Luận văn thạc sĩ Công nghệ hóa học: Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của vật liệu khung cơ kim trong tổng hợp hữu cơ

Vật liệu cơ kim USO-2-Ni và ZIF-67 đã lần lượt được khảo sát hoạt tính xúc tác trên phản ứng ghép đôi dạng Ullmann giữa aryl halides với phenols và phản ứng đóng vòng giữa 2-aminoacetoph

TỔNG QUAN

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 định hướng một, hai hoặc ba chiều trong không gian, trong đó bộ khung của vật liệu bao gồm các ion kim loại hay các cụm “cluster” kim loại được liên kết với nhau bằng những phân tử hữu cơ đa chức [1-4] Từ phát minh ban đầu của Robson và đồng sự [5], cho đến nay đã xuất hiện rất nhiều kết quả nghiên cứu về các cấu trúc và ứng dụng của các loại vật liệu thuộc nhóm này Một trong những nhóm nghiên cứu có công lao lớn trong việc phát triển những ý tưởng về loại vật liệu này là nhóm của tác giả Omar M Yaghi, tác giả Michael O’Keeffe và các đồng sự [1] Với những ưu điểm vượt trội của cả vật liệu kim loại và hữu cơ, MOFs đã không ngừng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong suốt hai thập kỷ vừa qua, kèm theo đó là sự gia tăng rõ rệt các công bố khoa học về lĩnh vực này [6]

Hình 1.1 Số lượng các bài báo về MOF công bố từ năm 1998-2008 [6]

MOFs thường được tổng hợp trong pha lỏng bằng cách sử dụng một hoặc hỗn hợp nhiều dung môi Theo đó, mạng lưới tinh thể được định hình và phát triển bởi sự

2 sắp xếp của các đơn vị cấu trúc hữu cơ và kim loại Phương pháp tổng hợp này thường bao gồm quá trình trộn lẫn dung dịch chứa ion kim loại và ligand hữu cơ ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao với sự có mặt của các hợp chất phụ trợ nếu cần thiết Bản chất của dung môi, ligand hữu cơ cũng như cation kim loại có ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc tinh thể của vật liệu thu được [2] Ngoài phương pháp truyền thống nêu trên, hiện nay có rất nhiều biến thể trong nghiên cứu tổng hợp MOFs bao gồm nhiệt dung môi hai pha, điện hóa, nghiền cơ học… [8-10] Đặc tính quan trọng nhất của MOF là có cấu trúc tinh thể cao và diện tích bề mặt riêng lớn (vài ngàn m 2 /g) [1,11-14] Khác với vật liệu xốp truyền thống ở chỗ vật liệu MOF có vách ngăn là các phân tử không phải vách ngăn dày trong các vật liệu xốp thông thường như carbon hoạt tính hay zeolite [15] Bề mặt riêng cao nhất của carbon vô định hình đạt được chỉ là 2030 m 2 /g [16] Trong khi nhiều loại zeolite truyền thống chỉ có bề mặt riêng (tính theo phương pháp BET) dao động trong khoảng 200 đến 500 m 2 /g thì có những loại vật liệu MOF như MOF-200 hay MOF-201 có bề mặt riêng lên tới 5000 m 2 /g [17]

So với các loại vật liệu vô cơ khác, MOFs có độ bền nhiệt kém hơn chút ít, thường không vượt quá 300 o C Tuy nhiên, một họ vật liệu khác cũng thuộc nhóm khung hữu cơ-kim loại là các vật liệu thuộc nhóm imidazolate có cấu trúc giống zeolite (ZIF – zeolitic imidazolate framework) lại có độ bền nhiệt cao hơn, thường trên 600 o C [18] Gần đây, người ta đã nhận thấy góc nối M-Im-M (với M là kim loại chuyển tiếp như Zn, Co còn Im là imidazole) trùng với góc liên kết Si-O-Si (145 o ) trong zeolite, do đó có thể tạo ra khung ZIFs mới (zeolite imidazole framworks)

Trong 6 năm qua, hơn 90 cấu trúc ZIFs mới đã được công bố [18]

3 Hình 1.2 Các ligand thuộc họ imidazole được sử dụng để tổng hợp ZIFs [18]

Có thể kể đến đầu tiên là ZIF-8 (Zn(MeIM) 2 , MeIM = 2-methyl imidazole) được tổng hợp vào năm 2006 bởi nhóm nghiên cứu của tác giả Kyo Sung Park, không những bền nhiệt mà ít bị hút ẩm, cấu trúc ZIF-8 được chứng minh là không thay đổi sau khi ngâm trong methanol, benzene và nước trong 7 ngày hay trong NaOH ở nhiệt độ 100 o C trong vòng 1 ngày [19]

Hình 1.3 Kết quả phân tích XRD của ZIF-8 trước và sau khi ngâm trong benzene (a), methanol (b), nước (c) và NaOH (d) [19]

1.1.2 Ứng dụng của vật liệu khung hữu cơ kim loại Đi đôi với việc tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc MOF, các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm khám phá các ứng dụng của MOF như tích trữ khí, hấp phụ/tách khí, xúc tác, từ tính, phát quang, dẫn truyền thuốc, [20,21]

Một trong những hướng nghiên cứu còn mới mẻ (mới phát triển trong 10 năm gần đây) là việc ứng dụng MOF làm xúc tác Những ưu điểm vượt trội của MOF như bề mặt riêng lớn, khả năng điều chỉnh kích thước lỗ xốp hay tâm kim loại/nhóm chức tuỳ ý giúp các nhà khoa học tổng hợp được những loại vật liệu MOF có khả năng xúc tác rất nhiều phản ứng Ý tưởng đầu tiên trong việc sử dụng vật liệu MOF làm xúc tác cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ là sử dụng Cu 3 (BTC) 2 (H 3 BTC: 1,3,5 – benzenetricarboxylic acid) làm xúc tác cho phản ứng isomer hóa các dẫn xuất của terpene [22]

Hình 1.4 Phản ứng isomer hóa các dẫn xuất của terben sử dụng xúc tác Cu 3 (BTC) 2

Ứng dụng của Ni-MOFs

Gần đây xúc tác Ni đã nhận được nhiều sự quan tâm trong các phản ứng ghép đôi tạo thành liên kết C-C hoặc C-X (X: dị tố) vì ít tốn kém và độc hại hơn Pt, Pd [23] Điển hình vào năm 2003, nhóm nghiên cứu của tác giả Beletskaya đã sử dụng xúc tác Ni để thay thế cho Pd trong phản ứng ghép đôi kiểu Sonogashira giữa 4- methyl iodobenzene với phenylacetylene trong dung môi dioxane:H 2 O với hiệu suất đạt được lên đến 100% [24]

