TỔNG HỢP VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ TÂM ĐỒNG LÀM XÚC TÁC CHO CÁC PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C–C VÀ C–N

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA





ĐẶNG HUỲNH GIAO




TỔNG HỢP VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ TÂM ĐỒNG
LÀM XÚC TÁC CHO CÁC PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI
C–C VÀ C–N




Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học Các Chất Hữu Cơ
Mã số chuyên ngành: 62527505




TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2015



Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM




Người hướng dẫn khoa học 1: GS. TS. Phan Thanh Sơn Nam
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Thành Dũng



Phản biện độc lập 1: GS. TS. Đinh Thị Ngọ
Phản biện độc lập 2: PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Phong



Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Cửu Khoa
Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Thái Hoàng
Phản biện 3: PGS. TS. Lê Thị Hồng Nhan

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại


vào lúc giờ ngày tháng năm





Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp. HCM
- Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM



Abstract
Bốn vật liệu xốp khung hữu cơ tâm đồng (Cu-MOFs) gồm Cu
3
(BTC)
2
,
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) được tổng hợp và phân

tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hóa lý bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia
X dạng bột (PXRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử
truyền qua (TEM), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ hồng ngoại (FT-IR),
phân tích hàm lượng kim loại (ICP-MS), hấp thụ hóa học bằng hydro (H
2
-TPR),
khả năng hấp phụ khí nitơ. Ba Cu-MOFs gồm Cu
3
(BTC)
2
,
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) được dùng làm xúc tác dị thể cho các
phản ứng ghép đôi trực tiếp CC tổng hợp các hợp chất propargylamine.
Cu(BDC) được dùng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp CN
tổng hợp các hợp chất quinoxaline. Các xúc tác này cho hiệu suất và độ chọn
lọc cao. Ngoài ra, chức năng của các xúc tác cũng đã được chứng minh . Các
xúc tác Cu-MOFs có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác
giảm không đáng kể. Theo hiểu biết của chúng tôi, những chuyển hóa trên sử
dụng xúc tác Cu-MOFs chưa từng được nghiên cứu trước đây.

LỜI MỞ ĐẦU
Các kim loại chuyển tiếp dạng đồng thể thường được sử dụng làm xúc
tác cho các phản ứng hữu cơ trong dung dịch lỏng. Tuy nhiên, việc tách các xúc
tác đồng thể ra khỏi sản phẩm sau cùng là một trong những vấn đề khó khăn,
đặc biệt trong công nghiệp dược phẩm. Gần đây, vật liệu khung hữu cơ-kim
loại (MOFs) được tìm thấy có thể thay thế xúc tác đồng thể trong các quá trình
hữu cơ với nhiều ưu điểm vượt trội.
Propargylamine và quinoxaline đóng vai trò là các hợp chất trung gian
quan trọng trong tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học có chứa nitơ và
các vật liệu hữu cơ chức năng. Nhiều xúc tác kim loại chuyển tiếp, dạng đồng
thể và dị thể, đã được ứng dụng cho quá trình tổng hợp các hợp chất này bằng
các phản ứng ghép đôi C−C và C−N. Tuy nhiên, các quá trình này có một số
hạn chế như điều kiện phản ứng khó khăn, hiệu suất sản phẩm thấp, quy trình
tinh chế phức tạp và sử dụng các muối kim loại độc hại làm xúc tác. Vì vậy,
việc nghiên cứu tìm ra các quy trình hiệu quả hơn để tổng hợp propargylamine
và quinoxaline vẫn đang rất được quan tâm trên thế giới.
Trong số các MOFs đã công bố, vật liệu khung hữu cơ có chứa tâm đồng
(Cu-MOFs) cho hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ do chúng có
chứa các tâm loại mở. Đặc biệt, bốn vật liệu Cu-MOFs gồm Cu
3
(BTC)
2
,
Cu(BDC), Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) và Cu

2
(BPDC)
2
(BPY), được tổng hợp từ muối
đồng và cầu nối hữu cơ 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC), 1,3,5-
benzenetricarboxylic acid (BTC) và 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (BPDC), có
nhiều ưu điểm nổi bật thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác. Các cầu nối
hữu cơ này đã được thương mại và tương đối rẻ. Những vật liệu Cu-MOFs này
có diện tích bề mặt riêng lớn hơn 1000 m
2
/g (ngoại trừ Cu(BDC)) và có độ bền
nhiệt lớn hơn 300 °C. Hơn nữa, đường kính lỗ xốp lớn nhất của
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
3
(BTC)
2
và Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) nằm trong khoảng 7.5


