Nghiên cứu sử dụng cu mofs cu₂(bpdc)₂(bpy),cu₂(bdc)₂(bpy), cu₃(btc)₂ làm xúc tác trong một số phản ứng ghép đôi c c, c n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
…..…..

LÊ THỊ NGỌC HẠNH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG Cu-MOFs: Cu2(BPDC)2(BPY),
Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2 LÀM XÚC TÁC TRONG MỘT
SỐ PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C-C, C-N

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Tp. Hồ Chí Minh năm 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
…..…..

LÊ THỊ NGỌC HẠNH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG Cu-MOFs: Cu2(BPDC)2(BPY),
Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2 LÀM XÚC TÁC TRONG MỘT
SỐ PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C-C, C-N
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số chuyên ngành: 62520301

Phản biện độc lập 1: GS. TS. Nguyễn Kim Phi Phụng
Phản biện độc lập 2: PGS. TS. Phạm Thanh Huyền

Phản biện 1: GS. TS. Nguyễn Cửu Khoa

Phản biện 2: PGS. TS. Vũ Anh Tuấn
Phản biện 3: PGS. TS. Phạm Thành Quân

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
GS. TS. Phan Thanh Sơn Nam

Tp. Hồ Chí Minh năm 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất
kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu
đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.
Tác giả luận án

Lê Thị Ngọc Hạnh

i


TÓM TẮT LUẬN ÁN
Các vật liệu xốp khung hữu cơ tâm đồng (Cu-MOFs) gồm Cu3(BTC)2,
Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY) đƣợc tổng hợp và phân tích đặc trƣng cấu
trúc, tính chất hóa lý bằng các phƣơng pháp nhƣ 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 lƣợng (TGA), phổ hồng ngoại (FT-IR), phân tích hàm lƣợng kim loại
(AAS, ICP), xác định bề mặt riêng thông qua hấp phụ khí nitơ. Các vật liệu
Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY) có nhiều ƣu điểm nổi bật: diện
tích bề mặt cao trên 1000 m2/g, có độ bền nhiệt từ 300 oC trở lên, có kích thƣớc lỗ

xốp lớn khoảng 7,5 – 9,0 Å.
Vật liệu Cu2(BPDC)2(BPY) đƣợc sử dụng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đơi
trực tiếp C-C giữa dị vịng và aryl halide. Kết quả thực hiện phản ứng giữa
iodobenzene : benzoxazole (1 : 2) đạt độ chuyển hóa gần 100 % sau 180 phút ở 120
o

C trong dung môi DMSO, hai đƣơng lƣợng K3PO4 khi sử dụng 7,5 mol %

Cu2(BPDC)2(BPY). Vật liệu Cu2(BDC)2(BPY) đƣợc sử dụng làm xúc tác dị thể cho
phản ứng ghép đôi trực tiếp CN giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch.
Kết quả thực hiện phản ứng giữa 2-Oxazolidinone : phenylacetylene (7 : 1) trong
dung mơi toluene, chất oxy hóa O2, hai đƣơng lƣợng NaHCO3 đạt độ chuyển hóa
100 %, độ chọn lọc 95 % sau 240 phút ở 80 oC với 20 mol % Cu2(BDC)2(BPY). Vật
liệu Cu3(BTC)2 đƣợc sử dụng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi C–N giữa α
– carbonyl và amine bậc hai. Kết quả thực hiện phản ứng giữa propiophenone và
morpholine (1 : 1,5) trong dung môi DMF đạt độ chuyển hóa > 99 %, độ chọn lọc >
99 % sau 4 giờ ở 50 oC với 30 mol % KBr, 10 mol % Cu3(BTC)2. Các xúc tác này
cho hiệu suất và độ chọn lọc cao, có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt
tính xúc tác giảm khơng đáng kể.

ii


ABSTRACT
Three highly porous Copper-based organic frameworks (Cu-MOFs) such as
Cu3(BTC)2,