Hình 1.5 Phản ứng ghép đôi kiểu Sonogashira với xúc tác Ni(PPh 3 ) 2 Cl 2 [24]

Năm 2009, tác giả Itami và cộng sự đã công bố phản ứng ghép đôi giữa benzothiazole với bromobenzene và iodobenzene đạt hiệu suất lần lượt là 62% và 80% tạo thành 2-phenylbenzothiazole trong 36h ở 85 o C với xúc tác là Ni(OAc) 2 /bipy và base LiOt-Bu trong dung môi dioxane [25]

Hình 1.6 Phản ứng Aryl hóa benzothiazole với Ar-I và Ar-X sử dụng xúc tác

Ngoài những phản ứng ghép đôi C-C, tác giả Yaming Li và cộng sự đã thực hiện thành công phản ứng ghép đôi C-N bằng xúc tác Ni trong năm 2012 Phản ứng được thực hiện giữa benzoxazole với dibutylamine tạo thành 2-dibutylamine benzoxazole với xúc tác là Ni(OAc) 2 4H 2 O trong CH 3 CN ở 70 o C cùng với chất oxy hóa là TBHP và CH 3 COOH acid đạt hiệu suất 82% [26]

6 Hình 1.7 Phản ứng ghép đôi C-N bằng xúc tác Ni(OAc) 2 4H 2 O [26]

1.2.2 Ứng dụng của Ni-MOFs trong lĩnh vực xúc tác

Những thành tựu được đề cập trên đã tạo ra động lực mạnh mẽ để các nhà khoa học phát triển một số lượng lớn hệ xúc tác dị thể tâm nickel với ưu điểm về khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác phù hợp với yêu cầu mà hóa học xanh đặt ra là hạn chế được lượng chất thải độc hại ra môi trường, cũng như việc loại các vết kim loại ra khỏi sản phẩm phản ứng Nhận thức được tầm quan trọng cũng như mới mẽ của hướng nghiên cứu này, gần đây đã có những công bố của Ni-MOFs trong vai trò xúc tác các quá trình chuyển hóa hữu cơ Đặc biệt, Ni gắn trên MOFs là xúc tác rắn gần đây đã thu hút được nhiều sự chú ý, đặt biệt là xúc tác trong phản ứng hydro hóa

Năm 2010, tác giả Kim và cộng sự sử dụng hạt nano Ni gắn trên MOF-1 để làm xúc tác trong phản ứng hydro hóa styrene và phản ứng thủy phân nitrobenzene [27]

Hình 1.8 Phản ứng hydro hóa styrene và thủy phân nitrobenzene với xúc tác Ni/MOF-

Và tương tự, năm 2012, tác giả Chou và cộng sự dùng các hạt nano Ni đính trên MOF-5 làm xúc tác cho phản ứng hydro hóa cronoaldehyde [28]

7 Hình 1.9 Phản ứng hydro hoá cronoaldehyde sử dụng nano Ni/MOF-5 làm xúc tác

Cũng trong năm 2012, nhóm nghiên cứu của tác giả Nam T.S Phan đã công bố tâm Ni có sẵn trong MOF-Ni(HBTC)BIPY làm xúc tác cho phản ứng giữa benzaldehyde với phenylboronic acid, phản ứng được thực hiện ở 100 o C trong vòng 6h với dung môi là n-butanol đạt độ chuyển hóa khoảng 80% [29]

Hình 1.10 Phản ứng aryl hoá sử dụng Ni(HBTC)(BIPY) làm xúc tác [29]

Và mới đây nhất, trong năm 2014 cũng chính nhóm nghiên cứu của tác giả Nam T.S

Phan đã sử dụng MOF-Ni 2 (BDC) 2 (DABCO) làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa alkynes với boronic acid [30]

Hình 1.11 Phản ứng ghép đôi giữa phenylacetylene và phenylboronic acid sử dụng

Ni 2 (BDC) 2 (DABCO) làm xúc tác [30]

8 Đây là hướng nghiên cứu đang được quan tâm để làm rõ sự khác biệt giữa tâm Ni được đính trên MOFs với tâm Ni có hoạt tính sẵn trong MOFs

1.2.3 Giới thiệu về USO-2-Ni

USO-2-Ni được công bố đầu tiên vào năm 2008 dùng để khảo sát khả năng hấp phụ khí N 2 và CO 2 , tuy nhiên không gây được nhiều sự chú ý [31] Tên gọi khác của USO-2-Ni là Ni 2 (BDC) 2 (DABCO) được tổng hợp từ muối Ni(II) và 2 loại ligand là 1,4-benzenedicarboxylic acid và 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane Năm 2012, tác giả Yves J Chabal và cộng sự đã cho thấy những ưu điểm của USO-2-Ni như độ bền ẩm và mật độ kim loại dày đặc bên trong cấu trúc [32] Điều này cho thấy USO-2-Ni có nhiều tiềm năng trong lĩnh vực xúc tác dị thể và cần được khai thác

Như đã nói bên trên, năm 2014 nhóm nghiên cứu của tác giả Nam T.S Phan đã sử dụng USO-2-Ni làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa alkynes với boronic acid [30].

Ứng dụng của Co-MOFs

Những năm gần đây, các hệ xúc tác rẻ tiền được phát triển trên nền phức chất cobalt đã được xác định là có hoạt tính mạnh trên phản ứng aryl hoá liên kết C-H, vốn được xem là thử thách trong ngành tổng hợp hữu cơ [33]

Hình 1.12 Xúc tác cobalt trong phản ứng aryl hoá, benzyl hoá, alkyl hoá liên kết C-H với tác nhân ái điện tử [33]

Những đóng góp gần đây của nhóm nghiên cứu Nakamura và Yoshikai đã cho thấy cobalt là vật liệu rẻ tiền [35] làm xúc tác cho phản ứng alkyl hóa từ liên kết C-H

9 [36,37] Điển hình là năm 2012, nhóm nghiên cứu của tác giả Lutz Ackermann sử dụng xúc tác Co(acac) 2 ( cobalt(II)acetylacetonate) thực hiện phản ứng aryl hóa từ liên kết C-H [38]

Hình 1.13 Xúc tác cobalt cho phản ứng aryl hóa sử dụng tác nhân sulfamate [38]

Cũng một nghiên cứu khác của tác giả Lutz Ackermann và Weifeng Song trong năm 2012 khi sử dụng muối Co(acac) 2 làm xúc tác cho phản ứng benzyl hóa trực tiếp từ phosphate [38]

Hình 1.14 Xúc tác cobalt cho phản ứng benzyl hoá định hướng vào vòng thơm sử dụng tác nhân phosphate [38]

Một nghiên cứu khác của tác giả Lutz Ackermann và cộng sự trong năm 2013 khi sử dụng xúc tác Co(acac) 2 để thực hiện phản ứng alkyl hóa từ liên kết C-H [39]