– 9.0 Å cho phép các hợp chất có đường kính trung bình đi vào bên trong lỗ
xốp và tiếp cận các tâm xúc tác. Tuy nhiên, theo hiểu biết của chúng tôi, các
phản ứng ghép đôi trực tiếp C−C và C−N để tổng hợp các hợp chất

propargylamine và quinoxaline dùng bốn Cu-MOFs này làm xúc tác vẫn chưa
từng được nghiên cứu trước đây.
Chính vì vậy, mục tiêu đầu tiên của luận án là tổng hợp các vật liệu Cu-
MOFs gồm Cu
3
(BTC)
2
, Cu(BDC), Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) và
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY). Mục tiêu thứ hai của luận án là nghiên cứu sử dụng các vật
liệu Cu-MOFs này làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C và
C–N để tổng hợp các hợp chất proparylamine và quinoxaline.


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN: Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO),

Cu
2
(BPDC)
2
(BPY), Cu(BDC) VÀ PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C–C, C–N
1.1 Giới thiệu về vật liệu khung hữu cơ kim loại
 So với các vật liệu xốp khác, MOF có cấu trúc đặc biệt do được cấu tạo
từ những tâm kim loại kết hợp với các cầu nối hữu cơ hình thành những
đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU). Sự kết hợp của các cầu nối linker và các
tâm kim loại khác nhau dẫn đến sự đa dạng về cấu trúc của loại vật liệu
này.
 Nhiều nghiên cứu chứng minh rằng MOF có chứa tâm kim loại đồng có
thể được sử dụng như xúc tác dị thể.
 Trong các loại cầu nối hữu cơ dùng cho tổng hợp Cu-MOF, có ba loại
linker thường được sử dụng là 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC),
1,3,5-benzenetricarboxylic acid (BTC) và 4,4’-biphenyldicarboxylic
acid (BPDC). Những linker này có ưu điểm là đã thương mại với giá
tương đối rẻ. Ngoài ra, linker BDC, BPDC và BTC có thể kết hợp với
các cầu nối như 1,4-diazabicyclo [2.2.2]octane (DABCO) hoặc 4,4’-
bipyridine (BPY) tạo thành các vật liệu Cu-MOF vững chắc. Những
Cu-MOF này có chứa tâm kim loại mở nên có thể có hoạt tính xúc tác
cho các phản ứng hữu cơ. Vì vậy, các Cu-MOF cấu tạo từ BDC, BTC
hoặc BPDC rất được quan tâm trong những năm gần đây.
1.1 1.2 Cu
3
(BTC)
2
, Cu(BDC), Cu
2
(BDC)

2
(DABCO) và
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY)
 Cu
3
(BTC)
2
, Cu(BDC), Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) và Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) có
chứa SBUs gồm hai cation đồng có 5 phối trí xung quanh mỗi cation
nối lại với nhau hình thành cấu trúc dạng “paddle wheel” (Hình 1.4).




Hình 1.4. Dạng hình học phối trí thông thường của đơn vị cấu trúc “paddle
wheel”của Cu
3
(BTC)

2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY), Cu(BDC) và
cấu trúc của chúng (L= Linker carboxylate, P= Linker cầu nối hai đầu có chứa
N và G= phân tử khách)
 Cu
3
(BTC)
2
, Cu(BDC), Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) và Cu
2
(BPDC)
2
(BPY)
được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi. Tính chất hóa lý của
chúng được trình bày trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Tính chất hóa lý của Cu
3
(BTC)

2
, Cu(BDC), Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) và
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY)
MOFs
Nhiệt độ
phân hủy
(°C)
Diện tích bề mặt
theo BET
(m
2
/g)
Đường kính
cửa sổ (Å
2
)
Cu
3
(BTC)
2

300

1000-1450
8.0  9.0
Cu(BDC)
325
545-625
_
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO)
300
1461
7.5  7.5



4.7  3.8
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY)
320
1210
12.3  7.8



8.8  8.0

 Cu
3
(BTC)
2
, Cu(BDC), Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) và Cu
2
(BPDC)
2
(BPY)
được phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất hóa lý bằng các phương
pháp khác nhau như nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD), nhiễu xạ đơn tinh
thể (SC-XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét
(SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phân tích nhiệt trọng
lượng (TGA), phân tích hàm lượng kim loại (ICP-MS) và khả năng hấp
phụ khí nitơ.
1.3 Phản ứng ghép đôi C–C
 Các phương pháp truyền thống tổng hợp hợp chất propargylamine có
nhược điểm là điều kiện phản ứng khó khăn, hiệu suất thấp và phạm vi
giới hạn.
 Việc tách xúc tác đồng thể ra khỏi sản phẩm có tính ứng dụng gặp
nhiều khó khăn, nhất là trong lĩnh vực dược phẩm.
 Gần đây, phương pháp tổng hợp propargylamine có nhiều ưu điểm
vượt trội là phản ứng Manich, quy trình này gồm ba tác chất là alkyne
đầu mạch, hợp chất aldehyde và amine bậc hai. Tuy nhiên, phản ứng

