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

Abstract Bốn vật liệu xốp khung hữu cơ tâm đồng Cu-MOFs gồm Cu3BTC2, Cu2BDC2DABCO, Cu2BPDC2BPY và CuBDC được tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hóa lý bằng các phương ph

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

Người hướng dẫn khoa học 1: GS TS Phan Thanh Sơn Nam

Người hướng dẫn khoa học 2: TS Lê Thành Dũng

Phản biện độc lập 1: GS TS Đinh Thị Ngọ

Phản biện độc lập 2: PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Cửu Khoa

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Thái Hoàng

Phản biện 3: PGS TS Lê Thị Hồng Nhan

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

vào lúc giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp HCM

- Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Abstract

Bốn vật liệu xốp khung hữu cơ tâm đồng (Cu-MOFs) gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu(BDC) được tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc, tính chất hóa lý bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia

X dạng bột (PXRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phổ hồng ngoại (FT-IR), phân tích hàm lượng kim loại (ICP-MS), hấp thụ hóa học bằng hydro (H2-TPR), khả năng hấp phụ khí nitơ Ba Cu-MOFs gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) được dùng làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi trực tiếp CC tổng hợp các hợp chất propargylamine Cu(BDC) được dùng làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp CN tổng hợp các hợp chất quinoxaline Các xúc tác này cho hiệu suất và độ chọn lọc cao Ngoài ra, chức năng của các xúc tác cũng đã được chứng minh Các xúc tác Cu-MOFs có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm không đáng kể Theo hiểu biết của chúng tôi, những chuyển hóa trên sử dụng xúc tác Cu-MOFs chưa từng được nghiên cứu trước đây

LỜI MỞ ĐẦU

Các kim loại chuyển tiếp dạng đồng thể thường được sử dụng làm xúc tác cho các phản ứng hữu cơ trong dung dịch lỏng Tuy nhiên, việc tách các xúc tác đồng thể ra khỏi sản phẩm sau cùng là một trong những vấn đề khó khăn, đặc biệt trong công nghiệp dược phẩm Gần đây, vật liệu khung hữu cơ-kim loại (MOFs) được tìm thấy có thể thay thế xúc tác đồng thể trong các quá trình hữu cơ với nhiều ưu điểm vượt trội

Propargylamine và quinoxaline đóng vai trò là các hợp chất trung gian quan trọng trong tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học có chứa nitơ và các vật liệu hữu cơ chức năng Nhiều xúc tác kim loại chuyển tiếp, dạng đồng thể và dị thể, đã được ứng dụng cho quá trình tổng hợp các hợp chất này bằng các phản ứng ghép đôi C−C và C−N Tuy nhiên, các quá trình này có một số hạn chế như điều kiện phản ứng khó khăn, hiệu suất sản phẩm thấp, quy trình tinh chế phức tạp và sử dụng các muối kim loại độc hại làm xúc tác Vì vậy, việc nghiên cứu tìm ra các quy trình hiệu quả hơn để tổng hợp propargylamine

và quinoxaline vẫn đang rất được quan tâm trên thế giới

Trong số các MOFs đã công bố, vật liệu khung hữu cơ có chứa tâm đồng (Cu-MOFs) cho hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ do chúng có chứa các tâm loại mở Đặc biệt, bốn vật liệu Cu-MOFs gồm Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) và Cu2(BPDC)2(BPY), được tổng hợp từ muối đồng và cầu nối hữu cơ 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC), 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (BTC) và 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (BPDC), có nhiều ưu điểm nổi bật thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác Các cầu nối hữu cơ này đã được thương mại và tương đối rẻ Những vật liệu Cu-MOFs này

có diện tích bề mặt riêng lớn hơn 1000 m2

/g (ngoại trừ Cu(BDC)) và có độ bền nhiệt lớn hơn 300 °C Hơn nữa, đường kính lỗ xốp lớn nhất của Cu2(BDC)2(DABCO), Cu3(BTC)2 và Cu2(BPDC)2(BPY) nằm trong khoảng 7.5

– 9.0 Å cho phép các hợp chất có đường kính trung bình đi vào bên trong lỗ xốp và tiếp cận các tâm xúc tác Tuy nhiên, theo hiểu biết của chúng tôi, các phản ứng ghép đôi trực tiếp C−C và C−N để tổng hợp các hợp chất propargylamine và quinoxaline dùng bốn Cu-MOFs này làm xúc tác vẫn chưa từng được nghiên cứu trước đây

Chính vì vậy, mục tiêu đầu tiên của luận án là tổng hợp các vật liệu MOFs gồm Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) và Cu2(BPDC)2(BPY) Mục tiêu thứ hai của luận án là nghiên cứu sử dụng các vật liệu Cu-MOFs này làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C và C–N để tổng hợp các hợp chất proparylamine và quinoxaline

