Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Khung cấu trúc quinoline và các dẫn xuất dị vòng liên quan đóng vai trò nền tảng trong hóa dược và khoa học vật liệu nhờ hoạt tính sinh học đa dạng như kháng khuẩn, kháng viêm, kháng nấm, chống oxy hóa, chống ung thư và ức chế phân bào. Đặc biệt, các dẫn xuất 4-alkoxyquinoline và 4-quinolone đã được ghi nhận có khả năng ức chế hiệu quả đối với nhiều dòng tế bào ung thư ở người (A-549, HCT-8, RPMI-7951, KB) cũng như thể hiện tiềm năng làm tác nhân chống lao mới (kháng chủng Mycobacterium smegmatis với nồng độ ức chế tối thiểu MIC từ 62,5 đến 500 µg/mL) và ức chế sự kết tập tiểu cầu kích thích bởi acid arachidonic hoặc collagen. Mặc dù có tiềm năng ứng dụng cao, các hợp chất này tồn tại trong tự nhiên với hàm lượng rất thấp và quy trình chiết tách phức tạp. Do đó, hóa học tổng hợp hữu cơ là giải pháp trọng tâm nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi và đa dạng hóa cấu trúc phân tử.
Nhiều phương pháp tổng hợp dẫn xuất quinoline truyền thống tồn tại các hạn chế kỹ thuật như yêu cầu điều kiện phản ứng khắc nghiệt, sử dụng dung môi độc hại, tiêu tốn năng lượng hoặc trải qua nhiều bước trung gian với hiệu suất thấp. Nhằm đáp ứng xu hướng hóa học xanh và tổng hợp bền vững, việc sử dụng muối sắt(III) chloride ngậm sáu phân tử nước ($\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$) làm chất xúc tác kiêm chất oxy hóa nhẹ, chi phí thấp, không độc hại, kết hợp với kỹ thuật chiếu xạ vi sóng trong điều kiện không dung môi (phi dung môi) mang lại giải pháp rút ngắn thời gian phản ứng và loại bỏ phát thải dung môi hữu cơ. Bên cạnh đó, các dẫn xuất 2'-aminochalcone chứa nhóm thế fluor chưa được khảo sát đầy đủ trong phản ứng đóng vòng oxy hóa với $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$.
Đề tài khóa luận tập trung thực hiện 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Tổng hợp 02 dẫn xuất 2'-aminochalcone gồm hợp chất không thế $\text{AT01}$ và hợp chất chứa nhóm thế fluor $\text{AT02}$ thông qua phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt.
- Thực hiện phản ứng đóng vòng oxy hóa 02 dẫn xuất chalcone trên với xúc tác $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ trong điều kiện đun hoàn lưu có dung môi (ethanol và methanol) nhằm tổng hợp 04 dẫn xuất 4-alkoxyquinoline ($\text{AT03}$, $\text{AT04}$, $\text{AT07}$, $\text{AT08}$).
- Thực hiện phản ứng đóng vòng 02 dẫn xuất chalcone với xúc tác $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ trong điều kiện phi dung môi kết hợp chiếu xạ vi sóng nhằm tổng hợp 02 dẫn xuất 4-quinolone ($\text{AT05}$, $\text{AT06}$).
- Tách chiết, tinh sạch sản phẩm bằng phương pháp chiết lỏng – lỏng, sắc ký lớp mỏng (TLC), sắc ký cột (CC) và kết tinh lại.
- Kiểm tra nhiệt độ nóng chảy, phân tích cấu trúc các hợp chất tinh sạch bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ khối lượng (MS), từ đó đề xuất cơ chế phản ứng cho từng quá trình tổng hợp.
Đối tượng nghiên cứu là các tiền chất ban đầu (2'-aminoacetophenone, benzaldehyde, 4-fluorobenzaldehyde), muối xúc tác $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$, base KOH, cùng 8 hợp chất hữu cơ mục tiêu. Phạm vi thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; dữ liệu phổ nghiệm NMR và MS được phân tích tại Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội). Thời gian hoàn thành khóa luận vào tháng 07/2025.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm
Nghiên cứu dựa trên cơ sở hóa học của hệ liên hợp chalcone (1,3-diphenylprop-2-en-1-one) và dị vòng thơm quinoline (1-azanaphthalene hay benzo[b]pyridine). Phản ứng tạo khung chalcone được tiến hành qua cơ chế ngưng tụ Claisen–Schmidt giữa hợp chất methyl ketone thơm (2'-aminoacetophenone) và aldehyde thơm (benzaldehyde hoặc 4-fluorobenzaldehyde) dưới sự xúc tác của base mạnh. Phản ứng đóng vòng oxy hóa nội phân tử chuyển hóa 2'-aminochalcone thành quinoline dựa trên sự phối trí của ion sắt(III) với nguyên tử oxy của carbonyl và nitơ của amine, kích hoạt sự tấn công nucleophile nội phân tử, sau đó trải qua quá trình oxy hóa giải phóng proton để thơm hóa hệ vòng.
Kỹ thuật vi sóng trong hóa học tổng hợp vận hành ở tần số chuẩn 2,45 GHz (bước sóng tương ứng 12,25 cm). Cơ chế gia nhiệt vi sóng không dựa trên truyền nhiệt đối lưu hay dẫn nhiệt thông thường mà diễn ra trực tiếp từ bên trong thông qua hai hiện tượng:
- Phân cực hóa lưỡng cực (dipolar polarization): Sự định hướng và đảo chiều liên tục của các phân tử có moment lưỡng cực theo điện trường xoay chiều tạo ra nội ma sát và phát nhiệt nhanh chóng.
- Dẫn truyền ion (ionic conduction): Sự dao động hỗn loạn và va chạm mạnh mẽ của các ion tự do từ chất xúc tác muối sắt $\text{FeCl}_3$ dưới điện trường xoay chiều sinh ra nhiệt lượng đồng đều khắp khối phản ứng.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:
- Quy trình tổng hợp hữu cơ: Phản ứng Claisen–Schmidt tiến hành ở nhiệt độ phòng với máy khuấy từ gia nhiệt; phản ứng đóng vòng có dung môi được đun hoàn lưu ở nhiệt độ sôi của ethanol hoặc methanol trong bình cầu hai cổ gắn sinh hàn; phản ứng phi dung môi hỗ trợ vi sóng thực hiện trong thiết bị vi sóng chuyên dụng Microwave Reactor Discover ở 80 °C.
- Quy trình phân tách và tinh chế: Sau phản ứng, hỗn hợp được chiết lỏng – lỏng phân bố giữa pha nước và dichloromethane ($\text{H}_2\text{O} : \text{DCM} = 1:1$, 3 lần $\times$ 20 mL). Pha hữu cơ được làm khan bằng $\text{Na}_2\text{SO}_4$, lọc bỏ muối và cô quay chân không thu hồi dung môi. Tinh chế sản phẩm thô bằng sắc ký cột cổ điển sử dụng pha tĩnh silica gel và pha động n-hexane : ethyl acetate, kết hợp kỹ thuật kết tinh phân đoạn.
- Nguồn dữ liệu kiểm nghiệm cấu trúc: Theo dõi tiến trình phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết bằng sắc ký lớp mỏng (TLC trên bản mỏng Silica gel $60\text{ F}_{254}$, soi dưới đèn tử ngoại ở bước sóng 254 nm và 365 nm); đo nhiệt độ nóng chảy bằng ống Thiele; đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, HSQC) trên máy Bruker; phân tích khối phổ trên hệ thống LC/MSD Trap SL của Agilent Technologies.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về cấu trúc, tính chất hóa học và phương pháp điều chế chalcone cùng các dẫn xuất quinoline. Tác giả trình bày chi tiết ba hướng tiếp cận trong tổng hợp 2'-aminochalcone:
- Phản ứng trực tiếp Claisen–Schmidt giữa 2'-aminoacetophenone và benzaldehyde với xúc tác base (NaOH, KOH nồng độ 10–15% w/w hoặc MeONa trong THF). Phương pháp này đơn giản nhưng dễ gặp các phản ứng phụ như tự ngưng tụ của 2'-aminoacetophenone hoặc phản ứng oligomer hóa nhóm amine làm giảm hiệu suất (thường đạt 52–72%).
- Phản ứng gián tiếp qua dẫn xuất 2'-nitrochalcone rồi khử nhóm nitro bằng các tác nhân khử như $\text{SnCl}_2/\text{HCl}$, $\text{Fe}/\text{AcOH}$, hoặc hệ xúc tác lưỡng chức $\text{H}_2/\text{MgO}/\text{Pt–TiO}_2$. Hạn chế lớn là hiệu suất chung thấp (khoảng 25% cho toàn bộ quy trình hai giai đoạn) và nguy cơ khử nhầm liên kết đôi C=C hoặc nhóm carbonyl.
- Sử dụng nhóm bảo vệ amine ($\text{NH}_2$) bằng phản ứng acetyl hóa tạo dẫn xuất 2'-acetamido, sau khi ngưng tụ sẽ thủy phân giải phóng amine tự do với hiệu suất đạt 68–84%, tuy nhiên làm tăng số bước phản ứng.
Đối với quinoline, chương này phân tích các con đường chuyển hóa từ 2'-aminochalcone thành 2-arylquinoline (sử dụng xúc tác $\text{I}_2$, NIS, benzylamine trong nước, hoặc phản ứng Friedländer với acetone), tạo dẫn xuất 2-aryl-2,3-dihydroquinolin-4-one, và tổng hợp dẫn xuất 4-alkoxy-2-arylquinoline qua phản ứng alkyl hóa có mặt chất oxy hóa. Tác giả nhấn mạnh phát hiện của Kumar và Perumal (2007): trong số nhiều chất oxy hóa được khảo sát ($\text{Mn(OAc)}_3$, CAN, $\text{Cu(OAc)}_2$, PCC, NBS...), chỉ có $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ có khả năng chuyển hóa trực tiếp một bước (one-pot) 2'-aminochalcone thành 4-alkoxyquinoline với hiệu suất 55–72%. Phần cuối chương phân tích bản chất bức xạ vi sóng, hai cơ chế gia nhiệt (lưỡng cực và dẫn ion), cùng tổng quan các nghiên cứu đóng vòng quinoline không dung môi có hỗ trợ vi sóng với xúc tác dị thể như đất sét K-10 hay $\text{YbCl}_3$.
Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 mô tả chi tiết thông số các loại hóa chất có độ tinh khiết cao (2'-aminoacetophenone 97%, benzaldehyde 98%, 4-fluorobenzaldehyde 98%, $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O} \ge 99,9%$) và danh mục trang thiết bị sử dụng. Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa thành 3 quy trình chính cho 8 hợp chất:
-
Tổng hợp dẫn xuất 2'-aminochalcone ($\text{AT01}, \text{AT02}$):
- $\text{AT01}$: Sử dụng 450 µL 2'-aminoacetophenone (500,09 mg; 3,70 mmol) phản ứng với 375 µL benzaldehyde (392,64 mg; 3,70 mmol) trong 6,00 mL ethanol và 3,10 mL dung dịch KOH 20% w/v. Phản ứng khuấy từ không gia nhiệt ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ.
- $\text{AT02}$: Sử dụng 450 µL 2'-aminoacetophenone (500,09 mg; 3,70 mmol) phản ứng với 390 µL 4-fluorobenzaldehyde (459,21 mg; 3,70 mmol) trong 6,00 mL ethanol và 3,10 mL dung dịch KOH 20% w/v. Phản ứng khuấy từ ở nhiệt độ phòng trong 7 giờ đến khi hết vết aldehyde trên bản mỏng TLC.
-
Tổng hợp dẫn xuất 4-alkoxyquinoline ($\text{AT03}, \text{AT04}, \text{AT07}, \text{AT08}$):
- $\text{AT03}$ (4-ethoxy-2-phenylquinoline): 50,03 mg $\text{AT01}$ (0,23 mmol) và 125,19 mg $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ trong 10 mL ethanol tuyệt đối, đun hoàn lưu ở nhiệt độ sôi trong 7 giờ.
