Sử dụng vật liệu từ tính cufe2o4 làm xúc tác cho phản ứng oxy hóa ghép đôi tạo 2 (benzo{d}thiazol 2 yl) phenyl dimethylcarbamate và 2 (benzodthiazol 2yl)phenyl benzoate

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Những hạt nano ferrite đồng siêu thuận từ được sử dụng như là một loại xúc tác dị thể có khả năng thu hồi cho phản ứng oxy hóa ghép đôi của phản ứng giữa N,N-dis

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN NHẤT NGÔN

SỬ DỤNG VẬT LIỆU

PHẢN ỨNG OXY HÓA GHÉP ĐÔI TẠO

Cán bộ hướng dẫn khoa học : GS TS Phan Thanh Sơn Nam

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN NHẤT NGÔN

Ngày, tháng, năm sinh: 30/10/1990

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

MSHV: 1570174 Nơi sinh: Khánh Hòa

2-II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Khảo sát khả năng xúc tác của vật liệu nano từ tính CuFe2O4 cho phản ứng giữa

2-(benzo[d]thiazol-2-yl) phenol và N,N’-dimethylformamide

- Khảo sát khả năng xúc tác của vật liệu nano từ tính CuFe2O4 cho phản ứng

giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl) phenol và benzaldehyde

- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỉ lệ mol tác chất, nồng độ xúc tác, nhiệt độ, loại dung môi, ảnh hưởng của nhóm thế đến hiệu suất thu sản phẩm

- Khảo sát sự biến đổi xúc tác bằng cách khảo sát lại kết quả XRD và đường cong từ trễ của xúc tác thu hồi

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/07/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GS TS PHAN THANH SƠN NAM

Tp HCM, ngày … tháng … năm …

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn tốt nghiệp, em xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy hướng dẫn của em là GS TS Phan Thanh Sơn Nam và ThS Nguyễn Kim Chung, những người đã luôn tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong bộ môn Kỹ thuật hóa hữu cơ, khoa Kỹ thuật hóa học, Trường đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất để em có thể hoàn thiện khóa luận tốt nghiệp một cách tốt nhất

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ và động viên trong suốt thời gian thực hiện luận văn

TP HCM, ngày … tháng … năm …

Người thực hiện

Nguyễn Nhất Ngôn

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Những hạt nano ferrite đồng siêu thuận từ được sử dụng như là một loại xúc

tác dị thể có khả năng thu hồi cho phản ứng oxy hóa ghép đôi của phản ứng giữa

N,N-disubstituted formamide với 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và phản ứng giữa

2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol với benzaldehyde

Đối với phản ứng giữa N,N-disubstituted formamide với

2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol thì có sự kết hợp của nhóm benzothiazole-carbamate dưới điều kiện xúc

tác dị thể Những sản phẩm của phản ứng này có chứa cả hai nhóm carbamate và

benzothiazole, do đó mà có được nhiều ưu điểm từ cả hai cấu trúc nhờ vào những

đặc tính sinh học của nó Việc sử dụng xúc tác nano siêu thuận từ, thì cấu trúc kết

hợp của benzothiazole-carbamate có thể thu được hiệu suất phù hợp trong 1 giờ

Những hạt xúc tác nano có thể thu hồi bằng phương pháp tách từ tính một cách đơn

giản, và tái sử dụng chúng cho phản ứng mà không có sự giảm đáng kể về hiệu quả

xúc tác Sự tổng hợp carbamate có chứa nhóm benzothiazole dưới điều kiện xúc tác

dị thể thì chưa từng được thực hiện trước đây

Tương tự đối với phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol với

benzaldehyde dưới điều kiện xúc tác nano dị thể Phản ứng thu được sản phẩm sau

24 giờ với hiệu suất phù hợp, đồng thời xúc tác dị thể có khả năng thu hồi và tái sử

dụng với nhiều lần cho phản ứng mà không có sự giảm đáng kể về hiệu quả xúc tác

LỜI CAM ĐOAN

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của GS TS Phan Thanh Sơn Nam và ThS Nguyễn Kim Chung Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường đại học Bách Khoa – Đại học

Quốc Gia TP HCM không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG xvii

PHỤ LỤC BẢNG xviii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xix

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Tổng quan về xúc tác đồng 1

1.1.1 Xúc tác đồng đồng thể 1

1.1.2 Xúc tác đồng dị thể 2

1.2 Tổng quan về nano ferrite đồng 3

1.2.1 Tính chất của nano ferrite đồng 3

1.2.2 Tổng hợp vật liệu nano ferrite đồng 5

1.2.3 Ứng dụng của vật liệu nano ferrite đồng trong xúc tác 8

1.3 Giới thiệu về họ carbamate 10

1.3.1 Tổng quan về họ carbamate 10

1.3.2 Tổng hợp carbamate 11

1.4 Tổng quan về đề tài nghiên cứu 16

1.4.1 Tổng quan về nghiên cứu hoạt tính xúc tác CuFe2O4 đối với phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và N,N-disubstituted formamide 16

1.4.2 Tổng quan về nghiên cứu hoạt tính xúc tác CuFe2O4 đối với phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và benzaldehyde 17

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 18

2.1 Nguyên vật liệu và trang thiết bị 18

2.2. Quy trình thực hiện phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và

N,N-disubstituted formamide 19

2.3. Quy trình thực hiện phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl) phenol và benzaldehyde 22

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 25

3.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu CuFe 2 O 4 của phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và N,N-disubstituted formamide 25

3.1.1 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến phản ứng 25

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng 26

3.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ các tác chất đến phản ứng 28

3.1.4 Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến phản ứng 30

3.1.5 Ảnh hưởng của những chất oxy hóa khác nhau đến phản ứng 31

3.1.6 Ảnh hưởng của lượng chất oxy hóa đến phản ứng 33

3.1.7 Leaching 35

3.1.8 Nghiên cứu khả năng xúc tác của một số xúc tác đồng đồng thể đến phản ứng 37

3.1.9 Nghiên cứu khả năng xúc tác của một số xúc tác đồng dị thể đến phản ứng 39

3.1.10 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác 41

3.1.11 Kết luận cho quá trình nghiên cứu xúc tác 46

3.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu CuFe 2 O 4 của phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và benzaldehyde 47

3.2.1 Ảnh hưởng của dung môi đến phản ứng 47

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng 48

3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol tác chất đến phản ứng 50

3.2.4 Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác đến phản ứng 51

3.2.5 Ảnh hưởng của những chất oxy hóa khác nhau đến phản ứng 52

3.2.6 Ảnh hưởng của lượng chất oxy hóa đến phản ứng 53

3.2.7 Leaching 54

3.2.8 Thu hồi và tái sử dụng xúc tác 55

3.2.9 Kết luận cho quá trình nghiên cứu xúc tác 59

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Trạng thái của những hạt siêu thuận từ khi có và không có từ trường ngoài

