Nghiên cứu thực hiện phản ứng aryl hóa sử dụng xúc tác nano từ tính oxide đồng sắt báo cáo tổng kết kết quả đề tài khcn cấp trường msđt t kthh 2013 33

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
FOG

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG
Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN PHẢN ỨNG ARYL HÓA SỬ
DỤNG XÚC TÁC NANO TỪ TÍNH OXIDE ĐỒNG-SẮT

Mã số đề tài: T-KTHH-2013-33
Thời gian thực hiện: 5/2013 – 5/2014
Chủ nhiệm đề tài:

ThS. Nguyễn Thái Anh

Cán bộ tham gia đề tài: PGS.TS. Phan Thanh Sơn Nam
KS. Nguyễn Trần Vũ
KS. Nguyễn Kim Chung

Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 3/2014


Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài
(Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm)
Họ và tên

Đơn vị công tác, điện thoại và lĩnh vực
chuyên môn

PGS. TS. Phan Thanh Sơn Nam

Bộ mơn KT Hữu cơ – Khoa Kỹ Thuật
Hố Học

Ths. Nguyễn Thái Anh

Bộ môn KT Hữu cơ – Khoa Kỹ Thuật
Hố Học

KS. Nguyễn Trần Vũ

Bộ mơn KT Hữu cơ – Khoa Kỹ Thuật
Hố Học

KS. Nguyễn Kim Chung

Bộ mơn KT Hữu cơ – Khoa Kỹ Thuật
Hoá Học


1. Đặt vấn đề
Phản ứng ghép đôi chéo carbon-nitrogen (C-N cross-coupling reaction) xây dựng bộ khung
carbon phức tạp từ những phân tử đơn giản nhờ vào các xúc tác kim loại chuyển tiếp đã và đang
thu hút sự quan tâm đặc biệt của cộng đồng các nhà khoa học trong những năm vừa qua. Trong
đó, phản ứng ghép đơi giữa aryl halide và các amine dị vòng như imidazole (phản ứng aryl hóa)
được xem là một bước quan trọng trong tổng hợp các hợp chất thiên nhiên, dược phẩm và
polymer [1-4].

Hình 1.1: Một vài hoạt chất sinh học tiêu biểu có chứa liên kết C-N [5].

Thơng thường, liên kết C-N được hình thành nhờ phản ứng ghép đơi giữa aryl halide và
amine sử dụng xúc tác đồng hay palladium [6,7].
R

R
Ar

X

+

Ar

HN
R'

X: I, Br

N
R'

R: Bn, alkyl, allyl
R': alkyl, H

Hình 1.2: Phản ứng ghép đôi C-N giữa aryl halide và amine [7]

Phản ứng Ullmann cổ điển sử dụng xúc tác đồng đã được nghiên cứu và sử dụng cách đây
gần một thế kỷ, tuy nhiên có nhiều nhược điểm hạn chế như địi hỏi điều kiện khắc nghiệt, chẳng
hạn như nhiệt độ cao (200 oC), thời gian phản ứng dài, sử dụng lượng xúc tác đồng lớn, hiệu suất

không cao và sinh ra lượng chất thải lớn. Để khắc phục các nhược điểm này, hai tác giả
Buchwald and Hartwig đã nghiên cứu phát triển hệ xúc tác palladium cho phản ứng giữa aryl
halide với amine dị vịng, thực hiện trong mơi trường êm dịu [8-11]. Cải tiến này có ưu điểm là
sử dụng hàm lượng xúc tác thấp, điều kiện phản ứng khá êm dịu. Tuy nhiên vẫn hạn chế khả năng
ứng dụng ở quy mơ cơng nghiệp vì lý do palladium là kim loại đắt tiền, mặt khác các hệ xúc tác
này sử dụng nhiều ligand độc và gây ô nhiễm môi trường. Chính vì vậy, các nhà khoa học lại tập
trung sự chú ý vào các kim loại rẻ tiền, ít độc và hiệu quả hơn thay thế cho kim loại pallidium.

1
 


Hai tác giả Buchwald [12-14] và Taillefer [15,16] đã độc lập nghiên cứu hệ xúc tác đồng sử dụng
các ligand chelate trong phản ứng ghép đôi giữa aryl halide với amine dị vòng.
Năm 2001, tác giả Taillefer và các đồng nghiệp đã phát triển hệ xúc tác đồng có kèm theo
ligand làm xúc tác cho phản ứng giữa aryl halide và amine dị vòng trong điều kiện phản ứng êm
dịu (từ 25 oC – 80 oC) [17-19]. Thành công này ngay lập tức gây tiếng vang và thu hút sự chú ý
của các nhà khoa học. Năm 2005, cũng chính nhóm của tác giả Taillefer và các đồng nghiệp đã
sử dụng hệ chứa 5-10% đồng CuI với sự hiện diện của base Cs2CO3 trong dung môi acetonitrile
trong phản ứng aryl hóa sử dụng iodo- và bromobenzene [18]. Hệ xúc tác tương tự cũng được
nhóm tác giả Hu nghiên cứu, các tác giả này đã sử dụng 20% hàm lượng đồng với sự có mặt của
KI [20]. Các phản ứng này đều cho hiệu suất tốt, điều kiện không quá khắc nghiệt (82 oC-120 oC).

Hình 1.3: Hệ xúc tác CuI khơng chứa ligand làm xúc tác cho phản ứng giữa amine dị vòng và aryl halide
[18].

Các hệ xúc tác đồng vừa nói trên tuy có ưu điểm là hoạt tính cao nhưng vẫn gây khó khăn
trong việc tách và thu hồi, do đó vẫn gây bẩn sản phẩm và ơ nhiễm mơi trường. Vì vậy trong
những năm gầy đây, giới chun môn đang tập trung nghiên cứu các hệ xúc tác dị thể để thay thế
các hệ xúc tác đồng thể hiện đang sử dụng.

Hình 1.4: Hệ xúc tác Cu-FAP [21]

Hình 1.5: Hệ xúc tác phức Cu gắn trên chất
mang silica [22]

Năm 2005, tác giả Choudary và các đồng nghiệp đã áp dụng thành công hệ xúc tác dị thể là
copper fluoroapatite (Cu-FAP) trong phản ứng ghép đôi giữa aryl chloride và một số aryl fluoride
với amine dị vòng [21]. Hệ xúc tác này cịn có khả năng tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính giảm
khơng đáng kể. Vào năm 2007, một nhóm nghiên cứu của tác giả Punniyamurthy đã sử dụng xúc
tác là nano CuO – là loại xúc tác rẻ tiền, hồn tồn khơng dùng ligand – dùng cho phản ứng giữa
aryl iodide với amine dị vòng [23]. Phản ứng được thực hiện trong mơi trường khơng khí, cho
hiệu suất khoảng 60% và có thể tái sử dụng 3 lần. Cũng trong năm 2007, Likhar và các đồng
2
 


nghiệp đã công bố hệ xúc tác phức Cu gắn trên chất mang silica trong phản ứng aryl hóa giữa
amine dị vòng với aryl iodide và aryl bromide [22]. Hệ này có thể tái sử dụng vài lần, và hàm
lượng xúc tác sử dụng cho phản ứng chỉ khoảng 5 mol%.
Việc chuyển sang các hệ xúc tác dị thể hứa hẹn cải thiện khả năng tách và thu hồi xúc tác
song cũng có khả năng làm giảm hoạt tính xúc tác [24]. Trong khi đó, các vật liệu nano có những
tính chất của cả vật liệu khối cũng như của các cấu trúc nguyên tử, phân tử. Hay nói cách khác
các hệ xúc tác nano chính là cầu nối giữa các hệ xúc tác đồng thể và dị thể [25]. Do đó đây là một
đối tượng tốt đáp ứng được đòi hỏi của lĩnh vực xúc tác hiện tại. Tuy nhiên khi các vật liệu giảm
xuống kích thước nanomet thì song song với việc hoạt tính xúc tác tăng, khả năng phân tách và
thu hồi xúc tác khỏi hỗn hợp phản ứng cũng trở nên khó khăn hơn nhiều [24]. Khác với các hệ
nano thơng thường, hạt nano từ tính (magnetic nanoparticles) đang thể hiện nhiều ưu điểm nổi bật
có khả năng phục vụ tốt cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực xúc tác như bề mặt riêng khá lớn,
năng lượng bề mặt lớn, tính siêu thuận từ (superparamagnetism), chi phí thấp, ít độc hại, độ bền

