Luận án tiến sĩ: Tổng hợp chất dị vòng chứa nitrogen sử dụng amorphous carbon

Hợp chất dị vòng chứa nitơ xuất hiện trong nhiều phân tử sinh học và dược phẩm. Cấu trúc pyrol, imidazol, pyrazol và pyridin là khung nền của hàng nghìn hoạt chất. Các hợp chất này thể hiện hoạt tính kháng khuẩn, kháng ung thư và chống viêm. Benzo[a]carbazol có trong nhiều alkaloid tự nhiên với tác dụng sinh học mạnh. Pyrano[2,3-c]pyrazol và pyrazolo[3,4-b]pyridin là khung cấu trúc quan trọng trong thiết kế thuốc. Nhu cầu sản xuất các hợp chất này ngày càng tăng trong công nghiệp dược phẩm. Phương pháp tổng hợp hiệu quả và thân thiện môi trường trở thành ưu tiên hàng đầu.

Xúc tác kim loại như palladium, platinum và rhodium có giá thành cao. Quá trình thu hồi và tái sử dụng xúc tác kim loại phức tạp và tốn kém. Tạp chất kim loại trong sản phẩm gây vấn đề cho ứng dụng dược phẩm. Một số xúc tác kim loại gây độc hại cho môi trường và sức khỏe con người. Điều kiện phản ứng thường khắc nghiệt với nhiệt độ và áp suất cao. Nguồn cung cấp kim loại quý hạn chế và phụ thuộc vào khai thác mỏ. Xu hướng chuyển sang xúc tác carbon phi kim loại đang phát triển mạnh mẽ.

Xúc tác carbon có nguồn gốc dồi dào từ sinh khối và phế liệu. Chi phí sản xuất thấp hơn nhiều so với xúc tác kim loại quý. Vật liệu carbon ổn định nhiệt và hóa học trong nhiều điều kiện phản ứng. Khả năng tái sử dụng cao mà không mất hoạt tính xúc tác đáng kể. Sản phẩm không chứa tạp chất kim loại, phù hợp cho ứng dụng dược phẩm. Quá trình tổng hợp thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng. Biochar xúc tác từ phế phẩm nông nghiệp tạo giá trị kinh tế bền vững.

Carbon vô định hình không có trật tự tinh thể dài như graphit hay kim cương. Cấu trúc gồm các lớp carbon sp2 sắp xếp ngẫu nhiên với nhiều khuyết tật. Khuyết tật và biên hạt tạo vị trí hoạt động cho phản ứng hóa học. Diện tích bề mặt BET đạt 200-800 m²/g tùy điều kiện tổng hợp. Hệ thống lỗ xốp bao gồm micropore, mesopore và macropore. Than hoạt tính xúc tác có cấu trúc tương tự nhưng diện tích bề mặt cao hơn. Độ xốp cao giúp tăng khả năng tiếp xúc giữa xúc tác và chất phản ứng.

Nhóm sulfo (-SO3H) được gắn kết trực tiếp lên khung carbon thông qua liên kết C-S. Acid Brönsted cung cấp proton H+ để xúc tác các phản ứng. Mật độ tâm acid đạt 1-3 mmol/g tùy phương pháp sulfon hóa. Nhóm -SO3H ổn định nhiệt đến 200-250°C trong môi trường phản ứng. Tính acid mạnh tương đương hoặc vượt H2SO4 đặc trong một số trường hợp. Phương pháp sulfon hóa in-situ hoặc post-synthesis đều cho hiệu quả tốt. Độ bền hóa học cao cho phép tái sử dụng xúc tác nhiều lần.

Nguyên liệu từ phế phẩm nông nghiệp như trấu, bã mía, vỏ cà phê. Quá trình cacbon hóa ở 400-600°C trong môi trường thiếu oxy. Biochar xúc tác thu được có cấu trúc xốp và chứa các nhóm chức bề mặt. Sulfon hóa bằng H2SO4 đặc hoặc acid chlorosulfonic để gắn nhóm -SO3H. Phương pháp in-situ kết hợp cacbon hóa và sulfon hóa trong một bước. Điều kiện tối ưu phụ thuộc loại sinh khối và yêu cầu sản phẩm. Quy trình đơn giản, chi phí thấp và thân thiện môi trường.

