Nhằm mục tiêu có thể phát triển các phương pháp mới, có tính hiệu quả hơn trong việc sử dụng xúc tác đồng thể kim loại chuyển tiếp chi phí rẻ để chức hóa những hợp chất hữu cơ với những nhóm thế chứa fluorine. nhóm nghiên cứu do TS. Trương Vũ Thanh, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh làm chủ nhiệm đã triển khai thực hiện đề tài: “Các phương pháp mới sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp trong việc gắn Fluor và các nhóm chức chứa Flour”.

Các nội dung triển khai bao gồm:

- Các phương pháp mới để ghép fluorine hay các nhóm chứa fluorine trực tiếp vào các liên kết C-H của hợp chất hữu cơ: Những kim loại chuyển tiếp giá rẻ như đồng, nickel, cobalt, sắt, manganese, và bạc sẽ được nghiên cứu để phát triển những phương pháp phản ứng mới. Điều kiện tối ưu cho phản ứng sẽ được thăm dò nhằm đạt độ chuyển hóa chấp nhận được. Một số yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, loại và hàm lượng xúc tác, dung môi, tỷ lệ tác chất và chất phụ gia cũng sẽ được nghiên cứu. Các biện pháp phân lập sản phẩm bằng sắc ký cột hay sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) cũng như phân tích sản phẩm bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) hay phân tích hàm lượng nguyên tố (nếu cần thiết) sẽ được tiến hành để xác định cấu trúc và độ tinh khiết của sản phẩm.

- Thực hiện quá trình tổng hợp sử dụng xúc tác dị thể và tiến hành đánh giá hoạt tính xúc tác trên các phản ứng sẽ tiến hành: Tổng hợp một số loại xúc tác dị thể như họ xúc tác oxide kim loại trên cơ sở ferrite có tính chất siêu thuận từ, họ xúc tác là các kim loại chuyển tiếp chi phí thấp thuộc hàng thứ nhất trong bảng hệ thống phân loại tuần hoàn được gắn lên các chất mang như silicagel hay aluminum, họ xúc tác là các hợp chất khung hữu cơ – kim loại với các tâm hoạt tính là các kim loại có chi phí thấp. Phân tích một số đặc trung của xúc tác được tổng hợp như cấu trúc, hàm lượng kim loại chuyển tiếp trong xúc tác và độ tinh khiết. Hoạt tính của xúc tác được tổng hợp sẽ được đánh giá thông qua phản ứng fluoro hóa một số hợp chất hữu cơ. Điều đáng chú ý hơn chính là các phản ứng sẽ được tiến hành này đều chưa từng được báo cáo trong các nghiên cứu trước đây là đã sử dụng các hệ xúc tác dị thể. Do đó nhóm đề tài có cơ sở để tin rằng các kết quả trong đề tài nàycó thể được đăng trên các tạp chí khoa học ISI. Thí nghiệm đối chứng không sử dụng xúc tác cũng như các thí nghiệm so sánh với một số xúc tác đồng thể và dị thể khác sẽ được tiến hành để khẳng định vai trò và tính cần thiết của loại xúc tác mà đề tài sử dụng. Để đánh giả tính dị thể (heterogeneity) của xúc tác thì thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của các tâm hoạt tính trên xúc tác rắn bị hòa tan vào hỗn hợp phản ứng (nếu có) đến tốc độ phản ứng (leaching test) với một số kỹ thuật lọc đơn giản sẽ được thực hiện.

- Nhóm nghiên cứu còn tiến hành kiểm tra thêm hàm lượng kim loại trong dịch phản ứng sau khi đã lọc bỏ phần xúc tác rắn để đánh giá mức độ hòa tan của tâm hoạt tính vào hỗn hợp phản ứng (nếu có). Tiếp đó, thí nghiệm thu hồi và tái sử dụng xúc tác sẽ được tiến hành. Cụ thể, xúc tác rắn sau khi được phân riêng khỏi hỗn hợp phản ứng nhờ kỹ thuật láng, lọc hay ly tâm, sẽ được rửa với dung môi thích hợp để loại bỏ các chất còn sót lại, làm khô trong chân không và sử dụng lại cho lần phản ứng tiếp theo với điều kiện giống như lần phản ứng trước.

           Phương pháp tiếp cận của nhóm nghiên cứu như sau:

- Các phản ứng được tiến hành trong các bình phản ứng chuyên dụng dạng chai thủy tinh (vial) loại 1 dram hay loại 2 dram có trang bị nắp đậy kín với lớp lót bằng PTFE (cung cấp bởi SUPELCO). Quá trình sắc ký cột được tiến hành sử dụng silicagel loại 60Å (cung cấp bởi Dynamic Adsorbents Inc.). Quá trình tinh chế bằng sắc ký lỏng điều chế hiệu năng cao (preparative HPLC) được tiến hành sử dụng hệ thống sắc ký lỏng Shimadzu Prominence LC (LC-20AB) được trang bị đầu dò SPD-20A UVVis và cột sắc ký Varian Dynamax (250 mm x 21.4 mm). Phân tích sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) được tiến hành sử dụng hệ thống sắc ký Shimadzu GCMS QP5000 được trang bị cột Restek column (Rtx-XLB, 30 m x 0.25 mm I.D.). Các phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 1H NMR, 13C NMR, và 19F NMR được tiến hành trên phổ kế Bruker 500 sử dụng peak của dung môi còn lại làm chất chuẩn (using residual solvent peak as a reference).

