CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát Flavonoid là nhóm các hợp chất polyphenol được tìm thấy trong thực vật, trái cây, rau và các loại hạt. Phần lớn các flavonoid có màu vàng, xanh, đỏ, tím, một số khác lại không màu. Các hợp chất này có cấu tạo khung theo kiểu C6-C3-C6 hay nói cách khác là khung cơ bản gồm 2 vòng benzene A và B nối với nhau qua một mạch 3 carbon. Cấu trúc và cách đánh số được mô tả ở Hình 1.
Khung sườn cơ bản của flavonoid Flavonoid có thể được chia thành các nhóm khác nhau tùy thuộc vào vị trí trên vòng C mà vòng B gắn vào và độ bất bão hòa của các carbon ở vị trí 2, 3 trên vòng C [1]. Từ đó có thể chia thành các nhóm nhỏ bao gồm: flavones, flavonols, flavanones, chalcones,…. Chalcone là flavonoid mạch hở với cấu trúc đặc trưng không có vòng C, liên kết với nhau thông qua cầu nối ba carbon - α, β và carbonyl không bão hòa (Hình 1. Khung sườn cơ bản của chalcone Xét về đồng phân, chalcone có tồn tại ở 2 dạng đồng phân là cis và trans.
Tuy nhiên, đồng phân cis không bền do hiệu ứng không gian của vòng A và nhóm carbonyl gây ra. Chalcone là tiền chất để tổng hợp các dẫn xuất flavonoid với các nhóm thế khác nhau. Hơn thế nữa, chalcone còn được quan tâm bởi những hoạt tính sinh học đáng mong đợi 3 như kháng ung thư, kháng viêm, kháng nhiễm trùng, kháng bệnh lao, kháng virus sốt rét… [2]. Khung sườn cơ bản của flavonol Flavonol là một flavonoid chứa nhóm ketone ở vị trí số 4, tại vị trí carbon số 3 của vòng C còn có 1 nhóm hydroxyl (Hình 1.
Hành tây, trái cây và rau quả là những nguồn cung cấp flavonol phong phú. Flavanone hay còn được với cái tên khác là dihydroflavone, tại vị trí C số 4 của vòng C cũng mang một nhóm ketone. Nhưng khác với flavonol, tại vị trí của C số 2 và số 3 không có liên kết đôi và nhóm hydroxyl (Hình 1. Trong nhiều năm qua, các flavonoid mới luôn là một trong những hướng nghiên cứu mới và đầy hứa hẹn bởi những hoạt tính sinh học có lợi trong lĩnh vực y như kháng oxy hóa [3], kháng virus [4], kháng khuẩn [5], và kháng ung thư [6].
Khung sườn cơ bản của flavanone 4 1.2 Phương pháp điều chế chalcone Hiện nay, chalcone được tổng hợp bằng phản ứng ngưng tụ với các chất xúc tác khác nhau nhưng đều tập trung hướng đến “ hóa học xanh” nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ các tác động tiêu cực đến môi trường. Đầu tiên có thể kể đến là phương pháp nghiền. Đây là một phương pháp cổ điển, chalcone được tổng hợp bằng cách nghiền các methyl ketone với các aldehyde có mặt sodium hydroxide. Quá trình nghiền diễn ra đến khi tạo được hỗn hợp rắn màu vàng.
Sản phẩm thô được loại bỏ sodium hydroxide và kết tinh trong dung môi phù hợp [7]. Phương pháp chiếu xạ âm cũng được chú ý đến bởi phương pháp thu được hiệu suất cao trong thời gian ngắn và ở nhiệt độ vừa phải, sử dụng các chất xúc tác khác nhau như acid montmorillonite, KF-Al2O4 ở 20-46 °C trong vòng 4-240 phút [8]. Phản ứng coupling như Heck coupling, Sonogashira coupling,… [9]. Ngoài ra, có thể nhắc đến các phương pháp khác như là phản ứng Wittig, acyl hóa Friedel – Crafts.