Pyrol là vòng năm cạnh chứa một nguyên tử nitơ trong cấu trúc thơm. Phản ứng Paal-Knorr từ 1,4-dicarbonyl và amin bậc một với xúc tác AC-SO3H. Benzo[a]carbazol tổng hợp qua phản ứng Fischer indole hoặc ngưng tụ Pictet-Spengler. Xúc tác acid Brönsted hoạt hóa nhóm carbonyl và thúc đẩy đóng vòng. Hiệu suất đạt 80-92% sau 2-3 giờ ở 100°C. Sản phẩm tinh khiết cao không cần xử lý phức tạp. Phương pháp áp dụng được cho nhiều dẫn xuất với nhóm thế khác nhau.

Imidazol là vòng năm cạnh chứa hai nguyên tử nitơ ở vị trí 1,3. Phản ứng ngưng tụ ba thành phần từ benzil, aldehyde và ammonium acetate. AC-SO3H xúc tác phản ứng ở 110°C trong 2-4 giờ. Cơ chế gồm tạo Schiff base, tấn công nucleophil và khử nước đóng vòng. Hiệu suất 75-88% với độ chọn lọc cao cho sản phẩm mong muốn. Dung môi eutectic sâu (DES) thay thế dung môi hữu cơ độc hại. Xúc tác tái sử dụng 5 lần mà không giảm hoạt tính đáng kể.

Pyrano[2,3-c]pyrazol tổng hợp từ hydrazin, ethyl acetoacetate và aldehyde. Pyrazolo[3,4-b]pyridin tạo thành qua phản ứng bốn thành phần một bước. Xúc tác carbon nitride và mesoporous carbon cho hiệu quả tương đương AC-SO3H. Phản ứng không dung môi hoặc dùng nước làm dung môi xanh. Nhiệt độ 80-100°C, thời gian 1.5-3 giờ đạt hiệu suất 82-95%. Sản phẩm kết tinh trực tiếp từ hỗn hợp phản ứng sau khi làm nguội. Phương pháp mở rộng quy mô dễ dàng cho sản xuất công nghiệp.

Dung môi eutectic sâu (DES) là hỗn hợp của chất cho proton và chất nhận proton. Thành phần phổ biến gồm choline chloride và urea, glycerol hoặc acid hữu cơ. DES có điểm nóng chảy thấp, độ nhớt cao và không bay hơi. Tính chất hòa tan tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ. Không độc hại, phân hủy sinh học và dễ tái chế. Thay thế DMF, DMSO và các dung môi độc hại khác. Ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ xanh và xúc tác.

Phản ứng không dung môi giảm thiểu chất thải và chi phí xử lý. Chất phản ứng lỏng hoặc nóng chảy trộn trực tiếp với xúc tác rắn. Nghiền cơ học (mechanochemistry) kích hoạt phản ứng không cần nhiệt. Nước là dung môi xanh nhất, an toàn và rẻ tiền. Hiệu ứng hydrophobic tăng tốc độ phản ứng trong môi trường nước. Một số phản ứng cho hiệu suất cao hơn trong nước so với dung môi hữu cơ. Kết hợp xúc tác carbon và nước tạo hệ xúc tác bền vững.

Xúc tác AC-SO3H dễ dàng tách khỏi hỗn hợp phản ứng bằng lọc. Rửa bằng dung môi thích hợp và sấy khô ở 100-120°C để tái sinh. Hoạt tính xúc tác duy trì trên 90% sau 5-7 chu kỳ sử dụng. Cấu trúc và nhóm chức bề mặt ổn định trong điều kiện phản ứng. Giảm đáng kể chi phí sản xuất và tác động môi trường. Than hoạt tính xúc tác và biochar xúc tác cũng có khả năng tái sử dụng tốt. Phân tích XRD, FTIR và BET xác nhận độ bền của xúc tác sau tái sử dụng.

