ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÙI TẤN NGHĨA
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH CoFe
2
O
4
LÀM CHẤT MANG XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG
KNOEVENAGEL, SONOGASHIRA, SUZUKI, HECK
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÙI TẤN NGHĨA
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO TỪ TÍNH CoFe
2
O
4
LÀM CHẤT MANG XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG
KNOEVENAGEL, SONOGASHIRA, SUZUKI, HECK
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC CÁC CHẤT HỮU CƠ
Mã số chuyên ngành: 62527505
Phản biện độc lập 1: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
Phản biện độc lập 2: PGS.TS. Nguyễn Thị Dung
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thị Phương Phong
Phản biện 2: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hạnh
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Phan Thanh Sơn Nam
2. TS. Lê Thị Hồng Nhan
LỜI CAM ĐOAN
lần mà hoạt tính không giảm.
4
ABSTRACT
Cobalt superparamagnetic (CoFe
2
O
4
) nanoparticles were synthesized following
a microemulsion method and functionalized by using the supported ligand and
palladium acetate to form the immobilized palladium complex catalyst with a
palladium loading of 0.30 mmol/g. The catalyst was characterized by X-ray powder
diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron
microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), vibrating sample
magnetometry (VSM), Fourier transform infrared (FT-IR), atomic absorption
spectrophotometry (AAS), and nitrogen physisorption measurements. The results
proved that the Pd(II)-CoFe
2
O
4
magnetic nanoparticles were as an efficient catalyst for
several carbon-carbon couplings including for the Suzuki reaction between 4’-
bromoacetophenone with phenylboronic acid, and the Sonogashira reaction between
4’-bromoacetophenone with phenylacetylene, and the Heck reaction between 4’-
bromoacetophenone with styrene under conventional and microwave irradiation
conditions. Efficiency of catalysts in reactions was evaluated by conversion which was
determined by gas chromatography. The catalysts could be reused several times
without significant degradation in catalytic activity.
5
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin trân trọng gởi lời cám ơn sâu sắc đến,
9
GIỚI THIỆU
Ngày nay, các phản ứng ghép đôi carbon-carbon (carbon-carbon coupling
reactions) được ứng dụng rộng rãi trong quá trình tổng hợp các hợp chất có hoạt tính
sinh học, vật liệu kỹ thuật và hóa chất cao cấp. Trong đó, các phản ứng Heck, Suzuki
và Sonogashira được tiến hành với sự có mặt của xúc tác palladium đang nhận được
nhiều quan tâm. Xúc tác palladium được sử dụng ở cả hai dạng là xúc tác đồng thể và
dị thể và có rất nhiều nghiên cứu đã tập trung khảo sát hoạt tính và khả năng ứng dụng
của các dạng xúc tác này. Tuy nhiên, mỗi loại xúc tác đều có những ưu-nhược điểm
khác nhau. Yêu cầu quan trọng của các chất xúc tác, đặc biệt là những xúc tác kim loại
quý hiếm, là hoạt tính, độ chọn lọc cao, dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng và
khả năng tái sử dụng cao. Trong phương pháp tiếp cận "hóa học xanh" cho các phản
ứng có xúc tác, thu hồi và tái sử dụng xúc tác sẽ trở thành một yếu tố quan trọng bởi vì
yêu cầu nghiêm ngặt về sinh thái và phát triển bền vững [1].
Xúc tác trên chất mang rắn đã và đang được các nhà khoa học quan tâm do có ưu
điểm dễ tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng và có khả năng tái sử dụng cao, cũng như giải
quyết được vấn đề sản phẩm phản ứng bị nhiễm vết kim loại nặng nhưng có nhược
điểm rất lớn là khả năng phân tán kém dẫn đến điều kiện phản ứng rất khắc nghiệt so
với những xúc tác đồng thể. Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách giảm
kích thước của các hạt xúc tác về vùng nano để tăng diện tích bề mặt riêng và đồng
thời làm tăng hoạt tính xúc tác. Tuy nhiên, khi hạt xúc tác có đường kính nhỏ hơn 100
nm rất khó tách bằng các phương pháp thông thường như lọc hoặc ly tâm.
