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

Gần đây, vật liệu MOFs với những ưu điểm vượt trội được nghiên cứu thay thế hệ xúc tác đồng thể cho các phản ứng ghép cặp C–C, C–N.. Đặc biệt, theo tìm hiểu của chúng tôi thì chưa có côn

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 xiv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvi

MỞ ĐẦU xix

CHƯƠNG 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 21

1.3.1 Giới thiệu 21

1.3.2 Phản ứng ghép đôi C–C tổng hợp aryl dị vòng 22

1.3.3 Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp ynamide 30

1.3.4 Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp -amino carbonyl 33

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 36

2.1 Hóa chất và thiết bị 36

2.1.1 Hóa chất 36

2.1.2 Thiết bị 36

vi

2.2 Tổng hợp Cu-MOFs 38

2.2.1 Cu 2 (BPDC) 2 (BPY) 38

2.2.2 Cu 2 (BDC) 2 (BPY) 38

2.2.3 Cu 3 (BTC) 2 39

2.3 Phản ứng ghép đôi C–C, C–N 39

2.3.1 Phản ứng ghép đôi C–C giữa dị vòng và aryl halide, xúc tác Cu 2 (BPDC) 2 (BPY) 39

2.3.2 Phản ứng ghép đôi C–N giữa các amine có H linh động với alkyne đầu mạch, xúc tác Cu 2 (BDC) 2 (BPY) 40

2.3.3 Phản ứng ghép đôi C–N giữa α-Carbonyl với amine, xúc tác Cu 3 (BTC) 2

40

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 42

3.1 Đặc trưng cấu trúc của Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2

42

3.1.1 Đặc trưng cấu trúc của Cu 2 (BPDC) 2 (BPY) 42

3.1.2 Đặc trưng cấu trúc của Cu 2 (BDC) 2 (BPY) 47

3.1.3 Đặc trưng cấu trúc của Cu 3 (BTC) 2 50

3.2 Nghiên cứu xúc tác trên các phản ứng ghép đôi C–C, C–N 55

3.2.1 Nghiên cứu xúc tác của Cu 2 (BPDC) 2 (BPY) trên phản ứng ghép đôi C–C giữa dị vòng và aryl halide 55

3.2.2 Nghiên cứu xúc tác của Cu 2 (BDC) 2 (BPY) trên phản ứng ghép đôi C–N giữa các amine có H linh động với alkyne đầu mạch 72

3.2.3 Nghiên cứu xúc tác của Cu 3 (BTC) 2 trên phản ứng ghép đôi C–N giữa α-Carbonyl với amine 88

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 102

4.1 Tóm tắt kết quả đạt được 102

4.2 Đóng góp của luận án 103

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 120

viii

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) được báo cáo từ cơ sở dữ liệu Cambridge từ năm

1971 đến năm 2011 [1] 2

Hình 1.2: Các đơn vị cấu trúc thứ cấp vô cơ SBUs [13] 3

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] 5

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] 6

Hình 3.1: XRD của Cu2(BPDC)2(BPY) tổng hợp 42

Hình 3.2: XRD của Cu2(BPDC)2(BPY) của nghiên cứu khác [50] 43

Hình 3.3: Phân tích TGA của Cu2(BPDC)2(BPY) 44

Hình 3.4: Phổ FT-IR của Cu2(BPDC)2(BPY) (a), acid 4,4’-biphenyldicarboxylic (b) và 4,4’-bipyridine (c) 45

Hình 3.5: Ảnh SEM của Cu2(BPDC)2(BPY) 46

Hình 3.6: Ảnh TEM của Cu2(BPDC)2(BPY) 46

Hình 3.7: XRD của Cu2(BDC)2(BPY): (a) tổng hợp, (b) của nghiên cứu khác [95]47 Hình 3.8: TGA của Cu2(BDC)2(BPY) 48

Hình 3.9: Phổ FT-IR của Cu2(BDC)2(BPY) (a), acid 1,4-benzenedicarboxylic (b), 4,4’-bipyridine (c) 48

Hình 3.10: Ảnh SEM của Cu2(BDC)2(BPY) 49

Hình 3.11: Ảnh TEM của Cu2(BDC)2(BPY) 50

Hình 3.12: XRD của Cu3(BTC)2 tổng hợp: (a) sau khi gia nhiệt 24 giờ, (b) sau khi hoạt hóa trong chân không 51

Hình 3.13: XRD của Cu3(BTC)2 của nghiên cứu khác [48] 51

Hình 3.14: Phân tích TGA của Cu3(BTC)2 52

Hình 3.15: Phổ FT-IR của Cu3(BTC)2 (a) và acid 1,3,5-benzenetricarboxylic (b) 53 Hình 3.16: Ảnh SEM của Cu3(BTC)2 54

Hình 3.17: Ảnh TEM của Cu3(BTC)2 54

Hình 3.18: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ chuyển hóa phản ứng 56

Hình 3.19: Ảnh hưởng của tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa phản ứng 56

Hình 3.20: Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng 57

Hình 3.21: Kiểm tra tính dị thể của xúc tác 58

Hình 3.22: Ảnh hưởng của các base khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng 59

Hình 3.23: Ảnh hưởng của các dung môi khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng 60 Hình 3.24: Ảnh hưởng của muối đồng khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng 61

Hình 3.25: Ảnh hưởng của Cu-MOFs khác nhau lên độ chuyển hóa phản ứng 62

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 63

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 64

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 64

x

Hình 3.29: Khả năng thu hồi của xúc tác 65

Hình 3.30: Phổ FT-IR của Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 66

Hình 3.31: XRD của Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 66 Hình 3.32: (a) Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng và (b) độ chọn lọc sản phẩm 78

Hình 3.33: (a) Ảnh hưởng của tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa phản ứng và (b) độ chọn lọc sản phẩm 79

