Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Vật liệu khung hữu cơ-kim loại (MOF)
1.1.1 Giới thiệu về vật liệu khung hữu cơ-kim loại
Nghiên cứu về xúc tác dị thể nhằm thay thế hoàn toàn xúc tác đồng thể đang là mục tiêu của nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, giúp tối ưu hóa quá trình tách và tinh chế sản phẩm, đồng thời nâng cao khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác, góp phần “xanh hóa” công nghệ hóa học Tuy nhiên, xúc tác dị thể thường gặp khó khăn về hiệu quả do hạn chế trong truyền khối, diện tích tiếp xúc và phân bố các tâm hoạt động Vì vậy, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đang tập trung tìm ra hệ xúc tác có khả năng khắc phục những nhược điểm này.
Vào khoảng năm 1990, nhóm nghiên cứu của giáo sư Yaghi đã phát triển vật liệu khung hữu cơ-kim loại (MOF) dựa trên ý tưởng của giáo sư Robson, với đặc tính nổi bật về độ xốp và diện tích bề mặt lên đến hơn 6000 m²/g theo giả thuyết BET Vật liệu này cho phép điều chỉnh kích thước lỗ xốp theo yêu cầu, dẫn đến những ứng dụng đáng chú ý trong lĩnh vực hấp phụ và lưu trữ khí.
Hình 1 1 Cấu trúc hình học của một số loại IR-MOF tiêu biểu [6]
Sự phát triển của nhiều loại vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF) với hơn 13,000 cấu trúc khác nhau đã chứng minh khả năng ứng dụng linh hoạt trong nhiều lĩnh vực Kết hợp những ưu điểm của vật liệu xốp vô cơ và hữu cơ, MOF không chỉ nổi bật trong việc hấp phụ khí mà còn cho thấy tiềm năng cao trong lĩnh vực xúc tác Trong suốt thập kỷ qua, MOF đã trở thành một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn trong ngành xúc tác.
Hình 1 2 Một số thống kê về các bài báo và cấu trúc MOF được công bố từ 1990 đến 2006 [9, 12]
1.1.2 Cấu trúc vật liệu MOF
MOF, hay vật liệu khung hữu cơ, là một loại polymer đa chiều có cấu trúc trật tự trong không gian, khác biệt so với nhiều polymer hữu cơ khác Cấu trúc của MOF được hình thành từ các liên kết cho nhận giữa các ion kim loại như Cu, Zn, Fe, Ni, Co và các cầu nối hữu cơ chứa nguyên tố phi kim như O, S, P Sự linh hoạt trong tổ hợp này cho phép điều chỉnh kích thước lỗ xốp và cấu trúc hình học của MOF thông qua việc thay đổi độ dài của phân tử hữu cơ, nhóm chức, hoặc các kim loại tại vị trí nút mạng Đặc biệt, những thay đổi này có thể được dự đoán trước, điều mà trước đây gần như không thể thực hiện Sự phát triển của MOF và các phương pháp tổng hợp liên quan đã giúp các nhà khoa học kiểm soát quá trình tạo ra vật liệu từ ý tưởng đến hiện thực.
O acid malonic acid succinic acid glutaric acid phthalic acid isophthalic
Hình 1 3 Một số ligand hữu cơ được sử dụng trong tổng hợp MOF [12]
1.1.3 Tính chất vật liệu MOF
Việc sử dụng MOF làm xúc tác rắn mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt là diện tích bề mặt cao giúp cải thiện đáng kể khả năng truyền khối so với các xúc tác dị thể truyền thống Các tâm kim loại và nhóm chức trên ligand có thể điều chỉnh linh hoạt, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong xúc tác Nghiên cứu gần đây cho thấy hàm lượng tâm kim loại trong cấu trúc MOF cao hơn so với các xúc tác rắn truyền thống, và các tâm kim loại này được cố định bằng các liên kết hóa học mạnh trong mạng tinh thể, điều này rất quan trọng cho quá trình tinh chế sản phẩm cũng như tách và thu hồi xúc tác.
Khả năng kết hợp các nhóm chức năng vào vật liệu khung cơ kim (MOF) là một trong những đặc điểm nổi bật, giúp đa dạng hóa cấu trúc vật liệu Quá trình tổng hợp MOF thường diễn ra trong điều kiện êm dịu, cho phép gắn kết trực tiếp các nhóm chức khác nhau vào khung Điều này không chỉ hỗ trợ việc cố định mà còn tối ưu hóa hiệu quả sử dụng các tâm kim loại quý và hiếm.
Hình 1 4 Biến tính MOF-199 nhầm tăng khả năng hấp thụ khí NO [25]
Hình 1 5 Biến tính ligand IR-MOF3 nhầm cố định ion valadium [19]
Nghiên cứu ban đầu về việc sử dụng MOF làm xúc tác acid Lewis trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ đơn giản đã mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng vật liệu này Hiện nay, xúc tác MOF đã trở nên phổ biến và đạt nhiều thành công nổi bật Đặc biệt, trong những năm gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu đã chứng minh vai trò đa dạng của MOF, không chỉ là xúc tác acid Bronsted mà còn là base Lewis.
Ứng dụng vật liệu MOF trong lĩnh vực xúc tác
1.2.1 Sử dụng vật liệu MOF làm xúc tác acid Lewis
Vật liệu MOF, được cấu tạo từ các cầu nối hữu cơ và kim loại chuyển tiếp như Cu, Zn, Ni, Co, có khả năng còn lại những obitan d trống sau khi tạo cấu trúc, đã trở thành đối tượng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực xúc tác acid Lewis Gần đây, vật liệu IRMOF-3 đã chứng minh hiệu quả trong phản ứng Paal Knorr giữa benzylamine và 2,5-hexadione, tạo ra các dẫn xuất pyrrole với độ chuyển hóa hoàn toàn ở nhiệt độ phòng trong thời gian ngắn Đặc biệt, IRMOF-3 cho thấy khả năng thu hồi và tái sử dụng vượt trội, có thể tái sử dụng đến 8 lần mà không làm giảm đáng kể độ chuyển hóa, đồng thời cấu trúc và liên kết bên trong vật liệu gần như không thay đổi.
