Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp các ligand carboxylic làm tiền chất cho vật liệu mofs mới

      [TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG   KHOA CÔNG NGHỆ HÓA-THỰC PHẨM   W X BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CÁC LIGAND CARBOXYLIC LÀM TIỀN CHẤT CHO VẬT LIỆU MOFs MỚI HUỲNH THỊ NHƯ QUỲNH BIÊN HÒA, THÁNG 12/2010       TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG   KHOA CÔNG NGHỆ HÓA-THỰC PHẨM   W X BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CÁC LIGAND CARBOXYLIC LÀM TIỀN CHẤT CHO VẬT LIỆU MOFs MỚI Sinh viên thực hiện : HUỲNH THỊ NHƯ QUỲNH Giáo viên hướng dẫn : TS. LÊ THÀNH DŨNG BIÊN HÒA, THÁNG 12/2010   LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, đầu tiên tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS. Lê Thành Dũng, người đã tận tình chỉ dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn các thầy cô, anh chị trong bộ môn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Trường ĐHBK Tp.HCM đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tôi thực hiện thí nghiệm tốt nhất. Cảm ơn anh Từ Ngọc Thạch, chị Đặng Huỳnh Giao cùng các anh chị, các bạn cùng làm thí nghiệm tại phòng MANAR đã động viên, giúp đỡ tôi suốt thời gian tôi thực hiện luận văn. Sau cùng tôi xin cảm ơn sâu sắc đến gia đình luôn bên cạnh động viên, là chỗ dựa vững chắc cả về vật chất lẫn tinh thần để tôi yên tâm hoàn thành tốt luận văn trong thời gian qua.   MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC SƠ ĐỒ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ – KIM LOẠI (MOFs) VÀ CÁC LIGAND CARBOXYLIC SỬ DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU ....................................................................................................................... 3 1.1 Giới thiệu chung......................................................................................... 4 1.2 Vật liệu khung hữu cơ – kim loại ............................................................. 5 1.2.1 Cấu trúc vật liệu MOFs .................................................................... 5 1.2.2 Các phương pháp tổng hợp .............................................................. 7 1.2.2.1 Phương pháp nhiệt dung môi .................................................. 7 1.2.2.2 Phương pháp vi sóng ................................................................ 8 1.2.2.3 Phương pháp siêu âm ............................................................... 8 1.2.3 Ứng dụng của MOFs ......................................................................... 8 1.2.3.1 Xúc tác ........................................................................................ 9 1.2.3.2 Lưu trữ khí .............................................................................. 10 1.3 Các ligand carboxylic để chế tạo vật liệu MOFs................................... 14 Chương 2: THỰC NGHIỆM.............................................................................. 17 2.1 Hóa chất .................................................................................................... 18 2.2 Tổng hợp các ligand carboxylic ............................................................. 19 2.2.1 Tổng hợp diester 2 ........................................................................... 19 2.2.2 Tổng hợp diester 3........................................................................... 20 2.2.3 Tổng hợp ligand 4............................................................................. 