- Thực hiện quá trình tổng hợp sử dụng xúc tác dị thể và tiến hành đánh giá hoạt tính xúc tác trên các phản ứng sẽ tiến hành: Các xúc tác dị thể chủ yếu được tiến hành bằng phương pháp nhiệt dung môi theo các nghiên cứu trước đây. Quá trình tinh chế xúc tác tiếp theo đó chủ yếu được thực hiện bằng cách rửa xúc tác với các dung môi hữu cơ thông dụng. Quá trình hoạt hóa xúc tác sẽ được thực hiện ở nhiệt độ cao và áp suất thấp trong hệ thống Schlenkline và hệ thống khí trơ (glovebox). Xúc tác được phân tích đặc trưng bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như sau: Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) được tiến hành trên thiết bị nhiễu xạ dành cho mẫu dạng bột (powder diffractometer) D8 Advance sử dụng nguồi phát Cu Kα. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được tiến hành trên thiết bị Netzsch Thermoanalyzer STA 409 trong môi trường khí nitơ. Các hình ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) được ghi nhận lần lượt từ các kính hiển vi điện tử JSM 740 Scanning Electron Microscope và JEOL JEM 1400 Transmission Electron Microscope ở mức 100 kV. Phân tích nguyên tố được thực hiện thông qua phương pháp đo phổ hấp thu nguyên tử (AAS) sử dụng thiết bị AA-6800 Shimadzu. Phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) được tiến hành trên thiết bị Bruker TENSOR37.

Có 3 cách để tiến hành thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của các tâm hoạt tính trên xúc tác rắn bị hòa tan vào hỗn hợp phản ứng (nếu có) đến tốc độ phản ứng (leaching test): (1) Phản ứng sau khi tiến hành được một thời gian nhất định sẽ được tách loại xúc tác rắn và dịch phản ứng còn lại sẽ tiến tục được khuấy ở cùng điều kiện như ban đầu rồi tiếp tục theo dõi phản ứng diễn ra (nếu có đáng kể) bằng sắc ký khí (GC). (2) Sau khi phản ứng kết thúc, xúc tác rắn được tách loại và các tác chất mới được thêm vào phần dịch phản ứng. Lần phản ứng tiếp theo vẫn được cho tiến hành với cùng điều kiện như ban đầu và theo dõi độ chuyển hóa (nếu có đáng kể) bằng sắc ký khí (GC). (3) Phần dịch phản ứng sau khi được tách bỏ xúc tác sẽ được phân tích hàm lượng kim loại để đánh giá mức độ bị hòa tan của các tâm hoạt tính trên xúc tác rắn vào hỗn hợp phản ứng.

Sau 24 tháng thực hiện (từ tháng 4/2015 đến tháng 4/2016), nhóm đề tài đã đạt được các kết quả như sau:

1. Đã phát triển thành công phương pháp mới gắn CF3 vào nhóm aryl hay heteroaryl. Phương pháp sử dụng hệ xúc tác dị thể trên tâm Cu. Đây là hệ xúc tác đầu tiên cho phản ứng gắn CF3 theo phương pháp nucleophilic sử dụng TMSCF3 làm tác nhân trifluoromethylation. Các báo cáo trước đây sử dụng Cu làm chất xúc tiến (sử dụng dạng đương lượng). Ngoài ra, đây cũng là hệ xúc tác dị thể đầu tiên cho phản úng ghép CF3 nói chung. Bài báo được đăng trên tạp chí Molecular Catalysis (IF = 3.9).

2. Đã tổng hợp thành công vật liệu AgFe2O2 và vật liệu này có hoạt tính xúc tác rất cao cho phản ứng decarboxylative fluorination của carboxylic acids. Đây là hệ xúc tác dị thể đầu tiên được công bố cho phản ứng fluorination cho đến thời điểm báo cáo. Bài báo đang trong giai đoạn vòng phản biện của tạp chí Journal of Catalysis (IF = 6.8). Under review.

3. Đã nghiên cứu thành công hệ phản ứng trao đổi halogen trong đó có trao đởi với fluoro sử dụng muối đồng làm chất xúc tiến. Phản ứng thực hiện trong chất lỏng ion làm tăng tính mới của nghiên cứu. Đồng thời, đây là lần đầu tiên phản ứng nghịch Finkelstein sử dụng muối đồng. Bài báo được chấp nhận đăng trên tạp chí Journal of Advanced Research (IF = 1.7).

4. Sử dụng Co-ZIF-67 cho phản ứng tổng hợp quinazolines. Mặc dù không đăng ký nội dung này trong thuyết minh, nhưng đây là sản phẩm hình thành trong quá trình tối ưu phản ứng fluorine hoá.

Hướng nghiên cứu mà đề tài đặt ra là một hướng nghiên cứu rất mới, hiện nay đang được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí ISI có chỉ số IF cao (Q1) với toàn bộ tác giả là người Việt Nam. Số bài báo ISI đã vượt mức đăng ký.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 14813/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)