CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1 Kết quả phân tích hóa lý USO-2-Ni và khảo sát phản ứng Ullmann giữa 4-
3.1.2 Kết quả khảo sát phản ứng Ullmann giữa 4-nitrochlorobenzene và phenol
USO-2-Ni được lựa chọn làm xúc tác cho phản ứng Ullmann giữa phenol và 4- nitroclorobenzene. Sản phẩm 1-nitro-4-phenoxybenzene được xác định bằng phương pháp sắc khí ghép khối phổ.
Hình 3.7 Phản ứng Ullmann giữa phenol và 4-nitroclorobenzene.
Trong những khảo sát đầu tiên, ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa của 4-nitrochlorobenzene được khảo sát trước tiên, phản ứng được thực hiện trong dung môi DMF với tỉ lệ mol 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, dùng 2 đương lượng K3PO4 làm base, với sự có mặt của 10 mol% USO-2-Ni làm xúc tác ở các nhiệt độ 60, 70, 80 và 100 oC trong 180 phút. Kết quả khảo sát (hình 3.8) cho thấy ở 60 oC thì độ chuyển hóa của 4-nitrochlorobenzene tăng khá chậm, sau 180 phút độ chuyển hóa chỉ đạt được khoảng 48%. Khi tăng nhiệt độ lên 70, 80 và 100 oC độ chuyển hóa tăng đáng kể, 91% ở 70 oC sau phút và 100% ở 80 oC chỉ sau 120 phút và 100 oC chỉ sau 90 phút. Tuy nhiên, xu hướng phản ứng trong khoảng nhiệt độ này không chênh lệch nhiều nên 80 oC được chọn làm nhiệt độ để tiến hành những khảo sát tiếp theo. Năm 2013, nhóm nghiên cứu của tác giả Yong Wang thực hiện phản ứng giữa 4-
nitroclorobenzene và phenol ở 100 oC với CuI làm xúc tác sau 24h đạt hiệu suất 95%
[64]. Cũng trong năm 2013, một công bố khác của tác giả Nam T. S. Phan và các đồng sự cũng đã chứng mình rằng khi thực hiện phản ứng Ullmann giữa phenol và nitroarenes ở 100 oC dùng xúc tác dị thể tâm Cu (Cu2(BDC)2DABCO) cho độ chuyển hoá đạt cao nhất đạt 100% sau 120 phút [65].
27 Hình 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hoá của phản ứng.
Một yếu tố ảnh hưởng không nhỏ đến một phản ứng được kể đến là tỉ lệ mol của các chất phản ứng. Phản ứng được tiến hành ở 80 oC, trong dung môi DMF, khảo sát tỉ
lệ mol giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol lần lượt là 1:1, 1:1.5, 1:2 và 1:2.5. Sử dụng 2 đương lượng K3PO4 và 10% mol USO-2-Ni làm xúc tác trong 180 phút. Kết quả khảo sát (hình 3.9) cho thấy, sau 180 phút thì tỉ lệ mol giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:1 đạt được 93%, còn các tỉ lệ còn lại đều đạt được độ chuyển hóa 100%. Khi càng tăng tỉ lệ mol phenol thì phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng càng nhanh và tỉ lệ giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2 và 1:2.5 không có sự khác biệt nhiều nên tỉ lệ 1:2 được lựa chọn để tiếp tục được khảo sát. Kết quả nghiên cứu này tương tự như nghiên cứu của Taeghwan Hyeon và các đồng sự đã khảo sát và thấy rằng ở tỉ lệ 1:2 giữa 4- nitro-clorobenzene và imidazole thì thực hiện phản ứng Ullman đạt hiệu suất cao nhất, 95% sau 18h [67]. Tuy nhiên trong một nghiên cứu khác vào năm 2007, nhóm nghiên cứu của tác giả Lei Wang và Tao Miao đã thực hiện phản ứng tương tự giữa iodobenzene với phenol tỉ lệ là 1:1 đạt hiệu suất 93% sau 16h ở 130 oC với xúc tác là Cu/SiO2 [66].
