Mục tiêu của Luận án này là nghiên cứu sử dụng các vật liệu nano CuFe2O4 và Fe2O3 này làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi C–N để tổng hợp các hợp chất triphenylamine, 3- phenylquinoxalin-2(1H)-one và phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin3-yl)methanone. Mục tiêu thứ hai của luận án là nghiên cứu khả năng thu hồi và tái sử dụng của các vật liệu xúc tác trong điều kiện tối ưu. Mời các bạn cùng tham khảo!
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ KIM OANH NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO SIÊU THUẬN TỪ CuFe2O4 Fe2O3 TRONG MỘT SỐ PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C-N Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số chuyên ngành: 9520301 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2020 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn: GS TS Phan Thanh Sơn Nam Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp Vào lúc…………giờ…………ngày………tháng………năm………………………… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Nội dung luận án đăng tạp chí sau: Oanh TK Nguyen, Long T Nguyen, Nhu K Truong, Viet D Nguyen, Anh T Nguyen, Nhan TH Le, Dung T Le, Nam TS Phan, “Synthesis of triphenylamines via ligand-free selective ring-opening of benzoxazoles or benzothiazoles under superparamagnetic nanoparticle catalysis” RSC advances, 65 (2017) 40929-40939 (IF = 3.039) Oanh TK Nguyen, Anh LT Phan, Phuong T Phan, Viet D Nguyen, Thanh Truong, Nhan TH Le, Dung T Le, Nam TS Phan, “Ready Access to 3‐ Substituted Quinoxalin‐2‐ones under Superparamagnetic Nanoparticle Catalysis”, ChemistrySelect, (2018) 879-886 (IF = 1.716) Oanh TK Nguyen, Pha T Ha, Ha V Dang, Yen H Vo, Tung T Nguyen, Nhan TH Le, Nam TS Phan, “Superparamagnetic nanoparticle-catalyzed coupling of 2-amino pyridines/pyrimidines with trans-chalcones”, RSC advances, 10 (2019) 5501-5511 (IF = 3.039) Pha T Ha, Oanh TK Nguyen, Khoa D Huynh, Tung T Nguyen, Nam TS Phan, “Synthesis of unnatural arundines using a magnetically reusable copper ferrite catalyst”, Synlett, 15 (2018) 2031-2034 (IF = 2.418) Oanh T.K Nguyen, Ha Trong Pha, Huynh Dang Khoa, Duy Chinh Nguyen, Nguyen Thi Hong Tham, “Copper Ferrite Superparamagnetic NanoparticleCatalyzed Cross-coupling Reaction to Form Diindolylmethane (DIM): Effect of Experimental Parameters”, Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 15 (3) 2020 (IF=0.93) TÓM TẮT Vật liệu nano siêu thuận từ thu hút nhiều ý nhà khoa học với vai trò chất xúc tác hỗ trợ Sự tách từ tính ngày ý phương pháp tách xúc tác, hiệu cao nhanh chóng với nhiều ưu điểm so với việc phân lập xúc tác cách truyền thống chiết lỏng-lỏng, sắc ký, lọc ly tâm Vật liệu thể hoạt tính xúc tác cao nhiều phản ứng hữu chúng chứa tâm kim loại mở Đặc biệt hai vật liệu nano gồm CuFe2O4 Fe2O3 tổng hợp phương pháp đơn giản, có nhiều ưu điểm vượt trội phù hợp ứng dụng xúc tác Hơn nữa, vật liệu nano siêu thuận từ thương mại hóa giá thành tương đối thấp Cả hai vật liệu nano CuFe2O4 nano Fe2O3 sử dụng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đơi C–N q trình tổng hợp hợp chất hữu triphenylamine, 3-phenylquinoxalin-2(1h)-one phenyl(2phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone Kết thực phản ứng benzoxazole : iodobenzene (1 : 3) tạo triphenylamine đạt hiệu suất gần 95% sau 140 C dung môi diethylene glycol, 2.5 đương lượng Cs2CO3 sử dụng 10 mol% nano CuFe2O4 mơi trường khí argon Vật liệu nano Fe2O3 sử dụng làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1h)-one từ 2-oxo-2-phenylacetic acid (0.25 mmol) benzene-1,2-diamine (0.375 mmol) Kết thực phản ứng đạt hiệu suất khoảng 82% sau 24 100 C hỗn hợp dung môi C6H5Cl/H2O (1.5/0.5) (v/v), sử dụng 10 mol% xúc tác nano Fe2O3 Ngoài ra, vật liệu nano CuFe2O4 sử dụng cho phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone từ trans- chalcone (0.3 mmol) 2-aminopyrimidine (0.2 mmol) Kết thực phản ứng đạt hiệu suất khoảng 84% sau 140 C dung môi 1,4dioxane, hai đương lượng iodine sử dụng 10 mol% xúc tác nano CuFe2O4 mơi trường khí oxi Các xúc tác nano từ tính cho hiệu suất độ chọn lọc cao Ngoài ra, chức xúc tác chứng minh Các xúc tác nano siêu thuận từ thu hồi tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm khơng đáng kể Theo hiểu biết chúng tôi, phản ứng sử dụng xúc tác nano CuFe2O4 Fe2O3 chưa nghiên cứu trước MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, phản ứng ghép đôi thu hút nhiều quan tâm nhóm nghiên cứu giới Trong đó, phản ứng ghép đôi C–N xem phản ứng quan trọng chúng cho phép hình thành nên hợp chất chứa liên kết C–N sử dụng rộng rãi tổng hợp hữu hay hợp chất có hoạt tính sinh học Các phản ứng thường sử dụng hệ xúc tác palladium khơng đắt tiền mà cịn thường dùng chung với ligand phức tạp độc hại Dù có nhiều nghiên cứu phát triễn hệ xúc tác kim loại chuyển tiếp có chi phí thấp nhằm thay cho hệ xúc tác palladium phản ứng nghép đôi C–N hệ xúc tác phần lớn dạng xúc tác đồng thể Các hệ xúc tác đồng thể có hoạt tính tốt lại khó đáp ứng nhu cầu Hóa Học Xanh khả thu hồi tái sử dụng nhằm hướng đến quy trình khơng hiệu mà tiết kiệm thân thiện với mơi trường Do đó, việc nghiên cứu phát triển hệ xúc tác dị thể xu tất yếu để tạo hệ xúc tác dị thể có hoạt tính tốt kích thước nano lựa chọn nhà khoa học quan tâm Trên thực tế, vài năm gần có số cơng trình nghiên cứu cho thấy khả xúc tác hạt nano siêu thuận từ cho phản ứng ghép đôi C–N Trong đó, lĩnh vực nano siêu thuận từ hạt nano CuFe2O4 Fe2O3 liên tục báo cáo có khả xúc tác cho nhiều phản ứng hữu Chính chúng tơi có sở để tin hạt nano siêu thuận từ CuFe2O4 Fe2O3 có khả làm xúc tác cho ba phản ứng tổng hợp hợp chất triphenylamine, 3-phenylquinoxalin2(1H)-one phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone Các hợp chất triphenylamine, 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone đóng vai trị hợp chất trung gian quan trọng tổng hợp hợp chất có hoạt tính sinh học có chứa nitơ vật liệu hữu chức Nhiều xúc tác kim loại chuyển tiếp thuộc dạng đồng thể dị thể, ứng dụng cho trình tổng hợp hợp chất phản ứng ghép đôi C–N Tuy nhiên, q trình có số hạn chế điều kiện phản ứng khó khăn, hiệu suất sản phẩm thấp, quy trình tinh chế phức tạp sử dụng muối kim loại độc hại làm xúc tác Vì vậy, việc nghiên cứu tìm quy trình hiệu để tổng hợp hợp chất triphenylamine, 3phenylquinoxalin-2(1H)-one phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin3-yl)methanone quan tâm giới Trong số xúc tác rắn công bố, vật liệu nano siêu thuận từ cho hoạt tính xúc tác cao nhiều phản ứng hữu chúng có chứa tâm kim loại mở Đặc biệt, hai vật liệu nano siêu thuận từ CuFe2O4 Fe2O3 tổng hợp cách đơn giản, chúng có nhiều ưu điểm bật thích hợp ứng dụng lĩnh vực xúc tác Bên cạnh đó, vật liệu từ thương mại hóa, tương đối rẻ có độ bền nhiệt lớn 600 °C Hơn nữa, đường kính lỗ xốp lớn hạt nano CuFe2O4 Fe2O3 nằm khoảng 7.5–9.0 Å cho phép hợp chất có đường kính trung bình vào bên lỗ xốp tiếp cận tâm xúc tác Tuy