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

Cu 2 (BPDC) 2 (BPY), Cu(BDC) VÀ PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C–C, C–N

1.1 Giới thiệu về vật liệu khung hữu cơ kim loại

 So với các vật liệu xốp khác, MOF có cấu trúc đặc biệt do được cấu tạo

từ những tâm kim loại kết hợp với các cầu nối hữu cơ hình thành những đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) Sự kết hợp của các cầu nối linker và các tâm kim loại khác nhau dẫn đến sự đa dạng về cấu trúc của loại vật liệu này

 Nhiều nghiên cứu chứng minh rằng MOF có chứa tâm kim loại đồng có thể được sử dụng như xúc tác dị thể

 Trong các loại cầu nối hữu cơ dùng cho tổng hợp Cu-MOF, có ba loại linker thường được sử dụng là 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC), 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (BTC) và 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (BPDC) Những linker này có ưu điểm là đã thương mại với giá tương đối rẻ Ngoài ra, linker BDC, BPDC và BTC có thể kết hợp với các cầu nối như 1,4-diazabicyclo [2.2.2]octane (DABCO) hoặc 4,4’-bipyridine (BPY) tạo thành các vật liệu Cu-MOF vững chắc Những Cu-MOF này có chứa tâm kim loại mở nên có thể có hoạt tính xúc tác cho các phản ứng hữu cơ Vì vậy, các Cu-MOF cấu tạo từ BDC, BTC hoặc BPDC rất được quan tâm trong những năm gần đây.

1.1 1.2 Cu 3 (BTC) 2 , Cu(BDC), Cu 2 (BDC) 2 (DABCO) và

Cu 2 (BPDC) 2 (BPY)

 Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) và Cu2(BPDC)2(BPY) có chứa SBUs gồm hai cation đồng có 5 phối trí xung quanh mỗi cation nối lại với nhau hình thành cấu trúc dạng “paddle wheel” (Hình 1.4)

Hình 1.4 Dạng hình học phối trí thông thường của đơn vị cấu trúc “paddle wheel”của Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY), Cu(BDC) và cấu trúc của chúng (L= Linker carboxylate, P= Linker cầu nối hai đầu có chứa

N và G= phân tử khách)

 Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) và Cu2(BPDC)2(BPY) được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi Tính chất hóa lý của chúng được trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1.2: Tính chất hóa lý của Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) và Cu2(BPDC)2(BPY)

phân hủy (°C)

Diện tích bề mặt theo BET (m2/g)

Đường kính cửa sổ (Å2

 Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) và Cu2(BPDC)2(BPY) được phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất hóa lý bằng các phương pháp khác nhau như nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD), nhiễu xạ đơn tinh thể (SC-XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phân tích hàm lượng kim loại (ICP-MS) và khả năng hấp phụ khí nitơ

1.3 Phản ứng ghép đôi C–C

 Các phương pháp truyền thống tổng hợp hợp chất propargylamine có nhược điểm là điều kiện phản ứng khó khăn, hiệu suất thấp và phạm vi giới hạn

 Việc tách xúc tác đồng thể ra khỏi sản phẩm có tính ứng dụng gặp nhiều khó khăn, nhất là trong lĩnh vực dược phẩm

 Gần đây, phương pháp tổng hợp propargylamine có nhiều ưu điểm vượt trội là phản ứng Manich, quy trình này gồm ba tác chất là alkyne đầu mạch, hợp chất aldehyde và amine bậc hai Tuy nhiên, phản ứng oxy hóa Manich không sử dụng aldehyde vẫn chưa được nghiên cứu

1.4 Phản ứng ghép đôi C–N

 Theo truyền thống, các hợp chất quinoxaline được tổng hợp từ các hợp chất diamine thơm với 1,2-diketone, hay các dẫn xuất của 1,2-diketone như các expoxide, các α-bromoketone, và các α-hydroxyketone với sự hiện diện tương ứng của xúc tác acid, bazo hay muối của các kim loại chuyển tiếp

 Mặc dù sự nhiễm kim loại chuyển tiếp hoặc xúc tác rắn trong sản phẩm

đã được hạn chế khi dùng xúc tác dị thể, việc nghiên cứu hệ xúc tác dị thể hiệu quả để tổng hợp quinoxaline vẫn rất được quan tâm nghiên cứu

1.2 1.5 Mục tiêu của đề tài

 Các hợp chất propargylamine và quinoxaline đóng vai trò là các hợp chất trung gian quan trọng trong việc tổng hợp nhiều hợp chất có chứa nitơ có hoạt tính sinh học

 Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu(BDC) có nhiều ưu điểm rất thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác

 Theo hiểu biết của chúng tôi, các phản ứng ghép đôi trực tiếp C–C và C–N tổng hợp các hợp chất propargylamine và quinoxaline có sử dụng bốn vật liệu Cu-MOF trên làm xúc tác vẫn chưa được nghiên cứu

 Mục tiêu chính của luận án là sử dụng Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu(BDC) làm xúc tác cho các phản ứng tổng hợp các hợp chất propargylamine và quinoxaline:

i) Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của các vật liệu MOF gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu(BDC);

ii)Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) cho các phản ứng ghép đôi C–C giữa các hợp chất amine và các alkyne đầu mạch, nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu(BDC) cho phản ứng ghép đôi C–N giữa α-hydroxyacetophenone and o-phenylenediamine.

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC CỦA Cu 3 (BTC) 2 , Cu 2 (BDC) 2 (DABCO), Cu 2 (BPDC) 2 (BPY), Cu(BDC) 2.1 Giới thiệu

Trong chương này, sự tổng hợp, phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất hóa lý của Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu(BDC) sẽ được nghiên cứu

2.3 Kết quả và bàn luận

2.3.1 Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu 3 (BTC) 2

 Hiệu suất tổng hợp gần 85% dựa trên H3BTC

 Hàm lượng đồng trong Cu3(BTC)2 là 29% (ICP-MS)

 Diện tích bề mặt riêng theo BET của Cu3(BTC)2 là 1799 m2/g, diện tích

bề mặt riêng theo Langmuir là 2007 m2

/g

 Độ bền nhiệt của Cu3(BTC)2 lớn hơn 300 o

C (TGA)

 Nhiễu xạ PXRD của Cu3(BTC)2 tổng hợp được tương tự với nhiễu xạ

mô phỏng của Cu3(BTC)2 đã được công bố trước đây Hình 2.2)

 Hình SEM cho thấy Cu3(BTC)2 có dạng hình thoi tám cạnh (Hình 2.4)

Hình 2.2 Nhiễu xạ tia X dạng bột

của Cu3(BTC)2 mô phỏng (a) và

Cu3(BTC)2 tổng hợp (b)

Hình 2.4 Hình SEM của Cu3(BTC)2

2.3.2 Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu 2 (BDC) 2 (DABCO)

 Hiệu suất tổng hợp gần 66% dựa trên H2BDC

 Hàm lượng đồng trong Cu2(BDC)2(DABCO) là 21.5% (ICP-MS)

 Diện tích bề mặt riêng tính theo Langmuir của Cu2(BDC)2(DABCO) là

1174 m2/g

 Cu2(BDC)2(DABCO) có độ bền nhiệt lớn hơn 300 °C (TGA)

Hình 2.8 Nhiễu xạ tia X dạng bột của

Cu2(BDC)2(DABCO) mô phỏng (a) và

Cu2(BDC)2(DABCO) tổng hợp (b)

Hình 2.9 Hình SEM của Cu2(BDC)2(DABCO)

 Nhiễu xạ PXRD của Cu2(BDC)2(DABCO) tổng hợp được cũng tương

tự như nhiễu xạ mô phỏng dùng phần mềm Cerius 2 (Hình 2.8)

 Hình 2.9 cho thấy hình SEM của Cu2(BDC)2(DABCO) có dạng hình khối

2.3.3 Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu 2 (BPDC) 2 (BPY)

 Hiệu suất tổng hợp gần 66% dựa trên H2BPDC

 Hàm lượng đồng trong Cu2(BPDC)2(BPY) là 18% (ICP-MS)

 Diện tích bề mặt riêng tính theo Langmuir của Cu2(BPDC)2(BPY) là

1519 m2/g, diện tích bề mặt tính theo BET là 1082 m2

 Hình SEM cho thấy Cu2(BPDC)2(BPY) có dạng hình khối (Hình 2.16)

Hình 2.14 Nhiễu xạ tia X dạng bột của

Cu2(BPDC)2(BPY) mô phổng (a) và

Cu2(BPDC)2(BPY) tổng hợp (b)

Hình 2.16 Hình SEM của Cu2(BPDC)2(BPY)

2.3.4 Tổng hợp và phân tích đặc trưng cấu trúc của Cu(BDC)

 Hiệu suất tổng hợp gần 66% dựa trên H2BDC

 Hàm lượng đồng trong Cu(BDC) là 29% (ICP-MS)