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
60 oC 70 oC
80 oC 100 oC
28 Hình 3.9 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa.
Hàm lượng xúc tác cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng mạnh lên độ chuyển hoá của phản ứng. Phản ứng được tiến hành ở 80 oC, trong dung môi DMF, tỉ lệ mol giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, dùng 2 đương lượng base K3PO4, khảo sát hàm lượng xúc tác USO-2-Ni lần lượt là 0 mol%; 5 mol%; 7.5 mol%; 10 mol% trong 180 phút. Kết quả khảo sát (hình 3.10) cho thấy phản ứng hầu như không
xảy ra khi không có xúc tác, điều này cho thấy vai trò của tâm Ni trong MOF. Phản ứng đạt được độ chuyển hóa hoàn toàn khi sử dụng 10 mol% xúc tác chỉ trong 120 phút, còn với 7,5 mol% và 5 mol% lần lượt là 97% và 87% sau 180 phút. Điều này
cho thấy khi hàm lượng xúc tác càng nhiều thì làm tăng các tâm kim loại hoạt động, do đó sự tương tác giữa chất phản ứng với tâm xúc tác lớn hơn nên độ chuyển hóa tăng.
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
1:1 1:2 1:2.5 1:1.5
29 Hình 3.10 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên độ chuyển hóa.
Phản ứng loại Ullmann base luôn đóng một vai trò quan trọng nhất định. Ví dụ như trong bài báo về phản ứng Ullmann giữa iodobenzene và phenol của Tao Miaoa và Lei Wang khi sử dụng xúc tác Cu/SiO2, khảo sát nhiều loại base thì nhận thấy KF là hiệu quả nhất, đạt hiệu suất lên đến 92% [66]. Năm 2013, cũng phản ứng Ullmann
giữa iodobenzene và phenol được thực hiện bởi Yong Wang và đồng sự đã sử dụng KOH làm base đạt hiệu suất 85% ở 100 oC sau 24h [64]. Vì lí do trên, một số base như K3PO4, TEA, DBU, K2CO3, LiOtBu, CH3ONa đã được lựa chọn để tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của chúng lên phản ứng trong nghiên cứu này. Phản ứng được
tiến hành ở 80 oC, trong dung môi DMF, tỉ lệ mol giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, hai đương lượng cho mỗi base và 10 mol% xúc tác USO-2-Ni trong 180 phút.
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
10 mol% 7.5 mol%
5 mol% 0 mol%
30 Hình 3.11 Ảnh hưởng của một số base lên độ chuyển hóa phản ứng.
Kết quả khảo sát (hình 3.11) cho thấy base K3PO4 và Cs2CO3 chỉ sau 90 phút thì độ chuyển hóa của 4-nitrochlorobenzene gần đạt 100%. Trong khi đó K2CO3, LiOtBu và CH3ONa thì độ chuyển hóa không đáng kể. Và phản ứng gần như không xảy ra khi sử dụng DBU và TEA làm base. Do base Cs2CO3 và K3PO4 có ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của 4-nitrochlorobenzene chênh lệch không đáng kể, đồng thời giá thành của Cs2CO3 cao hơn nhiều so với K3PO4, nên K3PO4 được chọn là base dùng cho những khảo sát tiếp theo.
Bên cạnh loại base khác nhau có ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của phản ứng, hàm lượng đương lượng base cũng ảnh hưởng không kém đến độ chuyển hoá của phản ứng. Phản ứng được tiến hành ở 80 oC trong dung môi DMF, tỉ lệ mol giữa 4- nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, tiến hành khảo sát hàm lượng đương lượng K3PO4 lần lượt là 0, 1, 1.5 và 2, hàm lượng xúc tác USO-2-Ni là 10 mol% trong 180 phút.
Như đã nói ở trên, base đóng vai trò khá quan trọng trong phản ứng loại Ullmann,
phản ứng gần như không xảy ra khi không sử dụng base. Độ chuyển hóa tăng dần từ 66% đến 88% và chuyển hóa hoàn toàn với hàm lượng K3PO4 được sử dụng từ 1, 1.5 cho đến 2 đương lượng sau 180 phút (hình 3.12).
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
DBU K3PO4 CH3ONa
K2CO3 TEA Cs2CO3
LiOtBu
31 Hình 3.12 Ảnh hưởng tỉ lệ K3PO4 lên độ chuyển hoá của phản ứng.
Dung môi cũng là một trong những yếu tố quan trọng đến phản ứng Ullmann, ngoài việc hoà tan các tác chất cũng như sản phẩm, dung môi còn có tác dụng làm bền các sản phẩm trung gian. Vì vậy mà một số loại dung môi như DMF, DMSO, dioxane, NMP, DMAc được lựa chọn để khảo sát độ chuyển hóa của 4-nitrochlorobenzene.
