Luận văn thạc sĩ Công nghệ hóa học: Tổng hợp vật liệu Cu-MOF-74 và Cu(INA)2 và khảo sát hoạt tính xúc tác cho phản ứng ghép đôi C-N

Hai vật liệu Cu-MOFs này đã lần lượt được khảo sát hoạt tính xúc tác trên phản ứng ghép đôi tổng hợp α-ketoamides giữa amine và α-carbonyl aldehyde và phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoac

TỔNG QUAN

Vật liệu khung hữu cơ-kim loại

1.1.1 Giới thiệu chung về vật liệu khung hữu cơ-kim loại

Vật liệu khung hữu cơ-kim loại (Metal-Organic frameworks – MOFs) là một trong những nhóm vật liệu xốp có cấu trúc tinh thể được cấu tạo dựa trên cơ sở bộ khung cơ kim gồm các ion kim loại liên kết với nhau bằng các cầu nối hữu cơ [1] Các cầu nối hữu cơ này thường chứa các nhóm giàu điện tử phổ biến như carboxylate, phosphonate, sulfonate, phenolate và dẫn xuất của nitơ như pyridine và imidazole [2] tạo liên kết phối trí với các ion kim loại chuyển tiếp (Co, Cu, Zn, Mn, Ni, Fe,…) trong các cụm nguyên tử gọi là đơn vị cấu trúc thứ cấp (secondary building unit  SBU) [3]

Không giống các vật liệu rắn xốp truyền thống như zeolite, silica và than hoạt tính, khả năng tổng hợp MOFs có tính linh động hơn do chỉ cần thay đổi tỷ lệ kim loại, cầu nối hữu cơ, nhiệt độ tổng hợp hay độ phân cực của dung môi tổng hợp,… có thể thu được một loại MOFs mới [4, 5] Ví dụ như MOF-118 có cấu trúc không gian ba chiều được tạo nên từ sự liên kết giữa ion Cu 2+ ở trung tâm và cầu nối hữu cơ 4,4’- biphenyldicarboxylic acid (H2BPDC) (Hình 1 1) [6], hoặc cấu trúc MTV-MOF-5 được tạo từ sự liên kết giữa ion Zn 2+ với cầu nối là dẫn xuất của 1,4- benzenedicarboxylic acid (H2BDC-X) trong đó X là các nhóm Br - , OH - , NO2

2 Hình 1 2 Cấu trúc MTV-MOF-5 [7]

Ngoài ra, vật liệu MOFs có nhiều tính chất nổi bật như cấu trúc tinh thể xốp, có diện tích bề mặt riêng lớn và có thể điều chỉnh được kích thước lỗ xốp Hơn nữa, MOFs còn có ưu thế nhờ có mật độ tâm kim loại cao và phân bố đều trên toàn bộ vật liệu cũng như khả năng bắt giữ chọn lọc một số phân tử vào trong cấu trúc xốp [5]

Nhờ các tính chất nổi bật trên, trong hai thập kỷ qua số lượng vật liệu MOFs được tổng hợp ngày càng nhiều Vật liệu MOFs được tổng hợp bằng nhiều phương pháp như phương pháp nhiệt dung môi [6], phương pháp điện hóa học [8], phương pháp có sự hỗ trợ của vi sóng [9-11], phương pháp có sự hỗ trợ của siêu âm [12] Trong đó, phương pháp nhiệt dung môi là phổ biến nhất (Hình 1 3), phương pháp này có ưu điểm là thu được tinh thể MOFs có độ đơn tinh thể cao, cấu trúc xốp và có bề mặt riêng lớn [13] Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là phản ứng cần ổn định nhiệt, thời gian hình thành tinh thể kéo dài [14], điều kiện của phương pháp nhiệt dung môi không phù hợp với những tác chất ban đầu dễ bị phân hủy bởi nhiệt

3 Hình 1 3 Biểu đồ biểu thị phần trăm số lượng vật liệu MOFs được tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau [13]

Với các tính chất đặc biệt như đã trình bày, vật liệu MOFs đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hấp phụ và lưu trữ khí [15- 17], phân tách hóa học [18, 19], cảm biến [20], lưu trữ thuốc [21] và xúc tác [22]…

Trong xúc tác, MOFs được sử dụng làm xúc tác dị thể để khắc phục nhược điểm của các xúc tác đồng thể truyền thống như lượng chất xúc tác lớn và không thể thu hồi Từ năm 2002-2014 nghiên cứu về vật liệu MOFs trong lĩnh vực xúc tác bắt đầu phát triển đáng kể, bài báo về MOFs làm xúc tác xuất hiện càng nhiều (Hình 1 4)

Hình 1 4 Sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu MOFs làm xúc tác so với các nghiên cứu chung về MOFs giai đoạn từ 2002-2014 (SciFinder cập nhật đến 15 tháng

4 Đã có những báo cáo về khả năng xúc tác của Ni-MOFs, Co-MOFs, Zn-MOFs và Fe-MOFs trong thời gian gần đây, trong đó các báo cáo về sử dụng Cu-MOFs làm xúc tác vẫn chiếm số lượng đáng kể nhờ tâm đồng có thể đóng vai trò là acid Lewis hoặc chất oxy hoá-khử nên thích hợp làm xúc tác cho nhiều dạng phản ứng tổng hợp hữu cơ [24-30] Các Cu-MOFs đã được nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng làm xúc tác cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ như Cu(BDC) [31, 32], Cu3(BTC)2 [33, 34], Cu2(BDC)2(DABCO) [35, 36], Cu2(BPDC)2(BPY) [37, 38], Cu2(NDC)2(DABCO) [39], Cu2(BDC)2(BPY) [40]… Một trong những Cu-MOFs mới được tổng hợp trong những năm gần đây là Cu-MOF-74 [41] và MOF-Cu(INA)2 [42], tổng quan về hai loại MOFs này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo của chương

Trong thập kỷ qua, nhiều nhóm nghiên cứu đã tổng hợp các vật liệu khung hữu cơ-kim loại sử dụng 2,5-dihydroxyterephthalic acid (H2dhtp) làm cầu nối hữu cơ [43]

Cầu nối này có thể liên kết với nhiều ion kim loại như Zn 2+ , Mg 2+ , Ni 2+ , Fe 2+ , Co 2+ hoặc hỗn hợp (Zn 2+ / Co 2+ ) tạo thành một cấu trúc ba chiều giống nhau gọi là họ MOF- 74 (Hình 1 5) [43] Họ MOF-74 có mạng tinh thể xốp nên có tiềm năng lớn trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ khí, phân tách và tinh chế hỗn hợp hydrocarbon [43]

5 Trên cơ sở họ MOF-74, năm 2013 tác giả Sanz và cộng sự đã công bố báo cáo về tổng hợp một vật liệu mới thuộc họ MOF-74 là Cu2(dhtp) hay Cu-MOF-74 có cùng cấu trúc họ MOF-74 (Hình 1 5) Cu-MOF-74 có cấu trúc gồm các tâm kim loại Cu 2+ tạo liên kết phối trí với các nhóm carboxylate và hydroxyl trong cầu nối H2dhtp tạo thành cấu trúc bền vững trong không gian ba chiều [41] Trong cấu trúc không gian này các tâm kim loại Cu 2+ không chỉ liên kết với nhau thông qua càng carboxylate mà còn liên kết với nhau thông qua nguyên tử oxy của nhóm hydroxyl tạo nên cấu trúc bền vững Ngoài ra, các tâm kim loại Cu 2+ còn tạo liên kết phối trí yếu với các phân tử khách như DMF, H2O Các phân tử khách này phân bố trong các lỗ xốp sẽ bị loại ra khỏi cấu trúc Cu-MOF-74 trong quá trình hoạt hóa

Cu-MOF-74 được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi theo quy trình của hai tác giả Sanz [41] và Calleja [44] cùng cộng sự Theo đó, Cu-MOF-74 được tổng hợp từ muối Cu(NO3)2.3H2O và cầu nối 2,5-dihydroxyterephthalic acid trong hệ dung môi DMF/ H2O (tỷ lệ thể tích 20/ 1) hoặc DMF/ isopropanol (tỷ lệ thể tích 20/ 1) (Sơ đồ 1 1)

