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 TỔNG QUAN .1 1.1 Vật liệu khung kim (MOFs) .1 1.2 Ứng dụng xúc tác Cu-MOFs 1.3 Phản ứng ghép đôi CC, CN .21 1.3.1 Giới thiệu 21 1.3.2 Phản ứng ghép đôi C–C tổng hợp aryl dị vòng .22 1.3.3 Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp ynamide .30 1.3.4 Phản ứng ghép đôi C–N tổng hợp -amino carbonyl .33 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM .36 2.1 Hóa chất thiết bị 36 2.1.1 Hóa chất 36 2.1.2 Thiết bị 36 v 2.2 Tổng hợp Cu-MOFs 38 2.2.1 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 dị vòng aryl halide, xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) 39 2.3.2 Phản ứng ghép đôi C–N 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 α-Carbonyl với amine, xúc tác Cu3(BTC)2 40 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .42 3.1 Đặc trưng cấu trúc Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu3(BTC)2 42 3.1.1 Đặc trưng cấu trúc Cu2(BPDC)2(BPY) .42 3.1.2 Đặc trưng cấu trúc Cu2(BDC)2(BPY) .47 3.1.3 Đặc trưng cấu trúc Cu3(BTC)2 50 3.2 3.2.1 Nghiên cứu xúc tác phản ứng ghép đôi C–C, C–N 55 Nghiên cứu xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) phản ứng ghép đôi C–C dị vòng aryl halide 55 3.2.2 Nghiên cứu xúc tác Cu2(BDC)2(BPY) phản ứng ghép đôi C–N amine có H linh động với alkyne đầu mạch 72 3.2.3 Nghiên cứu xúc tác Cu3(BTC)2 phản ứng ghép đôi C–N α- Carbonyl với amine .88 CHƯƠNG KẾT LUẬN .102 4.1 Tóm tắt kết đạt 102 vi 4.2 Đóng góp 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) báo cáo từ sở liệu Cambridge từ năm 1971 đến năm 2011 [1] Hình 1.2: Các đơn vị cấu trúc thứ cấp vô SBUs [13] 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] Hình 1.4: (a) Sự phát triển MOFs lĩnh vực xúc tác so với lĩnh vực nghiên cứu khác (b) phát triển ứng dụng MOFs lĩnh vực xúc tác năm gần [1, 25] Hình 3.1: XRD Cu2(BPDC)2(BPY) tổng hợp 42 Hình 3.2: XRD Cu2(BPDC)2(BPY) nghiên cứu khác [50] 43 Hình 3.3: Phân tích TGA Cu2(BPDC)2(BPY) 44 Hình 3.4: Phổ FT-IR Cu2(BPDC)2(BPY) (a), acid 4,4’-biphenyldicarboxylic (b) 4,4’-bipyridine (c) 45 Hình 3.5: Ảnh SEM Cu2(BPDC)2(BPY) 46 Hình 3.6: Ảnh TEM Cu2(BPDC)2(BPY) 46 Hình 3.7: XRD Cu2(BDC)2(BPY): (a) tổng hợp, (b) nghiên cứu khác [95]47 Hình 3.8: TGA Cu2(BDC)2(BPY) 48 Hình 3.9: Phổ FT-IR Cu2(BDC)2(BPY) (a), acid 1,4-benzenedicarboxylic (b), 4,4’-bipyridine (c) 48 Hình 3.10: Ảnh SEM Cu2(BDC)2(BPY) 49 viii Hình 3.11: Ảnh TEM Cu2(BDC)2(BPY) 50 Hình 3.12: XRD Cu3(BTC)2 tổng hợp: (a) sau gia nhiệt 24 giờ, (b) sau hoạt hóa chân không 51 Hình 3.13: XRD Cu3(BTC)2 nghiên cứu khác [48] 51 Hình 3.14: Phân tích TGA Cu3(BTC)2 