Giản đồ XRD của AC-SO3H cho peak rộng ở 2θ = 20-25° đặc trưng carbon vô định hình. Không xuất hiện peak sắc nét chứng tỏ không có pha tinh thể. Độ vô định hình cao tạo nhiều vị trí hoạt động cho xúc tác. Phổ FTIR hiện diện peak ở 1170 và 1040 cm⁻¹ của nhóm -SO3H. Peak ở 1620 cm⁻¹ tương ứng dao động C=C của khung carbon. Peak rộng ở 3400 cm⁻¹ do nhóm -OH và nước hấp phụ. Phân tích FTIR xác nhận gắn kết thành công nhóm sulfo lên carbon.

Phương pháp BET sử dụng hấp phụ-khử hấp phụ nitơ ở 77K. Diện tích bề mặt AC-SO3H đạt 250-450 m²/g tùy nguồn sinh khối. Thể tích lỗ xốp tổng 0.3-0.6 cm³/g với phân bố mesopore chủ yếu. Kích thước lỗ trung bình 3-8 nm thuận lợi cho khuếch tán phân tử. Đường đẳng nhiệt hấp phụ dạng IV đặc trưng vật liệu mesoporous. Diện tích bề mặt cao tăng số tâm hoạt động và hiệu quả xúc tác. Mesoporous carbon có cấu trúc lỗ xốp trật tự hơn than hoạt tính.

Phổ EDX xác định sự hiện diện của carbon, oxy và lưu huỳnh. Hàm lượng lưu huỳnh 3-8% khối lượng xác nhận sulfon hóa thành công. Tỷ lệ C/O phản ánh mức độ cacbon hóa và oxy hóa bề mặt. Phân bố đồng đều các nguyên tố trên bề mặt vật liệu. Không phát hiện tạp chất kim loại đảm bảo độ tinh khiết cao. Kết hợp với mapping nguyên tố cho thông tin phân bố không gian. Phân tích định lượng hỗ trợ tối ưu hóa quy trình tổng hợp xúc tác.

Hợp chất dị vòng chứa nitơ là khung nền của 60% dược phẩm trên thị trường. Xúc tác carbon cho sản phẩm tinh khiết không chứa kim loại độc hại. Quy trình tổng hợp đơn giản, quy mô hóa dễ dàng và chi phí thấp. Tổng hợp các alkaloid thiên nhiên và dẫn xuất sinh học hoạt tính. Sản xuất thuốc kháng sinh, kháng ung thư và chống viêm. Đáp ứng yêu cầu sản xuất dược phẩm xanh và bền vững. Giảm tác động môi trường của ngành công nghiệp dược phẩm.

Vật liệu carbon hấp phụ chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng. Xúc tác phân hủy chất độc hại thành sản phẩm ít độc hoặc vô hại. Ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Carbon dot phát hiện và loại bỏ ion kim loại nặng trong nước. Biochar xúc tác cải thiện chất lượng đất và giảm phát thải khí nhà kính. Vật liệu carbon trong pin nhiên liệu và pin lithium-ion. Phát triển siêu tụ điện với công suất cao và tuổi thọ dài.

Thiết kế xúc tác carbon đa chức năng với nhiều tâm hoạt động. Kết hợp tính chất acid-base và oxy hóa-khử trên cùng vật liệu. Phát triển xúc tác carbon từ nguồn sinh khối đa dạng và phế liệu. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo tối ưu hóa cấu trúc và điều kiện phản ứng. Nghiên cứu cơ chế xúc tác ở mức độ phân tử bằng tính toán lượng tử. Mở rộng ứng dụng sang tổng hợp vật liệu tiên tiến và nanotechnology. Thương mại hóa công nghệ xúc tác carbon cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn.