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


Cu2(BPDC)2(BPY) ....................................................................................38

2.2.2.

Cu2(BDC)2(BPY) ......................................................................................38

2.2.3.

Cu3(BTC)2.................................................................................................39

2.3.
2.3.1.

Phản ứng ghép đôi C–C, C–N .....................................................................39
Phản ứng ghép đôi C–C giữa dị vòng và aryl halide, xúc tác

Cu2(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 Cu2(BDC)2(BPY) ............................................................................40
2.3.3.

Phản ứng ghép đôi C–N giữa α-Carbonyl với amine, xúc tác Cu3(BTC)2 ..
..................................................................................................................40

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................42
3.1.

Nghiên cứu xúc tác của Cu3(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
vi


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

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: (a) Các loại vật liệu rắn xốp: polymers, zeolites, MOFs [2]; (b) Các cấu
trúc vật liệu MOFs (1D, 2D, 3D) 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

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

ix


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


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

xii


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 1.37: 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

xiii


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


Brunauer–Emmett–Teller

BPDC

Biphenyldicarboxylate

BPY

4,4’-bipyridine

BTC

Benzenetricarboxylate

CDCl3

Deuterated chloroform

DABCO

1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane

DCM

Dichloromethane

DEF

Diethylformamide



FT-IR

Fourier Transform Infrared Spectroscopy

GC/FID

Gas chromatographic/flame ionization detector

HKUST

Hong Kong University of Science and Technology

ICP-OES

Inductively

Coupled

Plasma

-

Optical

Spectrometer

IRMOF


NMR

Nuclear Magnetic Resonance

OBA

4,4′-oxybisbenzoate

OTf

Trifluoromethanesulfonate

PXRD

X-ray Powder Diffraction

2-PYMO

2-Hydroxypyrimidinolate

SBU

Secondary Building Unit

SC- XRD

Single-Crystal X-ray Diffraction

SEM


UMCM

University of Michigan Crystalline Material

USY

Ultrastable Y

ZIF

Zeolitic imidazole framework

xviii


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


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].

1


Hình 1.1: (a) Các loại vật liệu rắn xốp: polymers, zeolites, MOFs [2]; (b) Các cấu
trúc vật liệu MOFs (1D, 2D, 3D) được báo cáo từ cơ sở dữ liệu Cambridge từ năm
1971 đến năm 2011 [1].
Việc lựa chọn các đơn vị cấu trúc tổng hợp vật liệu MOFs phải được xem xét để các
tính chất của các đơn vị cấu trúc được bảo toàn. Khác với các vật liệu copolymer
hữu cơ, trong đó bản chất và nồng độ của các monomer trong polymer quyết định
các đặc tính vật lý và đặc tính quang học cũng như khả năng có thể gia công; đối với
vật liệu MOFs, cách bố trí mạng lưới liên kết các đơn vị cấu trúc lại quyết định chủ
yếu lên tính chất (hình 1.2) [3]. Các vật liệu Cu-MOFs như: Cu3(BTC)2,
Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), có đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU dạng paddlewheel gồm dimer kim loại liên kết với bốn nhóm carboxyl của các linker hữu cơ.
Các SBU dạng paddle-wheel liên kết với nhau bằng các cầu nối tạo mạng lưới
phẳng [M2L2]n, các mạng lưới này thường được liên kết với nhau qua các cầu nối

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

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).
Cu−Cu

Cu−OCO

Cu−G/ Cu−P

MOFs

TLTK
(Å)

(Å)

(Å)

Cu3(BTC)2

2,628

1,952


2,163

[20]

Cu2(BDC)2(DABCO)

2,627

1,996

2,101

[21]

4


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,


7


Bảng 1.2: So sánh đặc điểm cấu trúc và tính chất hóa lý của các vật liệu xốp với vật
liệu MOFs [27].

Vật liệu xốp

Đặc điểm cấu trúc và
lỗ xốp

Diện tích bề
mặt riêng
(m2/g)

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

Alumina hoạt
tính

Carbon rây phân
tử

Vô định hình; kích thước
lỗ xốp lớn hơn trong
carbon hoạt tính

MOFs

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

8

Đường kính
trung bình:
20 – 30 Å

< 1000

Vài ngàn

Đường kính
trung bình:
20 – 50 Å

Đường kính
cửa sổ:

(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.

9