Sơ đồ 1 1 Phản ứng tổng hợp Cu-MOF-74 [41]

Tùy thuộc vào hệ dung môi sử dụng mà Cu-MOF-74 tạo thành tương ứng có sự khác nhau về diện tích bề mặt riêng và thể tích xốp [41] Bảng 1 1 cho thấy sự ảnh hưởng của dung môi tổng hợp đến tính chất của Cu-MOF-74

Bảng 1 1 Ảnh hưởng của dung môi tổng hợp đến tính chất của Cu-MOF-74 [41]

Mẫu SBET (m 2 / g) VP (cm 3 / g) Đường kính trung bình lỗ xốp

1.1.3 Vật liệu MOFs Cu(INA) 2

Trong nhiều phương pháp tổng hợp MOFs, dung môi gần như luôn luôn được sử dụng để tạo thuận lợi cho sự khuếch tán và sự va chạm của các thành phần Tuy nhiên cũng có những phương pháp không dùng dung môi Ví dụ, Cu(INA)2 có thể tổng hợp bằng phương pháp cơ-hóa mà không cần sử dụng dung môi hoặc nhiệt, bằng cách sử dụng thiết bị nghiền bi để nghiền hỗn hợp muối copper (II) acetate Cu(OAc)2.H2O và isonicotinic acid (INA) Phản ứng bắt đầu với việc giảm thiểu kích thước hạt để tạo điều kiện tương tác giữa muối kim loại với acid và chỉ xảy ra trong vài phút, công đoạn tiếp theo chỉ là gia nhiệt lên khoảng 200 o C trong vòng 3 giờ để loại bỏ nước, acid acetic và các sản phẩm phụ để tạo lỗ trống và hình thành khung xốp cho vật liệu (Sơ đồ 1 2) [42]

Sơ đồ 1 2 Phản ứng giữa copper (II) acetate và isonicotinic acid [42]

Ngoài ra MOFs Cu(INA)2 còn được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi đã được tác giả Liu cùng các cộng sự công bố trước đó [45], giữa 4- cyanopyridine, isonicotinic acid và copper (II) chloride CuCl2 trong hỗn hợp dung môi nước và ethanol, được gia nhiệt ở 150 o C trong vòng 48 giờ (Sơ đồ 1 3)

Sơ đồ 1 3 Phản ứng giữa copper (II) chloride và isonicotinic acid [45]

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu của tác giả Lu và tác giả Babb đã công bố tổng hợp MOFs Cu(INA)2 (Hình 1 6) trên nhiều hệ dung môi khác nhau [46] như methanol và 1-propanol, ethanol và pentane hay ethanol và 1-propanol

7 Hình 1 6 Cấu trúc MOF-Cu(INA)2 [46]

Trong đề tài này, nhóm tác giả đã tìm ra phương pháp tổng hợp MOFs Cu(INA)2 với một hệ dung mới hoàn toàn mới khác với các công trình đã được công bố trước đây.

Ứng dụng của Cu-MOFs

1.2.1 Những ứng dụng gần đây của xúc tác đồng thể tâm Cu cho phản ứng ghép đôi

Khả năng xúc tác đồng thể tâm Cu cho nhiều phản ứng hữu cơ được báo cáo qua nhiều bài báo Và để có cái nhìn rõ hơn về tiềm năng ứng dụng của kim loại này, phần tiếp theo sẽ trình bày sơ lược một số nghiên cứu tiêu biểu gần đây về những phản ứng ghép đôi sử dụng xúc tác Cu

Vào năm 2009, nhóm nghiên cứu của tác giả Rao và các cộng sự đã có báo cáo về phản ứng ghép đôi CN (Sơ đồ 1 4) giữa phenylboronic acid với gốc amino (NH3.H2O) để tổng hợp aniline với hiệu suất 76%, theo đó phản ứng được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ phòng trong dung môi methanol với sự hiện diện của xúc tác Cu2O [47]

8 Sơ đồ 1 4 Phản ứng ghép đôi CN giữa phenylboronic acid với gốc amino

Cũng trong năm 2009, nhóm nghiên cứu của tác giả Larsson và cộng sự cũng có bài báo cáo về phản ứng ghép đôi CN giữa pyrazole và phenyliodide (Sơ đồ 1 5) tạo thành sản phẩm với hiệu suất đến 88% với điều kiện phản ứng ở 135 o C trong 24 giờ được thực hiện trong hệ thống microwave, trong đó phản ứng tổng hợp sử dụng base là K3PO4, dung môi toluene, chất hỗ trợ là N,N’-Dimethylethylenediamine

(DMEDA) với xúc tác sử dụng cho phản ứng là CuCl2 [48]

Sơ đồ 1 5 Phản ứng ghép đôi CN giữa pyrazole và phenyliodide [48]

Năm 2010, tác giả Zhang đã có một báo cáo về phản ứng CN (Sơ đồ 1 6) [49] Theo đó, phản ứng giữa p-toluidine và phenylacetylene được thực hiện trong dung môi toluene với sự hiện diện của xúc tác CuBr2 (10 mol%), TEMPO (10%), pyridine (4 đương lượng) và O2 thu được hiệu suất 90% [49] Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là sử dụng thêm ligand hữu cơ và chất hỗ trợ, đặc biệt là pyridine rất độc, thời gian phản ứng kéo dài (18 giờ) và chỉ thực hiện được trên các nhóm thế amine bậc 1 của aniline

Sơ đồ 1 6 Phản ứng ghép đôi CN giữa p-toluidine và phenylacetylene [49]

Vào năm 2011, tác giả Guo và các cộng sự cũng có trình bày báo cáo về phản ứng ghép đôi CN giữa benzoxazole và triethylamine (Sơ đồ 1 7) [50] Phản ứng này sử dụng dung môi là dioxane, với xúc tác CuBr2 (10 mol%) cùng với lượng acid

9 CH3COOH (20 mol%), điều kiện phản ứng trong môi trường O2 (1 atm) ở 120 o C thì hiệu suất tạo thành sản phẩm là 89% trong thời gian 16 giờ

Sơ đồ 1 7 Phản ứng ghép đôi C-N giữa benzoxazole và triethylamine [50]

Năm 2012, nhóm nghiên cứu của tác giả Mitsuda và các cộng sự công bố phản ứng ghép đôi CN giữa benzothiazole và N-methylaniline (Sơ đồ 1 8) [51], sử dụng xúc tác Cu(OAc)2 cùng với ligand triphenylphosphine (PPh3) thì hiệu suất sản phẩm là 82%

Sơ đồ 1 8 Phản ứng ghép đôi CN giữa benzothiazole và N-methylaniline [51]

Trong năm 2012, tác giả Werkmeister cùng các cộng sự cũng có công trình nghiên cứu sử dụng Cu(OAc)2 làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi CN (Sơ đồ 1 9) [52], trong đó phản ứng được thực hiện giữa acetophenone và aniline với hiệu suất tạo thành sản phẩm là 72%

Sơ đồ 1 9 Phản ứng ghép đôi CN giữa acetophenone và aniline [52]

Tương tự như vậy, vào năm 2014 tác giả Deshidi và cộng sự cũng có công bố nghiên cứu về phản ứng ghép đôi CN sử dụng xúc tác là các acid Lewis và I2 (Sơ đồ 1 10) [53] Điểm mới của phương pháp này so với báo cáo của tác giả Zhang trong năm 2010 là phạm vi ứng dụng rộng hơn, có thể thực hiện trên cả amine bậc 1 và amine bậc 2 Trong đó, phản ứng giữa phenylacetylene và pyrrolidine trong dung môi

10 DMSO sử dụng acid Lewis TMSOTf và I2 sau 6 giờ thu được sản phẩm với hiệu suất 83% [53]

Sơ đồ 1 10 Phản ứng ghép đôi CN giữa và pyrrolidine [53]

Sơ lược qua các công trình nghiên cứu trên thì việc sử dụng xúc tác đồng thể thực hiện trong các điều kiện khắc nghiệt, cũng như với sự hỗ trợ của các ligand cộng với xúc tác không thể thu hồi và tái sử dụng Điều đó đã tạo động lực cho các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển một số lượng lớn hệ xúc tác dị thể tâm Cu với ưu điểm khả năng dễ thu hồi và tái sử dụng, phần tiếp theo sẽ trình bày tiềm năng ứng dụng xúc tác dị thể tâm Cu