10 Hình 1.15 Xúc tác cobalt cho phản ứng alkyl hoá định hướng sử dụng alkyl chloride bậc 2 [39]

1.3.2 Ứng dụng của Co-MOFs trong lĩnh vực xúc tác

Gần đây, khi mà hoá học xanh đặt ra nhiều yêu cầu hơn trong việc hạn chế lượng chất thải độc hại thải ra môi trường, cũng như việc phải loại các vết kim loại ra khỏi sản phẩm phản ứng đã thúc đẩy ngành xúc tác dị thể phát triển Nhận thức được tầm quan trọng cũng như mới mẽ của hướng nghiên cứu này, gần đây đã có những công bố của Co-MOFs trong vai trò xúc tác các quá trình chuyển hóa hữu cơ Ví dụ như năm 2012, tác giả Lida Hamidipour và Faezeh Farzaneh đã sử dụng MOF

[Co 3 (BTC) 2 (HCOO) 4 (DMF)].H 2 O làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa alkanes (như fluorene, adamantane, ethylbenzene, diphenylmethane) và alkenes (như diphenylethylene, trans-stilbene, cyclohexene, norbornene, styrene và cyclooctene) [40] Một nghiên cứu khác trong năm 2011, nhóm nghiên cứu của tác giả Weckhuysen đã sử dụng Co-ZIF-9 làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa phthalan tạo thành phthalide, phthalaldehyde và phthalic [41]

Hình 1.16 Co-ZIF-9 làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa phthalan [41]

Năm 2011, nhóm nghiên cứu của tác giả Nam.T.S Phan đã sử dụng ZIF-8 làm xúc tác cho phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde với malononitrile, phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ phòng trong dung môi toluene [42]

11 Hình 1.17 Phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde với malononitrile sử dụng ZIF-8 làm xúc tác [42]

ZIF-67 (Co(Hmim) 2 ) là một dạng đồng phân cấu trúc của ZIF-8, được tổng hợp từ muối cobalt và ligand 2-methylimidazole Diện tích bề mặt riêng của ZIF-67 tính theo BET là 316 m 2 /g, mục đích đầu tiên khi ZIF-67 được tổng hợp là khảo sát khả năng hấp phụ khí như H 2 , N 2 , CH 4 và CO 2 ở nhiệt độ phòng [43] ZIF-67 có độ bền ẩm và độ bền hóa gần tương đương với ZIF-8 [19,43] Nhờ sự ổn định hóa học cao mà ZIF-67 nổi lên như là một xúc tác tiềm năng trong phản ứng Knoevenagel [42,43].

Tình hình nghiên cứu về phản ứng Ullmann và đóng vòng dẫn xuất của

Diaryl ethers được biết đến như bộ khung quan trọng trong một loạt các sản phẩm tự nhiên có hoạt tính sinh học [7,44], dược phẩm tiềm năng [45], cũng như trong các monomer để tổng hợp polymer chức năng [46] Trong đó có thể nhắc đến Thyroxin-một hormone của tuyến giáp, hay Isodityrosine-thành phần cấu tạo của thành tế bào Vì tầm quan trọng của nó, các nhà khoa học đã tìm nhiều cách để điều chế các chất có hoạt tính sinh học này Một trong những phương pháp đó là thực hiện phản ứng Ullmann để tạo liên kết C-O [44]

12 Hình 1.18 Công thức một số chất chứa nối C-O có hoạt tính sinh học [44]

Sự hình thành một diaryl bằng cách ngưng tụ hai phân tử halogen thơm với xúc tác đồng được gọi là phản ứng Ullmann, công bố đầu tiên vào năm 1901 [45] Từ đó, một loạt các phản ứng dạng Ullmann đã được phát triển với nhiều sự thay đổi, điển hình là các phản ứng ghép đôi C-C, C-N, C-O, C-S [46,47] Ví dụ như năm 2013, tác giả Yong Wang và cộng sự đã thực hiện phản ứng ghép đôi C-O dạng Ullmann giữa iodobenzene và phenol với xúc tác CuI ở 100 o C đạt hiệu suất 77% sau 24h [47] Cũng trong năm này, nhóm nghiên cứu của tác giả R Karvembu và cộng sự thực hiện phản ứng ghép đôi C-S dạng Ullmann khi sử dụng thiophenol và 4-bromobenzonitril với xúc tác dị thể CuO ở nhiệt độ phòng đạt hiệu suất lên đến 92% sau 10h [44]

Hình 1.19 Phản ứng ghép đôi C-S dạng Ullmann khi sử dụng CuO làm xúc tác [44]

Bên cạnh đó, một số kim loại chuyển tiếp được dùng làm xúc tác cho phản ứng dạng Ullmann điển hình như là Fe, Ni, Pd thay thế Cu như trước đây [48-50] Ví dụ như năm 2007, nhóm nghiên cứu của tác giả Lian-Ming Yang và Chen Chen đã sử dụng trans-Haloarylbis(triphenylphosphine)nickel(II) (Ni(II)-Aryl) làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C-N giữa chlorobenzene và aniline đạt hiệu suất 99% [50]

13 Hình 1.20 Phản ứng ghép đôi C-N dạng Ullmann khi sử dụng xúc tác tâm Ni [50]

1.4.2 Phản ứng đóng vòng dẫn xuất của quinazoline

Hiện nay, quinazoline và các dẫn xuất thu hút được nhiều sự quan tâm trong hóa hữu cơ và hóa dược vì các hoạt tính sinh học như chống sốt rét [51], chống ung thư [52,53], kháng virus [54], vi khuẩn [55] và chống lại lao phổi [56] Thông thường, quinazoline và dẫn xuất được tổng hợp từ diamine Điển hình là năm 2011, tác giả Yu và cộng sự đã sử dụng CuCl/DABCO/4-HO-TEMPO làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa hiếu khí tổng hợp 2-(4-chlorophenyl)quinazoline từ 4-chlorobenzaldehyde và 2- aminobenzylamines, hiệu suất đạt được 98% sau 6h [59]

Hình 1.21 Tổng hợp dẫn xuất quinazoline từ 2-aminobenzylamines [59]

Cũng trong một phản ứng tương tự, tác giả Kobayashi và cộng sự sử dụng aminobenzylamines và benzaldehyde để tổng hợp 2-phenylquinazoline với xúc tác hợp kim nano platinum/iridium (Pt/Ir) và 5,5’,6,6’-tetrahydroxy-3,3,3’,3’-tetramethyl-1,1’-spiro-bisindane (TTSBI) đạt hiệu suất 95% [57] Năm 2010, tác giả Fu và đồng nghiệp đã tổng hợp dẫn xuất của quinazoline một cách đơn giản và hiệu quả, CuI được sử dụng làm xúc tác để tổng hợp 2-phenylquinazoline từ (2- bromophenyl)methylamine và benzamide trong điều kiện không cần sử dụng ligand [58]