Cu2(BPDC)2(BPY),

Cu2(BDC)2(BPY)

were

synthesized

and

characterized by X-ray powder diffraction (PXRD), scanning electron microscopy
(SEM), transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis
(TGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), inductively coupled
plasma-Optical Emission Spectrometer (ICP-OES), and nitrogen physisorption
measurements. These Cu-MOFs have surface areas higher than 1000 m2/g and
thermal stability of up to 300 °C or higher. Moreover, the largest pore apertures of
Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2 are in the range of 7,5 – 9,0 Å.
Cu2(BPDC)2(BPY) were used as heterogeneous catalysts for direct C-arylation of
heterocycles with aryl halides. The arylation reaction was carried out in DMSO at
120 oC, with the iodobenzene : benzoxazole molar ratio of 1 : 2, in the presence of
two equivalents of K3PO4 base, at 7.5 mol % of catalyst, 100 % conversion after
180 min. Cu2(BDC)2(BPY) was employed as heterogeneous catalyst for oxidative
cross coupling reaction between 2-Oxazolidinone : phenylacetylene (7 : 1). The
cross coupling reaction was carried out using 2 equiv. of NaHCO3, oxygen oxidant
in toluene at 80° C for 240 min, in the presence of 20 mol % Cu2(BDC)2(BPY)
catalyst with 100 % conversion and 95 % selectivity, Cu3(BTC)2 were used as
heterogeneous catalysts for oxidative α-amination reaction between propiophenone :
morpholine (1 : 1.5). The cross coupling reaction was carried out in DMF at 50 °C
for 240 min, in the presence of 10 mol% Cu3(BTC)2 catalyst, KBr 30 mol %, with
99 % conversion and 99 % selectivity. The Cu-MOFs catalysts could be recovered
and reused several times without significant degradation in catalytic activity. To the
best of our knowledge, these transformations using Cu-MOFs catalysts were not
previously mentioned in the literature.

iii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến,
Thầy GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn tơi trong suốt q
trình thực hiện luận án này. Tôi đã đƣợc học hỏi từ Thầy rất nhiều về kiến thức
chuyên môn và thông qua sự hƣớng dẫn của Thầy tôi cũng đã học đƣợc cách tiếp
cận và giải quyết các vấn đề khoa học khác. Tơi cảm thấy thật q giá khi có cơ hội
đƣợc sự hƣớng dẫn của Thầy.
Thầy TS. Trƣơng Vũ Thanh, ngƣời đã chỉ dẫn, đƣa ra những góp ý sâu sắc, xác
đáng trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này. Tôi đã đƣợc học hỏi từ Thầy
về cách giải quyết vấn đề một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Thầy PGS.TS. Phạm Thành Quân, Cô PGS.TS. Lê Thị Hồng Nhan, Thầy TS. Lê
Thành Dũng và tập thể cán bộ giảng viên bộ mơn Kỹ thuật Hữu cơ, Khoa Kỹ thuật
Hóa học, Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã có những góp ý chân thành và tạo nhiều
điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận án này.
Thời gian qua tơi đã có cơ hội đƣợc học hỏi, trao đổi kiến thức chun mơn với các
thành viên của nhóm nghiên cứu (Nguyễn Thanh Tùng, Đặng Huỳnh Giao, Nguyễn
Thái Anh, Nguyễn Kim Chung, Lê Vũ Hà, Nguyễn Đăng Khoa, Lê Khắc Anh Kỳ,
Nguyễn Thị Thanh Hƣờng). Các học viên cao học (Vũ Hoàng Lan Phƣơng, Trần
Văn Thuận) đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian các bạn nghiên cứu tại phịng
thí nghiệm.
Đảng ủy, Ban lãnh đạo Viện Y Tế Công Cộng TP.HCM, chị Phan Bích Hà, anh
Phan Long Hồ và các đồng nghiệp khác tại Viện Y Tế Công Cộng TP.HCM đã tạo
điều kiện thuận lợi về thời gian, tinh thần để tơi có thể n tâm thực hiện luận án
này.
Gia đình của tôi đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi học tập, nghiên cứu.

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN ÁN ............................................................................................ ii
ABSTRACT........................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iv
MỤC LỤC ................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. viii
DANH MỤC SƠ ĐỒ ............................................................................................. xi
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................xv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xvii
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................xx
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN ..................................................................................1

1.1.

Vật liệu khung cơ kim (MOFs) .....................................................................1

1.2.

Ứng dụng xúc tác của Cu-MOFs ...................................................................9

1.3.

Phản ứng ghép đôi CC, CN .....................................................................23

1.3.1.

Giới thiệu ..................................................................................................23

1.3.2.

Phản ứng ghép đơi C–C tổng hợp aryl dị vịng .......................................24

1.3.3.

Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp ynamide .............................................31

1.3.4.

Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp -amino carbonyl .............................35

CHƢƠNG 2

THỰC NGHIỆM............................................................................38
v


2.1.

