu đƣợc khoảng 94% Tuy nhiên, hệ xúc tác này chỉ có hoạt tính trên một nhóm nhỏ dẫn xuất và quá trình tinh chế sản phẩm cũng nhƣ xử lí chất thải có halogen vẫn gây nhiều quan ngại [22]

Hình 1.21 Chloroacetic acid làm xúc tác để tổng hợp 1H-1,5- benzodiazepines [22]

Và mới đây, bằng việc sử dụng kim loại chuyển tiếp, nhóm tác giả R Varala đã giới thiệu một phương pháp tổng hợp benzodiazepines hoàn toàn khác so với những công bố trước đây, bằng cách sử dụng muối Zn làm xúc tác cho phản ứng và hiệu suất của phản ứng đạt 81% sau 12 giờ phản ứng trong điều kiện không dung môi Tuy nhiên với việc sử dụng muối Zn làm xúc tác sẽ rất độc hại nếu dƣ lƣợng còn cao [25]

Nhằm hạn chế sử dụng những kim loại chuyển tiếp có khả năng gây độc vào tháng 1 năm 2014 nhóm tác giả A Maleki và M Kamalzare đã cải tiến quy trình tổng hợp trên bằng cách dùng Fe 3 O 4 tẩm trên cellulose làm xúc tác trong điều kiện êm dịu sử dụng etyl acetace làm dung môi phản ứng và hiệu suất phản ứng đạt 96%

Hệ xúc tác trên đã khắc phục hoàn toàn nhƣợc điểm của việc sử dụng xúc tác bằng kim loại, tuy nhiên khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác là không cao [26]

Hình 1.22 Tổng hợp 1H-1,5-benzodiazepines bằng Fe3O 4 tẩm trên cellulose [26]

Phản ứng ghép đôi giữa 4-methoxybenzoic acid và 1,4 dioxane

Những hợp chất α-acyloxy ethers đƣợc biết đến nhƣ là thành phần cấu tạo của các hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học phong phú, các hóa chất thuốc và các hóa chất nông nghiệp [27] Các hợp chất này thường được tạo ra bằng việc thực hiện phản ứng este hóa hemiacetals với acyl chlorides [28], sự thay thế các nucleophin giữa α-halo ethers và carboxylic acids [28], và sự bổ sung carboxylic acids với alkenyl ethers [29] Do sự đóng góp đáng kể của hợp chất này trong sinh học, dược phẩm và hóa học hữu cơ, rất nhiều phương pháp nghiên cứu được khảo sát trong đó việc thực hiện các phản ứng ghép đôi C-H là một trong những con đường được quan tâm [30] Chen và cộng sự trước đây đã chứng minh một phương pháp nghiên cứu không sử dụng kim loại để tạo ra α-acyloxy ethers từ carboxylic acids và ethers bằng việc sử dụng xúc tác ammonium iodide [31] Zheng và cộng sự cũng đã phát triển quá trình este hóa acid carboxylic thông qua trung gian N- chlorosuccinimide-với α-alkoxy alkanes để tạo thành α-acyloxy ethers [32]

Talukdar và cộng sự đã tổng hợp α-acyloxy ethers thông qua sự khử liên hợp giữa carboxylic acids và ethers bằng cách sử dụng Cu(acac) 2 làm xúc tác [33] Zhao và cộng sự đã công bố một công trình với việc lần đầu tiên sử dụng xúc tác Fe(acac) 3 để thực hiện phản ứng oxy hóa giữa carboxylic acids và một loạt các vòng ethers để ghép đôi α-acyloxy ethers với hiệu suất cao [34] Đƣợc lấy cảm hứng từ các nguyên tác hóa học xanh nhóm nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp tổng hợp mới bằng cách sử dụng xúc tác dị thể để tổng hợp α-Acyloxy nhằm nâng cao khả năng thu hồi và tái sử dụng mà hoạt tính xúc tác vẫn giảm không đáng kể

Hình 1.23 Tổng hợp α-Acyloxy bằng Fe(acac) 3 làm xúc tác.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tổng hợp MOF-235

Bảng 2.1 Các hóa chất và xuất xứ

Tên hóa chất Hãng sản xuất Độ tinh khiết 1,4-benzenedicarboxylic acid Merck 97%

Tất cả các hóa chất phản ứng và dung môi được lưu trữ ở điều kiện thích hợp và sử dụng không qua bất kỳ quá trình tinh chế nào

2.1.2 Tổng hợp vật liệu MOF-235

2.1.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu MOF-235

Phương pháp nhiệt dung môi được lựa chọn để tổng hợp vật liệu MOF tâm sắt MOF-235 trong nghiên cứu này: phản ứng xảy ra giữa muối kim loại và cầu nối hữu cơ đƣợc thực hiện ở nhiệt độ cao Tinh thể hình thành sau quá trình phản ứng sẽ đƣợc lọc, gạn rửa để loại bỏ tạp chất và trao đổi với dung môi có nhiệt độ sôi thấp để thuận lợi cho quá trình hoạt hóa