nhiệt và bền hố cao [26]. Như vậy hạt nano từ tính ngồi có những ưu điểm chung của các hạt
nano thơng thường thì nhờ có thêm tính chất siêu thuận từ mà hạt nano từ tính có khả năng thu
hồi dễ dàng từ hỗn hợp phản ứng bằng cách áp đặt một từ trường ngồi [24]. Chính vì vậy mà
trong một thời gian khá lâu hạt nano từ tính đã được quan tâm rất nhiều làm chất mang để tăng
cường khả thu hồi cho xúc tác. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã bắt đầu
quan tâm đến khả năng làm xúc tác của các hạt nano từ tính vì họ đã phát hiện ra rằng các hạt này
có thể sử dụng trực tiếp làm xúc tác hiệu quả cho một số phản ứng hóa học mà khơng cần thêm
bất cứ sự xử lí bề mặt hay gắn thêm các nhóm chức khác. Cho tới nay đã có nhiều cơng trình
nghiên cứu sử dụng hạt nano từ tính như CoFe2O4, CuFe2O4, NiFe2O4 làm xúc tác cho các phản
ứng oxy hóa, hydro hóa, ghép đơi, aryl hóa [27,28]. Trong số đó, hạt nano từ tính oxide đồng-sắt
đang nhận được nhiều sự quan tâm vì vật liệu này thể hiện hoạt tính trong một số phản ứng hữu
cơ quan trọng, tiêu biểu có thể kể đến cơng trình nghiên cứu của nhóm tác giả Sreedhar cơng bố
vào năm 2011. Họ đã sử dụng CuFe2O4 làm xúc tác trong phản ứng giữa nitrile và sodium azide
để tổng hợp dẫn xuất 1H-tetrazoles mang nhóm thế ở carbon số 5 [27]. Xúc tác được thu hồi dễ
dàng bằng từ trường và sau 5 lần tái sử dụng cho thấy hoạt tính giảm khơng đáng kể.
Như vậy, ta có thể thấy rằng xúc tác nano từ tính có tiềm năng đáp ứng được yêu cầu của lĩnh
vực xúc tác và việc sử dụng chúng hứa hẹn mang đến những lợi ích khơng chỉ cho mơi trường mà
cịn cho kinh tế [24]. Trong khi tình hình nghiên cứu trên thế giới như vậy thì tại Việt Nam,
những nghiên cứu về xúc tác theo quan điểm của hóa học xanh vẫn chưa được quan tâm đúng
3
 


mức và chỉ mới ở giai đoạn bắt đầu phát triển. Đặc biệt, việc sử dụng hạt nano từ tính cho đến
nay mới chỉ dừng lại ở việc làm chất mang hiệu quả cho một số phản ứng như Sonogashira,
Suzuki, Heck thuộc nhóm nghiên cứu của tác giả Phan Thanh Sơn Nam và cộng sự. Bên cạnh đó,
theo hiểu biết của chúng tơi, mặc dù phản ứng aryl hóa tạo nên bộ khung C-N đang được các nhà
hoá học trên thế giới quan tâm, đặc biệt là thực hiện trong những điều kiện thân thiện hơn với mơi
trường, thì ở Việt Nam vẫn có rất ít các cơng trình khoa học về các phản ứng ghép đôi quan trọng
này được cơng bố trên các tạp chí chun ngành. Do đó, việc nghiên cứu áp dụng hạt nano từ tính

làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C-N là vấn đề cấp thiết, đáng được chú ý ở nước ta.

Hình 1.6: Phản ứng tổng hợp 1H-tetrazoles xúc tác bởi CuFe2O4 [27].

Căn cứ trên những cơng trình khoa học nghiên cứu về khả năng ứng dụng hạt nano từ tính và
nano oxide đồng làm xúc tác đã được tiến hành trên thế giới và tính cấp thiết của việc tìm ra hệ
xúc tác dị thể hiệu quả cho các phản ứng aryl hóa cũng như tình hình nghiên cứu trong nước,
chúng tơi tin rằng việc nghiên cứu khả năng xúc tác của hạt nano từ tính oxide đồng-sắt cho loại
phản ứng này xứng đáng được khuyến khích thực hiện. Từ đó, chúng tơi quyết định chọn phản
ứng một phản ứng aryl hóa quan trọng thường được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ là phản ứng
N-aryl hóa làm đối tượng để nghiên cứu khả năng xúc tác của hạt nano từ tính oxide đồng-sắt
nhằm mục đích thay thế các hệ xúc tác đồng thể truyền thống độc hại cho người và môi trường
bằng một loại xúc tác có hoạt tính tốt, có khả năng thu hồi và tái sử dụng. Qua đó chúng tôi
không chỉ hướng đến mục tiêu là thực hiện các quá trình tổng hợp xanh và tiết kiệm hơn mà cịn
góp phần thúc đẩy nghiên cứu về hóa học xanh ở Việt Nam, đây chính là xu hướng tất yếu của
ngành cơng nghệ hóa học trên thế giới nhưng vẫn chưa được quan tâm nhiều ở Việt Nam.
2. Thực Nghiệm
2.1. Tổng hợp hạt nano từ tính oxide đồng-sắt
2.1.1. Hóa chất và thiết bị:
Đồng (II) chloride (CuCl2, Guangdong, 99%), sắt (III) chloride (FeCl3, Guangdong, 99%),
natri hydroxide (NaOH, Guangdong, 96%), ethylene glycol (HOCH2CH2OH, Guangdong 99%)
và ethanol (C2H5OH, Chemsol, 99.5o). Các hóa chất này được sử dụng trực tiếp mà không phải
tinh chế thêm.
4
 


Các hình ảnh từ phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) được cung cấp bởi kính hiển vi
điện tử quét JSM 7401F. Các hình ảnh quan sát mẫu trên lưới carbon từ phương pháp kính hiển vi
điện tử truyền qua (TEM) được cung cấp bởi kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL JEM-1400.

Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD) được ghi nhận bằng máy nhiễu xạ tia X Bruker D8 advance sử
dụng nguồn phát là Cu Kα. Phân tích hàm lượng nguyên tố (EA) đồng và sắt được tiến hành bằng
phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (AAS) trên máy AA-6800 Shimadzu. Tính chất từ tính của
xúc tác được nghiên cứu bằng cách đo đường cong từ trễ trên máy EV11.
2.1.2. Quy trình tổng quát:
Hạt nano oxide đồng-sắt được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa trong ethylene glycol
với quy trình như sau: CuCl2.2H2O và FeCl3.6H2O với tỉ lệ mol là 1:2 được cho vào bình cầu đáy
trịn có chứa ethylene glycol. Hỗn hợp được khuấy trộn kỹ ở nhiệt độ phòng bằng máy khuấy từ
đến khi trở nên trong suốt thì cho thêm ít nhất 10 đương lượng NaOH vào. Hỗn hợp tiếp tục được
khuấy trộn kỹ rồi được lắp sinh hàn hoàn lưu và tiến hành gia nhiệt bằng bể dầu. Sau khi gia nhiệt
đến khoảng 190 oC thì hỗn hợp được giữ trong điều kiện đun sơi hồn lưu trong 10 giờ. Sau đó
hỗn hợp được ngừng cấp nhiệt và để nguội tự nhiên đến nhiệt độ phòng. Một nam châm vĩnh cửu
được áp vào thành bình để giữ chặt xúc tác và phần dịch phản ứng cịn lại được hút ra ngồi. Xúc
tác thô được rửa lần lượt với nước cất và ethanol nhiều lần rồi làm khô trong chân không ở 200
o