nhiên, theo hiểu biết chúng tôi, phản ứng ghép đôi C–N để tổng hợp hợp chất triphenylamine, 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one phenyl(2- phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone dùng xúc tác nano CuFe2O4 Fe2O3 làm xúc tác chưa nghiên cứu trước Chính vậy, mục tiêu luận án nghiên cứu sử dụng vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi C–N để tổng hợp hợp chất triphenylamine, 3phenylquinoxalin-2(1H)-one phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin3-yl)methanone Mục tiêu thứ hai luận án nghiên cứu khả thu hồi tái sử dụng vật liệu xúc tác điều kiện tối ưu Mục tiêu thứ ba luận án nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất hợp chất hữu phản ứng nói đến CHƯƠNG TỔNG QUAN: XÚC TÁC CuFe2O4, Fe2O3 VÀ PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C–N 1.1 Giới thiệu vật liệu nano siêu thuận từ Cho đến nay, hạt nano từ tính thu hút nhiều ý nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực xúc tác, công nghệ sinh học, xử lý môi trường v.v Các hạt nano từ tính trước hết dạng vật liệu có ba chiều kích thước khoảng 1–100 nm khoảng kích thước hạt nano chứa khoảng 10–10000 nguyên tử Kích thước nhỏ khiến cho hạt nano có diện tích bề mặt tỉ lệ bề mặt/thể tích lớn nhờ hứa hẹn mang lại xúc tác dị thể có hoạt tính cao, đồng thời có thêm tính chất đặc biệt mà vật liệu khối tương ứng khơng có Đối với số vật liệu từ tính, kích thước vật liệu giảm xuống nhỏ giới hạn domen từ (ví dụ khoảng 20 nm oxide sắt) hạt thể tính chất siêu thuận từ nhiệt độ phịng Vật liệu có tính chất khơng biểu từ tính điều kiện bình thường dễ dàng bị từ hóa có mặt từ trường ngồi Đây sở cho việc sử dụng từ trường để thu hồi hạt nano từ tính Bên cạnh đó, loại xúc tác có khả phân riêng từ trường cịn có tiềm sử dụng cho nhiều loại phản ứng bề mặt chúng biến tính q trình tổng hợp xúc tác cho phù hợp với yêu cầu cụ thể Chính ưu điểm kể mà hạt nano từ tính ngày đón nhận quan tâm nhà khoa học xúc tác 1.2 Vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 1.2.1 Vật liệu nano Fe2O3 Cấu trúc nano oxide sắt sử dụng rộng rãi lĩnh vực công nghệ khác hấp phụ vi sóng, xúc tác, xử lý mơi trường, cảm biến khí, lưu trữ khí, v.v Hematite dạng hình thái oxit sắt ổn định có vai trị quan trọng nhiều ứng dụng Hematite có nhiều tự nhiên hệ thủy sinh, trầm tích đất α-Fe2O3 oxide sắt bền điều kiện mơi trường khơng khí nghiên cứu cách rộng rãi ứng dụng lĩnh vực xúc tác Cấu trúc tinh thể α-Fe2O3 có dạng hình thoi với tính chất bán dẫn loại n (năng lượng vùng cấm 2.1 eV) Oxide sắt thể nhiều hình thái khác bao gồm α-Fe2O3 (hình thoi) γ-Fe2O3 (hình lập phương), α-Fe2O3 pha ổn định nhiệt (Hình 1.3) Hình 1.3: Đơn vị tinh thể khác oxide sắt (a) α-Fe2O3, (b) γ-Fe2O3 Các ứng dụng oxide sắt phụ thuộc mật thiết vào khả oxi hóa khử (sự khử oxi hóa) trạng thái oxi hóa +2 va +3 Tuy nhiên, trạng thái oxi hóa thay đổi sắt dẫn đến giản đồ pha phức tạp oxide sắt với số pha dễ thay cho Do đó, để hiểu q trình khử Fe2O3 trở thành thách thức lâu dài cho nhà khoa học vật liệu 1.2.2 Vật liệu nano CuFe2O4 Trong số hạt nano ferit, hạt nano ferit đồng nhận ý đáng kể năm gần Điều đáng ý hạt nano ferit đồng điều chế nhiều phương pháp đơn giản mà khơng cần chức hóa xử lý bề mặt, thể độ ổn định nhiệt cao thường có cấu Các hợp chất dị vịng đặc biệt hợp chất chứa nitơ quan trọng chúng xuất nhiều sản phẩm tự nhiên, hợp chất hữu có hoạt tính sinh học Việc hình thành liên kết C–N hợp chất thơm