Luận án TS: Nanoparticles CuFe2O4, Fe2O3 xúc tác ghép C-N (Nguyễn Thị Kim Oanh)

Tách xúc tác sau phản ứng là một thách thức lớn trong hóa học tổng hợp. Xúc tác dị thể thường yêu cầu các phương pháp tách phức tạp. Tuy nhiên, việc sử dụng các hạt nano siêu thuận từ đã thay đổi điều này. Hạt nano có thể dễ dàng tách khỏi hỗn hợp phản ứng chỉ bằng một từ trường. Quá trình này nhanh chóng, giảm thiểu thất thoát sản phẩm. Nó cũng cho phép tái sử dụng xúc tác một cách hiệu quả. Điều này giảm chi phí vận hành và tác động môi trường. Sự thuận tiện trong tách biệt làm tăng tính bền vững của quy trình. Vật liệu này mang lại lợi ích kinh tế đáng kể cho các ứng dụng công nghiệp.

Các vật liệu nanoparticles siêu thuận từ thể hiện hoạt tính xúc tác vượt trội. Kích thước nano mang lại tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn. Điều này tăng số lượng tâm hoạt động có sẵn cho phản ứng. Các tâm kim loại mở trong cấu trúc hạt nano tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều phản ứng hữu cơ. Chúng cung cấp các vị trí hiệu quả để tương tác với chất nền. Sự hiện diện của các tâm này là yếu tố quan trọng. Nó thúc đẩy quá trình chuyển hóa và tăng tốc độ phản ứng. Đây là lý do tại sao các vật liệu như CuFe2O4 và Fe2O3 được chọn làm xúc tác. Hoạt tính cao của chúng là một ưu điểm lớn.

Quá trình tổng hợp các hạt nano CuFe2O4 và Fe2O3 được thiết kế tối ưu. Các phương pháp tổng hợp đơn giản được sử dụng. Điều này đảm bảo khả năng sản xuất quy mô lớn. Nó cũng giữ chi phí ở mức thấp. Việc này quan trọng cho các ứng dụng công nghiệp. Vật liệu thương mại hóa có sẵn giúp giảm rào cản nghiên cứu. Chi phí thấp là một yếu tố hấp dẫn cho việc áp dụng rộng rãi. Các hạt nano này dễ dàng được sản xuất trong phòng thí nghiệm. Chúng cũng có thể được mua với giá phải chăng. Điều này thúc đẩy việc khám phá các ứng dụng mới.

CuFe2O4, hay đồng ferrit, là một ví dụ điển hình của ferrite spinel. Vật liệu này thể hiện tính siêu thuận từ. Tính chất này rất quan trọng cho các ứng dụng xúc tác từ tính. Nó cho phép hạt nano phản ứng mạnh với từ trường bên ngoài. Tuy nhiên, chúng không giữ từ tính sau khi loại bỏ từ trường. Điều này giúp ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano. Nó duy trì diện tích bề mặt hoạt động. Sắt(III) oxit nano (Fe2O3) cũng sở hữu đặc tính tương tự. Các tính chất này là chìa khóa cho việc tách xúc tác hiệu quả. Chúng cũng góp phần vào khả năng tái sử dụng.

Luận án này tập trung vào việc tổng hợp ba loại hợp chất hữu cơ chính. Đó là triphenylamine, 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one và phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone. Các hợp chất này có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng được dùng trong dược phẩm, vật liệu chức năng và hóa học nông nghiệp. Phản ứng ghép nối C-N là phương pháp chính để tạo ra chúng. Việc sử dụng xúc tác CuFe2O4 và Fe2O3 đã cải thiện đáng kể hiệu suất. Nó cũng đơn giản hóa quy trình tổng hợp. Nghiên cứu này chứng minh tính linh hoạt của các hạt nano.