áp vào 4 Hình 2 Phổ XRD của tiền chất và những hạt nano ferrite đồng nung ở (a) 673 K, (b) 723 K, (c) 773 K và (d) 823 K [40] 4 Hình 3 Ảnh FESEM của những hạt nano ferrite đồng nung ở (a) 673 K, (b) 723 K, (c) 773 K và (d) 823 K [40] 5 Hình 4 Ảnh SEM của CuFe2O4: mẫu (a) green, (b) 700 oC và (c) 1000 oC [41] 6 Hình 5 Ảnh SEM của ferrite đồng được tạo thành ở: (a) 150oC, 24 h, pH 8, (b)

200oC, 24 h, pH 12 [25] 7 Hình 6 Ảnh TEM của những hạt nano ferrite đồng được nung ở: (a) 673, (b) 723, (c) 773 và (d) 823 K [40] 8 Hình 7 Cấu trúc Carbamate 10 Hình 8 Đường chuẩn để tính toán hiệu suất theo GC của phản ứng tổng hợp 2-

yl)phenyl dimethylcarbamate 27 Hình 12 Ảnh hưởng của tỷ lệ các tác chất đến phản ứng tổng hợp 2-

(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate 29 Hình 13 Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến phản ứng tổng hợp 2-(benzo[d]thiazol-

2-yl)phenyl dimethylcarbamate 31

Hình 14 Ảnh hưởng của các chất oxy hóa khác nhau đến phản ứng tổng hợp

2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate 32

Hình 15 Ảnh hưởng của lượng chất oxy hóa đến phản ứng tổng hợp

2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate 34 Hình 16 Đường động học của phản ứng tổng hợp 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl

dimethylcarbamate dưới điều kiện tối ưu 36

Hình 17 Kết quả khảo sát leaching của phản ứng tổng hợp

2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate 37 Hình 18 Nghiên cứu khả năng xúc tác của một số xúc tác đồng đồng thể đến phản

Hình 21 Kết quả XRD của những hạt xúc tác nano ferrite đồng trong phản ứng tổng

hợp 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate: (a) ban đầu (b) sau khi thu

hồi 43 Hình 22 Ảnh hưởng của dung môi đến hiệu suất của phản ứng tổng hợp 2-

Hình 27 Ảnh hưởng của lượng chất oxy hóa đến hiệu suất của phản ứng tổng hợp

2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl benzoate 54 Hình 28 Kết quả khảo sát leaching của phản ứng tổng hợp 2-(benzo[d]thiazol-2-

yl)phenyl benzoate 55 Hình 29 Khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng của xúc tác trong phản ứng tổng

hợp 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl benzoate 57

Hình 30 Kết quả XRD của xúc tác nano ferrite đồng CuFe2O4 trong phản ứng tổng

hợp 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl benzoate: (a) ban đầu (b) sau khi thu hồi 58

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

Hình S 1 Ảnh chụp SEM của xúc tác CuFe2O4 72

Hình S 2 Ảnh chụp TEM của xúc tác CuFe2O4 73

Hình S 3 Đường cong từ hóa của xúc tác CuFe2O4 được đo ở nhiệt độ phòng 74

Hình S 4 Phân bố kích thước lỗ xốp của xúc tác CuFe2O4 75

Hình S 5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ/ nhả hấp phụ nitrogen của xúc tác CuFe2O4 Dữ liệu hấp phụ thể hiện bằng sự đóng vòng và dữ liệu nhả hấp phụ thể hiện bằng sự mở vòng 76

Hình S 6 Kết quả TGA của xúc tác CuFe2O4 77

Hình S 7 Phổ 1H-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate 80

Hình S 8 Phổ 13C-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate 81

Hình S 9 Phổ 1H-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl diethylcarbamate 82

Hình S 10 Phổ 13C-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl diethylcarbamate 83

Hình S 11 Phổ 1H-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl diisopropylcarbamate. 84

Hình S 12 Phổ 13C-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl diisopropylcarbamate. 85

Hình S 13 Phổ 1H-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dibutylcarbamate 86

Hình S 14 Phổ 13C-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dibutylcarbamate 87

Hình S 15 Phổ 1H-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl piperidine-1-carboxylate 88

Hình S 16 Phổ 13C-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl piperidine-1-carboxylate 89

Hình S 17 Phổ 1H-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl morpholine-4-carboxylate 90

Hình S 18 Phổ 13C-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl

morpholine-4-carboxylate 91 Hình S 19 Phổ 1H-NMR của 2-(benzo[d]oxazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate 92

Hình S 20 Phổ 13C-NMR của 2-(benzo[d]oxazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate 93

Hình S 21 Phổ 1H-NMR của 2-(1H-benzo[d]imidazol-2-yl)phenyl

dimethylcarbamate 94 Hình S 22 Phổ 13C-NMR của 2-(1H-benzo[d]imidazol-2-yl)phenyl

dimethylcarbamate 95 Hình S 23 Phổ 1H-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl benzoate 96 Hình S 24 Phổ 13C-NMR của 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl benzoate 97

DANH MỤC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 1 Phản ứng ghép đôi của aryl và vinyl halide với alkyne đầu mạch sử dụng xúc tác đồng [8] 1

Sơ đồ 2 Xúc tác đồng (I) sử dụng cho phản ứng đóng vòng nội phân tử [9] 2

Sơ đồ 3 Cơ chế tương tác giữa PVA và những ion kim loại để hình thành nano ferrite đồng [40] 7

Sơ đồ 4 Sự hydro hóa nhóm silyl bất đối xứng của ketone được xúc tác bởi nano ferrite đồng [48] 9

Sơ đồ 5 Tổng hợp spirooxindole bằng bình phản ứng ba thành phần được xúc tác bởi nano ferrite đồng [28] 9

Sơ đồ 6 Tạo ra propargylamine bằng bình phản ứng ba thành phần N-alkyl anilines,

terminal alkynes, và TBHP với xúc tác nano ferrite đồng [27] 10

Sơ đồ 7 Tổng hợp carbamate bằng phương pháp Hofmann [57] 12

Sơ đồ 8 Phản ứng ghép đôi giữa N-acetamido và benzamido amino acid để tạo

thành (tertbutoxycarbonyl)amino acid [58] 12

Sơ đồ 9 Tổng hợp carbamate bằng azide [60] 13

Sơ đồ 10 Tổng hợp carbamate bằng phản ứng carbonyl hóa amine mạch thẳng sử dụng xúc tác phức Au(I) [61] 14

Sơ đồ 11 Phản ứng ghép đôi giữa alcohol và aryl halide ArX (X= Cl, OTf) với sodium cyanate [65] 14

Sơ đồ 12 Phản ứng dehydrogen hóa liên phân tử giữa DMF với các dẫn xuất của phenol ở vị trí ortho sử dụng xúc tác khung hữu cơ kim loại Cu2(BPDC)2(BPY) [63] 15