Hóa chất và thiết bị ......................................................................................38

2.1.1.

Hóa chất ...................................................................................................38

2.1.2.

Thiết bị......................................................................................................38

2.2.

Tổng hợp Cu-MOFs ....................................................................................40

2.2.1.

Cu2(BPDC)2(BPY) ....................................................................................40

2.2.2.

Cu2(BDC)2(BPY) ......................................................................................40

2.2.3.

Cu3(BTC)2.................................................................................................41

2.3.
2.3.1.

Phản ứng ghép đôi C–C, C–N .....................................................................41
Phản ứng ghép đơi C–C giữa dị vịng và aryl halide, xúc tác

Cu2(BPDC)2(BPY) .................................................................................................41
2.3.2.

Phản ứng ghép đôi C–N giữa các amine có H linh động với alkyne đầu

mạch, xúc tác Cu2(BDC)2(BPY) ............................................................................42
2.3.3.

Phản ứng ghép đôi C–N giữa α-Carbonyl với amine, xúc tác Cu3(BTC)2 ..
..................................................................................................................42

CHƢƠNG 3
3.1.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..........................................................44

Đặc trƣng cấu trúc của Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2 44

3.1.1.

Đặc trưng cấu trúc của Cu2(BPDC)2(BPY) .............................................44

3.1.2.

Đặc trưng cấu trúc của Cu2(BDC)2(BPY) ...............................................49

3.1.3.

Đặc trưng cấu trúc của Cu3(BTC)2 ..........................................................52

3.2.
3.2.1.

Nghiên cứu xúc tác trên các phản ứng ghép đôi C–C, C–N ........................57

Nghiên cứu xúc tác của Cu2(BPDC)2(BPY) trên phản ứng ghép đơi C–C

giữa dị vịng và aryl halide ....................................................................................57

vi


3.2.2.

Nghiên cứu xúc tác của Cu2(BDC)2(BPY) trên phản ứng ghép đơi C–N

giữa các amine có H linh động với alkyne đầu mạch............................................75
3.2.3.

Nghiên cứu xúc tác của Cu3(BTC)2 trên phản ứng ghép đôi C–N giữa α-

Carbonyl với amine ...............................................................................................91
CHƢƠNG 4
4.1.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................105

Kết luận......................................................................................................105

4.1.1.

Tóm tắt kết quả đạt đƣợc ........................................................................105

4.1.2.

Đóng góp của luận án .............................................................................106

4.2.

Kiến nghị ...................................................................................................107

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .......................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................109
PHỤ LỤC ............................................................................................................124

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: (a) Các loại vật liệu rắn xốp: polymers, zeolites, MOFs [2]; (b) Các cấu
trúc vật liệu MOFs (1D, 2D, 3D) đƣợc báo cáo từ cơ sở dữ liệu Cambridge từ năm
1971 đến năm 2011 [1]. ............................................................................................. 1
Hình 1.2: Các đơn vị cấu trúc thứ cấp vơ cơ SBUs [13]............................................ 2
Hình 1.3: Cu3(BTC)2 với Cu-Cu = 2,628(2) Å, Cu-OCO = 1,952(3) Å, Cu-OH =
2,165(8) Å [17]........................................................................................................... 4
Hình 1.4: (a) Sự phát triển MOFs trong lĩnh vực xúc tác so với các lĩnh vực nghiên
cứu khác và (b) sự phát triển ứng dụng MOFs trong lĩnh vực xúc tác trong 5 năm
gần đây [1, 25]............................................................................................................ 5
Hình 3.1: XRD của Cu2(BPDC)2(BPY) tổng hợp. .................................................. 44
Hình 3.2: XRD của Cu2(BPDC)2(BPY) của nghiên cứu khác [51]. ........................ 45
Hình 3.3: Phân tích TGA của Cu2(BPDC)2(BPY). .................................................. 46
Hình 3.4: Phổ FT-IR của Cu2(BPDC)2(BPY) (a), acid 4,4’-biphenyldicarboxylic (b)
và 4,4’-bipyridine (c). .............................................................................................. 47
Hình 3.5: Ảnh SEM của Cu2(BPDC)2(BPY). .......................................................... 48
Hình 3.6: Ảnh TEM của Cu2(BPDC)2(BPY). .......................................................... 48