- $\text{AT04}$ (4-methoxy-2-phenylquinoline): 50,01 mg $\text{AT01}$ (0,23 mmol) và 151,58 mg $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ trong 10 mL methanol, đun hoàn lưu ở nhiệt độ sôi trong 6 giờ.
- $\text{AT07}$ (4-ethoxy-2-(4-fluorophenyl)quinoline): 50,02 mg $\text{AT02}$ (0,21 mmol) và 160,00 mg $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ trong 10 mL ethanol tuyệt đối, đun hoàn lưu ở nhiệt độ sôi trong 7 giờ.
- $\text{AT08}$ (4-methoxy-2-(4-fluorophenyl)quinoline): 50,03 mg $\text{AT02}$ (0,21 mmol) và 160,00 mg $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ trong 10 mL methanol, đun hoàn lưu ở nhiệt độ sôi trong 8 giờ.
-
Tổng hợp dẫn xuất 4-quinolone ($\text{AT05}, \text{AT06}$):
- $\text{AT05}$ và $\text{AT06}$ được điều chế từ $\text{AT01}$ và $\text{AT02}$ tương ứng với chất xúc tác $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ trong điều kiện phi dung môi, thực hiện chiếu xạ vi sóng trong thiết bị vi sóng ở nhiệt độ 80 °C trong 1 giờ.
Quy trình xử lý sau phản ứng đồng nhất cho các mẻ: chiết lỏng – lỏng bằng $\text{DCM}$ và $\text{H}_2\text{O}$ ($3 \times 20\text{ mL}$), loại nước bằng $\text{Na}_2\text{SO}_4$, cô quay chân không và tinh sạch bằng sắc ký cột cổ điển sử dụng hệ dung môi n-hexane : ethyl acetate tỷ lệ 95:5 hoặc 9:1 v/v.
Chương 3: Kết quả và bàn luận
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm, dữ liệu kiểm tra độ tinh khiết và biện giải cấu trúc hóa học của các sản phẩm thu được:
- Dẫn xuất chalcone ($\text{AT01}, \text{AT02}$): Phân tích phổ $^1\text{H-NMR}$ xác nhận cấu hình $(E)$ của cầu nối $\alpha,\beta$-unsaturated enone (-CH=CH-) thông qua giá trị hằng số ghép cặp $J$ lớn đặc trưng giữa hai proton olefin. Phổ khối lượng xác nhận ion phân tử phù hợp với công thức dự kiến.
- Dẫn xuất 4-alkoxyquinoline ($\text{AT03}, \text{AT04}, \text{AT07}, \text{AT08}$): Phổ NMR chứng minh sự hình thành vòng C pyridine ngưng tụ với vòng benzen A. Tín hiệu đặc trưng của nhóm ethoxy ($-\text{OCH}_2\text{CH}_3$) xuất hiện rõ nét ở $\text{AT03}$ và $\text{AT07}$ gồm một mũi ba (triplet) và một mũi bốn (quartet); trong khi nhóm methoxy ($-\text{OCH}_3$) ở $\text{AT04}$ và $\text{AT08}$ xuất hiện dưới dạng mũi đơn (singlet) đặc trưng ở vùng trường thấp. Tín hiệu của nguyên tử fluor trên hợp chất $\text{AT07}$ và $\text{AT08}$ thể hiện qua tương tác tách mũi ghép cặp C–F và H–F đặc trưng trên phổ.
- Dẫn xuất 4-quinolone ($\text{AT05}, \text{AT06}$): Dữ liệu phổ nghiệm xác nhận sự vắng mặt của nhóm alkoxy, thay vào đó là sự xuất hiện của cấu trúc quinolin-4-one với tín hiệu proton vòng dị vòng C và nhóm carbonyl tại C-4.
- Bàn luận cơ chế phản ứng:
- Phản ứng Claisen–Schmidt diễn ra qua sự tạo thành ion enolate từ 2'-aminoacetophenone dưới tác dụng của KOH, tấn công nucleophile vào carbonyl của benzaldehyde tạo hợp chất aldol trung gian, tiếp theo là sự tách phân tử nước tạo hệ liên hợp trans-enone bền vững.