Sơ đồ 13 Phản ứng ghép đôi giữa formamide và phenol sử dụng nhóm định hướng

ở vị trí ortho- là benzothiazole [72] 15

Sơ đồ 14 Điều kiện phản ứng ban đầu cho sự tổng hợp carbamate theo phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa formamide và phenol được xúc tác bằng nano ferrite đồng 25

Sơ đồ 15 Cơ chế phản ứng đề xuất 41

Sơ đồ 16 Điều kiện phản ứng tối ưu trong phản ứng tổng hợp

2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate sau quá trình nghiên cứu về xúc tác 46

Sơ đồ 17 Sự tổng hợp cấu trúc hỗn hợp benzothiazole-phenol ester với việc sử dụng xúc tác nano CuFe2O4 47

Sơ đồ 18 Điều kiện phản ứng tối ưu trong phản ứng tổng hợp

2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl benzoate sau quá trình nghiên cứu về xúc tác 59

PHỤ LỤC BẢNG

Bảng S 1 Bảng mô tả những điều kiện phản ứng đối với nhiệt độ, tỷ lệ mole tác chất, và lượng chất xúc tác 78 Bảng S 2 Bảng mô tả những điều kiện phản ứng đối với chất oxy hóa và lượng chất oxy hóa 79

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

FESEM Field Emission Scanning Electron Microscopy

NMR Nuclear Magnetic Resonance

SEM Scanning Electron Microscopy

TEM Transmisson Electron Microscopy

TGA Thermogravimetric Analysis

XRD X-Ray Diffraction

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về xúc tác đồng

Xúc tác đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp ứng dụng như lọc dầu, chế biến thực phẩm, các sản phẩm hóa chất, dược phẩm, chuyển hóa năng lượng và bảo quản…[1] Trong đó quá trình xúc tác cho các phản ứng hữu cơ bằng xúc tác kim loại vẫn là một trong những phương pháp hiệu quả và hữu dụng nhất trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ [2] Trong một số hệ xúc tác, thì xúc tác đồng được biết đến với nhiều lợi thế vượt trội về các mặt như giá trị kinh tế, giá trị thương mại, ít độc, hoạt động đơn giản, hoạt tính xúc tác cao,… nên đã được quan tâm và phát triển một cách rộng rãi [3, 4]

1.1.1 Xúc tác đồng đồng thể

Những xúc tác đồng thường hay sử dụng cho các phản ứng ghép đôi và có vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ [5] Hàng loạt nghiên cứu thực hiện phản ứng ghép đôi được xúc tác bởi xúc tác đồng đồng thể đã được áp dụng cho đến hiện nay [4-7]

Vào năm 1993, Masahiro Miura đã đưa ra phản ứng Sonogashira giữa các alkyne đầu mạch với các dẫn xuất halogen là những chất mà hoạt động tốt trong hệ bao gồm xúc tác CuI (5 mol%), K2CO3, PPh3 trong DMSO hay DMF ở 120oC dưới môi trường khí N2 [8]

Sơ đồ 1 Phản ứng ghép đôi của aryl và vinyl halide với alkyne đầu mạch sử dụng

xúc tác đồng [8]

Phản ứng Ullman, là phương pháp phổ biến dùng cho tổng hợp những aryl ether từ dẫn xuất iod hoặc brom trên vòng benzene, được khảo sát cho sự đóng vòng nội phân tử giữa một aryl chloride và một rượu bậc nhất được thực hiện bởi Jingyang Zhu vào năm 2000 [9] CuCl được sử dụng như là một hệ xúc tác có hiệu

quả nhằm giúp cho phản ứng xảy ra với hiệu suất tốt Hơn nữa, với xúc tác đồng, phản ứng có thể thực hiện được trong nhiều loại dung môi khác nhau

Sơ đồ 2 Xúc tác đồng (I) sử dụng cho phản ứng đóng vòng nội phân tử [9]

Những phản ứng có sự tham gia của xúc tác đồng rõ ràng là phương pháp đã được phát triển khá mạnh mẽ trong lĩnh vực tổng hợp hóa học hữu cơ [10-12] Tuy nhiên, nó vẫn có nhiều hạn chế vì việc sử dụng xúc tác đồng thể Khi sử dụng những hệ xúc tác đồng thể, hầu như để thu được những sản phẩm tốt, tinh khiết đòi hỏi phải có nhiều bước tinh chế vì vậy mà tạo ra một lượng lớn các chất thải hóa học và còn có thể xảy ra sự hao hụt của sản phẩm Do đó, việc sử dụng những xúc tác dị thể sẽ khắc phục được những trở ngại đó và hướng tới một nền hóa học xanh bền vững, tăng lợi nhuận, có hiệu quả rõ rệt và tăng khả năng thu hồi [13].

1.1.2 Xúc tác đồng dị thể

Như đã đề cập ở trên, nhu cầu cần thiết trong việc sử dụng của những xúc tác

dị thể để giải quyết những nhược điểm của xúc tác đồng thể một cách hiệu quả Xúc tác dị thể có tâm kim loại đồng, đã được ứng dụng trong việc xúc tác cho quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ bao gồm: nano đồng [14], phức đồng (được mang bởi polymer [15], kết hợp với các isonitrile [16], với bis(oxazoline) [17]), đồng kết hợp với chất mang khác (charcoal [18], activated carbon [19], chitosan [20], zeolite [21]), copper organic framework (Cu2(BPDC)2(DABCO) [22], Cu2(BPDC)2(BPY) [23], Cu(BDC) [24]), nano ferrite đồng [25-28], …

Việc nghiên cứu những xúc tác dị thể là đề tài được quan tâm đáng kể trong những năm gần đây Kích cỡ hạt xúc tác được giữ ở mức nano để cải thiện khả năng phân tán của nó trong môi trường phản ứng [29], tuy nhiên dường như khả năng tách xúc tác bằng việc sử dụng những kỹ thuật tách thông thường vẫn chưa hiệu quả Từ đó, những hạt nano siêu thuận từ được sử dụng phổ biến hơn như là một

loại xúc tác thay thế quan trọng bởi vì tính chất từ tính độc đáo của nó khiến xúc tác

có thể được tách ra dễ dàng [30] Trong một vài năm gần đây, những xúc tác dưới dạng các hạt nano đã được sử dụng cho nhiều quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ bao gồm những phản ứng ghép đôi để hình thành liên kết C-C [31], sự hydro hóa [32] và sự polymer hóa [33], …

1.2 Tổng quan về nano ferrite đồng

1.2.1 Tính chất của nano ferrite đồng

Những hạt nano được định nghĩa là những hạt rất nhỏ mà ở đó ít nhất một chiều có kích thước lớn nhất là 100nm [34] và ferrite là những hợp chất hóa học thu được ở dạng bột hoặc ceramic với những đặc tính sắt từ được hình thành từ các oxide sắt [35]