Hình 3.34: Kiểm tra tính dị thể của xúc tác 82

Hình 3.35: Khả năng thu hồi, tái sử dụng xúc tác và độ chọn lọc sản phẩm 83

Hình 3.36: Phổ FT-IR của Cu2(BDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 84

Hình 3.37: XRD của Cu2(BDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 84

Hình 3.38: Ảnh hưởng của hàm lượng KBr lên độ chuyển hóa phản ứng 89

Hình 3.39: Ảnh hưởng tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa phản ứng 90

Hình 3.40: Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng 91

Hình 3.41: Kiểm tra tính dị thể của xúc tác 94

Hình 3.42: Khả năng thu hồi, tái sử dụng xúc tác 95

Hình 3.43: Phổ FT-IR của Cu3(BTC)2: (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 96

Hình 3.44: XRD của Cu3(BTC)2: (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 96

Sơ đồ 1.6: Phản ứng giữa các aldehyde khác nhau với MeOH [41] 14

Sơ đồ 1.7: Cu3(BTC)2 xúc tác phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic với

t-butylhydroperoxide [40] 14

Sơ đồ 1.8: Phản ứng tạo indole [35] 15

Sơ đồ 1.9: Cu(BDC) xúc tác phản ứng Friedländer [32] 15

Sơ đồ 1.10: Cu2(BPDC)2(BPY) xúc tác phản ứng ghép đôi 2-hydroxybenzaldehyde

xii

Sơ đồ 1.13: Phản ứng N-aryl hóa aryl halide với imidazole [43] 17

Sơ đồ 1.14: Phản ứng tổng hợp amide giữa N,N-dimethylaniline và acetic anhydride [46] 17

Sơ đồ 1.15: Phản ứng ghép đôi C–C giữa N,N-dimethylaniline và phenylacetylene sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [48] 18

Sơ đồ 1.16: Phản ứng ghép đôi CC giữa N-methylaniline và phenylacetylene sử dụng xúc tác Cu2(BDC)2(DABCO) [49] 18

Sơ đồ 1.17: Phản ứng ba tác chất giữa tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và phenylacetylene sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) [50] 19

Sơ đồ 1.18: Phản ứng oxy hóa đóng vòng giữa α-hydroxyacetophenone và phenylenediamine sử dụng xúc tác Cu(BDC) [51] 19

Sơ đồ 1.19: Phản ứng ghép đôi 3 thành phần aldehyde–amine–alkyne [47] 20

Sơ đồ 1.20: Phản ứng ghép đôi CN giữa benzimidazole và dimethylacetamide (DMA), sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(DABCO) [44] 20

Sơ đồ 1.21: Pyrazinyl hóa trực tiếp axazole [68] 22

Sơ đồ 1.22: Aryl hóa (benz)oxazole [68] 23

Sơ đồ 1.23: Pd(0) và Cu(I) xúc tác phản ứng C2 aryl hóa (benz)oxazole [68] 23

Sơ đồ 1.24: Phản ứng aryl hóa các (benz)oxazole chọn lọc C2, xúc tác Cu(I) [68].24 Sơ đồ 1.25: Cơ chế xúc tác của Cu(I) (hướng A) và Rossi đề nghị chu trình xúc tác của Pd(0)/Cu(I) (hướng B) trong phản ứng aryl hóa oxazole với aryl halide [68] 26

Sơ đồ 1.26: Phản ứng aryl hóa azole với haloarene, xúc tác Ni [76] 27

Sơ đồ 1.27: Cơ chế phản ứng aryl hóa phản ứng azole với haloarene sử dụng xúc tác Ni [76] 27

Sơ đồ 1.28: CuO xúc tác aryl hóa trực tiếp dị vòng [66] 28

Sơ đồ 1.29: Cơ chế phản ứng aryl hóa dị vòng sử dụng xúc tác CuO [66] 28

Sơ đồ 1.30: Pd trên chất mang MIL-101 (Cr) xúc tác C2 aryl hóa indole [77] 29

Sơ đồ 1.31: Tổng hợp ynamide từ alkynyl halide sử dụng xúc tác Cu: a) Hsung (2003); b) Danheiser (2003); c) Hsung (2004) Bn= benzyl, Tol = tolyl [81] 31

Sơ đồ 1.32: Phản ứng oxy hóa ghép đôi Phenylacetylene với tác nhân ái nhân chứa nitrogen [53, 81] 32

Sơ đồ 1.33: Cơ chế phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa alkyne bậc ba với tác nhân ái nhân chứa nitrogen [53, 81] 32

Sơ đồ 1.34: Tổng shợp ynamide từ vinyl dibromide [81, 86] 33

Sơ đồ 1.35: Amine hóa ketene silyl acetal với O-benzoyl-N,N-dibenzylhydroxylamine, xúc tác Cu [90] 34

Sơ đồ 1.36: Các hướng tổng hợp α-amino carbonyl [82] 34

Sơ đồ 1.37: Phản ứng α-amine hóa carbonyl [82] 34

Sơ đồ 1.38: Cơ chế phản ứng ghép đôi Carbonyl−Amine, xúc tác Cu (II) [82] 35

Sơ đồ 2.1: Chương trình nhiệt GC/FID các phản ứng (1), (2), (3) 37

Sơ đồ 2.2: Chương trình nhiệt GC/MS khi phân tích sản phẩm các phản ứng theo sơ đồ 2.1 37

Sơ đồ 3.1: Phản ứng ghép đôi C–C giữa dị vòng và aryl halide sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) 55

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) 72

xiv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Đặc trưng 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) 4

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 trưng cấu trúc và tính acid của các chất xúc tác 12

Bảng 3.1: Aryl hóa các aryl halidea 67

Bảng 3.2: Aryl hóa các dị vòng khác nhau 70

Bảng 3.3: Độ chuyển hóa phản ứng của các điều kiện tổng hợp tối ưu của phản ứng giữa dị vòng và aryl halide 71

Bảng 3.4: Khảo sát ảnh hưởng dung môi, base, nhiệt độ 72

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của các chất oxy hóa 75

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của các thành phần trong không khí 76