CuFe2O4 và Fe2O3 không chỉ hiệu quả trong các phản ứng ghép nối C-N cụ thể. Chúng còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi hơn. Đặc tính siêu thuận từ của chúng là chìa khóa. Nó cho phép sử dụng chúng trong các lĩnh vực khác. Ví dụ bao gồm cảm biến, lưu trữ năng lượng và y sinh. Trong xúc tác, chúng có thể thay thế các kim loại quý. Điều này làm giảm chi phí đáng kể. Khả năng tái sử dụng và độ bền cao là những ưu điểm khác. Các nanoparticles này mở ra nhiều con đường mới. Chúng giúp phát triển các vật liệu và quy trình thân thiện với môi trường.

Phản ứng giữa benzoxazole và iodobenzene đã tạo ra triphenylamine. CuFe2O4, hay đồng ferrit, được sử dụng làm xúc tác. Kết quả đạt hiệu suất gần 95%. Phản ứng diễn ra chỉ trong 2 giờ. Nhiệt độ phản ứng là 140 °C. Dung môi diethylene glycol và 2.5 đương lượng Cs2CO3 được sử dụng. Lượng xúc tác CuFe2O4 chỉ 10 mol%. Phản ứng được thực hiện trong môi trường khí argon. Hiệu suất cao và thời gian phản ứng ngắn cho thấy tiềm năng. Đồng ferrit là một xúc tác rất hiệu quả cho tổng hợp triphenylamine.

Fe2O3, sắt(III) oxit nano, đóng vai trò xúc tác. Nó xúc tác phản ứng tổng hợp 3-phenylquinoxalin-2(1H)-one. Chất này được tạo ra từ 2-oxo-2-phenylacetic acid và benzene-1,2-diamine. Hiệu suất đạt khoảng 82% sau 24 giờ. Nhiệt độ phản ứng là 100 °C. Hỗn hợp dung môi C6H5Cl/H2O (1.5) (v/v) được dùng. Lượng xúc tác Fe2O3 là 10 mol%. Mặc dù thời gian phản ứng dài hơn, hiệu suất vẫn cao. Điều này chứng tỏ sắt(III) oxit nano là một lựa chọn khả thi. Nó hiệu quả cho việc tổng hợp các hợp chất quinoxaline.

CuFe2O4 cũng được ứng dụng trong tổng hợp phenyl(2-phenylimidazo[1,2-a]pyrimidin-3-yl)methanone. Phản ứng này sử dụng trans-chalcone và 2-aminopyrimidine. Hiệu suất đạt khoảng 84% sau 7 giờ. Nhiệt độ phản ứng là 140 °C. Dung môi 1,4-dioxane được sử dụng. Hai đương lượng iot cũng được thêm vào. Xúc tác CuFe2O4 chỉ chiếm 10 mol%. Phản ứng được tiến hành trong môi trường oxy. Kết quả này tiếp tục khẳng định tính linh hoạt của đồng ferrit. Nó là một xúc tác hiệu quả cho các phản ứng ghép nối C-N phức tạp.

Hoạt tính xúc tác của CuFe2O4 và Fe2O3 đã được đánh giá. Các thử nghiệm tái sử dụng cho thấy không có sự suy giảm đáng kể. Điều này sau nhiều chu kỳ phản ứng. Cấu trúc và tính chất của các hạt nano được duy trì tốt. Điều này đảm bảo hiệu quả ổn định. Khả năng chịu đựng các điều kiện phản ứng khắc nghiệt là một lợi thế. Nó kéo dài tuổi thọ của xúc tác. Điều này quan trọng cho các quy trình công nghiệp. Việc giữ vững hoạt tính sau nhiều lần sử dụng làm tăng giá trị kinh tế. Nó cũng giảm nhu cầu thay thế xúc tác thường xuyên.

Việc sử dụng các nanoparticles siêu thuận từ cho phản ứng ghép nối C-N là một hướng nghiên cứu mới. Luận án này đã tiên phong trong việc này. Các chuyển hóa sử dụng xúc tác hạt nano siêu thuận từ chưa được nghiên cứu rộng rãi. Phát hiện này mở ra nhiều cơ hội. Nó giúp phát triển các phản ứng mới hiệu quả hơn. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở cho các khám phá trong tương lai. Nó thúc đẩy sự phát triển của xúc tác từ tính. Điều này có thể dẫn đến các quy trình tổng hợp hữu cơ bền vững hơn.