C trong 6 giờ để thu được hạt nano từ tính oxide đồng-sắt.
2.2. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác
2.2.1. Hóa chất và thiết bị:
4’-iodoacetophenone (Merck, 96%), 4-iodotoluene (Merck, 99%), 4-iodoanisole (Merck,

98%), imidazole (Merck, 99%), DMF (Merck, 99%), DMA (Merck, 99%), p-xylene (Acros,
99%), NMP (Sigma-Aldrich, 99.5%), n-hexadecane (Merck, 99%), ButOK (Acros, 98%), K2CO3
(Guangdong, 98%), K3PO4 (Shanghai, 98%), CH3ONa (Merck, 98%), Na2SO4 (Guangdong,
99%), CuI (Merck, 99%), CuCl2 (Guangdong, 99%), FeCl3 (Guangdong, 99%), và diethyl ether
(Xilong, 99%). Các hóa chất này được sử dụng trực tiếp mà không phải tinh chế thêm.
Sản phẩm của phản ứng được xác nhận bằng cách phân tích hỗn hợp sau phản ứng bằng máy
sắc ký khí ghép khối phổ GC 5890 HP/MS 5792 HP sử dụng cột RTX-5MS (chiều dài 30 m x
đường kính trong 0.25 mm x bề dày lớp phim 0.5 µm). Chương trình nhiệt độ cho phân tích sắc
ký khí ghép khối phổ như sau: gia nhiệt mẫu từ 60oC đến 280oC với tốc độ 10oC/phút rồi giữa ở

280oC trong 10 phút. Nhiệt độ buồng tiêm mẫu được giữ cố định ở 280oC. Các mẫu lấy từ hỗn
hợp phản ứng tại những thời điểm nhất định trong thời gian phản ứng được phân tích trên máy
5
 


sắc ký Shimadzu GC2010 Plus sử dụng đầu dò FID. Cột sử dụng để phân tích là cột SPB-5 (chiều
dài 30 m x đường kính trong 0.25 mm x bề dày lớp phim 0.5 µm). Chương trình nhiệt độ cho
phân tích sắc ký khí như sau: gia nhiệt từ 120 oC lên 280 oC với tốc độ 40 oC/phút rồi giữ ở 280
o

C trong 2.5 phút. Nhiệt độ buồng tiêm mẫu được giữ cố định ở 280 oC.
2.2.2. Quy trình tổng quát:
Hỗn hợp 4’-iodoacetophenone (0.2563 g, 1 mmol) và n-hexadecane (0.1 ml) trong dung môi

dimethyl formamide (5 ml) được cho vào bình cầu 25 ml đáy trịn ba cổ nhám có gắn sinh hàn
hồn lưu. Sau khi lắp hệ thống khí trơ và đuổi khơng khí, hỗn hợp được gia nhiệt và khuấy trộn
trong 30 phút thì mẫu đầu tiên (0.1 ml, tương ứng với thời điểm ban đầu t0) được lấy. Sau khi hệ
thống được hạ xuống nhiệt độ phòng, imidazole (0.2063 g, 3 mmol), xúc tác oxide đồng-sắt
(0.012g, 5 mol%) và tBuOK (0.2267 g, 2 mmol) được cho vào bình phản ứng. Sau khi đuổi
khơng khí, hỗn hợp phản ứng được khuấy trộn và gia nhiệt bằng máy khuấy từ và phản ứng 3 giờ
trong mơi trường khí trơ.
Độ chuyển hóa của 4’-iodoacetophenone trong q trình phản ứng được theo dõi bằng cách
hút mẫu (0.1 ml) từ hỗn hợp phản ứng tại những thời điểm nhất định. Các mẫu sau khi được lấy
đều được cho nhanh vào nước cất (1 ml), rồi trích ly thành phần hữu cơ vào pha diethyl ether (2 x
2.0 ml). Pha diethyl ether sau khi được làm khan bằng Na2SO4 sẽ được phân tích bằng máy sắc
ký khí. Độ chuyển hóa được tính tốn dựa vào diện tích peak của tác chất và nội chuẩn nhexadecane theo công thức (1) như sau:
STC (t0 )
ĐCH (%) =

−

STC (t )

S NC (t0 ) S NC (t )
×100%
STC (t0 )

(1)

S NC (t0 )

ĐCH (%)

: Độ chuyển hóa (%)

S TC ( t 0 ) và S NC ( t0 )

: Diện tích peak của tác chất và nội chuẩn tại thời điểm ban đầu (t0)

S TC (t ) và S NC (t )

: Diện tích peak của tác chất và nội chuẩn tại thời điểm lấy mẫu (t)

Ngồi ra, vì phản ứng này sinh ra đến hai sản phẩm chính và phụ nên cịn cần phải xác định
độ chọn lọc sản phẩm. Độ chọn lọc sản phẩm chính tại những thời điểm lấy mẫu được xác định
dựa vào diện tích peak của sản phẩm chính và sản phẩm phụ theo công thức (2) như sau:
ĐCL (%) =

S chinh ( t )

S chinh ( t ) + S phu ( t )

× 100 %

(2)

ĐCL (%)

: Độ chọn lọc (%)

S chinh (t ) và S phu (t )

: Diện tích peak của sản phẩm chính và phụ tại thời điểm lấy mẫu (t)

6
 


Sản phẩm của phản ứng được xác nhận lại bằng cách phân tích sắc ký khí ghép khối phổ pha
diethyl ether trích ly mẫu lấy từ hỗn hợp phản ứng.
Khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác trong phản ứng này được tiến hành như sau: tiến
hành và đánh giá độ chuyển hóa theo thời gian phản ứng giữa 4’-iodoacetophenone (1 mmol) và
imidazole (3 mmol) ở 110 oC sử dụng 5 mol% xúc tác và base là tBuOK (2 mmol) trong mơi
trường khí trơ và khuấy trộn bằng máy khuấy từ; sau 3 giờ phản ứng từ trường ngoài được áp đặt
và tách bỏ dịch phản ứng; xúc tác được lần lượt rửa vài lần với nước cất, ethanol và diethyl ether;
sau khi để khô qua đêm, xúc tác sẽ được đun nóng ở 80oC trong chân khơng 3 giờ; xúc tác sau khi
để nguội sẽ được tiếp tục sử dụng cho lần phản ứng tiếp theo ở cùng điều kiện như ban đầu mà
không thêm bất kỳ lượng xúc tác mới nào và đánh giá độ chuyển hóa của phản ứng theo thời
gian.
Việc kiểm tra tính dị thể của xúc tác trong phản ứng này được tiến hành như sau: một phản

ứng được tiến hành có sử dụng xúc tác, dịch phản ứng sau khi được tách bỏ xúc tác bằng cách áp
đặt từ trường ngoài được sử dụng như là dung môi cho lần phản ứng tiếp theo ở cùng điều kiện
như phản ứng đầu và tiến hành khảo sát độ chuyển hóa ở lần phản ứng này.
3. Kết quả
3.1. Tổng hợp hạt nano từ tính oxide đồng-sắt
Mẫu hạt nano từ tính được phân tích nhiễu xạ
tia X (XRD) để kiểm tra cấu trúc xem có
tương ứng với cấu trúc CuFe2O4 hay không.
Kết quả nhiễu xạ tia X ở hình 3.1 trùng khớp
với dữ liệu trong thư viện (JCPDS 01-0770010) cho thấy hạt nano từ tính tổng hợp được
có cấu trúc CuFe2O4. Kết quả phân tích hàm
Hình 3.1: Kết quả nhiễu xạ tia X của xúc tác nano

lượng nguyên tố cũng cho kết quả tỉ lệ Cu:Fe

oxide đồng-sắt sau khi tổng hợp (các vạch thẳng là

là xấp xỉ 1:2, phù hợp với cấu trúc CuFe2O4

dữ liệu nhiễu xạ tia X của CuFe2O4 trong thư viện) thu được kết quả nhiễu xạ tia X.