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của các xúc tác khác nhau lên hiệu suất (%) và độ chọn lọc sản phẩm 81

Bảng 3.8: Phản ứng ghép đôi CN giữa các amide/amine với các alkyne 85

Bảng 3.9: Độ chuyển hóa phản ứng, độ chọn lọc sản phẩm của các điều kiện tổng hợp tối ưu của phản ứng giữa phenylacetylene với 2-oxazolidinone 86

Bảng 3.10: Tìm điều kiện tối ưu của phản ứng với dung môi 92

Bảng 3.11: Ảnh hưởng của các xúc tác khác nhau lên hiệu suất (%) và độ chọn lọc sản phẩm 97

Bảng 3.12: Phản ứng ghép đôi CN giữa α-Carbonyl với amine 99 Bảng 3.13: Độ chuyển hóa phản ứng, độ chọn lọc sản phẩm của các điều kiện tổng hợp tối ưu của phản ứng giữa propiophenone và morpholine 100

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 Emission

Spectrometer

IRMOF Isorecticular Metal-Organic Framework

MIL Matériauxs de l’Institut Lavoisier

MOF Metal-Organic Framework

MOP Metal-Organic Polyhedron

SBU Secondary Building Unit

SC- XRD Single-Crystal X-ray Diffraction

SEM Scanning Electron Microscopy

TGA Thermogravimetric Analysis

TOF Turn over frequency

UMCM University of Michigan Crystalline Material

USY Ultrastable Y

ZIF Zeolitic imidazole framework

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 thường được xúc tác bởi các phức

Pd khá hiệu quả nhưng hoạt tính phụ thuộc đáng kể vào bản chất của các ligand, thường là các ligand phosphine độc hại Ngoài ra, vấn đề chính của xúc tác đồng thể

là khó thu hồi xúc tác và cô lập sản phẩm từ hỗn hợp phản ứng Gần đây, vật liệu MOFs với những ưu điểm vượt trội được 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 trò 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 được sử dụng làm xúc tác để tổng hợp các hợp chất này Tuy nhiên, các quy trình tổng hợp còn nhiều hạn chế như 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 không ngừng nghiên cứu để tìm ra quy trình tổng hợp hiệu quả aryl dị vòng, ynamide, α-amino carbonyl Trong số các MOFs đã công bố, Cu-MOFs cho hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ do chúng có chứa các tâm loại mở Đặc biệt, các vật liệu Cu-MOFs gồm Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY) và Cu2(BDC)2(BPY) có nhiều ưu 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 thước lỗ xốp lớn trong khoảng 7,5 – 9,0 Å giúp các chất phản ứng có kích thước phù hợp có thể dễ dàng tiếp xúc tâm xúc tác Đặc biệt, theo tìm hiểu của chúng tôi thì chưa có công 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 đôi C–C giữa dị vòng 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 MOFs 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 vòng và aryl halide, ghép đôi C–N giữa

Cu-amine có H linh động với alkyne đầu mạch, ghép đôi C–N giữa α-carbonyl với amine bậc hai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu khung cơ kim (MOFs)

Vật liệu xốp ngày càng đóng vai trò quan trọng trong khoa học và đời sống Hàng năm, nhiều công trình nghiên cứu về loại vật liệu này được công bố như 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 được hàng nghìn vật liệu MOFs có cấu trúc đa dạng, độ xốp cao, diện tích bề mặt riêng lớn [1]

Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), có đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU dạng wheel 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 lưới phẳng [M2L2]n, các mạng lưới này thường được liên kết với nhau qua các cầu nối

khung 3D [4-12]

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

Các muối kim loại sử dụng cho việc tổng hợp vật liệu MOFs thường là các muối như 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 thường chứa các nhóm chức –COOH Ngày nay, các phân tử hữu cơ có cấu trúc khác cũng đã và đang được 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 được cải tiến hơn so với vật liệu MOFs được tìm ra ban đầu [14]

Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu MOFs khác nhau đã được sử dụng trong thời gian qua như: tổng hợp ở nhiệt độ phòng, điện hóa, vi sóng, siêu âm, nhiệt dung môi,… [15] Trong đó, phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi được sử dụng phổ biến do thực hiện đơn giản và thu được tinh thể chất lượng cao Theo quy trình tổng hợp của phương pháp này, các thành phần phản ứng bao gồm muối của kim loại và ligand hữu cơ được hòa tan hoàn toàn trong các dung môi, sau đó được gia nhiệt và giữ ổn định trong các bình phản ứng cao áp (Teflon-line) Ngoài ra, trong một số công trình nghiên cứu tổng hợp MOFs bằng phương pháp nhiệt dung môi, các nhóm nghiên cứu đã sử dụng hỗn hợp dung môi khác nhau nhằm điều chỉnh độ phân cực của dung dịch, điều chỉnh động học của quá trình trao đổi giữa dung môi và các ligand hữu cơ [15, 16]

4

Các vật liệu MOFs được phân tích cấu trúc bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như phổ nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction, XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Các nhóm chức, các kiểu phối trí trong vật liệu được xác định bằng kỹ thuật Fourier – Transform Infra - Red (FT-IR) Bề mặt riêng (BET hay Langmuir), phân bố mao quản được xác định dựa trên nguyên

lý hấp phụ vật lý Độ bền nhiệt của vật liệu được xác định theo phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Hàm lượng kim loại có mặt trong vật liệu được xác định theo phương pháp ICP hay AAS Nhiễu xạ đơn tinh thể SC-XRD là kỹ thuật quan trọng cho việc xác định cấu trúc các vật liệu mới hiện nay, các dữ liệu phân tích cho biết khoảng cách giữa các nguyên tử, các nhóm, chiều dài và góc liên kết, kích thước của các ô đơn vị (bảng 1.1)

Bảng 1.1: Đặc trưng 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)

MOFs

Cu−Cu (Å)

Cu−OCO (Å)