Trong những năm gần đây, vật liệu có cấu trúc spinel ferrite được giới khoa học
quan tâm nhiều, nhất là khi đưa về kích thước nano vì thể hiện những tính chất đặc
biệt dựa trên cấu trúc tinh thể và hóa học của chúng. Khi sử dụng làm chất mang cho
xúc tác ở kích thước nano, chúng dễ dàng phân tán trong dung môi và tiếp cận với tác
chất. Điểm nổi bật nhất của hạt nano spinel ferrite khi được sử dụng làm chất mang
cho xúc tác là có thể dễ dàng loại bỏ ra khỏi hỗn hợp phản ứng bằng một từ trường
ngoài [1].
10
Wurtz 1855 R-X sp³ R-X sp³ homo Na
Glaser 1869 RC≡CH sp
RC≡C
H
sp homo Cu
Ullmann 1901 Ar-X sp² Ar-X sp² homo Cu
Gomberg-
Bachmann
1924 Ar-H sp² Ar-N
2
X sp² cross
Có sự
hiện
diện của
base
Cadiot-
Chodkiewic
z
1957 RC≡CH sp
RC≡C
X
sp cross Cu
Có sự
hiện
diện của
base
Castro-
Stephens
1963 RC≡CH sp Ar-X sp² cross Cu
Gilman 1967 R
Pd
và
Cu
Có sự hiện
diện của
base
Negishi 1977 R-Zn-X
sp³,
sp²,
sp
R-X
sp³
sp²
cross
Pd
hoặ
c Ni
Stille 1978 R-SnR
3
sp³,
sp²,
sp
R-X
sp³
sp²
cross Pd
Suzuki 1979 R-B(OR)
2
sp² R-X
sp³
sp
3
cross Pd
Trong các phản ứng ghép đôi carbon-carbon thì phản ứng Heck, Suzuki và
Sonogashira được xem là những loại phản ứng quan trọng nhất, được ứng dụng rộng
rãi trong các ngành sản xuất dược phẩm, sản xuất các hoá chất cao cấp cũng như các
vật liệu kỹ thuật có tính năng cao [3].
Ví dụ, phản ứng ghép đôi Heck (hình 1.1) là một giai đoạn trong quá trình điều
chế dược phẩm CP-724,714 (quinazoline) [4] - là dược phẩm có khả năng ngăn ngừa
13
bệnh ung thư, hoặc trong quá trình điều chế dược phẩm BMS-204352 - là dược phẩm
có khả năng chống đột quỵ [5]. Phản ứng ghép đôi Heck cũng là một hay nhiều giai
đoạn trong quá trình điều chế một số dược phẩm khác có cấu trúc phức tạp dựa trên cơ
sở các hoạt chất có nguồn gốc tự nhiên như rosavin và dẫn xuất [6], resveratrol và dẫn
xuất [7], hoặc trong quá trình điều chế một số loại thuỷ tinh hữu cơ hoặc polymer dẫn
điện có tính năng đặc biệt [8]. Ngoài ra, rất nhiều quá trình điều chế những dược phẩm
quan trọng khác cũng như những hợp chất trung gian có giá trị cần sử dụng đến phản
ứng ghép đôi Heck [3].
Phản ứng ghép đôi Suzuki (hình 1.2) là một giai đoạn trong quá trình điều chế
các dẫn xuất của pyridazine có nhiều hoạt tính sinh học như kháng khuẩn, chống trầm
cảm, hạ huyết áp, giảm đau, kháng viêm, chống ung thư [9-11], hoặc các dược phẩm
khác như thuốc gây ức chế, ngăn ngừa ung thư tuỷ TMC-95A [12], epothilone và các
dẫn xuất được sử dụng trong điều trị ung thư [13], (+)-dynemicin A [14],
discodermolide [15] kháng ung thư, oximidine II có tác dụng kháng u [16], (+)-
dragmacidin F kháng virus [17], dragmacidin D [18], dragmacidin B, C [19], boscalid
kháng nấm [20], valsartan điều trị huyết áp [21]. Các dẫn xuất của piperazin như
amoxapine chống trầm cảm, cyclizine kháng histamine và tác động cholinergic,
sildenafil (Viagra) gây ức chế, imatinib chống rối loạn chuyển hóa tyrosine…được
tổng hợp bằng quy trình có sử dụng phản ứng Suzuki trong điều kiện gia nhiệt có sự
hỗ trợ vi sóng [22].
ra khỏi hỗn hợp phản ứng và có khả năng tái sử dụng, cũng như giải quyết được vấn
15
đề sản phẩm phản ứng bị nhiễm vết kim loại nặng, đáp ứng được một tiêu chí của hóa
học xanh. Hàng năm, hàng trăm bài báo về nhiều khía cạnh khác nhau của phản ứng
ghép đôi Heck, Suzuki và Sonogashira, đặc biệt là vấn đề liên quan đến xúc tác, đã
được công bố trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín. Ở đây chỉ giới thiệu một số
công trình tiêu biểu được công bố trong thời gian gần đây.
