-----o0o-----
s
CHÍ MINH, 12/2011
i
Tp.HCM, ngày 19 tháng 12
: Phái: Nam
Ngày sinh: 24-11-1983
Chuyên ngành: MSHV: 09050122
Khoá: 2009
1.
N:
- t s hp cht carboxylate có cha nhóm pyridinium làm
cu n tng hp vt li-kim (MOFs) mi.
-
.
1-05-2011.
4. 01-12-2011.
5. CBHD1: T
CBHD2: PGS.TS.
ôn.
LÝ CHUYÊN NGÀNH
KHOA QL CHUYÊN
NGÀNH
ii
: CBHD1:
CBHD2: PGS.
11
iii
:
.
. Lê
2011).
.
-.
iv
ABSTRACT
A series of five unprecedented flexible zwitterionic ligands 1-5 which are
pyridinium carboxylate ligands has been developed. These ligands were designed to
be different in the flexibility and size for subsequent application as linkers in the
construction of new metal-organic frameworks (MOFs) and study their influence on
the structural topologies of the architectures obtained. All three ligands were fully
characterized by 1H, 13C NMR, mass and IR spectroscopies.
v
Trang
.................................................................................................
................................................................................................... iii
ABSTACT ........................................................................................................... iv
........................................................................................................... v
........................................................................................... ix
............................................................................... xii
........................................................................................xiii
................................................... xiv
..................................................................................................... 1
.................................................................................................................... 2
mofs)
..................................................................................... 2
1.1.2 .................................................................... 5
......................................................................... 5
............................................................................. 5
................................................................... 6
......................................................... 6
......................................................................................... 7
............................................................................... 8
1.1.3.4. ..................................................................... 8
............................................................................... 9
......................................................... 12
........................................................... 12
....................................................................... 13
...................................................................... 13
vi
........................................................................... 14
1.1.5.1.. Xúc tác ......................................................................................... 16
................................................................................... 17
...................................................................................... 23
.................................................................................... 28
............................................. 29
...................................................................... 32
......................................................................... 33
p MOFs ............. 34
................................................. 34
................................... 38
............................................................................ 41
................................................................. 41
.............................................................................. 41
............................................................................... 41
........................................................................ 41
........................................................................ 41
2.1.3.2 ...................................................................... 43
....................................... 44
d-1 (4,4'-(ethane-1,2-diyl)bis(1-(4-
(carboxymethyl)benzyl)pyridinium) bromide) ..................................................... 44
d-2 (4,4'-disulfanediylbis(1-(4-carboxybenzyl) pyridinium)
bromide) ............................................................................................................. 46
-3 (1,1'-(1,4-phenylenebis(methylene))
bis(4-(carboxymethylthio)pyridinium) bromide ............................................. 48
-4 (1,1'-(5-((3-(carboxymethylthio)pyridinium-1-
yl)methyl)-1,3-phenylene)bis(methylene)bis(4-(carboxymethylthio)pyridinium)
bromide) .............................................................................................................. 50
vii
-5 (1,1'-bis(4-carboxybutyl)-4,4'-bipyridine-1,1'-diium
bromide) .............................................................................................................. 52
.......................................................... 54
-1 .................................. 54
-1 ............................................................................ 54
-1 ................................................. 54
-2 .................................... 60
-2 (4,4'-disulfanediylbis(1-(4-carboxybenzyl)
pyridinium) bromide) .......................................................................................... 60
and-2 ................................................. 60
-2 .................................. 60
-3 (1,1'-(1,4-phenylenebis(methylene))bis (4-
(carboxymethylthio)pyridinium) bromide)........................................................... 66
-3 ................................................ 67
3.4. -4
-4 ............................................................................. 73
-4 ................................................. 74
-5 .. 78
-5 ............................................................................. 78
-5 ................................................. 78
........................................................ 83
.............................................................................. 83
............................................................................................... 84
.................................................. 85
................................................................................. 86
.......................................................................... 89
1 ............................................................................................................. 90
2 ............................................................................................................. 93
3 ............................................................................................................. 96
viii
4 ............................................................................................................. 99
5 ........................................................................................................... 102
ix
Hình 1.1. Cu trúc không gian ca các vt liu MOFs ..................................... 3
1.2.-5 .............................................................................. 4
1.3.-5 ............................................................. 5
1.4.-31, MOF-32, MOF-33 ......................... 7
Hình 1.5. Thit k và tng hp cu trúc hóa hc có din tích b mt cao ......... 8
1.6. ..................................................... 9
1.7. ............................................................................. 9
1.8. ........................................................ 11
1.9. ......................................................... 15
1.10. .................................... 16
1.11. -53 có nhóm µ
2
-OH là trung tâm acid ............... 17
1.12. ......................... 18
1.13. ....................... 19
1.14.-3 .......................................................... 19
1.15.