1.2.2 Tiềm năng ứng dụng của xúc tác dị thể tâm Cu

Năm 2011, tác giả Shi cùng các cộng sự đã tiến hành phản ứng cyclopropan hóa giữa styrene và ethyldiazoacetate (EDA) (Sơ đồ 1 11) trong hệ dung môi dichloromethane CH2Cl2 dưới điều kiện nhiệt độ phòng, trong việc sử dụng MOF- Cu(I) [Cu2(SO4)(4,4’-bipy)2]4 24H2O làm xúc tác acid Lewis [54]

Sơ đồ 1 11 Phản ứng cyclopropan hóa với xúc tác MOF-Cu(I)

Năm 2011, hai tác giả Shi và Wu đã thực hiện phản ứng Henry (Sơ đồ 1 12) dựa trên xúc tác Cu-MOF [55]

Sơ đồ 1 12 Phản ứng nitroaldol hóa sử dụng xúc tác Cu-MOF [55]

11 Năm 2012, phản ứng Paal-Knorr trong việc sử dụng xúc tác IRMOF-3 làm xúc tác acid Lewis cho phản ứng giữa benzylamine và 2,5-hexanedione trong dung môi toluene, điều kiện nhiệt độ phòng được tiến hành bởi tác giả Phan cùng các cộng sự (Sơ đồ 1 13) [56] Độ chuyển hóa phản ứng đạt 99% sau 1 giờ, xúc tác có thể thu hồi được 8 lần mà cấu trúc vẫn không thay đổi và độ chuyển hóa sau thu hồi 8 lần vẫn đạt trên 90%

Sơ đồ 1 13 Phản ứng Paal-Knorr sử dụng xúc tác IRMOF-3 [56]

Cũng trong năm 2012, tác giả Phan cùng các cộng sự đã sử dụng MOF-199 làm xúc tác dị thể cho phản ứng Aza-Micheal giữa benzylamine và ethyl propenoate (Sơ đồ 1 14) [57]

Sơ đồ 1 14 Phản ứng Aza-Micheal sử dụng MOF-199 làm xúc tác [57]

Năm 2013, MOF-199 tiếp tục được làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi dạng Ulmann giữa aryl iodides với phenol (Sơ đồ 1 15) [34]

Sơ đồ 1 15 Phản ứng ghép đôi dạng Ulmann [34]

Cũng trong năm 2013, tác giả Phan cùng các cộng sự đã nghiên cứu thành công việc sử dụng Cu2(BPDC)2(BPY) làm xúc tác cho phản ứng dehydro hóa ghép đôi giữa 2-hydroxybenzaldehyde với DMF (Sơ đồ 1 16) [38] Ngoài việc cho hiệu suất phản

12 ứng cao, Cu2(BPDC)2(BPY) còn có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần như các xúc tác dị thể khác

Sơ đồ 1 16 Phản ứng dehydro hóa ghép đôi 2-hydroxybenzaldehyde với DMF [38]

Ngoài ra vào năm 2014, tác giả Puthiaraj và cộng sự cũng đã ứng dụng Cu(BDC) làm xúc tác dị thể cho phản ứng tự ghép đôi của arylboronic acid trong môi trường khí quyển ở nhiệt độ phòng (Sơ đồ 1 17) [32]

Sơ đồ 1 17 Phản ứng ghép đôi arylboronic acid [32].

Tình hình nghiên cứu phản ứng tổng hợp α-ketoamide và phản ứng N-aryl

1.3.1 Phản ứng tổng hợp α-ketoamide

Hợp chất α-ketoamide và các dẫn xuất của α-ketoamide là một trong những hợp chất quan trọng đóng vai trò là hợp chất trung gian chuyển hóa thành nhiều hợp chất có ý nghĩa trong dược phẩm, có tác dụng chữa bệnh và ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ bởi chúng có hoạt tính sinh học [58] Ví dụ, các peptide đóng vòng có chứa cyclotheonamide có tác dụng chữa bệnh dị ứng, bệnh hen suyễn, ức chế quá trình sản sinh liên tiếp protease ngăn ngừa máu đông (Hình 1 7)

13 Hình 1 7 Cấu trúc của một số thuốc có chứa nhóm α-ketoamide

Do tầm quan trọng của hợp chất α-ketoamide, trong thập kỷ vừa qua đã có nhiều phương pháp tổng hợp α-ketoamide được công bố Năm 2011, tác giả Zhang và cộng sự công bố báo cáo về tổng hợp α-ketoamide bằng phương pháp oxy hóa ghép đôi giữa aryl acetaldehyde với nhóm thế của aniline phản ứng sau 12 giờ (Sơ đồ 1 18) [59]

Sơ đồ 1 18 Phản ứng tổng hợp α-ketoamide tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa ghép đôi giữa aryl acetaldehyde với nhóm thế của aniline [59]

Năm 2012, tác giả Du và Ji công bố báo cáo về phương pháp oxy hóa tổng hợp α-ketoamide từ aryl methyl ketone, amine và O2 (Sơ đồ 1 19) Phản ứng được thực hiện với sự hiện diện của xúc tác CuI ở nhiệt độ 50 o C mà không cần sử dụng dung môi [60]

Sơ đồ 1 19 Phản ứng tổng hợp α-ketoamide từ aryl methyl ketone, amine và O 2 [60]

14 Theo hướng nghiên cứu như vậy, tác giả Zhang và cộng sự cũng công bố nghiên cứu về phương pháp oxy hóa tổng hợp α-ketoamide (Sơ đồ 1 20) từ methyl ketone, amine và NIS vào năm 2012 [61]

Sơ đồ 1 20 Phản ứng tổng hợp α-ketoamide từ methyl ketone, amine và NIS [61]

Theo đó, phản ứng được thực hiện trong dung môi toluene và chỉ cần thực hiện ở điều kiện nhiệt độ phòng, môi trường khí quyển Và sử dụng các xúc tác CuI, CuBr, CuCl2, CuBr2, tuy nhiên cũng giống như báo cáo của hai tác giả Du và Ji, phản ứng cần sử dụng một lượng lớn xúc tác (20 mol%) và thời gian phản ứng kéo dài (35 giờ) [61]

Bằng phương pháp khác, năm 2012, tác giả Zhang và cộng sự đã sử dụng phức đồng thể tâm Cu làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa amine và α- carbonyl aldehyde để tổng hợp α-ketoamide (Sơ đồ 1 21) [58] Theo đó, phản ứng được thực hiện trong dung môi toluene với sự hiện diện của xúc tác CuBr (10 mol%), pyridine (2 đương lượng) và bipyridine (10 mol%) trong môi trường khí quyển [58]

Phương pháp này có ưu điểm so với các phương pháp trên là có phạm vi ứng dụng rộng, có thể đi từ amine bậc 1 hoặc bậc 2, amine thơm hoặc amine béo Ngoài ra, phương pháp này cho hiệu suất sản phẩm cao Tuy nhiên việc sử dụng xúc tác đồng thể lại có nhược điểm là không thu hồi và tái sử dụng được xúc tác, sản phẩm dễ bị nhiễm vết kim loại Vì vậy hướng nghiên cứu mới là sử dụng xúc tác dị thể cho phản ứng trên

Sơ đồ 1 21 Phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa amine và phenylglyoxal monohydrate

Trong nhiều thập kỉ qua, việc phát hiện ra các phương pháp cho sự hình thành các liên kết N-aryl có tác động trong phản ứng tổng hợp hữu cơ và trên các lĩnh vực khác nhau đặc biệt là hóa dược [62] Bên cạnh việc thực hiện phản ứng liên kết N-aryl theo phương pháp Ullmann [63, 64] và Goldberg [65, 66] truyền thống thì vào những năm 1990, nhóm nghiên cứu của tác giả Louie, Hartwig và các cộng sự đã phát triển một phương pháp mới để hình thành các liên kết N-aryl đó là thực hiện phản ứng ghép đôi giữa aryl halide và các amine bậc 1 và bậc 2 thông qua việc sử dụng xúc tác palladium [67] (Sơ đồ 1 22) Từ đó, những phản ứng N-aryl hóa trong đó các hợp chất chứa nguyên tử nitơ đóng vai trò như nucleophile liên tục được phát triển, trong đó có thể kể đến phản ứng ghép đôi Chan-Lam trong việc sử dụng xúc tác copper (II) acetate và tác chất là boronic acid (Sơ đồ 1 23) [68]