14 Hình 1.22 Phản ứng tổng hợp 2-phenylquinazoline từ xúc tác tâm Cu [58]

Vào năm 2012, Sekar và cộng sự đã tổng hợp chất trung gian của quinazoline một cách thân thiện hơn với vôi trường, khi dùng chất lỏng ion [NMP] + [HSO4] - vừa làm xúc tác, vừa làm dung môi để tổng hợp từ diethyl 3-aminobenzene-1,2- dicarboxylate với aromatic hoặc aliphatic nitriles [60] Cũng trong năm 2012, tác giả Burri và cộng sự đã tổng hợp 4-methyl-2-phenylquinazoline bằng xúc tác dị thể nano oxit sắt (γ-Fe 2 O 3 ) có khả năng thu hồi dưới điều kiện không cần dung môi [61] Mặc dù kết quả thú vị đã đạt được, việc phát triển một hệ thống xúc tác dị thể hiệu quả vẫn còn được khám phá

Hình 1.23 Tổng hợp dẫn xuất quinazoline bằng xúc tác dị thể γ-Fe 2 O 3 [61].

Mục tiêu đề tài

Như đã trình bày ở trên, vật liệu USO-2-Ni và ZIF-67 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 chủ yếu tập trung vào ứng dụng của USO-2-Ni và ZIF-67 trong lĩnh vực hấp phụ khí, số lượng các nghiên cứu đề cập đến ứng dụng của vật liệu này trong lĩnh vực xúc tác vẫn chưa được khai thác nhiều

15 Bên cạnh đó, dẫn xuất diaryl ethers và quinazolines 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 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 dẫn xuất 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 USO-2-Ni cho phản ứng ghép đôi C-O dạng Ullmann và ZIF-67 cho phản ứng tạo vòng dẫn xuất quinazoline Theo hiểu biết của chúng tôi, hiện nay trên thế giới chưa có báo cáo nào sử dụng ZIF-67 làm xúc tác cho phản ứng hữu cơ

THỰC NGHIỆM

Hóa chất

Bảng 2.1 Danh sách và nguồn gốc hóa chất

Stt Tên hoá chất Hãng sản xuất Độ tinh khiết

17 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 phân tích

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

 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD): Dùng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu, được 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 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 nitrogen ở 77K và áp suất thấp

 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được tiến hành trên máy Netzsch

Thermoanalyzer STA 409 với tốc độ gia nhiệt 10 o C/phút từ nhiệt độ phòng lên 600 oC trong điều kiện khí trơ

 Phân tích nguyên tố bằng phương pháp quang phổ phát xạ plasma trên máy Shimadzu ICPE-9000

 Phổ hồng ngoại (FT-IR) được 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 Scanning Electron Microscope và JEOL JEM 1400 Transmission Electron Microscope

 Các mẫu được phân tích sắc kí khí ghép khối phổ (GC-MS) trên máy Hewlett Packard GC-MS 5972 với cột RTX-5MS (chiều dài cột = 30 m, đường kính trong 0,25 mm, bề dày lớp film = 0,25 àm) Mẫu được gia nhiệt từ 60 lờn 300 o C

 Phân tích sắc kí khí (GC) được tiến hành trên máy sắc ký Shimadzu GC 2010 Plus 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 trỡnh nhiệt được cài đặt như sau: mẫu được giữ tại 100 o C trong 1 phút; sau đó gia nhiệt từ 100 o C lên 280 o C với tốc độ gia nhiệt 40 o C/phút và được giữ tại đây 3 phút

 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Sử dụng máy phổ Bruker AV 500.

Tổng hợp USO-2-Ni và khảo sát hoạt tính xúc tác USO-2-Ni trên phản ứng

USO-2-Ni hay còn gọi là Ni 2 (BDC) 2 (DABCO) được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi bởi nhóm nghiên cứu của Yves J Chaba vào năm 2012 [32] Hỗn hợp của 1,4-benzenedicarboxylic acid (H 2 BDC) (0,830 g, 5 mmol), 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octan (DABCO) (0,336 g, 3 mmol), và Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O (1,16 g, 4 mmol) được hòa tan trong DMF (DMF = N,N’-dimethylformamide, 30 ml) Tiếp theo, hỗn hợp được chia đều vào 3 chai thuỷ tinh (loại 15 ml), đậy kín cho vào tủ 100 o C Sau 2 ngày, các tinh thể màu xanh lục được tách ra bằng cách gạn và được rửa với DMF (3 x 10 ml) trong 3 ngày và trao đổi dung môi với methanol (3 x 10 ml) ở nhiệt độ phòng trong 3 ngày Tiếp theo MOFs được đưa vào hệ thống schlenkline trong chân không ở 140 o C trong 6 giờ, thu được 0,83 g USO-2-Ni với hiệu suất 76% (tính theo số mol nickel)

2.3.2 Khảo sát hoạt tính USO-2-Ni trên phản ứng Ullmann giữa 4- nitrochlorobenzene và phenol

USO-2-Ni được lựa chọn làm xúc tác cho phản ứng Ullmann giữa phenol và 4- nitrochlorobenzene Trong một quy trình phản ứng tiêu biểu, một hàm lượng xác định USO-2-Ni (0,0281 g, 10% mol) cho vào bình phản ứng chứa hỗn hợp gồm 4- nitrochlorobenzene (0,1575g, 1 mmol), nội chuẩn diphenyl ether (0,1 ml), phenol (0,176 ml, 2 mmol), base K 3 PO 4 (0,42 g, 2 mmol) và dung môi N,N’-

19 dimethylformamide (DMF) (5 ml) Hàm lượng chất xúc tác được tính toán dựa trên tỷ lệ mol của Ni/4-nitrochlorobenzene Hỗn hợp phản ứng được khuấy đều ở 80 o C trong vòng 180 phút Độ chuyển hóa của phản ứng được theo dõi bằng cách lấy mẫu gián đoạn sau những thời gian cố định, trích ly với dung dịch KOH 5% và diethyl ether, làm khan bằng Na 2 SO 4 và phân tích bằng sắc ký khí GC dựa trên nội chuẩn diphenyl ether, xác định sản phẩm bằng sắc ký khí khối phổ (GC-MS) Phản ứng có tên