1.2. Phản ứng ghép đôi carbon-carbon trên xúc tác palladium được mang trên
chất mang polymer
Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm là sử dụng các polymer
làm chất mang cho xúc tác phức palladium. Ví dụ như công trình nghiên cứu về phản
ứng Heck được tác giả Minfeng Zeng và cộng sự [36] thực hiện. Các tác giả sử dụng
các hạt vi cầu chitosan được xử lý bằng polyethylene glycol (PEG) làm chất mang cho
xúc tác palladium, xúc tác điều chế được có hoạt tính cao, dễ thu hồi và tái sử dụng
hơn 10 lần trong phản ứng Heck giữa các aromatic halide với các acrylate. Hơn nữa hệ
xúc tác này còn được sử dụng tốt trong dung môi nước do tính ưa nước của các nhóm
– OH và – NH
2
của chitosan. Một ví dụ khác, tác giả Marek Cypryk và cộng sự [37]
điều chế các polymer polysiloxane có chứa nhóm thế vinyl- hoặc 2-butylthioethyl-
hoặc 2-diphenylphosphinoethyl-, sau đó cho các polymer này tác dụng với
PdCl
2
(PhCN)
2
để hình thành xúc tác phức palladium (II) (hình 1.4). Xúc tác được kiểm
tra hoạt tính bằng phản ứng Heck và so sánh hoạt tính xúc tác với trường hợp sử dụng
xúc tác đồng thể PdCl
2
(PhCN)
phương pháp polymer hoá 2-hydroxyethyl methacrylate ngay trên CMK-1, các hạt
nano palladium được điều chế bằng cách sử dụng hydrazine hydrate (N
2
H
4
.H
2
O) khử
palladium acetate (hình 1.6), xúc tác điều chế được có hoạt tính cao trong phản ứng
Heck giữa các aryl halide với các dẫn xuất olefin, phản ứng có hiệu suất cao và thời
gian phản ứng ngắn.
Hình 1 Sơ đồ tổng hợp xúc tác Pd – PHEMA/CMK-1[41]
Tác giả Yaying Zhang và cộng sự [42] tổng hợp hydrogel từ N-
isopropylacrylamide, 4-vinylpyridine và potassium acrylate bằng phương pháp trùng
hợp theo cơ chế gốc tự do và sử dụng làm chất mang xúc tác palladium (hình 1.7). Xúc
tác dị thể này cho hoạt tính cao trong phản ứng Heck và Suzuki, thu hồi và tái sử dụng
đến 6 lần mà hoạt tính không giảm đáng kể.
18
Hình 1 Sơ đồ tổng hợp xúc tác Hydrogel – Pd(II) [42]
Cũng nghiên cứu về phản ứng Suzuki, tác giả Mélanie Chtchigrovsky và cộng
sự [43] thực hiện phản ứng giữa gel alginate với Ca, Ba, Mn, Zn, Ni, Ce, Cu và Co để
hình thành ma trận alginate, sau đó cho phản ứng tiếp với Pd
2+
, một phần cation kim
loại bị trao đổi bởi sự khử Pd
2+
thành các hạt nano palladium và được sấy trong CO
2
siêu tới hạn tạo ra các aerogel alginate lưỡng kim loại. Tác giả sử dụng phản ứng
Suzuki để so sánh hoạt tính của các hệ xúc tác dị thể này. Các xúc tác cho hoạt tính
thành hạt nano Pd(0). Xúc tác nano
palladium được kiểm tra hoạt tính bằng phản ứng Suzuki giữa phenylboronic acid với
các aryl bromide trong dung môi nước. Hệ xúc tác được tái sử dụng hơn 5 lần mà hoạt
tính không giảm nhiều.