Phản ứng được tiến hành ở 80 oC trong một số loại dung môi, tỉ lệ mol giữa 4-
nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, 2 đương lượng K3PO4 được sử dụng làm base, hàm lượng xúc tác USO-2-Ni là 10 mol% trong 180 phút. Kết quả khảo sát cho thấy đối với dioxane có độ phân cực yếu phản ứng gần như không xảy ra, bốn dung môi còn lại
gồm có DMF, NMP, DMAc, DMSO phản ứng xảy ra tương đối tốt, cụ thể DMAc có độ chuyển hóa đạt được là 93%, NMP là 95%, DMSO và DMF là 100% (hình 3.13).
Kết quả này phù hợp với những phản ứng loại Ullmann trước đây đã được thực hiện.
Ví dụ như Lei Wang và cộng sự đã thực hiện phản ứng loại Ullmann giữa phenol với iodobenzene trong dung môi DMF và DMSO đạt hiệu suất lần lượt là 72 và 92% ở
130 oC sau 16h, trong khi đó đối với dung môi dioxane thì phản ứng cũng không xảy ra [66]. Cũng một nghiên cứu khác năm 2013 Sheng Jiang và đồng sự sử dụng DMF làm dung môi trong phản ứng Ullmann giữa 4-nitrochlorobenzene và phenol có CuI làm xúc tác ở 100 oC hiệu suất phản ứng là 84% sau 5h [68].
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
0 eqv 1 eqv
1.5 eqv 2 eqv
32 Hình 3.13 Ảnh hưởng của các loại dung môi đến độ chuyển hóa của phản ứng.
Nhằm làm rõ hơn những ưu điểm của việc sử dụng xúc tác USO-2-Ni cho phản ứng loại Ullmann giữa 4-nitrochlorobenzene với phenol, hoạt tính xúc tác của USO-2- Ni được so sánh với một số loại MOFs khác như Ni-MOF-5, Ni(HBTC)(BIPY), Cu2(BDC)2DABCO và các muối Ni (II) phổ biến bao gồm Ni(NO3)2, NiCl2, NiSO4, Ni(CH3COO)2. Phản ứng được tiến hành ở 80 oC trong dung môi DMF, tỉ lệ mol tác chất là 1:2, 2 đương lượng base K3PO4, và 10 mol% các loại xúc tác trong 180 phút.
Kết quả thực nghiệm (hình 3.14) cho thấy hoạt tính của USO-2-Ni cao hơn hẳn các loại MOFs còn lại trong phản ứng loại Ullmann. Với độ chuyển hóa đạt được là 100%
chỉ sau 120 phút, đối với Ni(HBTC)(BIPY) là 92%, Cu2(BDC)2DABCO là 78% và thấp nhất là Ni-MOF-5 chỉ đạt độ chuyển hóa 52%. Tuy nhiên cũng thuộc loại phản ứng Ullmann, năm 2013, Nam T.S. Phan và các cộng sự đã thực hiện khảo sát hoạt tính xúc tác của Cu2(BDC)2DABCO trên phản ứng giữa phenols và nitroarenes, kết quả thu được cho thấy phản ứng đạt độ chuyển hoá 80% chỉ sau 120 phút [65]. Bên cạnh đó hoạt tính USO-2-Ni còn cao hơn các loại muối đồng thể Ni (II) (hình 3.15), tuy nhiên các muối Ni(NO3)2, NiCl2, NiSO4, Ni(CH3COO)2 cũng có hoạt tính khá tốt cho phản ứng và đều có độ chuyển hóa cao khoảng 90% trở lên. Điều này cho thấy
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
DMF Dioxane NMP
DMAc DMSO
33 hoạt tính của tâm Ni trong phản ứng loại Ullmann và USO-2-Ni là lựa chọn tốt nhất cho phản ứng.
Hình 3.14 Ảnh hưởng của các loại MOFs lên độ chuyển hóa của phản ứng.
Hình 3.15 Ảnh hưởng của muối Ni (II) lên độ chuyển hóa của phản ứng.