Hình 1 6 Phản ứng Paal Knorr với sự có mặt của xúc tác IRMOF-3 [17]
Khả năng xúc tác của vật liệu MOF phụ thuộc vào cấu trúc và cách liên kết giữa tâm kim loại và các cầu nối hữu cơ Nghiên cứu cho thấy, vật liệu MOF có tâm kim loại mở thể hiện hoạt tính xúc tác, đặc biệt là tính acid Lewis, cao hơn so với các cấu trúc khác Cụ thể, trong nghiên cứu về phản ứng acetalization giữa benzaldehyde và methanol, nhóm tác giả Amarajothi đã chỉ ra rằng tâm xúc tác là kim loại Cu trong cấu trúc mở của MOF-199 mang lại nhiều lợi thế cho quá trình phản ứng.
Hình 1 7 Phản ứng acetalization được xúc tác bởi vật liệu MOF-199 [35]
Vào năm 2011, nhóm tác giả Jiri Cejka đã nghiên cứu việc sử dụng MOF-199 làm xúc tác cho phản ứng Friedlander giữa 2-aminobenzophenone và acetylacetone, qua đó chứng minh hoạt tính ổn định và khả năng vượt trội của tâm Cu trong cấu trúc mở Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tổng hợp các vật liệu MOF có cấu trúc tâm mở nhằm nâng cao hiệu quả trong các nghiên cứu về xúc tác dị thể.
Hình 1 8 Phản ứng Friedlander giữa 2-aminobenzophenone và acetylacetone [36]
1.2.2 Sử dụng vật liệu MOF làm xúc tác acid Bronsted
Gần đây, nhóm tác giả Corma và đồng sự đã chỉ ra rằng sự hình thành tâm acid Bronsted trong một số cấu trúc IRMOF là kết quả của quá trình thủy phân liên kết Zn-O Sự xuất hiện của các tâm acid này cũng có thể do quá trình dehydro hóa không hoàn toàn các đầu carboxylic acid từ các ligand, như trong trường hợp của [Co(HOBA)2 _2H2O] (H2OBA: 4,4-oxybis(benzoic acid)) Bên cạnh đó, sự tồn tại của các phân tử acid trong cấu trúc MOF, như trong Cu(L-asp)bpe0.5(HCl)(H2O) (L-asp: L-aspartate; bpe: 1,2-bis(4-pyridyl)ethylene), là do việc sử dụng một lượng acid cố định trong quá trình tổng hợp Điều này mở ra cơ hội tăng cường hoạt tính xúc tác cho các vật liệu MOF.
Hình 1 9 Sự thủy phân lien kết Zn-O trong cấu trúc MOF dẫn đến sự xuất hiện của tâm acid
1.2.3 Sử dụng vật liệu MOF làm xúc tác base Lewis
Vật liệu MOF nổi bật nhờ khả năng đa dạng hóa thông qua sự kết hợp linh hoạt giữa các tâm kim loại chuyển tiếp và cầu nối hữu cơ Việc thay đổi hoặc thêm vào các nhóm chức như nitro, amino trong cầu nối hữu cơ có thể tạo ra sự biến đổi đáng kể về tính chất của vật liệu này.
Việc bổ sung một nhóm amino tại vị trí ortho trên ligand của IRMOF-1 đã cải thiện đáng kể khả năng hấp phụ và lưu trữ khí của vật liệu mới IRMOF-3.
Hình 1 10 Phản ứng ngưng tụ Knoevenagel sử dụng xúc tác IRMOF-3 [33]
Việc thêm các nhóm amino vào cấu trúc vật liệu có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng xúc tác, giúp tăng cường tính base Lewis Nghiên cứu của nhóm tác giả Gascon đã chứng minh điều này khi sử dụng vật liệu IRMOF-3 làm xúc tác cho phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa benzaldehyde và ethyl cyanoacetate hoặc ethyl acetoacetate Kết quả cho thấy phản ứng đạt hiệu suất gần 100% chỉ sau 2 giờ.
1.2.4 Sử dụng vật liệu MOF làm xúc tác cho các phản ứng oxi hóa
Tận dụng tối đa sự đa dạng của tâm kim loại chuyển tiếp trong cấu trúc vật liệu MOF, nhiều nhóm nghiên cứu đã ứng dụng các vật liệu MOF với tâm kim loại như Fe và Cu.
Cr và Co được sử dụng để oxi hóa các hợp chất như amine, alcol, cycloalkane, và cycloalkene, với một thành công nổi bật trong việc áp dụng MOF là tăng cường độ chọn lọc cho các sản phẩm mong muốn Một nghiên cứu gần đây của nhóm tác giả Ferey cho thấy việc sử dụng hệ xúc tác NHPI (N-hydroxyphthalimide) gắn trên FeBTC để oxi hóa cyclooctane đã đạt được độ chọn lọc cho cyclooctanol và cyclooctanone lên đến hơn 90% sau 6 giờ, trong điều kiện không dung môi.
Hình 1 11 Phản ứng oxi hóa cyclooctane với tham gia của hệ xúc tác NHPT/FeBTC [38]
Vào năm 2010, nhóm tác giả Amarajothi Dhakshinamoorthy đã nghiên cứu phản ứng oxi hóa các dẫn xuất của benzylamine trên hệ xúc tác, đạt được độ chuyển hóa gần như hoàn toàn sau 24 giờ và độ chọn lọc sản phẩm N-benzylidenebenzylamine lên tới hơn 90% Kết quả này cho thấy hệ xúc tác này có tiềm năng ứng dụng hiệu quả trong các phản ứng oxi hóa các dẫn xuất amine và cycloalkane.
Hình 1 12 Hệ xúc tác NHPT/FeBTC tham gia phản ứng oxi hóa benzylamine [39]
1.2.5 Sử dụng vật liệu MOF làm chất mang cho các kim loại hoạt động
Vật liệu MOF, với bề mặt riêng vượt trội và kích thước lỗ xốp lý tưởng, đã được ứng dụng thành công như chất mang cho các kim loại hoạt động như Pd và Au Nghiên cứu của nhóm tác giả Shunai Che cho thấy MOF-5 hiệu quả trong việc mang Pd, với khả năng đưa 3wt% Pd lên vật liệu này Hoạt tính của MOF-5 được khảo sát qua phản ứng ghép đôi Sonogashira giữa iodobenzene và phenylacetylene, diễn ra trong 3 giờ và đạt hiệu suất phản ứng trên 98%.