- Phản ứng tạo 4-alkoxyquinoline: $\text{Fe}^{3+}$ đóng vai trò acid Lewis phối trí với carbonyl và nhóm amino, thúc đẩy amine tấn công đóng vòng nội phân tử; sự có mặt của dung môi alcohol (EtOH, MeOH) tham gia tấn công thế nucleophile tại vị trí C-4, kết hợp quá trình oxy hóa khử hydro của muối sắt để tạo vòng thơm quinoline.
- Phản ứng tạo 4-quinolone: Khi không có dung môi, năng lượng chiếu xạ vi sóng kích thích amine tấn công nội phân tử trực tiếp vào cầu enone tạo khung dihydroquinolin-4-one trung gian, sau đó xúc tác $\text{FeCl}_3$ oxy hóa khử hydro để tạo sản phẩm 2-arylquinolin-4-one bền vững.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ quy trình tổng hợp, tinh sạch và định danh cấu trúc của 8 hợp chất hữu cơ thuộc 3 nhóm cấu trúc dị vòng:
| Mã hợp chất |
Tên hóa học có hệ thống |
Tiền chất xuất phát |
Tác nhân / Xúc tác / Dung môi |
Điều kiện phản ứng |
Sản phẩm phân loại |
| AT01 |
(E)-1-(2-aminophenyl)-3-phenylprop-2-en-1-one |
2'-Aminoacetophenone + Benzaldehyde |
KOH 20% w/v / Dung môi EtOH |
Khuấy từ, nhiệt độ phòng, 24 giờ |
2'-Aminochalcone |
| AT02 |
(E)-1-(2-aminophenyl)-3-(4-fluorophenyl)prop-2-en-1-one |
2'-Aminoacetophenone + 4-Fluorobenzaldehyde |
KOH 20% w/v / Dung môi EtOH |
Khuấy từ, nhiệt độ phòng, 7 giờ |
2'-Aminochalcone chứa fluor |
| AT03 |
4-Ethoxy-2-phenylquinoline |
AT01 |
$\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ / Dung môi EtOH |
Đun hoàn lưu, nhiệt độ sôi, 7 giờ |
4-Alkoxyquinoline |
| AT04 |
4-Methoxy-2-phenylquinoline |
AT01 |
$\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ / Dung môi MeOH |
Đun hoàn lưu, nhiệt độ sôi, 6 giờ |
4-Alkoxyquinoline |
| AT07 |
4-Ethoxy-2-(4-fluorophenyl)quinoline |
AT02 |
$\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ / Dung môi EtOH |
Đun hoàn lưu, nhiệt độ sôi, 7 giờ |
4-Alkoxyquinoline chứa fluor |
| AT08 |
4-Methoxy-2-(4-fluorophenyl)quinoline |
AT02 |
$\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ / Dung môi MeOH |
Đun hoàn lưu, nhiệt độ sôi, 8 giờ |
4-Alkoxyquinoline chứa fluor |
| AT05 |
Dẫn xuất 4-quinolone |
AT01 |
$\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ / Không dung môi |
Chiếu xạ vi sóng, 80 °C, 1 giờ |
4-Quinolone |
| AT06 |
Dẫn xuất 4-quinolone chứa fluor |
AT02 |
$\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ / Không dung môi |
Chiếu xạ vi sóng, 80 °C, 1 giờ |
4-Quinolone chứa fluor |
Các kết quả và đóng góp thực nghiệm cụ thể được tác giả nêu rõ:
- Xác định ảnh hưởng của nhóm thế: Khi có mặt nhóm 4-fluoro hút electron trên aldehyde ban đầu ($\text{AT02}$), phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt kết thúc hoàn toàn chỉ sau 7 giờ so với 24 giờ của phản ứng không thế ($\text{AT01}$), do mật độ điện tích dương tại carbon carbonyl tăng lên, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng cộng nucleophile.
- Làm sáng tỏ vai trò chuyển hướng phản ứng của môi trường dung môi: Phản ứng đóng vòng có dung môi rượu (EtOH, MeOH) dẫn đến sản phẩm 4-alkoxyquinoline, trong khi phản ứng trong điều kiện phi dung môi chiếu xạ vi sóng định hướng chọn lọc tạo thành sản phẩm 4-quinolone.