.............................................................. 20
1.16. - ................ 20
1.17. --
o
K .............................................................................................. 21
1.18.Cu
2
(pzdc)
2
(pyz), C
2
H
2
(màu vàng) ti 170
o
ng
ng nhit hp ph ti 300
o
K ........................................................................... 22
1.19. Cu(fma)(4,4
-bpe)
0.5
.
................................... 23
1.20. S hp ph khí ca Cu(dhbc)
2
(4,4
-bpy). ..................................... 24
1.21. ng hp I ph ng nhit H
2
trên các MOFs khác nhau ..... 25
1.22. Cu trúc MOF-177 ...................................................................... 25
1.23. ng nhit H
2
trên các IRMOF và MOF-177 ti 77
o
K ..... 26
1.24. Kh CO2 ca MOF-177 ........................................... 27
1.25. So sánh kh p ph CO
2
trên các MOFs khác nhau .......... 27
x
1.26. Tính bn nhit và kh p ph Methane ca IRMOF-6 ....... 28
1.27. Kh p th khí metan ca mt s MOFs tiêu biu.............. 29
1.28. -EMOF
[28]
............................ 30
1.29. ... 32
1.30.
mmol NO/g MOF. ............................................................................................ 32
1.31. -CPO- ....... 33
1.32. .................................................. 34
1.33. Pyridinium ................................................................................... 39
1.34. Ligand 1,4-Diazoniabicyclo[2.2.2]octane-l,4-diacetate ................ 41
2.1.-1 ...................................... 45
Hình 2.2.-
.................................................................................................................. 46
2.3.-2 ..................................... 47
Hình 2.4.-
.................................................................................................................. 48
2.5.-3 ...................................... 49
2.6.-3 qua 3 h ...... 50
2.7.-4 ..................................... 51
2.8.-4 qua 3 h ...... 52
2.9. -5 ............................................... 53
Hình 2.10.-
.................................................................................................................. 54
3.1.-1 ..................................................... 55
3.2.-
-
1
H....................................................................................... 57
3.3.
1
-1 ............................................................. 57
3.4.
13
-1 ............................................................. 59
3.5.--1 .................................................................. 60
xi
3.6.-1 .................................................................... 61
3.7.-2 .................................................... 61
3.8. -
-
1
H ............................................................................................. 63
3.9.
1
-2 ............................................................. 63
3.10.-
13
-2 .......................................................... 66
3.11.--2 ............................................................... 67
3.12.-2 ........................................ 68
3.13.-3 ................................................... 68
3.14-
NMR-
1
H .................................................................................................... 70
3.15.
1
-3 ........................................................... 70
3.16.
13
-3 .......................................................... 73
3.17.--3 ............................................................... 74
3.18.-3 ........................................ 76
3.19.-4 ................................................... 77
3.20. P. - trên
NMR-1H .......................................................................................................... 78
3.21.
1
-4 ........................................................... 78
3.22.--4 ............................................................... 80
3.23. -4 ........................................................ 81
h 3.24. -5 ................................................... 82
3.25.-
-
1
H .................................................................................................... 83
3.26.-
1
gand -5 .......................................................... 84
3.27.--5 ................................................................ 85
3.28.-5 ........................................................ 86
xii
1.1. ................................................................................ 9
1.2. hình hc, thành phn và liên kt ca SBU ...................... 11
1.3. Tính cht ca các loi IRMOFs và kh p ph Methan........................27
Bng 1.4. Các phân t hc s d to liên kt ht ni
các tâm kim loi vi nhau trong quá trình tng hp vt liu MOFs ........................38
2.1. ................................... 42
ng 2.2.d ................................. 43
3.1. (-
1
H
-1 .......................................................................................................... 55
3.2. dch chuyn hóa h NMR-
13
C
caligand-1 .......................................................................................................... 57
3.3. Các t
-1
-1 ................................. 58
3.4. (-
1
ligand-2 ............................................................................................................... 61
3.5. dch chuyn hóa h NMR-
13
C ca
ligand-2 ............................................................................................................... 63
3.6.
-1
-2 ................................ 65
3.7. (-
1
ligand-3 ............................................................................................................... 67
3.8. dch chuyn hóa h NMR-
13
C ca
ligand-3 ............................................................................................................... 69
3.8.
-1
) -3 ................................ 71
3.9. (-
1
ligand-4 ............................................................................................................... 74
3.10.
-1
-4 ............................... 76
3.11. (-
1
ligand-5 ............................................................................................................... 79
3.12.