Để xác định hình dạng và kích thước của vật liệu, chúng tơi đã tiến hành đo SEM tại viện
cơng nghệ hóa học và đo TEM tại phịng thí nghiệm trọng điểm polymer và composite – đại học
Bách Khoa. Ảnh SEM cho thấy hạt có dạng hình cầu với kích thước khoảng 100 nm (hình 3.2).
Hình ảnh TEM cịn cho thấy rằng các hạt quan sát được trên ảnh SEM thực tế là sự kết tụ của các
hạt nhỏ hơn có kích thước chỉ khoảng 5 đến 10 nm (hình 3.3).
7
 

 
Hình 3.2: Hình ảnh xúc tác được phóng to

Hình 3.3: Hình ảnh xúc tác được phóng to 100000

50000 lần với thước đo trên hình là 100 nm

lần, thước đo là 50 nm cung cấp từ kính hiển vi điện

cung cấp từ kính hiển vi điện tử quét. 

tử truyền qua. 

Đường cong từ trễ của hạt
nano từ tính CuFe2O4 cũng
đã được xác định trên máy
EV11 tại nhiệt độ phòng ở
viện Vật Lý và kết quả cho
thấy vật liệu có tính chất siêu
Hình 3.4: Đường cong từ trễ của xúc tác nano từ tính oxide
đồng-sắt đã tổng hợp

thuận từ và có từ độ bão hịa
khá cao, khoảng 50 emu/g.

Tóm lại, hạt nano từ tính oxide đồng-sắt đã được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa
trong ethylene glycol và các đặc trưng cơ bản của vật liệu này đã được xác định bằng các phương
pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phân tích nguyên tố (EA), kính hiển vi quét (SEM), kính hiển vi điện
tử truyền qua (TEM) và đo đường cong từ trễ (VSM). Kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc
CuFe2O4, thể hiện tính chất siêu thuận từ, có kích thước khá đồng đều và nằm trong khoảng của

vật liệu nano.
3.2. Nghiên cứu hoạt tính xúc tác

Hình 3.5: Phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone và imidazole.

8
 


3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Những lý thuyết về động học đã khẳng định nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến tốc độ
phản ứng. Từ đó chúng tôi quyết định chọn đây là yếu tố đầu tiên để tiến hành nghiên cứu. Các
phản ứng được tiến hành trong dung môi DMF với tỉ lệ mol 4’-iodoacetophenone:imidazole là
1:2, sử dụng 5mol% xúc tác hạt nano từ tính CuFe2O4 và 2 mmol base là tBuOK, ở các nhiệt độ
90 oC, 100 oC, 110 oC và 120 oC. Kết quả cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phản
ứng. Khi tăng nhiệt độ từ 90 oC lên 100 oC và 110 oC thì độ chuyển hóa tăng rõ rệt từ 61% lên lần
lượt thành 76% và 91%. Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng lên 120 oC thì độ chuyển
hóa sau 3 giờ chỉ tăng rất nhẹ lên 92% và hầu như chỉ quan sát rõ sự khác biệt về tốc độ phản ứng
với khi phản ứng ở 110 oC trong khoảng 0.5 giờ đầu tiên. Khác với xu hướng động học vừa nhận
xét, kết quả thực nghiệm lại chỉ ra rằng độ chọn lọc sản phẩm lại không chịu ảnh hưởng nhiều bởi
nhiệt độ mặc dù có xu hướng chung là tăng nhẹ khi nhiệt độ phản ứng tăng. Khi tăng nhiệt độ từ
90 oC lên 100 oC, 110 oC và 120 oC thì độ chọn lọc chỉ tăng từ 85% lên 86%. Bên cạnh đó, quan
sát trên hình 3.7, chúng tơi cịn nhận thấy rằng độ chọn lọc có xu hướng giảm chậm theo thời gian
phản ứng. Ở 120 oC, từ thời điểm 0.5 giờ đến thời điểm 3 giờ thì độ chọn lọc giảm khá đều từ
90% xuống còn 86%. Do đó chúng tơi quyết định chọn nhiệt độ thích hợp là 110 oC cho các thí
nghiệm tiếp theo. Thực tế khoảng nhiệt độ này tương tự với nhiệt độ được sử dụng trong các
nghiên cứu trước đây [2,3,29].
100

80

Độ chọn lọc (%)

Độ chuyển hóa (%)

100
60
40

120 °C
110 °C
100 °C
90 °C

20
0
0

0.5

1 1.5 2 2.5
Thời gian (giờ)

3

120 °C

110 °C

100 °C

90 °C

80
60
40
20
0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Thời gian (giờ)

Hình 3.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm theo thời gian.

3.2.2. Ảnh hưởng của dung môi:
Với kết quả như trên, chúng tôi quyết định chọn dung môi làm điều kiện khảo sát tiếp
theo, vì đây cũng là một yếu tố ảnh hưởng khá nhiều đến tốc độ phản ứng. Trên thực tế, trong các
báo cáo của mình thì nhóm nghiên cứu của tác giả Zhu đã tiến hành phản ứng N-aryl hóa giữa
aryl halide với amine dị vịng sử dụng xúc tác đồng dạng đồng thể kèm theo ligand một cách hiệu
quả trong dung môi là DMF so với các dung môi như toluene, dioxane hay n-butanol [2]. Tuy
nhiên tác giả Pitchumani và các cộng sự cũng dùng xúc tác đồng dạng đồng thể cho phản ứng này
9
 


nhưng đổi ligand khác thì DMSO lại là dung mơi cho hiệu quả cao nhất [3]. Chúng tôi đã quyết
định tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của một số dung môi như DMF, NMP, p-xylene và DMA
đến phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone với imidazole sử dụng xúc tác CuFe2O4. Phản
ứng được tiến hành ở 110 oC với base là tBuOK và sử dụng 5 mol% xúc tác. Thực nghiệm cho
thấy cả độ chuyển hòa và độ chọn lọc đều chịu ảnh hưởng đáng kể bởi loại dung môi sử dụng.
Với p-xylene, độ chọn lọc mặc dù đạt được là cao nhất trong các dung môi đã khảo sát (khoảng

98%) nhưng phản ứng lại diễn ra khá chậm, độ chuyển hóa đạt được sau 3 giờ chỉ khoảng 33%.
Khi thay p-xylene bằng DMA, DMF và NMP thì tốc độ diễn ra nhanh hơn hẳn với độ chuyển hóa
đạt được sau 3 giờ tăng từ 33% lên lần lượt là 92%, 91% và 86%. Tuy nhiên tiến hành phản ứng
trong các dung mơi này thì độ chọn lọc sản phẩm ghép đơi ít nhiều bị giảm so với trường hợp sử
dụng p-xylene với độ chọn lọc đạt được sau 3 giờ lần lượt là 78%, 84% và 78%. Như vậy, trong
các dung mơi đã khảo sát thì DMF chẳng những thuận lợi cho động học phản ứng mà còn cho độ
chọn lọc sản phẩm khá tốt và nếu tính tốn kỹ hơn ta có thể thấy rằng trong trường hợp của DMF
thì tích số (độ chuyển hóa)x(độ chọn lọc) (đại diện cho hiệu suất) là lớn nhất. Do đó chúng tơi
quyết định chọn DMF làm dung mơi cho các thí nghiệm tiếp theo.
100
Độ chuyển hóa (%)

80
DMF
NMP
p-Xylene
DMA

60
40
20
0
0

0.5

1 1.5 2 2.5
Thời gian (giờ)

3

Độ chọn lọc (%)

100

DMF

NMP

p-Xylene

DMA

80
60
40
20
0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Thời gian (giờ)

Hình 3.7: Ảnh hưởng của dung mơi đến độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm theo thời gian.