oxy hóa Manich không sử dụng aldehyde vẫn chưa được nghiên cứu.
1.4 Phản ứng ghép đôi C–N
 Theo truyền thống, các hợp chất quinoxaline được tổng hợp từ các hợp
chất diamine thơm với 1,2-diketone, hay các dẫn xuất của 1,2-diketone
như các expoxide, các α-bromoketone, và các α-hydroxyketone với sự
hiện diện tương ứng của xúc tác acid, bazo hay muối của các kim loại
chuyển tiếp.
 Mặc dù sự nhiễm kim loại chuyển tiếp hoặc xúc tác rắn trong sản phẩm
đã được hạn chế khi dùng xúc tác dị thể, việc nghiên cứu hệ xúc tác dị
thể hiệu quả để tổng hợp quinoxaline vẫn rất được quan tâm nghiên
cứu.


1.2 1.5 Mục tiêu của đề tài
 Các hợp chất propargylamine và quinoxaline đóng vai trò là các hợp
chất trung gian quan trọng trong việc tổng hợp nhiều hợp chất có chứa
nitơ có hoạt tính sinh học.
 Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) có

nhiều ưu điểm rất thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác.
 Theo hiểu biết của chúng tôi, các phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C và
C–N tổng hợp các hợp chất propargylamine và quinoxaline có sử dụng
bốn vật liệu Cu-MOF trên làm xúc tác vẫn chưa được nghiên cứu.
 Mục tiêu chính của luận án là sử dụng Cu
3
(BTC)
2
,
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) làm xúc tác
cho các phản ứng tổng hợp các hợp chất propargylamine và
quinoxaline:
i) Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của các vật liệu Cu-
MOF gồm Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu

2
(BPDC)
2
(BPY) và
Cu(BDC);
ii)Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu
3
(BTC)
2
,
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) cho các phản ứng ghép đôi
C–C giữa các hợp chất amine và các alkyne đầu mạch, nghiên cứu hoạt
tính xúc tác của Cu(BDC) cho phản ứng ghép đôi C–N giữa α-
hydroxyacetophenone and o-phenylenediamine.



CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
CỦA Cu
3
(BTC)
2

, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY), Cu(BDC)
2.1 Giới thiệu
Trong chương này, sự tổng hợp, phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất hóa lý
của Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) sẽ
được nghiên cứu.
2.2 Thực nghiệm
 Cu
3
(BTC)
2

, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC)
được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi.
 Bốn vật liệu này được phân tích đặc trưng cấu trúc bằng các phương
pháp như PXRD, FT-IR, SEM, TEM, TGA, ICP-MS và khả năng hấp
phụ khí nitơ.
2.3 Kết quả và bàn luận
2.3.1 Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu
3
(BTC)
2

 Hiệu suất tổng hợp gần 85% dựa trên H
3
BTC.
 Hàm lượng đồng trong Cu
3
(BTC)
2
là 29% (ICP-MS).
 Diện tích bề mặt riêng theo BET của Cu
3
(BTC)

2
là 1799 m
2
/g, diện tích
bề mặt riêng theo Langmuir là 2007 m
2
/g.
 Độ bền nhiệt của Cu
3
(BTC)
2
lớn hơn 300
o
C (TGA).
 Nhiễu xạ PXRD của Cu
3
(BTC)
2
tổng hợp được tương tự với nhiễu xạ
mô phỏng của Cu
3
(BTC)
2
đã được công bố trước đây. Hình 2.2).
 Hình SEM cho thấy Cu
3
(BTC)
2
có dạng hình thoi tám cạnh (Hình 2.4).

Hình 2.2 Nhiễu xạ tia X dạng bột
của Cu
3
(BTC)
2
mô phỏng (a) và
Cu
3
(BTC)
2
tổng hợp (b)


Hình 2.4 Hình SEM của
Cu
3
(BTC)
2

2.3.2 Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu
2
(BDC)
2
(DABCO)
 Hiệu suất tổng hợp gần 66% dựa trên H
2

BDC.
 Hàm lượng đồng trong Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) là 21.5% (ICP-MS).
 Diện tích bề mặt riêng tính theo Langmuir của Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) là
1174 m
2
/g.
 Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) có độ bền nhiệt lớn hơn 300 °C (TGA).