Giai đoạn cuối, tinh thể thu đƣợc sau quá trình trao đổi dung môi sẽ đƣợc hoạt hóa trong chân không ở nhiệt độ thích hợp để thu đƣợc vật liệucó độ xốp cao cùng các tính chất vật lý-hóa học phù hợp Quy trình tổng hợp vật liệu MOF-235 đƣợc trình bày ở sơ đồ (hình 2.1)

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu MOF-235

2.1.2.2 Thuyết minh quy trình tổng hợp MOF-235 a) Tổng hợp tinh thể MOF-235

FeCl 3 6H 2 O (0,2 g, 0,74 mmol) và ligand H 2 BDC (H 2 BDC = 1,4- benzenedicarboxylic acid: 0,2 g; 1,2 mmol) đƣợc hòa tan trong 60 ml DMF (N,N’- dimethyl formamide), và 60 ml EtOH Sau đó, dung dịch đƣợc phân phối đều trong 10 chai bi đƣợc đậy kín nắp, và đƣợc giữ liên tục trong 48 giờ tại nhiệt độ 85 o C b) Rửa và trao đổi dung môi

Sau thời gian phản ứng trên, sản phẩm rắn đƣợc tách ra khỏi hỗn hợp bằng phương pháp lắng gạn đơn giản Sau đó, các tinh thể này được rửa mỗi ngày với 10 ml DMF, và liên tục trong 3 ngày Kế tiếp, sản phẩm tiếp tục đƣợc trao đổi dung môi mỗi ngày với 10 ml ethanol, liên tục trong 3 ngày c) Hoạt hóa

Cuối cùng, chất rắn thu đƣợc sau quá trình trao đổi dung mội đƣợc hoạt hóa ở nhiệt độ 140 o C trong 6 giờ dưới hệ thống Schenk-line thu được các tinh thể MOF-235 màu đỏ gạch (khối lƣợng 0,07g, hiệu suất 42% tính theo khối lƣợng FeCl 3 6H 2 O).

Khảo sát hoạt tính xúc tác của MOF-235 lên phản ứng

2.2.1 Phản ứng tổng hợp 1 H -1,5 benzodiazepine

Hỗn hợp gồm 1 mmol tác chất o-phenylenediamine (0,108g) và 4 ml dung môi ethanol đƣợc thêm vào, 0,1 ml 4-bromoanisole đƣợc sử dụng làm nội chuẩn, tiếp theo 3 mmol acetone (0,223 ml) đƣợc cho vào hỗn hợp phản ứng và cuối cùng

0,01g xúc tác MOF-235 (5% mmol, lấy theo % mmol của o-phenylenediamine ) đƣợc cho vào bình cầu để tiến hành phản ứng, hỗn hợp đƣợc gia nhiệt ở nhiệt độ xác định sau 30 phút lấy mẫu T 1 , các mẫu cách nhau đều đặn sau 30 phút từ T1 tới T6, riêng T7 lấy đến khi nào tỷ lệ S (SP)/S(4-bromoanisole) không đổi

Bằng cách sử dụng kết quả phân tích GC (Gas chromatography) và 4- bromoanisole làm nội chuẩn, độ chuyển hóa sản phẩm đƣợc tính theo công thức:

A (%) η: độ chuyển hóa sản phẩm (%) S (SP): diện tích peak của sản phẩm

S(4-bromoanisole): diện tích peak của 4-bromoanisole

Mẫu sau khi đƣợc làm khan, đem phân tích trên máy sắc ký khí Shimadzu 2010 Plus tại bộ môn Kỹ Thuật Hữu Cơ, khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh với điều kiện phân tích nhƣ sau:

- Cột phân tích: DB-5 (30m x 0.25m, 0.25m) - Detector: FID

- Khí mang: N 2 - Tốc độ split (split ratio): 75/1 - Nhiệt độ injector: 280 o C - Nhiệt độ detector:280 o C - Vận tốc dòng khí mang: 30 (cm/s) - Áp suất cột:141,1 kPa

Tốc độ dòng: 6, 9 (ml/phút)

Mỗi mẫu đƣợc trích ly bằng cách: lấy 0,1 ml dung dịch phản ứng cho vào 3 ml diethyl ether và lọc với silica để loại xúc tác rắn, làm khan bằng Na 2 SO 4 để tránh làm hỏng cột sắc ký khi phân tích

Hình 2.2 Phản ứng tổng hợp 1H-1,5-benzodiazepine

2.2.2 Phản ứng ghép đôi giữa 4-methoxybenzoic acid và 1,4 dioxane

MOF-235 đƣợc chọn làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi giữa 4- methoxybenzoic acid và 1,4 dioxane Trong một quy trình điển hình, một hàm lƣợng xác định của MOF-235 đƣợc cho vào bình phản ứng chứa hỗn hợp 4- methoxybenzoic acid (0.152 g, 1 mmol), 1,4 dioxane (3 ml, 35 mmol), DTTP

(0.292 g, 2 mmol), nội chuẩn diphenyl ether (0.085 g, 0.5 mmol) Hàm lƣợng chất xúc tác đƣợc tính toán dựa trên tỷ lệ mol của sắt/4-methoxybenzoic acid Hỗn hợp phản ứng đƣợc khuấy ở 120 o C trong 180 phút Hiệu suất của phản ứng đƣợc theo dõi bằng cách lấy mẫu sau khi kết thúc phản ứng, trích ly với dung dịch KOH 5% và diethylether, làm khan bằng Na 2 SO 4 và phân tích bằng sắc ký khí GC dựa trên nội chuẩn diphenyl ether Sản phẩm của phản ứng đƣợc xác nhận bằng sắc ký khí ghép khối phổ GC-MS Để khảo sát khả năng thu hồi của MOF-235, xúc tác đƣợc lọc ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng, rửa nhiều lần bằng DMF và ethanol, hoạt hóa lại ở 150 o C trong 6h, và tái sử dụng trong điều kiện giống nhƣ ban đầu Để chứng minh tính dị thể của xúc tác, một thí nghiệm kiểm soát có tên “leaching test” đƣợc tiến hành, phản ứng đƣợc dừng tại sau 30 phút, phân tích bằng GC, và lọc bỏ phần xúc tác rắn Dung dịch sau khi loại xúc tác đƣợc cho khuấy thêm 150 phút ở nhiệt độ phản ứng Hiệu suất của phản ứng, nếu có, đƣợc theo dõi bằng GC nhƣ mô tả ở trên

Hình 2.3 Phản ứng ghép đôi giữa 4-methoxybenzoic acid và 1,4 dioxane

2.2.3 Các phương pháp phân tích

Các phương pháp phân tích hóa lý được sử dụng để kiểm tra các tính chất đặc trƣng của vật liệu xúc tác MOF tâm sắt MOF-235 gồm:

 Diện tích bề mặt riêng và phân bố lỗ xốp của xúc tác đƣợc xác định bằng phương pháp hấp phụ vật lý thực hiện trên máy Micromeritics ASAP 2020 tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu cấu trúc vật liệu, trường Đại học Bách Khoa, TP.HCM Các mẫu đƣợc hoạt hóa ở nhiệt độ 140 o C trong chân không trong 2 giờ trước khi được tiến hành hấp phụ nitrogen ở nhiệt độ 77 K và áp suất thấp

 Phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) để xác định độ bền nhiệt của vật liệu xúc tác đƣợc tiến hành trên máy Netzsch Thermoanalyzer STA 09 tại khoa Công nghệ vật liệu trường Đại học Bách Khoa, TP HCM với tốc độ gia nhiệt 10 o C/phút từ nhiệt độ phòng lên 900 o C trong điều kiện khí trơ

 Nhiễu xạ tia X (XRD) kiểm tra cấu trúc tinh thể của vật liệu đƣợc tiến hành trên thiết bị D8 Advance Bruker nhiễu xạ tia X dạng bột, với nguồn phát là Cu Kα Thiết bị đƣợc đặt tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu cấu trúc vật liệu, Đại học quốc gia tại Đại học Bách Khoa, TP HCM

 Phân tích nguyên tố được tiến hành bằng phương pháp quang phổ phát xạ

Plasma ICP E9000 tại phòng thí nghiệm Công nghệ môi trường, Viện Môi Trường và Tài Nguyên, 142 Tô Hiến Thành, Quận 10, TP HCM

 Phổ hồng ngoại (FT- IR) đƣợc thực hiện trên máy FT.IR Nicolet 6700, với mẫu đƣợc nén viên với KBr

 Các kết quả kính hiển vi điện tử quét (SEM) đƣợc đo trên máy S4800

Scanning Electron Microscope và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đƣợc đo bằng máy JEOL JEM1400 Transmission Electron Microscope

 Độ chuyển hóa của phản ứng được xác định bằng phương pháp phân tích sắc ký khí (GC) trên máy Shimadzu 2010 Plus