Ferrite đồng là một trong những spinel ferrite quan trọng nhất MFe2O4 (M =

Co, Ni, Cu, Zn) vì nó thể hiện sự chuyển pha, thay đổi các tính chất bán dẫn, biểu hiện sự chuyển mạch điện tử và sự biến dạng tứ giác khi xử lý dưới những điều kiện khác nhau [36]

Đối với tính chất từ tính ở kích thước nano, có một đặc tính nổi bật, đó là tính chất của nó bị thay đổi khi giảm toàn bộ kích thước của những hạt nano ferrite đồng Điển hình, những vật liệu từ tính khi ở kích thước lớn được tách thành những domain, hoặc vùng mà những spin từ tính được định hướng cùng nhau về cùng một hướng Bất cứ khi nào một từ trường ngoài được đặt vào, thì những domain spin này sẽ có xu hướng sắp thẳng hàng với từ trường đó rồi sau đó tạo ra một moment

từ tổng Tuy nhiên, nếu kích thước hạt đạt tới hạn, thì nó sẽ xuất hiện một dạng domain mới mà mỗi hạt sẽ là một domain, đó là cấu trúc domain đơn Khi những hạt domain đơn chịu tác dụng của một từ trường ngoài, thì các moment từ của hạt xếp thẳng hàng với từ trường đó về cùng một hướng Và hơn nữa nếu chúng quay

về trạng thái ban đầu khi không áp từ trường vào (Hình 1), thì vật liệu coi như trở

thành trạng thái siêu thuận từ [37] Do khả năng siêu thuận từ, mà những hạt nano ferrite đồng được gom lại và thu hồi dễ dàng

Hình 1 Trạng thái của những hạt siêu thuận từ khi có và không có từ trường ngoài

áp vào

Những hạt nano ferrite đồng được biết là tồn tại ở dạng cấu trúc hình khối và

tứ giác tùy thuộc vào phương pháp chế tạo [38, 39].Nano ferrite đồng có độ ổn định nhiệt cao đến 1000oC [40-42] Cấu trúc của những vật liệu này vẫn không thay đổi trong khoảng nhiệt độ 673 – 823 K, tuy nhiên, pha αFe2O3 tạp được hình thành

nhiều khi nhiệt độ nung khô tăng lên (Hình 2) [40] Mặt khác, kích thước của những hạt nano ferrite đồng sẽ tăng khi tăng nhiệt độ (Hình 3)

Hình 2 Phổ XRD của tiền chất và những hạt nano ferrite đồng nung ở (a) 673 K,

(b) 723 K, (c) 773 K và (d) 823 K [40]

Hình 3 Ảnh FESEM của những hạt nano ferrite đồng nung ở (a) 673 K, (b) 723 K,

(c) 773 K và (d) 823 K [40]

Bên cạnh đó, những hạt nano ferrite đồng có cấu trúc spinel được biết là bền

về mặt hóa học và tan trong môi trường acid trung bình [42] Đặc biệt trong điều kiện oxy hóa của peroxymonosulfate, nano ferrite đồng thể hiện độ ổn định rất tốt trong phản ứng [43] Sau vài lần sử dụng xúc tác trong môi trường đó, thì cấu trúc của nó cũng như hoạt tính xúc tác vẫn được duy trì giống như lần đầu tiên sử dụng

Kết hợp khả năng bền nhiệt và bền về mặt hóa học, những hạt nano ferrite đồng sẽ dễ dàng vượt qua hầu hết điều kiện phản ứng trong quá trình biến đổi chất hữu cơ và có thể thu hồi lại được mà không bị thất thoát đáng kể về khối lượng nhờ vào đặc tính siêu thuận từ của nó

1.2.2 Tổng hợp vật liệu nano ferrite đồng

- Phương pháp tổng hợp đốt cháy, ferrite đồng thu được bởi R Kalai Selvan vào năm 2003 tạo điều kiện thuận lợi trong việc tổng hợp các vật liệu có độ tinh khiết cao, tính đồng nhất tốt hơn và có diện tích bề mặt cao [41] Đi vào chi tiết

phương pháp tổng hợp đốt cháy, bao gồm: Cu(NO3)2.3H2O và Fe(NO3)2.9H2O sử dụng như những tiền chất cation và CO(NH2)2 có vai trò như là chất đốt Các tác chất được hòa tan trong nước cất và tiến hành gia nhiệt Dung dịch sôi và bị khử nước do quá trình phân hủy cùng với việc sinh ra một lượng nhiệt và khí dồi dào Cuối cùng một dạng hạt ferrite đồng được tìm thấy với kích cỡ hạt 6.3µm và diện tích bề mặt riêng là 0.68 m2ml-1

Hình 4 Ảnh SEM của CuFe2O4: mẫu (a) green, (b) 700 oC và (c) 1000 oC [41]

- Vào năm 2011, nhóm của M M Rashad đã đưa ra một hướng tiếp cận về dạng hình khối lập phương của hạt nano ferrite đồng theo phương pháp thủy nhiệt bằng việc sử dụng những chất thải công nghiệp từ công ty sắt và thép [25] Những nguyên liệu ban đầu bao gồm những lá thép hoặc thanh thép và đồng phế thải thu gom từ ngành công nghiệp điện tử Công đoạn đầu tiên là xử lý thép bằng acid sulfuric và hình thành muối đồng sulfate Tiếp theo, là sự hình thành hỗn hợp của hai muối Sau đó thêm NaOH vào trong dung dịch để tạo tiền chất Cu(OH)2.2Fe(OH)2 Lọc kết tủa, sau đó rửa kết tủa bằng nước cất và cuối cùng là sấy khô qua đêm thì thu được sản phẩm

Hạt tạo ra có kích thước trong khoảng giữa 24.6 nm và 51.5 nm Diện tích

bề mặt là 118.4 m2/g Ngoài ra, cấu trúc micro bị biến đổi ở những điều kiện tổng

hợp khác nhau (Hình 5)

Hình 5 Ảnh SEM của ferrite đồng được tạo thành ở: (a) 150oC, 24 h, pH 8, (b)

200oC, 24 h, pH 12 [25]

- Một phương pháp thủy nhiệt khác thực hiện việc tổng hợp CuFe2O4 được đưa ra vào năm 2013 bởi Mahmoud Goodarz Naseri và đồng nghiệp [40] Phương pháp này cho ra kết quả tốt hơn so với phương pháp tổng hợp thủy nhiệt trên Thay

vì sử dụng acid sulfuric không an toàn, poly (vinyl alcohol) (PVA) được dùng như

một chất định vị (capping agent) (Sơ đồ 3)

Sơ đồ 3 Cơ chế tương tác giữa PVA và những ion kim loại để hình thành nano

ferrite đồng [40]