Đối với nhiều phản ứng hữu cơ trong pha lỏng, khả năng một số tâm xúc tác trên chất xúc tác rắn bị hòa tan vào dung dịch trong quá trình phản ứng cần được nghiên
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
USO-2-Ni Ni-MOF5
Ni(HBTC)(BIPY) Cu2(BDC)2(DABCO)
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
USO-2-Ni Ni(NO3)2
NiCl2 Ni(CH3COO)2
NiSO4
34 cứu kĩ lưỡng, vì vậy việc kiểm tra tính dị thể nhằm khẳng định phản ứng được thúc đẩy nhờ xúc tác rắn thật sự hay là do quá trình tan ra của các tâm hoạt động trong quá
trình phản ứng là một thí nghiệm quan trọng. Do đó, phản ứng kiểm tra tính dị thể (leaching test) được tiến hành như sau: Phản ứng được thực hiện trong điều kiện thông thường: ở 80 oC trong dung môi DMF với nồng độ USO-2-Ni là 10 mol%, tỉ lệ mol 4-
nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, và 2 đương lượng K3PO4 trong 180 phút. Phản ứng được thực hiện trong 15 phút, sau đó hỗn hợp phản ứng được hạ xuống nhiệt độ phòng
và ly tâm loại bỏ pha rắn. Hỗn hợp này sau đó được chuyển sang một bình cầu phản ứng mới có bổ sung một lượng K3PO4 và tiếp tục được gia nhiệt ở 80 oC trong 165 phút tiếp theo. Phản ứng được theo dõi bằng cách lấy mẫu theo thời gian và phân tích bằng GC. Theo kết quả ghi nhận được thì độ chuyển hóa hầu như không tăng nữa sau khi toàn bộ xúc tác rắn Ni-MOFs được tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng cho thấy phản ứng hầu như không xảy ra sau khi xúc tác đươc loại bỏ. Điều này khẳng định USO-2- Ni thực sự là một xúc tác dị thể (hình 3.16).
Hình 3.16 Thí nghiệm kiểm tra tính dị thể của USO-2-Ni trong phản ứng Ullmann.
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
10 mol% USO-2-Ni Leaching test
35 Khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác chính là ưu điểm của xúc tác dị thể nhằm hướng đến một quy trình phản ứng xanh hơn. Trong trường hợp tốt nhất, xúc tác rắn có thể được dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng và tái sử dụng nhiều lần cho tới khi hoàn toàn mất hoạt tính. Khả năng thu hồi và tái sự dụng của xúc tác USO-2- Ni được thực hiện trong phản ứng Ullmann giữa 4-nitrochlorobenzene với phenol được khảo sát trong 5 lần phản ứng liên tiếp, bằng cách tách xúc tác Ni-MOFs ra khỏi hỗn hợp phản ứng, rửa và tái sử dụng. Phản ứng được tiến hành ở 80 oC trong dung môi DMF, tỉ lệ mol tác chất giữa 4-nitrochlorobenzene:phenol là 1:2, 2 đương lượng base K3PO4 , và 10 mol% USO-2-Ni trong 180 phút. Sau khi phản ứng kết thúc, USO- 2-Ni được tách ra bằng cách ly tâm, rửa nhiều lần bằng DMF để loại bỏ những tạp chấp bị hấp phụ vật lý trên bề mặt, sau đó rửa 3 lần với methanol trước khi được hoạt hóa ở 140 oC trong 6h. Xúc tác Ni-MOFs sau khi thu hồi được tiếp tục sử dụng trong phản ứng giữa 4-nitrochlorobenzene và phenol trong điều kiện giống hệt lần đầu tiên.
Kết quả khảo sát cho thấy USO-2-Ni được tái sử dụng đến 4 lần mà độ chuyển hóa luôn đạt trên 90%. Tuy nhiên độ chuyển hóa giảm một cách đột ngột khi tái sử dụng ở lần thứ 5, chỉ đạt được 29% độ chuyển hóa, có thể do trong quá trình rửa, ly tâm và lấy mẫu đã làm mất một phần xúc tác (hình 3.17). Để xác thực thêm khả năng thu hồi và tái sử dụng, xúc tác USO-2-Ni được phân tích lại một số đặc trưng hóa lí bằng XRD và FT-IR. Kết quả XRD ở lần phản ứng thứ tư cho thấy, xúc tác USO-2-Ni vẫn giữ được độ tinh thể hầu như không đổi trong quá trình phản ứng Ullmann (hình 3.18). Hơn nữa, phổ FT-IR của xúc tác USO-2-Ni thu hồi cho thấy cường độ hấp thu tương tự so với xúc tác (hình 3.19).