Chương trình nhiệt cho cả hai phản ứng được cài đặt như sau: mẫu được gia nhiệt lên 100 o C và giữ tại đây trong 1 phút, sau đó tiếp tục đƣợc gia nhiệt từ 100 lên 180 o C với tốc độ gia nhiệt 40 o C/phút giữ trong 1 phút, sau cùng mẫu đƣợc gia nhiệt từ 180 o C lên 280 o C với tốc độ gia nhiệt 50 o C/phút và giữ ở 280 o C trong 1,5 phút.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Kết quả phân tích hóa lý của vật liệu MOF-235

Như đã trình bày ở phần thực nghiệm, MOF-235 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi Hỗn hợp FeCl3.6H 2 O và H2BDC hòa tan trong DMF/ EtOH, đƣợc gia nhiệt tại 85 o C Sau 24 giờ hình thành tinh thể MOF-235, màu đỏ nâu

MOF-235 thu đƣợc bằng cách loại bỏ hết dung dịch phản ứng ra khỏi vial, sau đó rửa 3 lần với EtOH : DMF = 1 : 1 trong vòng 3 ngày, và trao đổi dung môi với Ethanol 3 lần trong vòng 3 ngày Tinh thể MOF-235 được hoạt hóa ở 140 o C dưới áp suất chân không sau 6 giờ MOF-235 chuyển sang màu đỏ gạch và hiệu suất đạt 43% dựa trên khối lƣợng FeCl 3 6H 2 O

Một điều đáng lưu ý đối với MOF-235 là có sự thay đổi màu sau khi hoạt hóa

Khi để lâu ngoài không khí MOF-235 bị hút ẩm sẽ chuyển thành màu đỏ nâu Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của tác giả O.M Yaghi [35] Sự thay đổi màu sắc của MOF-235 tạo điều kiện thuận lợi, giúp quan sát hiện tƣợng, nhận biết mức độ vật liệu bị hút ẩm, để từ đó có sự bảo quản thích hợp hay hoạt hóa lại xúc tác trước khi đƣa vào sử dụng làm xúc tác cũng nhƣ những ứng dụng khác

Kết quả nhiễu xạ tia X (hình 3.2) chứng tỏ vật liệu MOF-235 thu đƣợc có cấu trúc tinh thể cao Mũi nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí 2θ = 9; 13; 18 o đều là các vị trí góc hẹp (2θ < 20 o ) điều thường thấy trong các kết quả nhiễu xạ tia X của các vật liệu MOFs Kết quả phổ XRD của vật liệu MOF-235 đƣợc tổng hợp cũng phù hợp với kết quả dự đoán và thực nghiệm đã được công bố trước đây của giáo sư O M

Hình 3.2 Kết quả phổ XRD của vật liệu MOF-235

3.1.2 Phổ hồng ngoại FT-IR

Vật liệu MOF-235 được tiếp tục khảo sát thông qua phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) Kết quả cho thấy rằng đã có sự tham gia phản ứng nhóm acid carboxylic trên phân tử H 2 BDC với các ion kim loại Cụ thể, trong phổ hồng ngoại của acid 1,4-benzenedicarboxylic (H 2 BDC) có sự hiện diện của dao động đặc trƣng cho nhóm C=O trong acid cacboxylic thơm xuất hiện ở vị trí 1679 cm -1 (1715 - 1680 cm -1 ) Tuy nhiên, khi so sánh với phổ hồng ngoại của vật liệu MOF-235, ta thấy cường độ của mũi đặc trưng này đã giảm dáng kể Ngoài ra với sự xuất hiện của 2 peak mới ở 1595 cm -1 và 1388 cm -1 đặc trƣng cho nhóm carboxylate COO - , xác nhận rằng nhóm COOH trong acid đã bị deproton hóa bằng phản ứng tạo liên kết với ion kim loại [35] Tuy nhiên hàm lƣợng nhóm COOH chƣa bị deproton hóa hoàn toàn, điều này minh chứng ở vị trí peak 1595 cm -1 vẫn chƣa chuyển hóa hết hoàn toàn

Hình 3.3 a) Phổ FT-IR của 1,4-benzenedicarboxylic acid ; b) Phổ FT-IR của

3.1.3 Kết quả đo TGA Độ bền nhiệt của vật liệu MOFs là một trong số các thông số hóa-lý quan trọng trong việc đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong các phản ứng hóa học Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng được lựa chọn sử dụng để đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu MOF-235 Kết quả phân tích nhiệt trọng lƣợng của MOF- 235 (hình 3.4) Mẫu có sự giảm khối lƣợng qua các giai đoạn: o (i) giai đoạn có nhiệt độ từ 50 o C đến 200 o C giảm 3,14% khối lƣợng do loại đi các phân tử dung môi hấp phụ vật lý o (ii) giai đoạn từ 200 o C đến 300 o C khối lƣợng giảm không đáng kể o (iii) từ 300 o C đến gần 400 o C khối lƣợng giảm 27,68%, xác nhận MOFs bắt đầu phân hủy o (iv) Và từ 400 o C tới 700 o C cấu trúc hữu cơ bị phá hủy hoàn toàn, phần cặn còn lại 26,43% là oxit hoặc các hợp chất vô cơ bền của Fe

Từ kết quả cho thấy vật liệu MOF-235 có độ bền nhiệt khá tốt trong khoảng nhiệt độ 100-300 o C Tính chất này rất có giá trị khi sử dụng vật liệu cho các phản ứng ở nhiệt độ cao, đặc biệt là các phản ứng pha khí.