Hình 3.7: XRD của Cu2(BDC)2(BPY): (a) tổng hợp, (b) của nghiên cứu khác [98]49
Hình 3.8: TGA của Cu2(BDC)2(BPY). .................................................................... 50
Hình 3.9: Phổ FT-IR của Cu2(BDC)2(BPY) (a), acid 1,4-benzenedicarboxylic (b),
4,4’-bipyridine (c). ................................................................................................... 50
Hình 3.10: Ảnh SEM của Cu2(BDC)2(BPY). .......................................................... 51
viii


Hình 3.11: Ảnh TEM của Cu2(BDC)2(BPY). .......................................................... 52
Hình 3.12: XRD của Cu3(BTC)2 tổng hợp: (a) sau khi gia nhiệt 24 giờ, (b) sau khi
hoạt hóa trong chân khơng. ...................................................................................... 53
Hình 3.13: XRD của Cu3(BTC)2 của nghiên cứu khác [49]. ................................... 53
Hình 3.14: Phân tích TGA của Cu3(BTC)2. ............................................................. 54
Hình 3.15: Phổ FT-IR của Cu3(BTC)2 (a) và acid 1,3,5-benzenetricarboxylic (b). 55
Hình 3.16: Ảnh SEM của Cu3(BTC)2. ..................................................................... 56
Hình 3.17: Ảnh TEM của Cu3(BTC)2. ..................................................................... 56
Hình 3.18: Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa phản ứng........................... 58
Hình 3.19: Ảnh hƣởng của tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa phản ứng. ............ 58
Hình 3.20: Ảnh hƣởng của nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng. ............. 59
Hình 3.21: Kiểm tra tính dị thể của xúc tác. ............................................................ 60
Hình 3.22: Ảnh hƣởng của các base khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng. ........ 61
Hình 3.23: Ảnh hƣởng của các dung mơi khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng. 62
Hình 3.24: Ảnh hƣởng của muối đồng khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng. .... 64
Hình 3.25: Ảnh hƣởng của Cu-MOFs khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng. ..... 65
Hình 3.26: Kết quả phân tích XRD của Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc
tác hấp phụ 2,2’-bipyridine, (c) xúc tác hấp phụ triphenylphosphine. .................... 66
Hình 3.27: Phổ FT-IR của Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác hấp phụ
2,2’-bipyridine; (c) phổ FT-IR của 2,2’-bipyridine. ................................................ 66
Hình 3.28: Phổ FT-IR của Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác hấp phụ
triphenylphosphine; (c) phổ FT-IR của triphenylphosphine. ................................... 67

ix


Hình 3.29: Khả năng thu hồi của xúc tác. ................................................................ 68
Hình 3.30: Phổ FT-IR của Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử
dụng. ......................................................................................................................... 68
Hình 3.31: XRD của Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng. 69
Hình 3.32: (a) Ảnh hƣởng của nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng và (b)
độ chọn lọc sản phẩm. .............................................................................................. 81
Hình 3.33: (a) Ảnh hƣởng của tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa phản ứng và (b)
độ chọn lọc sản phẩm. .............................................................................................. 82
Hình 3.34: Kiểm tra tính dị thể của xúc tác. ............................................................ 85
Hình 3.35: Khả năng thu hồi, tái sử dụng xúc tác và độ chọn lọc sản phẩm. .......... 86
Hình 3.36: Phổ FT-IR của Cu2(BDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử
dụng. ......................................................................................................................... 87
Hình 3.37: XRD của Cu2(BDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng... 87
Hình 3.38: Ảnh hƣởng của hàm lƣợng KBr lên độ chuyển hóa phản ứng. ............. 92
Hình 3.39: Ảnh hƣởng tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa phản ứng. .................. 93
Hình 3.40: Ảnh hƣởng của nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng. ............. 94
Hình 3.41: Kiểm tra tính dị thể của xúc tác. ............................................................ 97
Hình 3.42: Khả năng thu hồi, tái sử dụng xúc tác. ................................................... 98
Hình 3.43: Phổ FT-IR của Cu3(BTC)2: (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng. .... 99
Hình 3.44: XRD của Cu3(BTC)2: (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng.............. 99

x


DANH MỤC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1: Tƣơng tác của D2O lên khung cơ kim M(bdc)(ted)0.5 [M = Cu, Zn, Ni,

Co] [27] ..................................................................................................................... 7
Sơ đồ 1.2: Cơ chế phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic với TBHP, xúc tác Fe (III)
[41]. .......................................................................................................................... 11
Sơ đồ 1.3: Phản ứng giữa benzylamine và ethyl acrylate sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2
[30]. .......................................................................................................................... 11
Sơ đồ 1.4: Cơ chế phản ứng ngƣng tụ Pechmann giữa phenol và ethyl acetoacetate,
LA (acid Lewis) [40]. ............................................................................................... 13
Sơ đồ 1.5: α - aryl hóa acetylacetone với aryl iodide sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2
[32]. .......................................................................................................................... 13
Sơ đồ 1.6: Phản ứng ghép đôi Ullmann giữa aryl iodide với phenol sử dụng xúc tác
Cu3(BTC)2 [34]. ....................................................................................................... 14
Sơ đồ 1.7: Phản ứng giữa các aldehyde khác nhau với MeOH [42]. ....................... 14
Sơ đồ 1.8: Cu3(BTC)2 xúc tác phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic với tbutylhydroperoxide [41]........................................................................................... 14
Sơ đồ 1.9: Phản ứng tạo indole [36]......................................................................... 15
Sơ đồ 1.10: Cu(BDC) xúc tác phản ứng Friedländer [33]. ...................................... 15
Sơ đồ 1.11: Cu2(BPDC)2(BPY) xúc tác phản ứng ghép đôi 2-hydroxybenzaldehyde
và 1,4-dioxane [43]. ................................................................................................. 16
Sơ đồ 1.12: Cu2(BPDC)2(BPY) xúc tác phản ứng ghép đôi giữa phenol với dimethyl
formamide [29]......................................................................................................... 16

xi


Sơ đồ 1.13: Phản ứng ghép đôi giữa phenol và nitroarene hình thành diaryl ether
[31]. .......................................................................................................................... 17
Sơ đồ 1.14: Phản ứng N-aryl hóa aryl halide với imidazole [44]. ........................... 17
Sơ đồ 1.15: Phản ứng tổng hợp amide giữa N,N-dimethylaniline và acetic anhydride
[47]. .......................................................................................................................... 17
Sơ đồ 1.16: Phản ứng ghép đôi C–C giữa N,N-dimethylaniline và phenylacetylene
sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [49]. ............................................................................. 18

Sơ đồ 1.17: Phản ứng ghép đôi CC giữa N-methylaniline và phenylacetylene sử
dụng xúc tác Cu2(BDC)2(DABCO) [50]. ................................................................. 18
Sơ đồ 1.18: Phản ứng ba tác chất giữa tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và
phenylacetylene sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) [51]. ..................................... 19
Sơ đồ 1.19: Phản ứng oxy hóa đóng vịng giữa α-hydroxyacetophenone và
phenylenediamine sử dụng xúc tác Cu(BDC) [52]. ................................................. 19
Sơ đồ 1.20: (a) Phản ứng mở vòng epoxide, (b) phản ứng oxy hóa alcohol thành
aldehyde [53] ............................................................................................................ 20
Sơ đồ 1.21: Phản ứng ghép đôi 3 thành phần aldehyde–amine–alkyne [48]. .......... 21
Sơ đồ 1.22: Phản ứng ghép đôi CN giữa benzimidazole và dimethylacetamide
(DMA), sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(DABCO) [45]. ............................................ 21
Sơ đồ 1.23: Pyrazinyl hóa trực tiếp oxazole [71]..................................................... 24
Sơ đồ 1.24: Aryl hóa (benz)oxazole [71]. ................................................................ 25
Sơ đồ 1.25: Pd(0) và Cu(I) xúc tác phản ứng C2 aryl hóa (benz)oxazole [71]. ...... 25
Sơ đồ 1.26: Phản ứng aryl hóa các (benz)oxazole chọn lọc C2, xúc tác Cu(I) [71].26
Sơ đồ 1.27: Cơ chế xúc tác của Cu(I) (hƣớng A) và Rossi đề nghị chu trình xúc tác
của Pd(0)/Cu(I) (hƣớng B) trong phản ứng aryl hóa oxazole với aryl halide [71]. . 27
xii