-1
ligand-5 .............................. 80
xiii
1.1. -ethynylaniline, amine, aldehyde, xúc tác
IRMOF-3-SI-Au trong dioxane ..................................................................... 16
1.2. tng hp 1,3-azulenedicarboxylic acid ............................... 35
1.3. tng hp N, , -trimethyl-N, , -tris(3-pyridyl)-1,3,5-
benzenetricarboxamide .................................................................................. 35
1.3.1,3-bis(pyridinio-4-carboxylato)-propane .......... 35
1.4.1,3-bis(pyridinio-4-carboxylato)-propane .......... 39
1.5.1,3-bis(pyridinio-4-acetato)-propane .................. 39
1.6. T1,4-Bis(pyridinio-4-carboxylato)-1,4-dimethylbenzen....39
xiv
BDC 1,4-benzenedicarboxylates
d Doublet
DEF N, N-Diethylformamide
DMF N, N-Dimethylformamide
DMSO Dimethyl sulfoxide
EtOH Ethanol
Et
2
O Diethyl ether
EtOAC Ethyl Acetate
FT-IR Fourier Transform Infrared
HCl Hydrochloric acid
IRMOFs Isoreticular Metal Organic Frameworks
KOH Potassium Hydroxide
MeOH Methanol
MOFs Metal Organic Frameworks
MP Melt point
MS Mass Spectrometry
NMR Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
s Singlet
SBUs Secondary Building Units
THF Tetrahydrofuran
TLC Thin layer chromatography
Chemical shift
1
ng hong
v ngun nhiên li. Bên cc
t cháy nhiên liu phc v cho nhu cu sn xui si vào bu khí
quyn mng ln các khí gây hiu nht là CO
2
(MOF).
ligand - u ni ht trong hai thành phn chính to nên
vt li-
t.
-kim (-
.
2
PYRIDINIUMOFs
1.1.1. Lch s phát trin
u và s dng nhng loi
vt liu có cu trúc x
hp ph... Tuy nhiên, nhng vt liu này có cu trúc mng l xp không
. Vì vy các nhà khoa h gng nghiên
cu ra nhng cu trúc x.
-
MOFs
[1]
.
Cu(NO3)
2
-1,3,5-Trazine
[2]
.
-
Hydrogen
[3]
.
3
,
khí H
2
-1, IRMOF-8, IRMOF-18, IRMOF-11 và MOF-177.
Hình 1.1. Cu trúc không gian ca các vt liu MOFs vi các liên kt h
carboxylic acid kt ni các tâm kim loi vi nhau, do nhóm nghiên cu ca
GS Omar M. Yaghi tng hp ra. Hình cu trúc minh ha cho không
gian ln nht có trong l xp mà không b ng c
Waals vi khung h kim loi
[4]
-69A C, MOF-70
-
(Fe
3
O)
4
(SO
4
).12(BPDC)
6
(BPE)
6
.
2
-
Zn
4
O(COO)
6
-benzenetribenzoic acid, c
ng
[5]
.
Nhóm nghiên cu c i thành phn ca các
nhóm kim loi - hm to ra nhng cu trúc vt liu m
t trng vt li bn nhit, din tích b
mt riêng ln, cu trúc l xp vng chng nhiu ng dng rng rãi,
4
y ha hn ca nhng loi vt liu x xúc tác, phân
tách hn h
1.2.-5
[6]
(MOFs) là nhóm vt liu lai m
da trên s liên
kt ca các ion ca kim loi chuyn tip và các cu ni h
[7]
.
MOFs gm nhng nhóm cation kim loi vi các nhóm carboxylate, mt cu
nc dùng làm tác nhân phn ng hình thành mt khi t din vi
mnh là mt nhóm carboxylate kim loi. Tính cht ca các cu ni h
nhau là khác nhau và là nht bin, chúng cho phép quá trình lp ghép các cu ni
vào b khung không gian ba chiu ca vt liu MOFs là duy nht, cu trúc vng
chc này có din tích b mt riêng ln và th tích mao quu ht các loi
cu trúc xp khác. MOFs là mt ti nh
ng nghiên cu vt liu composite mi
[8]
.
5
[1]
Vt liu MOFs gm nhng tâm ion kim loi liên kt vi các cu ni h
to nên b khung h- kim loi vng chng giàn giáo xây dng, bên
trong b khung là nhng l trng to nên mt h thng xp vi nh
ch là nhng phân t.
1.1.2.1.
Các tâm ion kim loi tng là các cation Zn
2+
, Cu
2+
, Co
2+
, Pb
2+
i
kim lo tng hp là loi ng
3
)
2
.6H
2
O,
Co(NO
3
).6H
2
O, Cu(NO
3
).4H
2
O, Co(CH
3
COO)
2
.4H
2
1.3.-5
1.1.2.2.
Các phân t hu c dng trong quá trình tng hp MOFs s to ra các liên
kt hi tâm kim loi.
Các phân t hng là diacid ha hai nhóm COOH. Ngoài
ra còn có các nhóm ch
cha các nhóm chc s dng làm cu ni.