Cu−G/ Cu−P (Å)

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]

Kỹ thuật SC-XRD chỉ sử dụng khi tinh thể MOFs được tạo ra là đơn tinh thể và mẫu phải sạch Tuy nhiên, nếu chất lượng tinh thể tổng hợp được chưa đạt yêu cầu thì kỹ thuật nhiễu xạ dạng bột PXRD sẽ được sử dụng thay thế kỹ thuật SC-XRD Kết quả phân tích PXRD cho các thông tin như: kích thước của các ô đơn vị, độ kết tinh, kích thước tinh thể, loại nguyên tử và vị trí nguyên tử trong tinh thể

Hàng nghìn công trình nghiên cứu về các hướng ứng dụng khác nhau của MOFs như hấp phụ khí, phân tích, xúc tác, dẫn truyền thuốc, y sinh đã được công bố trên trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín [22-24] Bên cạnh việc nghiên cứu tìm vật liệu mới có tính chất ngày càng được cải tiến so với vật liệu MOFs ban đầu, hướng nghiên cứu ứng dụng của vật liệu này ngày càng phát triển mạnh Từ năm 2009, hướng nghiên cứu ứng dụng xúc tác đã có sự phát triển mạnh với nhiều công trình được công bố, chứng minh hoạt tính xúc tác cao của một số vật liệu MOFs (hình 1.4) [1, 25]

6

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]

Khác với vật liệu zeolite truyền thống, vật liệu MOFs có thể được tổng hợp đa dạng,

có độ xốp cao, có tính chọn lọc xúc tác do lỗ xốp đồng nhất và khả năng kiểm soát kích thước lỗ xốp Ngày nay, zeolite đã được sử dụng làm xúc tác dị thể trong nhiều quy trình công nghiệp Tuy nhiên, do kích thước lỗ xốp nhỏ nên zeolite bị hạn chế ứng dụng trong việc sản xuất các phân tử có giá trị cao và cồng kềnh [25] Trong các công trình nghiên cứu về ứng dụng xúc tác, một số vật liệu MOFs như

Cu3(BTC)2, Fe(BTC) thể hiện ưu thế vượt trội về hiệu suất, độ chọn lọc sản phẩm so với nhiều loại xúc tác đồng thể hay zeolite truyền thống [26] Hoạt tính xúc tác của MOFs thể hiện ở: tâm kim loại chuyển tiếp, các cầu nối hữu cơ, hay các phương pháp biến tính để tăng hoạt tính cho các tâm xúc tác… [26] Một số công trình nghiên cứu thể hiện hiệu quả khi sử dụng vật liệu MOFs có tâm acid Lewis như Ag(I), Co(II), Cu(II), Zn(II), Mn(II), Mg(II), Ni(II), Fe(II), Pd(II), Ti(III), Cr(III), Bi(III), Al(III), Sc(III), Ce(IV), Zr(IV), V(III/IV) trong các phản ứng hữu cơ Trong

số các kim loại chuyển tiếp thì Cu-MOFs với các cầu nối như benzenetricarboxylic acid (BTC); 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC); 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (BPDC) và 4,4’-bipyridine (BPY) được ứng dụng nhiều trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là các phản ứng ghép đôi C–C, C–N

1,3,5-do tính hiệu quả cũng như độ bền của vật liệu [1, 25]

Kích thước

lỗ xốp

Silica gel

Vô định hình; hình dạng, kích thước lỗ xốp không đồng đều; các nhóm chức bề mặt chủ yếu là nhóm hydroxyl gần như trung tính

< 1000

Đường kính trung bình:

20 – 30 Å

Alumina hoạt

tính

Vô định hình; hình dạng, kích thước lỗ xốp không đồng đều; các nhóm chức bề mặt chủ yếu là nhóm hydroxyl tính acid hay base

Đường kính trung bình:

20 – 50 Å

Zeolite

Tinh thể; hình dạng, kích thước lỗ xốp đồng đều

Đường kính cửa sổ mở:

3 – 10 Å

Carbon hoạt tính

Vô định hình; hình dạng, kích thước lỗ xốp không đồng đều; độ phân cực trên bề mặt không đồng đều

Vài ngàn

Đường kính trung bình:

Đường kính cửa sổ:

3 – 5 Å

MOFs

Tinh thể; hình dạng, kích thước và nhóm chức bề mặt lỗ xốp có thể điều chỉnh linh hoạt

Hướng nghiên cứu ứng dụng các vật liệu MOFs trong kỹ thuật xúc tác đã thu hút sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới cho ra các công trình nghiên cứu được đăng trên các tạp chí uy tín như Science, Nature, American Chemical Society, Royal Society of Chemistry, Do vật liệu MOFs là những vật liệu mới, nên hướng ứng dụng xúc tác của loại vật liệu này cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về hoạt tính xúc tác [27]

1.2 Ứng dụng xúc tác của Cu-MOFs

Trong số các MOFs được công bố về ứng dụng xúc tác thì Cu-MOFs cho hoạt tính xúc tác cao trong nhiều phản ứng hữu cơ do chúng có chứa các tâm loại mở (bảng 1.3) [24, 28-36] Đặc biệt, các vật liệu Cu-MOFs gồm Cu3(BTC)2,

Cu2(BPDC)2(BPY), Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO), Cu2(BPDC)2(DABCO),

Cu2(OBA)2(BPY), Cu2(EDB)2(BPY), Cu-MOF-74 được tổng hợp từ muối đồng và cầu nối hữu cơ 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC); 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (BTC); 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (BPDC); 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) có nhiều ưu điểm nổi bật, thích hợp ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác Riêng Cu2(BDC)2(BPY) hiện nay chưa thấy có công trình nào công bố về ứng dụng vật liệu này trong lĩnh vực xúc tác

10

Bảng 1.3: Các phản ứng sử dụng Cu-MOFs làm xúc tác dị thể

thước cửa sổ/Å 2

α -Aryl Ketones Oxidation Acetalization Aza-Michael Ullmann

Cu 2 (BPDC) 2 (BPY)