Sơ đồ 1.28: Phản ứng aryl hóa azole với haloarene, xúc tác Ni [79]....................... 28
Sơ đồ 1.29: Cơ chế phản ứng aryl hóa phản ứng azole với haloarene sử dụng xúc tác
Ni [79]. ..................................................................................................................... 28
Sơ đồ 1.30: CuO xúc tác aryl hóa trực tiếp dị vịng [69]. ........................................ 29
Sơ đồ 1.31: Cơ chế phản ứng aryl hóa dị vịng sử dụng xúc tác CuO [69]. ............ 30
Sơ đồ 1.32: Pd trên chất mang MIL-101 (Cr) xúc tác C2 aryl hóa indole [80]. ...... 31
Sơ đồ 1.33: Tổng hợp ynamide từ alkynyl halide sử dụng xúc tác Cu: a) Hsung
(2003); b) Danheiser (2003); c) Hsung (2004). Bn= benzyl, Tol = tolyl [84]. ........ 32
Sơ đồ 1.34: Phản ứng oxy hóa ghép đôi Phenylacetylene với tác nhân ái nhân chứa
nitrogen [56, 84]. ...................................................................................................... 33

Sơ đồ 1.35: Cơ chế phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa alkyne bậc ba với tác nhân ái
nhân chứa nitrogen [56, 84]. .................................................................................... 33
Sơ đồ 1.36: Tổng shợp ynamide từ vinyl dibromide [84, 89].................................. 34
Sơ

đồ

1.37:

Amine

hóa

ketene

silyl

acetal

với

O-benzoyl-N,N-

dibenzylhydroxylamine, xúc tác Cu [93]. ................................................................ 35
Sơ đồ 1.38: Các hƣớng tổng hợp α-amino carbonyl [85]. ....................................... 36
Sơ đồ 1.39: Phản ứng α-amine hóa carbonyl [85]. .................................................. 36
Sơ đồ 1.40: Cơ chế phản ứng ghép đôi Carbonyl−Amine, xúc tác Cu (II) [85]. ..... 37
Sơ đồ 2.1: Chƣơng trình nhiệt GC/FID các phản ứng (1), (2), (3). ......................... 39
Sơ đồ 2.2: Chƣơng trình nhiệt GC/MS khi phân tích sản phẩm. ............................. 39
Sơ đồ 3.1: Phản ứng ghép đơi C–C giữa dị vịng và aryl halide sử dụng xúc tác

Cu2(BPDC)2(BPY). .................................................................................................. 57

xiii


Sơ đồ 3.2: Phản ứng ghép đôi CN giữa các amine có H linh động với alkyne đầu
mạch sử dụng xúc tác Cu2(BDC)2(BPY). ................................................................ 75

xiv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Đặc trƣng các chiều dài liên kết từ dữ liệu SC-XRD của Cu3(BTC)2,
Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO). ............... 3
Bảng 1.2: So sánh đặc điểm cấu trúc và tính chất hóa lý của các vật liệu xốp với vật
liệu MOFs [27]. .......................................................................................................... 8
Bảng 1.3: Các phản ứng sử dụng Cu-MOFs làm xúc tác dị thể. ............................. 10
Bảng 1.4: Đặc trƣng cấu trúc và tính acid của các chất xúc tác............................... 12
Bảng 3.1: Aryl hóa các aryl halidea. ......................................................................... 70
Bảng 3.2: Aryl hóa các dị vịng khác nhau. ............................................................. 73
Bảng 3.3: Độ chuyển hóa phản ứng của các điều kiện tổng hợp tối ƣu của phản ứng
giữa dị vòng và aryl halide. ...................................................................................... 74
Bảng 3.4: Khảo sát ảnh hƣởng dung môi, base, nhiệt độ......................................... 75
Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của các chất oxy hóa. ............................................................ 78
Bảng 3.6: Ảnh hƣởng của các thành phần trong khơng khí. .................................... 79
Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của các xúc tác khác nhau lên hiệu suất (%) và độ chọn lọc
sản phẩm. .................................................................................................................. 84
Bảng 3.8: Phản ứng ghép đôi CN giữa các amide/amine với các alkyne. ............. 88
Bảng 3.9: Độ chuyển hóa phản ứng, độ chọn lọc sản phẩm của các điều kiện tổng
hợp tối ƣu của phản ứng giữa phenylacetylene với 2-oxazolidinone. ..................... 90

Bảng 3.10: Tìm điều kiện tối ƣu của phản ứng với dung môi. ................................ 95
Bảng 3.11: Ảnh hƣởng của các xúc tác khác nhau lên hiệu suất (%) và độ chọn lọc
sản phẩm. ................................................................................................................ 100
xv