3.2.3. Ảnh hưởng của loại base:
Thực tế đã có nhiều loại base được sử dụng cho phản ứng ghép đôi C-N, chẳng hạn như
t

BuOK [7], Cs2CO3 [1,30], K3PO4 [1,30] và K2CO3 [1,6]. Từ đó chúng tơi quyết định tiến hành

khảo sát ảnh hưởng của 4 loại base: tBuOK, K3PO4, CH3ONa và K2CO3 ở điều kiện 110 oC trong

dung môi DMF, sử dụng 5 mol% CuFe2O4, tỉ lệ mol 4’-iodoacetophenone:imidazole là 1:3. Kết
quả cho thấy dùng tBuOK cho kết quả tốt hơn hẳn các base khác đã được khảo sát với độ chuyển
hóa và độ chọn lọc lần lượt là 91% và 84% sau 3 giờ. Thay tBuOK bằng K3PO4 và K2CO3 thì có
sự sụt giảm rõ rệt về tốc độ phản ứng, với độ chuyển hóa lần lượt là 59% và 28% sau 3 giờ, và độ
chọn lọc cũng giảm nhẹ còn khoảng (76%). Khi sử dụng CH3ONa, mặc dù độ chọn lọc được
10
 


nâng cao hơn một chút so với tBuOK (88%) nhưng độ chuyển hóa lại sụt giảm đáng kể chỉ cịn
đạt 34% sau 3 giờ. Chính vì vậy tBuOK được chọn để sử dụng cho các khảo sát tiếp theo.

Độ chuyển hóa (%)

100

K₃PO₄
K₂CO₃

t-BuOK

80
60
40
20
0
0

0.5 1 1.5 2 2.5
Thời gian (giờ)

K₃PO₄

CH₃ONa

K₂CO₃

100

3

Độ chuyển hóa (%)

t-BuOK
CH₃ONa

80
60
40
20
0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Thời gian (giờ)

Hình 3.8: Ảnh hưởng của loại base đến độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm theo thời gian.

3.2.4. Ảnh hưởng của hàm lượng base:
3:1

2:1

1:1

3:1

2:1

1:1

100

80
60
40
20
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Thời gian (giờ)

Độ chọn lọc (%)

Độ chuyển hóa (%)

100

80
60
40
20
0

0.5 1 1.5 2 2.5 3
Thời gian (giờ)

Hình 3.9: Ảnh hưởng lượng base lên độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm theo thời gian.

Trong một số phản ứng N-aryl hóa được báo cáo thì hàm lượng base sử dụng có ảnh hưởng
nhất định đến phản ứng và tỉ lệ mol base:tác chất có thể dao động từ 1.2:1 đến 2:1 [1,31,32]. Do
đó chúng tôi đã tiến hành các phản ứng ở 110 oC trong dung môi DMF, sử dụng tỉ lệ mol 4’iodoacetophenone:imidazole là 1:3 và 5 mol% xúc tác cùng với sự có mặt của tBuOK ở các tỉ lệ
1:1, 2:1 và 3:1 so với 4’-iodoacetophenone để quan sát ảnh hưởng của hàm lượng base sử dụng
đến phản ứng này. Kết quả cho thấy phản ứng sẽ diễn ra nhanh hơn khi hàm lượng base sử dụng
càng nhiều. Khi sử dụng base ở tỉ lệ 1:1 thì độ chuyển hóa chỉ đạt 44% sau 3 giờ phản ứng. Tăng
hàm lượng base lên gấp đơi và gấp ba thì tốc độ phản ứng tăng nhanh, theo thứ tự là 91% và 92%.
Như vậy có thể thấy mức độ khác biệt về tốc độ phản ứng khi sử dụng tỉ lệ 2:1 và 3:1 so với 1:1
là rất rõ nét trong suốt thời gian phản ứng. Tuy nhiên giữa hai trường hợp sử dụng tỉ lệ 2:1 và 3:1
thì mức độ khác biệt hầu như là khơng đáng kể, độ chuyển hóa hồn tồn xấp xỉ nhau. Trong khi
đó, độ chọn lọc sản phẩm lại không chịu ảnh hưởng nhiều bởi hàm lượng base sử dụng. Độ chọn
lọc sản phẩm khi sử dụng base ở ba tỉ lệ 1:1, 2:1 và 3:1 là hầu như tương đương nhau và gần như
trong suốt thời gian phản ứng thì độ chọn lọc đều cao hơn 80%. Vì sử dụng base ở tỉ lệ 2:1 so với
4’-iodoacetophenone cho độ chuyển hóa cao (91%) sau 3 giờ phản ứng và việc nâng hàm lượng
11
 


base lên cao hơn không mang lại hiệu quả, nên chúng tôi quyết định sử dụng tỉ lệ này cho các thí
nghiệm tiếp theo.
3.2.5. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác
Khi sử dụng xúc tác thì một vấn đề ln được quan tâm chính là lượng xúc tác sử dụng sao
cho phù hợp. Vì vậy chúng tơi đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác sử dụng đến độ
chuyển hóa và chọn lọc sản phẩm của phản ứng bằng cách tiến hành ở 110 oC trong dung môi là
DMF, sử dụng 4’-iodoacetophenone và imidazole ở tỉ lệ 1:3, với sự có mặt của xúc tác ở các tỉ lệ

1, 3 ,5 và 7 mol%. Cũng tương tự như các báo cáo trước đây, hàm lượng xúc tác sử dụng càng
nhiều thì tốc độ phản ứng càng cao [1-4,30]. Kết quả thực nghiệm cho thấy với hàm lượng xúc
tác là 1 mol% thì độ chuyển hóa thu được sau 3 giờ là khá thấp chỉ đạt 41% sau 3 giờ. Khi tăng
hàm lượng xúc tác lên 3 mol% cho độ chuyển hóa tăng lên đáng kể là 76%. Tiếp tục tăng hàm
lượng xúc tác lên 5 mol% độ chuyển hóa đạt 91% sau 3 giờ. Như vậy từ 1 mol% lên 5 mol%, tốc
độ phản ứng tăng rõ rệt khi độ chuyển hóa chênh lệch đến 50%. Chúng tơi quyết định tăng hàm
lượng xúc tác lên 7 mol% thì nhận thấy rằng độ chuyển hóa hầu như khơng thay đổi so với 5
mol%, đạt 92% sau 3 giờ.
7 mol%
3 mol%

5 mol%
1 mol%

7 mol%

80
60
40
20
0
0

0.5

1 1.5 2 2.5
Thời gian (giờ)

3

5 mol%

3 mol%

1 mol%

100
Độ chọn lọc (%)

Độ chuyển hóa (%)

100

80
60
40
20
0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Thời gian (giờ)

Hình 3.10: Ảnh hưởng lượng xúc tác lên độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm theo thời gian.

Kết quả cũng cho thấy hàm lượng xúc tác ảnh hưởng đáng kể đến độ chọn lọc sản phẩm. Ở
hàm lượng 7 mol% và 5 mol% cho độ chọn lọc gần như tương đương nhau, lần lượt là 85% và
84% sau 3 giờ phản ứng. Giảm hàm lượng xúc tác xuống 3 mol% và 1 mol% thì độ chọn lọc sụt
giảm rõ rệt lần lượt là 77% và 71% sau 3 giờ phản ứng. Như vậy chúng toi nhận thấy rằng việc
tăng hàm lượng xúc tác lên hơn 5 mol% là không cần thiết và quyết định sử dụng xúc tác ơ mức 5
mol% cho các thí nghiệm tiếp theo. Kết quả thực nghiệm này cho thấy hoạt tính khá cao của
CuFe2O4 nếu so sánh với một số nghiên cứu trước đây, trong đó hàm lượng xúc tác thường được

dùng cho phản ứng N-aryl hóa giữa aryl halide với amine dị vịng có thể lên tới 10 mol% [31,33]
hoặc thậm chí 20 mol% [34].
12
 