Quy trình được mô tả như sau: khuấy trộn nitrate sắt và nitrate đồng (tỷ lệ mol Fe:Cu = 2:1) vào trong dung dịch polymer (được chuẩn bị bằng cách hòa tan polymer trong nước cất) Sau đó hỗn hợp khuấy được rót vào đĩa Petri và tiến hành gia nhiệt để bay hơi nước Ferrite đồng rắn khô được nghiền nát thành bột Ở giai đoạn cuối, quá trình nung khô bột được thực hiện ở 673, 723, 773 và 823 K trong 3

giờ Sản phẩm cuối cùng có kích thước tinh thể khác nhau trong khoảng từ 11 đến

42 nm, hình thành cấu trúc tứ diện (Hình 6)

Hình 6 Ảnh TEM của những hạt nano ferrite đồng được nung ở: (a) 673, (b) 723,

(c) 773 và (d) 823 K [40]

1.2.3 Ứng dụng của vật liệu nano ferrite đồng trong xúc tác

Những hạt nano ferrite đồng được ứng dụng một cách rộng rãi như: cảm biến khí [44], pin Li ion [45], xử lý sinh học [46] và ferrofluid [47] Những hạt nano ferrite đồng được biết như là một xúc tác mạnh cho nhiều quá trình chuyển hóa hữu

cơ [26]

Nghiên cứu của nhóm M Lakshmi Kantam trình bày việc sử dụng của những hạt nano ferrite đồng như là xúc tác cho sự hydrosilylation của ketone bất đối xứng được công bố vào năm 2009 [48] Sản phẩm thu được bằng việc sử dụng tác nhân khử rẻ tiền và không độc như PMHS (polymethylhydrosiloxane) ở nhiệt độ phòng

và sử dụng BINAP (ligand) ở dạng thương mại sẵn có đóng vai trò như một chiral

auxiliary (Sơ đồ 4) Xúc tác có thể được hoạt hóa bởi chính tác nhân hydrosilylating

và do đó tránh việc phải sử dụng những alkoxide base

Sơ đồ 4 Sự hydro hóa nhóm silyl bất đối xứng của ketone được xúc tác bởi nano

ferrite đồng [48]

Một phương pháp khác hiệu quả, sạch, có khả năng chuyển hóa nguyên tử, quy trình đơn giản để tổng hợp spirooxindole sử dụng những vật liệu ban đầu sẵn có bằng một bình phản ứng ba thành phần được đưa ra bởi Ayoob Bazgir và cộng sự năm 2013 [28] Phương pháp mới này có nhiều ưu điểm bao gồm việc thực hiện dễ dàng, hiệu suất sản phẩm rất cao và quy trình tinh chế dễ dàng Quan trọng nhất là việc dễ phân tách bằng từ tính được coi như là thuộc tính xanh của phản ứng cũng

như để thử nghiệm khả năng tái sử dụng của nó trong quá trình tổng hợp (Sơ đồ 5)

Sơ đồ 5 Tổng hợp spirooxindole bằng bình phản ứng ba thành phần được xúc tác

bởi nano ferrite đồng [28]

Năm 2014, nghiên cứu của nhóm Nam Phan đã đưa ra phương pháp để thực hiện phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa N-alkyl aniline và alkyne đầu mạch (RC2H) tạo thành N-aryl-N-methylpropargylamine [27] Những hạt nano siêu thuận từ CuFe2O4 được sử dụng trong phản ứng như một chất xúc tác hoạt động có hiệu quả

và ở những điều kiện tối ưu thì TBHP được dùng như chất oxy hóa và tác chất methyl hóa trong dung môi DMA ở 140oC trong 3h (Sơ đồ 6) Sau đó, các nghiên

cứu sơ bộ về cơ chế cũng được thực hiện để làm sáng tỏ con đường của phản ứng

Cuối cùng, chất xúc tác được loại ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng quá trình gạn từ tính và có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không bị mất đáng kể hoạt tính xúc tác Nghiên cứu này đưa ra như là một nghiên cứu hoàn thiện nhất trong số những bài báo nghiên cứu trước đó bởi vì nó hỗ trợ cho nhiều quá trình thử nghiệm cần thiết và mở ra nhiều hướng ứng dụng rất tốt cho xúc tác dị thể trong biến đổi chất hữu cơ

Sơ đồ 6 Tạo ra propargylamine bằng bình phản ứng ba thành phần N-alkyl anilines,

terminal alkynes, và TBHP với xúc tác nano ferrite đồng [27]

Những hạt nano ferrite đồng đã chứng tỏ hoạt tính xúc tác mạnh và có tiềm năng Là xúc tác dị thể rất tốt để sử dụng trong tổng hợp hữu cơ nhờ vào những tính năng tuyệt vời của nó đối với sự bền vững trong hóa học xanh Tuy nhiên, theo ghi nhận là tổng số nano-ferrite dùng cho mục đích xúc tác thì vẫn còn tương đối thấp [35], vì vậy đây là hướng nghiên cứu tốt nhất không chỉ ở các hạt nano ferrite kim loại mà còn các hạt nano ferrite đồng trong những quá trình hữu cơ khác nhau

1.3 Giới thiệu về họ carbamate

1.3.1 Tổng quan về họ carbamate

Họ carbamate (hay còn gọi là urethane) là những hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ acid carbamic (NH2COOH) được tạo thành bằng cách thay các nhóm thế nằm trên nhóm amino và carboxyl bằng nhiều nhóm alkyl mạch thẳng hoặc aryl mạch thơm, và được đặc trưng bởi sự hiện diện của liên kết O-CO-NH

Hình 7 Cấu trúc Carbamate

Carbamate được phát hiện lần đầu tiên trong cây Calabar thuộc họ đậu (Physostigma venenosum) ở Tây Phi vào năm 1963 bởi Robertson và được sử dụng như là một chất có hoạt tính trong việc điều trị các bệnh về mắt [49] Tiếp theo đó, hàng ngàn họ carbamate có cấu trúc tương đồng đã được nghiên cứu và được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến dược phẩm và y sinh

Những carbamate hữu cơ hầu như được biết đến như là những yếu tố hình thành nên các tác nhân điều trị bệnh đã được công nhận bởi vì chức năng của nó liên quan đến các đặc tính của hỗn hợp amide – ester và cũng như ổn định rất tốt về mặt hóa học và phân giải protein Carbamate được sử dụng rộng rãi như là một chất thay thế liên kết peptide trong hóa dược nhờ đó mà có khả năng ổn định về mặt hóa học và khả năng qua màng tế bào của chúng Carbamate có một tính năng đáng chú

ý đó là khả năng điều chỉnh tương tác giữa các nội phân tử với các enzyme đích (target enzyme) hoặc các receptor