21 2.2.4 Tổng hợp ligand 5............................................................................ 22 Chương 3: KẾT QUẢ & THẢO LUẬN ............................................................ 24   3.1 Tổng hợp và phân tích cấu trúc các diester 2 và 3................................. 25 3.1.1 Tổng hợp các diester 2 và 3 ............................................................ 25 3.1.2 Phân tích đặc trưng cấu trúc diester 2 và 3 ................................. 25 3.2 Tổng hợp và phân tích cấu trúc các ligand 4 và 5 ............................... 32 3.2.1 Tổng hợp các ligand 4 và 5 .............................................................. 32 3.2.2 Phân tích đặc trưng cấu trúc ligand 4 và 5 .................................... 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 39 1. Các kết quả đạt được ................................................................................. 40 2. Kiến nghị..................................................................................................... 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC   DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Số lần xuất bản MOFs trong thập niên qua [18]. .................................... 4 Hình 1.2: Cấu trúc SBUs của MOF-5 [6]................................................................ 5 Hình 1.3: Các góc kiểm soát khung kim loại-hữu cơ được tạo thành từ benzenedicarboxylic acid ......................................................................................... 6 Hình 1.4: Cấu trúc MOFs với ditopic có hai nhóm –COO đồng phẳng [13]........... 6 Hình 1.5: Cấu trúc MOFs với ditopic có hai nhóm –COO không đồng phẳng [13].. 7 Hình 1.6: Phân bố ứng dụng của MOFs [18] ........................................................... 7 Hình 1.7: Các đường đẳng nhiệt hấp phụ H2 trên các MOFs khác nhau............... 11 Hình 1.8: Cấu trúc MOF-177 ................................................................................. 11 Hình 1.9: Khả năng lưu trữ CO2 của MOF-177 .................................................... 12 Hình 1.10: So sánh khả năng hấp phụ CO2 trên các MOFs khác .......................... 12 Hình 1.11: Tính bền nhiệt và khả năng hấp phụ Methane của IFMOF-6 ............. 13 Hình 1.12: Một số ligand được sử dụng trong tổng hợp MOFs [4] ...................... 15 Hình 3.1: Phổ MS của diester 2............................................................................. 26 Hình 3.2: Phổ MS của diester 3............................................................................. 26 Hình 3.3: Phổ FT-IR của diester 2......................................................................... 27 Hình 3.4: Phổ FT-IR của diester 3......................................................................... 27 Hình 3.5: Hiệu ứng cộng hưởng trong nhóm chức amide mạnh hơn trong nhóm chức ester........................................................................................................................ 28 Hình 3.6: Phổ 1H NMR của diester 2 .................................................................... 28 Hình 3.7: Phổ 1H NMR của diester 3 .................................................................... 29 Hình 3.8: Phổ 13C NMR của diester 2 ................................................................... 30 Hình 3.9: Phổ 13C NMR của diester 3 .................................................................... 