Hình 1 13 Phản ứng Sonogashira với xúc tác Pd/MOF-5 [40]
Nhóm tác giả Rong Cao đã khảo sát hoạt tính của vật liệu khung cơ kim tẩm Pd, sử dụng giá mang là MIL-101 và MIL-53, thuộc họ vật liệu MOF khác Họ đã đưa gần 1wt% Pd lên hai loại vật liệu này và tiến hành khảo sát phản ứng ghép đôi C-N giữa iodobenzene và các dẫn xuất indole.
10 hành trong dung môi DMF, tại 120oC, trong 24 giờ, hiệu suất của các phản ứng đều đạt trên 85% [21]
Hình 1 14 Phản ứng ghép đôi C-N giữa dẫn xuất indole và iodobenzene [21]
Tồng quan về phản ứng Friedlọnder cải tiến và phản ứng ghộp đụi C-O
Phản ứng Friedländer, được đặt theo tên nhà hóa học Đức Paul Friedländer, là phương pháp tổng hợp các dẫn xuất quinoline từ o-aminoaryl aldehydes hoặc ketones kết hợp với ketone có nhóm α-methylene Nghiên cứu này tập trung vào phản ứng 'modified Friedländer', trong đó nguyên liệu ban đầu được điều chỉnh từ o-aminoaryl aldehydes hoặc ketones sang o-aminoaryl primary alcohol Các dẫn xuất quinoline có vai trò quan trọng trong lĩnh vực sinh học và dược học, do đó quy trình tổng hợp chúng đang thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng nghiên cứu.
Hình 1 15 Phản ứng Friedlander giữa 2-aminoketones và ketones [41]
Đến nay, đã có nhiều phương pháp nghiên cứu để tổng hợp các dẫn xuất quinoline, bao gồm các phương pháp Skraup, Doebner-von Miller, Friedländer và Combes Trong số đó, phản ứng Friedländer được coi là phương pháp đơn giản và trực tiếp nhất để tổng hợp các dẫn xuất này Nhiều cơ chế phản ứng đã được đề xuất qua các nghiên cứu, trong đó cơ chế do Chan Sik Cho đề xuất đã thu hút được nhiều sự chú ý.
Hình 1 16 Cơ chế đề nghị của nhóm tác giả Chan Sik Cho [47]
Nhiều hệ xúc tác đã được áp dụng cho phản ứng tổng hợp quinoline, bao gồm các xúc tác acid như hydrochloric acid, sulfuric acid, p-toluenesulfonic acid và phosphoric acid, cùng với chất lỏng ion cho thấy hiệu quả xúc tác tốt Đặc biệt, các kim loại chuyển tiếp cũng được sử dụng trong các phản ứng này Tuy nhiên, hầu hết các phản ứng thường diễn ra trong điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ cao, sử dụng xúc tác độc hại và đắt tiền, gây khó khăn trong quá trình tách sản phẩm Gần đây, nghiên cứu của Elena Pérez-Mayoral và cộng sự về vai trò của xúc tác MOF 199 Cu3(BTC)2 trong phản ứng Friedlander đã đề xuất một cơ chế phù hợp Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu nhằm mở rộng tiềm năng ứng dụng của các phản ứng tổng hợp quinoline, đặc biệt là phản ứng Friedlander cải tiến, là vô cùng cần thiết.
1.3.2 Phản ứng ghép đôi O-aryl hóa giữa 4-nitrobenzaldehyde và phenol
Liên kết C-O là yếu tố then chốt trong việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ đa dạng Đặc biệt, liên kết diaryl ether xuất hiện phổ biến trong nhiều hợp chất quan trọng, bao gồm sản phẩm dược phẩm, nhựa dẻo và thuốc trừ sâu.
Liên kết này chứa nhiều hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học, bao gồm hormone thyroxine từ động vật có vú và kháng sinh vancomycin.
Hợp chất thyroxine và vancomycin có thể được hình thành thông qua các phản ứng thế ái nhân vào nhân thơm, như phản ứng Ullmann, ghép đôi Chan-Lam và phản ứng Buchwald-Hartwig Những nghiên cứu này chỉ ra rằng các phản ứng này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các liên kết cần thiết.
Hình 1 18 Một số phản ứng hình thành liên kết C-O
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phản ứng Chan-Lam sử dụng Cu(OAc)2 làm xúc tác, với yêu cầu tối thiểu là 1 đương lượng mol hoặc 10% khi sử dụng R-BF3K làm tác chất chính Hiện nay, xu hướng nghiên cứu phản ứng Chan-Lam chủ yếu tập trung vào ghép đôi C-N thay vì C-O Trong khi đó, phản ứng Buchwald-Hartwig được thực hiện với xúc tác Pd(OAc)2, với lượng xúc tác Pd được sử dụng dao động từ 1-4 mol.
% tùy thuộc vào phối tử hỗ trợ cho tâm xúc tác [38, 39] Việc sử dụng Pd rất đắt đỏ trong
13 khi những xúc tác tâm Cu rất thông dụng song song nên phản ứng Ullmann được ứng dụng rộng rãi cho các phản ứng ghép đôi C-O
Phản ứng ghép đôi Ullmann truyền thống yêu cầu điều kiện khắc nghiệt, thời gian dài và lượng xúc tác đồng lớn Tuy nhiên, với sự phát triển của các phối tử hỗ trợ cho tâm xúc tác, nghiên cứu về phản ứng Ullmann đang gia tăng Nhiều hệ xúc tác mới đã được phát triển, bao gồm CuI và các biến thể của nó như CuI được hỗ trợ bằng N,N-dimethyl glycine, Me4Phen, hoặc đồng xúc tác với Fe(acac)3 Các xúc tác đồng thể như CuSO4, CuCl2, và Cu(OTf)2.C6H6 cũng đã được ứng dụng, nhưng chúng khó thu hồi Việc sử dụng aryl halide trong phản ứng Ullmann gặp phải vấn đề về chi phí và độc tính Do đó, một nhóm tác giả người Trung Quốc đã đề xuất một phản ứng mới sử dụng nitroarenes làm tác chất chính, nhằm giảm thiểu việc sử dụng các hóa chất đắt tiền và độc hại.