thách thức nhà hóa học y sinh Các phương thức hình thành liên kết C–N thực dựa vào việc kích hoạt vật liệu ban đầu aryl halogen để tương tác với amin Sự hình thành liên kết C–N thực điều kiện phản ứng êm dịu chi phí thấp nhiệm vụ đầy thử thách Gần đây, số thành tựu nỗi bật đạt phản ứng ghép đôi C–N cách sử dụng phức kim loại với phối tử khác điều kiện êm dịu chi phí thấp Mặc dù có số cơng bố nhấn mạnh khác trình hình thành liên kết C–C C–N, tiến đạt hình thành liên kết C–N với sử dụng chất mà không cần kích hoạt chưa ghi nhận Những đánh giá nhằm làm nỗi bật tiến gần phản ứng ghép đơi hình thành liên kết C–N Nhờ đa dạng nhiều lĩnh vực, nhiều phương pháp tiếp cận để tổng hợp hợp chất thơng qua hình thành liên kết C– N: Các hợp chất triphenylamin tổng hợp từ aryl halogen dẫn xuất aryl amine diphenylamine, aniline với có mặt axit, bazơ, phối tử xúc tác đồng thể kim loại chuyển tiếp Hợp chất quinoxalin-2(1H)-ones hợp chất dị vòng nitơ quan tìm thấy sản phẩm tự nhiên dược phẩm, chúng tổng hợp từ q trình chuyển hóa gốc iminyl thơng qua phân tách liên kết N–X Ngoài ra, phản ứng thực qua trình ngưng tụ diamine axit pyruvic Khung imidazo[1,2-a]pyridine hợp chất chứa nitơ quan trọng thể nhiều hoạt tính sinh học Các hợp chất dị vòng dựa khung imidazo[1,2-a]pyridine tổng hợp từ phản ứng ba thành phần 2-aminopyridine, benzaldehyde, phenylacetylene phản ứng đóng vịng chalcone 2aminopyridine điều kiện khác 1.4 Mục tiêu Mục tiêu luận án sử dụng vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp hợp chất triphenylamines, 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one phenyl(2-phenylimidazo[1,2- a]pyrimidin-3-yl)methanone: i) Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu nano CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp triphenylamine từ iodobenzene với benzoxazole ii) Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu nano CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone từ trans-chalcone với 2-aminopyrimidine iii) Khảo sát hoạt tính xúc tác nano Fe2O3 cho phản ứng tổng hợp 3phenylquinoxalin-2(1H)-one từ 2-oxo-2-phenylacetic acid benzene-1,2-diamine iv) Khảo sát khả thu hồi tái sử dụng vật liệu xúc tác sử dụng phản ứng 10 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 Trong luận án này, vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 sử dụng vật liệu thương mại cung cấp nhà cung cấp Sigma-Aldrich Các vật liệu phân tích đặc trưng cấu trúc phương pháp hóa lý đại XRD, SEM, TEM, TGA, BET VSM 2.2 Ứng dụng vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 xúc tác Khảo sát hoạt tính xúc tác nano CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp triphenylamine từ benzoxazole iodobenzene Khảo sát hoạt tính xúc tác nano Fe2O3 cho phản ứng tổng hợp quinoxalin-2-ones từ 2-oxo-2-phenylacetic acid benzene-1,2-diamine Khảo sát hoạt tính xúc tác cho phản ứng tổng hợp phenyl(2phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone trans-chalcone 2aminopyrimidine Hiệu suất sản phẩm xác định dựa vào mẫu lấy từ hỗn hợp phản ứng thời điểm khác nhau, sau trích với nước, làm khan muối Na2SO4 khan, mẫu phân tích sắc ký khí (GC) so sánh với chất nội chuẩn Tất sản phẩm ba phản ứng sau cô lập sắc ký cột phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H NMR 13C NMR 11 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Vật liệu nano siêu thuận từ ngày sử dụng phổ biến chất xúc tác thay nhờ đặc tính từ tính Bên cạnh đó, vật liệu báo cáo xúc tác dị thể đầy tiềm mà có hiệu nồng độ thấp, khơng có phối tử, dễ dàng thu hồi tái sử dụng cho số phản ứng Trong chương này, tiến hành khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 cho phản ứng ghép đôi C–N 3.