- Rút ngắn thời gian phản ứng: Kỹ thuật chiếu xạ vi sóng trong điều kiện phi dung môi giúp giảm thời gian phản ứng đóng vòng từ 6–8 giờ (đun hoàn lưu truyền thống) xuống còn 1 giờ ở 80 °C.
- Mở rộng phạm vi cơ chất: Lần đầu tiên thử nghiệm và tổng hợp thành công các dẫn xuất chứa nguyên tử fluor trên khung quinoline và quinolone bằng hệ xúc tác $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận ghi nhận các hạn chế thực nghiệm dựa trên phạm vi triển khai:
- Thử nghiệm đóng vòng mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm mẻ nhỏ (sử dụng 50 mg chalcone cho mỗi phản ứng chuyển hóa).
- Đề tài tập trung vào tổng hợp hóa học và xác định cấu trúc, chưa tiến hành thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro (kháng ung thư, kháng lao, kháng khuẩn hoặc chống kết tập tiểu cầu) đối với 8 hợp chất đã tinh chế.
- Chưa tiến hành khảo sát tối ưu hóa đa biến số đối với các thông số công nghệ vi sóng (biến thiên công suất phát vi sóng, dải nhiệt độ, và tỷ lệ mol chất xúc tác $\text{FeCl}_3$).
Các hướng mở rộng tiếp theo được đề xuất:
- Mở rộng khảo sát phản ứng đóng vòng trên các dẫn xuất 2'-aminochalcone chứa các nhóm thế halogen khác (-Cl, -Br, -$\text{CF}_3$) hoặc các nhóm đẩy điện tử (-$\text{OCH}_3$, -$\text{CH}_3$) nhằm làm rõ quy luật ảnh hưởng điện tử và hiệu ứng không gian lên hiệu suất phản ứng.
- Đánh giá hoạt tính sinh học in vitro của các dẫn xuất $\text{AT01}$ đến $\text{AT08}$ trên các dòng tế bào vi sinh vật mục tiêu và tế bào ung thư để kiểm chứng tiềm năng dược lý.
Giá trị tham khảo
Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ và Hóa dược. Cụ thể:
- Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt đối với các amine thơm tự do mà không cần sử dụng nhóm bảo vệ.
- Cung cấp quy trình đóng vòng có tính chọn lọc cao tạo khung 4-alkoxyquinoline và 4-quinolone sử dụng xúc tác thân thiện môi trường $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$.
- Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về việc áp dụng thiết bị vi sóng chuyên dụng (Microwave Reactor Discover) trong tổng hợp hữu cơ phi dung môi, các bước tinh sạch sản phẩm bằng sắc ký cột silica gel và phương pháp đọc, biện giải dữ liệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, HSQC) và khối phổ (MS).
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao tác giả lựa chọn xúc tác $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ thay cho các chất oxy hóa khác trong phản ứng đóng vòng 2'-aminochalcone?
Dựa trên y văn tổng quan được trích dẫn (nghiên cứu của Kumar và Perumal, 2007), khi thử nghiệm hàng loạt chất oxy hóa như $\text{Mn(OAc)}_3$, CAN, $\text{Cu(OAc)}_2$, PCC, NBS, $\text{Co(NO}_3)_2$, chỉ có $\text{FeCl}_3\cdot6\text{H}_2\text{O}$ có khả năng chuyển hóa trực tiếp một bước (one-pot) chalcone thành 4-alkoxyquinoline với hiệu suất tốt (55–72%). Đồng thời, muối sắt(III) chloride hexahydrate đáp ứng các tiêu chí hóa học xanh: chi phí thấp, không độc hại, thân thiện với môi trường và dễ dàng loại bỏ trong quá trình chiết lỏng – lỏng bằng nước.
2. Điểm khác biệt mấu chốt về mặt cấu trúc sản phẩm giữa phản ứng có dung môi và phản ứng phi dung môi chiếu xạ vi sóng là gì?
Trong điều kiện đun hoàn lưu có dung môi rượu (ethanol hoặc methanol), phân tử dung môi trực tiếp tham gia phản ứng nucleophile vào vị trí C-4, tạo ra các sản phẩm 4-alkoxyquinoline tương ứng (chứa nhóm ethoxy $-\text{OCH}_2\text{CH}_3$ khi dùng EtOH, hoặc nhóm methoxy $-\text{OCH}_3$ khi dùng MeOH). Ngược lại, trong điều kiện phi dung môi chiếu xạ vi sóng, phản ứng đóng vòng diễn ra trực tiếp nội phân tử mà không có tác nhân alkoxy hóa, tạo thành khung 4-quinolone mang nhóm carbonyl tại vị trí C-4.
3. Sự hiện diện của nhóm thế fluor (-F) trên hợp chất $\text{AT02}$ ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt?
Nhóm thế fluor tại vị trí para trên phân tử 4-fluorobenzaldehyde có hiệu ứng hút electron mạnh làm giảm mật độ điện tích tại carbon của nhóm carbonyl (-CHO), khiến tâm carbon này trở nên dương điện hơn. Do đó, tốc độ tấn công nucleophile của ion enolate diễn ra nhanh hơn đáng kể, rút ngắn thời gian phản ứng từ 24 giờ (đối với hợp chất không thế $\text{AT01}$) xuống còn 7 giờ (đối với hợp chất chứa fluor $\text{AT02}$) ở cùng nhiệt độ phòng.
4. Hệ dung môi nào được tác giả sử dụng cho sắc ký lớp mỏng (TLC) và sắc ký cột (CC)?
Tác giả sử dụng hệ dung môi pha động n-hexane : ethyl acetate với hai tỷ lệ chính:
- Tỷ lệ 9:1 v/v được dùng để theo dõi tiến trình phản ứng trên bản mỏng TLC và làm pha động chạy sắc ký cột tinh chế cho các hợp chất quinoline ($\text{AT03}$, $\text{AT04}$, $\text{AT07}$, $\text{AT08}$).
- Tỷ lệ 95:5 v/v được sử dụng cho kiểm tra TLC và sắc ký cột phân tách các dẫn xuất chalcone ($\text{AT01}$, $\text{AT02}$), đồng thời làm hệ dung môi cho quá trình kết tinh phân đoạn tinh sạch lại.
5. Thiết bị và đơn vị nào đã thực hiện việc đo đạc, kiểm nghiệm cấu trúc các sản phẩm trong khóa luận?
Nhiệt độ nóng chảy được đo bằng thiết bị ống Thiele tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Thiết bị vi sóng sử dụng là hệ thống Microwave Reactor Discover. Dữ liệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đo trên máy Bruker và phổ khối lượng (MS) đo trên máy LC/MSD Trap SL của Agilent Technologies, được thực hiện tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tại Hà Nội.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của Lê Nguyễn Minh Châu và Nguyễn Thị Ánh Tuyết đã thực hiện thành công quy trình tổng hợp, tinh sạch và định danh cấu trúc của 02 dẫn xuất 2'-aminochalcone ($\text{AT01}, \text{AT02}$), 04 dẫn xuất 4-alkoxyquinoline ($\text{AT03}, \text{AT04}, \text{AT07}, \text{AT08}$) và 02 dẫn xuất 4-quinolone ($\text{AT05}, \text{AT06}$). Đề tài đã khẳng định vai trò định hướng phản ứng của điều kiện thực nghiệm: phương pháp đun hoàn lưu trong dung môi rượu cho phép tổng hợp chọn lọc 4-alkoxyquinoline, trong khi phản ứng phi dung môi kết hợp chiếu xạ vi sóng chuyển hóa chọn lọc thành 4-quinolone với thời gian phản ứng rút ngắn xuống 1 giờ. Toàn bộ cấu trúc hóa học của các sản phẩm tổng hợp đều được xác nhận phù hợp thông qua các phương pháp kiểm nghiệm sắc ký bản mỏng, nhiệt độ nóng chảy, phổ NMR và phổ MS, đóng góp các dẫn liệu thực nghiệm có giá trị cho hướng nghiên cứu tổng hợp dị vòng quinoline theo định hướng hóa học xanh.