Sơ đồ 1 22 Phản ứng ghép giữa aryl halide và amine [67]

Sơ đồ 1 23 Phản ứng ghép đôi kiểu Chan-Lam [68]

Một trong những phản ứng N-aryl hóa cũng được quan tâm không kém là giữa các aryl halides và các dẫn xuất pyrazole, do vai trò quan trọng của các dẫn xuất N- aryl pyrazole có hoạt tính sinh học như: kháng sinh, kháng viêm, kháng virut,… (Hình 1 8) [69]

16 Hình 1 8 Dược phẩm chứa dẫn xuất N-aryl pyrazole, (a) Lonazolac và (b) Tepoxalin

Khi sử dụng xúc tác palladium trong phản ứng N-aryl hóa kiểu Buchwald-

Hartwig cổ điển đòi hỏi nhiệt độ cao 80-130 o C, thời gian phản ứng có thể kéo dài hơn 40 giờ và thậm chí trong nhiều trường hợp phản ứng phải thực hiện trong môi trường khí trơ, trong khi đó trái ngược hoàn toàn với xúc tác palladium, dạng phản ứng Ullmann bằng việc sử dụng xúc tác Cu được thực hiện ở môi trường khí quyển dưới nhiệt độ 80-120 o C chỉ trong khoảng thời gian tương tự, kèm theo chi phí thấp và độ độc hại ít hơn palladium [70]

Sơ đồ 1 24 Phản ứng tạo dẫn xuất N-aryl dùng xúc tác đồng thể tâm Cu [70]

Do đó trong những năm gần đây, rất nhiều hệ xúc tác trên cơ sở Cu đã được phát triển mạnh mẽ trong phản ứng N-aryl hóa như sự thay thế phù hợp cho hệ xúc tác trên cơ sở palladium cổ điển [70-74] Trước đây tác giả Antilla cùng cộng sự đã công bố sử dụng xúc tác đồng thể CuI vào các phản ứng aryl hóa các amine thơm như pyrrole, pyrazole, imidazole, benzimidazole và indole (Sơ đồ 1 25) [75]

17 Sơ đồ 1 25 Phản ứng tạo dẫn xuất N-aryl aryl halides với các amine thơm [75]

Năm 2013, tác giả Mondal và các cộng sự đã tiến hành một loạt các phản ứng

N-aryl hóa tương tự nhưng dựa trên xúc tác dị thể Cu-G composite [76], trong đó có phản ứng ghép đôi giữa pyrazole và aryl halides (Sơ đồ 1 26) Điều này khẳng định sự mới mẻ trong việc sử dụng xúc tác dị thể trên cơ sở tâm đồng và cần được khai thác nhiều thêm

Sơ đồ 1 26 Phản ứng ghép đôi giữa pyrazole và aryl halides dựa trên xúc tác Cu-G composite [76] Điều này cho thấy tiềm năng sử dụng xúc tác tâm Cu, nhưng vẫn có mặt hạn chế là đa phần các phản ứng được thực hiện trên xúc tác đồng thể nên gây khó khăn lớn trong việc thu hồi xúc tác và tinh chế sản phẩm Vì vậy việc sử dụng xúc tác dị thể để khắc phục nhược điểm đó đang là một hướng đi mới trong phản ứng N-aryl hóa nói chung và giữa aryl halides với pyrazole nói riêng.

Mục tiêu đề tài

Như đã trình bày ở trên, vật liệu Cu-MOF-74 và Cu(INA)2 có cấu trúc tinh thể xốp, độ xốp cao, diện tích bề mặt riêng lớn, mật độ tâm kim loại cao phân bố đều trên toàn bộ vật liệu và dễ tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi Tuy nhiên hiện nay các nghiên cứu ứng dụng của vật liệu này trong lĩnh vực xúc tác vẫn chưa được khai thác nhiều

Bên cạnh đó, hợp chất α-ketoamide và dẫn xuất N-aryl là những hợp chất vừa có hoạt tính sinh học và dược học, là hợp chất trung gian để chuyển hóa thành nhiều hợp chất quan trọng Đã có nhiều báo cáo về các phương pháp tổng hợp 2 dẫn xuất

18 này được công bố tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế như sử dụng xúc tác đồng thể khó thu hồi và tái sử dụng, sử dụng nhiều chất hỗ trợ, phạm vi sử dụng hẹp

Từ những lý do trên, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu tổng hợp, phân tích đặc trưng cấu trúc, các tính chất hoá lý và khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu Cu-MOF- 74 cho phản ứng ghép đôi CN tổng hợp α-ketoamide và Cu(INA)2 cho phản ứng N- aryl hóa pyrazole

THỰC NGHIỆM

Hóa chất

Bảng 2 1 Danh sách hóa chất nguồn gốc, xuất xứ

Stt Tên hoá chất Hãng sản xuất Độ tinh khiết (%)

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

Các phương pháp pháp phân tích

Các phương pháp hoá lý dùng trong khảo sát và phân tích:

Phân tích nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD): Dùng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu, được phân tích tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu cấu trúc vật liệu  Đại học Bách Khoa Tp HCM và tiến hành trên máy AXS D8 Advantage Bruker với nguồn phát là Cu Kα

Hấp phụ vật lý: để xác định bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp của xúc tác, được phân tích tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu cấu trúc vật liệu  Đại học Bách Khoa Tp HCM và thực hiện trên máy Micromeritics ASAP 2020 Các mẫu được hoạt hoá trước trong chân không ở 140 o C trong 6 giờ, rồi tiến hành hấp phụ nitơ ở 77K và áp suất thấp

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được phân tích tại Khoa công nghệ vật liệu

 Đại học Bách Khoa Tp HCM và được tiến hành trên máy Netzsch Thermoanalyzer STA 409 với tốc độ gia nhiệt 10 o C/ phút từ nhiệt độ phòng lên 600 o C trong điều kiện khí trơ

Phân tích hàm lượng đồng bằng phương pháp phổ khối lượng plasma cảm ứng ICP-MS được phân tích tại Viện Môi trường và tài nguyên  Đại học Bách Khoa Tp

Phổ hồng ngoại (FT-IR) được phân tích tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu cấu trúc vật liệu  Đại học Bách Khoa Tp HCM và thực hiện trên máy Nicolet 6700, với mẫu được nén viên với nền KBr dùng để xác định các nhóm chức trong vật liệu

Các kết quả kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) lần lượt thu được khi đo trên máy S4800 và JEOL JEM 1400 được phân tích tại Viện Vệ sinh dịch tễ trung ương

22 Phân tích sắc kí khí (GC) được tiến hành trên máy sắc ký Shimadzu GC 2010 Plus tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu cấu trúc vật liệu  Đại học Bách Khoa Tp

HCM Máy sử dụng đầu dò ion hoá ngọn lửa (FID) với cột SPB-5 (chiều dài cột = 30 m, đường kớnh trong = 0.25 mm, bề dày lớp film = 0.25 àm)

- Chương trình nhiệt cho phản ứng tổng hợp α-ketoamide: Mẫu được gia nhiệt lên 100 o C và giữ nhiệt độ trong 1 phút, sau đó gia nhiệt từ 100 o C đến 280 o C với tốc độ 40 o C/ phút và giữ nhiệt độ đó trong vòng 2 phút

- Chương trình nhiệt cho phản ứng N-aryl hóa: Mẫu được gia nhiệt lên 100 o C, sau đó tăng 25 o C/ phút lên 150 o C, tiếp tục tăng lên 280 o C với tốc độ tăng 40 o C/ phút và được giữ trong vòng 3 phút

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) được tiến hành trên máy phổ Bruker AV 500 tại Phòng NMR, Viện Hóa học  Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam.