Hình 3.4 Kết quả phân tích nhiệt trọng lƣợng MOF-235

3.1.4 Kết quả phân tích SEM và TEM

Khi tiến hành quan sát vật liệu MOF-235 này dưới kính hiển vi điện tử thông qua 2 phương pháp chụp SEM và TEM, các hình chụp đã cho chứng minh thêm rằng vật liệu MOF-235 đã tổng hợp đƣợc có cấu trúc tinh thể cao, và có sự hiện diện cuả các vi lỗ xốp, và phù hợp với những công bố trước đây của O.M Yaghi [9]

Hình 3.5 Kết quả chụp SEM của vật liệu MOF-235.

Hình 3.6 Kết quả chụp TEM của vật liệu MOF-235

3.1.5 Kết quả phân tích quang phổ phát xạ plasma (ICP)

Phân tích hàm lượng sắt trong MOF-235 bằng phương pháp phát xạ plasma cho thấy Fe chiếm 25.3% (theo khối lƣợng) trong vật liệu Kết quả này phù hợp với hàm lƣợng Fe đƣợc tính dựa trên công thức rút gọn của MOF-235, [Fe 3 O(BDC) 3 ] (25.07%)

3.1.6 Kết quả hấp phụ vật lý

Một trong những yếu tố quan trọng thể hiện ƣu điểm vƣợt trội của vật liệu MOFs nói chung, so với các liệu xốp truyền thống là diện tích bề mặt và độ xốp của vật liệu Ngoài ra, đây cũng là một đặc điểm đƣợc quan tâm ngày càng nhiều khi lựa chọn một vật liệu có lỗ xốp làm xúc tác Vật liệu MOF-235 đƣợc khảo sát khả năng hấp phụ N 2 tại 77 K ở áp suất thấp Qua đó thu đƣợc 2 kết quả quan trọng, bao gồm đường phân bố kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt của vật liệu

Từ đó, diện tích bề mặt riêng theo giả thiết BET là 540 m 2 /g và theo giả thiết

Langmuir là 890 m 2 /g Kết quả này nhìn chung thấp hơn đáng kể so với công bố trước đây của M Anbia (974m 2 /g theo BET) Sự khác biệt này được giải thích dựa trên điều kiện thực hiện quá trình tổng hợp (hóa chất, thiết bị, dụng cụ ) và cần được nghiên cứu thêm để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp MOF (độ tinh khiết của hóa chất, chương trình nhiệt khi tổng hợp, vial chứa mẫu ) [9, 35]

Hình 3.7.Đường đẳng nhiệt hấp phụ/giải hấp của vật liệu MOF-235

Ngoài ra, kết quả phân bố kích thước lỗ xốp của vật liệu MOF-235 là 5,7A o cho thấy MOF này chứa lỗ xốp dạng micropore (đường kính lỗ xốp nhỏ hơn 20 A o ) Kết quả này cũng phù hợp với hình dạng của đường đẳng nhiệt (Hình 3.7) thuộc dạng I đặc trƣng của vật liệu micropore.

Hình 3.8.Đường phân bố kích thước lỗ xốp củavật liệu MOF-235.

Khảo sát phản ứng

3.2.1 Phản ứng tổng hợp 1H-1,5-benzodiazepine

Trong những nghiên cứu trước đây, nhiều nhóm tác giả đã chỉ ra rằng phản ứng tổng hợp 1H-1,5-benzodiazepine sẽ thu đƣợc hiệu quả cao khi có sự hiện diện của xúc tác mang tâm hoạt tính kim loại [26] Dựa trên các kết quả này, vật liệu MOF-235 đƣợc lựa chọn để khảo sát hoạt tính xúc tác cho phản ứng tổng hợp 1H- 1,5-benzodiazepine Phản ứng đƣợc thực hiện ở nhiệt độ thích hợp giữa 2 tác chất chính là o-phenylenediamine và acetone trong dung môi ethanol