Hình 2.8 Nhiễu xạ tia X dạng bột của
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) mô phỏng (a) và
Cu
2

(BDC)
2
(DABCO) tổng hợp (b)
Hình 2.9 Hình SEM của
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO)



 Nhiễu xạ PXRD của Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) tổng hợp được cũng tương
tự như nhiễu xạ mô phỏng dùng phần mềm Cerius 2 (Hình 2.8).
 Hình 2.9 cho thấy hình SEM của Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) có dạng hình
khối.
2.3.3 Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu
2
(BPDC)
2
(BPY)
 Hiệu suất tổng hợp gần 66% dựa trên H

2
BPDC.
 Hàm lượng đồng trong Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) là 18% (ICP-MS).
 Diện tích bề mặt riêng tính theo Langmuir của Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) là
1519 m
2
/g, diện tích bề mặt tính theo BET là 1082 m
2
/g.
 Kết quả phân tích TGA cho thấy vật liệu Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) có độ bền
nhiệt lớn hơn 300 °C.
 Nhiễu xạ PXRD của Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) (Hình 2. 14) tương tự như
nhiễu xạ mô phỏng được công bố bởi Jame và các cộng sự.
 Hình SEM cho thấy Cu

2
(BPDC)
2
(BPY) có dạng hình khối (Hình 2.16).



Hình 2.14 Nhiễu xạ tia X dạng bột của
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) mô phổng (a) và
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) tổng hợp (b)
Hình 2.16 Hình SEM của
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY)




2.3.4 Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu(BDC)
 Hiệu suất tổng hợp gần 66% dựa trên H

2
BDC.
 Hàm lượng đồng trong Cu(BDC) là 29% (ICP-MS).
 Diện tích bề mặt riêng tính theo Langmuir của Cu(BDC) là 616 m
2
/g.
 Kết quả phân tích TGA cho thấy Cu(BDC) có độ bền nhiệt lớn hơn 300
°C.
 Nhiễu xạ PXRD của Cu(BDC) tương tự với nhiễu xạ mô phỏng đã
được công bố (Hình 2.20).
 Hình SEM cho thấy Cu(BDC) có dạng hình khối (Hình 2.22).
1.3


Hình 2.20 Nhiễu xạ tia X dạng bột của của
Cu(BDC) mô phỏng (a) và Cu(BDC) tổng
hợp (b)


Hình 2.22 Hình SEM của
Cu(BDC)


2.4 Kết luận
Bốn vật liệu Cu-MOF gồm Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2

(BDC)
2
(DABCO),
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) đã được tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu
trúc bằng PXRD, FT-IR, TGA, H
2
TPR, ICP-MS và khả năng hấp phụ khí nitơ.




CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA
Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY), Cu(BDC) CHO CÁC
PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C–C VÀ C–N

3.1 Giới thiệu
 Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) có
hoạt tính xúc tác cao cho nhiều phản ứng hữu cơ bởi vì chúng có chứa
tâm kim loại mở.
 Trong chương này, hoạt tính xúc tác của Cu
3
(BTC)
2
,
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) cho các phản

ứng ghép đôi C–C, C–N sẽ được nghiên cứu (Sơ đồ 3. 1 và Sơ đồ 3.2).


Sơ đồ 3.1. Tổng hợp các hợp chất propargylamine


Sơ đồ 3.2. Tổng hợp hợp chất quinoxaline
1.4 3.2 Thực nghiệm
Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu
3
(BTC)
2
cho phản ứng ghép đôi C–C giữa
các N,N-dimethylaniline và các alkyne đầu mạch (phản ứng 1); Nghiên cứu


hoạt tính xúc tác của Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) cho phản ứng ghép đôi C–C giữa
các N-methylaniline và các alkyne đầu mạch (phản ứng 2); Nghiên cứu hoạt
tính xúc tác của Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) cho phản ứng ghép đôi C–C từ
Tetrahydroisoquinoline, các benzaldehyde và các alkyne đầu mạch (phản ứng
3); Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu(BDC) cho phản ứng ghép đôi C–N từ
α-hydroxyacetophenone và phenylenediamine (phản ứng 4).