Tổng hợp xúc tác Cu-MOFs

2.3.1 Tổng hợp xúc tác Cu-MOF-74

Cu-MOF-74 được tổng hợp theo phương pháp nhiệt dung môi [41] Theo đó, hỗn hợp Cu(NO3)2.3H2O (0.5 g, 2.07 mmol) và 2,5-dihydroxyterephthalic acid (H2dhtp) (0.186 g, 0.94 mmol) được hòa tan trong hỗn hợp 20 mL N,N- dimethylformamide (DMF) và 1 mL nước Hỗn hợp được khuấy ở nhiệt độ phòng cho đến khi tan hoàn toàn, sau đó cho dung dịch thu được vào chai bi nắp đen có thể tích 10 mL Các chai bi được ủ nhiệt ở 85°C trong 18 giờ Các tinh thể màu đen xuất hiện ở thành và đáy chai bi Sau khi làm nguội đến nhiệt độ phòng, các tinh thể được rửa với DMF trong 3 ngày (3x 10 mL) và trao đổi với methanol trong 3 ngày (3x 10 mL)

Sau khi trao đổi dung môi tinh thể Cu-MOF-74 có màu đỏ đậm Sau đó, vật liệu được đem hoạt hóa trong hệ thống Shlenk-line ở 150°C dưới áp suất chân không trong 5 giờ thu được 0.26 g tinh thể màu đen, hiệu suất tổng hợp là 60% tính theo H2dhtp

2.3.2 Tổng hợp xúc tác Cu(INA) 2

Như đã trình bày, nhóm tác giả đã tìm ra phương pháp tổng hợp MOF-Cu(INA)2 với một hệ dung mới hoàn toàn mới khác với các công trình đã được công

23 bố trước đây Theo đó Cu(NO3)2.3H2O (0.193 g, 0.8 mmol) được hòa tan trong 17.5 mL dung môi DMF, đồng thời hòa tan isonicotinic acid INA (0.049 g, 0.4 mmol) vào 7 mL dung môi NMP Sau đó cho dung dịch INA từ từ vào dung dịch muối, khuấy ở nhiệt độ phòng cho hỗn hợp phân tán đều từ 10 đến 15 phút Tiếp theo đó cho vào 1.5 mL pyridine và hỗn hợp vẫn tiếp tục được khuấy ở nhiệt độ phòng trong 15 phút Hỗn hợp được chia vào chai bi, được đậy nắp kín, ủ nhiệt ở 100 o C trong 72 giờ Sau 72 giờ, hỗn hợp phản ứng được làm nguội đến nhiệt độ phòng Sau quá trình thu được tinh thể Cu(INA)2 Các tinh thể được rửa bằng 10mL DMF trong thời gian 3 ngày (3x 10 mL) Sau đó, các tinh thể được trao đổi với dung môi dicloromethane 3 ngày (3x 10 mL) Tinh thể Cu(INA)2 được loại bỏ dung môi bằng cách hoạt hóa trong hệ thống Shlenk-line ở nhiệt độ 140 o C dưới áp suất chân không trong 6 giờ Sau 6 giờ thu được tinh thể màu xanh có khối lượng là 0.032 g, hiệu suất là 65% tính theo isonicotinic acid.

Khảo sát hoạt tính xúc tác Cu-MOFs cho các phản ứng ghép đôi CN tổng hợp α-ketoamide và N-aryl hóa

hợp α -ketoamide và N -aryl hóa

2.4.1 Phản ứng tổng hợp α-ketoamide

Cu-MOF-74 được lựa chọn làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp α-ketoamide giữa phenylglyoxalmonohydrate và pyrolidine Trong một thí nghiệm đặc trưng hỗn hợp gồm phenylglyoxal monohydrate (152 mg, 1 mmol), nội chuẩn diphenyl ether (170 mg, 1 mmol) trong dung môi toluene (4 mL) được cho vào bình cầu ba cổ 25 mL Hỗn hợp được khuấy đều và gia nhiệt đến khi phenylglyoxal monohydrate tan hoàn toàn trong dung môi toluene Pyrrolidine (0.246 mL, 3 mmol) và xúc tác Cu-MOF-74 được cho vào bình phản ứng Tỷ lệ mol xúc tác được tính toán dựa trên tỷ lệ về số mol Cu/ phenylglyoxal monohydrate Hỗn hợp phản ứng được giữ ở 80 o C trong 2 giờ Hiệu suất của phản ứng theo thời gian được theo dõi dựa trên việc lấy mẫu gián đoạn sau mỗi 20 phút, trích ly bằng ethylacetate, làm khan với Na2SO4, phân tích bằng sắc kí khí (GC) Sản phẩm sau khi tinh chế được xác định bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân ( 1 H và 13 C NMR) Để khảo sát khả năng thu hồi của xúc tác, Cu-MOF-74 sau phản ứng được gạn tách ra khỏi hỗn hợp, rửa với DMF (2 mL x 2) và methanol (2 mL x 2), sau đó hoạt hóa ở 150 o C dưới áp suất chân không trong 5 giờ Xúc tác sau đó

24 được sử dụng lại với điều kiện như ban đầu Với thí nghiệm khảo sát tính dị thể của xúc tác, xúc tác được tách ra sau 20 phút phản ứng bằng cách ly tâm loại xúc tác Hỗn hợp phản ứng được chuyển sang một bình cầu khác gia nhiệt đến 80 o C và thực hiện phản ứng thêm 100 phút nữa Mẫu phản ứng được lấy gián đoạn sau mỗi 20 phút và phân tích sắc kí khí để theo dõi sự thay đổi của hiệu suất

2.4.2 Phản ứng N-aryl hóa pyrazole

Cu(INA)2 được lựa chọn làm xúc tác cho phản ứng N-aryl hóa giữa 4'- iodoacetophenone và pyrazole Hỗn hợp gồm 4'-iodoacetophenone (0.492 g, 2 mmol), hexadecane 0.15 mL làm nội chuẩn trong 4 mL dung môi DMF được khuấy đều ở nhiệt độ phòng, trong thời gian 15 phút lấy mẫu t0 và mẫu được trích trong dung môi diethylether Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ 100 o C, khi thấy nhiệt độ đã ổn định cho tiếp pyrazole (0.272 g, 3mmol), K3PO4 (2 đương lượng) và xúc tác Cu(INA)2 vào hỗn hợp trên, tỷ lệ mol xúc tác được tính toán dựa trên tỷ lệ về số mol Cu/ 4’-iodoacetophenone Hỗn hợp phản ứng được tiến hành ở 100 o C được khuấy liên tục và gia nhiệt bằng bếp từ Cứ sau mỗi giờ, mẫu trong hỗn hợp phản ứng được lấy ra được trích ly bằng diethylether, sau đó làm khan bằng Na2SO4 và được phân tích GC

Sản phẩm sau khi tinh chế được xác định bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân ( 1 H và 13 C NMR) Để khảo sát khả năng thu hồi của xúc tác, Cu(INA)2 sau phản ứng được gạn tách ra khỏi hỗn hợp, rửa với DMF (2 mL x 2) và dichloromethane (2 mL x 2), sau đó hoạt hóa ở 140 o C dưới áp suất chân không trong 6 giờ Xúc tác sau đó được sử dụng lại với điều kiện như ban đầu Với thí nghiệm khảo sát tính dị thể của xúc tác, xúc tác được tách ra sau 60 phút phản ứng bằng cách ly tâm loại xúc tác Hỗn hợp phản ứng được chuyển sang một bình cầu khác gia nhiệt đến 100 o C và thực hiện phản ứng thêm 5 giờ nữa Mẫu phản ứng được lấy theo thời gian và phân tích sắc kí khí để theo dõi sự chuyển hóa của tác chất Độ chuyển hóa được tính bằng công thức sau:

25 Trong đó: Stác chất 1, Snội chuẩn lần lượt là diện tích của mũi tác chất 1 và nội chuẩn trên sắc kí đồ to là thời điểm bắt đầu phản ứng ti là thời điểm lấy mẫu

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Tổng hợp, phân tích đặc trưng cấu trúc và khảo sát hoạt tính xúc tác Cu-MOF-74

MOF-74 cho phản ứng tổng hợp α -ketoamide từ phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine

3.1.1 Tổng hợp, phân tích đặc trưng cấu trúc Cu-MOF-74

Cu-MOF-74 được tổng hợp theo phương pháp nhiệt dung môi [41] Theo đó, hỗn hợp Cu(NO3)2.3H2O và 2,5-dihydroxyterephthalic acid (H2dhtp) được hòa tan trong hỗn hợp N,N- dimethylformamide (DMF) và nước Sau đó được ủ nhiệt ở 85°C trong 18 giờ tạo tinh thể có màu đen Sau khi các tinh thể đã được trao đổi dung môi và hoạt hóa thu được Cu-MOF-74 có màu đỏ sậm Hiệu suất tổng hợp là 60% tính theo H2dhtp Các đặc điểm cấu trúc của Cu-MOF-74 được bàn luận trong phần kế tiếp

Vật liệu Cu-MOF-74 được phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hoá lý bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), khả năng hấp phụ khí N2 (đo diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp trung bình), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ hồng ngoại (FT-IR)

Nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp quan trọng để kiểm tra cấu trúc tinh thể của vật liệu tổng hợp được Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của Cu-MOF-74 cho thấy vật liệu Cu-MOF-74 tổng hợp được (Hình 3 1a) có độ tinh thể cao, các mũi nhiễu xạ ở vị trí 2 khoảng 7° và 12 o tương tự với nhiễu xạ mô phỏng (Hình 3 1b) đã được tác giả Sanz và các cộng sự công bố trước đây [41]

Hình 3 1 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X dạng bột của Cu-MOF-74, a) tổng hợp; b) mô phỏng [41]

Bên cạnh đó, phân tích hàm lượng đồng trong Cu-MOF-74 bằng phương pháp phổ khối lượng plasma cảm ứng (ICP-MS) cho thấy hàm lượng đồng là 27.51% theo khối lượng gần với giá trị lý thuyết là 28% khối lượng Vì vậy, có thể kết luận rằng đã tổng hợp được vật liệu Cu-MOF-74

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá sơ bộ độ bền nhiệt của vật liệu Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của Cu-MOF-74 (Hình 3 2) cho thấy vật liệu Cu-MOF-74 có khoảng mất khối lượng bắt đầu từ 90 o C Có khoảng 6.93% bị mất từ 90 o C đến 190 o C, tương ứng với sự mất của dung môi methanol, H2O và DMF còn sót lại bên trong vật liệu hoặc vật liệu bị hút ẩm trong quá trình bảo quản mẫu trước khi đem đo Từ 190 o C đến 280 o C, khối lượng mẫu giảm tiếp khoảng 3.62%, tương ứng với sự mất DMF liên kết chưa được loại bỏ hoàn toàn Tiếp theo là sự giảm khối lượng khoảng 32.57% bắt đầu từ 280 o C, vật liệu Cu-MOF-74 bắt đầu phân hủy cấu trúc do cầu nối hữu cơ bị phân hủy Quá trình này kéo dài đến 460 o C Từ 460 o C đến 900 o C, mẫu bị giảm thêm 11.4% khối lượng, cấu trúc Cu-MOF-74 bị phá hủy hoàn toàn Kết thúc quá trình phân hủy lượng mẫu còn lại 45.48% có thể là oxit kim loại và thành phần carbon chưa phân hủy Kết quả phân tích TGA phù hợp với các công bố trước đây [41] và chứng tỏ vật liệu Cu-MOF-74 có độ bền nhiệt khá cao

28 Hình 3 2 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của Cu-MOF-74

Phổ FT-IR của vật liệu Cu-MOF-74 (Hình 3 3b) cho thấy có mũi dao động giãn nối ở 1553.02 cm -1 , đặc trưng cho liên kết C=O của nhóm carboxylate Trong phổ FT-IR của dhtp tự do, mũi dao động của liên kết này nằm ở 1649.4 cm -1 (Hình 3

3a) Sự dịch chuyển mũi dao động nối C=O về phía tần số thấp hơn cho thấy có sự liên kết của tâm kim loại Cu và nhóm carboxylate Mũi rộng ở 3423.18 cm -1 trong cấu trúc vật liệu với cường độ thấp đặc trưng cho dao động giãn nối O–H do vật liệu bị hút ẩm

Hình 3 3 Phổ FT-IR của 2,5-dihydroxyterephthalic acid (a) và Cu-MOF-74 (b) a b

29 Một trong những đặc điểm nổi trội của vật liệu MOFs so với nhiều vật liệu vô cơ truyền thống là khả năng hấp phụ khí cao nhờ sở hữu bề mặt riêng lớn Diện tích bề mặt riêng tính theo BET và Langmuir của Cu-MOF-74 lần lượt khoảng 1064 m 2 /g và 1208 m 2 /g (Hình 3 4) và đường kính trung bình phân bố kích thước lỗ xốp khoảng 7 Å tính theo phương pháp Horvath-Kawazoe (H-K) (Hình 3 5) Kết quả này tương đối phù hợp với các nghiên cứu trước đây Theo báo cáo của tác giả Sanz và cộng sự, vật liệu Cu-MOF-74 có diện tích bề mặt riêng tính theo BET là 937 m 2 /g, đường kính lỗ xốp trung bình là 10.1 Å [41] Còn theo báo cáo của tác giả Calleja [44], vật liệu Cu- MOF-74 có diện tích bề mặt riêng tính theo BET là 1126 m 2 /g, đường kính lỗ xốp trung bình từ 10-12 Å [44] Đường kính trung bình phân bố kích thước lỗ xốp của vật liệu tổng hợp được nhỏ hơn có thể là do các phân tử DMF, methanol, H2O còn phân bố trong lỗ xốp

Hình 3 4 Đường hấp phụ/ nhả hấp phụ đẳng nhiệt khí nitơ của Cu-MOF-74

30 Hình 3 5 Phân bố kích thước lỗ xốp của Cu-MOF-74

Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy Cu-MOF-74 có cấu trúc tinh thể dạng hình kim được thể hiện ở Hình 3.6 a) b)

Hình 3 6 Kết quả ảnh SEM (a) và ảnh TEM (b) của Cu-MOF-74

3.1.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác Cu-MOF-74 cho phản ứng tổng hợp α-ketoamide giữa phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine

31 Vật liệu Cu-MOF-74 được sử dụng làm xúc tác cho phản ứng oxy hoá ghép đôi C–N giữa phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine hình thành sản phẩm 1-phenyl- 2-(pyrrolidin-1-yl)ethane-1,2-dione (Sơ đồ 3 1)

Sơ đồ 3 1 Phản ứng oxy hoá ghép đôi giữa phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine

Trong phần này, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản ứng sẽ được khảo sát như tỷ lệ tác chất phản ứng, nhiệt độ, nồng độ % mol xúc tác Ngoài ra, các yếu tố ảnh hưởng như dung môi, vai trò của chất oxy hoá, tác chất pyrrolidine với các amine khác cũng được khảo sát Mặt khác, tính dị thể của Cu-MOF-74 được khảo sát qua khả năng thu hồi và tái sử dụng Đồng thời, hoạt tính xúc tác của Cu-MOF-74 cũng được so sánh với các loại xúc tác đồng thể và dị thể tâm Cu khác

Tỷ lệ tác chất phản ứng là một yếu tố có ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu suất của phản ứng Vì vậy, ảnh hưởng của tỷ lệ mol phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine được chọn làm yếu tố khảo sát đầu tiên Trong đó phản ứng tổng hợp được thực hiện ở 90 o C trong dung môi toluene (4 mL), xúc tác Cu-MOF-74 (5 mol%), môi trường không khí, thời gian phản ứng là 2 giờ Tỷ lệ mol phenylglyoxal monohydrate: pyrrolidine khảo sát lần lượt là 1: 1, 1: 1.5, 1: 2, 1: 3 và 1: 4 Kết quả khảo sát (Hình 3