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu CuFe2O4 cho phản ứng tổng triphenylamine (TPAs) Sơ đồ 3.1: Phản ứng mở vòng benzoxazole với iodobenzene tạo 2(diphenylamino)phenol Tất yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng benzoxazole với iodobenzene tóm tắt bảng 3.1 Điều kiện phản ứng Kết (Hiệu suất (%)) Xúc tác rắn Nano NiFe2O4 (0), nano CoFe2O4 (0), nano Fe2O3 (0), CuBDC (61), CuOBA (58), MOF199 (59), Cu2(BDC)2DABCO (48), Cu2(BPDC)2BPY (57), Co-ZIP-67 (2), Ni2(BDC)2DABCO (3), MIL-101 (2), nano CuFe2O4 (77) Dung môi DMSO (3), DCB (2), DMF (42), DMA (48), n-Butanol (42), Toluene (8), p-Xylene (29), Dioxane (42), Diglyme (19), Ethylene glycol 12 (58), Diethylene glycol (77), Triethylene glycol (73), Poly(ethylene) glycol (57) Bazo Cs2CO3 (77), K2CO3 (66), Na2CO3 (19), Li2CO3 (2), CsF(16), K3PO4 (29), Pyridine (0), Morpholine (2), DABCO (6), KOAc (3), DBU (31), tBuOK (60), KHCO3 (22), NaHCO3 (20), Pyperidine 95) Lượng bazo (equiv) (0), 0.5 (17), (33), 1.5 (53), (66), 2.5 (77), (80) Nồng độ tác (Benzoxazole, M) chất 0.075 (68), 0.086 (70), 0.1 (72), 0.12 (75), 0.15 (77), 0.2 (71), 0.3 (69) Tỉ lệ mol tác chất 1:1 (59), 1: 1.5 (63), 1:2 (75), 1:2.5 (75), 1:3 (Benzoxazole:Iodobenzen) (77), 1.5:1 (56), 2:1 (33), 2.5:1 (22), 3:1 (13) Lượng xúc tác (%) % (0), % (53), % (61), % (65), %(68), 10% (75), 12% (75) Nhiệt độ 110 C(51), 120 °C (75), 130 °C (82), 140 °C (95), 150 C(90) CuCl (84), CuCl2 (70), CuBr2 (78), Nano CuFe2O4 so với xúc Cu(Oac)2.H2O (73), Cu(NO3)22H2O (78), tác đồng thể FeCl24H2O (2), Fe2(SO4)3 (2), NiCl26H2O (5), CoCl26H2O (6), nano CuFe2O4 (95) Xúc tác dị thể Xúc tác tâm đồng (hiệu xuất cao), Xúc tác tâm khác (phản ứng dường không xảy ra) 13 100 80 80 Yield (%) Yield (%) 100 60 10 mol% catalyst 60 40 40 Leaching test 20 20 0 30 60 90 120 Catalytic run Time (min) Hình 3.10: Kiểm tra tính dị thể vật liệu nano CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp 2(diphenylamino)phenol Hình 3.13: Kiểm tra độ bền vật liệu nano CuFe2O4 4000 3500 Intensity (a.u.) 3000 2500 (b) 2000 1500 (a) 1000 500 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 2-Theta-Scale Hình 3.14: Kết nhiễu xạ tia X vật liệu nano CuFe2O4 trước (a) sau thu hồi (b) Hình 3.15: Kết TEM vật liệu nano CuFe2O4 sau thu hồi Kiểm tra tính dị thể xúc tác phản ứng tạo 2(diphenylamino)phenol khơng có mặt xúc tác (Hình 3.10) Kết cho thấy phản ứng mở vòng giừa benzoxazole iodobenzene xảy có mặt xúc tác nano CuFe2O4 phản ứng Dữ liệu thực nghiệm cho thấy vật liệu nano CuFe2O4 tái sử dụng nhiều lần cho phản ứng mở vòng benzoxazole để tổng hợp 14 2-(diphenylamino)phenol mà hoạt tính xúc tác giảm khơng đáng kể Thậy vậy, hiệu suất sản phẩm đạt 89% sau lần thu hồi tái sử dụng xúc tác (Hình 3.13) Phân tích kết nhiễu xạ tia X cho thấy vật liệu nano siêu thuận từ CuFe2O4 thu hồi giữ nguyên cấu trúc tinh thể suốt trình thực nghiệm (Hình 3.14) Ngồi ra, kết TEM (Hình 3.15) cho thấy xúc tác sau thu hồi nằm vùng kích thước nano vật liệu có kết tụ Dẫn xuất triphenylamine tiếp tục mở rộng thơng qua phản ứng mở vịng sử dụng vật liệu nano CuFe2O4 làm xúc tác, với hiệu suất sản phẩm đạt từ 58% đến 92% Tất sản phẩm tách xác định cấu trúc phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H