36 Hình 3.17 Độ chuyển hoá của 4-nitrochlorobenenze sử dụng USO-2-Ni làm xúc tác
sau 5 lần thu hồi.
Hình 3.18 Kết quả phân tích XRD của xúc tác USO-2-Ni mới (a) thu hồi (b).
0 20 40 60 80 100
1 2 3 4 5
Độ chuyển hóa (%)
Số lần thu hồi
37 Hình 3.19 Phổ FT-IR của xúc tác USO-2-Ni mới (a) và thu hồi (b).
Nghiên cứu này được mở rộng bằng cách sử dụng USO-2-Ni làm xúc tác cho phản ứng Ullmann giữa 4-nitrochlorobenzene với một số dẫn xuất của phenol, bao gồm phenol, 4-cyanophenol, 4-aminophenol, 4-clorophenol và 4-methoxyphenol.
Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ 80 oC trong dung môi DMF, tỷ lệ mol tác chất 1:2, hai đương lượng base K3PO4 và 10 mol% xúc tác USO-2-Ni trong phút. Kết quả khảo sát (hình 3.20) cho thấy với sự xuất hiện của nhóm đẩy điện tử thì khả năng phản ứng cao hơn so với nhóm hút điện tử. Cụ thể như nhóm hút điện tử mạnh là –CN thì phản ứng gần như không xảy ra, còn đối với các nhóm đẩy điện tử khác thì độ chuyển hóa của 4-nitrochlorobenzene luôn đạt trên 90%, đặc biệt với nhóm đẩy mạnh như – OCH3 độ chuyển hóa lên đến 100% chỉ sau 90 phút. Cùng với sự ảnh hưởng của nhóm thế đến phản ứng, thì kích thước của nhóm phenol cũng đóng một vai trò quan trọng làm thay đổi độ chuyển hoá của 4-nitrochlorobenzene. Kết quả khảo sát (hình 3.21) cho thấy đối với kích thước càng cồng kềnh thì độ chuyển hóa càng giảm, điển hình độ chuyển hóa của 4-phenylphenol và 2-naphthol lần lượt là 96% và 80%.
38 Hình 3.20 Ảnh hưởng một số nhóm thế của phenol lên độ chuyển hoá của phản ứng.
Hình 3.21 Ảnh hưởng kích thước nhóm phenol lên độ chuyển hóa của phản ứng.
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
-H -CN -OCH3 -Cl -NH2
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
phenol 2-naphthol 4-phenylphenol
39 Bên cạnh đó, để mở rộng thêm phạm vi ứng dụng của xúc tác USO-2-Ni, các dẫn xuất của chlorobenzene cũng được tiến hành khảo sát như 4-nitrochlorobenzene, 4-chloroacetophenone, 4-chlorobenzene, 4-chloroanisole và 4-chlorobenzaldehyde.
Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ 80 oC trong dung môi DMF, tỷ lệ mol tác chất 1:2, hai đương lượng base K3PO4 và 10 mol% xúc tác USO-2-Ni trong 180 phút, với điều kiện này độ chuyển hóa của 4-chlorobenzene, 4-chloroanisole, 4- chloroacetophenone và 4-chlorobenzaldehyde gần như là không có, chứng tỏ nhóm đẩy –OCH3 không thích hợp cho phản ứng, cũng như nhóm hút của –COCH3 và – CHO chưa đủ mạnh như –NO2 để phản ứng xảy ra, vì vậy mà phản ứng được thực hiện ở điều kiện khắc nghiệt hơn, thay base K3PO4 bằng Cs2CO3 và nâng nhiệt độ lên 120 oC thay vì 80 oC. Sau khi thay đổi điều kiện, độ chuyển hóa của 4- chloroacetophenone vẫn không thay đổi, và 4-chlorobenzaldehyde đã tăng từ 25% lên 74%, điều này khẳng định một lần nữa cho thấy nhóm hút –COCH3 chưa thực sự là nhóm hút mạnh để phản ứng có thể xảy ra (hình 3.22).
Hình 3.22 Ảnh hưởng nhóm thế chlorobenzene lên độ chuyển hoá của phản ứng.
0 20 40 60 80 100
0 30 60 90 120 150 180
Độ chuyển hóa (%)
Thời gian (phút)
-NO2 -CHO
-COCH3 -H
-OCH3 -CHO/Cs2CO3/120oC
-COCH3/Cs2CO3/120oC
40