3.2.6. Ảnh hưởng của tỉ lệ tác chất
Một thông số quan trọng thường được quan tâm khi tiến hành khảo sát động học của một
phản ứng chính là tỉ lệ các tác chất sử dụng. Do đó chúng tơi đã quyết định tiến hành các phản
ứng ở 110 oC, trong dung mơi là DMF với sự có mặt của tBuOK và 5 mol% xúc tác, sử dụng các
tỉ lệ mol 4’-iodoacetophenone : imidazole là 1:1, 1:2 và 1:3. Trái ngược với các yếu tố đã được
trình bày ở trên thì tỉ lệ tác chất lại có ảnh hưởng nhiều đến độ chọn lọc hơn so với tốc độ phản
ứng. Quan sát kết quả trên hình 3.12, có thể thấy rằng với tỉ lệ tác chất là 1:1 thì tốc độ phản ứng
bất ngờ cao hơn 1:2 và 1:3. Tuy nhiên xem xét kỹ ta sẽ thấy độ chọn lọc rất thấp chỉ đạt 42% sau
3 giờ. Như vậy có nghĩa là ở tỉ lệ tác chất 1:1 phản ứng chủ yếu chỉ sinh ra sản phẩm phụ dạng
dehalogen và khả năng thu được sản phẩm ghép đơi là ít. Xem xét tỉ lệ tác chất 1:2 và 1:3. Với tỉ
lệ 1:2 thì độ chuyển hóa và độ chọn lọc đạt được lần lượt là 83% và 76%, trong khi tỉ lể 1:3 cho
kết quả tốt hơn một chút đạt 91% độ chuyển hóa và 84% độ chọn lọc sau 3 giờ. Sở dĩ chúng tôi
không khảo sát tiếp ở các tỉ lệ cao hơn nữa là vì hai lý do như sau: Thứ nhất tỉ lệ tác chất 1:3 đã là
tỉ lệ khá lớn, trong các bài báo trước đây thông thường các tác giả chỉ sử dụng trong khoảng tỉ lệ
1:1 đến 1:3, nếu tăng hơn nữa sẽ không phù hợp với tiêu chí “hóa học xanh”. Thứ hai ta có thể
nhận xét từ số liệu rằng khi tăng 1:2 lên 1:3 thì xu hướng thay đổi của độ chuyển hóa và độ chọn
lọc là tăng nhưng mức độ tăng giảm đi rất nhiều so với khi tăng từ tỉ lệ 1:1 lên 1:2 nên ta có thể
dự đốn rằng việc tiếp tục tăng lượng imidazole sử dụng lên nữa sẽ khơng mang lại hiệu quả đáng
kể, do đó chúng tôi quyết định chọn tỉ lệ 1:3 cho các thực nghiệm tiếp theo.
100

Độ chọn lọc (%)

80

Độ chuyển hóa (%)

3:1

100

60
40

3:1
2:1
1:1

20
0
0

0.5

1 1.5 2 2.5
Thời gian (giờ)

2:1

1:1

80
60
40

20
0

3

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Thời gian(giờ)

Hình 3.11: Ảnh hưởng của tỉ lệ mol 4’-iodoacetophenone:imidazole đến độ chuyển hóa và độ chọn lọc
sản phẩm theo thời gian.

3.2.7. Ảnh hưởng của nhóm thế trên aryl iodide:
Ngồi 4’-iodoacetophenone thì đề tài cũng mở rộng nghiên cứu khả năng xúc tác của hạt
nano từ tính CuFe2O4 trong phản ứng N-aryl hóa giữa imidazole với một số dẫn xuất aryl iodide
khác bao gồm iodobenzene, 4-iodotoluene và 4-iodoanisole. Các phản ứng được tiến hành ở 110
o

C, trong dung môi DMF, sử dụng imidazole ở tỉ lệ 3:1 so với aryl iodide với sự có mặt của 5
13

 


mol% xúc tác. Kết quả thực nghiệm cho thấy cả độ chuyển hóa của phản ứng lẫn độ chọn lọc sản
phẩm sinh ra đều chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng hút – đẩy điện tử gây ra do các nhóm thế gắn
trên 4’-iodoacetophenone.
4'-iodoacetophenone
4-iodotoluene

80

60

4'-iodoacetophenone

40

iodobenzene

20

4-iodoanisole

4-iodotoluene

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Thời gian (giờ)

iodobenzene
4-iodoanisole

100
80
60
40
20
0

Độ chọn lọc (%)

Độ chuyển hóa (%)

100

0.5 1 1.5 2 2.5 3
Thời gian (giờ)

Hình 3.12: Ảnh hưởng của nhóm thế trên aryl iodide đến độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản phẩm theo
thời gian.

Cụ thể nhóm hút điện tử gắn trên vòng benzene (trường hợp của 4’-iodoacetophenone) sẽ làm
tăng tốc độ phản ứng và đạt độ chuyển hóa 91% sau 3 giờ phản ứng, độ chọn lọc là 84%. Khi
khơng có mặt của nhóm hút điện tử (trường hợp của iodobenzene) và khi có mặt của nhóm đẩy
điện tử (trường hợp của 4-iodotoluene và 4-iodoanisole) thì phản ứng diễn ra rất khó khăn cho độ
chuyển hóa rất thấp, lần lượt là 12%, 11% và 6%, và điều đáng chú ý là hồn tồn khơng quan sát
thất sản phẩm chính sinh ra mà chỉ xuất hiện sản phẩm phụ. Thực tế xu hướng ảnh hưởng của các
nhóm thế trên aryl iodide như đã nhận xét cũng tương tự với một số báo cáo khác [2,3].
3.2.8. Khảo sát tính dị thể của xúc tác CuFe2O4
Trong các phản ứng hữu cơ sử dụng xúc tác rắn có một vấn đề cần được chú ý là một số tâm
hoạt tính trên xúc tác rắn có thể bị hịa tan vào pha lỏng trong quá trình phản ứng. Thực tế thì
những tâm hoạt tính bị lẫn vào hỗn hợp phản ứng như thế này đã được báo cáo là trong một số
trường hợp vẫn có khả năng xúc tác và cho độ chuyển hóa cao, và do đó rất có thể phản ứng đã

Độ chuyển hóa (%)

khơng thực sự diễn ra với q trình xúc tác dị thể [26].
100

Để xác định xem những tâm đồng bị hòa

80

tan vào hỗn hợp phản ứng từ xúc tác

60

CuFe2O4 có hoạt tính đáng kể trong phản

40

ứng N-aryl hóa hay khơng, sau một thời

20

5 mol%
leaching test

0
0

0.5

1 1.5 2 2.5
Thời gian (giờ)

gian phản ứng nhất định chúng tôi đã tiến
3

Hình 3.13: Khảo sát tính dị thể của xúc tác CuFe2O4.

hành tách bỏ xúc tác rắn bằng từ trường và
dùng dịch phản ứng thu được để tiếp tục
phản ứng với cùng điều kiện như ban đầu.
14

 


Nếu lần phản ứng thứ hai này có độ chuyển hóa đáng kể thì nghĩa là phản ứng ban đầu đã
khơng thực sự diễn ra với q trình xúc tác dị thể mà diễn ra với quá trình xúc tác đồng thể hoặc
một phần dị thể - một phần đồng thể bởi các tâm đồng rơi ra từ xúc tác rắn. Cụ thể, một phản ứng
đã được tiến hành ở 110 oC, sử dụng 5 mol% xúc tác CuFe2O4 với sự có mặt của 2 mmol base
t

BuOK, trong dung mơi là DMF với tỉ lệ imidazole là 3:1 so với 4’-iodoacetophenone. Sau 0.5

giờ, ta cho dừng phản ứng lại rồi áp đặt một nam châm vĩnh cửu vào thành bình phản ứng và hút
dịch phản ứng sang một bình cầu mới. Sau đó, tBuOK được thêm vào (khơng thêm xúc tác
CuFe2O4) rồi tiếp tục tiến hành phản ứng ở 110 oC và lấy mẫu theo thời gian. Kết quả thực
nghiệm trên hình 3.14 và bảng 3.8 cho thấy hầu như khơng có sự chuyển hóa 4’iodoacetophenone nào xảy ra kể từ khi xúc tác CuFe2O4 được tách bỏ. Điều này rõ ràng cho thấy
phản ứng chủ yếu diễn ra khi có mặt xúc tác rắn CuFe2O4 chứ khơng phải do sự hiện diện của các
tâm đồng bị hòa tan từ xúc tác (nếu có) trong q trình phản ứng.
3.2.9. Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác CuFe2O4
100
80
60
40
20
0

Độ chuyển hóa (%)

Độ chọn lọc (%)

Ngày nay, một xúc tác khơng chỉ cần có hoạt tính
cao mà với quan điểm “Hóa học xanh” thì xúc
tác đó cịn nên có khả năng thu hồi dễ dàng từ
hỗn hợp phản ứng và có thể tái sử dụng vài lần
mà hoạt tính thay đổi khơng đáng kể trước khi bị

1

2

3
4
5
Lần phản ứng

6

Hình 3.14: Độ chuyển hóa và độ chọn lọc sản
phẩm qua các lần sử dụng xúc tác.

mất hoạt tính hồn tồn. So với các hệ xúc tác
đồng thể thì xúc tác rắn thể hiện những ưu điểm
nhất định như dễ thu hồi và tái sử dụng.

