6. Cấu trúc luận văn
1.1.3. Các phương pháp biến tính zeolite ZSM-5
Như đã trình bày ở phần mở đầu, hạn chế chính của ZSM-5 là kích thước mao quản nhỏ (0.53 nm) thường gây ra trở lực khuếch tán và làm hạn chế sự tiếp cận các tâm axit nằm sâu bên trong các kênh mao quản, đặc biệt khi có sự tham gia của các chất phản ứng với kích thước lớn [25]. Do đó, để cải thiện tính chất khuếch tán phân tử và tăng khả năng tiếp cận các tâm axit nằm sâu bên trong các kênh vi mao quản của zeolite, nhiều phương pháp tổng hợp đã được phát triển để đưa thêm hệ thống mao quản trung bình (2-30 nm) vào trong tinh thể zeolite ZSM-5 [36]. Theo hướng “top-down”, zeolite ZSM-5 đa mao quản được chế tạo bằng phương pháp biến tính zeolite đã tổng hợp với kiềm-axit để tạo mao quản trung bình trong tinh thể zeolite (intracrystalline mesopores) [18]. Theo hướng “bottom up”, mao quản trung bình được tạo ra giữa các tinh thể zeolite (intercrystalline mesopores) bằng cách tối ưu điều kiện tổng hợp zeolite để thu tinh thể kích thước nano. Trong đó, phương pháp xử lý kiềm-axit là phương pháp được nghiên cứu và áp dụng nhiều nhất trong chế tạo zeolite chứa mao quản trung bình do tính đơn giản, hiệu quả, chi phí
thấp và khả năng scale up lên quy mô lớn. Mao quản trung bình tạo ra kết nối với bề mặt ngoài của tinh thể, đóng vai trò như “molecular highway”, giúp quá trình khuếch tán phân tử được cải thiện mạnh mẽ. Kết quả là zeolite ZSM-5 chứa mao quản trung bình có hiệu quả vượt trô ̣i so với zeolite ban đầu (trước biến tính) như được minh chứng trong nhiều quá trình chuyển hóa xúc tác quan tro ̣ng như cracking, alkyl hóa, ngưng tụ… [25, 27].
Sự thủy phân chọn lọc các liên kết Si-O-Si trong khung mạng tinh thể zeolite bằng kiềm được thực hiện lần đầu tiên vào những năm 1960s. Dean và cộng sự [10] quan sát thấy sự tách một phần nhỏ Si trong mạng tinh thể khi xử lý zeolite mordenite có tỷ số Si/Al cao bằng kiềm. Mẫu zeolite sau xử lý có dung lượng hấp phụ tăng nhưng tại thời điểm đó, sự hình thành mao quản trung bình chưa được làm rõ. Phải đến năm 2000, Ogura và cộng sự [24] mới chứng minh được sự hình thành mao quản trung bình khi xử lý ZSM-5 bằng NaOH. Sau đó, Groen và cộng sự [14] đã tiến hành các nghiên cứu một cách hệ thống trên ZSM-5 và đi đến kết luận rằng phương pháp xử lý kiềm cho phép tách chọn lọc Si trong khung mạng tinh thể để tạo ra các kênh mao quản trung bình trong khi vẫn giữ được các tính chất quý của zeolite ZSM-5 như độ tinh thể, tính axit và chọn lọc hình dạng. Theo Groen, tỷ số Si/Al đóng vai trò quan trọng, quyết định đến thành công của phương pháp. Khoảng tỷ số Si/Al tối ưu để hình thành mao quản trung bình bằng xử lý kiềm là 25-50. Với tỷ số Si/Al cao hơn 50, quá trình tách Si khó kiểm soát dẫn đến sự phá hủy cấu trúc tinh thể. Ngược lại, tỷ số Si/Al nhỏ hơn 25 làm hạn chế quá trình tách Si do hàm lượng Al cao trong khung mạng đã bảo vệ Si khỏi sự tấn công của kiềm.