52 Hình 3.15: Phổ FT-IR Cu3(BTC)2 (a) acid 1,3,5-benzenetricarboxylic (b) 53 Hình 3.16: Ảnh SEM Cu3(BTC)2 54 Hình 3.17: Ảnh TEM Cu3(BTC)2 54 Hình 3.18: Ảnh hưởng nhiệt độ lên độ chuyển hóa phản ứng 56 Hình 3.19: Ảnh hưởng tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa phản ứng 56 Hình 3.20: Ảnh hưởng nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng 57 Hình 3.21: Kiểm tra tính dị thể xúc tác 58 Hình 3.22: Ảnh hưởng base khác lên độ chuyển hóa phản ứng 59 Hình 3.23: Ảnh hưởng dung môi khác lên độ chuyển hóa phản ứng 60 Hình 3.24: Ảnh hưởng muối đồng khác lên độ chuyển hóa phản ứng 61 Hình 3.25: Ảnh hưởng Cu-MOFs khác lên độ chuyển hóa phản ứng 62 Hình 3.26: Kết phân tích XRD 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 Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác hấp phụ 2,2’-bipyridine; (c) phổ FT-IR 2,2’-bipyridine 64 Hình 3.28: Phổ FT-IR Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác hấp phụ triphenylphosphine; (c) phổ FT-IR triphenylphosphine 64 ix Hình 3.29: Khả thu hồi xúc tác 65 Hình 3.30: Phổ FT-IR Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 66 Hình 3.31: XRD Cu2(BPDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 66 Hình 3.32: (a) Ảnh hưởng nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng (b) độ chọn lọc sản phẩm 78 Hình 3.33: (a) Ảnh hưởng tỉ lệ mol tác chất lên độ chuyển hóa phản ứng (b) độ chọn lọc sản phẩm 79 Hình 3.34: Kiểm tra tính dị thể xúc tác 82 Hình 3.35: Khả thu hồi, tái sử dụng xúc tác độ chọn lọc sản phẩm 83 Hình 3.36: Phổ FT-IR Cu2(BDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 84 Hình 3.37: XRD Cu2(BDC)2(BPY): (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 84 Hình 3.38: Ảnh hưởng 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 nồng độ xúc tác lên độ chuyển hóa phản ứng 91 Hình 3.41: Kiểm tra tính dị thể xúc tác 94 Hình 3.42: Khả thu hồi, tái sử dụng xúc tác 95 Hình 3.43: Phổ FT-IR Cu3(BTC)2: (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 96 Hình 3.44: XRD Cu3(BTC)2: (a) xúc tác mới, (b) xúc tác tái sử dụng 96 x DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ 1.1: Cơ chế phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic với TBHP, xúc tác Fe (III) [40] 11 Sơ đồ 1.2: Phản ứng benzylamine ethyl acrylate sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [29] 11 Sơ đồ 1.3: Cơ chế phản ứng ngưng tụ Pechmann phenol ethyl acetoacetate, LA (acid Lewis) [39] 13 Sơ đồ 1.4: α – aryl hóa acetylacetone với aryl iodide sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [31] 13 Sơ đồ 1.5: Phản ứng ghép đôi Ullmann aryl iodide