Do đó chúng tơi đã quyết định khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng của xúc tác CuFe2O4
trong phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone và imidazole. Phản ứng đầu tiên được tiến

hành ở 110 oC, trong dung môi DMF, sử dụng imidazole ở tỉ lệ 3:1 so với 4’-iodoacetophenone,
với sự có mặt của tBuOK và 5 mol% xúc tác. Sau mỗi lần phản ứng thì xúc tác được tách dễ dàng
khỏi hỗn hợp phản ứng bằng từ trường ngồi, sau đó được rửa sạch và sấy khô trong chân không
rồi sử dụng cho lần phản ứng tiếp theo ở cùng điều kiện như lần phản ứng đầu tiên mà không
thêm bất kỳ lượng xúc tác mới nào. Việc thu hồi xúc tác được tiến hành khá đơn giản và kết quả
đánh giá độ chuyển hóa và độ chọn lọc của phản ứng qua các lần tái sử dụng xúc tác trên hình
3.15 đã cho thấy hoạt tính của xúc tác qua 5 lần tái sử dụng vẫn không thay đổi nhiều, với độ
chuyển hóa cho lần phản ứng đầu tiên là 87% và lần thứ 6 là 77%. Tương tự như vậy, độ chọn lọc
cũng không thay đổi đáng kể, đều đạt 79% trở lên sau 5 lần tái sử dụng.
15
 


Chúng tơi cũng tiến hành phân
tích lại cấu trúc của xúc tác
oxide đồng-sắt sau 5 lần thu hồi
bằng phương pháp nhiễu xạ tia
X. Kết quả cho thấy cấu trúc
đồng ferrite CuFe2O4 hầu như
Hình 3.15: Kết quả nhiễu xạ của xúc tác CuFe2O4 sau khi tổng
hợp (dưới) và sau 5 lần tái sử dụng (trên)

vẫn được giữ nguyên dù đã trải
qua 5 lần tái sử dụng (hình 3.16).

Hình 3.16: Hình ảnh phóng to 100000 lần với thước đo trên hình là 50 nm cung cấp từ kính hiển vi điện
tử truyền qua của xúc tác CuFe2O4 sau khi tổng hợp (trái) và sau 5 lần tái sử dụng (phải)

Những hình ảnh từ kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy sau khi tái sử dụng 5 lần thì
mặc dù xúc tác vẫn giữ được kích thước nano nhưng có sự kết tụ và tăng kích thước hạt từ

khoảng 5-10 nm ở mẫu xúc tác sau khi tổng hợp lên thành khoảng 7-20 nm, đồng thời các hạt
cũng có kích thước ít đồng đều hơn so với ban đầu (hình 3.17). Trên thực tế thì xúc tác CuFe2O4
đã được nhiều nhóm nghiên cứu báo cáo là có khả năng tái sử dụng nhiều lần trong một số phản
ứng hữu cơ mà hoạt tính chỉ bị giảm nhẹ như trong phản ứng deacetyl carbonhydrate [35], phản
ứng tổng hợp 1H-tetrazoles [27], phản ứng ghép đơi C-S [36,37], v.v.
3.2.10. So sánh hoạt tính của các loại xúc tác khác nhau
Chúng tôi đã tiến hành phản ứng với một số loại xúc tác đồng thể khác nhau để so sánh với
hoạt tính của xúc tác nano từ tính CuFe2O4, đồng thời qua đó đánh giá sơ bộ khả năng xúc tác của
sắt. Chúng tôi đã tiến hành phản ứng ở 110 oC, trong dung môi DMF, sử dụng imidazole ở tỉ lệ
3:1 so với 4’-iodoacetophenone với sự có mặt lần lượt của các loại xúc tác CuI, CuCl2 và FeCl3
tất cả đều có hàm lượng 5 mol%. Kết quả thực nghiệm cho thấy rõ tiềm năng xúc tác của hạt
nano từ tính CuFe2O4 khi ở cùng điều kiện phản ứng thì xúc tác này cho độ chuyển hóa và độ
chọn lọc đều tốt hơn các xúc tác đồng thể là CuI và CuCl2. Cụ thể CuI và CuCl2 cho độ chuyển
hóa và độ chọn lọc tương đương nhau, lần lượt là 68% và 77%. Trong khi đó CuFe2O4 lại đạt độ
16
 


chuyển hóa đến 91% và độ chọn lọc là 84% sau 3 giờ phản ứng. Từ đó chúng tơi phán đốn rằng
rất có thể Fe đã có vai trị nhất định trong cơ chế xúc tác. Nhận xét này cũng tương tự kết luận rút
ra của tác giả Taillefer [38].
CuFe2O4
CuCl2

100
80
60
40
20
0

CuFe2O4
CuCl2

CuI
FeCl3

Độ chọn lọc (%)

Độ chuyển hóa (%)

100
80
60
40
20
0

CuI
FeCl3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Thời gian (giờ)

0.5 1 1.5 2 2.5 3
Thời gian (giờ)

Hình 3.17: Độ chuyển hóa và độ chọn lọc theo thời gian khi sử dụng các loại xúc tác khác nhau.

Ngồi ra theo kết quả thực nghiệm đã trình bày thì xúc tác CuFe2O4 cịn tỏ ra ưu thế hơn khi

thể hiện khả năng thu hồi và tái sử dụng tốt. Do đó xúc tác CuFe2O4 rõ ràng đáp ứng được nhiều
yêu cầu hơn của “hóa học xanh” và xứng đáng được nghiên cứu thêm để phát triển khả năng ứng
dụng vào thực tế. Bên cạnh đó các thí nghiệm sử dụng FeCl3 đã khẳng định vai trò chủ đạo của
Cu trong việc xúc tác phản ứng này. Cụ thể phản ứng sử dụng FeCl3 làm xúc tác chỉ cho độ
chuyển hóa 26% và độ chọn lọc là 17%. CuI. Như vậy dù có những kết quả thực nghiệm để tin
rằng Cu đóng vai trị cốt lõi trong việc xúc tác cho phản ứng này nhưng vẫn rất cần thêm những
nghiên cứu để làm rõ hơn về cơ chế xúc tác của đồng và ảnh hưởng của sắt trong vòng xúc tác.
4. Kết Luận và kiến nghị
Xúc tác nano từ tính oxide đồng-sắt đã được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa trong
ethylene glycol và kiểm tra một số đặc trưng như cấu trúc. Kết quả cho thấy xúc tác có cấu trúc
CuFe2O4, tính siêu thuận từ và kích thước trong khoảng nanomét. Các kết quả thực nghiệm đã
cho thấy đúng như giả thuyết đã đề ra hạt nano từ tính CuFe2O4 có khả năng làm xúc tác dị thể
hữu hiệu cho phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone với imidazole, thể hiện hoạt tính và
độ chọn lọc khá cao (có so sánh với hai loại xúc tác đồng thể là CuCl2 và CuI) cũng như khả năng
thu hồi dễ dàng và tái sử dụng tốt. Khả năng hoạt động của xúc tác trong một số điều kiện phản
ứng và sử dụng tác chất khác nhau cũng đã được khảo sát. Xu hướng chung về ảnh hưởng của các
yếu tố đã khảo sát như nhiệt độ, dung môi, tỉ lệ tác chất, hàm lượng xúc tác, loại và hàm lượng
base sử dụng đến độ chuyển hóa cũng như chọn lọc của các phản ứng cũng đã được ghi nhận và
chỉ ra điều kiện thuận lợi cho các phản ứng này. Phản ứng N-aryl hóa giữa 4’-iodoacetophenone
và imidazole ở điều kiện thuận lợi là 110 oC, dung môi DMF, sử dụng tỉ lệ mol 4’iodoacetophenone:imidazole là 1:3, base là tBuOK ở tỉ lệ 2:1 so với 4’-iodoacetophenone, với sự
17
 