Để khắc phu ̣c những hạn chế của phương pháp xử lý kiềm, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Pérez-Ramírez ở Đại học ETH Zurich (Thụy Sĩ) đã tiến hành các nghiên cứu đột phá dựa trên việc tối ưu hóa điều kiện xử lý cho các loại zeolite với tỷ số Si/Al khác nhau [27 - 28]. Kết quả cho thấy, với zeolite có tỷ
số Si/Al cao như ZSM-5 (Si/Al >50) hay silicalite-1 cần bổ sung các chất điều chỉnh “moderator” như tetrapropyl ammonium cations (TPA+) hay cetyltrimethylammonium cations (CTA+) để kiểm soát quá trình tách Si, hạn chế sự hòa tan, phá vỡ cấu trúc tinh thể trong quá trình tạo mesopores. Vì Al cũng bị tách một phần khỏi khung tinh thể cùng với Si trong quá trình xử lý kiềm nên bước làm sạch bằng axit (acid washing) cần được thực hiện để khai thông các kênh mao quản, cải thiện tính chất bề mặt của zeolite chứa mao quản trung bình
Nhâ ̣n xét:
Phương pháp biến tính zeolite ZSM-5 thành zeolite ZSM-5 chứa mao quản trung bình bằng xử lý kiềm-axit đã được chứng minh là phương pháp hiê ̣u quả để chế ta ̣o zeolite chứa mao quản trung bình. Tuy nhiên thành công của phương pháp đòi hỏi phải tối ưu hóa điều kiê ̣n biến tính cho từng zeolite ban đầu (tỷ số Si/Al khác nhau) với mu ̣c đích ứng du ̣ng cu ̣ thể. Vì khi thay đổi điều kiê ̣n biến tính như nhiê ̣t đô ̣, thời gian xử lý, loa ̣i và nồng đô ̣ kiềm, … vâ ̣t liê ̣u meso-zeolite thu đươ ̣c sau biến tính có thể khác nhau hoàn toàn. Sự khác nhau nằm ở thể tích và diê ̣n tích bề mă ̣t riêng, sự phân bố kích thước mao quản trung bình và sự kết nối của chúng với hê ̣ thống vi mao quản hiê ̣n hữu của zeolite. Ngoài ra, điều kiê ̣n biến tính cũng ảnh hưởng ma ̣nh đến tính chất hóa lý của zeolite ban đầu, làm thay đổi đô ̣ tinh thể, tính chất axit và đô ̣ bền (thủy) nhiê ̣t. Do đó, tùy theo mục đích ứng dụng cần phải xây dựng quy trình biến tính cho phù hợp với từng loại zeolite ban đầu.
Hiệu quả xúc tác vượt trội của zeolite ZSM-5 chứa mao quản trung bình so với zeolite thông thường đã được chứng minh trong nhiều phản ứng quan trọng liên quan đến ứng dụng công nghiệp cũng như những ứng dụng tiềm năng. Trong phần lớn các trường hợp, hiệu quả vượt trội của zeolite ZSM-5 chứa mao quản trung bình được quy cho sự có mặt của mao quản trung bình
đã giúp quá trình khuếch tán phân tử và tiếp cận các tâm axit bên trong các kênh vi mao quản được cải thiện mạnh mẽ. Tuy nhiên, các nghiên cứu biến tính zeolite ZSM-5 thành zeolite ZSM-5 chứa mao quản trung bình bằng phương pháp xử lý kiềm-axit để ứng dụng cho tổng hợp các hợp chất dị vòng thì chưa được khai thác.
1.2. Ứng dụng zeolite làm xúc tác dị thể cho tổng hợp dị vòng chứa nitơ
Hợp chất dị vòng chứa nitơ được coi là lớp chất thiết yếu trong thiên nhiên do xuất hiện trong rất nhiều cấu trúc của các hợp chất thiên nhiên như vitamin, hooc môn, các kháng sinh thiên nhiên và các hợp chất alkaloid. Ngoài ra, người ta cũng tìm thấy cấu trúc của các hợp chất này trong rất nhiều loại dược phẩm, thuốc diệt cỏ với rất nhiều hoạt tính đáng chú ý [5].
Với tính chất tương đồng, benzimidazole với hàng loạt các hợp chất có tác dụng sinh học như purine trong DNA, vitamin B12… làm cho nó không những thân thiện với cơ thể sống, mà còn sở hữu hàng loạt các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp dược phẩm như chống lở loét, điều trị bệnh huyết áp, kháng virus, kháng nấm, kháng ung thư và kháng histamine [2]. Phương pháp
thông dụng để tổng hợp benzimidazole là sử dụng phản ứng ngưng tụ
o-phenylenediamine với acid carboxylic hoặc các dẫn xuất của nó trong điều kiện xúc tác acid [3].
Gần đây, phương pháp mới sử dụng các tác nhân oxi hóa tạo sản phẩm từ o-phenylenediamine và aldehyde. Nhược điểm của phương pháp này là sử dụng tác nhân oxi hóa với đương lượng tương đương (stoichiometric amount). Bên cạnh đó, rất nhiều phương pháp tổng hợp 2-arylbenzimidazole đã được phát triển sử dụng các điều kiện thân thiên môi trường như vi sóng, siêu âm.