với phenol sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [33] 14 Sơ đồ 1.6: Phản ứng aldehyde khác với MeOH [41] 14 Sơ đồ 1.7: Cu3(BTC)2 xúc tác phản ứng oxy hóa hợp chất benzylic với tbutylhydroperoxide [40] 14 Sơ đồ 1.8: Phản ứng tạo indole [35] 15 Sơ đồ 1.9: Cu(BDC) xúc tác phản ứng Friedländer [32] 15 Sơ đồ 1.10: Cu2(BPDC)2(BPY) xúc tác phản ứng ghép đôi 2-hydroxybenzaldehyde 1,4-dioxane [42] 16 Sơ đồ 1.11: Cu2(BPDC)2(BPY) xúc tác phản ứng ghép đôi phenol với dimethyl formamide [28] 16 Sơ đồ 1.12: Phản ứng ghép đôi phenol nitroarene hình thành diaryl ether [30] 17 xi Sơ đồ 1.13: Phản ứng N-aryl hóa aryl halide với imidazole [43] 17 Sơ đồ 1.14: Phản ứng tổng hợp amide N,N-dimethylaniline acetic anhydride [46] 17 Sơ đồ 1.15: Phản ứng ghép đôi C–C N,N-dimethylaniline phenylacetylene sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [48] 18 Sơ đồ 1.16: Phản ứng ghép đôi CC N-methylaniline phenylacetylene sử dụng xúc tác Cu2(BDC)2(DABCO) [49] 18 Sơ đồ 1.17: Phản ứng ba tác chất tetrahydroisoquinoline, benzaldehyde phenylacetylene sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) [50] 19 Sơ đồ 1.18: Phản ứng oxy hóa đóng vòng α-hydroxyacetophenone phenylenediamine sử dụng xúc tác Cu(BDC) [51] 19 Sơ đồ 1.19: Phản ứng ghép đôi thành phần aldehyde–amine–alkyne [47] 20 Sơ đồ 1.20: Phản ứng ghép đôi CN benzimidazole 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) Cu(I) xúc tác phản ứng C2 aryl hóa (benz)oxazole [68] 23 Sơ đồ 1.24: Phản ứng aryl hóa (benz)oxazole chọn lọc C2, xúc tác Cu(I) [68].24 Sơ đồ 1.25: Cơ chế xúc tác Cu(I) (hướng A) Rossi đề nghị chu trình xúc tác Pd(0)/Cu(I) (hướng B) 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 1.30: Pd chất mang MIL-101 (Cr) xúc tác C2 aryl hóa indole [77] 29 Sơ đồ 1.31: Tổng hợp ynamide từ alkynyl halide sử dụng xúc tác Cu: a) Hsung (2003); b) Danheiser (2003); c) Hsung (2004) Bn= benzyl, Tol = tolyl [81] 31 Sơ đồ 1.32: Phản ứng oxy hóa ghép đôi Phenylacetylene với tác nhân nhân chứa nitrogen [53, 81] 32 Sơ đồ 1.33: Cơ chế phản ứng oxy hóa ghép đôi alkyne bậc ba với tác nhân nhân chứa nitrogen [53, 81] 32 Sơ đồ 1.34: Tổng shợp ynamide từ vinyl dibromide [81, 86] 33 Sơ đồ 1.35: Amine hóa ketene silyl acetal với O-benzoyl-N,N- dibenzylhydroxylamine, xúc tác Cu [90] 34 Sơ đồ 1.36: Các hướng tổng hợp α-amino carbonyl [82] 34 Sơ đồ 1.37: Phản ứng α-amine hóa carbonyl [82] 34 Sơ đồ 1.38: Cơ chế phản ứng ghép đôi Carbonyl−Amine, xúc tác Cu (II) [82] 35 Sơ đồ 2.1: Chương trình nhiệt GC/FID phản ứng (1), (2), (3) 37 Sơ đồ 2.2: Chương trình nhiệt GC/MS phân tích sản phẩm phản ứng theo sơ đồ 2.1 37 Sơ đồ 3.1: Phản ứng ghép đôi C–C dị vòng aryl halide sử dụng xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) 55 Sơ đồ 3.2: Phản ứng ghép đôi CN 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 chiều dài liên kết từ liệu SC-XRD Cu3(BTC)2, Cu2(BPDC)2(BPY), Cu2(BDC)2(BPY), Cu(BDC), Cu2(BDC)2(DABCO) Bảng 1.2: So sánh đặc điểm cấu trúc tính chất hóa lý vật liệu xốp với vật liệu MOFs [27] Bảng 1.3: Các phản ứng sử dụng Cu-MOFs làm xúc tác dị thể 10 Bảng 1.4: Đặc trưng cấu trúc tính acid chất xúc tác 12 Bảng 3.1: Aryl hóa aryl halidea 67 Bảng 3.2: Aryl hóa dị vòng khác 70 Bảng 3.3: Độ chuyển hóa phản ứng điều kiện tổng hợp tối ưu phản ứng dị vòng aryl halide 71 Bảng 3.4: Khảo sát ảnh hưởng dung môi, base, nhiệt độ 72 Bảng 3.5: Ảnh hưởng chất oxy hóa 75 Bảng 3.6: Ảnh hưởng thành phần không khí 76 Bảng 3.7: Ảnh hưởng xúc tác khác lên hiệu suất (%) độ chọn lọc sản phẩm 81 Bảng 3.8: Phản ứng ghép đôi CN amide/amine với alkyne 85 Bảng 3.9: Độ chuyển hóa phản ứng, độ chọn lọc sản phẩm điều kiện tổng hợp tối ưu phản ứng phenylacetylene với 2-oxazolidinone 86 Bảng 3.10: Tìm điều kiện tối ưu phản ứng với dung môi 92 Bảng 3.11: Ảnh hưởng xúc tác khác lên hiệu suất (%) độ chọn lọc sản phẩm 97 xiv 149 Hình S2.22: Phổ 1H NMR hợp chất 2-Morpholino-1-phenylpropan-1-one 150 Hình S2.23: Phổ 13C NMR hợp chất 2-Morpholino-1-phenylpropan-1-one 151 1-phenyl-2-(piperidin-1-yl)propan-1-one Cu3(BTC)2 (10,0 mg; mol%), KBr (36,0 mg; 30 mol%), propiophenone 99% (135 mg; 1,0 mmol; 1,0 đương lượng), 88 µL DMF Khuấy hỗn hợp phút Sau đó, piperidine (130,5 mg; 1,5 mmol; 1,5 đương lượng) 88 µL DMF nhỏ giọt vào hỗn hợp 10 phút Phản ứng khuấy 12 nhiệt độ phòng (32 oC) Sau sắc ký cột với hệ dung môi hexane : ethyl acetate = : 1, sản phẩm cô lập (165 mg, 76 %) 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 8,12-8,10 (2H); 7,55-7,51 (1H); 7,45-7,42 (2H); 4,10-4,06 (1 H); 2,59-2,55 (2H); 2,55-2,48 (2H); 1,56-1,53 (4H); 1,52-1,49 (2H); 1,4 (3H) 152 Hình S2.24: Phổ 13C NMR hợp chất 1-phenyl-2-(piperidin-1-yl)propan-1-one 153 2-(4-methylpiperazin-1-yl)-1-phenylpropan-1-one Cu3(BTC)2 (10,0 mg; mol%), KBr (36,0 mg; 30 mol%), propiophenone 99% (135 mg; 1,0 mmol; 1,0 đương lượng), 88 µL DMF Khuấy hỗn hợp phút Sau đó, 4-methylpiperazine (150 mg; 1,5 mmol; 1,5 đương lượng) 88 µL DMF nhỏ giọt vào hỗn hợp 10 phút Phản ứng khuấy 12 nhiệt độ phòng (32 oC) Sau sắc ký cột, sản phẩm cô lập (181 mg, 78%) 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 8,00 (2H); 7,61-7,59 (1H); 7,49-7,44 (2H); 4,29-4,25 (1H); 3,11-3,00 (4H); 2,96-2,88 (2H); 2,75-2,53 (3H); 1,35-1,24 (3H) 154 