12,3 x 7,8 8,8 x 8,0

Oxidative C–O coupling Oxidative Cross-Dehydrogenative Coupling

100

97

[42] [28]

Tác giả A Dhakshinamoorthy và cộng sự [40] đã nghiên cứu sử dụng vật liệu MOFs tâm Cu, Fe làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa các hợp chất benzylic bằng peroxide đạt hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm cao, đặc biệt hiệu suất giảm không đáng kể sau 4 lần sử dụng (sơ đồ 1.1)

Sơ đồ 1.1: Cơ chế phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic với TBHP, xúc tác Fe (III)

[40]

Năm 2012, tác giả Lien T L Nguyen và cộng sự [29] đã tổng hợp Cu3(BTC)2 và ứng dụng làm xúc tác trong phản ứng aza-Michael giữa các amine và ethyl acrylate tạo sản phẩm ethyl 2-(benzylamino) acetate Phản ứng được thực hiện trong dung môi MeOH ở nhiệt độ phòng trong 60 phút, lượng xúc tác sử dụng 5 mol% Xúc tác

có thể tách khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng và có thể tái sử dụng được nhiều lần nhưng không giảm hoạt tính đáng kể (sơ đồ 1.2)

Sơ đồ 1.2: Phản ứng giữa benzylamine và ethyl acrylate sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2

[29]

Tác giả M Opanasenko và cộng sự [39] tổng hợp Coumarin bằng phản ứng ngưng

tụ Pechmann giữa phenol với ethyl acetoacetate sử dụng các xúc tác Cu3(BTC)2, FeBTC, zeolite Al-beta (Al-BEA) (Si/Al = 12,5) và zeolite Al-ultrastable Y (Al-USY) (Si/Al = 15) với kích thước lỗ xốp khác nhau (bảng 1.4) Zeolite BEA và

12

USY có hoạt tính xúc tác cao trong phản ứng chuyển hóa resorcinol, pyrogallol nhưng có hoạt tính xúc tác thấp đối với naphthol Trong khi với xúc tác Cu3(BTC)2, FeBTC thì phản ứng cho độ chuyển hóa đạt 94% – 98% sau 24 giờ phản ứng với naphthol Nhóm nghiên cứu của tác giả M Opanasenko cũng đã lý giải về sự khác biệt hiệu quả phản ứng của resorcinol, pyrogallol, naphthol trên các xúc tác khác nhau, nhóm đã so sánh phổ XRD của Cu3(BTC)2 trước và sau khi xúc tác phản ứng Kết quả không có sự khác biệt phổ nhiễu xạ XRD của Cu3(BTC)2 với resorcinol, naphthol trong khi với pyrogallol thì Cu3(BTC)2 sụp cấu trúc sau khi xúc tác Nhóm tác giả cho rằng có sự hấp phụ mạnh resorcinol và pyrogallol lên tâm hoạt tính của

Cu3(BTC)2 dẫn đến các tâm bị khóa và làm giảm hoạt tính xúc tác Với naphthol, phản ứng xảy ra khá hiệu quả khi sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 so với các xúc tác zeolite Tác giả đã đề nghị cơ chế phản ứng qua hai giai đoạn: giai đoạn hình thành ether, giai đoạn tấn công ái nhân vào vòng thơm (sơ đồ 1.3) Tác giả cho rằng do cả naphthol và ethyl acetoacetate đều có thể tương tác với tâm Cu để hình thành phức hấp phụ và Cu3(BTC)2 có lượng tâm hoạt tính khá lớn Ngoài ra, dựa trên kích thước phân tử của các chất phản ứng và kích thước lỗ xốp lớn của Cu3(BTC)2 thì phản ứng có thể xảy ra bên trong hay bên ngoài lỗ xốp, trong khi đó với các zeolite thì phản ứng chỉ xảy ra bên ngoài bề mặt

Bảng 1.4: Đặc trưng cấu trúc và tính acid của các chất xúc tác

Xúc tác D micropore [a] S BET

[b]

Kích thước tinh thể [c]

Acid Brønsted

[d]

Acid Lewis [nm] [m 2 g -1 ] [mm] [mmolg -1 ] [mmolg -1 ]

Sơ đồ 1.3: Cơ chế phản ứng ngưng tụ Pechmann giữa phenol và ethyl acetoacetate,

LA (acid Lewis) [39]

Năm 2013, tác giả Nam T S Phan và cộng sự tiếp tục công bố kết quả nghiên cứu ứng dụng Cu3(BTC)2 làm xúc tác cho phản ứng giữa acetylacetone với aryl iodide tạo sản phẩm α - aryl ketone (sơ đồ 1.4) [31] và phản ứng ghép đôi Ullmann giữa aryl iodide với phenol tạo sản phẩm chính diaryl ether (sơ đồ 1.5) [33] Cu3(BTC)2

có thể được tách khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng và có thể được tái sử dụng nhiều lần nhưng hoạt tính giảm không đáng kể

Sơ đồ 1.4: α – aryl hóa acetylacetone với aryl iodide sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2

[31]

14

Sơ đồ 1.5: Phản ứng ghép đôi Ullmann giữa aryl iodide với phenol sử dụng xúc tác

Cu3(BTC)2 [33]

Tác giả A Dhakshinamoorthy và cộng sự [41] sử dụng Cu3(BTC)2 xúc tác phản ứng acetal hóa các aldehyde với MeOH đạt hiệu suất cao (sơ đồ 1.6) Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ phòng, đặc biệt Cu3(BTC)2 thể hiện hoạt tính xúc tác cao hơn xúc tác đồng thể ZnCl2 và các xúc tác dị thể khác như zeolite

Sơ đồ 1.6: Phản ứng giữa các aldehyde khác nhau với MeOH [41]