Hiện nay, carbamate và các dẫn xuất của nó được sử dụng rộng rãi trong ngành hóa chất nông nghiệp như: thuốc trừ sâu [50], thuốc diệt nấm, thuốc diệt cỏ [51], và tổng hợp nhiều tiền chất, các nguyên liệu, chất trung gian và dung môi [52], cũng như đóng vai trò quan trọng như bảo vệ các nhóm amine và acid amine trong tổng hợp hữu cơ [53, 54] Gần đây, các dẫn xuất của carbamate đã được chứng minh là có hoạt tính sinh học cao và có thể đóng vai trò tiền chất cho quá trình điều chế các loại thuốc Điều này làm cho việc tổng hợp carbamate thu hút được nhiều

sự quan tâm từ các nhà hóa học [55]

1.3.2 Tổng hợp carbamate

1.3.2.1 Tổng hợp carbamate bằng phương pháp truyền thống

Trong các phương pháp truyền thống, Hofmann là phương pháp nổi tiếng nhất vì nó có thể chuyển đổi carboxamide thành amide hoặc carbamate, đặc trưng bởi sự giảm một nguyên tử carbon trong cấu trúc [56]

Dựa trên ý tưởng của Hofmann, năm 1997, Xicai Huang và Jeffrey W Keillor đã công bố quy trình để xử lý họ tác chất thơm có nhóm thế ở vị trí para và

carboxamate bậc 1 mạch thẳng với tác nhân là NBS (n-bromosuccinimide) và

NaOMe trong môi trường methanol để tạo thành amino methyl carbamate [57] Phương pháp có ưu điểm là điều kiện phản ứng êm dịu với hiệu suất cao và phản ứng được tiến hành trong thời gian ngắn Tuy nhiên, việc sử dụng một lượng dư rất nhiều chất oxy hóa NBS là một trong những hạn chế lớn về mặt kinh tế của phương pháp này

Sơ đồ 7 Tổng hợp carbamate bằng phương pháp Hofmann [57]

Tương tự như vậy, trong cùng năm 1997, Mark J Bruk và John G Allen đã

sử dụng phương pháp Hofmann cho phản ứng ghép đôi giữa N-acetamido và

benzamido amino acid để tạo thành (tertbutoxycarbonyl)amino acid [58] Quá trình này gồm hai bước liên tục là gắn nhóm Boc- lên liên kết –NH- và tách loại nhóm acetate Ưu điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng được cải thiện đáng

kể, hiệu suất phản ứng cao; tuy nhiên quá trình này vẫn có một số nhược điểm cần phải chú ý như quy trình phức tạp, phải sử dụng chất phụ gia và một lượng dư hydrazine

Sơ đồ 8 Phản ứng ghép đôi giữa N-acetamido và benzamido amino acid để tạo

thành (tertbutoxycarbonyl)amino acid [58]

Phương pháp Phosgene hóa cũng được sử dụng để tổng hợp carbamate Tuy

có tiềm năng rất lớn trong tổng hợp hữu cơ, nhưng do sử dụng nhiều chất độc hại nên việc ứng dụng còn nhiều hạn chế [59] Do đó, trong nhiều năm trở lại đây các nhà khoa học đã đề xuất việc sử dụng các dẫn xuất ít độc hại hơn để tiến hành phương pháp này Năm 1999, Xavier Ariza đã công bố việc tạo thành hợp chất

carbamate thông qua phản ứng giữa azide và chloroformate trong môi trường THF

và Me3P cho hiệu suất cao và thời gian phản ứng ngắn [60]

Sơ đồ 9 Tổng hợp carbamate bằng azide [60]

Thông qua tóm lược một số nghiên cứu phía trên có thể thấy rằng con đường tổng hợp hợp chất carbamate theo các phương pháp truyền thống như Hofmann hay Phosgene hóa vẫn còn nhiều hạn chế như là đòi hỏi phải sử dụng một lượng dư chất oxy hóa cũng như tiền chất chứa phosphorus gây lãng phí và độc hại, và chính những điều này làm giới hạn phạm vi sử dụng của những phương pháp trên Tuy nhiên nhờ vào hai phương pháp truyền thống đã tạo tiền đề cho các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu nhằm cải thiện cũng như đơn giản hóa quá trình tổng hợp carbamate

1.3.2.2 Tổng hợp carbamate bằng các phương pháp mới

Những năm gần đây, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu và công bố nhiều phương pháp khác nhau để tiếp cận hợp chất có chứa carbamate với nhiều điểm nổi bật như hiệu suất tổng hợp cao, không sử dụng các tiền chất độc hại Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các chất xúc tác kim loại cho quá trình hình thành liên kết [61-66], dùng khí CO2 làm nguồn cung cấp nhóm carbonyl [67-69],

sử dụng các chất trung gian như là isocyanate cho quá trình tổng hợp [70, 71]

Một trong những nghiên cứu tiêu biểu ứng dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp

đã được công bố bởi Feng Shi vào năm 2011 Theo đó, phức Au(I) được sử dụng làm xúc tác cho phản ứng carbonyl hóa các amine mạch thẳng để tổng hợp carbamate ở nhiệt độ và áp suất cao [61] Kết quả thu được rất đáng kích lệ với độ chuyển hóa và độ chọn lọc cao Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế đáng lưu tâm như áp suất của phản ứng lên tới 5 MPa và phải gia nhiệt tới hơn

200oC Hơn nữa việc chuẩn bị phức Au(I) cũng phải trải qua nhiều bước tổng hợp phức tạp

Sơ đồ 10 Tổng hợp carbamate bằng phản ứng carbonyl hóa amine mạch thẳng sử

dụng xúc tác phức Au(I) [61]

Ở một hướng khác, vào năm 2013, Stephen L Buchwald đã công bố một nghiên cứu rất đáng lưu ý về phương pháp tổng hợp carbamate bằng việc sử dụng xúc tác palladium cho phản ứng ghép đôi giữa alcohol, aryl halide ArX (X= Cl, OTf) với sodium cyanate [65] Việc sử dụng aryl triflate làm tác nhân ái điện tử cho phép mở rộng việc sử dụng hàng loạt các nhóm thế nhằm tổng hợp trực tiếp aryl isocyanate Ý tưởng này cung cấp một phương pháp hiệu quả để tạo nhóm bảo vệ hợp chất carbamate, tổng hợp trực tiếp S-thiocarbamate cũng như diisocyanate làm tiền chất để tạo vật liệu polyurethane Cũng như các quy trình xúc tác đồng thể khác, phương pháp trên vẫn có một số nhược điểm: sử dụng một lượng lớn NaOCN, quá trình phản ứng phức tạp với ligand chưa được thương mại hóa cũng như xúc tác palladium không thể thu hồi sau phản ứng

Sơ đồ 11 Phản ứng ghép đôi giữa alcohol và aryl halide ArX (X= Cl, OTf) với

phần nào đóng góp một phương pháp tổng hợp carbamate ở điều kiện êm dịu với độ chuyển hóa cao, đồng thời việc sử dụng xúc tác ở điều kiện dị thể có khả năng thu hồi và tái sử dụng sau phản ứng mặc dù quá trình tổng hợp xúc tác vẫn còn khá phức tạp

Sơ đồ 12 Phản ứng dehydrogen hóa liên phân tử giữa DMF với các dẫn xuất của

phenol ở vị trí ortho sử dụng xúc tác khung hữu cơ kim loại Cu2(BPDC)2(BPY) [63]

Gần đây nhất là vào năm 2015, Bhisma K Patel và đồng nghiệp đã công bố nghiên cứu về phản ứng ghép đôi giữa formamide và phenol sử dụng nhóm định

hướng ở vị trí ortho- là benzothiazole [72] Phản ứng này có nhiều ưu điểm như

việc sử dụng các chất xúc tác muối đồng rẻ tiền, thân thiện với môi trường và đơn giản Ngoài ra, việc bản thân tác chất đã chứa nhóm benzothiazole có hoạt tính cũng thu hút nhiều sự quan tâm về khả năng tương tác lẫn nhau giữa nhóm carbamate và benzothiazole trong lĩnh vực dược phẩm Tương đồng với dạng phản ứng do nhóm Nam Phan đề xuất, phản ứng này được thực hiện ở điều kiện khá êm dịu trong thời gian ngắn với hiệu suất cao Tuy nhiên, báo cáo của Bhisma K Patel vẫn đang dừng lại ở mức độ xúc tác đồng thể không thể thu hồi sau phản ứng

Sơ đồ 13 Phản ứng ghép đôi giữa formamide và phenol sử dụng nhóm định hướng

ở vị trí ortho- là benzothiazole [72]

Qua những báo cáo đã trình bày và phân tích ở trên, cho thấy xu hướng mới

để tổng hợp carbamate là tập trung vào thiết kế các phản ứng thông qua các hóa chất có sẵn đã được thương mại hóa, việc tổng hợp các loại xúc tác đơn giản, rẻ tiền, ít độc hại nhằm hướng tới các phản ứng hữu cơ đáp ứng được tiêu chí hóa học xanh với hiệu suất cao, có lợi về mặt kinh tế và ít tổn hại đến môi trường Một trong những đề xuất đang thu hút nhiều quan tâm là chuyển những phản ứng tổng hợp carbamate từ đồng thể sang điều kiện dị thể Điều này không những giúp tận dụng những đặc tính ưu việt của hệ dị thể mà còn làm phong phú và hấp dẫn hơn về sự lựa chọn cho các nhà khoa học

1.4 Tổng quan về đề tài nghiên cứu

1.4.1 Tổng quan về nghiên cứu hoạt tính xúc tác CuFe 2 O 4 đối với phản ứng

giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và N,N-disubstituted formamide

Họ carbamate là thành phần quan trọng trong các hợp chất có các đặc tính dược học và sinh học khác nhau, với phạm vi ứng dụng một cách rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như dược phẩm, các sản phẩm có hoạt tính sinh học nguồn gốc tự nhiên, và hóa nông nghiệp [73-79] Các quá trình tổng hợp được hình thành có sử dụng những tác chất độc hại, và nên được cải tiến bằng việc sử dụng những phương pháp tiếp cận thân thiện hơn [80] Litwinienko và Krogul trước đó đã minh chứng cho quá trình tổng hợp những carbamate bằng sự carbonyl hóa oxy hóa giữa aniline

và hỗn hợp CO/O2 với việc sử dụng phức PdCl2(XnPy)2 làm xúc tác [81] Nacci và các cộng sự đã có một nghiên cứu về phản ứng của aminol, amine và alcohol được xúc tác bởi CuCl2 để hình thành những carbamate tương ứng và một số sản phẩm có liên quan khác [82] Jiang và cộng sự đã phát triển một phản ứng độc đáo và linh

hoạt giữa N-tosylhydrazone và amine với CO2 để hình thành carbamate [69] Reddy

và cộng sự đã đưa ra một nghiên cứu về quá trình chuyển hóa trực tiếp của N-aryl

formamide thành carbamate với việc sử dụng hypervalent iodine [70] Cho đến hiện nay, Patel và cộng sự đã có một nghiên cứu về quá trình tổng hợp carbamate từ dialkylformamide và phenol có mang nhóm định hướng benzothiazole với việc sử dụng xúc tác acetate đồng [72] Những sản phẩm này có chứa cả hai phần

carbamate và benzothiazole, do đó mà tận dụng được nhiều ưu điểm từ cả hai cấu trúc nhờ vào những đặc tính sinh học của nó Tuy nhiên, xúc tác lại không thể thu hồi và tái sử dụng được Trong nghiên cứu này, tiến hành mô tả sự tổng hợp carbamate có chứa nhóm benzothiazole bằng việc ghép đôi trực tiếp giữa phenol và

N,N-disubstituted formamide với việc sử dụng những hạt nano siêu thuận từ

CuFe2O4 như là chất xúc tác mạnh, hiệu quả và có khả năng thu hồi

1.4.2 Tổng quan về nghiên cứu hoạt tính xúc tác CuFe 2 O 4 đối với phản ứng

giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và benzaldehyde

Ester và các dẫn xuất của nó là những cấu trúc phổ biến hiện nay với nhiều nhóm phân tử có hoạt tính sinh học khác nhau, và có phạm vi ứng dụng một cách rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hóa dược, hóa học hương liệu, hóa chất nông nghiệp Các dẫn xuất của benzothiazole là những cấu trúc dị vòng đặc trưng, tồn tại nhiều trong các sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên hoặc những hóa chất tổng hợp, và đồng thời cung cấp nhiều hoạt tính sinh học có giá trị Những cấu trúc hữu cơ có chứa cả hai nhóm phenol ester và benzothiazole đều mang lại nhiều lợi ích nhờ vào hoạt tính dược học và sinh học của nó Các quá trình biến đổi ghép đôi có sử dụng những xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành của các liên kết carbon-carbon và carbon-nguyên tử khác loại Trước đây, Ali và cộng

sự đã phát triển một phương pháp tổng hợp để hình thành cấu trúc có chứa cả hai nhóm carbamate và benzothiazole qua phản ứng ghép đôi có xúc tác Cu(OAC)2giữa dialkylformamide và phenol có chứa nhóm định hướng benzothiazole [72] Zheng và cộng sự cũng tổng hợp các phenol ester có chứa các nhóm cyano, azo, và pyridine bằng việc sử dụng chất xúc tác Cu(OAC)2 cho quá trình chuyển hóa giữa aldehyde và 2-substituted phenol [83] Trong nghiên cứu này, mô tả sự tổng hợp trực tiếp một cấu trúc hóa học có chứa cả hai nhóm phenol ester và benzothiazole

qua phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và benzaldehyde, với sự tham gia

của những hạt nano siêu thuận từ CuFe2O4 đóng vai trò là chất xúc tác có khả năng thu hồi và tái sử dụng