NMR, 13C 3.2 NMR Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu Fe2O3 cho phản ứng tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one Sơ đồ 3.3: Phản ứng tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one Tất yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng tổng hợp 3phenylquinoxalin-2(1H)-one từ 2-oxo-2-phenylacetic acid benzene-1,2diamine tóm tắt Bảng 3.2 Điều kiện phản ứng Kết (Hiệu suất (%)) Nhiệt độ RT (15), 60 C (36), 70 C (45), 80 C (51), 90 C (54), 100 C (61), 110 C (45), 120 C (37) 15 Tỉ lệ mol tác chất (2-oxo-2phenylacetic acid:Benzene- 1:1 (58), 1:1.5 (61), 1:2 (57), 1:2.5 (48) 1,2-diamine) 0:2 (5), 0.3:1.7 (14), 0.5:1.5 (23), Tỉ lệ dung môi (MeCN:H2O = 0.7:1.3 (35), 1:1 (54), 1.3:0.7 (61), v/v) 1.5:0.5 (77), 1.7:0.3 (46), 2:0 (17) Lượng xúc tác % (5), % (57), 7.5 % (63), 10 % (77), 12.5 %(75), 15% (75) Dung môi MeCN/H2O (77), DMF/H2O (61), DMSO/H2O (61), Chlorobenzene/H2O (82), THF/H2O (60), Toluene/H2O (55), NMP/H2O (66), DMA/H2O (67) Xúc tác dị thể Nano Fe2O3 (82), nano Fe3O4 (72), nnao CuFe2O4 (61), nano NiFe2O4 (62), nnao CoFe2O4 (77) 100 100 80 80 Yield of (1) (%) Yield (%) FeCl2 (74), FeCl3 (63), Fe(NO3)3 (60), Fe2(SO4)3 (68), CuBr2 (54), CuCl2 (68), Nano Fe2O3 so với xúc tác CuSO4 (60), Cu(Oac)2 (75), NiCl2 (67), đồng thể NiSO4 (69), Ni(Oac)2 (65), CoCl2 (72), Co(Oac)2 (60), nano Fe2O3 (82) 60 40 40 20 10 mol% catalyst 20 60 leaching test 0 12 16 20 24 28 Run Time (h) Hình 3.23: Kiểm tra tính dị thể vật liệu nano Fe2O3 phản ứng tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1H)one 16 Hình 3.24: Kiểm tra độ bền vật liệu nano Fe2O3 phản ứng tổng hợp 3phenylquinoxalin-2(1H)-one 6500 Intensity [a.u] 5500 4500 (b) 3500 (a) 2500 1500 15 25 35 45 55 65 2-Theta Hình 3.25: Kết nhiễu xạ tia X vật liệu nano Fe2O3 trước (a) sau thu hồi (b) Hình 3.26: Kết TEM vật liệu nano Fe2O3 sau thu hồi Kết thực Leaching test cho phản ứng tổng hợp 3phenylquinoxalin-2(1H)-one cho thấy hiệu suất sản phẩm phản ứng dường không thay đổi sau xúc tác nano Fe2O3 lập (Hình 3.23) Như vậy, ta thấy q trình tổng hợp 3phenylquinoxalin-2(1H)-one cần phải có mặt xúc tác nano Fe2O3 xúc tác khơng bị hịa tan mơi trường phản ứng Kết kiểm tra độ bền xúc tác nano Fe2O3 cho thấy xúc tác thu hồi tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác không bị ảnh hưởng đáng kể Thật vậy, 77% hiệu suất sản phẩm 3phenylquinoxalin-2(1H)-one đạt sau lần thu hồi thể Hình 3.24 Bên cạnh đó, kết nhiễu xạ tia X (Hình 3.25) kết TEM (Hình 3.26) cho thấy cấu trúc tinh thể vật liệu nano Fe2O3 trước sau thu hồi khơng có khác biệt đáng kể Các nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất 3-phenylquinoxalin2(1H)-one từ họ 2-oxo-2-phenylacetic acid amine khác mở rộng với có mặt xúc tác nano Fe2O3 với hiệu suất đạt từ 65% đến 81% Tất dẫn xuất điều xác định phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H NMR, 13C NMR 17 3.3 Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu nano CuFe2O4 cho phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3yl)methanone Sơ đồ 3.5: Phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3yl)methanone trans-chalcone 2-aminopyrimidine sử dụng vật liệu nano CuFe2O4 làm xúc tác Tất yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone tóm tắt Bảng 3.3 Điều kiện phản ứng Kết ( Hiệu suất (%)) Nhiệt độ RT (0), 60 C (7), 80 C (35), 100 C (55), 120 C (66), 140 C (84) Lượng xúc tác % (20), 2.5 % (46), % (48), 7.5 % (56), 10 %(84), 12.5% (82), 15% (80) Tỉ lệ mol tác chất (trans1:1 (70), 1: 1.6 (84), 1:2.3 (63), 1:3 (51), chalcone : 21:3.7 (49), 1:4.4 (44) aminopyrimidine) Lượng Iodine (equiv.) (0), 0.5 (15), (45), 1.5 (49), (84), 2.5 (87), (85) Dung môi DMAC (12), DMF (9), DMSO (23), 1,4Dioxane (84), o-Xylene (9), p-Xylene (12), m-Xylene (9), NMP (21), Chlorobenzene (70), DCB (46) CuBr (29), CuBr2 (58), CuI (38), CuCl (25), Nano CuFe2O4 so với xúc Fe(acac)3 (31), FeCl3 (41), Cu(Oac)2 (34), tác đồng thể Cu(NO3)2 (53), Cu(acac)2 (11), FeCl2 (67), CuCl2 (43), nano CuFe2O4 (84) 18 Nano Fe2O3 (21), nano CuO (29), nano CoFe2O4 (49), nano Fe3O4 (32), CuBDC (33), Cu-MOF-74 (56), Cu2(OBA)2BPY (39), MOF-235 (64), Cu2(BPDC)2BPY (23), Fe3O(BPDC)2 (26), NiFe2O4 (31), Cu2O (40), nano CuFe2O4 (84) Xúc tác dị thể 100 100 10 mol% catalyst Leaching test 80 Yield (%) Yield (%) 80 60 40 60 40 20 20 0 Time (h) Hình 3.34: Kiểm tra tính dị thể vật liệu nano CuFe2O4 phản ứng tổng hợp phenyl(2phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3yl)methanone Catalytic run Hình 3.35: Kiểm tra độ bền vật liệu nano CuFe2O4 Intensity (a.u.) (b) (a) 20 30 40 50 60 70 2-Theta-Scale Hình 3.36: Kết nhiễu xạ tia X vật liệu nano CuFe2O4 trước (a) sau thu hồi (b) Hình 3.37: Kết TEM vật liệu nano CuFe2O4 sau thu hồi Kết Leaching test cho thấy 28 % hiệu suất sản phẩm phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone sau 19 xúc tác tách khỏi phản ứng (Hình 3.34) Điều cho thấy phản ứng oxi hóa đóng vịng xảy có mặt xúc tác nano siêu thuận từ CuFe2O4 xúc tác không bị hịa tan mơi trường phản ứng Kết kiểm tra độ bền xúc tác cho thấy vật liệu nano CuFe2O4 tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm khơng đáng kể phản ứng tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3yl)methanone từ trans-chalcone 2-aminopyrimidine (Hình 3.35) Rõ ràng, xúc tác tái sử dụng lần với hiệu suất sản phẩm giảm không đáng kể với 81% Ngoài ra, kết nhiễu xạ tia X (Hình 3.36) kết TEM (Hình 3.37) xúc tác nano CuFe2O4 trước sau thu hồi có cấu trúc tinh thể dường không thay đổi suốt trình phản ứng Nghiên cứu mở rộng cho dẫn xuất aroylimidazo[1,2a]pyrimidines aroylimidazo[1,2‐a]pyridines qua phản ứng oxi hóa đóng vịng sử dụng xúc tác nano siêu thuận từ CuFe2O4, với hiệu suất sản phẩm đạt từ 54% đến 81% Tất sản phẩm xác định phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân 1H NMR, 13C NMR 3.4 Kết luận Vật liệu nano CuFe2O4 sử dụng làm xúc tác cho phản ứng ghép đơi C–N cho q trình tổng hợp sản phẩm triphenylamines (TPAs) phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone, vật liệu nano Fe2O3 sử dụng làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp 3phenylquinoxalin-2(1H)-one qua q trình ghép đơi C–N Phản ứng ghép đơi C–N xảy có mặt xúc tác dị thể mà khơng có xúc tác đồng thể môi trường phản ứng Xúc tác nano từ thường lập từ trường ngồi, thu hồi tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm khơng đáng kể Xúc tác sau thu hồi kiểm tra lại phổ nhiễu xạ tia X hình ảnh TEM 20 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Tóm tắt kết nghiên cứu Vật liệu nano CuFe2O4 sử dụng làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp triphenyamine với hiệu suất 95% dung môi ethylene glycol 120 C khoảng mơi trường khí Argon, dùng 2.5 đương lượng Cs2CO3, với có mặt 10 mol% xúc tác, đương lượng iodobenzene benzoxazole nồng độ 0.15M Vật liệu nano Fe2O3 sử dụng làm xúc tác cho phản ứng đóng vịng 2-oxo-2-phenylacetic