Xúc tác trên chất mang rắn đã và đang được các nhà khoa học quan tâm do có ưuđiểm dễ tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng và có khả năng tái sử dụng cao, cũng như giảiquyết được van dé sản phẩm
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA p
ĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH
BUI TAN NGHIA
NGHIÊN CỨU SỬ DUNG VAT LIEU NANO TỪ TÍNH CoFe,0,
LAM CHAT MANG XUC TAC CHO PHAN UNG
KNOEVENAGEL, SONOGASHIRA, SUZUKI, HECK
LUAN AN TIEN SI KY THUAT
TP HO CHI MINH NAM 2013
cổ Gv 6 mướn"
SCOPES
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÙI TẤN NGHĨA
NGHIÊN CỨU SỬ DUNG VAT LIEU NANO TỪ TÍNH CoFe,0,
LÀM CHÁT MANG XÚC TÁC CHO PHÁN ỨNG
KNOEVENAGEL, SONOGASHIRA, SUZUKI, HECK
Chuyên ngành: CONG NGHỆ HOA HOC CAC CHAT HỮU CƠ
Mã số chuyên ngành: 62527505
Phản biện độc lập 1: GS.TS Dinh Thị Ngọ
Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Thị DungPhản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thị Phương PhongPhản biện 2: PGS.TS Đặng Mậu Chiến
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc HạnhNGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC
1 PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam
2 PGS.TS Lê Thị Hồng Nhan
Trang 3LỜI CAM ĐOANTác giả xin cam đoan day là công trình nghiên cứu của bản thân tác gia Các kétquả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từbat kỳ một nguồn nào và dưới bat kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguôn tài liệu
đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tải liệu tham khảo đúng theo yêu cầu
Tác giả luận án
Bui Tan Nghia
Trang 4TÓM TAT LUẬN AN
Hat nano siêu thuận từ CoFe;Ox được tổng hợp bằng phương pháp vi nhũ vabiến tính bằng cách kết hợp ligand và palladium acetate để hình thành xúc tác phức vớihàm lượng palladium 0,30 mmol/g Đặc tính xúc tác được xác định băng phương phápnhiễu xạ tia X (XRD), kính hién vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua(TEM), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), từ kế mẫu rung (VSM), biến đổi Fourierhồng ngoại (FT-IR), quang phố hap thụ nguyên tử (AAS), phân tích hàm lượng nito.Kết quả chứng minh rang hạt nano từ tính Pd(II)-CoFezO¿ là một xúc tác hiệu quả cho
phản ứng ghép đôi carbon-carbon như phản ứng Suzuki giữa 4’-bromoacetophenonevới phenylboronic acid, phan ứng Sonogashira giữa 4’-bromoacetophenone với
phenylacetylene, và phan ứng Heck giữa 4’-bromoacetophenone với styrene dưới điềukiện gia nhiệt thông thường và có sự hỗ trợ vi sóng Hiệu quả xúc tác được đánh giáqua độ chuyền hóa và xác định bằng sắc ký khí Xúc tác có thé được tái sử dụng nhiềulần mà hoạt tính không giảm
Trang 5ABSTRACTCobalt superparamagnetic (CoFe,O,) nanoparticles were synthesized followinga microemulsion method and functionalized by using the supported ligand andpalladium acetate to form the immobilized palladium complex catalyst with apalladium loading of 0.30 mmol/g The catalyst was characterized by X-ray powderdiffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electronmicroscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), vibrating samplemagnetometry (VSM), Fourier transform infrared (FT-IR), atomic absorptionspectrophotometry (AAS), and nitrogen physisorption measurements The resultsproved that the Pd(II)-CoFe.0, magnetic nanoparticles were as an efficient catalyst forseveral carbon-carbon couplings including for the Suzuki reaction between 4’-bromoacetophenone with phenylboronic acid, and the Sonogashira reaction between4’-bromoacetophenone with phenylacetylene, and the Heck reaction between 4’-bromoacetophenone with styrene under conventional and microwave irradiationconditions Efficiency of catalysts in reactions was evaluated by conversion which wasdetermined by gas chromatography The catalysts could be reused several timeswithout significant degradation in catalytic activity.
Trang 6LỜI CÁM ƠN
Tôi xin trân trọng gởi lời cắm ơn sâu sắc đến,
Thay PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam, người thay kính mén đã dẫn đườngkhoa học xuyên suốt cho luận án nà)
Cô PGS.TS Lê Thị Hong Nhan, cô giáo tận tụy đã dành rất nhiêu thời gianvà tâm huyết để hướng dẫn khoa học cho nghiên cứu này
Thay PGS.TS Pham Thành Quân, cô PGS.TS Nguyễn Ngọc Hanh, thay TS.Tổng Thanh Danh và tập thể can bộ giảng viên bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ, Khoa Kỹthuật Hóa hoc, Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã chân thành góp ý và tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận an nay.
Có những lúc khó khăn tưởng chừng không thé vượt qua-vợ tôi- người donghành cùng tôi vượt qua mọi khó khăn trở ngại để hoàn thành nghiên cứu này
Cuối cùng con xin cảm ơn ba, má và gia đình đã tạo nhiễu động lực, nguồn
cảm hứng cho con học tap, nghién cứu.
Trang 7MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HINH ẢNHH - E2 E+E*E*EEE SE SE SEEEEEk kg ng re viiiDANH MỤC BANG BIEU oueieeccccsccesessssssscsccescevscscseeevevscsesecsssvscsesetsvavacsseseevavacaes xviiDANH MỤC CÁC TU VIET TAT oecccccccccscscscesescesscseseesevacscsesvevavacsessseseeseess xviiiGIỚI THIEU wo ceeeeececcccecescscsescesescecacscsceceevavscscsssesavscesesvevecscssestevavacisssesvanscseeteveeaeen |CHƯƠNG 1: TONG QUAN - G11 191111111111 111 5111 51110 11 1111 11g rớt 3
1.5 Phan ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tac palladium được mang trên chat
mang nano từ HM - - - + + + + << << 1101381801131 1111111111005 11111111111 3 11111 v3 x4 22IS (8i 0á — Ố.Ố.Ố.Ố.Ố.Ố.Ố 221.5.2 Vật liệu nano từ tÍnh - - + - - c + + c1 S31 213 1111 1v Y kh nh cv, 27
1.5.3 Vật liệu nano từ tính ứng dụng làm chất mang xúc tác - -: 28
CHUONG 2: THỰC NGHIIỆM LG - 22 2212211231121 931 511 11181 1811 1E ren 37
2.1 Nguyên vật liệu và trang thiẾt bị - «xxx k1 11g ng ng 37
2.1.1 Nguyên vật lIỆu - - Q1 11.11111100 3 1111111101 111111 vs 37
2.1.2 Trang thiẾt bị i- 6 ksk 1x S1 v15 E111 1 111 5 111101 H1 TT 372.2 Tổng hợp XÚC ÁC c1 11T HT TH TT HT TT TH ng go 392.2.1 Tổng hop hat nano từ tính CoFezO¿ (CoFezOx MNP8S) - 5c c5: 392.2.2 Làm giàu -OH trên bề mặt hat nano từ tính CoFezÒ¿ - -cccc se sss sa 392.2.3 Gắn nhóm chức amino lên hat nano từ tính CoFe,O, đã làm giàu —OH 392.2.4 Gan nhóm base Schiff lên hạt nano từ tính được amine hoá IN-MNPs, 2N-
MNPSs va mi IÀàẳaầaặaắẳố A 40
2.2.5 Cô định palladium trên hat nano từ tính ColFezÖ¿ «<< << +: 40
2.3 Khao sát hoạt tính XÚC tac - - ccc- C22132 11 11011 vY ng nh cv ca 412.3.1 Phan ứng KnoevenageÌ - - - «<< 1111310110101 111111111101 111111111132 xx2 412.3.2 Phản ứng Sonogash1ra - - + << << 22 0331110110133 111111111101 311111111111 55 xx2 412.3.3 Phản ứng SuZuKI - «<< + + + 1 1010111010110 101111 3 1 vn vn KT 43
Trang 82.3.4 Phan Ung Heck Ả 44
2.3.5 Xử lý kết quả phân tích GC - < sx St Sv SE SE 111v vn ng ro 45CHƯƠNG 3: KET QUA VA BAN LUẬN G2 2k1 kx kề ks sksrrksee 473.1 Tong hợp XÚc tÁC - cv TH TT HT TH TT HT TH TT TH HT rkg 473.2 Kết quả thực hiện phan ứng Knoevenagel -¿-s xsE+x*x ve csrseeeree 583.2.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của loại dung môi 5 + s+ss+xce se 593.2.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác -s- 5s: 603.2.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của
benzaldehyde 0207575 ŠẼ na ă 61
3.2.4 Kết quả khảo sát tinh di thé của xúc tC cee cecescscesescssecesesceseecscsesevseeees 623.2.5 Kết quả khảo sát kha năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác ‹- 633.2.6 Kết quả khảo sát các tính chất đặc trưng của xúc tác sau thu hồi và tái sử
3001722225 Ả aa 64
3.3 Kết quả thực hiện phản ứng Sonogashira + - 6s SE EsEse£sEseeeree 683.3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của loại base - sec se sxss£sesecxe 693.3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và cường độ chiếu xạ vi sóng 723.3.3 Kết quả khảo sát anh hưởng của hàm lượng xúc tác s5 ss5«: 743.3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng đồng xúc tác Cul 763.3.5 Kết quả khảo sát tỷ lệ mol phenylacetylene: 4°-bromoacetophenone 783.3.6 Kết quả khảo sát tỷ lệ mol KạPOx:4°-bromoacetophenone 803.3.7 Kết qua khảo sát anh hưởng của nhóm thé halogen trên vòng benzene của
Peo] (0) 0) 013010) | 500085788 ÃB na 82
3.3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của vị tri nhóm thé Br- trên vòng benzene của
Peo] (0) 0) 013010) | 500085788 ÃB na 833.3.9 Két qua khảo sát anh hưởng của các nhóm thê trên vòng benzene cuabromobenzZ€fG - - - << - -c + 2s E006 306053 660 6055 6103 605 KH KH vn ve 85
3.3.10 Kết quả so sánh hoạt tính xúc tác Pd-IN-MNPs, Pd-2N-MNPs và
Pd-3N-MNPS TT 1111111011111 1111110111111 1111111111111 01 0 1H11 87
3.3.11 Kết quả khảo sát tinh di thé của xúc tác -¿-¿- + xxx k sex svseseeeree 913.3.12 Kết quả khảo sát kha năng thu hồi va tái sử dụng xúc tac - 933.4 Kết quả thực hiện phản ứng Suzuki ¿s6 xxx EE SE rvcke 943.4.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của loại base - se sess£sesecxe 953.4.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 5 + + se +x£s£sesx xe 97
Trang 93.4.3 Kết quả khảo sát anh hưởng của hàm lượng xúc tác s5 s55«: 983.4.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ty lệ mol phenylboronic acid: 4'-
Trang 10DANH MỤC CÁC HINH ANH
Hình 1.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide va styrene -5¿ 5Hình 1.2 Phản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất aryl halide và phenylboronic acid 5Hình 1.3 Phản ứng Sonogashira giữa các dẫn xuất aryl halide và phenylacetylene 6Hình 1.4 So đồ tông hợp phức Palladium(II) trên các chất mang polysiloxane [37] 7Hình 1.5 Sơ đồ tổng hop xúc tác phức palladium trên chất mang ghép poly(N-
vinylpyrrolidone) — silica [3Ø ]L - - - + 112230311101 110133 11111111110 3 1111111111 13 xe 8
Hình 1.6 So đồ tổng hợp xúc tac Pd — PHEMA/CMK-1[41] 55s xe £es4 9Hình 1.7 So đồ tông hợp xúc tac Hydrogel — Pd(II) [42], - 5 5 55s £+szscsxzxex 9Hình 1.8 Xúc tác palladium trên chất mang Click ionic copolymer [46] 10Hình 1.9 Cấu trúc của các polyamic acid [50] - -c- xxx ceceEseceesrsees 11Hình 1.10 Cơ chế của phản ứng Sonogashira sử dung xúc tac [Cu'Pd'PA][BF,]; [50]
¬— ốc 12
Hình 1.11 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức Pd(II)_PPhz-PMO(Et) [52] - 12Hình 1.12 Sơ đồ tổng hợp phức PA-NHC được mang trên Silica [53] 13Hình 1.13 Sơ đồ tổng hợp phức Pd-NHC ghép hợp chat silica hữu co [54] 14Hình 1.14 So đồ tổng hợp phức palladium-phosphine cô định trên chất mang silica
`? hN{zldẰỖỖ Ố Ố 19Hình 1.24 Hình minh họa các domain cua vật liệu từ ferromagnetic hoặcferrimagnetic 74002121757 e 23Hình 1.25 Mô tả trạng thai các domain cua vật liệu từ ferromagnetic hoặcferrimagnetic khi áp đặt từ trường ngoài [8Š | + << 5c SSS 331113331 24
Trang 11Hình 1.26 Định hướng các moment từ cua paramagnetic (a), ferromagnetic (b),antiferromagnetic (C), ferrimagnetic () - << 3313101111311 1111111551811 1132 24
Hình 1.27 Đường cong từ trễ M(H) và trạng thái của moment từ 5+: 25
Hình 1.28 Quan hệ giữa kích thước hạt với độ từ kháng - «<< << << <2 28
Hình 1.29 Biến tính bề mặt của hạt nano từ tính Fe3;04 bằng dopamine [9] Ị 29Hình 1.30 Biến tính bề mặt của hạt nano SiO, bang silane [91] - «5<: 29Hình 1.31 Biến tính bề mặt của hạt nano từ tính Fe;0, bang cách polymer hóa trựctiếp trên bề mặt hạt nano [91] ¿c2 E k2 E S1 SE E19 SE cv c g gcưn rv: 29Hình 1.32 Biến tính bề mặt của hạt nano từ tính Fe;O, băng cách phủ polymer [91] 29Hình 1.33 Biến tính bé mặt của hạt nano từ tính bang silica theo phương pháp Stober
Hình 3.1 Cấu trúc nhũ kép (bi-layer) bao quanh hạt nano CoFe.0, trong dung dịch
amine hoá (amino silane 2N) - - - c0 0 01101010010 1111111111010 111111111 nh vớ 51
Hinh 3.9 Két qua FT-IR cua hạt nano từ tinh CoFe2O 4g - << << << <<<<<2 53Hinh 3.10 Két qua FT-IR cua hat nano từ tính CoFe,O, được làm giàu -OH 53Hinh 3.11 Két qua FT-IR của hat nano từ tính CoFezOx được amine hoa (silane 2N)54
Trang 12Hình 3.12 Kết qua FT-IR của hạt nano từ tính CoFe,O, đã cơ định ligand base Schiff(silane 2N) (trên) và c6 định palladium (dướii) - - + + + E+ESeEsE ke EsEekeerseexcee 54Hinh 3.13 Két qua TGA va DTA của hat nano từ tinh CoFezx - 55Hinh 3.14 Két qua TGA va DTA của hạt nano từ tính CoFezOx sau khi làm giàu -OH
d)ịấấiaiaiaẳaầaầaẳẳaaaaaậãẽ+ẳẳẮẮẦÂÃ 55
Hình 3.15 Kết quả TGA và DTA của hạt nano từ tính CoFe.O, được amine hoa
mi 985101152) 56
Hình 3.16 Kết quả TGA va DTA của hạt nano từ tính CoFezOx được cố định ligand
base Schiff (amino silane 2N) ĐI HỎồŨŨ Ố 57
Hình 3.17 TGA va DTA của xúc tac palladium được cỗ định trên chất mang nano từ
tính (amino Silane 2ÌN) - -Lccc c1 110110100 111111111110 11T cv c4 58Hình 3.18 Phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde với malononitrile 59
Hình 3.19 Anh hưởng của dung mơi lên độ chuyển hố của phan ứng 59Hình 3.20 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyên hố của phản ứng 60Hình 3.21 Ảnh hưởng của các nhĩm thế trên vịng benzene lên độ chuyển hố của
081i 1211177 .ớỢ 61
Hình 3.22 Co chế của phan ứng Knoevenagel sử dụng xúc tac base ran [202] 62Hình 3.23 Kiểm tra tính dị thể của xúc taC ccccccccccsscssesseseescescescescesceseeseesesaesseseseaees 62Hình 3.24 Kết quả khảo sát khả năng thu hồi va tái sử dụng xúc tác - 63Hình 3.25 Kết quả XRD của hạt nano từ tính CoFe;Ox được amine hố trước khi sửdụng làm xúc tác (a) và (b) sau khi sử dụng làm xúc tác 5 lần - se csesxcs¿ 65Hình 3.26 Anh SEM của hạt nano từ tính CoFe,O, được amine hố trước khi sử dụng(a) và (b) sau khi sử dụng làm xúc tác 5 lẦn + + ESxEE SE cv vs rvcke 66Hình 3.27 Anh TEM của hat nano từ tính CoFe;O„ được amine hố trước khi sử dụng(a) và (b) sau khi sử dụng làm xúc tác 5 lẦn + + ESxEE SE cv vs rvcke 67Hình 3.28 Đường cong từ trễ của hat nano CoFe;Ox được amine hố trước khi sửdung (a) và (b) sau khi sử dụng làm xúc tác 5 lần ¿- 6k £+x+xcEsEskcsrseeeree 68Hình 3.29 Phan ứng Sonogashira giữa các dẫn xuất aryl halide và phenylacetylene 69Hình 3.30 Cơ chế của phan ứng Sonogashira được đề nghị bởi Najéra [209] 70Hình 3.31 Ảnh hưởng của loại base lên độ chuyển hĩa của phản ứng trong điều kiện
gia nhiệt thơng thường + + < 1.01011111011011 11 11111101 1111111111 1 1 1v vớ 71
Hình 3.32 Ảnh hưởng của loại base lên độ chuyến hĩa của phan ứng trong điều kiệngia nhiệt băng Vi SĨNg L1 11T ST TT TH TH TT TH HT TH ng ng g 72
Trang 13Hình 3.33 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa của phan ứng trong điều kiện
gia nhiệt thông thường + + < 1.01011111011011 11 11111101 1111111111 1 1 1v vớ 73
Hình 3.34 Ảnh hưởng của cường độ chiếu xạ vi sóng lên độ chuyển hóa của phản ứngHình 3.35 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác Pd-2N-MNPs lên độ chuyển hóa trongđiều kiện gia nhiệt thông thường - + SE 1E SE 1T HH ng ng 75Hình 3.36 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác Pd-2N-MNPs lên độ chuyển hóa củaphản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng G- - S1 ve sveo 75Hình 3.37 Ảnh hưởng của hàm lượng đồng xúc tác Cul lên độ chuyến hóa của phảnứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường c2 SE SE vs rvgcseeo 76Hình 3.38 Ảnh hưởng của hàm lượng đồng xúc tác Cul lên độ chuyến hóa của phảnứng trong điều kiện gia nhiệt bang vi sÓng - c1 SE E1 vn ngu 77Hình 3.39 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol phenylacetylene: 4’-bromoacetophnone lên độchuyền hóa của phan ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường - 79Hình 3.40 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol phenylacetylene: 4’-bromoacetophnone lên độchuyền hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 79Hình 3.41 Ảnh hưởng của ty lệ mol K3PO,:4’-bromoacetophenone lên độ chuyển hóacủa phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường - + + se £se++s£+xsxcxẻ 80Hinh 3.42 Anh hưởng cua ty lệ mol K3PO,:4’-bromoacetophenone lên độ chuyển hóacủa phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng - 6c cv se scsrseeeree 81Hình 3.43 Anh hưởng của nhóm thé halogen trên vòng benzene của acetophenone lênđộ chuyên hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường - 82Hình 3.44 Ảnh hưởng của nhóm thé halogen trên vòng benzene của acetophenone lênđộ chuyên hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng - 83Hình 3.45 Anh hưởng của vi trí nhóm thé Br- trên vòng benzene của acetophenonelên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 84Hình 3.46 Anh hưởng của vi trí nhóm thé Br- trên vòng benzene của acetophenonelên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 85Hình 3.47 Ảnh hưởng của các nhóm thé trên vòng benzene của bromobenzene trongđiều kiện gia nhiệt thông thường - + SE 1E SE 1T HH ng ng 86Hình 3.48 Ảnh hưởng của các nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzene trongđiều kiện gia nhiệt bằng Vi SÓng - - - s1 1E TT HT TH ng 86
Trang 14Hình 3.49 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt thông thường - s5: 88Hình 3.50 So sánh hoạt tính cua xúc tac 1, xúc tác 2, xúc tac 3 khi su dụng tác chất4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt bang vi sóng sex: 89Hình 3.51 So sánh hoạt tính cua xúc tac 1, xúc tác 2, xúc tac 3 khi su dụng tác chất4’-bromonitrobenzene trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng - cs sex: 89Hình 3.52 So sánh hoạt tinh của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tac 3 khi sử dung các dẫn
xuât của bromobenzene chứa nhóm thê đây điện tử trong điêu kiện gia nhiệt băng vi
Hình 3.53 So sánh hoạt tính của xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất bromonitrobenzene trong điều kiện gia nhiệt thông thường 2-5 s s se: 90Hình 3.54 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng các dẫnxuất của bromobenzene chứa nhóm thế đây điện tử trong điều kiện gia nhiệt thông
4'-71075101155 ằằ 9]
Hình 3.55 Khảo sát diễn bién phan ứng của dung dịch sau khi đã tách xúc tác 2 trongđiều kiện gia nhiệt thông thường - + SE 1E SE 1T HH ng ng 92Hình 3.56 Khảo sát diễn biễn phản ứng của dung dịch sau khi đã tách xúc tác 3 trongđiều kiện gia nhiệt thông thường - + SE 1E SE 1T HH ng ng 92
Hình 3.57 Xúc tác Pd-2N-MNPs được phân tán trong dung môi DMF (a) và 93
Hình 3.58 Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác trong điều kiện gia nhiệt thông
gia nhiệt thông thường + + < 1.01011111011011 11 11111101 1111111111 1 1 1v vớ 96
Hình 3.63 Ảnh hưởng của loại base lên độ chuyển hoá của phan ứng trong điều kiệngia nhiệt băng Vi SÓNg L1 11T ST TT TH TH TT TH HT TH ng ng g 97Hình 3.64 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng trong điều kiện
gia nhiệt thông thường + + < 1.01011111011011 11 11111101 1111111111 1 1 1v vớ 98
Hình 3.65 Anh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của phản ứng trongđiều kiện gia nhiệt thông thường - + E3 xxx E1 kg ng ng ng 98
Trang 15Hình 3.66 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyên hoá của phản ứng trongđiều kiện gia nhiệt bằng Vi SÓng - - - s1 1E TT HT TH ng 99Hình 3.67 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol phenylboronic acid: 4’-bromoacetophenone lênđộ chuyển hoá của phan ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 100Hình 3.68 Ảnh hưởng vị trí nhóm thế Br- trên vòng benzene của acetophenone lên độchuyền hoá của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường -. 101Hình 3.69 Ảnh hưởng vị trí nhóm thé Br- trên vòng benzene của acetophenone lên độchuyền hoá của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng - 102Hình 3.70 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzenelên độ chuyển hoá của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 105Hình 3.71 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzenelên độ chuyển hoá của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bang vi sóng 105Hình 3.72 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của phenylboronieacid lên độ chuyền hoá của phan ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 105Hình 3.73 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene củaacetophenone lên độ chuyền hoá của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thườngHình 3.74 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene củaacetophenone lên độ chuyển hoá của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóngHình 3.75 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt thông thường - - 5s: 108Hình 3.76 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2 khi sử dụng tác chất 4'-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng c- 65s se: 108Hình 3.77 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng các dẫn
xuât của bromobenzene chứa các nhóm thê đây điện tử trong điêu kiện gia nhiệt thông
Hình 3.78 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tac 2, xúc tác 3 khi sử dụng tac chất bromonitrobenzene trong điều kiện gia nhiệt thông thường 2 sex: 109Hình 3.79 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2 khi sử dụng tác chất 4-bromobenzonitrile và bromobenzene trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 110Hình 3.80 Khao sát tinh di thể của xúc tác 2 trong điều kiện gia nhiệt thong thường
Trang 164-Hình 3.81 Khảo sát tính dị thể của xúc tác 3 trong điều kiện gia nhiệt thông thường
54:811011908010190:15011/07/22222211757 115
Hình 3.87 Anh hưởng của loại base lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều kiện gia
Mhi€t thong thurONg ce II 116
Hình 3.88 Ảnh hưởng của loại base lên độ chuyén hóa của phan ứng trong điều kiệngia nhiệt bằng Vi SÓng - - - - se 112313 11111111 5111111111151 11 1101111111101 111 111k 116Hình 3.89 Anh hưởng của loại base lên độ chọn loc của phan ứng trong điều kiện gianhiệt bằng Vi SÓng 1k1 1c HT HT TT TT TH HT TH TH HH: 117Hình 3.90 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyén hóa của phản ứng trongđiều kiện gia nhiệt thông thường G- G - St+sE St 3xx về 1c cưng nen ckg 118Hình 3.91 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều
kiện gia nhiệt thông thường - + Ă 5< Q.1 311011000 11111111110 1 111111 v2 xe 118
Hình 3.92 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyén hóa của phan ứng trongđiều kiện gia nhiệt bằng Vi sÓng -¿-c- + t1 1c TS 1n ng ng rkg 119Hình 3.93 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chon lọc của phản ứng trong điềukiện gia nhiệt bằng vi sÓng - k1 11T HT ng TH TH ru 119Hình 3.94 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa của phan ứng trong điều kiện
gia nhiệt thông thường + + + - << 0000110101131 1111111110110 111111111100 1 1n v34 120
Hình 3.95 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều kiện gia
Mhi€t thong thurONg ce II 120
Hình 3.96 Ảnh hưởng của ty lệ mol tác chat lên độ chuyển hóa của phản ứng trongđiều kiện gia nhiệt thông thường G- G - St+sE St 3xx về 1c cưng nen ckg 121Hình 3.97 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol tác chất lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều
kiện gia nhiệt thông thường - + Ă 5< Q.1 311011000 11111111110 1 111111 v2 xe 122
Trang 17Hình 3.98 Ảnh hưởng của ham lượng base lên độ chuyến hóa của phản ứng trongđiều kiện gia nhiệt thông thường G- G - St+sE St 3xx về 1c cưng nen ckg 122Hình 3.99 Ảnh hưởng của hàm lượng base lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều
kiện gia nhiệt thông thường - + Ă 5< Q.1 311011000 11111111110 1 111111 v2 xe 123
Hình 3.100 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzene lên độchuyền hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 124Hình 3.101 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzene lên độchuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bang vi sóng -s: 125
Hình 3.102 Giai đoạn cộng hợp oxy hóa trong chu trình xúc tác của phản ứng Heck
Hình 3.103 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenonelên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 126Hình 3.104 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenonelên độ chọn lọc của phan ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 127Hình 3.105 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenonelên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bang vi sóng 127Hình 3.106 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenonelên độ chọn lọc của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng - 128Hình 3.107 Ảnh hưởng của vị tri nhóm thé Br trên vòng benzene của acetophenonelên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bang vi sóng 129Hình 3.108 Khảo sát tính dị thể của xúc tác 2 trong điều kiện gia nhiệt thông thường
Lda HỒ .ố 130
Hình 3.109 So sánh hoạt tính xúc tac 1,2,3 khi sử dung tác chất bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt thông thường - - 5s 5°: 131
4’-Hình 3.110 So sánh độ chọn lọc của cua phan ứng với các xúc tác 1,2,3 khi su dung
tác chất 4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt thông thường 131Hình 3.111 So sánh hoạt tinh xúc tác 1,2 khi sử dung tac chat 4’-bromoacetophenonetrong điều kiện gia nhiệt bằng Vi sÓng cv 1T SE ngưng gu 132
Hình 3.112 So sánh độ chọn lọc của của phản ứng với các xúc tác 1,2 khi sử dụng tác
chất 4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt bang vi sóng - 132Hình 3.113 So sánh hoạt tinh xúc tác 1,2,3 khi sử dụng tác chất là 4-bromonitrobenzene va 4-bromotoluene trong điều kiện gia nhiệt thông thường 133
Trang 18Hình 3.114 Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác trong điều kiện gia nhiệt thông
Trang 19DANH MỤC BANG BIEU
Bang 1.1 Các phản ứng ghép đôi tiêu biỀu -G- < 6 SE E1 vs ceEsErkekreeseeed 3Bang 1.2 Phân loại các phương pháp biến đối bề mặt của chất mang nano từ tính [91]Bảng 1.3 Các phản ứng ghép đôi trên xúc tác nano palladium được cô định trên chất
MAN NANO tr tH 000000707077 .Ằ laáááắầắ 36
Trang 20DANH MỤC CÁC TU VIET TATAAS: Atomic Absorption Spectrophotometers
DTA: Differential thermal analysisFT-IR: Fourier transform infrared spectroscopyGC: Gas chromatography
GC-MS: Gas chromatography—mass spectrometryMNPs: Magnetic nanoparticles
SEM: Scanning electron microscopeTEM: Transmission electron microscopyTGA: Thermal gravimetric analysisVSM: Vibrating sample magnetometerXRD: X-ray Diffraction
Trang 21GIỚI THIỆUNgày nay, các phản ứng phép đôi carbon-carbon (carbon-carbon coupling
reactions) được ứng dụng rộng rãi trong quá trình tổng hợp các hợp chất có hoạt tính
sinh học, vật liệu kỹ thuật và hóa chất cao cấp Trong đó, các phản ứng Heck, Suzuki
và Sonogashira được tiễn hành với sự có mặt của xúc tác palladium đang nhận đượcnhiều quan tâm Xúc tác palladium được sử dụng ở cả hai dạng là xúc tác đồng thể vàdị thể và có rất nhiều nghiên cứu đã tập trung khảo sát hoạt tính và khả năng ứng dụngcủa các dạng xúc tác nay Tuy nhiên, mỗi loại xúc tác đều có những ưu-nhược điểmkhác nhau Yêu cầu quan trọng của các chất xúc tác, đặc biệt là những xúc tác kim loạiquý hiếm, là hoạt tính, độ chon lọc cao, dé dàng tách ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng vàkhả năng tái sử dụng cao Trong phương pháp tiếp cận "hóa học xanh" cho các phảnứng có xúc tác, thu hôi và tái sử dụng xúc tác sẽ trở thành một yếu tố quan trọng bởi vìyêu cầu nghiêm ngặt về sinh thái và phát triển bền vững [1]
Xúc tác trên chất mang rắn đã và đang được các nhà khoa học quan tâm do có ưuđiểm dễ tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng và có khả năng tái sử dụng cao, cũng như giảiquyết được van dé sản phẩm phan ứng bị nhiễm vết kim loại nặng nhưng có nhượcđiểm rất lớn là khả năng phân tán kém dẫn đến điều kiện phản ứng rất khắc nghiệt sovới những xúc tác đồng thể Nhược điểm này có thể được khắc phục băng cách giảmkích thước của các hạt xúc tác về vùng nano để tăng diện tích bề mặt riêng và đồng
thời lam tăng hoạt tính xúc tác Tuy nhiên, khi hạt xúc tác có đường kính nhỏ hơn 100
nm rất khó tách bằng các phương pháp thông thường như lọc hoặc ly tâm.Trong những năm gần đây, vật liệu có cau trúc spinel ferrite được giới khoa họcquan tâm nhiều, nhất là khi đưa về kích thước nano vi thể hiện những tính chất đặcbiệt dựa trên cẫu trúc tinh thé và hóa hoc của chúng Khi sử dụng làm chất mang choxúc tác ở kích thước nano, chúng dễ dàng phân tán trong dung môi và tiếp cận với tácchất Điểm nổi bật nhất của hạt nano spinel ferrite khi được sử dụng làm chất mangcho xúc tác là có thể dễ dàng loại bỏ ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng một từ trường
ngoài [1].
Trang 22Với luận án này, khả năng ứng dụng của hạt nano từ tính làm chât mang xúc tác
palladium trong một số phản ứng ghép đôi carbon-carbon như Heck, Suzuki và
Sonogashira đã được nghiên cứu Trọng tâm chính của các khảo sát nhăm đánh giáhoạt tính, độ chọn lọc và khả năng thu hôi, tái sử dụng của xúc tác Với mục tiêu trên,luận án bao gôm các nội dung nghiên cứu như sau:
1. Tong hop xuc tac cố định trên vật liệu nano từ tinh
Nghiên cứu kha năng xúc tác cho phản ứng Knoevenagel2
3.
4
5Nghiên cứu kha năng xúc tác cho phản ứng Sonogashira Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phan ứng Suzuki Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng HeckMục tiêu của nghiên cứu là tìm ra dạng xúc tác mới đê nâng cao giá trị của sản
phẩm hạn chế ít nhất sản phẩm phụ, tai sử dụng xúc tac để đem lại lợi ích về kinh tế
Bên cạnh đó, đê tài cũng mong muôn đóng góp thêm vào các nghiên cứu về tính châtvà khả năng ứng dụng của vật liệu nano từ tính trong các phản ứng nêu trên và hy
vọng trong thời gian sớm nhất chúng sẽ áp dụng trong sản xuất thực tế tại Việt Nam
Trang 23CHƯƠNG 1: TONG QUAN1.1 Giới thiệu
Phản ứng ghép đôi carbon-carbon xây dựng bộ khung carbon phức tạp từ những
phân tử đơn giản nhờ vào các xúc tác kim loại chuyền tiếp đã và dang thu hút sự quantâm đặc biệt của cộng đồng các nhà khoa học trong những năm vừa qua Những phảnứng ghép đôi tiêu biểu như là Heck, Suzuki, Sonogashira, Negishi, Stille [2] Bang
1.1 trình bày các phản ứng ghép đôi homo-coupling va cross-coupling thường gặp.
Bảng 1.1 Các phản ứng ghép đôi tiêu biểu
Phản ứng |Năm| TácchấtA | Tác chấtB | R99/cross | Xúc | Chị chúcoupling tác
Wurtz 1855 R-X sp” R-X | sp° homo NaGlaser 1869 | RC=CH | sp | RC=CH | sp homo CuUllmann 1901 | Ar-X | sp? | Ar-X | sp? homo CuGomb Co su
OMmmste” 1 1924} Ar-H | sp? | Ar-N>X | sp?| cross hiện
Bachmann dién của
baseCadi Có sự
adiot | 1957 | RC=CH sp | RC=CX | sp cross Cu | hiện
Chodkiewicz dién ctia
baseCastro- 1963 | RC=CH | sp | Ar-X | sp? cross Cu
StephensGilman 1967 | R;CuLi R-X cross
Cassar 1970 | Alkene | sp? | R-X | sp’ Cross Pd
-Me- 2 PdKumada | 1972 Are sp Ar-X | sp? cross hoặc
Ni
Trang 24Bang 1.1 Các phản ứng ghép đôi tiêu biéu (ấp theo)
Phánứng |Năm| Tacehdt A | lế€ chât |homo/eross | Xúc | Gai chúB coupling tác
Có sự hiệnHeck 1972 | Alkene | sp? | R-X | sp? Cross Pd diện cua
basePd | Có sự hiện
3 L L
Sonogashira | 1975 | RC=CH | sp | R-X kề Cross va dién cua
P Cu base
sp’, sp? PdNegishi 1977 | R-Zn-X | sp?, | R-X Cross hoặc
2 R- 3Fukuyama | 1998 |RCO(SEt) | sp Zn-[ | SP Cross Pd
Trong các phan ứng ghép đôi carbon-carbon thì phản ứng Heck, Suzuki và
Sonogashira được xem là những loại phản ứng quan trọng nhất, được ứng dụng rộngrãi trong các ngành sản xuất dược phẩm, sản xuất các hoá chất cao cấp cũng như các
vật liệu kỹ thuật có tính năng cao [3].
Ví du, phản ứng ghép đôi Heck (hình 1.1) là một giai đoạn trong quá trình điềuchế dược phẩm CP-724,714 (quinazoline) [4] - là dược phẩm có khả năng ngăn ngừabệnh ung thư, hoặc trong quá trình điều chế dược phẩm BMS-204352 - là dược phẩm
Trang 25có khả năng chống đột quy [5] Phản ứng ghép đôi Heck cũng là một hay nhiều giaiđoạn trong quá trình điều chế một số dược phẩm khác có cau trúc phức tạp dựa trên cơsở các hoạt chất có nguồn gốc tự nhiên như rosavin và dẫn xuất [6], resveratrol và dan
xuất [7] hoặc trong quá trình điều chế một số loại thuỷ tinh hữu cơ hoặc polymer dẫn
điện có tính năng đặc biệt [8] Ngoài ra, rất nhiều quá trình điều chế những dược phẩmquan trọng khác cũng như những hợp chất trung gian có giá trị cần sử dụng đến phản
(rans-isomer geminal-isomer cis-isomer
Hình 1.1 Phan ứng Heck giữa các dan xuất aryl halide va styrenePhan ứng ghép đôi Suzuki (hình 1.2) là một giai đoạn trong quá trình điều chếcác dẫn xuất của pyridazine có nhiều hoạt tinh sinh học như kháng khuẩn, chống tramcam, hạ huyết áp, giảm đau, kháng viêm, chống ung thư [9-11], hoặc các được phẩmkhác như thuốc gây ức chế, ngăn ngừa ung thư tuỷ TMC-95A [12], epothilone và cácdẫn xuất được sử dụng trong điều trị ung thư [13], (4)-dynemicin A [14],
discodermolide [15] kháng ung thư, oximidine II có tác dụng kháng u [16], dragmacidin F khang virus [17], dragmacidin D [18], dragmacidin B, C [19], boscalid
()-kháng nam [20], valsartan điều trị huyết áp [21] Các dẫn xuất của piperazin nhưamoxapine chống trầm cảm, cyclizine kháng histamine va tác động cholinergic,sildenafil (Viagra) gây ức chế, imatinib chống rối loạn chuyển hóa tyrosine đượctong hợp bang quy trình có sử dụng phản ứng Suzuki trong điều kiện gia nhiệt có sựhỗ trợ vi sóng [22]
Pd
Hình 1.2 Phản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất aryl halide va phenylboronic acid
Trang 26Một vi dụ khác, phản ứng ghép đôi Sonogashira (hình 1.3) được su dụng trong
quy trình tong hợp các dược phẩm như các lipoxin và dẫn xuất có tác dụng chong viêm[23-25], (—)-CPzs-disorazole C¡ có tac dụng chống ung thư ruột kết [26] (+)-ginkgolideB có tác dụng giảm đau nửa đầu [27], eniluracil là thuốc ức chế và chống ung thư [28],
frondosin B kháng thể interleukin-8 [29], thuốc kháng sinh calicheamicin A [30].
hoặc thuốc kháng ung thư dynemicin A [31-34].Rr )-x- =< ) Po}, Cur, rt \ =< )
Hình 1.3 Phản ứng Sonogashira giữa các dẫn xuất aryl halide va phenylacetyleneCác xúc tác truyền thống sử dụng cho các phản ứng ghép đôi là các phứcphosphine palladium đồng thể, các xúc tác phức này có hoạt tính và độ chọn lọc cao[2] Tương tự như các xúc tác đồng thé khác, các xúc tác phức phosphine palladium cónhược điểm là khó tách ra khỏi hỗn hợp sản phẩm, không có khả năng thu hồi và tái sửdụng Van dé sản phẩm bị nhiễm vết kim loại nặng rat quan trọng và can phải giảiquyết triệt để của ngành công nghiệp hóa dược Ngoài ra, phosphine là loại hợp chấtcó độc tính và chi phí cao, không thé thu hồi và tái sử dụng Trong nhiều trường hợp,chi phí dành cho việc xử lý phosphine và các van dé liên quan đến phosphine cao hơn
chi phí dành cho palladium [35].
