Luận án tiến sĩ Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano từ tính CoFe2O4 làm chất mang xúc tác cho phản ứng Knoevenagel, Sonogashira, Suzuki, Heck

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI TẤN NGHĨA

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH CoFe2O4LÀM CHẤT MANG XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG

KNOEVENAGEL, SONOGASHIRA, SUZUKI, HECK

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI TẤN NGHĨA

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH CoFe2O4LÀM CHẤT MANG XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG

KNOEVENAGEL, SONOGASHIRA, SUZUKI, HECK

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC CÁC CHẤT HỮU CƠ Mã số chuyên ngành: 62527505

Phản biện độc lập 1: GS.TS Đinh Thị NgọPhản 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 DẪN KHOA HỌC1 PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam2 TS Lê Thị Hồng Nhan

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kếtquả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từbất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệuđã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.

Tác giả luận án

Bùi Tấn Nghĩa

TÓM TẮT LUẬN ÁN

biến 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 bằng phương phápnhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển 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 phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phân tích hàm lượng nitơ.

phản ứng ghép đôi carbon-carbon như phản ứng Suzuki giữa 4’-bromoacetophenonevới phenylboronic acid, phản ứng Sonogashira giữa 4’-bromoacetophenone vớiphenylacetylene, và phản 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 chuyển hóa và xác định bằng sắc ký khí Xúc tác có thể được tái sử dụng nhiềulần mà hoạt tính không giảm.

a 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 sample

magnetometry (VSM), Fourier transform infrared (FT-IR), atomic absorption

spectrophotometry (AAS), and nitrogen physisorption measurements The results

several carbon-carbon couplings including for the Suzuki reaction between 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.

4’-LỜI CÁM ƠN

Tôi xin trân trọng gởi lời cám ơn sâu sắc đến,

Thầy PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam, người thầy kính mến đã dẫn đườngkhoa học xuyên suốt cho luận án này.

Cô TS Lê Thị Hồng Nhan, cô giáo tận tụy đã dành rất nhiều thời gian vàtâm huyết để hướng dẫn khoa học cho nghiên cứu này

Thầy PGS.TS Phạm Thành Quân, cô PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh, thầy TS.Tống Thanh Danh và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ, Khoa Kỹthuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã chân thành góp ý và tạo mọi điềukiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án này.

Có những lúc khó khăn tưởng chừng không thể vượt qua-vợ tôi- người đồnghành 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 nhiều động lực, nguồncảm hứng cho con học tập, nghiên cứu.

1.4 Phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác nano palladium 20

1.5 Phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác palladium được mang trên chấtmang nano từ tính 22

2.2.1 Tổng hợp hạt nano từ tính CoFe2O4 (CoFe2O4 MNPs) 39

2.2.2 Làm giàu -OH trên bề mặt hạt nano từ tính CoFe2O4 39

2.2.3 Gắn nhóm chức amino lên hạt nano từ tính CoFe2O4 đã làm giàu –OH 40

2.2.4 Gắn nhóm base Schiff lên hạt nano từ tính được amine hoá 1N-MNPs, MNPs và 3N-MNPs 40

2N-2.2.5 Cố định palladium trên hạt nano từ tính CoFe2O4 40

2.3 Khảo sát hoạt tính xúc tác 41

2.3.1 Phản ứng Knoevenagel 41

2.3.2 Phản ứng Sonogashira 41

3.2 Kết quả thực hiện phản ứng Knoevenagel 58

3.2.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của dung môi 59

3.2.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 60

3.2.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene củabenzaldehyde 61

3.2.4 Kết quả khảo sát tính dị thể của xúc tác 62

3.2.5 Kết quả khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác 63

3.2.6 Kết quả khảo sát các tính chất đặc trưng của xúc tác sau thu hồi và tái sửdụng 64

3.3 Kết quả thực hiện phản ứng Sonogashira 68

3.3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của base 69

3.3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và cường độ chiếu xạ vi sóng 72

3.3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 74

3.3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng đồng xúc tác CuI 76

3.3.5 Kết quả khảo sát tỷ lệ mol phenylacetylene: 4’-bromoacetophenone 78

3.3.6 Kết quả khảo sát tỷ lệ mol K3PO4:4’-bromoacetophenone 80

3.3.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene củaacetophenone 82

3.3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của vị trí nhóm thế Br- trên vòng benzene củaacetophenone 84

3.3.9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các nhóm thế trên vòng benzene củabromobenzene 85

3.3.10 Kết quả so sánh hoạt tính xúc tác Pd-1N-MNPs, Pd-2N-MNPs và MNPs 87

Pd-3N-3.3.11 Kết quả khảo sát tính dị thể của xúc tác 91

3.3.12 Kết quả khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác 93

3.4 Kết quả thực hiện phản ứng Suzuki 94

3.4.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của base 95

3.4.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 97

3.4.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 98

3.4.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol phenylboronic acid: bromoacetophenone 100

4’-3.4.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của vị trí nhóm thế Br- trên vòng benzene củaacetophenone 101

3.4.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế 102

3.4.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene củaacetophenone 105

3.4.8 Kết quả so sánh hoạt tính xúc tác Pd-1N-MNPs, Pd-2N-MNPs và MNPs 107

Pd-3N-3.4.9 Kết quả khảo sát tính dị thể của xúc tác 110

3.4.10 Kết quả khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác 112

3.5 Kết quả thực hiện phản ứng Heck 113

3.5.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của loại base 114

3.5.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 117

3.5.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 120

3.5.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol styrene: 4’-bromoacetophenone 121

3.5.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol base: 4’-bromoacetophenone 1233.5.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các nhóm thế trên vòng benzene củabromobenzene 124

3.5.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene củaacetophenone 126

3.5.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của vị trí nhóm thế Br- trên vòng benzene củaacetophenone 128

3.5.9 Kết quả khảo sát tính dị thể của xúc tác 129

3.5.10 Kết quả so sánh hoạt tính xúc tác Pd-1N-MNPs, Pd-2N-MNPs và MNPs 130

Pd-3N-3.5.11 Kết quả khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác 133

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 135

CÁC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 140

TÀI LIỆU THAM KHẢO 141

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene 5

Hình 1.2 Phản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất aryl halide và phenylboronic acid 5

Hình 1.3 Phản ứng Sonogashira giữa các dẫn xuất aryl halide và phenylacetylene 6

Hình 1.4 Sơ đồ tổng hợp phức Palladium(II) trên các chất mang polysiloxane [37] 7

Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức palladium trên chất mang ghép vinylpyrrolidone) – silica [39] 8

poly(N-Hình 1.6 Sơ đồ tổng hợp xúc tác Pd – PHEMA/CMK-1[41] 9

Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp xúc tác Hydrogel – Pd(II) [42] 9

Hình 1.8 Xúc tác palladium trên chất mang Click ionic copolymer [46] 10

Hình 1.9 Cấu trúc của các polyamic acid [50] 11

Hình 1.10 Cơ chế của phản ứng Sonogashira sử dụng xúc tác [CuIPdIIPA][BF4]3 [50] 12

Hình 1.11 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức Pd(II)–PPh2–PMO(Et) [52] 12

Hình 1.12 Sơ đồ tổng hợp phức Pd–NHC được mang trên Silica [53] 13

Hình 1.13 Sơ đồ tổng hợp phức Pd-N-heterocyclic carbene (NHC) organic silica [54] 14

Hình 1.14 Sơ đồ tổng hợp phức palladium-phosphine cố định trên chất mang silica[55] 15

Hình 1.15 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức palladium trên chất mang functionalized silica gel [56] 15

3-mercaptopropyl-Hình 1.16 Xúc tác phức palladium trên chất mang silica gel [57] 15

Hình 1.24 Hình minh họa các domain của vật liệu từ ferromagnetic hoặc

Hình 1.27 Đường cong từ trễ M(H) và trạng thái của moment từ 25

Hình 1.28 Quan hệ giữa kích thước hạt với độ từ kháng 28

Hình 1.29 Biến tính bề mặt của hạt nano từ tính Fe3O4 bằng dopamine [91] 29

Hình 1.30 Biến tính bề mặt của hạt nano SiO2 bằng silane [91] 29

Hình 1.31 Biến tính bề mặt của hạt nano từ tính Fe3O4 bằng cách polymer hóa trựctiếp trên bề mặt hạt nano [91] 29

Hình 1.32 Biến tính bề mặt của hạt nano từ tính Fe3O4 bằng cách phủ polymer [91].29Hình 1.33 Biến tính bề mặt của hạt nano từ tính bằng silica theo phương pháp Stober[91] 30

Hình 1.34 Biến tính bề mặt của hạt nano từ tính bằng silica theo phương pháp vi nhũ[91] 30

Hình 1.35 Phản ứng Suzuki trên xúc tác phức Salen Pd (II) trên chất mang Fe3O4/SiO2[150] 34

Hình 3.1 Cấu trúc nhũ kép (bi-layer) bao quanh hạt nano CoFe2O4 trong dung dịchSDS và methylamine 47

Hình 3.2 Quy trình tổng hợp xúc tác palladium cố định trên chất mang nano từ tính 1(Pd-1N-MNPs) 48

Hình 3.3 Quy trình tổng hợp xúc tác palladium cố định trên chất mang nano từ tính 2(Pd-2N-MNPs) 48

Hình 3.4 Quy trình tổng hợp xúc tác palladium cố định trên chất mang nano từ tính 3(Pd-3N-MNPs) 49

Hình 3.5 Kết quả XRD của hạt nano từ tính CoFe2O4 (CuKα- radiation) 49

Hình 3.6 Ảnh SEM của hạt nano từ tính CoFe2O4 50

Hình 3.7 Ảnh TEM của hạt nano từ tính CoFe2O4 50

Hình 3.8 Đường cong từ trễ của hạt nano từ tính CoFe2O4 trước (a) và sau khi đượcamin hoá (amino silane 2N) 51

Hình 3.9 Kết quả FT-IR của hạt nano từ tính CoFe2O4 53

Hình 3.10 Kết quả FT-IR của hạt nano từ tính CoFe2O4 được làm giàu -OH 53

Hình 3.11 Kết quả FT-IR của hạt nano từ tính CoFe2O4 được amine hoá (silane 2N) 54Hình 3.12 Kết quả FT-IR của hạt nano từ tính CoFe2O4 đã cố định ligand base Schiff(silane2N) (trên) và cố định palladium (dưới) 54

Hình 3.13 Kết quả TGA và DTA của hạt nano từ tính CoFe2O4 55

Hình 3.14 Kết quả TGA và DTA của hạt nano từ tính CoFe2O4 sau khi làm giàu -OH55Hình 3.15 Kết quả TGA và DTA của hạt nano từ tính CoFe2O4 được amine hoá(amino silane 2N) 56

Hình 3.16 Kết quả TGA và DTA của hạt nano từ tính CoFe2O4 được cố định ligandbase Schiff (amino silane 2N) 57

Hình 3.17 TGA và DTA của xúc tác palladium được cố định trên chất mang nano từtính (amino silane 2N) 58