Bảng 3.12: Phản ứng ghép đôi CN giữa α-Carbonyl với amine. ......................... 102
Bảng 3.13: Độ chuyển hóa phản ứng, độ chọn lọc sản phẩm của các điều kiện tổng
hợp tối ƣu của phản ứng giữa propiophenone và morpholine. .............................. 103

xvi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AAS

Atomic absorption spectrophotometry

BDC

Benzenedicarboxylate

BEA

Beta

BET

Brunauer–Emmett–Teller

BPDC

Biphenyldicarboxylate

BPY

4,4’-bipyridine

BTC

Benzenetricarboxylate

CDCl3

Deuterated chloroform

DABCO

1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane

DCM

Dichloromethane

DEF

Diethylformamide

DLS

Dynamic laser light scattering

DMA

Dimethylacetamide

DMF

Dimethylformamide

DMPU

N,N'-dimethylpropyleneurea

DSC

Differential scanning calorimetry

EDB

4,4’-ethynyldibenzoic

EWG

Electron withdrawing groups

xvii

FT-IR

Fourier Transform Infrared Spectroscopy

GC/FID

Gas chromatographic/flame ionization detector

HKUST

Hong Kong University of Science and Technology

ICP-OES

Inductively

Coupled

Plasma

-

Optical

Spectrometer

IRMOF

Isorecticular Metal-Organic Framework

MIL

Matériauxs de l’Institut Lavoisier

MOF

Metal-Organic Framework

MOP

Metal-Organic Polyhedron

MS

Mass Spectrometry

NDC

2,6-napthalenedicarboxylate

NMO

N-Methylmorpholine-N-oxide

NMP

N-Methyl-2-Pyrrolidone

NMR

Nuclear Magnetic Resonance

OBA

4,4′-oxybisbenzoate

OTf

Trifluoromethanesulfonate

PXRD

X-ray Powder Diffraction

2-PYMO

2-Hydroxypyrimidinolate

SBU

Secondary Building Unit

SC- XRD

Single-Crystal X-ray Diffraction

SEM

Scanning Electron Microscopy
xviii

Emission


TBHP

tert-butylhydroperoxide

t-BuOOH

tert-butylhydroperoxide

TEM

Transmission Electron Microscopy

TEMPO

2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxy

TGA

Thermogravimetric Analysis

TOF

Turn over frequency

UMCM

University of Michigan Crystalline Material

USY

Ultrastable Y

ZIF

Zeolitic imidazole framework

xix


MỞ ĐẦU
Việc sử dụng xúc tác đồng thể là các kim loại chuyển tiếp là một trong những
công cụ mạnh mẽ, đáng tin cậy cho sự hình thành các liên kết C–C, C–N trong
nhiều thập niên qua. Các phản ứng ghép cặp này thƣờng đƣợc xúc tác bởi các phức
Pd khá hiệu quả nhƣng hoạt tính phụ thuộc đáng kể vào bản chất của các ligand,
thƣờng là các ligand phosphine độc hại. Ngồi ra, vấn đề chính của xúc tác đồng thể
là khó thu hồi xúc tác và cơ lập sản phẩm từ hỗn hợp phản ứng. Gần đây, vật liệu
MOFs với những ƣu điểm vƣợt trội đƣợc nghiên cứu thay thế hệ xúc tác đồng thể
cho các phản ứng ghép cặp C–C, C–N.
Các hợp chất aryl dị vòng, ynamide, α-amino carbonyl đóng vai trị là các hợp
chất trung gian quan trọng trong việc tổng hợp nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học.
Nhiều xúc tác kim loại chuyển tiếp bao gồm cả đồng thể và dị thể đã đƣợc sử dụng
làm xúc tác để tổng hợp các hợp chất này. Tuy nhiên, các quy trình tổng hợp cịn
nhiều hạn chế nhƣ điều kiện phản ứng khó thực hiện, hiệu suất thấp, sử dụng các
muối kim loại độc hại làm xúc tác. Vì vậy, các nhà hóa học khơng ngừng nghiên
cứu để tìm ra quy trình tổng hợp hiệu quả aryl dị vòng, ynamide, α-amino carbonyl.
Trong số các MOFs đã cơng bố, Cu-MOFs cho hoạt tính xúc tác cao trong