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên vật liệu và trang thiết bị

Tất cả các chất phản ứng và nguyên liệu ban đầu được dùng ở dạng thương mại, cung cấp bởi Sigma-Aldrich và Merck, và khi sử dụng không qua bất kỳ quá trình tinh chế nào Các phương pháp hấp phụ vật lý nitrogen được thực hiện bằng cách sử dụng hệ thống thiết bị phân tích sự hấp phụ bằng phương pháp thể tích Micromeritics 2020 Mẫu được tiền xử lý bằng nhiệt dưới điều kiện chân không ở

150oC trong 3 giờ Phổ nhiễu xạ bột tia X (XRD) được ghi nhận khi sử dụng thiết bị

D8 Advance Bruker với đầu phát tia X là Cu Kα Phổ hấp thu nguyên tử (AAS) để

phân tích nguyên tố được thực hiện trên thiết bị AA-6800 Shimadzu Đặc tính từ tính được đo bằng từ kế mẫu rung (VSM) EV11 ở nhiệt độ phòng Các quá trình khảo sát hiển vi điện tử quét được thực hiện trên thiết bị kính hiển vi điện tử quét (SEM) JSM 7401F Những khảo sát hiển vi điện tử truyền qua được thực hiện trên thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEOL JEM 1400 ở 100 kV

Phương pháp sắc kí khí (GC) được thực hiện bằng thiết bị Shimadzu GC 2010-Plus với đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID) và cột phân cực yếu SPB-5 (chiều dài cột = 30 m, đường kính trong = 0.25 mm, và bề dày lớp film = 0.25 µm) Chương trình nhiệt dùng để phân tích được cài đặt như sau: mẫu được gia nhiệt lên 100oC và giữ nhiệt độ đó trong 1 phút; sau đó gia nhiệt từ 100oC đến 280oC với tốc độ 40oC/ phút và giữ nhiệt độ đó trong vòng 5.5 phút Nhiệt độ của đầu dò và bộ phận tiêm mẫu được cài đặt luôn giữ ở nhiệt độ 280oC Diphenyl ether được sử dụng làm chất nội chuẩn để tính toán hiệu suất của phản ứng theo GC Phân tích GC-MS được thực hiện bằng thiết bị Shimadzu GCMS-QP2010Ultra với cột ZB-5MS (chiều dài cột = 30 m, đường kính trong 0.25 mm, bề dày lớp film = 0.25 µm) Chương trình nhiệt dùng để phân tích GC-MS được cài đặt như sau: mẫu được gia nhiệt lên 50oC

và giữ nhiệt độ đó trong 2 phút; sau đó gia nhiệt từ 50oC đến 280oC với tốc độ 10oC/ phút và giữ nhiệt độ đó trong vòng 10 phút Nhiệt độ của đầu dò và bộ phận tiêm mẫu được cài đặt luôn giữ ở nhiệt độ 280oC Phổ MS được so với các phổ chuẩn

trong thư viện NIST Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H NMR và 13C NMR được đo bằng thiết bị Bruker AV 500

2.2 Quy trình thực hiện phản ứng giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và N,N-disubstituted formamide

Xúc tác nano ferrite đồng được sử dụng như một loại xúc tác dị thể trong

phản ứng oxy hóa ghép đôi giữa 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol và

N,N’-dimethylformamide để hình thành 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl

dimethylcarbamate

Xúc tác nano siêu thuận từ CuFe2O4 được cung cấp bởi Sigma-Aldrich Tiến

hành thí nghiệm, 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol (0.5 mmol, 0.1136 g) được hòa tan trong N,N’-dimethylformamide (DMF, 26 equiv.), và sau đó dung dịch này được

cho vào trong một vial 8 ml chứa một lượng xúc tác đã cân sẵn trước Lượng xúc tác CuFe2O4 được xác định theo tỷ lệ phần mol của xúc tác đồng/ 2-

(benzo[d]thiazol-2-yl)phenol (5 mol%, 0.025 mmol, 0.006 g) Tiếp sau đó, butyl hydroperoxide (tBuOOH, 70% wt trong nước, 4 equiv., 2.0 mmol, 0.291 ml)

tert-được thêm vào vial, và hỗn hợp phản ứng tert-được khuấy từ ở 100o

C trong 60 phút dưới môi trường không khí Cuối cùng, chai phản ứng được làm nguội ở nhiệt độ phòng, khi đó chất nội chuẩn diphenyl ether (0.5 mmol, 0.0851 g) được thêm vào

trong hỗn hợp phản ứng (Bảng 1) Quá trình chiết mẫu được thực hiện bằng cách

pha loãng hỗn hợp phản ứng trong ethyl acetate, khuấy mạnh với Na2SO4 khan để loại bỏ hết lượng nước thừa còn lại trong hỗn hợp, sau đó được phân tích GC với chất nội chuẩn diphenyl ether Hỗn hợp phản ứng sau khi chiết được đem đi cô quay chân không để đẩy hết dung môi hữu cơ ra khỏi hỗn hợp Phần hỗn hợp sản phẩm thu được sau khi cô quay được đem đi tách bằng sắc kí cột (ethyl acetate : hexane =

2:1) để thu được 2-(benzo[d]thiazol-2-yl)phenyl dimethylcarbamate Đặc tính của

sản phẩm còn được kiểm chứng bằng 1H NMR và 13C NMR

Bảng 1 Thành phần hóa học ban đầu của phản ứng tổng hợp

Đối với khảo sát leaching, phản ứng có sử dụng xúc tác CuFe2O4 được dừng lại sau 30 phút phản ứng, phân tích bằng GC Xúc tác nano ferrite đồng được giữ trong vial bằng nam châm đất hiếm và sau đó dung dịch được hút vào một vial khác

để thực hiện phản ứng tiếp tục dưới điều kiện khuấy từ Kết quả được phân tích bằng GC

Hiệu suất phản ứng tính theo GC (GC yield) với đường chuẩn được thiết lập bằng cách phân tích sắc ký khí 6 mẫu chứa sản phẩm và nội chuẩn với tỷ lệ số mol tương ứng lần lượt là: 1:1, 1:2, 1:4, 1:10, 1:20, 1:50

Hình 8 Đường chuẩn để tính toán hiệu suất theo GC của phản ứng tổng hợp

Trong đó:

Y (%): Hiệu suất phản ứng tính theo GC (GC yield)

S (sản phẩm): diện tích peak của sản phẩm 2-(benzo[d]thiazol-2-yl) phenyl

dimethylcarbamate

S (diphenyl ether): diện tích peak của diphenyl ether

n (diphenyl ether): số mol diphenyl ether

n (tác chất): số mol tác chất 2-(benzo[d]thiazol-2-yl) phenol