“leaching test” được thực hiện để chứng minh tính dị thể của USO-2-Ni, phản ứng được dừng lại sau 15 phút, hạ xuống nhiệt độ phòng, đem ly tâm gạn bỏ phần rắn Sau đó dung dịch thêm 1 lượng base K 3 PO 4 và tiếp tục thực hiện ở nhiệt độ phản ứng trong 165 phút, độ chuyển hóa của phản ứng nếu có, được theo dõi bằng GC như mô tả ở trên Để khảo sát khả năng thu hồi của USO-2-Ni, xúc tác được lọc ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng, rửa nhiều lần bằng DMF, sau đó rửa 3 lần với methanol trước khi hoạt hóa lại ở 140 o C trong 6h, và tái sử dụng trong điều kiện giống như ban đầu

Hình 2.1 Phản ứng Ullmann giữa 4-nitrochlorobenzene với phenol sử dụng USO-2-Ni làm xúc tác Độ chuyển hóa được tính bằng công thức sau:

S tác chất 1 , S nội chuẩn lần lượt là diện tích của mũi tác chất 1 và nội chuẩn trên sắc kí đồ

20 t o là thời điểm bắt đầu phản ứng

T i là thời điểm lấy mẫu

2.4 Tổng hợp ZIF-67 và khảo sát hoạt tính xúc tác trên phản ứng đóng vòng dẫn xuất của quinazoline từ 2-aminoacetophenone và benzylamine

ZIF-67 được tổng hợp dựa trên ZIF-8 trong môi trường nước [62] Hỗn hợp của 2-methylimidazole (3.284 g, 40 mmol) và triethylamine (5.6 ml, 40 mmol) được hòa tan vào 10 ml H 2 O Đồng thời cũng hòa tan riêng Co(NO 3 ) 2 6H 2 O (0.73 g, 2.5 mmol) trong 10 ml H 2 O Cho dung dịch muối vào dung dịch ligand, tiếp tục khuấy ở nhiệt độ phòng trong vòng 10 phút Kết tủa màu tím xuất hiện và được tách ra bằng cách ly tâm, rửa sạch với nước (3 x 10 ml) và methanol (3 x 10 ml) ở nhiệt độ phòng Vật liệu được hoạt hóa trong chân không ở 150 o C sau 6h, sản phẩm thu được 0,314 g ZIF-67 ở dạng tinh thể màu tím (hiệu suất 56% tính theo số mol cobalt)

2.4.2 Khảo sát hoạt tính ZIF-67 trong phản ứng đóng vòng dẫn xuất của quinazoline từ 2-aminoacetophenone và benzylamine

ZIF-67 được lựa chọn làm xúc tác cho phản ứng đóng vòng dẫn xuất của quinazoline giữa 2-aminoacetophenone và benzylamine Trong một quy trình phản ứng tiêu biểu, một hàm lượng xác định ZIF-67 ( 0,0066 g, 3% mol) được cho vào bình phản ứng chứa hỗn hợp gồm 2-aminoacetophenone (0,122 ml, 1 mmol), nội chuẩn diphenyl ether (0,1 ml), benzylamine (0,164 ml, 1,5 mmol), tác nhân oxy hóa tert- butyl hydroperoxide trong nước (TBHP) (0,685 ml, 5 mmol) và 5 ml dung môi toluene Hàm lượng chất xúc tác được tính toán dựa trên tỷ lệ mol của cobalt/2- aminoacetophenone Hỗn hợp phản ứng được khuấy đều ở 80 o C trong vòng 180 phút Độ chuyển hóa của phản ứng được theo dõi bằng cách lấy mẫu sau những thời gian cố định là 30 phút/mẫu, trích ly với dung dịch KOH 5% và ethylacetate, làm khan bằng Na 2 SO 4 và phân tích bằng sắc ký khí GC dựa trên nội chuẩn diphenyl ether Sản phẩm được tách, tinh chế và xác định sản phẩm bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

21 Để khảo sát khả năng thu hồi của ZIF-67, xúc tác được lọc ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng, rửa nhiều lần bằng dung môi toluene và methanol trước khi hoạt hóa lại ở 150 o C trong 1h, và tái sử dụng trong điều kiện giống như ban đầu Để chứng minh tính dị thể của xúc tác, phản ứng “leaching test” được thực hiện, phản ứng được dừng lại sau 30 phút, hạ phản ứng xuống nhiệt độ phòng, đem ly tâm và gạn bỏ phần rắn Dung dịch sau khi loại bỏ xúc tác cho khuấy thêm 150 phút ở nhiệt độ phản ứng, độ chuyển hóa của phản ứng nếu có, được theo dõi bằng GC như mô tả ở trên

Hình 2.2 Phản ứng đóng vòng dẫn xuất của quinazoline từ 2-aminoacetophenone và benzylamine sử dụng ZIF-67 làm xúc tác Độ chuyển hóa được tính bằng công thức sau:

S tác chất 1 , S nội chuẩn lần lượt là diện tích của mũi tác chất 1 và nội chuẩn trên sắc kí đồ t o là thời điểm bắt đầu phản ứng

T i là thời điểm lấy mẫu

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Kết quả phân tích hóa lý USO-2-Ni và khảo sát phản ứng Ullmann giữa 4-

3.1.1 Kết quả phân tích hóa lý USO-2-Ni

Phân tích nguyên tố của USO-2-Ni bằng quang phổ phát xạ plasma cho thấy hàm lượng nickel đạt được kết quả 19,8% khối lượng gần với giá trị lý thuyết là 21% khối lượng

Kết quả phân tích XRD (hình 3.1) chứng tỏ vật liệu USO-2-Ni thu được có cấu trúc tinh thể cao Mũi nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí 2θ = 7, 9, 17 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 phân tích cũng cho thấy kết quả nhiễu xạ này phù hợp với các công trình công bố trước đây của tác giả Palanikumar Maniam và Norbert Stock [63]

Hình 30.1 Kết quả phân tích XRD: mới tổng hợp (a), đã trao đổi với CH 3 OH (b) và đã hoạt hoá (c) của USO-2-Ni

Phổ FT-IR (hình 3.2) của USO-2-Ni thể hiện một sự khác biệt đáng kể so với 1,4-benzenedicarboxylic acid Sự xuất hiện của các peak mạnh tại 1624 cm -1 cùng với

23 sự dịch chuyển của dải hấp thu tại 1760-1690 cm -1 cho thấy nhóm -COOH trong 1,4- benzenedicarboxylic acid đã chuyển thành nhóm –COO - trong quá trình tổng hợp USO-2-Ni Đồng thời vị trí mũi hấp thu cuả C–N ở 900 và 1100 cm -1 trong phổ FT–IR của DABCO cũng có sự thay đổi cường độ và vị trí số sóng khi so với phổ FT–IR của USO-2-Ni Điều này chứng tỏ có sự hình thành liên kết giữa các cầu nối hữu cơ và ion kim loại

Hình 3.2 Phổ FT-IR của USO-2-Ni (a), 1,4-benzenedicarboxylic acid (b) 1,4- diazabicyclo[2.2.2]octane (c)