Độ chuyển hóa được xác định dựa vào những mẫu được lấy ra từ hỗn hợp phản
ứng ở các thời gian khác nhau, sau đó trích với nước, làm khan bằng Na
2
SO
4
,
phân tích bằng sắc ký khí (GC) và so với nội chuẩn. Tất cả sản phẩm của bốn
phản ứng trên được xác định bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân
1
H NMR và
13
C
NMR.
3.3 Kết quả và bàn luận
3.3.1 Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu
3
(BTC)
2
cho phản ứng ghép đôi C–
C (1)


Sơ đồ 3.3. Phản ứng oxy hóa ghép đôi trực tiếp C–C giữa N,N-dimethylaniline
và phenylacetylene dùng xúc tác Cu
3
(BTC)
2
.
 Tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của phản ứng 1 giữa
N,N-dimethylaniline và phenylacetylene được tóm tắt trong Bảng 3.2.

Điều kiện phản ứng
Kết quả (Độ chuyển hóa (%))
Nhiệt độ
RT (0), 100 °C (56), 110 °C (76), 120 °C
(96)
Tỉ lệ của Phenylacetylene :
1:1 (85), 1: 2 (96), 1:3 (93)


N,N-dimethylaniline

Lượng xúc tác (%)
0 % (12), 1 % (65), 3 % (83), 5 % (96), 7
%(87)
Chất oxi hóa
TBHP (96), TBHP in decane (100),
DTBP (44), CHP (96, sản phẩm phụ),
K
2
S
2
O
8
and H
2
O (không có sản phẩm)
Nồng độ chất oxi hóa (equiv)
1 (54), 1.5 (76), 2 (82), 3 (96)
Dung môi

DMA (96), Clorobenzene (45), o-xylene
(40), DMF, DEF, NMP (99, 95, 100, sản
phẩm phụ)
Các Cu-MOF khác, muối Cu
Tương tự như Cu
3
(BTC)
2

Các MOF khác
Không có sản phẩm xuất hiện
0
20
40
60
80
100
0 25 50 75 100 125 150
Time (min)
Conversion (%)
5 mol% leaching test


0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Run
Conversion (%)

Hình 3.9. Kiểm tra tính dị thể
của xúc tác
Hình 3.12. Khả năng thu hồi xúc tác
 Kiểm tra tính dị thể của xúc tác cho thấy không có sự xuất hiện của xúc
đồng thể trong dung dịch phản ứng sau khi xúc tác rắn loại khỏi dung
dịch phản ứng (Hình 3.9).
 Cu
3
(BTC)
2
dùng làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C–C giữa N,N-
dimethylaniline và phenylacetylene có thể thu hồi và tái sử dụng
khoảng 10 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm nhiều. Thực vậy, sau
mười lần tái sử dụng, độ chuyển hóa vẫn đạt 95% sau 150 phút (Hình
3.12).


 Với các dẫn xuất của N,N-dimethylaniline và alkyne đầu mạch, tất cả
sản phẩm đều được xác định
1
H NMR. Hiệu suất phản ứng cũng được
tính toán. Kết quả cho thấy hiệu suất phản ứng trong khoảng 55% đến
81%.
 Kết quả nhiễu xạ tia X dạng bột của Cu
3
(BTC)
2

thu hồi cho thấy vật
liệu này vẫn còn tinh thể. Hơn nữa, kết quả phân tích phổ hồng ngoại
FT-IR của Cu
3
(BTC)
2
thu hồi tương tự như Cu
3
(BTC)
2
lúc mới tổng
hợp.
3.3.2 Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu
2
(BDC)
2
(DABCP) cho phản ứng
ghép đôi C–C (2)

Sơ đồ 3.4. Phản ứng ghép đôi CC dựa vào sự methyl hóa và hoạt hóa nhóm C-
H của N-methylaniline và phenylacetylene dùng xúc tác Cu
2
(BDC)
2
(DABCO)
 Tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của phản ứng 2 giữa N-
methylaniline và phenylacetylene được tóm tắt trong Bảng 3.4.

Điều kiện phản ứng
Kết quả (Độ chuyển hóa (%))

Nhiệt độ
RT (3), 100 °C (37), 110 °C (67), 120 °C
(96)
Tỉ lệ của Phenylacetylene :
N-methylaniline
1:1 (79), 1: 2 (96), 1:3 (96)

Lượng xúc tác (%)
0 % (11), 1 % (83), 3 % (89), 5 % (96), 7
%(96)
Chất oxi hóa
TBHP (96), TBHP in decane (100), DTBP
(44), K
2
S
2
O
8
và Dilauroyl peroxide (không
có sản phẩm)


Nồng độ chất oxi hóa (equiv)
1 (54), 1.5 (76), 2 (83), 3 (96)
Dung môi
DMA (96), DMF (82), NMP (97, sản phẩm
phụ), DEF (56), Clorobenzene (57),
Diclorobenzene (73), o-xylene (54),
Mesitylene (45)
Các Cu-MOF khác, muối Cu

Tương tự như Cu
2
(BDC)
2
(DABCO)
Các MOF khác
Không có sản phẩm xuất hiện

0
20
40
60
80
100
0 30 60 90 120 150 180
Time (min)
Conversion (%)
Leaching test 5 mol%



0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Run
Conversion (%)

Hình 3.22. Kiểm tra tính dị thể của
xúc tác
Hình 3.24. Khả năng thu hồi xúc tác
 Kiểm tra tính dị thể của xúc tác cho thấy không có sự xuất hiện của xúc
đồng thể trong dung dịch phản ứng sau khi xúc tác rắn loại khỏi dung
dịch phản ứng (Hình 3.22).
 Vật liệu Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) có thể thu hồi và tái sử dụng 10 lần mà
hoạt tính xúc tác không giảm đáng kể giữa phản ứng ghép đôi CC
giữa N-methylaniline và phenylacetylene. Thực vậy, độ chuyển hóa vẫn
giữ 96% sau 10 lần sử dụng (Hình 3.24).
 Với các dẫn xuất của N-methylaniline và alkyne đầu mạch, tất cả sản
phẩm đều được xác định
1
H NMR. Hiệu suất phản ứng cũng được tính
toán. Kết quả cho thấy hiệu suất phản ứng trong khoảng 58% đến 77%.


 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại FT-IR cho thấy phổ của
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) tái sử dụng có một chút khác biệt so với phổ của
Cu
2

(BDC)
2
(DABCO) mới tổng hợp. Độ tinh thể của
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) tái sử dụng cũng có một chút khác biệt so với
Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) mới tổng hợp. Tuy nhiên, nhiễu xạ XRD cho
thấy Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) tái sử dụng vẫn còn độ tinh thể cao.
3.3.3. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) cho phản ứng
ghép đôi C–C (3)


Sơ đồ 3.5. Phản ứng ba tác chất của tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và
phenylacetylene dùng xúc tác Cu
2
(BPDC)

2
(BPY).
 Tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của phản ứng 3 từ
Tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và phenylacetylene được tóm tắt
trong Bảng 3.5.

Điều kiện phản ứng
Kết quả (Độ chuyển hóa (%))
Nhiệt độ
RT (10), 60 °C (20), 70 °C (46), 80 °C
(95), 90 (96)
Tỉ lệ của Phenylacetylene :
Benaldehyde:
Tetrahydroisoquinoline
1:1:1 (88), 1:1.1: 1.1 (95), 1:1.2: 1.2 (96),
1:1.5: 1.5 (96)
Lượng xúc tác (%)
0 % (10), 1 % (32), 3 % (66), 5 % (95)
Dung môi
Toluene (95), p-xylene (52), metylsilene
(36), NMP (31), DMA (80), 1,4-dioxane
(39)


Pyridine (equiv)
Được xem là chất đầu độc các tâm đồng
Cho thêm sản phẩm
Sản phẩm bị hấp phụ lên các vị trí tâm
đồng của Cu
2

(BPDC)
2
(BPY)
Các Cu-MOF khác, muối Cu
Cao hơn các Cu-MOF khác, tương tự như
muối Cu
Các MOF khác
Không có sản phẩm xuất hiện
 Thật thú vị, phản ứng alkyne hóa của tetrahydroisoquinoline dùng
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) làm xúc tác cho độ chọn lọc cao đối với sản phẩm
endo. Thực vậy, trong hỗn hợp sản phẩm, có hơn 99% sản phẩm (A),
còn sản phẩm (B) thì ít hơn 1%.
0
20
40
60
80
100
0 30 60 90 120 150 180
Time (min)
Conversion (%)
5 mol% Leaching test

0
20
40

60
80
100
1 2 3 4 5 6 7
Run
% Selectivity


Hình 3.35. Kiểm tra tính dị thể của
xúc tác
Hình3.36. Khả năng thu hồi
xúc tác
 Hình 3.35 cho thấy không có sự xuất hiện của xúc đồng thể trong dung
dịch phản ứng sau khi loại Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) khỏi dung dịch phản
ứng.
 Xúc tác Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần cho
phản ứng ba tác chất của tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và
phenylacetylene mà hoạt tính xúc tác giảm không đáng kể. Thực vậy,
độ chuyển hóa vẫn giữ 95% sau 7 lần sử dụng (Hình 3.36).


 So với phổ hồng ngoại FT-IR của Cu

2
(BPDC)
2
(BPY) mới tổng hợp,
phổ hồng ngoại của Cu-MOF tái sử dụng cho độ hấp phụ giống nhau.
Hơn nữa, nhiễu xạ XRD của Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) thu hồi cho thấy vật
liệu này còn độ tinh thể khá cao, mặc dù có một chút khác biệt so với
vật liệu mới tổng hợp.
 Ngoài ra, phản ứng giữa tetrahydroisoquinoline, phenylacetylene với
các loại của aldehyde cũng được nghiên cứu. Kế tiếp, phản ứng ba tác
chất này với các loại alkyne đầu mạch cũng được khảo sát động học.
Kết quả khảo sát chứng tỏ độ chuyển hóa của phản ứng thay đổi đáng
kể khi có sự hiện của nhóm hút hoặc nhóm đẩy trong cấu trúc
benzaldehyde hay alkyne.
3.3.4. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu(BDC) cho phản ứng ghép đôi C–
N (4)

Sơ đồ 3.6. Phản ứng oxy hóa đóng vòng giữa α-hydroxyacetophenone và
phenylenediamine dùng xúc tác Cu(BDC).
 Tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của phản ứng 4 giữa α-
hydroxyacetophenone và phenylenediamine được tóm tắt trong Bảng
3.6.

Điều kiện phản ứng
Kết quả (Độ chuyển hóa (%))
Nhiệt độ

RT (8), 80 °C (74), 90 °C (82), 100 °C
(100)
Tỉ lệ α-hydroxyacetophenone:
1,2-phenylenediamine
1:1.0 (98), 1: 1.1 (100), 1:1.5 (93), 1:2
(90)
Lượng xúc tác (%)
0 % (6), 1 % (81), 3 % (86), 5 % (100)
Dung môi
Toluene (100), o-xylene (98), p-xylene
(92), mesitylene (92), clorobenzene (90),


1,4-dioxane (74)
Pyridine (equiv)
Được xem là chất đầu độc các tâm đồng
Chất oxi hóa
Oxygene, di-tert-butylperoxide, argon, air
Các Cu-MOF khác, MOF khác
Cao hơn các Cu-MOF khác và các MOF
khác
Muối Cu
Tương tự như Cu(BDC)

1.5
0
20
40
60
80

100
0 30 60 90 120 150 180
Time (min)
Conversion (%)
5 mol% leaching test

0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5 6 7 8
Run
Conversion (%)

Hình 3.45. Kiểm tra tính dị thể của
xúc tác
Hình3.49. Khả năng thu hồi xúc tác
 Hình 3.45 cho thấy phản ứng chỉ có thể xảy ra khi có sự hiện diện của
xúc tác Cu(BDC).
 Xúc tác Cu(BDC) có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính
xúc tác giảm không đáng kể. Thực vậy, độ chuyển hóa vẫn giữ 97% sau
8 lần sử dụng (Hình 3.49).
 Phổ hồng ngoại FT-IR của Cu(BDC) tái sử dụng cho độ hấp thu tương
tự với Cu(BDC) mới tổng hợp. Nhiễu xạ XRD của Cu(BDC) thu hồi
sau khi ngâm rửa trong DMF cho thấy vật liệu này vẫn còn độ tinh thể,
mặc dù có một chút khác biệt so với nhiễu xạ lúc mới tổng hợp.

 Phản ứng cũng được mở rộng với các dẫn xuất của phenylenediamine
là 4-methyl-phenylenediamine và 4-chloro-phenylenediamine. Kết quả
khảo sát chứng tỏ khi có sự hiện diện của nhóm hút điện tử trên vòng
benzene của phenyldiamine, độ chuyển hóa của phản ứng giảm. Ngoài
ra, sản phẩm 2-phenylquinoxaline thu được từ phản ứng α-
hydroxyacetophenone với phenylenediamine cũng được xác định bằng
NMR. Hiệu suất tinh chế là 95%.
3.4 Kết luận
 Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BDC)
2
(BPY) được sử dụng làm
xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp CC tổng hợp các
hợp chất propargylamine, Cu(BDC) được sử dụng làm xúc tác dị thể
cho phản ứng ghép đôi CN để tổng hợp các hợp chất quinoxaline.
 Các phản ứng ghép đôi trực tiếp CC, CN của phản ứng 1, 2, 3 và 4
chỉ có thể xảy ra khi có sự hiện diện của các xúc tác rắn Cu-MOF,
không có sự xuất hiện của xúc tác đồng thể trong dung dịch phản ứng.
 Các Cu-MOF này có thể dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng
cách lọc hay ly tâm, có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính
xúc tác không giảm đáng kể. Cu-MOF lúc mới tổng hợp và Cu-MOF

tái sử dụng cũng được so sánh bởi PXRD và FT-IR.








CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN
4.1 Tóm tắt các kết quả đạt được
 Bốn vật liệu Cu-MOF gồm Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO),
Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) đã được tổng hợp và phân tích đặc
trưng cấu trúc bằng các phương pháp PXRD, SEM, TEM, FT-IR, TGA,
ICP-MS, H
2
TPR và hấp phụ khí nitơ. Những vật liệu Cu-MOF này có
ưu điểm là dễ tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi, bền nhiệt,

diện tích bề mặt riêng lớn và có tâm kim loại mở.
 Cu
3
(BTC)
2
được dùng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi CC
bằng cách hoạt hóa nhóm C-H giữa N,N-dimethylaniline và alkyne đầu
mạch (phản ứng 1). Khi sử dụng 5 mol% xúc tác Cu
3
(BTC)
2
, phản ứng
đạt độ chuyển hóa 96% sau 150 phút ở 120
o
C.
 Cu
2
(BDC)
2
(DABCO) được dùng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép
đôi CC bằng cách hoạt hóa nhóm C-H giữa N-methylaniline và alkyne
đầu mạch (phản ứng 2). Tert-butyl hydroperoxide đóng vai trò như tác
nhân methyl hóa trong phản ứng, vì vậy sản phẩm chính thu được là N-
methyl-N-(3-phenylprop-2-ynyl)benzenamine thay cho sản phẩm N-(3-
phenylprop-2-ynyl)benzenamine. Phản ứng đạt độ chuyển hóa 95% với
độ chọn lọc là 80% N-methyl-N-(3-phenylprop-2-ynyl)benzenamine
sau 180 phút.
 Cu
2
(BPDC)

2
(BPY) được dùng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ba tác
chất là tetrahydroisoquinoline, aldehyde và alkyne hình thành sản phẩm
alkyne hóa tetrahydroisoquinoline (phản ứng 3). Phản ứng alkyne hóa
tetrahydroisoquinoline C1 sử dụng xúc tác Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) cho độ
chọn lọc cao đối với sản phẩm endo 2-benzyl-1-(phenylethynyl)-
1,2,3,4-tetrahydroisoquinoline hơn 99% trong khi sản phẩm 2-(1,3-


diphenylprop-2-ynyl)-1,2,3,4-tetrahydroisoquinoline nhỏ hơn 1% trong
hỗn hợp sản phẩm.
 Cu(BDC) được dùng làm xúc tác dị thể cho phản ứng oxy hóa đóng
vòng giữa α-hydroxyacetophenone và phenylenediamine hình thành sản
phẩm 2-arylquinoxaline (phản ứng 4). Phản ứng xảy ra tốt nhất trong
môi trường không khí với dung môi sử dụng là toluene ở 100
o
C trong
3h.
 Những xúc tác Cu-MOFs này có thể tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng
bằng cách ly tâm hay lọc trên phễu lọc. Chúng có thể thu hồi và tái sử
dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác không giảm đi nhiều.
 Kết quả nghiên cứu cho thấy Cu-MOFs có thể sử dụng như xúc tác dị
thể trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, hấp phụ và lưu trữ khí. Việc sử
dụng những vật liệu Cu-MOF làm xúc tác dị thể có thể thu hồi và tái sử
dụng rất được quan tâm trong công nghiệp hóa học.
4.2 Đóng góp của luận án

Mục tiêu chung của luận án là sử dụng bốn vật liệu Cu-MOF làm xúc tác cho
các phản ứng ghép đôi C–C và C–N trực tiếp tổng hợp các hợp chất
propargylamine và quinoxaline. Những hợp chất này đóng vai trò là các hợp
chất trung gian quan trọng trong việc tổng hợp nhiều hợp chất có chứa nitơ có
hoạt tính sinh học. Ở đây, những đóng góp chính của luận án là:
 Cu
3
(BTC)
2
, Cu
2
(BDC)
2
(DABCO), Cu
2
(BPDC)
2
(BPY) và Cu(BDC) đã
được tổng hợp thành công bằng phương pháp nhiệt dung môi. Những
Cu-MOF này đã được phân tích đặc trưng cấu trúc bằng các phương
pháp hiện đại như PXRD, FT-IR, SEM, TEM, TGA, ICP-MS, H
2
TPR
và khả năng hấp phụ khí nitơ.
 Đây là lần đầu tiên sử dụng những vật liệu Cu-MOF này làm xúc tác dị
thể cho các phản ứng sau: i) Vật liệu Cu
3
(BTC)
2
được dùng làm xúc tác

dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp CC thông qua hoạt hóa nhóm