7) cho thấy phản ứng khi sử dụng 1 đương lượng pyrrolidine thì phản ứng khó xảy ra và hiệu suất sản phẩm chỉ đạt 23% sau 120 phút Khi tăng đương lượng pyrrolidine tương ứng với 1.5, 2 và 3 đương lượng thì thấy hiệu suất tạo thành sản phẩm tăng lên lần lượt là 47%, 84% và 94% sau 120 phút Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng lượng pyrrolidine lên 4 đương lượng thì hiệu suất phản ứng giảm xuống còn 86% Với các kết quả trên cho thấy tỷ lệ mol tác chất phenylglyoxal monohydrate: pyrrolidine tốt nhất cho phản ứng là 1: 3 So với nghiên cứu trước, tác giả Zhang và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu của mình với tỷ lệ tác chất 1: 1.5 lại thu đươc hiệu suất cao nhất là 94% [58]

32 Hình 3 7 Ảnh hưởng của tỷ lệ tác chất phenylglyoxal monohydrate và pyrrolidine đến hiệu suất phản ứng Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tạo thành sản phẩm là yếu tố tiếp theo được khảo sát Trong báo cáo trước đây, tác giả Zhang và các cộng sự đã thực hiện quá trình tổng hợp α-ketoamide bằng xúc tác đồng để thực hiện phản ứng ghép đôi

CN giữa amine và -carbonyl aldehyde ở nhiệt độ 90 o C [58] Trong nghiên cứu này phản ứng được thực hiện trong dung môi toluene (4 mL), 5 mol% xúc tác Cu-MOF- 74, môi trường không khí, các nhiệt độ khảo sát lần lượt là nhiệt độ phòng, 60 o C, 70 o C, 80 o C và 90 o C với thời gian phản ứng là 120 phút Trong điều kiện nhiệt độ phòng thì phản ứng không xảy ra, và khi tăng nhiệt độ thì hiệu suất tạo thành sản phẩm cũng tăng lên, cụ thể như khi thực hiện phản ứng ở 60 o C hiệu suất tạo thành sản phẩm là 80%, khi tăng nhiệt độ lên 70 o C và 80 o C hiệu suất phản ứng tăng lên lần lượt là 89% và 95% Tuy nhiên khi tiếp tục tăng nhiệt độ lên 90 o C thì vẫn không cải thiện được hiệu suất phản ứng chỉ với 94% Vì vậy nhiệt độ thích hợp được chọn cho phản ứng là 80 o C Kết quả này tương đối phù hợp với nghiên cứu trước của tác giả Zhang và cộng sự là thực hiện phản ứng trên ở 90 o C thu được hiệu suất cao nhất là 94% [58]

33 Hình 3 8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của phản ứng

Tổng hợp, phân tích đặc trưng cấu trúc và khảo sát hoạt tính xúc tác Cu(INA) 2

Cu(INA) 2 cho phản ứng N -aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole

3.2.1 Tổng hợp, phân tích đặc trưng cấu trúc Cu(INA) 2

Cu(INA)2 được tổng hợp theo phương pháp nhiệt dung môi Theo đó, hỗn hợp Cu(NO3)2.3H2O và isonicotinic acid (INA) được hòa tan trong hỗn hợp N,N- dimethylformamide (DMF), 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) và pyridine Sau đó được ủ nhiệt ở 100°C trong 72 giờ tạo tinh thể có màu xanh dương Sau khi các tinh thể đã được trao đổi dung môi và hoạt hóa thu được Cu(INA)2 có màu xanh dương Hiệu suất tổng hợp là 65% tính theo INA Các đặc điểm cấu trúc của Cu(INA)2 được bàn luận trong phần kế tiếp

Vật liệu Cu(INA)2 được phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hoá lý bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), khả năng hấp phụ khí N2 (đo diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp trung bình), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ hồng ngoại (FT-IR)

Kết quả phân tích XRD (Hình 3 20) chứng tỏ vật liệu Cu(INA)2 thu được có cấu trúc tinh thể cao bởi hai mũi nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí 2 khoảng 10 o và 22 o có cường độ cao

Hình 3 20 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X dạng bột của Cu(INA)2, a) tổng hợp b) mô phỏng [87]

Bên cạnh đó, phân tích hàm lượng Cu trong Cu(INA)2 bằng quang phổ phát xạ plasma cho thấy hàm lượng đồng đạt được kết quả 19.26% khối lượng gần với giá trị lý thuyết là 20% khối lượng Vì vậy, có thể kết luận rằng đã tổng hợp được vật liệu Cu(INA)2 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 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (Hình 3 21), cho thấy Cu(INA)2 bền nhiệt đến gần 300 o C Kết quả cũng một lần nữa cho thấy quá trình hoạt hoá đã loại bỏ hầu như hoàn toàn các phân tử dung môi còn sót lại sau quá trình tổng hợp và rửa MOFs Ở nhiệt độ 293.87 o C có sự giảm mạnh về khối lượng, tổng khối lượng giảm ở giai đoạn này là 63.88% Sự mất khối lượng này là sự phân hủy phần hữu cơ trong vật liệu Điều này góp phần nói lên việc ứng dụng vật liệu này trong khoảng nhiệt độ khá rộng

47 Hình 3 21 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng TGA của Cu(INA)2 Trong phổ FT-IR của Cu(INA)2 và isonicotinic acid (Hình 3 22), kết quả thay đổi số sóng trên phổ đã chứng minh được sự xuất hiện liên kết giữa Cu 2+ và isonicotinic acid Sự dịch chuyển số sóng từ 1720 cm -1 (đặc trưng cho liên kết C=O của acid tự do) sang 1660 cm -1 (đặc trưng cho liên kết C=O dạng COO - ) cho thấy acid carboxylic đã tách proton để liên kết với Cu 2+ Bên cạnh đó, liên kết CN trong cầu nối hữu cơ isonicotinic acid đặc trưng bằng số sóng 1054 cm -1 đã giảm mạnh trong phổ FT-IR của Cu(INA)2, chứng tỏ có sự hình thành liên kết mới giữa Cu 2+ và Nitơ bằng liên kết phối trí

Hình 3 22 Kết quả phân tích FT-IR, Cu(INA)2 (a) và isonicotinic acid (b)

48 Diện tích bề mặt riêng tính theo BET và Langmuir của Cu(INA)2 lần lượt khoảng 121 m 2 /g và 158 m 2 /g và đường kính trung bình phân bố kích thước lỗ xốp khoảng 7 Å tính theo phương pháp Horvath-Kawazoe (H-K) Kết quả phân tích tinh thể Cu(INA)2 qua kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy tinh thể Cu(INA)2 có dạng hình phiến (Hình 3 23a) Tuy nhiên kết quả ảnh TEM chưa cho nhiều thông tin cấu trúc xốp của vật liệu (Hình 3 23b) a) b)

Hình 3 23 Kết quả ảnh SEM (a) và ảnh TEM (b) của MOF Cu(INA)2

3.2.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác Cu(INA) 2 cho phản ứng N-aryl hóa giữa 4’- iodoacetophenone và pyrazole

Vật liệu Cu(INA)2 được sử dụng làm xúc tác cho phản ứng N-aryl hóa giữa 4’- iodoacetophenone và pyrazole hình thành sản phẩm 1-(4-(1H-pyrazol-1- yl)phenyl)ethanone (Sơ đồ 3 2)

Sơ đồ 3 2 Phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole

Trong những khảo sát đầu tiên, Ảnh hưởng của nhiệt độ được chọn làm yếu tố đầu tiên để tiến hành khảo sát cho phản ứng Khoảng nhiệt độ thông thường được lựa chọn trong các nghiên cứu trước đây dao động trong khoảng 80-130 o C [72] Bên cạnh đó, phản ứng N-aryl hóa pyrazole với xúc tác trên cơ sở đồng đã được khảo sát ở nhiệt độ thấp 35-40 o C [81], thậm chí ở điều kiện nhiệt độ phòng [82], nhưng mặt hạn chế là