31 Hình 3.10: Phổ MS của ligand 4 ........................................................................... 33 Hình 3.11: Phổ MS của ligand 5 ........................................................................... 33 Hình 3.12: Phổ FT-IR của ligand 4 ....................................................................... 34 Hình 3.13: Phổ FT-IR của ligand 5 ....................................................................... 34 Hình 3.14: Phổ 1H NMR của ligand 4................................................................... 35 Hình 3.15: Phổ 1H NMR của ligand 5.................................................................... 36 Hình 3.16: Phổ 13C NMR của ligand 4.................................................................. 37   Hình 3.17: Phổ 13C NMR của ligand 5.................................................................. 37   DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Tính chất của các loại IRMOFs và khả năng hấp phụ Methane [11] ........ ................................................................................................................................ 13 Bảng 3.1: Tần số hấp thu (cm-1) của các dao động giãn nối của các diester 2 và 3 ... ................................................................................................................................ 27 Bảng 3.2: Các độ dịch chuyển hóa học đặc trưng (ppm) và hằng số ghép spin (giá trị trong ngoặc, Hz) trong phổ NMR 1H của diester 2 và 3.................................... 29 Bảng 3.3: Các độ dịch chuyển hóa học đặc trưng (ppm) trong phổ NMR 13C của diester 2 và 3 .......................................................................................................... 31 Bảng 3.4: Tần số hấp thu (cm-1) của các dao động giãm nối của các ligand 4 và 5 35 Bảng 3.5: Các độ dịch chuyển hóa học đặc trưng (ppm) và hằng số ghép spin (giá trị trong ngoặc, Hz) trong phổ NMR 1H của ligand 4 và 5 .................................... 36 Bảng 3.6: Các độ dịch chuyển hóa học đặc trưng (ppm) trong phổ NMR 13C của diester 2 và 3 .......................................................................................................... 38   DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 1.1: Tổng hợp MOF-5 có hai loại cầu nối [20] ............................................. 8 Sơ đồ 1.2: Phản ứng acyl hóa xúc tác MOF-5....................................................... 10 Sơ đồ 1.3: Phản ứng Knoevenagel xúc tác MOF-199........................................... 10 Sơ đồ 1.4: Sơ đồ tổng hợp 1,3-azulenedicarboxylic acid [23] ............................... 14 Sơ đồ 1.5: Sơ đồ tổng hợp N, N’, N’’-trimethyl-N, N’, N’’-tris(3-pyridyl)-1,3,5benzenetricarboxamide [17] ................................................................................... 14 Sơ đồ 3.1: Tổng hợp các diester 2 và 3 ................................................................. 25 Sơ đồ 3.2: Tổng hợp các ligand 4 và 5 .................................................................. 32 Sơ đồ 3.3: Tổng hợp trực tiếp ligand 5................................................................... 32                                           DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÔNG THỨC 13 Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 1 Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy BDC 1,4-benzenedicarboxylates D Doubled DEF N, N-Diethylformamide DMF N, N-Dimethylformamide DMSO Dimethylsulfocid EtOH Ethanol FT-IR Fourier Transform Infrared H2ABDC 2-Aminobenzene-1,4-dicarboxylic acid H2BDC Isophthalic acid H3BTC Benzenetricarboxylic acid HCl Hydrochloric acid i ipso IRMOFs Isoreticular Metal Organic Frameworks KOH Potassium Hydroxide m meta MOFs Metal Organic Frameworks MS Mass Spectrometry NMR Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy o ortho s Singled SBUs Secondary Building Units t Tripled THF Tetrahydrofuran δ Chemical shift in ppm υ Frequency C NMR H NMR   LỜI MỞ ĐẦU   Xu hướng của các nhà khoa học trên thế giới là tìm ra những phương pháp chế tạo những loại vật liệu mới có tiềm năng với những đặc tính thuận lợi, có thể vươn tới nhiều mục tiêu ứng dụng khác nhau. Khung hữu cơ-kim loại (MOFs) là một loại vật liệu lai mới được tổng hợp từ muối kim loại (Cu, Fe, Co, Ni...) và acid hữu cơ do GS. Omar M. Yaghi lần đầu tiên nghiên cứu được vào năm 1998. Đây được coi là bước phát triển lớn làm thay đổi diện mạo của ngành khoa học vật liệu ở trạng thái rắn. Dựa trên diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc có trật tự và lỗ xốp của chúng cao mà khả năng ứng dụng của MOFs rất rộng rãi như xúc tác, hấp phụ và lưu trữ khí... Ngoài ra, tùy thuộc vào cấu trúc kim loại và các ligand hữu cơ mà ứng dụng của MOFs cũng khác nhau. Vì vậy, muốn tạo ra những cấu trúc MOFs mới thì nhiệm vụ đầu tiên đó là nghiên cứu và tổng hợp ra nhiều loại ligand mới. Trên thế giới đã có nhiều bài báo tổng hợp về nhiều loại ligand và đã được ứng dụng trong tổng hợp vật liệu MOFs.Tuy nhiên, ở nước ta vẫn chưa có một báo cáo hay một công trình nào đề cập đến hướng nghiên cứu này. Vì vậy, em chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp các ligand carboxylic làm tiền chất cho vật liệu MOFs mới” nhằm tạo ra những ligand làm tiền chất để tổng hợp vật liệu MOFs mới.   CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ - KIM LOẠI (MOFs) VÀ CÁC LIGAND CARBOXYLIC SỬ DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU   1.1. GIỚI THIỆU CHUNG Carbon hoạt hóa và zeolit là những vật liệu truyền thống thường được dùng để hấp phụ khí. Bản thân chúng có những ưu điểm và nhược điểm sau: carbon hoạt hóa có diện tích bề mặt cao và khả năng hấp phụ cao nhưng nó tồn tại ở dạng vô định hình, chưa có cấu trúc trật tự [10], zeolites có cấu trúc trật tự nhưng lại thiếu tính đa dạng, các nguyên tố dùng chủ yếu là Al, Si [10,21]. Vì vậy, các nhà khoa học đã và đang cố gắng nghiên cứu để tìm ra những vật liệu có cấu trúc đồng đều hơn mà vẫn kết hợp được các ưu điểm đã kể trên. Trong những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ trước, nhóm nghiên cứu của GS Omar M. Yaghi thuộc Trường Đại Học UCLA - Mỹ đã tìm ra MOFs là vật liệu có cấu trúc tinh thể, có diện tích bề mặt riêng lớn và lỗ xốp cao. MOFs được xây dựng trên cơ sở khung hữu cơ – kim loại, có không gian ba chiều như những giàn giáo làm tăng diện tích bề mặt [3]. Không giống các vật liệu rắn khác như zeolites, carbons, oxides, MOFs có tính chất xốp, diện tích bề mặt, kích thước lỗ xốp, thành phần cấu tạo vô cơ - hữu cơ phong phú và đa dạng tạo sự chú ý của các nhà nghiên cứu [9], có thể thấy được từ sự gia tăng số lượt xuất bản về các ứng dụng tích trữ khí, xúc tác, vật liệu phát quang [10] trong thập niên qua. Hình 1.1: Số lần xuất bản MOFs trong thập niên qua [18].   1.2. VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ KIM - LOẠI 1.2.1. Cấu trúc vật liệu MOFs Hiện nay, việc thiết kế và nghiên cứu về cấu trúc và tính chất của MOFs đã thu hút các nhà nghiên cứu hóa học tham gia vào. Đương nhiên, trong bất kỳ trường hợp nào, một hệ thống các tổ chức và tên gọi cần được phát triển để tạo thuận lợi cho các nhà nghiên cứu ở hiện tại và tương lai. Và đơn vị xây dựng cơ bản (SBUs) được xem như là một khái niệm tiêu biểu trong việc giải thích và dự đoán các cấu trúc MOFs. Các SBUs được coi là "khớp" và các liên kết hữu cơ là "thanh chống" của các mạng cơ bản. MOFs dựa trên những hình dạng riêng biệt (hình tam giác, hình vuông, tứ diện,...) đã được tổng hợp và nghiên cứu. Theo Hình 1.2 MOF-5 có cấu trúc kim loại-carboxylate, a, là một SBUs bát diện được liên kết bởi các đơn vị benzen để tạo ra một mạng lưới nguyên khối, b. Hình 1.2: Cấu trúc SBUs của MOF-5 [6]. Chúng ta có thể nhận biết được cấu trúc của MOFs thông qua các góc . Góc θ là góc uốn giữa các link với nhóm carboxylate (-COO) đồng phẳng. Góc ψ là góc uốn ngoài mặt phẳng của các nhóm carboxylate với nhau. Góc ϕ là góc xoắn của mặt phẳng nhóm carboxylate này về trục linker so với nhóm carboxylate khác.   Hình 1.3: Các góc kiểm soát khung kim loại – hữu cơ được tạo thành từ benzenedicarboxylic acid Hình 1.4: Cấu trúc MOFs với ditopic có hai nhóm –COO đồng phẳng [13]. Xét cấu trúc của MOFs khi góc ϕ = ψ = 0°C. Theo Hình 1.3a khi hai SBUs liên kết với nhau bằng cầu nối 1,4 benzendicarboxylate và góc θ = 180°C sẽ tạo ra cấu trúc đồng phẳng hai chiều. Còn Hình 1.3b góc θ ≠ 180°C thì các SBUs liên kết với nhau thành chuỗi với cấu trúc một chiều.   Hình 1.5: Cấu trúc MOFs với ditopic có hai nhóm –COO không đồng phẳng [13]. Theo Hình 1.4a hai nhóm –COO cong ngoài mặt phẳng một góc ψ= = 60°C, θ = 120°C tạo khối đa diện với 12 SBUs. Còn ở Hình 1.4b hai nhóm –COO xoắn ϕ = 90°C, θ = 180°C, ψ = 0°C tạo ra cấu trúc mạng lưới ba chiều. 1.2.2. Các phương pháp tổng hợp Có nhiều phương pháp tổng hợp MOFs như phương pháp nhiệt dung môi, , phương pháp vi sóng [5] và phương pháp siêu âm [14], phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ phòng có sự hỗ trợ của hydrogen peroxide và amine [15,6]. Ở đây, chúng tôi đề cập đến ba phương pháp thường dùng khi tổng hợp MOFs. 1.2.2.1. Phương pháp nhiệt dung môi (thủy nhiệt luyện) Các phản ứng thực hiện trong nước hay các dung môi hữu cơ khác như EtOH, THF, DMF, DEF... hay hỗn hợp các dung môi nhằm tạo độ phân cực thích hợp. Khi H2O là dung môi thì gọi là phương pháp thủy nhiệt. Phương pháp này cần điều kiện thuận lợi là dung môi phải bão hòa để hình thành tinh thể và làm bay hơi dung môi bằng cách tăng nhiệt độ, làm lạnh hỗn hợp tinh thể sẽ xuất hiện. Đặc điểm của phương pháp này là nhiệt độ tổng hợp từ 70 – 150°C, thời gian từ 6h – 6 ngày. Dựa trên sự tổng hợp MOF-5 một loại cầu nối từ đó phát triển một lộ trình mới cho sự tổng hợp hai linker của các khung kim loại hữu cơ (MIXMOFs) [2]. MOF-5 được tổng hợp theo phương pháp cũ nhưng dùng hai loại cầu nối là H2BDC và H2ABDC, với tỉ lệ mol 14.25 mmol : 0.75 mmol tương ứng tạo 5% MIXMOF và 13.5mmol : 1.5 mmol sẽ tạo 10% MIXMOF. Có thể thay thế một phần cầu nối BDC bằng ABDC vì hai phân tử cầu   nối này có cùng kích thước và đều là khung lập phương (MOF-5 = IRMOF-1, IRMOF-3). Sơ đồ 1.1: Tổng hợp MOF-5 có hai loại cầu nối [2] 1.2.2.2. Phương pháp vi sóng Phương pháp này ít dùng nhưng tốc độ tổng hợp nhanh. So với phương pháp tổng hợp thủy nhiệt thông thường, phương pháp này rút ngắn thời gian nhiều lần và cải thiện hiệu suất [5]. Ví dụ tổng hợp MOF-5 có sự hỗ trợ của vi sóng Zn(NO3)2.6H2O+H2BDC. Kết quả bề mặt riêng và cấu trúc tương đương với phương pháp Solvothermal nhưng rút ngắn thời gian tổng hợp từ 2 ngày còn 25 phút. Độ hấp phụ CO2 trên vật liệu MOFs này đạt 805mg/g ở 40atm [7]. 