Hình 3.18 Phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde với malononitrile 59

Hình 3.19 Ảnh hưởng của dung môi lên độ chuyển hoá 59

Hình 3.20 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá của phản ứng 60

Hình 3.21 Ảnh hưởng của các nhóm thế trên vòng benzene lên độ chuyển hoá 61

Hình 3.22 Cơ chế của phản ứng Knoevenagel sử dụng xúc tác base rắn [196] 62

Hình 3.23 Kiểm tra tính dị thể của xúc tác 63

Hình 3.24 Kết quả khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác 64

Hình 3.25 Kết quả XRD của hạt nano từ tính CoFe2O4 được amine hoá trước khi sửdụng làm xúc tác (a) và (b) sau khi sử dụng làm xúc tác 5 lần 65

Hình 3.26 Ảnh SEM của hạt nano từ tính CoFe2O4 được amine hoá trước khi sử dụng(a) và (b) sau khi sử dụng làm xúc tác 5 lần 66

Hình 3.27 Ảnh TEM của hạt nano từ tính CoFe2O4 được amine hoá trước khi sử dụng(a) và (b) sau khi sử dụng làm xúc tác 5 lần 67

Hình 3.28 Đường cong từ trễ của hạt nano CoFe2O4 được amine hoá trước khi sửdụng (a) và (b) sau khi sử dụng làm xúc tác 5 lần 68

Hình 3.29 Phản ứng Sonogashira giữa các dẫn xuất aryl halide và phenylacetylene 69

Hình 3.30 Cơ chế của phản ứng Sonogashira được đề nghị bởi Najéra [206] 70

Hình 3.31 Ảnh hưởng của loại base lên độ chuyển hóa trong điều kiện 71

Hình 3.32 Ảnh hưởng của loại base lên độ chuyển hóa trong điều kiện 72

Hình 3.33 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa trong điều kiện 73

Hình 3.34 Ảnh hưởng của cường độ chiếu xạ vi sóng lên độ chuyển hóa 73

Hình 3.35 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác Pd-2N-MNPs lên độ chuyển hóa

trong điều kiện gia nhiệt thông thường 75

Hình 3.36 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác Pd-2N-MNPs lên độ chuyển hóa

trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 75

Hình 3.37 Ảnh hưởng của hàm lượng đồng xúc tác CuI lên độ chuyển hóa

trong điều kiện gia nhiệt thông thường 76

Hình 3.38 Ảnh hưởng của hàm lượng đồng xúc tác CuI lên độ chuyển hóa

trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 77

Hình 3.39 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol phenylacetylene: 4’-bromoacetophnone lên độ

chuyển hóa trong điều kiện gia nhiệt thông thường 79

Hình 3.40 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol phenylacetylene: 4’-bromoacetophnone lên độ

chuyển hóa trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 79

Hình 3.41 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol K3PO4:4’-bromoacetophenone lên độ chuyển hóatrong điều kiện gia nhiệt thông thường 81

Hình 3.42 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol K3PO4:4’-bromoacetophenone lên độ chuyển hóatrong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 81

Hình 3.43 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenone lên

độ chuyển hóa trong điều kiện gia nhiệt thông thường 83

Hình 3.44 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenone lên

độ chuyển hóa trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 83

Hình 3.45 Ảnh hưởng của vị trí nhóm thế Br- trên vòng benzene của acetophenone

lên độ chuyển hóa trong điều kiện gia nhiệt thông thường 84

Hình 3.46 Ảnh hưởng của vị trí nhóm thế Br- trên vòng benzene của acetophenone

lên độ chuyển hóa trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 84

Hình 3.47 Ảnh hưởng của các nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzene trong

điều kiện gia nhiệt thông thường 86

Hình 3.48 Ảnh hưởng của các nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzene trong

điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 87

Hình 3.49 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất

4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt thông thường 88

Hình 3.50 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất

4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 89

Hình 3.51 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất

4’-bromonitrobenzene trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 89

Hình 3.52 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng các dẫn

xuất của bromobenzene chứa nhóm thế đẩy điện tử trong điều kiện gia nhiệt bằng visóng 90

Hình 3.53 So sánh hoạt tính của xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất

4’-bromonitrobenzene trong điều kiện gia nhiệt thông thường 90

Hình 3.54 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng các dẫn

xuất của bromobenzene chứa nhóm thế đẩy điện tử trong điều kiện gia nhiệt thôngthường 91

Hình 3.55 Khảo sát diễn biến phản ứng của dung dịch sau khi đã tách xúc tác 2 trong

điều kiện gia nhiệt thông thường 92

Hình 3.56 Khảo sát diễn biến phản ứng của dung dịch sau khi đã tách xúc tác 3 trong

điều kiện gia nhiệt thông thường 92

Hình 3.57 Xúc tác Pd-2N-MNPs được phân tán trong dung môi DMF (a) và 93Hình 3.58 Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác trong điều kiện gia nhiệt thông

gia nhiệt thông thường 96

Hình 3.63 Ảnh hưởng của loại base lên độ chuyển hoá trong điều kiện

gia nhiệt bằng vi sóng 97

Hình 3.64 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia

nhiệt thông thường 98

Hình 3.65 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá trong

điều kiện gia nhiệt thông thường 98

Hình 3.66 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hoá

trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 99

Hình 3.67 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol phenylboronic acid: 4’-bromoacetophenone

lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia nhiệt thông thường 100

Hình 3.68 Ảnh hưởng vị trí nhóm thế Br- trên vòng benzene của acetophenone

lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia nhiệt thông thường 101

Hình 3.69 Ảnh hưởng vị trí nhóm thế Br- trên vòng benzene của acetophenone

lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 102

Hình 3.70 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của

bromobenzene lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia nhiệt thông thường 102