nhiều phản ứng hữu cơ do chúng có chứa các tâm kim loại mở. Đặc biệt, các vật
liệu Cu-MOFs gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY) có nhiều
ƣu điểm nổi bật thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác. Đây là những vật liệu có
diện tích bề mặt cao, có độ bền nhiệt từ 300 oC trở lên, có kích thƣớc lỗ xốp lớn
trong khoảng 7,5 – 9,0 Å giúp các chất phản ứng có kích thƣớc phù hợp có thể dễ
dàng tiếp xúc tâm xúc tác. Đặc biệt, theo tìm hiểu của chúng tơi thì chƣa có cơng
trình nghiên cứu nào sử dụng các Cu-MOFs: Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và
Cu2(BDC)2(BPY) làm xúc tác cho phản ứng ghép đơi C–C giữa dị vịng và aryl
halide, C–N giữa amine có H linh động với alkyne đầu mạch, C–N giữa α-carbonyl
với amine bậc hai.

xx


Chính vì vậy, mục tiêu đầu tiên của luận án là tổng hợp các vật liệu CuMOFs gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)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 giữa dị vịng và aryl halide, ghép đơi C–N giữa
amine có H linh động với alkyne đầu mạch, ghép đơi C–N giữa α-carbonyl với
amine bậc hai.

xxi


CHƢƠNG 1

1.1.

TỔNG QUAN

Vật liệu khung cơ kim (MOFs)

Vật liệu xốp ngày càng đóng vai trị quan trọng trong khoa học và đời sống. Hàng
năm, nhiều cơng trình nghiên cứu về loại vật liệu này đƣợc công bố nhƣ vật liệu ống
nano carbon, vật liệu silica, vật liệu carbon hoạt tính, vật liệu khung cơ kim MOFs
(metal-organic frameworks). Trong đó, vật liệu MOFs đang thu hút sự chú ý của
nhiều nhà khoa học trên thế giới bởi các tính chất đặc biệt và những ứng dụng tiềm
năng (hình 1.1). Bằng cách sử dụng nhiều cation kim loại kết hợp với nhiều cầu nối
hữu cơ khác nhau, có thể tổng hợp đƣợc hàng nghìn vật liệu MOFs có cấu trúc đa
dạng, độ xốp cao, diện tích bề mặt riêng lớn [1].

Hình 1.1: (a) Các loại vật liệu rắn xốp: polymers, zeolites, MOFs [2]; (b) Các cấu
trúc vật liệu MOFs (1D, 2D, 3D) đƣợc báo cáo từ cơ sở dữ liệu Cambridge từ năm
1971 đến năm 2011 [1].
1


Việc lựa chọn các đơn vị cấu trúc tổng hợp vật liệu MOFs phải đƣợc xem xét để các
tính chất của các đơn vị cấu trúc đƣợc bảo toàn. Khác với các vật liệu copolymer
hữu cơ, trong đó bản chất và nồng độ của các monomer trong polymer quyết định
các đặc tính vật lý và đặc tính quang học cũng nhƣ khả năng có thể gia cơng; đối với
vật liệu MOFs, cách bố trí mạng lƣới liên kết các đơn vị cấu trúc lại quyết định chủ
yếu lên tính chất (hình 1.2) [3]. Các vật liệu Cu-MOFs nhƣ: Cu3(BTC)2,
Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), có đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU dạng paddlewheel gồm dimer kim loại liên kết với bốn nhóm carboxyl của các linker hữu cơ.
Các SBU dạng paddle-wheel liên kết với nhau bằng các cầu nối tạo mạng lƣới
phẳng [M2L2]n, các mạng lƣới này thƣờng đƣợc liên kết với nhau qua các cầu nối

1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) hay 4,4’-bipyridine (BPY), …tạo
khung 3D [4-12].

Hình 1.2: Các đơn vị cấu trúc thứ cấp vơ cơ SBUs [13].

Các muối kim loại sử dụng cho việc tổng hợp vật liệu MOFs thƣờng là các muối
nhƣ Zn(NO3)2.4H2O, Cu(NO3)2.4H2O, Co(OAc)2.4H2O,… Các phân tử hữu cơ sử
dụng trong quá trình tổng hợp MOFs thƣờng chứa các nhóm chức –COOH. Ngày
nay, các phân tử hữu cơ có cấu trúc khác cũng đã và đang đƣợc nghiên cứu để sử
dụng cho quá trình tổng hợp vật liệu MOFs nhằm tìm ra một loại vật liệu mới có
tính chất ngày càng đƣợc cải tiến hơn so với vật liệu MOFs đƣợc tìm ra ban đầu
[14].
2