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 Kết quả hấp phụ N 2 ở 77K của USO-2-Ni cũng cho thấy điều này (hình 3.3): ở áp suất P/P 0 = 1, thể tích hấp phụ tối đa của vật liệu là xấp xỉ 460 cm 3 /g Bề mặt riêng tính theo phương pháp BET là 1474 m 2 /g, và theo phương pháp Langmuir là 2006 m 2 /g

24 Hình 3.3 Đường hấp phụ và giải hấp N 2 ở 77K trong khoảng áp suất P/P0 = 0 – 1 của

Một kết quả thu được đi kèm không kém phần quan trọng là giản đồ phân bố kích thước lỗ xốp (hình 3.4) Kết quả cho thấy phân bố lỗ xốp của USO-2-Ni khá phức tạp, phân bố từ 6 Ǻ - 9 Ǻ nhưng không tồn tại lỗ xốp có kích thước lớn hơn 20 Ǻ nên USO-2-Ni được xếp vào nhóm vật liệu vi xốp, điều vẫn thường thấy với nhiều loại vật liệu MOFs truyền thống

Hình 3.4 Giản đồ phân bố kích thước lỗ xốp của USO-2-Ni

Phân tích nhiệt trọng lượng là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá sơ bộ độ bền nhiệt của vật liệu [2] Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của USO-2-Ni (hình

25 3.5) cho thấy độ bền nhiệt của USO-2-Ni gần 400 o C và một khoảng mất 66 % khối lượng ở nhiệt độ từ 330 đến 400 o C tương ứng với sự phân huỷ của ligand hữu cơ trong cấu trúc MOFs

Hình 3.5 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của USO-2-Ni

Kết quả hình SEM ( hình 3.6a) cho ta thấy các tinh thể USO-2-Ni có dạng que phù hợp với dạng cấu trúc đã công bố trước đó [63] Kết quả hình TEM (hình 3.6b) một lần nữa khẳng định vật liệu đã tổng hợp có cấu trúc xốp Tuy nhiên, với kỹ thuật chụp ảnh TEM như hiện tại, kết quả TEM không cho nhiều thông tin về cấu trúc sắp xếp của MOFs

Hình 3.6 Kết quả SEM (a) và TEM (b) của USO-2-Ni

3.1.2 Kết quả khảo sát phản ứng Ullmann giữa 4-nitrochlorobenzene và phenol

USO-2-Ni được lựa chọn làm xúc tác cho phản ứng Ullmann giữa phenol và 4- nitroclorobenzene Sản phẩm 1-nitro-4-phenoxybenzene được xác định bằng phương pháp sắc khí ghép khối phổ

Hình 3.7 Phản ứng Ullmann giữa phenol và 4-nitroclorobenzene

Trong những khảo sát đầu tiên, ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa của 4-nitrochlorobenzene được khảo sát trước tiên, phản ứng được thực hiện trong dung môi DMF với tỉ lệ mol 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, dùng 2 đương lượng K 3 PO 4 làm base, với sự có mặt của 10 mol% USO-2-Ni làm xúc tác ở các nhiệt độ 60, 70, 80 và 100 o C trong 180 phút Kết quả khảo sát (hình 3.8) cho thấy ở 60 o C thì độ chuyển hóa của 4-nitrochlorobenzene tăng khá chậm, sau 180 phút độ chuyển hóa chỉ đạt được khoảng 48% Khi tăng nhiệt độ lên 70, 80 và 100 o C độ chuyển hóa tăng đáng kể, 91% ở 70 o C sau phút và 100% ở 80 o C chỉ sau 120 phút và 100 o C chỉ sau 90 phút Tuy nhiên, xu hướng phản ứng trong khoảng nhiệt độ này không chênh lệch nhiều nên 80 o C được chọn làm nhiệt độ để tiến hành những khảo sát tiếp theo Năm 2013, nhóm nghiên cứu của tác giả Yong Wang thực hiện phản ứng giữa 4- nitroclorobenzene và phenol ở 100 o C với CuI làm xúc tác sau 24h đạt hiệu suất 95%

[64] Cũng trong năm 2013, một công bố khác của tác giả Nam T S Phan và các đồng sự cũng đã chứng mình rằng khi thực hiện phản ứng Ullmann giữa phenol và nitroarenes ở 100 o C dùng xúc tác dị thể tâm Cu (Cu 2 (BDC) 2 DABCO) cho độ chuyển hoá đạt cao nhất đạt 100% sau 120 phút [65]

27 Hình 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng

Một yếu tố ảnh hưởng không nhỏ đến một phản ứng được kể đến là tỉ lệ mol của các chất phản ứng Phản ứng được tiến hành ở 80 o C, trong dung môi DMF, khảo sát tỉ lệ mol giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol lần lượt là 1:1, 1:1.5, 1:2 và 1:2.5 Sử dụng 2 đương lượng K 3 PO 4 và 10% mol USO-2-Ni làm xúc tác trong 180 phút Kết quả khảo sát (hình 3.9) cho thấy, sau 180 phút thì tỉ lệ mol giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:1 đạt được 93%, còn các tỉ lệ còn lại đều đạt được độ chuyển hóa 100% Khi càng tăng tỉ lệ mol phenol thì phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng càng nhanh và tỉ lệ giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2 và 1:2.5 không có sự khác biệt nhiều nên tỉ lệ 1:2 được lựa chọn để tiếp tục được khảo sát Kết quả nghiên cứu này tương tự như nghiên cứu của Taeghwan Hyeon và các đồng sự đã khảo sát và thấy rằng ở tỉ lệ 1:2 giữa 4- nitro-clorobenzene và imidazole thì thực hiện phản ứng Ullman đạt hiệu suất cao nhất, 95% sau 18h [67] Tuy nhiên trong một nghiên cứu khác vào năm 2007, nhóm nghiên cứu của tác giả Lei Wang và Tao Miao đã thực hiện phản ứng tương tự giữa iodobenzene với phenol tỉ lệ là 1:1 đạt hiệu suất 93% sau 16h ở 130 o C với xúc tác là Cu/SiO 2 [66]

28 Hình 3.9 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa

Hàm lượng xúc tác cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng mạnh lên độ chuyển hoá của phản ứng Phản ứng được tiến hành ở 80 o C, trong dung môi DMF, tỉ lệ mol giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, dùng 2 đương lượng base K 3 PO 4 , khảo sát hàm lượng xúc tác USO-2-Ni lần lượt là 0 mol%; 5 mol%; 7.5 mol%; 10 mol% trong 180 phút Kết quả khảo sát (hình 3.10) cho thấy phản ứng hầu như không xảy ra khi không có xúc tác, điều này cho thấy vai trò của tâm Ni trong MOF Phản ứng đạt được độ chuyển hóa hoàn toàn khi sử dụng 10 mol% xúc tác chỉ trong 120 phút, còn với 7,5 mol% và 5 mol% lần lượt là 97% và 87% sau 180 phút 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