Tác giả A Dhakshinamoorthy và cộng sự [40] đã công bố Cu3(BTC)2 là chất xúc tác có thể tái sử dụng nhiều lần, bền dưới điều kiện phản ứng và hiệu quả trong phản

ứng oxy hóa các hợp chất benzylic với t-butylhydroperoxide trong AcCN, hiệu suất

imidazopyridine từ phản ứng ghép đôi 1 giai đoạn giữa 2-aminopyiridine, benzaldehyde và phenylacetylene hình thành propargylamine trung gian và sau đó ghép vòng 5-exo-dig, sử dụng các chất xúc tác tâm Cu như Cu(2-pymo)2 (10 mol%

Cu, 2-pymo = 2-hydroxypyrimidinolate), Cu(BDC), CuCl, và Cu(OTf)2 Với xúc tác Cu(2-pymo)2, phản ứng cho độ chuyển hóa 61% gần bằng các xúc tác đồng thể Cu(II), Cu(I) trong cùng điều kiện phản ứng, tuy nhiên Cu(2-pymo)2 giảm hoạt tính xúc tác khi tái sử dụng lần hai Qua các thử nghiệm nhóm nghiên cứu lý giải Cu(2-pymo)2 giảm hoạt tính xúc tác là do có sự nhiễm độc xúc tác, vì vậy nhóm đã nghiên cứu tìm xúc tác khác có các tâm hoạt tính đồng thời ít bị nhiễm độc Trong số các vật liệu nghiên cứu thì vật liệu Cu(BDC) có các đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU dạng paddle-wheel bao gồm dimer kim loại liên kết với bốn nhóm carboxylic acid Khi sử dụng xúc tác là Cu(BDC), độ chuyển hóa phản ứng đạt 97% sau 30 giờ và kết quả khi tái sử dụng xúc tác lần 2 gần như không đổi

Sơ đồ 1.8: Phản ứng tạo indole [35]

Tác giả Nam T S Phan và cộng sự [32] đã công bố hoạt tính xúc tác hiệu quả của Cu(BDC) trong phản ứng Friedlander (sơ đồ 1.9) Trong phản ứng này, Cu(BDC) thể hiện hoạt tính xúc tác cao hơn các Cu-MOF khác và có thể tái sử dụng nhiều lần

mà không giảm hoạt tính

Sơ đồ 1.9: Cu(BDC) xúc tác phản ứng Friedländer [32]

Năm 2013, tác giả Nam T.S Phan và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu phản ứng ghép đôi giữa 2-hydroxybenzaldehyde với 1,4-dioxane (sơ đồ 1.10) [42], giữa

16

phenol với dimethyl formamide (sơ đồ 1.11) [28] sử dụng các xúc tác tâm Cu Kết quả nghiên cứu cho thấy Cu2(BPDC)2(BPY) có hoạt tính xúc tác cao so với các xúc tác Cu-MOFs khác như Cu3(BTC)2, Cu(BDC), Cu(BPDC), các xúc tác đồng thể như CuI, Cu(OAc)2, CuCl, CuCl2 và có khả năng tái sử dụng nhiều lần nhưng hoạt tính giảm không đáng kể

Sơ đồ 1.10: Cu2(BPDC)2(BPY) xúc tác phản ứng ghép đôi 2-hydroxybenzaldehyde

Cu2(BDC)2(DABCO) là chất xúc tác hiệu quả trong phản ứng N-aryl hóa aryl halide

với imidazole và có khả năng tái sử dụng xúc tác nhiều lần (sơ đồ 1.13)

Sơ đồ 1.12: Phản ứng ghép đôi giữa phenol và nitroarene hình thành diaryl ether

[30]

Sơ đồ 1.13: Phản ứng N-aryl hóa aryl halide với imidazole [43]

Năm 2014, nhóm nghiên cứu của tác giả Giao H Dang và cộng sự [46] đã công bố kết quả nghiên cứu tổng hợp amide sử dụng Cu2(EDB)2(BPY) làm xúc tác dị thể

cho phản ứng tổng hợp amide bằng phản ứng oxy hóa trực tiếp N,N-dimethylaniline

với anhydride (sơ đồ 1.14) Kết quả nghiên cứu cho thấy Cu2(EDB)2(BPY) thể hiện hoạt tính xúc tác cao, phản ứng đạt độ chuyển hóa 99% sau 120 phút ở 80 oC, có khả năng thu hồi và tái sử dụng nhiều lần

Sơ đồ 1.14: Phản ứng tổng hợp amide giữa N,N-dimethylaniline và acetic anhydride

[46]

Năm 2014, nhóm nghiên cứu của tác giả Giao H Dang và cộng sự [48] đã công bố

Cu3(BTC)2 làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi CC tổng hợp propargylamine bằng cách hoạt hóa nhóm CH giữa N,N-dimethylaniline và alkyne đầu mạch (sơ đồ

18

1.15) Kết quả nghiên cứu cho thấy Cu3(BTC)2 thể hiện hoạt tính xúc tác cao; cụ thể khi sử dụng 5 mol% xúc tác Cu3(BTC)2, phản ứng đạt độ chuyển hóa 96% sau 150 phút ở 120 oC và xúc tác có thể được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần nhưng hoạt tính giảm không đáng kể

Sơ đồ 1.15: Phản ứng ghép đôi C–C giữa N,N-dimethylaniline và phenylacetylene

sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [48]

Năm 2014, nhóm nghiên cứu của tác giả Giao H Dang và cộng sự [49] tiếp tục công bố kết quả nghiên cứu tổng hợp propargylamine sử dụng Cu2(BDC)2(DABCO) làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi CC bằng cách hoạt hóa nhóm CH giữa

N-methylaniline và alkyne đầu mạch (sơ đồ 1.16) Tác giả sử dụng tert-butyl

hydroperoxide đóng vai trò như tác nhân methyl hóa trong phản ứng, sản phẩm

chính thu được là N-methyl-N-(3-phenylprop-2-ynyl)benzenamine Kết quả nghiên

cứu cho thấy Cu2(BDC)2(DABCO) thể hiện hoạt tính xúc tác cao, phản ứng đạt độ

chuyển hóa 95% với độ chọn lọc là 80%

N-methyl-N-(3-phenylprop-2-ynyl)benzenamine sau 180 phút và xúc tác có thể được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần nhưng hoạt tính giảm không đáng kể