Hình 3.9 Phương trình phản ứng tổng hợp 1H-1,5-benzodiazepine

3.2.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng

3.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Yếu tố đầu tiên đƣợc tiên đƣợc chú ý khảo sát cho phản ứng tổng hợp 1H-1,5- benzodiazepine là nhiệt độ Khoảng nhiệt độ đƣợc khảo sát đi từ 30 o C đến 55 o C, phản ứng đƣợc tiến hành trong dung môi ethanol với sự có mặt của 5% mol xúc tác, đồng thời tỷ lệ tác chất giữa o-phenylenediamine và acetone đƣợc sử dụng trong loạt khảo sát này là 1:3 Độ chuyển hóa của benzodiazepine đƣợc tính toán dựa trên việc lấy mẫu gián đoạn theo thời gian và phân tích bằng sắc ký khí (GC) Nhìn chung khi nhiệt độ giảm từ 55 o C xuống 30 o C thì tốc độ phản ứng cũng giảm Tuy nhiên không có sự chênh lệch đáng kể giữa 50 o C và 55 o C do khoảng nhiệt độ này khá nhỏ cho nên dẫn đến sự chênh lệch là không nhiều Phản ứng xảy ra rất nhanh ở 55 o C với độ chuyển hóa khoảng 87% chỉ sau 60 phút và chuyển hóa hoàn toàn sau

Trong trường hợp phản ứng ở 50 o C, sau 30 phút độ chuyển hóa khoảng 47 % và tăng ổn định để đạt hoàn toàn sau 180 phút Khi phản ứng đƣợc thực hiện ở 30 oC, độ chuyển hóa giảm mạnh, nhiệt độ 30 o C thường được tiến hành trong các nghiên cứu trước, tùy thuộc vào bản chất xúc tác và hệ dung môi Một nghiên cứu chỉ ra rằng phản ứng đạt đƣợc độ chuyển hóa 100% sau 1 giờ trong xúc tác acid mạnh [22] Trong một nghiên cứu khác bởi Maleki và đồng sự khi cho acetone phản ứng với o-phenylenediamine trong trong điều kiện không dung môi ở 30 o C , xúc tác H 2 SO 4 trong 2 giờ [36] Dựa vào kết quả trên 50 o C đƣợc chọn làm nhiệt độ để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo để rút ngắn thời gian phản ứng

Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của phản ứng

3.2.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác

Kế tiếp, hàm lƣợng xúc tác sử dụng cũng đƣợc chú ý khảo sát Phản ứng cũng đƣợc tiến hành trong dung môi ethanol, tại 50 o C, tỷ lệ tác chất giữa o- phenylenediamine và acetone đƣợc sử dụng trong loạt khảo sát này là 1:3 Hàm lƣợng xúc tác MOF-235 đƣợc sử dụng lần lƣợt ở mức 0% mol, 1% mol, 3% mol,

5% mol và 7% mol (tính theo o-phenylenediamine) Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi tăng hàm lƣợng xúc tác từ 1 lên 7% mol thì tốc độ phản ứng cũng tăng theo Độ chuyển hóa đạt đƣợc khoảng 14% sau 30 phút nếu sử dụng 3% xúc tác Độ chuyển hóa cao hơn đƣợc quan sát khi sử dụng 5% xúc tác Sự tăng mạnh về độ chuyển hóa giữa 2 phản ứng thực hiện ở 5% mol và 1% mol nhấn mạnh vai trò của xúc tác trong phản ứng Hàm lƣợng xúc tác 5% mol đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu tiếp theo Theo đó, kết quả này cũng phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước khi hàm lượng xúc tác thường được sử dụng khoảng 5% mol Cụ thể, 5% mol xúc tác đƣợc sử dụng cho phản ứng đóng vòng của o-phenylenediamine với nhiều ketones sử dụng xúc tác sắt [26] Tương tự, 5% mol muối Zn xúc tác được sử dụng với độ chuyển hóa từ 72-81% [37] Điều đáng chú ý là với 5% mol xúc tác, phản ứng tổng hợp 1H-1,5-benzodiazepine [38] chuyển hóa hoàn toàn chỉ sau 60 phút, nhanh hơn rất nhiều so với các nghiên cứu trước

Hình 3.11 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hiệu suất của phản ứng