 Diện tích bề mặt riêng tính theo Langmuir của Cu(BDC) là 616 m2

Hình 2.20 Nhiễu xạ tia X dạng bột của của

Cu(BDC) mô phỏng (a) và Cu(BDC) tổng

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH XÚC TÁC CỦA

Cu 3 (BTC) 2 , Cu 2 (BDC) 2 (DABCO), Cu 2 (BPDC) 2 (BPY), Cu(BDC) CHO CÁC PHẢN ỨNG GHÉP ĐÔI C–C VÀ C–N

3.1 Giới thiệu

 Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu(BDC) có hoạt tính xúc tác cao cho nhiều phản ứng hữu cơ bởi vì chúng có chứa

tâm kim loại mở

 Trong chương này, hoạt tính xúc tác của Cu3(BTC)2, Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu(BDC) cho các phản

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

Sơ đồ 3.1 Tổng hợp các hợp chất propargylamine

Sơ đồ 3.2 Tổng hợp hợp chất quinoxaline

1.4 3.2 Thực nghiệm

Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu3(BTC)2 cho phản ứng ghép đôi C–C giữa

các N,N-dimethylaniline và các alkyne đầu mạch (phản ứng 1); Nghiên cứu

hoạt tính xúc tác của Cu2(BDC)2(DABCO) cho phản ứng ghép đôi C–C giữa

các N-methylaniline và các alkyne đầu mạch (phản ứng 2); Nghiên cứu hoạt

tính xúc tác của Cu2(BPDC)2(BPY) cho phản ứng ghép đôi C–C từ

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

Độ chuyển hóa được xác định dựa vào những mẫu được lấy ra từ hỗn hợp phản ứng ở các thời gian khác nhau, sau đó trích với nước, làm khan bằng Na2SO4, phân tích bằng sắc ký khí (GC) và so với nội chuẩn Tất cả sản phẩm của bốn phản ứng trên được xác định bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H NMR và 13C NMR

 Tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của phản ứng 1 giữa

N,N-dimethylaniline và phenylacetylene được tóm tắt trong Bảng 3.2

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

Nhiệt độ RT (0), 100 °C (56), 110 °C (76), 120 °C

(96)

Tỉ lệ của Phenylacetylene : 1:1 (85), 1: 2 (96), 1:3 (93)

N,N-dimethylaniline

Lượng xúc tác (%) 0 % (12), 1 % (65), 3 % (83), 5 % (96), 7

%(87) Chất oxi hóa TBHP (96), TBHP in decane (100),

DTBP (44), CHP (96, sản phẩm phụ), K2S2O8 and H2O (không có sản phẩm) Nồng độ chất oxi hóa (equiv) 1 (54), 1.5 (76), 2 (82), 3 (96)

Dung môi DMA (96), Clorobenzene (45), o-xylene

(40), DMF, DEF, NMP (99, 95, 100, sản phẩm phụ)

Các Cu-MOF khác, muối Cu Tương tự như Cu3(BTC)2

Hình 3.12 Khả năng thu hồi xúc tác

 Kiểm tra tính dị thể của xúc tác cho thấy không có sự xuất hiện của xúc đồng thể trong dung dịch phản ứng sau khi xúc tác rắn loại khỏi dung dịch phản ứng (Hình 3.9)

 Cu3(BTC)2 dùng làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi C–C giữa dimethylaniline và phenylacetylene có thể thu hồi và tái sử dụng khoảng 10 lần mà hoạt tính xúc tác không giảm nhiều Thực vậy, sau mười lần tái sử dụng, độ chuyển hóa vẫn đạt 95% sau 150 phút (Hình 3.12)

N,N- Với các dẫn xuất của N,N-dimethylaniline và alkyne đầu mạch, tất cả

sản phẩm đều được xác định 1H NMR Hiệu suất phản ứng cũng được tính toán Kết quả cho thấy hiệu suất phản ứng trong khoảng 55% đến 81%

 Kết quả nhiễu xạ tia X dạng bột của Cu3(BTC)2 thu hồi cho thấy vật liệu này vẫn còn tinh thể Hơn nữa, kết quả phân tích phổ hồng ngoại FT-IR của Cu3(BTC)2 thu hồi tương tự như Cu3(BTC)2 lúc mới tổng hợp

3.3.2 Nghiên cứu hoạt tính xúc tác của Cu 2 (BDC) 2 (DABCP) cho phản ứng ghép đôi C–C (2)

Sơ đồ 3.4 Phản ứng ghép đôi CC dựa vào sự methyl hóa và hoạt hóa nhóm

C-H của N-methylaniline và phenylacetylene dùng xúc tác Cu2(BDC)2(DABCO)

 Tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của phản ứng 2 giữa

N-methylaniline và phenylacetylene được tóm tắt trong Bảng 3.4

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

(44), K2S2O8 và Dilauroyl peroxide (không

có sản phẩm)