Hình S2.25: Phổ 13H NMR hợp chất 2-(4-methylpiperazin-1-yl)-1phenylpropan-1-one 155 Methyl 2-morpholino-2-phenylacetate Cu3(BTC)2 (20,0 mg; 10 mol%), KBr (36,0 mg; 30 mol%), methyl 2-phenylacetate (150 mg; 1,0 mmol; 1,0 đương lượng), 88 µL DMF Khuấy hỗn hợp phút Sau đó, morpholine (132 mg; 1,5 mmol; 1,5 đương lượng) 88 µL DMF nhỏ giọt vào hỗn hợp 10 phút Phản ứng khuấy 24 50 C Sau sắc ký cột, sản phẩm cô lập (113 mg, 48%) 1H NMR (500 MHz, o CDCl3) δ 7,45-7,43 (2H); 7,36-7,26 (3H); 4,00 (1H); 3,74-3,73 (4H); 3,72-3,68 (3H); 2,46-2,44 (4H) EI-MS: m/z 176 (M+) 156 Hình S2.26: Phổ 13H NMR hợp chất Methyl 2-morpholino-2-phenylacetate 157 Hình S2.27: Khối phổ hợp chất Methyl 2-morpholino-2-phenylacetate Methyl 2-(4-hydroxyphenyl)-2-morpholinoacetate Cu3(BTC)2 (20,0 mg; 10 mol%), KBr (36,0 mg; 30 mol%), methyl 2-(4hydroxyphenyl)acetate (167 mg; 1,0 mmol; 1,0 đương lượng), 88 µL DMF Khuấy hỗn hợp phút Sau đó, morpholine (132 mg; 1,5 mmol; 1,5 đương lượng) 88 µL DMF nhỏ giọt vào hỗn hợp 10 phút Phản ứng khuấy 12 50 oC Sau sắc ký cột, sản phẩm cô lập (184 mg, 73%) 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 7,29-7,26 (2H); 6,81-6,80 (2H); 3,90 (1H); 3,75-3,73 (4H); 3,72-3,68 (3H); 2,45 (4H) EI-MS: m/z 251 (M+) 158 159 Hình S2.28: Phổ 13 H NMR hợp chất methyl 2-(4-hydroxyphenyl)-2- morpholinoacetate 160 Hình S2.29: Khối phổ hợp chất morpholinoacetate 161 methyl 2-(4-hydroxyphenyl)-2- 3-morpholinopentan-2-one Cu3(BTC)2 (10,0 mg; mol%), KBr (36,0 mg; 30 mol%), pentan–2–one (86 mg; 1,0 mmol; 1,0 đương lượng), 125 µL methanol Khuấy hỗn hợp phút Sau đó, morpholine (132 mg; 1,5 mmol; 1,5 đương lượng) 125 µL MeOH nhỏ giọt vào hỗn hợp 10 phút Phản ứng khuấy 12 nhiệt độ phòng Sau sắc ký cột, sản phẩm cô lập (132 mg, 77%) 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 3,73-3,67 (5H); 2,88-2,85 (1H); 2,59-2,56 (2H); 2,47-2,42 (2H); 2,18-2,17 (3H); 1,69-1,61 (2H); 0,86 (3H) 162 Hình S2.30: Phổ 13H NMR hợp chất 3-morpholinopentan-2-one 163 ... hướng ứng dụng xúc tác loại vật liệu cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hoạt tính xúc tác [27] 1.2 Ứng dụng xúc tác Cu-MOFs Trong số MOFs công bố ứng dụng xúc tác Cu-MOFs cho hoạt tính xúc tác cao... iodide sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [31] 13 Sơ đồ 1.5: Phản ứng ghép đôi Ullmann aryl iodide với phenol sử dụng xúc tác Cu3(BTC)2 [33] Tác giả A Dhakshinamoorthy cộng [41] sử dụng Cu3(BTC)2 xúc tác phản. .. trúc Cu3(BTC)2 50 3.2 3.2.1 Nghiên cứu xúc tác phản ứng ghép đôi C–C, C–N 55 Nghiên cứu xúc tác Cu2(BPDC)2(BPY) phản ứng ghép đôi C–C dị vòng aryl halide 55 3.2.2 Nghiên cứu xúc