Hình 1 19 Phản ứng ghép đôi C-O giữa 4-nitrobenzaldehyde và phenol [55]
Phản ứng Ullmann thường sử dụng xúc tác đồng thể và không thể thu hồi, tuy nhiên một số nghiên cứu đã chỉ ra khả năng tiến hành phản ứng này với xúc tác dị thể hoặc không dùng xúc tác Ví dụ, Li đã thực hiện phản ứng ghép đôi C-O với sự hỗ trợ của vi sóng, đạt hiệu suất cao, trong khi Mulla và Islam sử dụng xúc tác dị thể CuFAP hoặc polymer biến tính gắn thêm tâm xúc tác đồng Dù vậy, việc điều chế các xúc tác này gặp khó khăn, hàm lượng xúc tác cao và hiệu quả thu hồi không cao đã hạn chế ứng dụng của chúng Do đó, cần phát triển loại xúc tác dị thể hiệu quả hơn.
14 khả năng thu hồi cao sử dụng cho phản ứng ghép đôi mới ở trên là điều cần thiết cho phướng pháp tổng hợp hiện đại
Thực nghiệm
Tính cấp thiết và mục tiêu đề tài
Hóa học xanh đang trở thành xu thế tất yếu trong ngành tổng hợp hữu cơ và công nghệ hóa học Một trong những giải pháp hiệu quả để “xanh hóa” là thay thế xúc tác đồng thể truyền thống bằng xúc tác dị thể, đáp ứng các yêu cầu hoạt tính cho phản ứng Việc này không chỉ giảm đáng kể lượng phát thải từ xúc tác đồng thể mà còn nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm.
Việc sử dụng vật liệu MOF làm xúc tác cho các phản ứng đang thu hút sự chú ý toàn cầu, nhưng ở Việt Nam, nghiên cứu này vẫn còn mới mẻ Đề tài nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu MOF làm xúc tác rắn cho các phản ứng tổng hợp hữu cơ cần được chú trọng và khuyến khích Đặc biệt, việc khảo sát khả năng thay thế các xúc tác đồng thể truyền thống bằng xúc tác dị thể, đồng thời đảm bảo hoạt tính xúc tác cho phản ứng, là một hướng đi tiềm năng Do đó, tổng hợp vật liệu Cu-MOF làm xúc tác dị thể là một lĩnh vực nghiên cứu đáng được phát triển.
Trong đề tài này, hai phản ứng chính được nghiên cứu là phản ứng Friedlander cải tiến và phản ứng ghép đôi O-aryl hóa Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là khám phá và tối ưu hóa các phản ứng này để ứng dụng trong lĩnh vực hóa học hữu cơ.
Nghiên cứu này tổng hợp hai loại vật liệu Cu-MOF là Cu(BDC) và Cu2(BDC)2(DABCO) với cấu trúc tâm mở, đồng thời tiến hành kiểm tra các đặc tính hóa lý của chúng.
Khảo sát hoạt tính xúc tác của hai vật liệu được thực hiện thông qua hai phản ứng Friedlander cải tiến và phản ứng ghép đôi O-aryl Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, tỷ lệ tác chất, hàm lượng xúc tác, dung môi và base sử dụng đến độ chuyển hóa sản phẩm của hai phản ứng này.
Nội dung nghiên cứu
2.2.1 Tổng hợp các vật liệu Cu-MOF và phương pháp nghiên cứu
2.2.1.1 Tổng hợp vật liệu Cu(BDC)
Vật liệu khung cơ kim Cu(BDC) được tổng hợp qua phương pháp nhiệt dung môi, điều chỉnh từ quy trình của Carson Hỗn hợp bao gồm H2BDC và Cu(NO3)2.3H2O được hòa tan trong 45 ml DMF và phân phối vào 6 chai bi, giữ ở 130°C trong 48 giờ Sau phản ứng, sản phẩm rắn được tách ra bằng phương pháp lắng gạn và rửa hàng ngày với DMF trong 3 ngày Tiếp theo, sản phẩm được trao đổi dung môi với CH2Cl2 trong 3 ngày Cuối cùng, vật liệu được hoạt hóa ở 160°C trong 6 giờ dưới chân không, thu được 0,308 gam Cu(BDC) với hiệu suất 77% theo Cu(NO3)2.
2.2.1.2 Tổng hợp vật liệu Cu 2 (BDC) 2 (DABCO)
Vật liệu MOF Cu2(BDC)2(DABCO) được tổng hợp qua phương pháp nhiệt dung môi theo quy trình của nhóm giáo sư Mori Cụ thể, 80 ml dung môi DMF được sử dụng để hòa tan hỗn hợp gồm 1,4-benzenedicarboxylic acid (H2BDC), 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (DABCO) và Cu(NO3)2.3H2O Dung dịch này được chia đều vào 4 chai bi lớn và giữ ở nhiệt độ 120°C trong 48 giờ Sau khi làm nguội, sản phẩm rắn được tách ra bằng phương pháp lắng gạn và rửa với DMF Tiếp theo, sản phẩm được trao đổi dung môi với methanol và được hoạt hóa ở 140°C trong 6 giờ dưới điều kiện chân không Kết quả thu được là 0,57 gam Cu2(BDC)2(DABCO) với tinh thể màu xanh sáng, đạt hiệu suất 66% tính theo 1,4-benzenedicarboxylic acid.
2.2.1.3 Phương pháp phân tích xác định đặc tính vật liệu MOF
Hấp phụ vật lý được sử dụng để xác định bề mặt riêng và phân bố lỗ xốp của xúc tác, thực hiện trên máy Micromeritics ASAP 2020 Các mẫu được kích hoạt trong chân không ở 150 oC trong 3 giờ, sau đó tiến hành hấp phụ nitrogen ở 77K dưới áp suất thấp Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được thực hiện trên máy Netzsch Thermoanalyzer STA 409 với tốc độ gia nhiệt 10 oC/phút từ nhiệt độ phòng lên 800 oC trong điều kiện khí trơ.
Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) được tiến hành trên máy D8 Advance Bruker nhiễu xạ tia X dạng bột, với nguồn phát là Cu K
Phân tích nguyên tố được tiến hành bằng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (AAS) đo được trên máy AA-6800 Shimadzu
Phổ hồng ngoại (FT-IR) được thực hiện trên máy Nicolet 6700, với mẫu được nén viên KBr
Kết quả từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được thu thập trên máy S4800 và JEOL JEM 1400 cho thấy những thông tin quan trọng về cấu trúc và tính chất của mẫu nghiên cứu.
2.2.2 Khảo sát hoạt tính xúc tác và phương pháp nghiên cứu
2.2.2.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác trên phản ứng Friedlander cải tiến
Phản ứng đóng vòng Friedlander cải tiến được thực hiện giữa 2 amino benzylalcol và acetophenone, với sự hỗ trợ của vật liệu Cu(BDC làm xúc tác).
Hình 2 1 Phản ứng Friedlander cải tiến giữa 2-aminobenzylalcol và acetophenone
Quy trình thực hiện phản ứng
Phản ứng được thực hiện trong bình cầu 3 cổ dung tích 25 ml với hỗn hợp acetophenone (0.036 ml, 0.3 mmol), n-hexadecane (0.1 ml, 0.88 mmol) làm nội chuẩn trong dung môi DMF (3 ml), cùng Cu(BDC) và NaOH (0.036 g, 0.9 mmol) Hỗn hợp được khuấy trong 15 phút để phân tán Cu(BDC) vào pha lỏng, sau đó cho 2-Aminobenzyl alcohol (0.074 g, 0.6 mmol) vào và gia nhiệt ở 80 o C trong 1 giờ Mỗi 10 phút, khoảng 0.1 ml hỗn hợp được lấy ra để trung hòa trong NaOH (5% (w/w), 1 ml), pha hữu cơ được chiết bằng diethyl ether (3ml) và làm khan với Na2SO4 Độ chuyển hóa của phản ứng được xác định qua phân tích GC với n-hexadecane làm nội chuẩn, và sản phẩm được định danh bằng phương pháp GC-MS Để khảo sát khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác, Cu(BDC) sau phản ứng được tách ra bằng lắng gạn, rửa sạch và nung với DMF ở 100 o C trong 2 giờ trước khi được hoạt hóa và sử dụng lại.
Trong thí nghiệm chứng minh tính dị thể của xúc tác, sau 10 phút phản ứng, xúc tác được tách ra khỏi hỗn hợp Phần dịch còn lại được chuyển sang bình cầu khác, bổ sung NaOH như ban đầu và gia nhiệt đến 80 oC trong 50 phút, lấy mẫu sau mỗi 10 phút Mẫu được xử lý tương tự và phân tích bằng phương pháp sắc ký khí (GC).
2.2.2.3 Khảo sát hoạt tính trên trên phản ứng ghép đôi O-aryl hóa
Phản ứng ghép đôi C-O được thực hiện giữa 2 tác chất chính là phenol và 4-nitro benzaldehyde, với vật liệu MOF Cu2(BDC)2(DABCO) làm xúc tác chính
Hình 2 2 Phản ứng ghép đôi C-O giữa 4-nitrobenzaldehyde và phenol
Quy trình thực hiện phản ứng
Mỗi phản ứng chuẩn được thực hiện bằng cách kết hợp 0.0757 g 4-nitrobenzaldehyde (0.5 mmol) với 0.09 ml phenol (1 mmol) trong 4 ml DMF, cùng với 0.1 ml n-hexadecane làm nội chuẩn và 0.276 g K2CO3 làm base Tất cả được cho vào bình cầu 3 cổ và khuấy đều trước khi thêm 0.0043 g.
Cu2(BDC)2(DABCO) được thêm vào hỗn hợp phản ứng và nâng nhiệt độ lên 100 °C trong 2 giờ Mẫu được lấy ở 6 thời điểm liên tiếp từ khi bắt đầu phản ứng, được đánh số từ t1 đến t6 Sau đó, phản ứng tiếp tục trong 1 giờ nữa và mẫu tại thời điểm tc được thu thập.
Trong quy trình này, sau 20 phút phản ứng, lấy 0.07 ml mẫu và hòa tan vào 4 ml KOH/diethyl ether với tỷ lệ thể tích 1:3 Tác chất cùng sản phẩm sẽ tan trong pha ether, và dịch trích sau đó được làm khan.
Na2SO4 Pha ether được đem đi phân tích sắc ký khí (GC) để tính độ chuyển hoá theo 4- phenoxybenzaldehyde được tạo thành tại thời điểm đó
Sau khi các phản ứng kết thúc, ngưng khuấy và để cho xúc tác lắng xuống đáy bình Sau đó, loại bỏ lớp dung dịch phía trên và giữ lại xúc tác ở đáy Tiến hành rửa xúc tác nhiều lần với DMF để loại bỏ các tác chất hấp phụ vật lý Cuối cùng, xúc tác thu hồi được sấy khô ở nhiệt độ thường và có thể sử dụng lại cho phản ứng mới giữa 4-nitrobenzaldehyde và phenol.
2.2.2.4 Phương pháp phân tích hoạt tính xúc tác của vật liệu
Mẫu sau khi trích ly được phân tích trên máy sắc ký khí Schimadzu GC-2010 Với, cột phõn tớch: SPB-5 (Cỏc kớch thước 30m x 0.25mm x 0.25àm), detector: FID, khớ mang: N2
Chương trình nhiệt sử dụng ứng dụng Friedlander bao gồm các bước gia nhiệt mẫu từ 40°C lên 100°C với tốc độ 40°C/phút, sau đó từ 100°C lên 180°C cũng với tốc độ 40°C/phút và giữ ở 180°C trong 2 phút Tiếp theo, nhiệt độ được tăng từ 180°C lên 280°C với tốc độ 50°C/phút và giữ ở 280°C trong 1 phút.
GC, độ chuyển hoá của phản ứng được xác định theo phương pháp nội chuẩn với chất nội chuẩn là hexadecane
Chương trình nhiệt cho phản ứng ghép đôi C-O được thực hiện bằng cách gia nhiệt từ 120 oC đến 280 oC với tốc độ 40 oC/phút, sau đó giữ ở 280 oC trong 2.5 phút Đầu dò và dòng khí vào được duy trì ở 300 oC Độ chuyển hoá của phản ứng được xác định từ dữ liệu GC theo phương pháp nội chuẩn, sử dụng n-hexadecane làm chất nội chuẩn.
Sản phẩm của phản ứng đã được xác minh thông qua phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) Dữ liệu phân tích được thu thập bằng máy GC 5890 HP/MS 5792 HP, sử dụng cột RTX-5MS với kích thước 30 m x 0,25 mm x 0,5 µm Chương trình nhiệt độ được thiết lập từ 60oC đến 280oC với tốc độ gia nhiệt 10oC/phút, và duy trì ở 280oC trong 2 phút.
Kết quả và bàn luận
Kết quả phân tích đặc tính hóa lý của vật liệu Cu-MOF
Vật liệu Cu(BDC) được tổng hợp dựa trên phương pháp nhiệt dung môi thông qua phản ứng
Kết quả XRD cho thấy vật liệu Cu(BDC) có hai đỉnh cao và nhọn dưới 15 độ, điều này thường thấy ở các vật liệu MOF Sự xuất hiện của các đỉnh này chứng minh rằng vật liệu được tổng hợp có độ tinh thể cao và sắp xếp đồng đều của các mặt tinh thể Kết quả này cũng thể hiện sự tương đồng với nghiên cứu trước đây của nhóm tác giả Tannenbaum.
Và, kết quả phân tích nguyên tố AAS cho thấy % Cu khoảng 25,28 %, cũng tương đối phù hợp với các nghiên cứu trước đầy về loại vật liệu này [52]
Hình 3 1 Kết quả XRD của vật liệu Cu(BDC)
Vật liệu Cu(BDC) đã được khảo sát qua phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR), cho thấy sự tham gia của nhóm acid carboxylic trên phân tử H2BDC với các ion kim loại Trong phổ hồng ngoại của acid 1,4-benzenedicarboxylic (H2BDC), dao động đặc trưng cho nhóm C=O trong acid cacboxylic xuất hiện ở vị trí 1680 cm -1 Tuy nhiên, khi so sánh với phổ hồng ngoại của vật liệu Cu(BDC), dao động này biến mất và xuất hiện dao động mới ở vị trí 1587 cm -1, chứng tỏ phản ứng của nhóm -COOH với các ion kim loại đã xảy ra Kết quả phổ FT-IR này cũng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tổng hợp MOF từ phản ứng giữa ion kim loại và cầu nối polycarboxylic acid.
Hình 3 2 - Kết quả IR của vật liệu Cu(BDC) (a), và ligand 1,4- Benzenedicarboxylic acid (b)
Khi quan sát vật liệu Cu(BDC) dưới kính hiển vi điện tử bằng hai phương pháp SEM và TEM, các hình ảnh thu được đã chứng minh rằng vật liệu này có cấu trúc tinh thể cao và sự hiện diện của các vi lỗ xốp.
Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cho thấy vật liệu Cu(BDC) mất khoảng 18% khối lượng trong khoảng nhiệt độ từ 230 °C đến 260 °C, điều này cho thấy sự phân hủy của các phân tử DMF còn lại trong cấu trúc MOF Tiếp theo, trong khoảng nhiệt độ từ 370 °C đến 440 °C, khối lượng vật liệu giảm khoảng 49%, đánh dấu giai đoạn bắt đầu phân hủy của vật liệu MOF Cu(BDC) do nhiệt độ Những kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về loại vật liệu này.
Hình 3 4 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của vật liệu MOF Cu(BDC)
Hình 3 5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ/giải hấp N 2 của vật liệu MOF Cu(BDC) ở 77K
Một yếu tố quan trọng thể hiện tính đặc trưng của vật liệu MOF so với các vật liệu xốp truyền thống là diện tích bề mặt riêng và độ xốp của nó Nghiên cứu khả năng hấp phụ N2 của vật liệu MOF Cu(BDC) tại 77K dưới áp suất thấp đã mang lại hai kết quả quan trọng: đường phân bố kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt của vật liệu.
Diện tích bề mặt riêng của Cu(BDC) được xác định là 599 m²/g theo phương pháp BET và 827 m²/g theo phương pháp Langmuir, cho thấy sự vượt trội so với các nghiên cứu trước đây Bên cạnh đó, kích thước đường kính lỗ xốp đạt 5,65 Å, với thể tích lỗ xốp trung bình là 0,3 cm³/g.
3.1.2 Vật liệu Cu2(BDC)2(DABCO)
Vật liệu Cu2(BDC)2(DABCO) được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi từ các nguyên liệu gồm Cu(NO3)2.3H2O (0.8g, 3.3 mmol), acid 1,4-benzenedicarboxylic (0.506 g, 3.04 mmol) và 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (0.188 g, 0.168 mmol) thông qua một phản ứng hóa học.
2Cu 2+ + 2H2BDC + DABCO → Cu2(BDC)2(DABCO) + 8H +
Kết quả XRD cũng cho thấy có sự xuất hiện của khá nhiều mũi tại vị trí 2 nhỏ hơn
Nghiên cứu cho thấy vật liệu tổng hợp có độ tinh thể cao với một mũi xuất hiện ở vị trí 2θ nhỏ hơn 10°, cho thấy cường độ lớn và sắc nét So với kết quả XRD của vật liệu Cu(BDC), khoảng cách các ô mạng đã tăng đáng kể, thể hiện qua sự dịch chuyển của peak chính về các góc 2θ nhỏ hơn Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu trước đây Phân tích nguyên tố AAS cho thấy tỷ lệ Cu khoảng 23,16%, tương thích với các nghiên cứu trước về loại vật liệu này.
Hình 3 6 Kết quả XRD của vật liệu MOF Cu 2 (BDC) 2 (DABCO)
Vật liệu Cu2(BDC)2(DABCO) đã được khảo sát bằng phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR), cho thấy sự biến mất của dao động tại vị trí 1680 cm-1 trong phổ hồng ngoại của acid 1,4-benzenedicarboxylic (H2BDC) Thay vào đó, xuất hiện dao động mới tại vị trí này.
Trong phổ IR của vật liệu Cu2(BDC)2(DABCO), số sóng 1624 cm -1 cho thấy phản ứng tạo liên kết giữa ion Cu 2+ và các phân tử acid đã diễn ra Sự vắng mặt của dao động –OH tại 3560 cm -1 chứng minh quá trình deproton hóa gần như hoàn toàn trên các phân tử acid Ngoài ra, sự giảm cường độ dao động C-N ở 1058 cm -1 giữa DABCO và Cu2(BDC)2(DABCO) chỉ ra rằng liên kết đã hình thành giữa các nguyên tử N và tâm kim loại Theo báo cáo gần đây của nhóm tác giả Tan, dao động ν (Csp3- N) nằm trong khoảng 1054 cm -1.
Hình 3 7 Kết quả IR của vật liệu MOF Cu 2 (BDC) 2 (DABCO) và các ligand
Tinh thể Cu2(BDC)2(DABCO) đã được quan sát qua kính hiển vi điện tử quét và truyền qua, cho thấy vật liệu có độ tinh thể cao và tồn tại dưới dạng các lăng trụ kích thước dưới 10 μm Kết quả từ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cũng chứng minh rằng vật liệu này có nhiều lỗ xốp nhỏ, với sự phân bố khác biệt so với các vật liệu xốp truyền thống.
Hình 3 8 Kết quả chụp TEM và SEM của vật liệu MOF Cu 2 (BDC) 2 (DABCO)
Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng của vật liệu MOF Cu2(BDC)2(DABCO) cho thấy độ bền nhiệt của nó được đánh giá trong điều kiện khí trơ Sự thay đổi khối lượng đầu tiên là khoảng 0.9388% do lượng dung môi còn lại trong tinh thể sau khi hoạt hóa Khối lượng gần như không giảm cho đến khi đạt nhiệt độ phân hủy Sự thay đổi khối lượng thứ hai là 16.93%, phản ánh sự phân hủy của DABCO trong vật liệu, trong khi sự thay đổi khối lượng thứ ba là 54.25%, tương ứng với sự phân hủy của BDC Những kết quả này hoàn toàn phù hợp với tính toán thành phần khối lượng của DABCO và BDC, cũng như với các nghiên cứu trước đây cho thấy Cu(BDC) phân hủy hoàn toàn ở 400°C Khối lượng còn lại khoảng 28% cao hơn hàm lượng đồng có trong vật liệu, do nó bao gồm hỗn hợp CuO, Cu2O hoặc kim loại Cu.
Vật liệu Cu-MOF đã được nghiên cứu khả năng hấp phụ đẳng nhiệt N2 ở 77K trong điều kiện áp suất thấp Kết quả cho thấy diện tích bề mặt riêng BET của Cu2(BDC)2(DABCO) đạt 1320 m²/g, trong khi diện tích bề mặt riêng Langmuir là 1957 m²/g, tương thích với các báo cáo trước đó, với giá trị BET từ 1240 đến 1891 m²/g Hơn nữa, nghiên cứu cũng xác định kích thước đường kính lỗ xốp là 6.3 Å và thể tích lỗ xốp trung bình là 0.53 cm³/g, phù hợp với các nghiên cứu trước đó về vật liệu này.
Hình 3 10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ/giải hấp của vật liệu MOF Cu 2 (BDC) 2 (DABCO)
Hình 3 11 Đường phân bố kích thước lỗ xốp của vật liệu MOF Cu 2 (BDC) 2 (DABCO)
Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác của các vật liệu Cu-MOF
3.2.1 Vật liệu Cu(BDC) và phản ứng Friedlander cải tiến
Nhiều nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng phản ứng Friedlander cải tiến đạt hiệu quả cao khi có mặt xúc tác mang tâm hoạt tính [Cu] Dựa trên các kết quả này, phản ứng Friedlander cải tiến được chọn để khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu Cu(BDC) Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ thích hợp giữa 2-aminobenzylalcohol và acetophenone, với sự có mặt của một base hỗ trợ.
Hình 3 12 Phương trình phản ứng Friedlander cải tiến giữa 2-aminobenxylalcol và acetophenone
Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chuyển hóa của phản ứng Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ 60°C đến 80°C để đánh giá hiệu quả của phản ứng.
Trong môi trường DMF với 3% mol xúc tác và 3 đương lượng KOH, tỷ lệ acetophenone:2-aminobenzylalcol là 1:2 Khi nhiệt độ giảm từ 80 o C xuống 60 o C, tốc độ phản ứng cũng giảm Ở 80 o C, phản ứng diễn ra nhanh chóng với độ chuyển hóa đạt khoảng 85% chỉ sau 10 phút và hoàn toàn sau 20 phút Tại 70 o C, độ chuyển hóa khoảng 30% sau 10 phút và đạt 100% sau 60 phút Ở 60 o C, độ chuyển hóa giảm mạnh Các nghiên cứu trước thường thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ 80 o C đến 100 o C, tùy thuộc vào bản chất xúc tác và hệ dung môi Một nghiên cứu cho thấy phản ứng đạt 95% độ chuyển hóa sau 1 giờ với xúc tác base mạnh Chan Sil Ko và cộng sự đã thực hiện phản ứng 2-aminobenzyl alcohol với alcohols trong dioxane ở 80 o C, sử dụng xúc tác RuCl2(PPh3)3 và KOH trong 20 giờ.
Một số phản ứng Friedlander đã được tiến hành ở nhiệt độ 100 o C với sự tham gia của Cu và Pd làm xúc tác Dựa trên kết quả thu được, nhiệt độ 70 o C đã được lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 3 13 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa của phản ứng
Hàm lượng xúc tác được khảo sát kỹ lưỡng trong quá trình nghiên cứu Phản ứng diễn ra trong dung môi DMF ở nhiệt độ 70 o C, với sự hiện diện của 3% mol xúc tác.
Nghiên cứu sử dụng tỷ lệ tác chất acetophenone:2-aminobenzylalcol là 1:2 với hàm lượng xúc tác KOH 3equiv Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng xúc tác từ 1% lên 5%, tốc độ phản ứng cũng tăng theo, đạt độ chuyển hóa khoảng 93% sau 40 phút với 3% xúc tác Đặc biệt, độ chuyển hóa cao hơn được ghi nhận khi sử dụng 5 mol% xúc tác, nhấn mạnh vai trò quan trọng của xúc tác trong phản ứng Hàm lượng 5 mol% này cũng phù hợp với các nghiên cứu trước đó, nơi thường sử dụng khoảng 5 mol% xúc tác cho phản ứng đóng vòng của 2-aminobenzyl alcohol với nhiều ketones Ngoài ra, với 5 mol% Yb(OTf)3, độ chuyển hóa đạt từ 70-90% Đáng chú ý, phản ứng Friedlander cải tiến với 5 mol% xúc tác đạt chuyển hóa hoàn toàn chỉ sau 40 phút, nhanh hơn nhiều so với các nghiên cứu trước đó như phản ứng với đồng mất tới 20 giờ hay phản ứng với Ruthenium cần 20 giờ để đạt 78% chuyển hóa.
Hình 3 14 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến độ chuyển hóa của phản ứng
Tỉ lệ mol là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, bên cạnh nhiệt độ và hàm lượng xúc tác Nghiên cứu được thực hiện trong dung môi DMF ở 70 oC với 5% mol xúc tác và 3 đương lượng KOH Kết quả cho thấy tỉ lệ mol acetophenone/alcohol 1:2 cho phép đạt độ chuyển hóa 57% chỉ sau 10 phút, và tăng dần đến chuyển hóa hoàn toàn Tỉ lệ mol 1:1,5 cho thấy độ chuyển hóa giảm không đáng kể so với tỉ lệ 1:2, trong khi tỉ lệ mol 1:1 làm giảm tốc độ phản ứng nhanh chóng Do đó, tỉ lệ mol acetophenone/alcohol tối ưu là 1:1,5.
