Ứng dụng hệ xúc tác composite có từ tính trong phản ứng tổng hợp IMINE

Những phương pháp tổng hợp imine

Từ lâu, những hợp chất imine đã được các nhà khoa học biết đến rộng rãi như những chất trung gian chứa nitrogen đa năng có thể được sử dụng trong tổng hợp dược liệu cũng như các hóa chất đặc hiệu khác [1, 2]. Theo đó, phương pháp truyền thống dùng để tổng hợp imine là phản ứng ngưng tụ aldehyde-amine thông qua các aldehyde kém bền, xúc tác acid Lewis và các tác nhân khử nước [3]. Ngoài ra, một số kỹ thuật khác cũng được phát triển trong suốt thập kỷ qua, bao gồm quá trình tự ghép nối của các amine bậc nhất [4], thủy hóa amine với alkyne [5], khử hydrogen của amine bậc hai hay ghép nối amine với alcohol [6]. Giữa các phương pháp vừa nêu, kỹ thuật ghép nối amine với alcohol trong sự hiện diện của xúc tác đang ngày càng thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học nhờ những ưu điểm đặc trưng của quá trình tổng hợp xanh, chẳng hạn việc sử dụng alcohol giúp giảm đáng kể giá thành sản xuất imine, đặc biệt nước gần như là sản phẩm phụ duy nhất trong suốt quá trình điều chế. Tuy nhiên, những phản ứng này thường xuyên đòi hỏi nhiệt độ cao, oxygen tinh khiết, sử dụng dung môi độc hại và các xúc tác đắt tiền dựa trên nền tảng các kim loại quý, khiến chúng khó được ứng dụng vào thực tế sản xuất.

Trong bối cảnh đó, Tamura và các cộng sự đã lần đầu tiên sử dụng xúc tác CeO₂ để điều chế imine từ aniline và benzyl alcohol ở 333K trong không khí [7],  kết quả cho thấy CeO₂ có hoạt tính xúc tác vượt trội hơn hẳn nhiều xúc tác oxide kim loại khác. Từ đó, nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển các hệ xúc tác khác nhau dựa trên CeO₂, như carbon xốp phủ trên que nano CeO₂ [8, 9], cũng như nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chuyển hóa aniline và benzyl alcohol thành imine, từ phương pháp điều chế đến hình thái [10], lỗ khuyết oxygen trên bề mặt xúc tác [11]. Một cách tổng quát, trong phản ứng ghép nối liên tục (hình 1), giai đoạn đầu tiên - oxy hóa benzyl alcohol thành benzaldehyde - là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng [12], và môi trường kiềm được nhận thấy sẽ thúc đẩy cho giai đoạn đầu tiên xảy ra dễ dàng hơn. Trong khi đó, độ acid càng cao hoặc sử dụng xúc tác có tâm acid Lewis sẽ tăng tốc cho giai đoạn hai - ngưng tụ aldehyde-amine [6]. Vì vậy, theo nhiều nhà khoa học, kiểm soát tốt độ acid/kiềm của xúc tác sẽ cho phép nâng cao hoạt tính xúc tác cho phản ứng điều chế imine. Tuy nhiên, để tối ưu hóa độ acid/kiềm của CeO₂, xúc tác này thường cần được pha tạp nhiều thành phần khác. Ngoài ra, hàm lượng Ce³⁺ lớn cũng như giai đoạn chuyển hóa Ce³⁺ sang Ce⁴⁺ được nhận thấy đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các vòng lặp xúc tác cho quá trình tổng hợp imine từ aniline và benzyl alcohol [13]. Mặc dù vậy, một lần nữa các nghiên cứu này vẫn cho thấy nhiều hạn chế của xúc tác CeO₂, khi thường xuyên thể hiện chỉ số chuyển đổi (turnover number) thấp, thời gian phản ứng kéo dài, kém bền và khả năng thu hồi thấp sau nhiều lần xử lý.

Vật liệu cấu trúc lõi - vỏ

Để có thể cải thiện đặc tính của xúc tác, một trong những phương pháp được ưa chuộng là cố định các thành phần hoạt tính lên chất mang phù hợp. Cụ thể, CeO₂ thường xuyên được dùng làm chất mang cho nhiều hạt nano kim loại [14]. Ngược lại, gần như rất ít có nghiên cứu báo cáo về hoạt tính của CeO₂ khi được gắn lên các chất mang khác. Một vấn đề khác là ngay khi được phủ lên các chất mang thông dụng như than hoạt tính, silica, zeolite, những hệ xúc tác này vẫn rất khó được thu hồi. Gần đây, nhiều nhà khoa học đã đề nghị sử dụng các chất mang từ tính, như Fe₃O₄, vốn có thể dễ dàng tách ra khỏi môi trường bằng từ trường ngoài [15]. Kể từ đó, hàng loạt nghiên cứu đã được triển khai nhằm tổng hợp các hệ xúc tác theo cấu trúc lõi - vỏ với lõi làm từ các hạt từ tính. Tuy nhiên, cho đến hiện tại, vẫn chưa có báo cáo khoa học nào về việc tổng hợp xúc tác CeO₂ phủ lên lõi từ tính Fe₃O₄ cũng như nghiên cứu hoạt tính xúc tác của hệ vật liệu này. Chính vì vậy, gần đây, nhóm nghiên cứu của GS Jiantai Ma (Phòng thí nghiệm Kỹ thuật hóa học xúc tác, Đại học Lanzhou, Trung Quốc) đã đề nghị tổng hợp hệ xúc tác composite Fe₃O₄@X@CeO₂ có từ tính với lớp vỏ trung gian X thay đổi từ TiO₂, SiO₂, C đến CN, sử dụng cho phản ứng ghép nối tổng hợp imine [16]. Quá trình tổng hợp trong nghiên cứu này hoàn toàn không sử dụng tác chất đắt tiền hoặc độc hại. Ngoài ra hệ xúc tác cho thấy từ tính tốt, có thể dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, từ đó phù hợp với các nguyên tắc của hóa học xanh.

Tổng hợp xúc tác composite Fe₃O₄@X@CeO₂

Quá trình tổng hợp hệ xúc tác composite được GS Jiantai Ma thực hiện qua ba giai đoạn. Đầu tiên, lõi từ Fe₃O₄ được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt với hỗn hợp trisodium citrate, FeCl₃.6H₂O và sodium acetate trong 150 ml ethylene glycol ở 200^oC trong 10 giờ. Sản phẩm từ tính sau đó được tuyển từ, rửa và sấy khô  ở 80^oC, thu được các hạt từ màu đen. Ở giai đoạn thứ hai, TiO₂, SiO₂, C hoặc CN sẽ được phủ lên lõi từ Fe₃O₄ một cách riêng biệt. Đối với hệ vật liệu Fe₃O₄@TiO₂, 100 mg hạt Fe₃O₄ được phân tán trong 95 ml dung môi ethanol tuyệt đối chứa NH₃, sau đó khoảng 1,5 ml tetrabutyl orthotitanate (TBOT) được nhỏ giọt vào hỗn hợp rồi khuấy đều ở 45^oC trong 24 giờ. Đối với hệ Fe₃O₄@SiO₂ và Fe₃O₄@CN, TBOT lần lượt được thay thế bởi 3 ml tetraethyl orthosilicate (TEOS) và 250 mg dopamine. Trong trường hợp composite Fe₃O₄@C, các hạt Fe₃O₄ được phân tán trong 200 ml dung dịch chứa HCl và glucose (15 g) rồi tiến hành thủy nhiệt ở 200^oC trong 12 giờ. Cuối cùng, tất cả các mẫu sẽ được rửa và sấy ở 80^oC suốt 12 giờ.

Ở giai đoạn thứ 3, bột Fe₃O₄@X (với X là TiO₂, SiO₂, C hoặc CN) được phân tán trong dung môi chứa nước và ethanol. Sau đó 100 mg Ce(NO₃)₃·6H₂O và 600 mg hexamethylenetetramine (HMT) được cho vào dung dịch, đun hoàn lưu 80^oC trong 2 giờ. Các sản phẩm sinh ra sẽ được tuyển từ một lần nữa, rửa và sấy khô.

Đặc tính và hoạt tính xúc tác của vật liệu composite Fe₃O₄@X@CeO₂

Để có thể tìm hiểu cấu trúc, hình thái và thành phần của các hệ xúc tác, nhóm nghiên cứu đã lần lượt sử dụng các kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua ghép nối phổ tán xạ phân tán, nhiễu xạ tia X và phổ hồng ngoại. Hình 3 trình bày ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua, cho thấy các mẫu đều có kích thước hạt đồng nhất dưới dạng hình cầu, các hạt nano CeO₂ đã được cố định thành công lên bề mặt của lõi từ và lớp vỏ trung gian. Đồng thời, kết quả phổ phát xạ phân tán chứng minh tất cả các hạt đều có sự phân tán tốt các nguyên tố thành phần, phù hợp với yêu cầu về một vật liệu xúc tác hiệu năng cao.

Kết quả nhiễu xạ tia X (hình 4) cũng góp phần chứng tỏ thành phần của các mẫu vật liệu composite. Tất cả những mũi tín hiệu với góc 2θ > 30^o đều thuộc về pha spinel lập phương ngược của Fe₃O₄. Khi lõi từ được phủ các lớp vỏ trung gian khác nhau (TiO₂, SiO₂, C, CN), giản đồ nhiễu xạ tia X cơ bản không bị thay đổi do quá trình điều chế các lớp vỏ trung gian đều được tiến hành ở nhiệt độ phòng, vì thế không tạo ra tinh thể mới. Tuy nhiên, khi các mẫu này tiếp tục được phủ CeO₂, nhóm tác giả nhận thấy có sự xuất hiện của mũi tín hiệu mới trong khoảng 28-30^o, tương ứng với cấu trúc fluorite lập phương tâm diện của CeO₂. Điều này cho thấy bất chấp quá trình điều chế chỉ sử dụng nhiệt độ thấp, cấu trúc fluorite của CeO₂ vẫn có thể được hình thành trên bề mặt xúc tác, dù chỉ ở mức độ tinh thể hóa chưa cao.

Sau khi tìm hiểu cấu trúc, hình thái và thành phần của các mẫu xúc tác, nhóm nghiên cứu tiếp tục triển khai đánh giá hoạt tính xúc tác thông qua quy trình đơn giản sau. Đầu tiên, 1 mmol benzyl alcohol và 2 mmol benzyl aniline được khuấy trộn vào 3 ml dung môi mesitylene chứa xúc tác Fe₃O₄@X@CeO₂. Hỗn hợp này tiếp tục được khuấy ở 60^oC trong 12 giờ để tiến hành phản ứng (hình 6). Sau phản ứng, xúc tác sẽ được thu hồi bằng nam châm (hình 6), còn sản phẩm sẽ được định lượng bằng sắc ký khí ghép khối phổ. Kết quả cho thấy mẫu lõi từ với các lớp vỏ trung gian không có CeO₂ đều không thể hiện hoạt tính xúc tác, ngược lại các mẫu Fe₃O₄@X@CeO₂ đều thể hiện hoạt tính xúc tác tốt, trong đó mẫu Fe₃O₄@CN@CeO₂ thể hiện hoạt tính tốt nhất với độ chuyển hóa đạt 99%, độ chọn lọc N-Benzylideneaniline đạt 96%. Các mẫu xúc tác còn lại (Fe₃O₄@C@CeO₂, Fe₃O₄@SiO₂@CeO₂, Fe₃O₄@TiO₂@CeO₂) dù vẫn thể hiện độ chọn lọc cao (95-96%) nhưng độ chuyển hóa giảm dần từ 81 đến 52%.

Như vậy, bằng cách kết hợp hạt từ tính với các thành phần chất mang và pha hoạt tính CeO₂, nhóm nghiên cứu của GS Jiantai Ma đã thành công trong việc tạo ra một hệ xúc tác mới không chỉ có độ chuyển hóa và độ chọn lọc cao trong phản ứng chuyển hóa benzyl alcohol và aniline thành N-Benzylideneaniline ở điều kiện thường, mà còn thể hiện từ tính tốt, cho phép dễ dàng thu hồi sau phản ứng. Thành công này cho thấy hướng nghiên cứu về các vật liệu xúc tác composite từ tính tiếp tục sẽ là hướng đi tiềm năng cho các nhà khoa học trong tương lai, đặc biệt đối với lĩnh vực xúc tác tổng hợp hữu cơ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] S.-I. Murahashi (1995), “Synthetic aspects of metal-catalyzed oxidations of amines and related reactions”, Angew. Chem. Int. Ed., 34, pp.2443-2465.

[2] S. Yao, S. Saaby, R.G. Hazell, K.A. Jørgensen (2000), “Catalytic enantioselective aza-diels-alder reactions of imines-an approach to optically active nonproteinogenic α-amino acids”, Chem. Eur. J., 6, pp.2435-2448.

[3] A. Ziarati, A. Badiei, G. Mohammadi Ziarani, H. Eskandarloo (2017), “Simultaneous photocatalytic and catalytic activity of p-n junction NiO@anatase/rutile-TiO₂ as a noble-metal free reusable nanoparticle for synthesis of organic compounds”, Catal. Commun., 95, pp.77-82.

[4] F. Su, S.C. Mathew, L. Möhlmann, M. Antonietti, X. Wang, S. Blechert (2011), “Aerobic oxidative coupling of amines by carbon nitride photocatalysis with visible light”, Angew. Chem. Int. Ed., 50, pp.657-660.