Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano từ tính làm xúc tác dị thể cho các phản ứng hình thành liên kết carbon-dị tố

Ứng dụng vật liệu nano từ tính xúc tác cho các phản ứng hữu cơ hình thành liên kết carbon-dị tố, tập trung vào các phản ứng chưa từng sử dụng vật liệu nano từ tính làm xúc tác. Xúc tác nano từ tính cần thể hiện được ưu điểm so với các xúc tác truyền thống, trong đó xúc tác phải có khả năng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng bằng cách sử dụng một nam châm, có khả năng thu hồi và tái sử dụng được. Từ đó, góp phần thực hiện các phản ứng hữu cơ nói trên theo định hướng của Hóa học xanh.

Tiến hành điều chế các vật liệu nano từ tính bằng phương pháp vi nhũ tương (microemulsion) như đã được công bố trước đây. Trong đó, các hạt nano từ tính hình thành từ các muối chloride riêng rẽ hay hỗn hợp trong dung môi nước, trong điều kiện có mặt chất hoạt động bề mặt tạo nhũ như sodium dodecyl sulfate (SDS). Tiến hành nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu nano từ tính làm xúc tác dị thể cho các phản ứng ghép đôi hình thành liên kết carbon-dị tố, chú trọng các phản ứng mới chưa từng sử dụng vật liệu nano từ tính làm xúc tác cũng như chưa từng thực hiện trong điều kiện xúc tác dị thể. Lần nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tô như nhiệt độ phản ứng, loại base sử dụng, hàm lượng xúc tác, tỷ lệ mol tác chất, và ảnh hưởng của nhóm thế hút điện tử hoặc nhóm thế đẩy điện tử lên độ chuyển hóa của phản ứng. Trong những thí nghiệm ở phần này, tiến hành theo dõi diễn biến của phản ứng theo thời gian, từ đó thu được kết quả có ý nghĩa hơn.

Tất cả hóa chất sử dụng trong nội dung nghiên cứu tổng hợp các vật liệu nano từ tính đều có nguồn gốc từ Merck, Sigma-Aldrich và Acros, thuộc loại sử dụng cho tổng hợp hữu cơ (synthesis). Các hóa chất được sử dụng trực tiếp mà không qua quá trình tinh chế lại. Từ đó Cơ quan chủ trì đề tài đã phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Lê Thành Dũng cùng thực hiện nghiên cứu sử dụng vật liệu nano từ tính làm xúc tác dị thể cho các phản ứng hình thành liên kết carbon-dị tố.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Đối với vật liệu nano từ tính CoFe2O4: Chuẩn bị dung dịch được hoà tan và dung dịch chất hoạt động bề mặt được hoà tan trong nước “khử oxygen” (250 ml). Đổ nhanh dung dịch chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate (SDS) (6.45 g, 19.15 mmol) trong nước “khử oxygen” (250 ml) vào dung dịch chứa CoCl2.6H2O (0.83 g, 3.45 mmol) và FeCl2.4H2O (1.49 g, 7.45 mmol) đã được hoà tan hoàn toàn trong nước “khử oxi” (250 ml). Sau đó, khuấy trên bếp từ trong 30 phút để hình thành dung dịch micelle gồm Co(DS)2 và Fe(DS)2. Dung dịch được khuấy mạnh và gia nhiệt đến khoảng 55-65 oC. Sau đó, đổ nhanh dung dịch methylamine (150 ml, 40% khối lượng) trong nước “khử oxygen” (350 ml) đã được gia nhiệt đến cùng nhiệt độ. Sau 5h khuấy mạnh ở nhiệt độ khoảng 55-65 oC, hạt nano được tách ra khỏi dung dịch bằng cách sử dụng nam châm đặt ngoài bình cầu. Hạt nano được rửa với những lượng dư nước, ethanol và n-hexane để loại bỏ chất hoạt động bề mặt dư bám trên bề mặt hạt. Sau khi rửa, sản phẩm được sấy khô qua đêm trong không khí ở nhiệt độ phòng. Kết quả thu được 0.8 g vật liệu nano từ tính CoFe2O4.

Đối với vật liệu CuFe2O4: Trong một thí nghiệm tiêu biểu, CuCl2.2H2O (0.6888 g, 4 mmol) và FeCl3.6H2O (2.206 g, 8 mmol) được cho vào 1 bình cầu chứa dung môi ethylene glycol (120 ml). Hỗn hợp thu được sẽ được khuấy trộn trên bếp khuấy từ ở nhiệt độ phòng trong thời gian 40 phút để thu được dung dịch trong suốt. NaOH (1.6667 g, 40 mmol) sau đó được thêm từ từ vào dung dịch nói trên. Hỗn hợp thu được sau đó được khuấy trộn trên máy khuấy từ ở nhiệt độ phòng trong thời gian 2h. Sau đó, nhiệt độ phản ứng được nâng lên khoảng 190-200 oC và giữ nhiệt độ này trong khoảng thời gian 10h. Sau khi phản ứng kết thúc, hỗn hợp được làm nguội đến nhiệt độ thường, và các hạt nano từ tính được tách ra khỏi dung dịch bằng cách sử dụng nam châm đặt ngoài bình cầu. Hạt nano được rửa với những lượng dư nước, ethanol để loại bỏ tạp chất bám trên bề mặt hạt. Sau khi rửa, sản phẩm được sấy khô trong thời gian 6 h ở áp suất chân không. Kết quả thu được 0.5 g vật liệu nano từ tính CuFe2O4.

Tuy nhiên, sau khi điều chế được 0.8 g vật liệu nano từ tính CoFe2O4 và 0.5 g vật liệu nano từ tính CuFe2O4, chúng tôi nhận thấy có thể mua được các vật liệu nano từ tính từ Sigma-Aldrich. Khi thử hoạt tính xúc tác, nhận thấy vật liệu nano từ tính chúng tôi điều chế được và vật liệu nano từ tính từ Sigma-Aldrich có hoạt tính xúc tác gần như tương tự nhau. Vì vậy, chúng tôi quyết định không điều chế thêm một lượng lớn vật liệu nano từ tính bằng cách lặp lại nhiều lần các thí nghiệm nói trên, mà mua vật liệu nano từ tính từ Sigma-Aldrich để tập trung vào nội dung nghiên cứu hoạt tính xúc tác. Kết quả của phần khảo sát hoạt tính xúc tác được trình bày.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15302/2018) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)