Các phương pháp tổng hợp luôn được cải tiến bằng cách sử dụng nhiều chất xúc tác và các thuốc thử khác nhau để đạt hiệu suất tổng hợp tốt hơn, giảm thời gian phản ứng và ít sinh ra sản phẩm phụ [10]. Tuy nhiên, phương pháp để tổng hợp chalcone hiệu quả là phản ứng ngưng tụ Claisen – Schmidt vì tính đơn giản và ít tốn kém so với các phương pháp khác.1 Phản ứng ngưng tụ Claisen – Schmidt 1.1 Phản ứng ngưng tụ Claisen – Schmidt với xúc tác acid/base trong điều kiện có dung môi Phản ứng ngưng tụ Claisen – Schmidt thường được lựa chọn để tổng hợp các chalcone Đây là phản ứng giữa một aldehyde hoặc ketone có α-hydro với một hợp chất carbonyl thơm thiếu α-hydro. Trong quá trình tổng hợp các chalcone, acetophenone và các dẫn xuất aldehyde thông qua quá trình ghép cặp C – C, sử dụng xúc tác acid hoặc base. Nghiên cứu cho thấy phản ứng được thực hiện hiệu quả trong môi trường dung môi phân cực ở khoảng nhiệt độ 50 – 100 C trong nhiều giờ [11].
Xúc tác NaOH [12], KOH [13] và Ba(OH)2 [14] là những xúc tác base phổ biến cho phản ứng này. 5 Trong trường hợp xúc tác base, chalcone được tạo ra từ phản ứng aldol thông qua sự tách nước theo cơ chế enolate [Hình 1. Dẫn xuất acetophenone sẽ tách loại proton Hα để hình thành carbanion. Tiếp theo, carbanion này sẽ tấn công vào nhóm chức carbonyl của dẫn xuất benzenaldehyde để tạo thành hợp chất trung gian hydroxy ketone.
Cuối cùng, sự tách loại nước của hydroxy ketone tạo thành chalcone. Cơ chế của phản ứng ngưng tụ Claisen – Schmidt với xúc tác base Trong phản ứng này, các dẫn xuất acetophenone đóng vai trò là tác nhân nucleophie, còn các dẫn xuất benzaldehyde là tác nhân electrophile. Hiệu suất của phản ứng bị ảnh hưởng đáng kể bởi các nhóm thế trên vòng thơm của các tác chất. Các nhóm thế rút hay đẩy điện tử của các dẫn xuất sẽ gây ảnh hưởng đến mật độ điện tích trên C – carbonyl.
Các nhóm thế rút điện tử thì mật độ điện tích trên C – carbonyl giảm nên enolate sẽ dễ tấn công hơn và ngược lại, các nhóm thế đẩy điện tử ở vị trí ortho, para do hiệu ứng 6 cộng hưởng sẽ làm giảm tính ái điện tử của nhóm carbonyl, từ đó hiệu suất tổng hợp bị giảm [15]. Trong tự nhiên, các chalcone có hoạt tính sinh học đa dạng. Ngoài ra, hoạt tính đa dạng của chalcone chủ yếu đến từ vị trí và số lượng các nhóm hydroxyl, methoxy và các nhóm thế trên cả hai vòng A và B. Tuy nhiên, sự hiện diện của nhóm -OH trên các dẫn xuất acetophenone sẽ chuyển về dạng phenolate, tạo thành một nucleophile thứ hai cạnh tranh với carbonion ở Cα.
Vì vậy, để cải thiện vấn đề này có thể thay đổi xúc tác phản ứng thành acid như HCl, BF3, AlCl3, SOCl2/ EtOH để có thể bảo vệ nhóm -OH tránh khỏi tác động xúc tác base. Việc tổng hợp bằng xúc tác acid cũng gặp nhiều khó khăn như hiệu suất thấp, điều kiện phản ứng khắc nghiệt và gây ảnh hưởng đến môi trường [16].3 Phương pháp tổng hợp flavonol Hiện nay, flavonol luôn là một hợp chất được các nhà khoa học quan tâm bởi những đặc tính kháng oxy hóa, kháng viêm và kháng ung thư nhưng lại có rất ít trong tự nhiên. Chính vì điều đó, các phương pháp tổng hợp flavonol đã và đang là đề tài thu hút nhiều sự quan tâm. Phương pháp tổng hợp có thể kể đến là: phương pháp Karl von Auwers, phản ứng Algar-Flynn-Oyamada (AFO).