Hình 3 15 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ tác chất đến độ chuyển hóa phản ứng
Base đóng vai trò quan trọng trong phản ứng Friedlander cải tiến, đặc biệt trong bước ngưng tụ aldol Mặc dù có nhiều cơ chế được đề xuất, nhưng tất cả đều nhất trí về vai trò của base trong giai đoạn này Chan Sik Cho và đồng sự đã đề nghị một cơ chế phản ứng bao gồm hai bước chính: ngưng tụ aldol và imin hóa Kết quả từ phân tích GCMS cho thấy sự hiện diện của aminobenzaldehyde, cho thấy khả năng cao rằng phản ứng diễn ra theo cơ chế này Nhiều loại base đã được sử dụng trong phản ứng Friedlander với hệ xúc tác đồng, và trong khảo sát này, một số loại base đã được chú ý, với phản ứng được thực hiện ở 70 độ C, trong dung môi DMF, với 5% mol xúc tác.
33 tỷ lệ tác chất giữa acetophenone:2-aminobenzylalcol được sử dụng trong thí nghiệm này là 1:1.5, cùng với sự hỗ trợ của 3 equiv base các loại
Hình 3 16 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của một số loại base đến độ chuyển hóa của phản ứng
Kết quả nghiên cứu cho thấy mối liên hệ giữa độ chuyển hóa và thời gian phản ứng với các loại base khác nhau, cụ thể là độ chuyển hóa giảm theo thứ tự: NaOH > KOH > CH3ONa > K3PO4 NaOH cho độ chuyển hóa cao nhất, đạt 71% sau 10 phút, sau đó tăng nhanh lên 93% và 98% trước khi hoàn toàn Nồng độ base là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phản ứng, đã được nghiên cứu trong nhiều phản ứng trước đó, như trong phản ứng Friedlander với xúc tác ruthenium, khuyến nghị sử dụng 1 equiv Trong khi đó, phản ứng giữa 2-aminobenzyl alcohol và ketones được tối ưu với 3 equiv base Đặc biệt, phản ứng tổng hợp quinolone ghi nhận độ chuyển hóa rất cao với 1.5 equiv base mạnh Các khảo sát cũng được thực hiện trong điều kiện tương tự như các thí nghiệm trên.
Hình 3 17 Kết quả khảo sát hàm lượng base đến độ chuyển hóa của phản ứng Friedlander cải tiến
Dữ liệu từ đồ thị cho thấy rằng lượng base sử dụng có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng Cụ thể, khi sử dụng 2 đương lượng base, độ chuyển hóa thấp, trong khi với 2.5 equiv base, độ chuyển hóa cao hơn được ghi nhận Sự thấp trong độ chuyển hóa với 1 equiv base một lần nữa nhấn mạnh vai trò quan trọng của base trong phản ứng Tổng quát, hàm lượng base 3 equiv mang lại kết quả khảo sát tốt hơn so với các đương lượng khác, do đó, lượng này được chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.
Trong các phản ứng hữu cơ, tốc độ phản ứng bị ảnh hưởng bởi dung môi và bản chất xúc tác Chan Sik Cho và cộng sự đã cải tiến phản ứng Friedlander của 2-aminobenzylalcohol với các ketones bằng cách sử dụng xúc tác Palladium trong toluen, đạt hiệu suất tổng hợp quinolone cao Nhiều nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng dung môi 1,4 dioxane là lựa chọn hiệu quả cho phản ứng Friedlander cải tiến Chan Sik Cho đã thực hiện nghiên cứu với xúc tác đồng trong 1,4 dioxane và ghi nhận độ chuyển hóa cao Thêm vào đó, 1,4 dioxane đã được chứng minh là dung môi tối ưu trong quy trình tổng hợp quinolone sử dụng base mạnh mà không cần kim loại chuyển tiếp.
Ying Cheng và cộng sự đã nghiên cứu tác động của các acid Lewis khác nhau đối với phản ứng Friedländer giữa 1,3-diketones và 2-aminoarylaldehyde trong dung môi ethanol Nghiên cứu này cũng đã thử nghiệm với nhiều dung môi khác nhau như DMF, DMA, NMP và toluene.
Hình 3 18 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của một số loại dung môi đến độ chuyển hóa của phản ứng Friedlander cải tiến
Kết quả thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng giảm theo thứ tự dung môi: Dimethylformamide (DMF) > Dimethylacetamide (DMA) > N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) > Toluene Độ chuyển hóa thay đổi chậm khi sử dụng DMF, DMA và NMP, nhưng giảm mạnh trong Toluene Phản ứng trong ba dung môi này (dung môi aprotic phân cực) nhanh chóng đạt độ chuyển hóa 71%, 73% và 29% sau 10 phút Điều này cho thấy độ chuyển hóa chủ yếu phụ thuộc vào độ phân cực của dung môi, với DMF được chọn làm dung môi cho các nghiên cứu tiếp theo.
Trong quá trình sử dụng xúc tác rắn, có thể xảy ra hiện tượng di chuyển của các tâm kim loại vào pha lỏng, thay vì giữ nguyên trong xúc tác dị thể Để xác định xem Cu(BDC) có phải là xúc tác dị thể hay không, nghiên cứu leaching đã được thực hiện Kết quả cho thấy độ chuyển hóa không thay đổi sau khi xúc tác Cu(BDC) được tách ra khỏi hỗn hợp, chứng tỏ rằng phản ứng tổng hợp sản phẩm quinolone từ 2-aminobenzyl alcohol và acetophenone không thể diễn ra nếu không có xúc tác rắn, và không có sự di chuyển của các tâm kim loại.
Trong thí nghiệm khảo sát này, cấu trúc MOF được chuyển đổi sang pha lỏng ở nhiệt độ 70°C trong dung môi DMF Quá trình thực hiện song song với sự tham gia của 1% mol xúc tác và 3 equiv KOH Tỷ lệ giữa acetophenone và 2-aminobenzylalcol được sử dụng là 1:2.
Hình 3 19 Kết quả khảo sát khả năng leaching của xúc tác Cu(BDC)