Sơ đồ 1.16: Phản ứng ghép đôi CC giữa N-methylaniline và phenylacetylene sử

dụng xúc tác Cu2(BDC)2(DABCO) [49]

Năm 2015, nhóm nghiên cứu của tác giả Giao H Dang và cộng sự [50] đã công bố

sử dụng Cu2(BPDC)2(BPY) làm xúc tác dị thể cho phản ứng ba tác chất là tetrahydroisoquinoline, aldehyde và alkyne hình thành sản phẩm alkyne hóa tetrahydroisoquinoline tổng hợp hợp chất propargylamine (sơ đồ 1.17) Phản ứng alkyne hóa tetrahydroisoquinoline C1 sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) cho độ chọn lọc sản phẩm endo 2-benzyl-1-(phenylethynyl)-1,2,3,4-tetrahydroisoquinoline hơn 99% trong khi sản phẩm 2-(1,3-diphenylprop-2-ynyl)-1,2,3,4-tetrahydroisoquinoline nhỏ hơn 1% và xúc tác có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm không đáng kể

Sơ đồ 1.17: Phản ứng ba tác chất giữa tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde và

phenylacetylene sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) [50]

Năm 2015, nhóm nghiên cứu của tác giả Giao H Dang và cộng sự [51] đã công bố

sử dụng Cu(BDC) làm xúc tác dị thể cho phản ứng oxy hóa đóng vòng giữa hydroxyacetophenone và phenylenediamine hình thành sản phẩm 2-arylquinoxaline (sơ đồ 1.18) Phản ứng xảy ra tốt trong môi trường không khí với dung môi toluene

α-ở 100 oC trong 3 giờ và xúc tác có thể thu hồi và tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính xúc tác giảm không đáng kể

Sơ đồ 1.18: Phản ứng oxy hóa đóng vòng giữa α-hydroxyacetophenone và

phenylenediamine sử dụng xúc tác Cu(BDC) [51]

20

Năm 2016, nhóm nghiên cứu của tác giả Giao H Dang và cộng sự [47] đã công bố

sử dụng Cu-MOF-74 làm xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi ba thành phần aldehyde–amine–alkyne, tổng hợp hợp chất indolizine (sơ đồ 1.19) Cu-MOF-74 thể hiện hoạt tính xúc tác cao đạt hiệu suất 99% trong phản ứng tổng hợp indolizine với

Sơ đồ 1.19: Phản ứng ghép đôi 3 thành phần aldehyde–amine–alkyne [47] Năm 2016, nhóm nghiên cứu của tác giả Thanh Truong và cộng sự [44] đã công bố

sử dụng Cu2(BPDC)2(DABCO) làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi giữa benzimidazole và dimethylacetamide (DMA) (sơ đồ 1.20) Kết quả nghiên cứu cho thấy Cu2(BPDC)2(DABCO) thể hiện hoạt tính xúc tác cao, phản ứng đạt độ chuyển hóa 97%, hiệu suất 92% sau 120 phút và xúc tác có thể được thu hồi và tái sử dụng nhiều lần nhưng hoạt tính giảm không đáng kể

Sơ đồ 1.20: Phản ứng ghép đôi CN giữa benzimidazole và dimethylacetamide

(DMA), sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(DABCO) [44]

1.3 Phản ứng ghép đôi CC, CN

1.3.1 Giới thiệu

Các liên kết carbon - carbon, carbon - nitrogen được tìm thấy trong nhiều hợp chất

có hoạt tính sinh học, vật liệu hữu cơ chức năng Nhiều công trình nghiên cứu với các quy trình ngày càng hoàn thiện hơn nhằm tổng hợp các hợp chất có ứng dụng cao trong tổng hợp hữu cơ, công nghiệp dược phẩm, khoa học vật liệu Do sự phong phú của các hợp chất dị vòng trong nhiều sản phẩm tự nhiên nên đã có nhiều nghiên cứu xây dựng bộ khung cơ bản và gắn các nhóm chức vào các hợp chất này thông qua sự hình thành các liên kết carbon – carbon, carbon – dị nguyên tử [52-55] Các phản ứng ghép đôi carbon – carbon như Heck, Kumada, Negishi, Stille, Suzuki–Miyaura, phản ứng thế nguyên tử H trên CH của hợp chất dị vòng được xem là những phản ứng quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất dược phẩm, các hoá chất cao cấp cũng như các vật liệu kỹ thuật có tính năng cao [52-56] Các phản ứng ghép đôi carbon – nitrogen giữa amine với alkyne đầu mạch hình thành ynamide, giữa α‑carbonyl với amine hình thành α-amino ketone có ứng dụng cao trong tổng hợp hữu cơ và các dược phẩm có giá trị

Bên cạnh đó, hệ xúc tác cơ kim với tâm là các kim loại chuyển tiếp ngày càng được nghiên cứu sâu rộng cho các phản ứng ghép đôi, đặc biệt là ghép đôi C-C, C-N [52] Trước đây, các phản ứng này được nghiên cứu trên hệ xúc tác phức Pd khá hiệu quả

và hiện nay được mở rộng trên các kim loại như Ir, Fe, Ni, Cu… Tuy nhiên nhược điểm chung của hệ xúc tác này là đặc tính phụ thuộc vào bản chất ligand và chứa phosphine độc hại Ngoài ra, hệ xúc tác này tồn tại trong phản ứng dưới dạng đồng thể, vì thế rất khó thu hồi xúc tác và cô lập sản phẩm từ hỗn hợp sau phản ứng Nhằm tận dụng những ưu điểm và hạn chế của xúc tác cơ kim đồng thể nói trên, các nhà khoa học đã nghiên cứu chuyển đổi từ hệ xúc tác đồng thể sang hệ xúc tác dị thể với tiêu chí tìm ra những loại xúc tác xanh và sạch hơn cho phản ứng ghép đôi Vật liệu MOFs, với những ưu điểm vượt trội của vật liệu xốp, có cấu trúc tinh thể, được lựa chọn để nghiên cứu thay thế hệ xúc tác đồng thể Về mặt cấu tạo, MOFs được