Hình 3.71 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của

bromobenzene lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 103

Hình 3.72 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của

phenylboronic acid lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia nhiệt thông thường 104

Hình 3.73 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene củaacetophenone lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia nhiệt thông thường 105Hình 3.74 Khảo sát ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của

acetophenone lên độ chuyển hoá trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 106

Hình 3.75 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất

4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt thông thường 108

Hình 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 108

Hình 3.77 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng các dẫn

xuất của bromobenzene chứa các nhóm thế đẩy điện tử trong điều kiện gia nhiệt thôngthường 109

Hình 3.78 So sánh hoạt tính của xúc tác 1, xúc tác 2, xúc tác 3 khi sử dụng tác chất

4-bromonitrobenzene trong điều kiện gia nhiệt thông thường 109

Hình 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 110

Hình 3.80 Khảo sát tính dị thể của xúc tác 2 trong điều kiện gia nhiệt thông thường

Hình 3.87 Ảnh hưởng của loại base lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều kiện gia

nhiệt thông thường 116

Hình 3.88 Ảnh hưởng của loại base lên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện

gia nhiệt bằng vi sóng 117

Hình 3.89 Ảnh hưởng của loại base lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều kiện gia

nhiệt bằng vi sóng 117

Hình 3.90 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa của phản ứng trong

điều kiện gia nhiệt thông thường 118

Hình 3.91 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều

kiện gia nhiệt thông thường 119

Hình 3.92 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa của phản ứng trong

điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 119

Hình 3.93 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều

kiện gia nhiệt bằng vi sóng 120

Hình 3.94 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện

gia nhiệt thông thường 120

Hình 3.95 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều kiện gia

nhiệt thông thường 121

Hình 3.96 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa của phản ứng trong

điều kiện gia nhiệt thông thường 122

Hình 3.97 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol tác chất lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều

kiện gia nhiệt thông thường 122

Hình 3.98 Ảnh hưởng của hàm lượng base lên độ chuyển hóa của phản ứng trong

điều kiện gia nhiệt thông thường 123

Hình 3.99 Ảnh hưởng của hàm lượng base lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều

kiện gia nhiệt thông thường 123

Hình 3.100 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzene lên độ

chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 124

Hình 3.101 Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzene của bromobenzene lên độ

chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 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 acetophenone

lên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 127

Hình 3.104 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenone

lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt thông thường 127

Hình 3.105 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenone

lên độ chuyển hóa của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 128

Hình 3.106 Ảnh hưởng của nhóm thế halogen trên vòng benzene của acetophenone

lên độ chọn lọc của phản ứng trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 128

Hình 3.107 Ảnh hưởng của vị trí nhóm thế Br trên vòng benzene của acetophenone

lên độ chuyển hóa trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 129

Hình 3.108 Khảo sát tính dị thể của xúc tác 2 trong điều kiện gia nhiệt thông thường

Hình 3.109 So sánh hoạt tính xúc tác 1,2,3 khi sử dụng tác chất

4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt thông thường 131

Hình 3.110 So sánh độ chọn lọc của của phản ứng với các xúc tác 1,2,3 khi sử dụng

tác chất 4’-bromoacetophenone trong điều kiện gia nhiệt thông thường 132

Hình 3.111 So sánh hoạt tính xúc tác 1,2 khi sử dụng tác chất 4’-bromoacetophenone

trong điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng 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 bằng vi sóng 133

Hình 3.113 So sánh hoạt tính xúc tác 1,2,3 khi sử dụng tác chất là

4-bromonitrobenzene và bromotoluene trong điều kiện gia nhiệt thông thường 133

Hình 3.114 Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác trong điều kiện gia nhiệt thông

Hình 3.115 Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác trong điều kiện gia nhiệt bằng vi

sóng 134

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các phản ứng ghép đôi tiêu biểu 3

Bảng 1.2 Phân loại các phương pháp biến đổi bề mặt của chất mang nano từ tính [85]

Bảng 1.3 Các phản ứng ghép đôi trên xúc tác nano palladium được cố định trên chất

mang nano từ tính 36

GIỚI THIỆU

Ngày nay, các phản ứng ghép đôi carbon-carbon (carbon-carbon couplingreactions) được ứng dụng rộng rãi trong quá trình tổng hợp các hợp chất có hoạt tínhsinh học, vật liệu kỹ thuật và hóa chất cao cấp Trong đó, các phản ứng Heck, Suzukivà Sonogashira được tiến 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 này 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 chọn lọc cao, dễ 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 hồi 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 vấn đề sản phẩm phản 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 bằng cách giảmkích thước của các hạt xúc tác về vùng nano để tăng diện tích bề mặt riêng và đồngthời làm tăng hoạt tính xúc tác Tuy nhiên, khi hạt xúc tác có đường kính nhỏ hơn 100nm rất khó tách bằng các phương pháp thông thường như lọc hoặc ly tâm

Trong những năm gần đây, vật liệu có cấu trúc spinel ferrite được giới khoa họcquan tâm nhiều, nhất là khi đưa về kích thước nano vì thể hiện những tính chất đặcbiệt dựa trên cấu trúc tinh thể và hóa học 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 trườngngoài [1]

Với luận án này, khả năng ứng dụng của hạt nano từ tính làm chất mang xúc tácpalladium trong một số phản ứng ghép đôi carbon-carbon như Heck, Suzuki vàSonogashira đã được nghiên cứu Trọng tâm chính của các khảo sát nhằm đánh giáhoạt tính, độ chọn lọc và khả năng thu hồi, tái sử dụng của xúc tác Với mục tiêu trên,luận án bao gồm các nội dung nghiên cứu như sau:

1 Tổng hợp xúc tác cố định trên vật liệu nano từ tính 2 Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng Knoevenagel3 Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng Sonogashira4 Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng Suzuki5 Nghiên cứu khả năng xúc tác cho phản ứng Heck

Mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra dạng xúc tác mới để nâng cao giá trị của sảnphẩm hạn chế ít nhất sản phẩm phụ, tái sử dụng xúc tác để đem lại lợi ích về kinh tế.Bên cạnh đó, đề tài cũng mong muốn đóng góp thêm vào các nghiên cứu về tính chấtvà khả năng ứng dụng của vật liệu nano từ tính trong các phản ứng nêu trên và hyvọng trong thời gian sớm nhất chúng sẽ áp dụng trong sản xuất thực tế tại Việt Nam.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu

Phản ứng ghép đôi carbon-carbon xây dựng bộ khung carbon phức tạp từ nhữngphân tử đơn giản nhờ vào các xúc tác kim loại chuyển tiếp đã và đang 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] Bảng1.1 trình bày các phản ứng ghép đôi homo-coupling và cross-coupling thường gặp.

Bảng 1.1 Các phản ứng ghép đôi tiêu biểu

Phản ứngNămTác chất ATác chất Bhomo/crosscoupling

Có sựhiệndiện của

Bảng 1.1 Các phản ứng ghép đôi tiêu biểu (tiếp theo)

Phản ứng NămTác chất ATác chấtBhomo/crosscouplingXúctácGhi chú

Có sự hiệndiện của

Ví dụ, 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 phẩmcó khả năng chống đột quỵ [5] Phản ứng ghép đôi Heck cũng là một hay nhiều giai

đoạn trong quá trình điều chế một số dược phẩm khác có cấu trúc phức tạp dựa trên cơsở các hoạt chất có nguồn gốc tự nhiên như rosavin và dẫn xuất [6], resveratrol và dẫnxuất [7], hoặc trong quá trình điều chế một số loại thuỷ tinh hữu cơ hoặc polymer dẫnđiện 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 phảnứng ghép đôi Heck [3].

Hình 1.1 Phản ứng Heck giữa các dẫn xuất aryl halide và styrene

Phản ứng ghép đôi Suzuki (hình 1.2) là một giai đoạn trong quá trình điều chếcác dẫn xuất của pyridazine có nhiều hoạt tính sinh học như kháng khuẩn, chống trầmcảm, hạ huyết áp, giảm đau, kháng viêm, chống ung thư [9-11], hoặc các dược 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], (+)-dynemicin A [14],discodermolide [15] kháng ung thư, oximidine II có tác dụng kháng u [16], (+)-dragmacidin F kháng virus [17], dragmacidin D [18], dragmacidin B, C [19], boscalidkháng nấm [20], valsartan điều trị huyết áp [21] Các dẫn xuất của piperazin nhưamoxapine chống trầm cảm, cyclizine kháng histamine và tác động cholinergic,sildenafil (Viagra) gây ức chế, imatinib chống rối loạn chuyển hóa tyrosine…đượctổng hợp bằng quy trình có sử dụng phản ứng Suzuki trong điều kiện gia nhiệt có sựhỗ trợ vi sóng [22].

Hình 1.2 Phản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất aryl halide và phenylboronic acid

Một ví dụ khác, phản ứng ghép đôi Sonogashira (hình 1.3) được sử dụng trongquy trình tổng hợp các dược phẩm như các lipoxin và dẫn xuất có tác dụng chống viêm

[23-25], (−)-CP2-disorazole C1 có tác dụng chống ung thư ruột kết [26], ginkgolide B có tác dụng giảm đau nửa đầu [27], eniluracil là thuốc ức chế và chốngung thư [28], frondosin B kháng thể interleukin-8 [29], thuốc kháng sinh calicheamicin

[30], hoặc thuốc kháng ung thư dynemicin A [31-34]

Hình 1.3 Phản ứng Sonogashira giữa các dẫn xuất aryl halide và phenylacetylene

Các 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 thể 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 Vấn đề sản phẩm bị nhiễm vết kim loại nặng rất quan trọng và cần phải giảiquyết triệt để của ngành công nghiệp hóa dược Ngoài ra, phosphine là loại hợp chấtcó độc tính và chi phí cao, không thể thu hồi và tái sử dụng Trong nhiều trường hợp,chi phí dành cho việc xử lý phosphine và các vấn đề liên quan đến phosphine cao hơnchi phí dành cho palladium [35]

Để giải quyết vấn đề này trong bối cảnh hóa học xanh đang được quan tâm, vớitiêu 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 chất mang rắn 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 nặng, đáp ứng được một tiêu chí của hóa học

xanh Hàng năm, hàng trăm bài báo về nhiều khía cạnh khác nhau của phản ứng ghép

đôi Heck, Suzuki và Sonogashira, đặc biệt là vấn đề liên quan đến xúc tác, đã đượccông bố trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín Ở đây chỉ giới thiệu một số công trìnhtiêu biểu được công bố trong thời gian gần đây.