Vic la ch c tng hp nên vt liu MOFs phc
la chn mt cách cn th các tính cht c cu trúc này phc
bo toàn và sn phm MOFs phc nhng tính chi các vt liu
copolymer hn cht và n ca các monomer trong polymer
6
quyc tính vc tính quang h gia
công hay x i vi vt liu MOFs, cách b trí mi liên k
v cu trúc trong sn phm MOFs li quynh ch yu lên tính cht ca MOFs.
Quá trình tng hp vt liu MOFs không ch yêu cu vic la chu ch ra
các module mong mun, mà còn yêu cu phi d c chính xác cách
sp xp các module này trong sn phm vt liu dng rn sau cùng
[9]
.
1.1.3.1.
Vô t các cu trúc ca MOFs là mt v ó có
hp lý m phân loi nó m. Nhóm nghiên cu ca
cùng cng s n khái nim SBUs. Da vào xây
dng th cp (SBUs) mà có th c cu trúc hình hc ca các vt liu
tng hp, t t k và tng hp các loi vt liu xp mi có cu trúc và trng
thái xp cao. Pha MOFsc g xây dng (SBU), có
th c mô t bi các cu trúc liên kt chung cho mt s cu trúc. Mi cu trúc
liên kc gi là mt mc ch nh mt biu tng, gm ba ch
m.
.
1.4.-31, MOF-32, MOF-33
[10]
7
xp cao
.
[11]
.
Tng hp vt liu có din tích b mt (DTBM) ln là mt v thách thc
ln ca các nhà nghiên cu. DTBM cao nht ca cu trúc mt trt t carbon là 2030
m
2
/g, cu trúc trt t zeolite Y là 904 m
2
c bit vi khung h kim loi,
din tích b mt lên ti 3000 m
2
/g, MOF-t 4500 m
2
/g
[12]
, MOF-t 8000
m
2
/g.
c hin ct mng ln thành mnh nh
DTBM theo hình 1.3, DTBM mnh l
2
/g hình 1.3a, chui các vòng
sáu liên kt v m
2
/g hình 1.3b, chia mnh graphene ln
3 vòng liên kt vi vòng trung tâm v trí 1,3,5-t 6200
m
2
/g hình 1.3ct 7745 m
2
/g hình 1.3d. T kt qu phân tích này tác gi
nhnh tránh cc s a s t, các cnh.
Hình 1.5. Thit k và tng hp cu trúc hóa hc có din tích b mt cao
[13]
8
1.1.3.3. Ví trí kim loi m
i vi mt s, lc liên kt gia các chùm kim loi và dung môi
rt yu chúng d c loi gia nhit, khi dung môi b lo
h- kim và s xut hin v trí kim loi mi vi
nhng phi t v trí trc liên kt vi kim loi theo s bin dng Jahn-Teller, d
thy nht là các ion Cu
2+
ng phi t làm cho s liên kt ca phi t trc yu,
kt qu phân t dung môi ri khi tâm kim loi
[13]
.
1.6.
a) SBU Cu II carboxylate -
2
c) MOF-
1.1.3.4. Mi ging zeolites
[11]
1.7.
9
--40, các rãnh elip
-
CTC trong JUC- -
Mt s cch anh, rutil (SiO
2
), PtS và khoáng
ch c ch to gi bng cách thay th (O
2-
, S
2-
)
bng cu ni hkim lo
phá Cd(CTC)(H
2
O).(H
2
PIP)
0.5
(H
2
O)(JUC-40) có dng zeolite aluminosilicate,
Dollase và Ross phát hin Cd(CTC).(HIPA)(JUC-41) có dng zeolite tectosilicate
t din.
1.1.3.5. Cu trúc mnh
Nhìn chung, mt s ci xng cao, da vào hình
dng ca chúng mt s cc mnh theo bng 1.1 và mi theo
hình 1.8
[12]
.
1.1.
S phi trí Tên Mng Hình Transitivity
3 SrSi
2
Srs Tam giác 1111
4 NbO Nbo Hình vuông 1111
4 Dia T din 1111
6 L Pcu Bát din 1111
8 Body-centred
cubic
Bcu L 1111
12 Face-centred Fcu Cuboctahedron 1112
10
cubic
6 Acs tam giác 1122
4,8 Fluorite (CaF
2
) Flu T din, l 2111
3,6 Pyrite (FeS
2
) Pyr Tam giác, t din 2112
3,4 Pt
3
O
4
Pto Tam giác, hình
vuông
2122
3,4 Boracite Bor Tam giác, t din 2122
4,4 PtS Pts Hình vuông, t din 2122
6,6 NiAs Nia , bát din 2122
Có p lonh, q loi cnh, r loi mt, s loc tính transitivity là
dãy sp xp các s nguyên pqrs, nu có nhi t lo i xng.
i. Vì th, cu có
transitivity là 1111, k
1.8.