3.2.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ tác chất

Bên cạnh nhiệt độ và hàm lƣợng xúc tác thì tỉ lệ mol cũng là một trong những yếu tố tác động mạnh đến tốc độ phản ứng Và loạt khảo sát này cũng đƣợc tiến hành trong dung môi ethanol tại 50 o C, với sự có mặt của 5% mol xúc tác Kết quả nghiên cứu cho thấy với tỉ lệ mol o-phenylenediamine/acetone 1:5 phản ứng nhanh chóng đạt độ chuyển hóa 78% chỉ sau 30 phút sau đó tăng dần đến khi chuyển hóa hoàn toàn Với tỉ lệ mol 1:4 độ chuyển hóa giảm khoảng 17% so với tỉ lệ 1:5 và tốc độ phản ứng thay đổi tương tự với phản ứng với tỉ lệ mol 1:3 Tuy nhiên với tỉ lệ mol 1:2 tốc độ phản ứng đã giảm đáng kể Mặc dù vậy nhìn chung tỷ lệ tác chất không ảnh hưởng nhiều đến độ chuyển hóa của phản ứng, ở các tỷ lệ phản ứng đều chuyển hóa hoàn toàn ngoại trừ tỷ lệ 1:2, Do đó tỷ lệ 1:3 đƣợc lựa chọn để tiếp tục tiến hành tối ƣu phản ứng

Hình 3.12 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hiệu suất của phản ứng 3.2.2.4 Ảnh hưởng của cấu trúc dung môi Đối với những phản ứng sử dụng xúc tác dị thể, ảnh hưởng của dung môi đến tốc độ phản ứng là một vấn đề quan trọng cần đƣợc khảo sát Với công bố đầu tiên về phản ứng ghép đôi C-N giữa o-phenylenediamine và acetone sử dụng xúc tác

Fe 3 O 4 , Maleki và các cộng sự đã chứng minh rằng việc sử dụng ethanol cho hiệu suất cao hơn hẳn các dung môi khác [22] Chính vì vậy trong báo cáo này chúng tôi muốn khảo sát mức độ ảnh hưởng của cấu trúc rượu từ C1 tới C4 (methanol, ethanol, n-propanol và n-butanol) tới độ chuyển hóa của sản phẩm, phản ứng đƣợc thực hiện ở nhiệt độ 50 o C, tỷ lệ mol tác chất là 1:3, sử dụng 5% mol xúc tác MOF- 235 và 0,1 ml nội chuẩn 4-bromoanisole Kết quả thực nghiệm cho thấy cấu trúc rượu làm dung môi ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng Khi độ phân cực của rượu giảm thì độ chuyển hóa của phản ứng cũng giảm theo, cụ thể trong vòng 0,5 giờ phản ứng khi sử dụng methanol làm dung môi độ chuyển hóa của phản ứng đạt 96% trong khi sử dụng cùng điều kiện phản ứng trên thì n-butanol chỉ đạt 12% độ chuyển hóa sau 1 giờ phản ứng Tương tự ethanol và n-propanol cũng cho thấy sự chênh lệch khi mà dung môi ethanol đạt 100% độ chuyển hóa sau 3 giờ phản ứng và 63% độ chuyển hóa khi sử dụng n-propanol

Hình 3.13 Ảnh hưởng của dung môi rượu đến độ chuyển hóa của phản ứng

Tiếp theo để đánh giá mức độ ảnh hưởng của những loại dung môi khác nhau lên độ chuyển hóa của phản ứng, một số dung môi phân cực trung bình nhƣ ethyl acetate, dung môi phân cực mạnh không proton nhƣ DMF và 1,4 dioxan đƣợc sử dụng để khảo sát Ngoài ra, phản ứng còn đƣợc khảo sát ở điều kiện sử dụng acetone làm tác chất và dung môi Dung môi không phân cực nhƣ n-hexane không nên sử dụng cho phản ứng này vì không hòa tan tác chất làm phản ứng xảy ra khó khăn và không thu đƣợc sản phẩm mong muốn Cụ thể, phản ứng đƣợc thực hiện ở nhiệt độ 50 o C, tỷ lệ mol tác chất là 1:3, sử dụng 5 mol% xúc tác MOF-235 và 0,1 ml nội chuẩn 4-bromoanisole Có thể thấy rằng DMF và 1,4 dioxan hoàn toàn không có hiệu quả khi làm dung môi cho phản ứng này Acetonitrile cũng là dung môi không phù hợp khi chỉ đạt 9% độ chuyển hóa sau 180 phút Trong khi đó, phản ứng thực hiện trong dung môi acetone cho độ chuyển hóa khá cao 95% sau 180 phút Tuy nhiên, ethanol vẫn là dung môi tốt nhất

Hình 3.14 Ảnh hưởng các dung môi khác nhau đến độ chuyển hóa của phản ứng

Từ thực nghiệm có thể cho thấy rằng phản ứng tổng hợp dẫn xuất 1H-1,5- benzodiazepines cần những dung môi phân cực có proton nhƣ ethanol, từ đó nhóm tác giả muốn kết hợp sử dụng một hệ dung môi kết hợp H 2 O và ethanol tỷ lệ (50:50) làm cho phản ứng “xanh” hơn H 2 O cũng là một dung môi phân cực mạnh có proton, tuy nhiên kết quả nghiên cứu cho thấy rằng độ chuyển hóa của phản ứng giảm đáng kể, cụ thể độ chuyển hóa chỉ đạt 23% sau 3 giờ phản ứng, điều này có thể giải thích rằng khi thêm H 2 O vào dung môi, phản ứng trở thành 2 pha vì sản phẩm trung gian kém tan trong nước giảm khả năng phản ứng tiếp với acetone do đó độ chuyển hóa giảm