Phương pháp Karl von Auwers là phương pháp sử dụng aurone là chất nền, thực hiện phản ứng aurone hóa tạo thành sản phẩm cộng 1,2-dibromo. Trong điều kiện môi trường kiềm, ion hydroxyl tấn công để loại bỏ hydro halogen, tạo thành các α,β - ketone để tạo thành sản phẩm cuối cùng là flavonol [17]. Tổng hợp flavonol theo phản ứng Algar-Flynn-Oyamada (AFO) được các nhà khoa học chứng minh là phương pháp linh hoạt và đơn giản nhất để có thể tổng hợp ra flavonol từ chalcone với sự có mặt hydrogen peroxide ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên đã có 2 giả thuyết được đưa ra để giải thích về cơ chế của phản ứng Algar – Flynn – Oyamada: Giả thuyết đầu tiên đề xuất cơ chế phản ứng là cho 2-hydroxychalcone phản ứng hydrogen peroxide tạo thành chất trung gian chalcone epoxide.
Trong môi trường kiềm, hai vị trí α và β trên vòng epoxide có thể bị tấn công bởi ion phenolate tạo thành aurone và 3-hydroxyflavone tương ứng. 3-Hydroxyflavone tiếp tục bị oxi hóa bởi hydrogen peroxide để tạo thành sản phẩm cuối cùng là flavonol [18] (Hình 1. Cơ chế phản ứng AFO thông qua hợp chất trung gian chalcone epoxide Tuy nhiên, Dean và các tác giả đã nghiên cứu và kết luận rằng epoxide không phải là hợp chất trung gian trong quá trình tạo thành flavonol vì môi trường kiềm mạnh của phản ứng sẽ chuyển đổi chalcone phenolic thành anion phenolate. Việc tạo thành các phenolate sẽ gây nên lực tĩnh điện giữa hai anion phenolate ngăn chặn sự hình thành epoxide – hợp chất trung gian trong giả thuyết ban đầu [19].
Nhưng các tác giả cũng không hoàn toàn phủ nhận việc tạo hợp chất trung gian epoxide với điều kiện đó là các chalcone có nhóm thế ở vị trí 6 trên vòng A. Vì các nhóm thế ở vị trí này gây nên sự cản trở lập thể, dẫn đến sự tấn công của hydrogen peroxide để hình thành vòng epoxide không đồng phẳng với vòng phenolate. Ion phenolate sẽ tấn công vào vị trí α của vòng epoxide để tạo thành aurone. Giả thuyết còn lại được giải thích rằng: Trong môi trường base mạnh, 2- hydroxychalcone sẽ tách proton tạo nên ion phenolate và tấn công vào vị trí carbon β 8 của chalcone tạo nên hợp chất trung gian.
Dạng enolate của hợp chất trung gian sẽ lấy đi nhóm -OH từ hydroxy peroxide để hình thành dihydroflavonol. Quá trình oxi hóa diễn ra tiếp sau đó để tạo thành sản phẩm cuối cùng là flavonol [18]. Cơ chế này được mô tả ở Hình 1. Cơ chế tổng hợp flavonol thông qua phản ứng AFO 1.4 Phương pháp tổng hợp flavanone Flavanone là các hợp chất có hoạt tính dược lý quan trọng.
Việc điều chế thường được bằng phản ứng đóng vòng nội phân tử trong môi trường acid, base, điện phân, nhiệt phân. Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra cả flavanone và flavanol, tách hai chất này ra 9 sẽ tốn nhiều dung môi hữu cơ như benzene. Các nhà khoa học hiện nay đều đang hướng tới “hóa học xanh” nên trên cơ sở đó phản ứng đóng vòng được thực hiện trong môi trường NaOH/ H2O2. Vì phương pháp này không yêu cầu dung môi hữu cơ, giảm thiểu chất thải và xử lý sản phẩm dễ dàng hơn [20].
Ngoài ra, tổng hợp flavanone còn có thể thực hiện dưới sự chiếu xạ vi sóng với xúc tác KOH trong MeOH [21]. Trong bài luận văn này, flavanone được tổng hợp bằng phản ứng đồng phân hóa với iron (III) chloride đóng vai trò như acid Lewis. Phản ứng này được thực hiện bằng cách đun hồi lưu hỗn hợp với dung môi là ethanol trong thời gian dài. Cơ chế của phản ứng được mô tả ở Hình 1.
Cơ chế tổng hợp flavanone 1.5 Phương pháp cô lập và tinh sạch sản phẩm 1.1 Sắc ký Sắc ký là một phương pháp vật lý dùng để phân tách các hợp chất trong hỗn hợp dựa vào sự phân bố giữa hai pha là pha động và pha tĩnh.