Mặc dù đã có nhiều cải tiến và thành công, tuy nhiên phản ứng vẫn gặp một số vấn đề như điều kiện phản ứng khắc nghiệt, chất thải độc hại và hiệu suất mới dừng ở mức trung bình.
Pyrimidine và các dẫn xuất từ lâu đã thể hiện những ứng dụng trong công nghệ dược phẩm như chống co giật, kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus [17]. Một phương pháp phổ biến để tổng hợp pyrimidine là phản ứng Biginelli. Phản ứng ngưng tụ ba cấu tử giữa aldehyde, ß-ketoester và urea trong điều kiện xúc tác axit. Zeolite từ khoáng chất tự nhiên Heulandite đã được sử dụng để xúc tác cho phản ứng ngưng tụ này giữa các aldehyde no, thơm và dị vòng phong phú với urea và ethyl hoặc methyl acetoacetate trong axit axetic ở 373 K, cho sản phẩm 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-ones hiệu suất tốt [35].
Các dẫn xuất 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-one cũng được tổng hợp dựa trên xúc tác montmorillonite KSF trong các dung môi khác nhau như nước, toluene hoặc trong điều kiện không dung môi cho hiệu suất tương đối tốt (71-86%). Độ chọn lọc cao nhất (94%) thu được trong điều kiện không dung môi ở 403 K [6]. Năm 2001, Rani và cộng sự công bố sử dụng xúc tác zeolite H-ZSM-5 và HY cho phản ứng ngưng tụ đóng vòng biginelli, cho sản phẩm 4,6-diphenyl-pyrimidin-2(1H)-one với hiệu suất trung bình [31].
aldehyde urea benzaldehydes 4,6-diphenyl-pyrimidin-2(1H)-one aldehyde urea ethyl acetoacetate 3,4-dihydropyrimidin-2(1H)-ones
Mười năm sau, phản ứng ngưng tụ này được Mistry và cộng sự khảo sát với benzaldehydes, acetophenone, and urea, đun hồi lưu với toluene. Xúc tác được sử dụng là các zeolite kích thước mao quản lớn như zeolites-Y, BEA, and MOR với tỉ lệ Si/Al khác nhau [18]. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng mặc dù MOR có tâm axit mạnh nhưng không xúc tác hiệu cho quả phản ứng. Trong số các zeolite đươc khảo sát, BEA có hiệu quả xúc tác tốt nhất do có bề mặt và tỉ lệ Si/Al lớn hơn. Kết quả này chứng tỏ có thể khảo sát các zeolite có bề mặt và tỉ lệ Si/Al khác nhau phù hợp cho phản ứng.
Quinoxaline là một hệ vòng quan trọng với phổ hoạt tính rộng và lý thú như kháng vi trùng sốt rét, điều trị hen suyễn, kháng viêm, kháng ung thư, kháng virus [29]. Do tầm quan trọng và sở hữu các hoạt tính quan trọng như vậy, quinoxaline đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp tổng hợp hiệu quả có thể ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm. Phương pháp tổng hợp vòng quinoxaline phổ biến nhất có thể kể đến phản ứng ngưng tụ giữa 1,2-diamine với 1,2-diketone, dẫn xuất quinoxaline có thể được tổng hợp bằng phản ứng ngưng tụ 1,2-diamine với α-bromoketone trong điều kiện xúc tác axit.
Đầu tiên một nhóm amino của diamine ngưng tụ với nhóm carbonyl của hình thành imine, sau đó phản ứng thế nucleophile vào vị trí brom bởi nhóm amino thứ hai và đề hydro hóa/đóng vòng thơm hóa tạo ra sản phẩm vòng quinoxaline. Tuy nhiên, những hợp chất thương phẩm α-bromoketone không có nhiều nên để chứng minh tính đa năng đối với các chất nền khác nhau của xúc tác có nhiều hạn chế. Do đó, đầu phản ứng có thể thay đổi thành
nhóm hydroxyl thay thế cho nhóm brom cho một lựa chọn rẻ tiền và cho ứng dụng rộng rãi hơn, α-Hydroxy ketone ngưng tụ với 1,2-diamine tạo imine, sau đó phản ứng thế nucleophile nội phân tử của nhóm amine thứ hai vào nhóm hydroxyl cho sản phẩm mong muốn, α-Hydroxyketone dễ dàng thu được từ phản ứng ngưng tụ benzoin từ hai aldehyde. Mặc dù có rất nhiều xúc tác dị thể đã được nghiên cứu và phát triển, ứng dụng cho kiểu phản ứng này như các xúc tác acid rắn mao quản trung bình (Zn–Al–MCM-41 và Al–MCM-41) [33], các zeolite beta biến tính với ZnO, silica mao quản trung bình biến tính với phức zirconium bazơ Schiff, hay các zeolite NaY biến tính với Yb, nhưng khả năng tái sinh chưa cao của xúc tác vẫn còn là một rào cản chưa thể vượt qua.