acid benzene-1,2-diamine với hiệu suất sản phẩm 82% Phản ứng thực 100 C hỗn hợp dung môi C6H5Cl/H2O theo tỉ lệ thể tích 1.5/0.5 (v/v) khoảng 24 giờ, với có mặt 10 mol% xúc tác 1.5 đương lượng benzene-1,2-diamine Phản ứng oxi hóa đóng vịng trans-chalcone 2aminopyrimidine tạo phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3- yl)methanone với 84% hiệu suất sản phẩm, dùng vật liệu nano siêu thuận từ CuFe2O4 làm xúc tác dung môi 1,4-dioxane Phản ứng thực 140 C mơi trường khơng khí khoảng giờ, 10 mol% xúc tác, với có mặt đương lượng iodine 1.6 đương lượng 2aminopyrimidine Vật liệu nano siêu thuận từ tách cách dễ dàng từ trường ngồi Chúng thu hồi tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm khơng đáng kể 4.2 Đóng góp luận án Mục tiêu chung luận án sử dụng vật liệu nano siêu thuận từ làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp hợp chất triphenylamines, 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one phenyl(2- phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone Những hợp chất đóng vai trị hợp chất trung gian quan trọng việc tổng hợp nhiều hợp 21 chất có chứa nitơ có hoạt tính sinh học kháng ung thư, kháng khuẩn, v.v Ở đây, đóng góp luận án là: Đây lần sử dụng vật liệu nano siêu thuận từ làm xúc tác dị thể cho phản ứng sau: i) Vật liệu nano CuFe2O4 sử dụng làm xúc tác cho phản ứng tổng hợp triphenyamine từ benzoxazole iodobenzene; ii) Vật liệu nano Fe2O3 sử dụng làm xúc tác cho phản ứng đóng vịng 2-oxo-2-phenylacetic acid benzene-1,2-diamine tạo 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one; iii) Phản ứng oxi hóa đóng vịng trans-chalcone 2aminopyrimidine tạo phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3yl)methanone với có mặt xúc tác nano CuFe2O4 Vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 thể hiệu xúc tác cao cho phản ứng ghép đôi C–N đề cập điều kiện tối ưu phản ứng tìm Vật liệu nano siêu thuận từ thu hồi tái sử dụng nhiều lần mà không giảm hoạt tính Cấu trúc vật liệu trước sau thu hồi khơng có thay đổi sau xác định phương pháp XRD TEM Tất sản phẩm phản ứng điều xác định phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H NMR, 13C NMR Bên cạnh đó, hiệu suất tinh chế phản ứng tính tốn 4.3 Kiến nghị Với đặc tính hữu ích dẫn xuất luận án, cần nghiên cứu mở rộng thêm nhiều dẫn xuất sản phẩm ba phản ứng Hơn nữa, cần thực thêm nghiên cứu ứng dụng dẫn xuất lĩnh vực y học Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu nano siêu thuận từ có hoạt tính tốt lĩnh vực xúc tác cho phản ứng tổng hợp hữu Ngoài ra, cần 22 mở rộng thêm hướng nghiên cứu ứng dụng xúc tác nano từ tính số lĩnh vực khác hấp phụ lưu trữ khí Việc sử dụng vật liệu nano siêu thuận từ làm xúc tác dị thể thu hồi tái sử dụng quan tâm cơng nghiệp hóa học 23 ... dụng cho số phản ứng Trong chương này, tiến hành khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 cho phản ứng ghép đôi C–N 3.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác vật liệu CuFe2O4 cho phản ứng tổng... phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone dùng xúc tác nano CuFe2O4 Fe2O3 làm xúc tác chưa nghiên cứu trước Chính vậy, mục tiêu luận án nghiên cứu sử dụng vật liệu nano CuFe2O4 Fe2O3 làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi C–N để... giới Trong số xúc tác rắn công bố, vật liệu nano siêu thuận từ cho hoạt tính xúc tác cao nhiều phản ứng hữu chúng có chứa tâm kim loại mở Đặc biệt, hai vật liệu nano siêu thuận từ CuFe2O4 Fe2O3