1.2 Phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác palladium được mang trênchất mang polymer

Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm là sử dụng các polymerlàm chất mang cho xúc tác phức palladium Ví dụ như công trình nghiên cứu về phảnứng Heck được tác giả Minfeng Zeng và cộng sự [36] thực hiện Các tác giả sử dụngcác hạt vi cầu chitosan được xử lý bằng polyethylene glycol (PEG) làm chất mang choxúc tác palladium, xúc tác điều chế được có hoạt tính cao, dễ thu hồi và tái sử dụnghơn 10 lần trong phản ứng Heck giữa các aromatic halide với các acrylate Hơn nữa hệxúc tác này còn được sử dụng tốt trong dung môi nước do tính ưa nước của các nhóm

điều chế các polymer polysiloxane có chứa nhóm thế vinyl- hoặc hoặc 2-diphenylphosphinoethyl-, sau đó cho các polymer này tác dụng với

tra hoạt tính bằng phản ứng Heck và so sánh hoạt tính xúc tác với trường hợp sử dụng

thẳng được tái sử dụng đến 11 lần mà độ chuyển hoá chỉ giảm từ 99% đến 85%

Hình 1.4 Sơ đồ tổng hợp phức Palladium(II) trên các chất 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 lý

Hoạt tính và khả năng thu hồi tái sử dụng của xúc tác rắn 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 tính xúc tác cao và ổn định của Pd/PVA có được là do sự tạo phức của palladium

với các nhóm – OH của PVA Tác giả Bahman Tamami và cộng sự [39] tổng hợp xúctác phức palladium trên chất mang poly(N-vinylpyrrolidone) (PVP) liên kết silica(hình 1.5) Xúc tác rắn 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

Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức palladium trên chất mang ghép

poly(N-vinylpyrrolidone) – silica [39]

Tác giả Peipei Zhou và cộng sự [40] sử dụng sợi nano bacteria cellulose làmchất mang cho xúc tác phức Pd(0), sau đó tác giả thực hiện phản ứng Heck trên xúc tácnày giữa các aryl halide với styrene hoặc các acrylate cho hiệu suất từ 86 đến 96%,xúc tác được thu hồi và tái sử dụng đến 5 lần mà hiệu suất chỉ giảm 10% Tác giảRoozbeh Javad Kalbasi và cộng sự [41] sử dụng poly(2-hydroxyethyl methacrylate)ghép CMK-1 (PHEMA/CMK-1) làm chất mang cho xúc tác nano palladium hìnhthành hệ xúc tác phức Pd–PHEMA/CMK-1 PHEMA/CMK-1 được điều chế bằngphương pháp polymer hoá 2-hydroxyethyl methacrylate ngay trên CMK-1, các hạt

palladium acetate (hình 1.6), xúc tác điều chế được có hoạt tính cao trong phản ứngHeck giữa các aryl halide với các dẫn xuất olefin, phản ứng có hiệu suất cao và thờigian phản ứng ngắn.

Hình 1.6 Sơ đồ tổng hợp xúc tác Pd – PHEMA/CMK-1[41]

Tác giả Yaying Zhang và cộng sự [42] tổng hợp hydrogel từ isopropylacrylamide, 4-vinylpyridine và potassium acrylate bằng phương pháp trùnghợp theo cơ chế gốc tự do và sử dụng làm chất mang xúc tác palladium (hình 1.7) Xúctác dị thể 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 kể

N-Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp xúc tác Hydrogel – Pd(II) [42]

Cũng nghiên cứu về phản ứng Suzuki, tác giả Mélanie Chtchigrovsky và cộngsự [43] thực hiện phản ứng giữa gel alginate với Ca, Ba, Mn, Zn, Ni, Ce, Cu và Co để

siêu tới hạn tạo ra các aerogel alginate lưỡng kim loại Tác giả sử dụng phản ứngSuzuki để so sánh hoạt tính của các hệ xúc tác dị thể này Các xúc tác cho hoạt tínhcao và được thu hồi tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm đồng thờipalladium cũng không bị tách ra và hòa tan vào trong dung dịch phản ứng.

Tác giả Roozbeh Javad Kalbasi và cộng sự [44] trùng hợp pyrrolidone thành poly(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 các

xúc tác có hoạt tính cao, có khả năng thu hồi và tái sử dụng mà hoạt tính không giảmđáng kể Bằng phương pháp tương tự, tác giả Roozbeh Javad Kalbasi và cộng sự [45]tổng 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 và sử dụng làmxúc tác cho phản ứng Heck giữa các aryl halide với styrene, xúc tác cho hoạt tính cao,thu hồi và tái sử dụng 10 lần mà hiệu suất của phản ứng chỉ giảm từ 98% đến 95%

Hình 1.8 Xúc tác palladium trên chất mang Click ionic copolymer [46]

Tác giả Dong Zhang và cộng sự [46] thực hiện phản ứng Click (Azide-AlkyneHuisgen 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 với

palladium 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.

Tác 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 rắn có hoạt tính caotrong phản ứng Suzuki và được thu hồi, tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảmđáng kể Tác giả Tatiana V.Magdesieva và cộng sự [48] tổng hợp xúc tác palladiumliên kết polypyrrole (Pd/PPy) bằng phản ứng oxy hóa khử giữa pyrrole và

vào tỷ lệ monomer oxy hóa trong hỗn hợp phản ứng, đường kính trung bình của hạt Pdvà PPy có thể thay đổi 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 quả cao và có thể 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 alcohol) (PVA) chứa tiền chất palladium để hình thành nhiều lớpmàng mỏng nanocomposite không kết dính Xúc tác này được tác giả sử dụng chophản ứng ghép đôi Suzuki giữa iodobenzene với phenylboronic acid, xúc tác cho hiệusuất cao và có thể tái sử dụng đến 30 lần Ngoài ra xúc tác này còn được kiểm tra hoạttính trong phản ứng Heck và Sonogashira.