3.2.2.5 So sánh với xúc tác đồng thể

Nhằm làm rõ hơn những ƣu điểm của việc sử dụng xúc tác MOF-235cho phản ứng tổng hợp dẫn xuất 1H-1,5-benzodiazepines, hoạt tính xúc tác của MOF-235 đƣợc so sánh với một số muối Fe(III) phổ biến và một số kim loại hóa trị II bao gồm FeCl 3 6H 2 O, Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O, ZnCl 2 và H 2 BDC Phản ứng đƣợc thực hiện ở nhiệt độ 50 o C trong dung môi ethanol, tỷ lệ mol tác chất 1:3 và 5 mol% xúc tác MOF-235 Kết quả thực nghiệm cho thấy phản ứng tổng hợp sử dụng xúc tác FeCl 3 6H 2 O và Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O có thể đạt độ chuyển hóa rất cao lần lƣợt là 94%, 99% sau 30 phút (hình 3.14) Cầu nối hữu cơ H 2 BDC cũng đƣợc tiến hành khảo sát kết quả cho thấy có sự chuyển hóa của phản ứng đạt 73% sau 60 phút Trong khi đó ZnCl 2 có độ chuyển hóa thấp nhất khi đạt 34% ở 30 phút So với xúc tác đồng thể thì xúc tác dị thể gần như tương đương sau 2 giờ phản ứng từ những kết quả trên có thể thấy rằng mức độ ảnh hưởng của muối kim loại FeCl 3 6H 2 O và cầu nối hữu cơ H 2 BDC đƣợc sử dụng tổng hợp MOF-235 ban đầu là khá rõ ràng khi tâm Fe trong muối FeCl 3 6H 2 O đóng vai trò là tâm chính khi độ chuyển hóa đạt 94% sau 1 giờ phản ứng và cầu nối hữu cơ đóng vai trò là tâm phụ khi độ chuyển hóa sau 1 giờ phản ứng là 73%

Hình 3.15 So sánh hoạt tính xúc tác của MOF-235 với những xúc tác đồng thể khác

3.2.2.6 So sánh với xúc tác dị thể Để làm rõ hơn vai trò của MOF-235 trong phản ứng tổng hợp dẫn xuất benzodiazepines Một số loại MOFs điển hình với tâm xúc tác đƣợc đánh giá là mạnh đƣợc dùng để so sánh với MOF-235 nhƣ là MOF-199 [Cu(BTC)], MOF-5

[Zn(BDC)], Mn 2 (BDC) 2 (DMF) và Ni 2 (BDC) 2 (DABCO) Các yếu tố khác của phản ứng đều đƣợc giữ nguyên cụ thể nhƣ sau: phản ứng đƣợc thực hiện ở 50 o C giữa 1mmol tác chất o-phenylenediamine và 3 mmol acetone trong 4 ml dung môi ethanol Kết quả thực nghiệm cho thấy hoạt tính xúc tác của MOF-235 vƣợt trội hơn hẳn những loại MOFs đƣợc dùng để so sánh trong phản ứng này, cụ thể Ni 2 (BDC) 2 (DABCO) đƣợc đánh giá là hoàn toàn không phù hợp cho phản ứng này khi không có phản ứng tạo thành benzodiazepines sau 3 giờ thực hiện phản ứng

Tương tự như vậy MOF tâm kẽm (MOF-5) và Mn2(BDC) 2 (DMF) cũng có hoạt tính rất thấp cho phản ứng tổng hợp 1H-1,5-benzodiazepines khi chỉ đạt khoảng 10% độ chuyển hóa sau 180 phút phản ứng MOF tâm Cu (MOF-199) mặc dù cho kết quả tốt hơn, 23% độ chuyển hóa sau 3 giờ phản ứng, nhƣng nhìn chung không thích hợp cho phản ứng này so với việc sử dụng MOF-235

Từ thực nghiệm có thể thấy rằng khả năng xúc tác của MOF-235 trong phản ứng này vƣợt trội hơn hẳn những loại MOFs khác, từ đó cũng cho thấy rằng khả năng chọn lọc xúc tác của phản ứng tổng hợp dẫn xuất 1H-1,5-benzodiazepines là khá cao

Hình 3.16 Khả năng xúc tác của MOF-235 với những MOFs khác

3.2.2.7 Khảo sát leaching phản ứng