1.2.2.3. Phương pháp siêu âm Hỗn hợp Cu(CH3COO)2.H2O và H3BTC được hòa tan bằng trong dung dịch với tỉ lệ DMF : Ethanol : H2O = 3:1:2 về thể tích, phản ứng thực hiện trong siêu âm ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển sau một thời gian ngắn 5-60 phút tạo ra MOF-199 với hiệu suất cao (62.6÷85.1%). Kích thước nano của MOF-199 theo phương pháp này nhỏ hơn so với phương pháp Solvothermal. Tuy nhiên, phương pháp siêu âm rút ngắn thời gian tổng hợp từ 20 đến 50 lần so với phương pháp thông thường [16]. 1.2.3. Ứng dụng của MOFs MOFs được biết đến với khả năng lưu trữ một lượng lớn hydro và ứng dụng của chúng cho việc làm sạch khí. Những ứng dụng này dựa trên diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc có trật tự. Những phân tử nhỏ như hydro không những hấp phụ tốt trên bề mặt   mà còn có thể giải phóng hoàn toàn ở áp suất riêng phần thấp. Mặt khác, các trung tâm kim loại của MOF cũng có khả năng ứng dụng làm xúc tác trong các phản ứng dị thể như phản ứng Knoevenagel, phản ứng acyl hóa, phản ứng ankyl hóa,… Đặc biệt, với tỷ trọng thấp (0.2-1 g/cm3), diện tích bề mặt riêng lớn có thể đạt đến 4500 m2/g nên MOFs là vật liệu lý tưởng cho việc lưu trữ và tách khí. Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm chứng tỏ khả năng tách và lưu trữ khí (N2, Ar, CO2, CH4 và H2) của MOFs. 1. Tích trữ khí - 2. Hấp phụ/ tách khí chọn lọc - 3. Xúc tác - 4. Từ tính - 5. Phát quang - 6. Điện từ - 7. Đặc tính khác Hình 1.6: Phân bố ứng dụng của MOFs [18] 1.2.3.1. Xúc tác Phản ứng Acyl hóa và Knoevenagel được thực hiện trong công nghiệp với xúc tác hay sử dụng tương ứng là acid Lewis và bazơ có sự góp mặt của Nitrogen. Nhưng với vấn đề môi trường hiện nay, các nhà khoa học luôn tìm cách hạn chế dùng các chất hay dung môi độc hại. Vì vậy, việc tìm ra một xúc tác khác dễ thu hồi, có khả năng tái sử dụng và thân thiện với môi trường mang một ý nghĩa to lớn. Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Phan T. S. Nam đã tiến hành thăm dò hoạt tính xúc tác của MOF-5 trong phản ứng acyl hóa (Sơ đồ 1.2) và MOF-199 trong phản ứng Knoevenagel (Sơ đồ 1.3). Kết quả thăm dò một số phản ứng, MOF-5 và MOF-199 có khả năng xúc tác tốt, cho độ chuyển hoá cao, độ chọn lọc sản phẩm cao và có khả năng thu hồi, tái sử dụng sau phản ứng [1].   Phản ứng acyl hóa T oC Sơ đồ 1.2: Phản ứng acyl hóa xúc tác MOF-5 Phản ứng Knoevenagel Sơ đồ 1.3: Phản ứng Knoevenagel xúc tác MOF-199. 1.2.3.2. Lưu trữ khí a) Lưu trữ hydrogen Hydrogen trong những năm gần đây được xem là nguồn nguyên liệu xanh và sạch, được nguyên cứu để thay thế các nguyên liệu truyền thống. Các phương pháp thông thường được sử dụng để lưu trữ Hydrogen thường gặp nhiều khó khăn và tốn kém vì nếu tích trữ ở dạng khí phải ở áp suất cao hay dạng lỏng thì nhiệt độ phải rất thấp. Mong muốn lưu trữ Hydrogen với hiệu quả đủ cho phép sử dụng nó ổn định và ứng dụng trong việc tiếp nhiên liệu động cơ là động lực thúc đẩy các nhà khoa học trên thế giới trong việc phát triển vật liệu mới. Tác giả Omar M. Yaghi và các cộng sự đã nghiên cứu sự hấp phụ hydrogen của 7 loại vật liệu MOFs tại 77K. Kết quả thấp nhất với MOF-74, sự hấp phụ bão hòa tại 26 bar là 2.3 wt% trong khi đó MOF-177 lên tới 70 – 80 bar và sự hấp phụ H2 là 7.5 wt% [23].