Dé giải quyết van dé nay trong bối cảnh hóa học xanh dang được quan tâm, với
tiêu chí tìm ra những loại xúc tác xanh và sạch hơn cho phản ứng ghép đôi Heck,
Suzuki và Sonogashira , nhiều loại xúc tác trên chat mang răn đã và đang được cácnhà khoa học trên thế giới nghiên cứu Xúc tác trên chất mang rắn có ưu điểm dễ táchra khỏi hỗn hợp phản ứng và có khả năng tái sử dụng, cũng như giải quyết được vấn đềsản phẩm phản ứng bị nhiễm vết kim loại nang, dap ứng được một tiêu chi của hóa hocxanh Hàng năm, hang trăm bài báo về nhiều khía cạnh khác nhau của phản ứng ghépđôi Heck, Suzuki và Sonogashira, đặc biệt la van đề liên quan đến xúc tác, đã đượccông bồ trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín O đây chỉ giới thiệu một số công trìnhtiêu biểu được công bố trong thời gian gần đây
Trang 271.2 Phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác palladium được mang trênchat mang polymer
Một trong những hướng nghiên cứu dang được quan tâm là sử dụng các polymer
làm chất mang cho xúc tác phức palladium Ví dụ như công trình nghiên cứu về phản
ứng Heck được tác giả Minfeng Zeng và cộng sự [36] thực hiện Các tác giả sử dụng
các hat vi cầu chitosan được xử lý bang polyethylene glycol (PEG) làm chat mang choxúc tac palladium, xúc tác điều chế được có hoạt tính cao, dé thu hồi và tái sử dụnghơn 10 lần trong phản ứng Heck giữa các aromatic halide với các acrylate Hơn nữa hệxúc tác nảy còn được sử dụng tốt trong dung môi nước do tính ưa nước của các nhóm
— OH và —NH; của chitosan Một ví dụ khác, tác gia Marek Cypryk va cộng sự [37]
điều chế các polymer polysiloxane có chứa nhóm thế vinyl- hoặc
2-butylthioethyl-hoặc 2-diphenylphosphinoethyl-, sau đó cho các polymer này tác dụng với
PdCl,(PhCN), dé hình thành xúc tác phức palladium (II) (hình 1.4) Xúc tác được kiểmtra hoạt tính băng phản ứng Heck và so sánh hoạt tính xúc tác với trường hợp sử dụngxúc tác đồng thé PdCl›(PhCN); Xúc tác phức Pd(II) trên chất mang polymer machthăng được tái sử dụng đến 11 lần mà độ chuyển hoá chỉ giảm từ 99% đến 85%
SBu PPh,| BuSH PhaPH
MeaSi SiO SIMea MeaSĩi lệ SiMe; ——“—> MeaSi SiO SiMe3Me /n AIBN Me /n AIBN Me /n
L PdCls(PhCN); L PdCly ~~~~ SiOw >~ >=SÌOwww
Me toluene, r.t Me
L= CH=CH>, CHaCH;SBu, CH,CH,PPh;
Hình 1.4 So đồ tổng hop phức Palladium(II) trên các chat mang polysiloxane [37]
Tác giả Linjun Shao và cộng sự [38] sử dụng lưới sợi nano poly(vinyl alcohol)
(PVA) để cố định xúc tác palladium (Pd/PVA), tác giả sử dụng phương pháp xử lýnhiệt để hình thành mạng lưới sợi nano liên kết ngang của PVA và khử Pdf” về Pd’.Hoạt tính và khả năng thu hồi tái sử dụng của xúc tác răn được kiểm tra bằng phản ứngUllmann, Heck và Sonogashira với các tác chất aromatic halide Việc cố địnhpalladium lên PVA hình thành sợi nano Pd/PVA dễ phân riêng và thu hồi, hơn nữahoạt tinh xúc tác cao và ôn định của Pd/PVA có được là do sự tạo phức của palladium
Trang 28với các nhóm — OH của PVA Tác giả Bahman Tamami và cộng sự [39] tong hợp xúctác phức palladium trên chất mang poly(N-vinylpyrrolidone) (PVP) liên kết silica(hình 1.5) Xúc tac răn điều chế có kích thước nano, được kiểm tra hoạt tính bằng phảnứng Heck giữa các aryl halide với các dẫn xuất alkene (hiệu suất đạt được 95%), xúctác này được thu hồi và tái sử dụng đến 7 lần mà hoạt tính không giảm.
0 —O
—O THF/Et-N ZZ` “~TMNH> + AG 3 > ON A yO
0°C Z H
đa ON Nit PdCl,> |I—o—si7 ~“ N
Benzoyl peroxide a H CHoLN n DMF, 80°C
Tác giả Peipei Zhou và cộng su [40] sử dụng sợi nano bacteria cellulose lam chat
mang cho xúc tác phức Pd(0) sau đó tác gia thực hiện phản ứng Heck trên xúc tác nay
giữa các aryl halide với styrene hoặc các acrylate cho hiệu suất từ 86 đến 96%, xúc tácđược thu hồi và tái sử dụng đến 5 lần mà hiệu suất chỉ giảm 10% Tác giả Roozbeh
Javad Kalbasi va cộng sự [41] sử dung poly(2-hydroxyethyl methacrylate) ghép
CMK-1 (PHEMA/CMK-CMK-1) làm chat mang cho xúc tác nano palladium hình thành hệ xúc tácphức Pd-PHEMA/CMK-I PHEMA/CMK-1 được điều chế băng phương pháp
polymer hoá 2-hydroxyethyl methacrylate ngay trên CMK-1, các hạt nano palladium
được điều chế bằng cách sử dung hydrazine hydrate (N;H„.HạO) khử palladium acetate(hình 1.6), xúc tác điều chế được có hoạt tinh cao trong phản ứng Heck giữa các aryl
halide với các dân xuât olefin, phản ứng có hiệu suât cao và thời gian phản ứng ngăn.
Trang 29PHEMAIGMK.-1 Pd-PHEMA/CMK-1
fue : Poly(2-hydroxt ethyl methacrylate)
y 2 BP: Benzoyperonide
Hình 1.6 So đồ tông hop xúc tac Pd —- PHEMA/CMK-1[41]
Tác giả Yaying Zhang và cộng sự [42] tổng hop hydrogel từ isopropylacrylamide, 4-vinylpyridine và potassium acrylate bằng phương pháp trùnghợp theo cơ chế gốc tự do va sử dụng làm chất mang xúc tác palladium (hình 1.7) Xúctác dị thé này cho hoạt tính cao trong phản ứng Heck và Suzuki, thu hồi và tái sử dụngđến 6 lần mà hoạt tính không giảm đáng kẻ
Trang 30siêu tới hạn tạo ra các aerogel alginate lưỡng kim loại Tac gia sử dụng phan ứng
Suzuki để so sánh hoạt tinh của các hệ xúc tác dị thé này Các xúc tác cho hoạt tínhcao và được thu hồi tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm đồng thời
palladium cũng không bị tách ra và hòa tan vào trong dung dịch phản ứng.
Tac gia Roozbeh Javad Kalbasi va cộng su [44] trùng hợp
N-vinyl-2-pyrrolidone thành poly(N-vinyl-2-N-vinyl-2-pyrrolidone) ngay trên chất mang KIT-5 hình thànhhệ chất mang PVP/KIT-5 cho xúc tác nano palladium (Pd-PVP/KIT-5), trong đó cáchạt nano palladium được tạo thành từ phan ứng khử Pd(OAc); bang dung dịchhydrazine hydrate (N;Hu.HạO) Xúc tác được kiểm tra hoạt tính bằng phản ứng Suzuki,xúc tác có hoạt tinh cao, có khả năng thu hồi và tái sử dụng mà hoạt tinh không giảmđáng kể Bằng phương pháp tương tự, tác giả Roozbeh Javad Kalbasi và cộng sự [45]tong hợp hệ chất mang poly(N-vinyl-2-pyrrolidone)/CKT-3, sau đó cố định xúc tácnano palladium trên hệ chất mang hình thành xúc tác Pd-PVP/CKT-3 va sử dụng làm
xúc tác cho phản ứng Heck giữa các aryl halide với styrene, xúc tác cho hoạt tính cao,
thu hồi va tái sử dụng 10 lần ma hiệu suất của phản ứng chỉ giảm từ 98% đến 95%
eee ee
(eles
TẢ NAHình 1.8 Xúc tác palladium trên chất mang Click ionic copolymer [46]Tác giả Dong Zhang va cộng sự [46] thực hiện phản ứng Click (Azide-Alkyne
Huisgen Cycloaddition) giữa các muối imidazolium liên kết alkyne với azide củacopolymer để hình thành các Click ionic copolymer (hình 1.8), sau đó tạo phức vớipalladium acetate và dùng NaBH, để khử Pd** thành hat nano Pd(0) Xúc tác nanopalladium được kiểm tra hoạt tính bằng phản ứng Suzuki giữa phenylboronic acid vớicác aryl bromide trong dung môi nước Hệ xúc tác được tái sử dụng hơn 5 lần mà hoạttính không giảm nhiều
Trang 31Tác giả Ehsan Ullah và cộng sự [47] sử dụng polystyrene làm chất mang chocác ligand trialkylphosphine sau đó cố định Pd(II), hệ xúc tác ran có hoạt tính caotrong phản ứng Suzuki và được thu hỏi, tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảmđáng kể Tác gia Tatiana V.Magdesieva và cộng sự [48] tong hợp xúc tac palladiumliên kết polypyrrole (Pd/PPy) bằng phản ứng oxy hóa khử giữa pyrrole và[Pd(NH;),]CL ngay trong nước sau đó cố định lên trên chất mang graphite Tùy thuộcvào ty lệ monomer oxy hóa trong hỗn hợp phản ứng, đường kính trung bình của hat Pdvà PPy có thé thay đối trong phạm vi 1,25-1,45 và 27-62 nm, hàm lượng Pd khoảng33,5-42,0% khối lượng Xúc tác Pd/PPy cho hiệu qua cao và có thé tái sử dụng trongphản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất của aryl iodide, aryl bromide và aryl chloride vớicác dẫn xuất của phenylboronic acid hoặc tetraarylborate trong dung môi hữu cơ hoặcnước Tác giả E.Hariprasad [49] tổng hợp xúc tác nano palladium được bao bọc bởilớp màng mỏng polymer Tác giả sử dụng quy trình ủ nhiệt trực tiếp của một lớp màngcuộn poly(vinyl aleohol) (PVA) chứa tiền chất palladium để hình thành nhiều lớpmang mỏng nanocomposite không kết dính Xúc tác nay được tác giả sử dung cho
phản ứng ghép đôi Suzuki giữa iodobenzene với phenylboronic acid, xúc tác cho hiệu
suất cao va có thé tái sử dụng đến 30 lần Ngoài ra xúc tác này còn được kiểm tra hoạt
tính trong phản ứng Heck va Sonogashira.
O O
O OI, \ R _—
Ss oaRy: Ry = 80:20 H e H a
m:n=8:2 R2= —N N— N n
Hình 1.9 Cấu trúc của các polyamic acid [50]Nghiên cứu về phản ứng Sonogashira, tác giả Tatiana V Magdesieva và cộngsự [50] tong hợp phức [Cu Pd”PA][BF4]› với ligand là các polyamic acid (PA — hình1.9) bằng phương pháp điện hoa, sau đó cô định phức nay lên chất mang graphite Xúctác răn điều chế được có hoạt tính cao trong phản ứng Sonogashira giữa các aryl halide
Trang 32với phenylacetylene (hình 1.10) Tác gia Habib Firouzabadi và cộng sự [51] sử dụng
agarose làm chất mang và ligand cho xúc tác nano palladium, xúc tác điều chế được cóhoạt tính cao trong phản ứng Heck và Sonogashira, được thu hồi va tái sử dụng đến 5lần mà hoạt tính không giảm
Hình 1.11 So đồ tong hợp xúc tác phức Pd(IJ-_PPh„-PMO(EU [52]
Tác gia Chunmei Kang và cộng sự [52] đã tong hợp xúc tác phức [Pd(I)_-PPh;—PMO(Et)] bằng quy trình 2 bước, bước đầu tiên tạo ra PPh-PMO(Et) từ copolymer
HO(CH;CH;O);o(CH;CH(CH:)O);o(CH;CH;O);oH (pluronic P-123), bis(trimethoxysilylethane (BTME) va _ 2-(diphenylphosphino)ethyltriethoxysilane
1,2-(DPPES), sau đó cô định PdCl;(PPh;); lên PPh,-PMO(Et) (hình 1.11) Xúc tác ranđiều chế được có hoạt tính xúc tác cao trong các phản ứng ghép đôi Barbier,Sonogashira trong dung môi nước Ngoài ra xúc tác ran còn được thu hồi va tái sửdụng đến 6 lần mà hoạt tính không giảm nhiều
Trang 331.3 Phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác palladium được mang trênchât mang silica
Các xúc tác palladium được cố định trên chất mang silica làm xúc tác ran cho cácphản ứng ghép đôi đã và dang được nghiên cứu ngày càng nhiều Vi du, tác giảElizabeth Tyrrell và cộng sự [53] đã tổng hợp phức palladium liên kết N-heterocycliecarbene (Pd-NHC) được mang trên silica bằng 2 cách (hình 1.12): (i) phan ứng giữamuối imidazolium trên chất mang silica với palladium acetate; (ii) phan ứng giữa phức(trimethoxysilylpropyl)-N-aryl-imidazolylidene palladium với các nhóm —OH trên bẻmặt của silica Xúc tác ran được kiểm tra hoạt tính băng phản ứng Suzuki giữa các dẫnxuất 4-haloacetophenone với phenylboronic acid, độ chuyển hoá thu được lớn hơn99% đối với tác chất 4’-bromoacetophenone và 7% đối với tác chất 4’-
(MeO)sSi Si(OMe)a
Hình 1.12 Sơ đồ tổng hợp phức PA-NHC được mang trên Silica [53]Tác giả Vivek Polshettiwar và cộng su [54| nghiên cứu tổng hợp phứcpalladium ghép N-heterocyclic carbene organic silica bằng phương pháp sol-gel qua 4
giai đoạn di từ imidazole, 3-1odopropyl triethoxysilane, Pd(OAc); (hình 1.13) Xúc
tác rắn được kiểm tra hoạt tính bằng phản ứng Heck giữa các aryl halide với các
Trang 34alkene cho hiệu suất lên đến 96% trong thời gian phản ứng 15 phút, khi được gia nhiệtdưới sự hỗ trợ của vi sóng Hơn nữa, xúc tác còn được sử dụng cho phản ứng Suzukigiữa các aryl halide với các boronic acid, hiệu suất của phản ứng đạt được 97% trongthời gian 10 phút Xúc tac này được thu hồi bằng phương pháp lọc, rửa và tái sử dụngđến 5 lần mà hoạt tính không giảm.
Pd-NHC Organic Silica
Hình 1.13 Sơ đồ tổng hợp phức Pd-NHC ghép hợp chất silica hữu cơ [54]Tác giả Wei Chen và cộng sự [55] cố định phức palladium phosphine trên chấtmang silica bằng quy trình 4 giai đoạn (hình 1.14) Xúc tác ran được kiểm tra hoạt tinhbăng phản ứng Suzuki giữa các aryl halide với các arylboronic acid Hiệu suất của
phản ứng đạt được 94% trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ phòng Ngoài ra xúc tác này
được thu hỏi va tái sử dụng hơn 10 lần ma hoạt tính không giảm đáng kể
Tác giả Gruber-Woelfler và cộng sự [56] cố định phức palladium trên chấtmang 3-mercaptopropyl liên kết silica với ligand là bis(oxazoline) (BOX) bằng quy
trình 2 bước (hình 1.15) Phản tng Suzuki giữa các aryl halide với phenylboronic acid
trên xúc tác ran điều chế được có hiệu suất đạt đến 97% Xúc tác được tái sử dụngnhiều lần mà không giảm đáng kế hoạt tính
Trang 35Hình 1.15 So đồ tong hợp xúc tác phức palladium trên chất mang
3-mercaptopropyl ghép silica gel [56]
A `Pd
Hình 1.16 Xúc tác phức palladium trên chất mang silica gel [57]
Trang 36Tác gia Sharma va cộng sự [57] tạo phức giữa PdC]; với diphenyldiketone—
monothiosemicarbazone trên chất mang silica (hình 1.16), kết quả thu được xúc tác cóhoạt tinh cao, dé thu hồi va tái sử dụng cho phan ứng Suzuki
Tác giả Nasser Iranpoor và cộng sự [58] tổng hợp xúc tác nano palladium trênchất mang phức silica diphenylphosphinite (SDPP) (hình 1.17) Xúc tác ran điều chếđược có hoạt tinh cao trong phan ứng Heck và Suzuki, xúc tác nay được thu hồi và táisử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm
SiO, SiOz
SiO-1 rt, 30 minunder No
> o—OPPh2.60 °C, 3h
thu hôi và tái sử dụng nhiều lân.
ŒœCl N Cl
—O
—O
SH| NX Hs S NX
Trang 37Nhiều vật liệu silica có lỗ rỗng xốp trung bình (mesoporous silica) như 41, MCM-48, SBA-15 MSU-, KSW-, FSM- hoặc HMM- được sử dụng làm chất mang
MCM-cho xúc tác palladium Vi dụ như công trình cua tac gia Susmita Bhunia và cộng sự
[60] cố định Pd(I) lên chất mang MCM-41 bang ligand
(3-aminopropyl)-triethoxysilane (hình 1.19), sau đó sử dụng làm xúc tác cho phản ứng Suzuki, xúc tác
này cho hiệu suất và độ chọn lọc cao, điều kiện phản ứng êm dịu, có thể thu hồi và táisử dụng nhiều hơn 4 lần mà không giảm đáng ké hoạt tính
Tác giả Bo-Nan Lin và cộng sự [61] cũng sử dụng vật liệu MCM-41 làm chấtmang cho xúc tác palladium (hình 1.20), xúc tác rắn được sử dụng cho phản ứngSonogashira trong sự hiện diện của Cul và triphenylphosphine cho hiệu suất cao, cóthé thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm
Trang 38Cũng trên cơ sở chất mang MCM-41, tác giả Hong Zhao và cộng sự [62] cỗđịnh phức Pd(I) với ligand là 3-(2-aminoethylamino)propyl lên chất mang MCM-41để hình thành xúc tác phức MCM-41-2N-Pd(I) (hình 1.21) và sử dụng làm xúc táccho phản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất aryl bromide và arylboronic acid Xúc tác nàycho hiệu suất cao và tái sử dụng đến 10 lần mà hoạt tính không giảm.
lờ, \ Pd(OAc)›, acetone
O O > SBA-15@DABCO-Pd complex| | | 50 °C, 5h
SBA-15
Hình 1.22 So đồ tong hop xúc tác phức SBA-15@DABCO-Pd [64]Tác gia Subhash Banerjee va cộng sự [63] có định palladium lên vật liệu MCM-48 Xúc tác ran được sử dung cho phản ứng Sonogahisra dé điều chế các dẫn xuất củaacetylene mà không có sự hiện diện của Cu() va amine Ngoài ra xúc tác được thu hồidé dàng bang phương pháp lọc va tái sử dụng ít nhất 6 lần mà hoạt tính không giảm.Tác giả Hongling Li và cộng sự [64] tong hợp phức palladium trên chất mang SBA-15
[SBA-15@DABCO-Pd] (hình 1.22) va sử dụng làm xúc tác cho phản ứng: (1)
homo-coupling của các alkyne dau mạch; (ii) phản ứng cross-homo-coupling Suzuki giữa các aryl
Trang 39halide và arylboronic acid Cả hai phản ứng đều cho hiệu suất rất cao (100%) và xúctác có thé thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm.
Cũng trên chất mang SBA-15, tác giả Xiu Juan va cộng sự [65] cô định xúc tacphức palladium lên chất mang này [Ph-SBA-15-PPh;-Pd] (hình 1.23) và kiểm tra hoạttính xúc tác bang phản ứng Heck giữa 4-nitrobromobenzene với methyl acrylate trongdung môi CO; siêu tới hạn, tuy nhiên xúc tác này được thu hồi và tái sử dụng 3 lần màhoạt tính đã giảm đáng kẻ
giữa các phenyl halide với phenylboronic acid trên xúc tác palladium được mang trên
chất mang MCM-41 (Pd/MCM-41) và SBA-15 (Pd/SBA-15) trong điều kiện gia nhiệtcó sự hỗ trợ của vi sóng Xúc tác Pd/MCM-41 và Pd/SBA-15 được tổng hợp bangphương pháp tâm [Pd(NH;)„]Cl; trên MCM-41 và SBA-15 với hàm lượng Pd tương
ứng là 8,4% và 8,7% khối lượng Hiệu suất của phản ứng đạt được 97,4% chỉ trong 10
phút phản ứng đối với tác chất phenyl iodide,100% đối với phenyl bromide nhưng vớitác chất phenyl chloride thì hiệu suất rất thấp
Trang 401.4 Phản ứng ghép đổi carbon-carbon trên xúc tác nano palladiumTrọng tâm chính của các nghiên cứu xúc tác trước đây là tăng cường hoạt tính vàtính chon lọc của xúc tác, thu hồi xúc tác không phải là mối quan tâm chính Tuy
nhiên, trong phương pháp tiếp cận "hóa học xanh" cho các phản ứng có xúc tác, thuhồi và tái sử dụng xúc tác trở thành một yếu tố quan trọng bởi vì yêu cầu nghiêm ngặtvề sinh thái và phát triển bền vững [1]
Xúc tác đồng thé có ưu điểm dễ dàng hòa tan vao trong môi trường phản ứng.Tuy nhiên, loại bỏ xúc tác đồng thé ra khỏi hỗn hợp phan ứng dé tránh nhiễm ban sảnphẩm đòi hỏi các bước tỉnh chế tốn kém Hơn nữa, xúc tác đồng thể thường bao gồmmột kim loại quý có giá trị cao và ligand đất tiền Mặc dù có lợi thế nhất định, nhưngxúc tác đồng thé được sử dung trong công nghiệp ít hơn 20% tong lượng xúc tác Thuhồi và tái sử dụng xúc tác đồng thé là một van dé quan trong trong việc 6n định và mởrộng sản xuất hoá chất sạch Trong một số trường hợp giá thành của ligand còn lớn
hon của kim loại [1].
Xúc tác dị thể có ưu điểm là dé thu hồi và tái sử dụng, tuy nhiên xúc tác này cónhược điểm rất lớn là khả năng phân tán kém, khắc phục nhược điểm này bang cáchgiảm kích thước của các hat xúc tác Các nghiên cứu trước đây cô gắng thay thế xúctác đồng thé bang xúc tác di thé với kích thước nano Các hat nano có diện tích bề mặtriêng lớn làm tăng hoạt tính xúc tác và sự khuếch tán tác chất trong lỗ xốp sẽ khôngảnh hưởng đến động học phản ứng Ví dụ, các hạt nano hình cầu có đường kínhkhoảng 10 nm có diện tích bề mặt 600 m”/em' — giá trị này rất lớn so với nhiều chấtmang xốp của xúc tác đồng thể [1]
Có hai cách tiếp cận để tổng hợp vật liệu nano là “top-down” và
“bottom-up”[68§]:
i Top-down: chia nhỏ vật liệu có kích thước lớn thành các đơn vi nhỏ hơn có
kích thước nano như phương pháp nghiên, biến dạng
ii Bottom-up: lắp ghép các nguyên tử, phân tử để thu được các hạt có kíchthước nano gôm các phương pháp chính:
- Tổng hợp trong pha khí: ngưng tụ trong khí tro [69-72], nhiệt phân laser, cắtbằng xung laser, đánh lửa, phóng ion, tổng hợp hơi hoá chất, nhiệt phân phun, quang
nhiệt, nhiệt plasma, ngọn lửa [72]