49 thời gian phản ứng rất dài Do đó để tiện lợi trong quá trình khảo sát, rút ngắn thời gian phản ứng, tiết kiệm năng lượng, đồng thời tránh sự tác động của nhiệt độ cao lên cấu trúc MOFs làm giảm hoạt tính của MOFs, nên trong nghiên cứu này phản ứng N- aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole được khảo sát ở nhiệt độ 80 o C, 90 o C, 100 o C Phản ứng N-aryl hóa được thực hiện trong dung môi DMF với tỷ lệ mol giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole là 1: 2, dùng 2 đương lượng K3PO4 làm base, với sự có mặt của 5 mol% Cu(INA)2 làm xúc tác và thời gian thực hiện phản ứng trong 6 giờ Theo các nghiên cứu trước đây thì nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ phản ứng [83] Thật vậy, kết quả khảo sát cho thấy (Hình 3 24), tốc độ phản ứng ở 80 o C, 90 o C khá chậm, độ chuyển hóa sau 6 giờ lần lượt chỉ khoảng 61% và 66% xấp xỉ gần bằng nhau Trong khi đó ở nhiệt độ 100 o C có sự chuyển biến rõ rệt, độ chuyển hóa đạt 88% sau 6 giờ Kết quả này là phù hợp với nghiên cứu trước đây như năm 2007, tác giả Swapna và cộng sự đã tiến hành phản ứng N-aryl hóa pyrazole ở nhiệt độ 100 o C với xúc tác Fe/ Cu trong 15 giờ đạt hiệu suất 100% [83] Điều đó cho thấy nhiệt độ 100 o C là điều kiện thuận lợi để khảo sát tiếp theo

Hình 3 24 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng lên độ chuyển hoá

Tương tự như nhiều phản ứng ghép đôi khác, tỷ lệ tác chất cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Nên chúng tôi tiến hành thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỷ lệ mol chất phản ứng, cụ thể là phản ứng N-aryl hóa được thực hiện trong dung môi DMF ở 100 o C trong thời gian 6 giờ, với 2 đương lượng K3PO4 làm

Thời gian (giờ) Độ chuyển hóa (%)

50 base, các tỷ lệ mol tương ứng giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole lần lượt là 1: 2, 1: 1.5, và 1: 1 Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng (Hình 3 25), tỷ lệ mol tác chất tăng, độ chuyển hóa tăng Cụ thể, tốc độ phản ứng sau 6 giờ có sự chênh lệch rõ rệt, độ chuyển hóa của tỷ lệ 1: 1 đạt 66%, tỷ lệ 1: 1.5 đạt 83%, và đạt dộ chuyển hóa cao nhất ở tỷ lệ 1: 2 là 88% Điểm đáng lưu ý là ở tị lệ 1: 2 và 1: 1.5 có độ chuyển hóa gần bằng nhau, do đó để giảm tối thiểu lượng tác chất sử dụng mà đạt được hiệu suất cao vì thế chúng tôi lại chọn tỷ lệ 1: 1.5 để khảo sát các điều kiện tiếp theo

Hình 3 25 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol tác chất lên độ chuyển hoá

Hàm lượng xúc tác cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đáng lên độ chuyển hoá của phản ứng Phản ứng được tiến hành ở 100 o C, trong dung môi DMF, tỷ lệ mol giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole là 1: 1.5, dùng 2 đương lượng base K3PO4, khảo sát hàm lượng xúc tác Cu(INA)2 lần lượt là 0 mol%, 1 mol%, 3 mol% và 5 mol% trong 6 giờ Kết quả khảo sát (Hình 3 26) cho thấy phản ứng hầu như không xảy ra khi không có xúc tác, điều này cho thấy vai trò của tâm Cu trong MOFs Phản ứng đạt được độ chuyển hóa 83% khi sử dụng 5 mol% xúc tác trong 6 giờ, còn với 3 mol% và 1 mol% lần lượt là 72% và 54% sau 6 giờ phản ứng Điều này cho thấy khi hàm lượng xúc tác càng nhiều thì làm tăng các tâm kim loại hoạt động, do đó sự tương tác giữa chất phản ứng với tâm xúc tác lớn hơn nên độ chuyển hóa tăng Và trong các báo cáo trước đây thì tác giả Swapna và các công sự sử dụng đến 10 mol% xúc tác Fe/

Thời gian (giờ) Độ chuyển hóa (%)

51 Graphite cho phản ứng N-aryl hóa [85] Và các nhóm nghiên cứu khác cũng thực hiện phản ứng N-aryl hóa với hàm lượng xúc tác là 10 mol %, trong đó có sự hỗ trợ của các ligand khác nhau [86]

Hình 3 26 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol xúc tác lên độ chuyển hoá

Dung môi cũng là một trong những yếu tố quan trọng đến phản ứng ngoài việc hoà tan các tác chất cũng như sản phẩm, dung môi còn có tác dụng làm bền các sản phẩm trung gian Trong một số trường hợp, dung môi có thể làm tăng hoặc giảm độ chuyển hóa sản phẩm tùy thuộc và tính chất của xúc tác rắn [77, 78] Tác giả Taillefer và các cộng sự trước đây đã thực hiện phản ứng N-aryl hóa pyrazole bằng các dung môi như toluene, DMF hoặc acetonitrile với xúc tác sử dụng là Cu2O [84] Tác giả Correa và Bolm đã có báo cáo về việc sử dụng xúc tác FeCl3 cho phản ứng N-aryl hóa pyrazole trong dung môi toluene và sử dụng N,N’-dimethylethylenediamine như một ligand [88] Tác giả Hosseinzadeh và các cộng sự đã dùng xylene làm dung môi cho phản ứng N-aryl hóa diazole với CuI làm xúc tác cho phản ứng [89] Tác giả Teo cùng các cộng sự cũng đã thực hiện phản ứng tương tự với việc dùng MnCl2 làm xúc tác phản ứng và trans-1,2-diaminocyclohexane như là ligand hỗ trợ [86] Trong nghiên cứu trươc đây, tác giả Rao và các cộng sự thực hiện phản ứng N-aryl hóa pyrazole trong dung môi DMSO mà không dùng ligand, với xúc tác là Fe/ Graphite [85] Do đó, chúng tôi quyết định khảo sát ảnh hưởng của một số dung môi như DMF, NMP, DMA, toluen, o-xylen, 1,4-dioxane lên độ chuyển hoá của 4’-iodoacetophenone Phản

Thời gian (giờ) Độ chuyển hóa (%)

52 ứng được thực hiện ở 100 o C, trong dung môi DMF, tỷ lệ mol giữa 4’- iodoacetophenone và pyrazole là 1: 1.5, dùng 2 đương lượng base K3PO4, khảo sát các dung môi khác nhau Kết quả khảo sát cho thấy (Hình 3 27) trong 6 giờ thì phản ứng xảy ra khó khăn trong dung môi o-xylene và toluene tương ứng với độ chuyển hóa là 28% và 19% Trong dung môi 1,4-dioxane và NMP thì độ chuyển hóa thu được là 46% và 59%, đặc biệt nhất dung môi DMA cho độ chuyển hóa là 92% cao hơn so với dung DMF khảo sát lúc đầu là 83% Dựa vào kết quả trên DMA sẽ là dung môi được lựa chọn để khảo sát tiếp theo thay cho DMF

Hình 3 27 Ảnh hưởng của loại dung môi lên độ chuyển hoá

Trong phản ứng N-aryl hóa thì base luôn đóng một vai trò quan trọng nhất định Ví dụ tác giả Taillefer và các cộng sự đã báo cáo việc sử dụng Cs2CO3 chứ không dùng K2CO3 cho phản ứng N-aryl hóa [85] Các tác giả Bolm và Correa [88], tác giả Teo và các cộng sự [86] dùng base K3PO4 cho phản ứng Trong nghiên cứu trước đây, tác giả Swapna và các cộng sự đã chỉ ra rằng KOH vượt trội hơn so với K2CO3, Cs2CO3, NaOH, t-BuOK, và t-BuONa trong phản ứng N-aryl hóa pyrazole không dùng ligand [85] Vì lí do trên một số base như K3PO4, K2CO3, CH3COONa CH3ONa, lithium tert-butoxide (LiOt-Bu) đã được lựa chọn để tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của chúng lên phản ứng trong nghiên cứu này Phản ứng được tiến hành ở

Thời gian (giờ) Độ chuyển hóa (%)

53 100 o C, trong dung môi DMA, tỷ lệ mol giữa 4’-iodoacetophenone và pyrazole là 1:

1.5, với 2 đương lượng cho mỗi base và 5 mol% xúc tác Cu(INA)2 trong 6 giờ