Benzodiazepine thông thường là các hoạt chất sinh học được sử dụng rộng rãi trong dược phẩm với các thuốc thông dụng như thuốc chống co giật, thuốc an thần, thuốc ngủ, thuốc giảm đau, thuốc chống trầm cảm, thuốc kháng viêm [7, 11]. Chiến thuật tổng hợp 1,5-benzodiazepine thường dựa trên phản
ứng ngưng tụ đóng vòng diamine với ,-ketone không no, ketone no,
β-diketone, β-ketoester với xúc tác acid hoặc kiềm. Một số xúc tác “xanh” ứng dụng cho phản ứng ngưng tụ đóng vòng o-phenylenediamine, -ketoester hay ketone với arylaldehyde sử dụng phương pháp hóa học xanh đã được nghiên cứu và phát triển. Năm 2006, Tajbakhsh và cộng sự đã sử dụng những xúc tác zeolite tự nhiên (HEU) và zeolite tổng hợp (H-ZSM-5 và HY) cho phản ứng ngưng tụ o-phenylenediamine và các ketone cho sản phẩm là 1,5-benzodiazepine thế ở vị trí 2,3,4 [34].
Nghiên cứu cho thấy xúc tác zeolite HY và HEU hiệu quả hơn zeolite H-ZSM-5. Tác giả đã kết luận các tâm acid trong các kênh mao quản của zeolite đóng vai trò quan trọng để thúc đẩy phản ứng. Năng 2010 nhóm nghiên cứu của Jeganathan đã thành công khi sử dụng xúc tác zeolite HY để ngưng tụ nhiều dẫn xuất o-phenylenediamines khác nhau với các ketone dạng no, thơm, vòng khác nhau trong điều kiện êm dịu và không dung môi cho hiệu suất hình thành 1,5-benzodiazepine khá cao. Tuy nhiên, phương pháp vẫn còn tồn tại nhược điểm là phải sử dụng lượng xúc tác khá lớn.
Nhận xét:
Các nghiên cứu cho thấy zeolite là xúc tác axit dị thể hiệu quả cho tổng hợp các hợp chất dị vòng. Trong phần lớn các nghiên cứu, xúc tác trên cơ sở zeolite cho hiệu suất sản phẩm mong muốn cao, điều kiện phản ứng êm dịu và thân thiện môi trường. Tuy nhiên hiệu quả xúc tác của zeolite giảm mạnh khi ứng dụng cho chuyển hóa các chất nền kích thước lớn do các kênh vi mao quản (<1,2 nm) đã gây trở lực khuếch tán và làm hạn chế chúng tiếp cận các tâm axit ở bên trong mao quản. Để khắc phục nhược điểm này, một số nghiên
cứu đã sử dụng vật liệu mao quản trung bình như Al-SBA-15 hay Al-MCM-41. Với kích thước mao quản lớn (2-10 nm), vật liệu mao quản
trung bình xúc tác hiệu quả cho phản ứng sử dụng chất nền lớn đòi hỏi tâm axit yếu. Tuy nhiên khả năng tái sinh của xúc tác kém do bản chất vô định hình của loại vật liệu này. Do đó, hướng nghiên cứu biến tính zeolite thành meso-zeolite bằng cách đưa thêm hệ thống mao quản trung bình vào trong tinh thể zeolite sẽ kết hợp được ưu điểm của cả hai loại vật liệu này. Hệ thống mao quản trung bình sẽ giúp cải thiện tính khuếch tán phân tử và khả năng tiệm cận các tâm axit trong khi vẫn giữ được các tính chất độc đáo của zeolite (hoạt độ axit mạnh, tính chọn lọc hình dạng và khả năng tái sinh tốt).
1.3. Tình hình nghiên cứu về ứng dụng của zeolite ZSM-5 chứa mao quản trung bình và quá trình tổng hợp một số hợp chất dị vòng ở trên thế giới và Việt nam