có mặt của 5 mol% xúc tác thì đạt độ chuyển hóa và độ chọn lọc lần lượt là 91% và 84% sau 3
giờ.
Theo hiểu biết của chúng tơi thì việc sử dụng hạt nano từ tính CuFe2O4 làm xúc tác cho phản
ứng trên trong đề tài này có lẽ là một trong những cơng trình đầu tiên được tiến hành ở Việt Nam.
Có thể nói rằng đề tài này khơng chỉ đóng góp vào nghiên cứu chung của cộng đồng xúc tác mà
cịn góp phần thúc đẩy các nghiên cứu trong nước cả về lĩnh vực nano từ tính cũng như về các

phản ứng aryl hóa quan trọng cho tổng hợp hữu cơ. Bên cạnh đó đề tài cịn góp phần thúc đẩy các
nghiên cứu về “hóa học xanh”.
Với các kết quả đạt được từ thực nghiệm của đề tài này và tham khảo với các kết quả khác
về lĩnh vực nano từ tính ứng dụng trong phản ứng ghép đơi đã được cơng bố, chúng tơi xin có
một vài kiến nghị cho các nghiên cứu trong tương lai như sau. Thứ nhất là nghiên cứu thay thế
dần các hệ xúc tác đồng thể bằng hệ xúc tác nano từ tính cho các phản ứng hữu cơ quan trọng.
Chúng tôi đề nghị nên nghiên cứu thêm các loại hạt nano từ tính khác đang được quan tâm như
NiFe2O4, ZnFe2O4, MnFe2O4 cho các phản ứng ghép đôi. Đồng thời nghiên cứu cải thiện khả
năng xúc tác của hạt nano từ tính để có thể tiến hành xúc tác cho các phản ứng ghép đôi trong
những điều kiện êm dịu hơn. Ngoài ra nên tập trung nghiên cứu cơ chế xúc tác của hạt nano từ
tính trong các phản ứng ghép đơi vì hiện nay chúng ta vẫn chưa hiểu rõ lắm về cơ chế xúc tác của
chúng.
Chủ nhiệm đề tài 1

PGS.TS. Phan Thanh Sơn Nam

Chủ nhiệm đề tài 2

TL. Hiệu Trưởng
Trưởng phòng KHCN& DA

ThS. Nguyễn Thái Anh

18
 


Tài liệu tham khảo
1.
2.

3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.

33.
34.
35.
36.
37.
38.

R. Arundhathi, D. C. Kumar, Sreedhar, Eur. J. Org. Chem., 2010 (19), 3621 (2010).
L. Zhu, L. Cheng, Y. Zhang, R. Xie, You, J. Org. Chem., 72 (8), 2737 (2007).
Suresh, Pitchumani, J. Org. Chem., 73 (22), 9121 (2008).
C. Cao, Z. Lu, Z. Cai, G. Pang, Shi, Synth. Commun., 42 (2), 279 (2012).
B. C. Ranu, R. Dey, T. Chatterjee, Ahammed, ChemSusChem, 5 (1), 22 (2012).
R. Cano, D. J. Ramón, Yus, J. Org. Chem., 76 (2), 654 (2011).
N. Panda, A. K. Jena, S. Mohapatra, Rout, Tetrahedron Lett. , 52 (16), 1924 (2011).
Muci, Buchwald, Practical Palladium Catalysts for C-N and C-O Bond Formation, CrossCoupling Reactions, Springer Berlin Heidelberg, (2002).
J. P. Wolfe, S. Wagaw, J.-F. Marcoux, Buchwald, Accounts Chem. Res., 31 (12), 805 (1998).
Hartwig, Angew. Chem. Int. Ed., 37 (15), 2046 (1998).
Hartwig, Nature, 455 (7211), 314 (2008).
A. Klapars, J. C. Antilla, X. Huang, Buchwald, J. Am. Chem. Soc., 123 (31), 7727 (2001).
J. C. Antilla, J. M. Baskin, T. E. Barder, Buchwald, J. Org. Chem., 69 (17), 5578 (2004).
Altman, Buchwald, Org. Lett., 8 (13), 2779 (2006).
Ley, Thomas, Angew. Chem. Int. Ed., 42 (44), 5400 (2003).
Beletskaya, Cheprakov, Coord. Chem. Rev., 248 (21-24), 2337 (2004).
H.-J. Cristau, P. P. Cellier, J.-F. Spindler, Taillefer, Eur. J. Org. Chem., 2004 (4), 695 (2004).
H.-J. Cristau, P. P. Cellier, J.-F. Spindler, Taillefer, Chem. – Eur. J., 10 (22), 5607 (2004).
H.-J. Cristau, P. P. Cellier, J.-F. Spindler, Taillefer, Chem. – Eur. J., 10 (22), 5557 (2004).
R. Zhu, L. Xing, X. Wang, C. Cheng, D. Su, Hu, Adv. Synth. Catal., 350 (9), 1253 (2008).
B. M. Choudary, C. Sridhar, M. L. Kantam, G. T. Venkanna, Sreedhar, J. Am. Chem. Soc., 127
(28), 9948 (2005).
P. R. Likhar, S. Roy, M. Roy, M. L. Kantam, De, J. Mol. Catal. Chem., 271 (1-2), 57 (2007).

L. Rout, S. Jammi, Punniyamurthy, Org. Lett., 9 (17), 3397 (2007).
V. Polshettiwar, R. Luque, A. Fihri, H. Zhu, M. Bouhrara, Basset, Chem. Rev., 111 (5), 3036
(2011).
S. Shylesh, V. Schünemann, Thiel, Angew. Chem. Int. Ed., 49 (20), 3428 (2010).
Phan, Jones, J. Mol. Catal. Chem., 253 (1-2), 123 (2006).
B. Sreedhar, A. S. Kumar, Yada, Tetrahedron Lett., 52 (28), 3565 (2011).
J. E. Tasca, C. E. Quincoces, A. Lavat, A. M. Alvarez, González, Ceram. Int., 37 (3), 803 (2011).
Z.-L. Xu, H.-X. Li, Z.-G. Ren, W.-Y. Du, W.-C. Xu, Lang, Tetrahedron, 67 (29), 5282 (2011).
R. Zhang, C. Miao, Z. Shen, S. Wang, C. Xia, Sun, ChemCatChem, 4 (6), 824 (2012).
Z. Huang, F. Li, B. Chen, F. Xue, G. Chen, Yuan, Appl. Catal. Gen., 403 (1-2), 104 (2011).
J. Engel-Andreasen, B. Shimpukade, Ulven, Green Chem., 15 (2), 336 (2013).
Y.-C. Teo, F.-F. Yong, Lim, Tetrahedron Lett., 52 (52), 7171 (2011).
L. Zhu, G. Li, L. Luo, P. Guo, J. Lan, You, J. Org. Chem., 74 (5), 2200 (2009).
J. E. Tasca, A. Ponzinibbio, G. Diaz, R. D. Bravo, A. Lavat, González, Top. Catal., 53 (15-18),
1087 (2010).
K. Swapna, S. N. Murthy, M. T. Jyothi, Nageswar, Org. Biomol. Chem., 9 (17), 5989 (2011).
N. Panda, A. K. Jena, Mohapatra, Appl. Catal. Gen., 433-434 258 (2012).
M. Taillefer, N. Xia, Ouali, Angew. Chem. Int. Ed., 46 (6), 934 (2007).

19