22

kết hợp giữa các ligand hữu cơ và các tâm kim loại chuyển tiếp nên có diện tích bề mặt và hàm lượng kim loại cao, các ion kim loại có vị trí phối trí trống nên có thể hoạt động như acid Lewis [57-60] Với các tính chất đặc trưng trên thì MOFs là vật liệu đầy hứa hẹn trong các phản ứng ghép đôi C–C, C–N

1.3.2 Phản ứng ghép đôi C–C tổng hợp aryl dị vòng

Các hợp chất dị vòng oxazole có hoạt tính sinh học phong phú như chống trầm cảm, kháng khuẩn, kháng nấm, chống viêm, giảm đau, chống ung thư [61-63] Quy trình tổng hợp, cấu trúc, hoạt tính sinh học của các hợp chất này đã được quan tâm nghiên cứu trong thời gian qua [64, 65] Trong số các quy trình tổng hợp thì hướng tiếp cận đơn giản nhất là aryl hóa trực tiếp dị vòng Cách tiếp cận này giúp giảm các giai đoạn tổng hợp các tác chất ban đầu, do đó có nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường Nhiều thập niên qua, kim loại chuyển tiếp như Pd, Rh được ứng dụng rộng rãi là xúc tác hiệu quả cho các phản ứng ghép đôi aryl hóa dị vòng Tuy nhiên, các phản ứng này bị hạn chế ứng dụng trong công nghiệp do chi phí xúc tác đắt Vì vậy, việc tìm quy trình tổng hợp với chất xúc tác hiệu quả và chi phí thấp đã được quan tâm nghiên cứu [66, 67]

Theo nghiên cứu tổng quan về phản ứng aryl hóa của tác giả C Verrier và cộng sự [68] Phản ứng aryl hóa trực tiếp dị vòng azole được báo cáo đầu tiên bởi tác giả Ohta, tác giả đã thực hiện phản ứng pyrazinyl hóa oxazole với chloropyrazine sử dụng xúc tác Pd(PPh3)4, base KOAc trong dung môi DMA (sơ đồ 1.21) Năm 1998, tác giả Miura và cộng sự báo cáo kết quả nghiên cứu sử dụng Pd(0) xúc tác aryl hóa trực tiếp imidazole, oxazole, thiazole với iodo-, bromobenzene (sơ đồ 1.22) Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng base mạnh Cs2CO3 cho hiệu quả phản ứng cao

Sơ đồ 1.21: Pyrazinyl hóa trực tiếp axazole [68]

Sơ đồ 1.22: Aryl hóa (benz)oxazole [68]

Tác giả D Alagille và cộng sự [68, 69] đã sử dụng CuBr là chất đồng xúc tác, cải thiện đáng kể hiệu quả phản ứng aryl hóa benzoxazole Năm 2006 nhóm nghiên cứu của tác giả F Bellina và cộng sự [68, 70] đã công bố phản ứng aryl hóa indole, imidazole, oxazole, thiazole với aryl iodide, kết quả nghiên cứu cho thấy phản ứng không hiệu quả khi thực hiện trong điều kiện không base, không ligand với xúc tác

là Pd(0)/Cu(I) trong dung môi DMF Năm 2007, nhóm nghiên cứu của tác giả F Besselièvre và cộng sự [68, 71] đã công bố phản ứng aryl hóa giữa oxazole với aryl bromide trong vi sóng, không ligand, sử dụng xúc tác Pd(0)/Cu(I), kết quả nghiên cứu cho thấy phản ứng đạt hiệu quả cao

Sơ đồ 1.23: Pd(0) và Cu(I) xúc tác phản ứng C2 aryl hóa (benz)oxazole [68]

24

Năm 1998, tác giả S Pivsa-Art và cộng sự [68, 72] công bố 15% sản phẩm C2-aryl hóa benzoxazole sinh ra khi sử dụng Cu(I) là chất xúc tác Năm 2007, tác giả Hien-Quang Do và Olafs Daugulis [68, 73] đã đưa ra quy trình tổng hợp các hợp chất này

sử dụng xúc tác tâm Cu với chi phí rẻ hơn so với các quy trình tổng hợp sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp Pd, Rh Qua khảo sát nhóm tác giả đã chọn điều kiện phản ứng tối ưu giữa hợp chất dị vòng với aryl iodide theo tỉ lệ (1 đương lượng : 3

đương lượng), base LiOtBu (2 đương lượng) trong dung môi DMF ở 140 oC, thời gian 10 phút Năm 2009, tác giả T Yoshizumi và cộng sự [68, 74] tiếp tục tổng hợp 2,5-diaryloxazole trong DMF ở 160 oC, 1giờ bằng phản ứng aryl hóa 5-aryloxazole,

sử dụng xúc tác CuI kết hợp ligand PPh3 và base Na2CO3 Năm 2009, tác giả D Zhao và cộng sự [68, 75] đã công bố kết quả nghiên cứu phản ứng aryl hóa dị vòng với điều kiện phản ứng: xúc tác CuI, ligand phenanthroline, K3PO4 trong DMF ở

140 oC, 24 giờ

Sơ đồ 1.24: Phản ứng aryl hóa các (benz)oxazole chọn lọc C2, xúc tác Cu(I) [68] Theo một số kết quả nghiên cứu được công bố, phản ứng aryl hóa dị vòng với aryl halide khi sử dụng Cu(I) là chất xúc tác hay chất đồng xúc tác thì phản ứng xảy ra