Hình 1.9 Cấu trúc của các polyamic acid [50]

Nghiên cứu về phản ứng Sonogashira, tác giả Tatiana V Magdesieva và cộng

1.9) bằng phương pháp điện hoá, sau đó cố định phức này lên chất mang graphite Xúctác rắn điều chế được có hoạt tính cao trong phản ứng Sonogashira giữa các aryl halide

với phenylacetylene (hình 1.10) Tác giả Habib Firouzabadi và cộng sự [51] sử dụngagarose 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 và tái sử dụng đến 5lần mà hoạt tính không giảm

Hình 1.10 Cơ chế của phản ứng Sonogashira sử dụng xúc tác [CuIPdIIPA][BF4]3

Hình 1.11 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức Pd(II)–PPh2–PMO(Et) [52]

1,2-bis(trimethoxysilyl)ethane (BTME) và 2-(diphenylphosphino)ethyltriethoxysilane

điều chế được có hoạt tính xúc tác cao trong các phản ứng ghép đôi Barbier,Sonogashira trong dung môi nước Ngoài ra xúc tác rắn còn được thu hồi và tái sửdụng đến 6 lần mà hoạt tính không giảm nhiều

1.3 Phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác palladium được mang trênchất mang silica

Các xúc tác palladium được cố định trên chất mang silica làm xúc tác rắn cho cácphản ứng ghép đôi đã và đang được nghiên cứu ngày càng nhiều Ví dụ, tác giảElizabeth Tyrrell và cộng sự [53] đã tổng hợp phức palladium liên kết N-heterocycliccarbene (Pd–NHC) được mang trên silica bằng 2 cách (hình 1.12): (i) phản ứng giữamuối imidazolium trên chất mang silica với palladium acetate; (ii) phản ứng giữa phức(trimethoxysilylpropyl)-N-aryl-imidazolylidene palladium với các nhóm –OH trên bềmặt của silica Xúc tác rắn được kiểm tra hoạt tính bằng 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’-cloroacetophenone

Hình 1.12 Sơ đồ tổng hợp phức Pd–NHC được mang trên Silica [53]

Tác giả Vivek Polshettiwar và cộng sự [54] nghiên cứu tổng hợp phứcpalladium ghép N-heterocyclic carbene organic silica bằng phương pháp sol–gel qua 4

tác rắn được kiểm tra hoạt tính bằng phản ứng Heck giữa các aryl halide với các

alkene 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 tác này được thu hồi bằng phương pháp lọc, rửa và tái sử dụngđến 5 lần mà hoạt tính không giảm.

Hình 1.13 Sơ đồ tổng hợp phức Pd-N-heterocyclic carbene (NHC) organic silica

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 rắn được kiểm tra hoạt tínhbằng phản ứng Suzuki giữa các aryl halide với các arylboronic acid Hiệu suất củaphản ứng đạt được 94% trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ phòng Ngoài ra xúc tác nàyđược thu hồi và tái sử dụng hơn 10 lần mà 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 quytrình 2 bước (hình 1.15) Phản ứng Suzuki giữa các aryl halide với phenylboronic acidtrên xúc tác rắn điều chế được có hiệu suất đạt đến 97% Xúc tác được tái sử dụngnhiều lần mà không giảm đáng kể hoạt tính

Hình 1.14 Sơ đồ tổng hợp phức palladium-phosphine cố định trên chất mang silica

Hình 1.15 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức palladium trên chất mang

3-mercaptopropyl-functionalized silica gel [56]

Hình 1.16 Xúc tác phức palladium trên chất mang silica gel [57]

Tác giả Sharma và cộng sự [57] tạo phức giữa PdCl2 với diphenyldiketone–monothiosemicarbazone trên chất mang silica (hình 1.16), kết quả thu được xúc tác cóhoạt tính cao, dễ thu hồi và tái sử dụng cho phản 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 rắn điều chếđược có hoạt tính cao trong phản ứng Heck và Suzuki, xúc tác này được thu hồi và táisử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm.

Hình 1.17 Sơ đồ tổng hợp xúc tác nano Pd(0)/SDPP [59]

Cũng trên chất mang nguồn gốc silica, tác giả Mehran Ghiaci và cộng sự [59]cố định palladium lên chất mang silica bằng quy trình 5 giai đoạn (hình 1.18), phảnứng Heck thực hiện trên xúc tác điều chế được cho hiệu suất cao, ngoài ra xúc tác dễthu hồi và tái sử dụng nhiều lần

Hình 1.18 Quy trình điều chế xúc tác palladium trên chất mang silica [58]

Nhiều 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 mangcho xúc tác palladium Ví dụ như công trình của tác giả Susmita Bhunia và cộng sự[60] cố định Pd(II) lên chất mang MCM-41 bằng ligand (3-aminopropyl)-triethoxysilane (hình 1.19), sau đó sử dụng làm xúc tác cho phản ứng Suzuki, xúc tácnày 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 kể hoạt tính

MCM-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 CuI và triphenylphosphine cho hiệu suất cao, cóthể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm

Hình 1.19 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức Pd(II)-MCM-41 [60]

Hình 1.20 Cấu trúc của xúc tác MCM-41-Pd [61]

Cũng trên cơ sở chất mang MCM-41, tác giả Hong Zhao và cộng sự [62] cốđịnh phức Pd(II) với ligand là 3-(2-aminoethylamino)propyl lên chất mang MCM-41để hình thành xúc tác phức MCM-41-2N-Pd(II) (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

Hình 1.21 Sơ đồ tổng hợp xúc tác MCM-41-2N-Pd(II) [62]

Hình 1.22 Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức SBA-15@DABCO-Pd [64]