29 Hình 3.10 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa

Phản ứng loại Ullmann base luôn đóng một vai trò quan trọng nhất định Ví dụ như trong bài báo về phản ứng Ullmann giữa iodobenzene và phenol của Tao Miaoa và Lei Wang khi sử dụng xúc tác Cu/SiO 2 , khảo sát nhiều loại base thì nhận thấy KF là hiệu quả nhất, đạt hiệu suất lên đến 92% [66] Năm 2013, cũng phản ứng Ullmann giữa iodobenzene và phenol được thực hiện bởi Yong Wang và đồng sự đã sử dụng KOH làm base đạt hiệu suất 85% ở 100 o C sau 24h [64] Vì lí do trên, một số base như K 3 PO 4 , TEA, DBU, K 2 CO 3 , LiOtBu, CH 3 ONa 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 80 o C, trong dung môi DMF, tỉ lệ mol giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, hai đương lượng cho mỗi base và 10 mol% xúc tác USO-2-Ni trong 180 phút

30 Hình 3.11 Ảnh hưởng của một số base lên độ chuyển hóa phản ứng

Kết quả phân tích hóa lý ZIF-67 và khảo sát phản ứng đóng vòng dẫn xuất của

3.2.1 Kết quả phân tích hóa lý ZIF-67

Phân tích nguyên tố của ZIF-67 bằng quang phổ phát xạ plasma cho thấy hàm lượng cobalt đạt được kết quả 25,7% khối lượng gần với giá trị lý thuyết là 26,7% khối lượng

Kết quả phân tích XRD (hình 3.23) chứng tỏ vật liệu ZIF-67 thu được có cấu trúc tinh thể cao Mũi nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí 2θ = 7, 10, 13, 16 và 17 o đều là các vị trí góc hẹp (2θ < 20 o ) điều thường thấy trong các kết quả phân tích XRD của các vật liệu MOFs Kết quả phân tích cũng cho thấy kết quả nhiễu xạ này phù hợp với các công trình công bố trước đây của junfeng Qian [43]

Hình 3.23 Kết quả phân tích XRD của ZIF-67 sau khi hoạt hóa (a) và mới tổng hợp

Phổ FT-IR (hình 3.24) của ZIF-67 thể hiện một sự khác biệt đáng kể so với 2- methylimidazole Đặc biệt là 2-methylimidazole có dải rộng từ 3400 cm -1 đến 2200

41 cm -1 , đó là sự xuất hiện của nước do ligand có khả năng hút ẩm cao Điểm khác biệt điển hình giữa ZIF-67 so với 2-methylimidazole sự xuất hiện của peak mạnh từ 3100 cm -1 đến 2800 cm -1 , điều này cho thấy sự xuất hiện nhóm –CH3 của ligand trong ZIF- 67 và có thể có nhóm –C 2 H 5 của triethylamine dư Một điểm khác biệt đó là cường độ hấp thu tại 1800 cm -1 đặc trưng cho C=N biến mất hoàn toàn dải hấp thu của ZIF-67

Hình 3.24 Phổ FT-IR của ZIF-67 (a) và 2-methylimidazole (b)

Khả năng hấp phụ khí của vật liệu ZIF tương đối cao Kết quả hấp phụ N 2 ở 77K của ZIF-67 cũng cho thấy điều này (hình 3.25): ở áp suất P/P 0 = 1, thể tích hấp phụ tối đa của vật liệu là xấp xỉ 200 cm 3 /g Bề mặt riêng tính theo phương pháp BET là 601 m 2 /g, và theo phương pháp Langmuir là 857 m 2 /g, kết quả này phù hợp với những công bố trước đây [62]

42 Hình 3.25 Đường hấp phụ và giải hấp N 2 ở 77K trong khoảng áp suất P/P0 = 0 – 1 của

Một kết quả thu được đi kèm không kém phần quan trọng là giản đồ phân bố kích thước lỗ xốp (hình 3.26) Kết quả cho thấy phân bố lỗ xốp của ZIF-67 khá phức tạp, phân bố trải rộng từ 6 Ǻ - 28 Ǻ, nhưng tập trung chủ yếu từ 6 Ǻ -10 Ǻ nên ZIF-67 được xếp vào nhóm vật liệu vi xốp

Hình 3.26 Giản đồ phân bố kích thước lỗ xốp của ZIF-67

43 Phân tích nhiệt trọng lượng là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá sơ bộ độ bền nhiệt của vật liệu [2] Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của ZIF-67 cho thấy bền nhiệt đến gần 300 o C (hình 3.27) Kết quả cũng một lần nữa cho thấy khi hoạt hoá đã loại bỏ hầu như hoàn toàn các phân tử dung môi còn sót lại sau quá trình tổng hợp và rửa MOF Có hai bước nhảy nhiệt độ quan trọng: từ 100 đến 270 o C tương ứng với sự mất khối lượng của dung môi hoặc nước hấp phụ bên trong vật liệu và từ 270 đến 520 o C tương ứng với sự phá vỡ cấu trúc khung hữu cơ kim loại Kết quả hình SEM (hình 3.28a) cho thấy tinh thể có hình hạt phù hợp với những công bố trước đây [43]

Kết quả hình TEM (hình 3.28b) cho thấy ZIF-67 có cấu trúc xốp và kích thước lỗ xốp phân bố khá phức tạp

Hình 3.27 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của ZIF-67

Hình 3.28 Kết quả SEM (a) và TEM (b) của ZIF-67

3.2.2 Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác của ZIF-67 trên phản ứng đóng vòng dẫn xuất của quinazoline từ 2-aminoacetophenone và benzylamine

ZIF-67 được lựa chọn làm xúc tác để tổng hợp dẫn xuất của quinazoline từ 2- aminoacetophenone với benzylamine

Hình 3.29 Phản ứng đóng vòng từ 2-aminoacetophenone với benzylamine

Trong những khảo sát đầu tiên, ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa của 2-aminoacetophenone được đánh giá trước hết, phản ứng được thực hiện trong dung môi toluene với tỉ lệ mol giữa 2-aminoacetophenone:benzylamine là 1:1.5, dùng 5 đương lượng TBHP trong nước làm chất oxy hóa, với sự có mặt của 3 mol% ZIF-67 làm xúc tác ở các nhiệt độ lần lượt là 60, 70 và 80 o C Kết quả khảo sát (hình 3.30) cho thấy ở 60 o C thì độ chuyển hóa của 2-aminoacetophenone tăng khá chậm, sau 180 phút độ chuyển hóa chỉ đạt được khoảng 58% Khi tăng nhiệt độ lên 70 và 80 o C thì

45 độ chuyển hóa tăng lên rõ rệt, độ chuyển hóa lần lượt là 71% và 98% Do đó, 80 o C là nhiệt độ được lựa chọn để khảo sát các yếu tố tiếp theo Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Wei Yu và cộng sự khi tổng hợp dẫn xuất quinazoline từ 2- aminobenzylamine với 4-chlorobenzaldehyde cũng được thực hiện ở 80 o C đạt hiệu suất 98% [59]

Hình 3.30 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng

Hàm lượng xúc tác cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng mạnh lên độ chuyển hoá của phản ứng Phản ứng được thực hiện trong dung môi toluene ở 80 o C, với tỉ lệ mol giữa 2-aminoacetophenone:benzylamine là 1:1.5, dùng 5 đương lượng TBHP trong nước làm chất oxy hóa, tiến hành khảo sát hàm lượng xúc tác lần lượt là 0 mol%, 1 mol%, 3 mol% và 5 mol% Kết quả khảo sát (hình 3.31) cho thấy phản ứng hầu như không xảy ra khi không có xúc tác, điều này cho thấy vai trò của tâm cobalt trong ZIF Với 1 mol% xúc tác thì độ chuyển hóa của 2-aminoacetophenone đạt được khoảng 71% Trong khi đó với hàm lượng xúc tác là 3% và 5% thì độ chuyển hóa gần như là tương đương nhau, lần lượt là 98 và 94%

46 Hình 3.31 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác ZIF-67 đến độ chuyển hóa của phản ứng Ảnh hưởng của dung môi cũng là một yếu tố quan trọng đến độ chuyển hóa của phản ứng Phản ứng được thực hiện trong một loạt các dung môi như acetonitrile, 1,4- dioxane, DMAc và toluene ở 80 o C trong 180 phút, với tỉ lệ mol giữa 2- aminoacetophenone:benzylamine là 1:1.5, dùng 5 đương lượng TBHP trong nước làm chất oxy hóa, và 10 mol% xúc tác ZIF-67 Kết quả khảo sát (hình 3.32) cho thấy phản ứng gần như không xảy ra đối với các dung môi như acetonitrile, 1,4-dioxane, và xảy ra rất thấp đối với dung môi DMAc là 8% Điều thú vị, trong số các dung môi thì toluene có hiệu quả cao nhất với độ chuyển hóa cho phản ứng đóng vòng là 97% khi sử dụng ZIF-67 làm xúc tác sau 180 phút, điều này phù hợp với nghiên cứu của tác giả Raju Burri và cộng sự [61]

47 Hình 3.32 Ảnh hưởng của các loại dung môi đến độ chuyển hóa của phản ứng Ảnh hưởng của tỉ lệ mol tác chất đến phản ứng tạo vòng khi sử dụng ZIF-67 làm xúc tác cũng đã được khảo sát Phản ứng được tiến hành ở 80 o C trong dung môi toluene, khảo sát tỉ lệ mol giữa 2-aminoacetophenone:benzylamine lần lượt là 1:1, 1:1.25 và 1:1.5, Sử dụng 5 đương lượng TBHP trong nước làm chất oxy hóa và 3 mol% ZIF-67 làm xúc tác Kết quả cho thấy độ chuyển hóa có thể đạt đến 97% sau

180 phút Với trường hợp tỉ lệ mol tác chất là 1:1 thì đạt độ chuyển hóa là 72%, nhưng khi thay đổi thành 1:1.25 thì độ chuyển hóa là 82% sau 180 phút (hình 3.33)

48 Hình 3.33 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol tác chất đến độ chuyển hóa của phản ứng

Với những kết quả đã có, yếu tố tiếp theo được khảo sát là các loại chất oxy hóa

Trước đây Burri và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các chất oxy hóa khác nhau trên phản ứng tạo vòng giữa 2-aminoacetophenone và benzylamine sử dụng các hạt nano oxit sắt (γ-Fe 2 O 3 ) là xúc tác, và chỉ ra rằng TBHP trong nước như là chất oxy hóa tốt nhất cho phản ứng [61] Phản ứng được tiến hành ở 80 o C trong dung môi DMF, tỉ lệ mol tác chất là 1:1.5, khảo sát 5 đương lượng mốt số loại oxy hóa như TBHP, Na 2 S 2 O 8 , DTBP, TBPB và H 2 O 2 , cùng với 3 mol% xúc tác ZIF-67 Kết quả khảo sát cho thấy chỉ có TBPB và TBHP phù hợp với phản ứng khi độ chuyển hóa đạt được lần lượt là 79% và 98% sau 180 phút Còn các chất oxy hóa còn lại như Na 2 S 2 O 8 , DTBP và H 2 O 2 phản ứng hầu như không xảy ra sau 180 phút (hình 3.34)

49 Hình 3.34 Ảnh hưởng của các loại oxy hóa đến độ chuyển hóa của phản ứng Để thấy được hàm lượng TBHP ảnh hưởng thế nào đến tốc độ phản ứng đóng vòng của 2-aminoacetophenone và benzylamine khi sử dụng ZIF-67 làm xúc tác, khảo sát hàm lượng chất oxy hóa TBHP được thực hiện Phản ứng được tiến hành ở 80 o C trong dung môi toluene, tỉ lệ mol tác chất là 1:1.5, khảo sát hàm lượng chất oxy hóa TBHP trong nước lần lượt là 0, 3, 4 và 5 đương lượng, với 3 mol% xúc tác ZIF-67

Kết quả khảo sát (hình 3.35) cho thấy chất oxy hóa đóng vai trò quan trọng trong phản ứng, khi không sử dụng TBHP thì phản ứng không xay ra Độ chuyển hóa tăng dần từ 55%, 85% và 98% tương ứng với lượng TBHP lần lượt là 3, 4, và 5 đương lượng Điều này phù hợp với một số công trình công bố trước đây [61,69] Để xác minh thêm sự cần thiết của chất oxy hóa trong phản ứng đóng vòng của 2-aminoacetophenone và benzylamine sử dụng ZIF-67 làm xúc tác, (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl) oxy (TEMPO) và phloroglucinol như các chất chống oxy hóa được thêm vào hỗn hợp

50 phản ứng sau 30 phút đầu tiên Phản ứng đóng vòng được thực hiện trong toluene ở 80 oC trong 180 phút, tỉ lệ mol tác chất là 1:1.5, với 5 đương lượng chất oxy hóa TBHP và 3 mol% xúc tác ZIF-67 Sau 30 phút, 1 đương lượng chất chống oxy hóa TEMPO được thêm vào hỗn hợp phản ứng, và hỗn hợp được khuấy thêm 150 phút ở 80 o C