Tác giả Ehsan Ullah và cộng sự [47] sử dụng polystyrene làm chất mang cho
các ligand trialkylphosphine sau đó cố định Pd(II), hệ xúc tác rắn có hoạt tính cao
trong phản ứng Suzuki và được thu hồi, tái sử dụng nhiều lần mà hoạt tính không giảm
đáng kể. Tác giả Tatiana V.Magdesieva và cộng sự [48] tổng hợp xúc tác palladium
liên kết polypyrrole (Pd/PPy) bằng phản ứng oxy hóa khử giữa pyrrole và
[Pd(NH
3
)
4
]Cl
2
ngay trong nước sau đó cố định lên trên chất mang graphite. Tùy thuộc
vào tỷ lệ monomer oxy hóa trong hỗn hợp phản ứng, đường kính trung bình của hạt Pd
và PPy có thể thay đổi trong phạm vi 1,25-1,45 và 27-62 nm, hàm lượng Pd khoảng
33,5-42,0% khối lượng. Xúc tác Pd/PPy cho hiệu quả cao và có thể tái sử dụng trong
phản ứng Suzuki giữa các dẫn xuất của aryl iodide, aryl bromide và aryl chloride với
các dẫn xuất của phenylboronic acid hoặc tetraarylborate trong dung môi hữu cơ hoặc
nước. Tác giả E.Hariprasad [49] tổng hợp xúc tác nano palladium được bao bọc bởi
20
lớp màng mỏng polymer. Tác giả sử dụng quy trình ủ nhiệt trực tiếp của một lớp màng
cuộn poly(vinyl alcohol) (PVA) chứa tiền chất palladium để hình thành nhiều lớp
màng mỏng nanocomposite không kết dính. Xúc tác này được tác giả sử dụng cho
phản ứng ghép đôi Suzuki giữa iodobenzene với phenylboronic acid, xúc tác cho hiệu
suất cao và có thể tái sử dụng đến 30 lần. Ngoài ra xúc tác này còn được kiểm tra hoạt
tính trong phản ứng Heck và Sonogashira.
Hình 1 Cấu trúc của các polyamic acid [50]
2
–
PMO(Et)] bằng quy trình 2 bước, bước đầu tiên tạo ra PPh
2
–PMO(Et) từ copolymer
HO(CH
2
CH
2
O)
20
(CH
2
CH(CH
3
)O)
70
(CH
2
CH
2
O)
20
H (pluronic P-123), 1,2-
bis(trimethoxysilyl)ethane (BTME) và 2-(diphenylphosphino)ethyltriethoxysilane
(DPPES), sau đó cố định PdCl
2
(PPh
3
)
thời gian 10 phút. Xúc tác này được thu hồi bằng phương pháp lọc, rửa và tái sử dụng
đến 5 lần mà hoạt tính không giảm.
Hình 1 Sơ đồ tổng hợp phức Pd-N-heterocyclic carbene (NHC) organic silica [54]
Tác giả Wei Chen và cộng sự [55] cố định phức palladium phosphine trên chất
mang silica bằng quy trình 4 giai đoạn (hình 1.14). Xúc tác rắn được kiểm tra hoạt tính
bằng phản ứng Suzuki giữa các aryl halide với các arylboronic acid. Hiệu suất của
phản ứng đạt được 94% trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra xúc tác này
được thu hồi và tái sử dụng hơn 10 lần mà hoạt tính không giảm đáng kể.
Tác giả Gruber-Woelfler và cộng sự [56] cố định phức palladium trên chất
mang 3-mercaptopropyl liên kết silica với ligand là bis(oxazoline) (BOX) bằng quy
trình 2 bước (hình 1.15). Phản ứng Suzuki giữa các aryl halide với phenylboronic acid
trên xúc tác rắn điều chế được có hiệu suất đạt đến 97%. Xúc tác được tái sử dụng
nhiều lần mà không giảm đáng kể hoạt tính.
24
Hình 1 Sơ đồ tổng hợp phức palladium-phosphine cố định trên chất mang silica
[55]
Hình 1.
. Sơ đồ tổng hợp xúc tác phức palladium trên chất mang 3-mercaptopropyl-
functionalized silica gel [56]
25
Copyright: Tài liệu đại học ©