Tác giả Subhash Banerjee và cộng sự [63] cố định palladium lên vật liệu 48 Xúc tác rắn được sử dụng cho phản ứng Sonogahisra để điều chế các dẫn xuất củaacetylene mà không có sự hiện diện của Cu(I) và amine Ngoài ra xúc tác được thu hồidễ dàng bằng phương pháp lọc và tái sử dụng ít nhất 6 lần mà hoạt tính không giảm.Tác giả Hongling Li và cộng sự [64] tổng hợp phức palladium trên chất mang SBA-15[SBA-15@DABCO-Pd] (hình 1.22) và sử dụng làm xúc tác cho phản ứng: (i) homo-coupling của các alkyne đầu mạch; (ii) phản ứng cross-coupling Suzuki giữa các aryl

MCM-halide và arylboronic acid Cả hai phản ứng đều cho hiệu suất rất cao (100%) và xúctác có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm.

Cũng trên chất mang SBA-15, tác giả Xiu Juan và cộng sự [65] cố định xúc tác

tính xúc tác bằng phản ứng Heck giữa 4-nitrobromobenzene với methyl acrylate trong

ứng là 8,4% và 8,7% khối lượng Hiệu suất của phản ứng đạt được 97,4% chỉ trong 10phút phản ứng đối với tác chất phenyl iodide,100% đối với phenyl bromide nhưng vớitác chất phenyl chloride thì hiệu suất rất thấp.

1.4 Phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác nano palladium

Trọng tâm chính của các nghiên cứu xúc tác trước đây là tăng cường hoạt tính vàtính chọn lọc của xúc tác, thu hồi xúc tác không phải là mối quan tâm chính Tuynhiên, 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 thể có ưu điểm dễ dàng hòa tan vào trong môi trường phản ứng.Tuy nhiên, loại bỏ xúc tác đồng thể ra khỏi hỗn hợp phản ứng để tránh nhiễm bẩn sảnphẩm đòi hỏi các bước tinh chế tốn kém Hơn nữa, xúc tác đồng thể thường bao gồmmột kim loại quý có giá trị cao và ligand đắt tiền Mặc dù có lợi thế nhất định, nhưngxúc tác đồng thể được sử dụng trong công nghiệp ít hơn 20% tổng lượng xúc tác Thuhồi và tái sử dụng xúc tác đồng thể là một vấn đề quan trọng trong việc ổn định và mởrộng sản xuất hoá chất sạch Trong một số trường hợp giá thành của ligand còn lớnhơn của kim loại [1].

Xúc tác dị thể có ưu điểm là dễ 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 bằng cáchgiảm kích thước của các hạt xúc tác Các nghiên cứu trước đây cố gắng thay thế xúctác đồng thể bằng xúc tác dị thể với kích thước nano Các hạt 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 kính

bằng xung laser, đánh lửa, phóng ion, tổng hợp hơi hoá chất, nhiệt phân phun, quangnhiệt, nhiệt plasma, ngọn lửa [72],

- Tổng hợp trong pha lỏng: vi nhũ [69, 73], hoá âm [69, 71], thuỷ nhiệt [69-71, 73],sol-gel [70, 71, 73], kết tủa [70], đồng kết tủa [70, 71, 73], mầm tinh thể [73], môphỏng sinh học [73]…

Hiện nay, các nhà khoa học đã khảo sát một số quy trình tổng hợp hạt nano cósự kết hợp các phương pháp trên.

Nghiên cứu tính chất của các hạt có kích thước nano sẽ tìm ra mối quan hệ giữaxúc tác đồng thể và dị thể, và có thể thu hẹp khoảng cách giữa hai loại xúc tác Khônggiống như các hạt có kích cỡ thông thường, các hạt nano dễ dàng phân tán trong môitrường chất lỏng để tạo thành hệ huyền phù ổn định Tuy nhiên, các hạt có đường kínhnhỏ hơn 100 nm rất khó tách bằng các phương pháp lọc Trong những trường hợp nhưvậy, phương pháp siêu ly tâm đắt tiền thường là cách duy nhất để tách sản phẩm vàxúc tác.

Các công trình gần đây nghiên cứu về xúc tác nano palladium cho phản ứngSuzuki được thực hiện bởi tác giả Moisés Pérez-Lorenzo và cộng sự [74], hoặc của tácgiả Thomas S.A Heugebaert và cộng sự [75] thực hiện phản ứng Suzuki trên xúc tácnano palladium dưới dạng đơn kim loại (Pd) và hợp kim (Pd/Au) được tổng hợp bằngphương pháp khử - kết tủa sinh học sử dụng vi khuẩn Shewanella oneidensis Cả 2 loạixúc tác đều cho hoạt tính cao, hiệu suất phản ứng đạt 100% sau 24 giờ phản ứng, tuynhiên trong suốt thời gian phản ứng xúc tác nano Pd/Au luôn cho tốc độ phản ứng caohơn so với xúc tác nano Pd Tiếp theo, tác giả Gizelda O.D Estrada và cộng sự [76]

lượng và sử dụng cho phản ứng Suzuki trong điều kiện không có sự hiện diện củaligand nhưng vẫn cho hiệu suất cao trong thời gian ngắn, hàm lượng palladium sửdụng ít.

Đối với phản ứng ghép đôi Heck, tác giả Sanjaykumar và cộng sự [77] tổng hợp

23,56 mmol C2H6N4O2 trong 10 ml nước, sau đó thực hiện phản ứng Heck giữa cácaryl bromide (gồm cả heteroaryl) với các olefin trên xúc tác điều chế được, phản ứng

có hiệu suất cao, 100% đồng phân trans mà không cần bất cứ ligand nào Ngoài ra xúc