Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực hóa học hữu cơ hiện đại và hóa dược, việc tổng hợp các hợp chất dị vòng mới nhằm tìm kiếm các hoạt chất có hoạt tính sinh học phục vụ y học luôn là một hướng nghiên cứu thu hút nhiều sự quan tâm. Các hợp chất chứa khung dị vòng 1,3,4-thiadiazole và 1,3-thiazolidin-4-one được ghi nhận trong nhiều công trình khoa học là có hoạt tính sinh học đa dạng như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus, kháng HIV và tiềm năng chống ung thư. Sự kết hợp đồng thời hai dị vòng này trong cùng một cấu trúc phân tử cùng với việc gắn các nhóm thế arylidene ở vị trí số 5 của dị vòng thiazolidine được kỳ vọng sẽ tạo ra các dẫn xuất mới có khả năng làm tăng hoạt tính sinh học.

Đề tài khóa luận "Tổng hợp một số hợp chất 5-arylidene-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one" do sinh viên Lê Trọng Đức thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tiến Công tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 05/2014) tập trung giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu:

    • Xây dựng quy trình tổng hợp và xác định cấu trúc của 2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one cùng các dẫn xuất 5-arylidene của nó thông qua các hằng số vật lý và các phương pháp phổ nghiệm: phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ proton ($^1\text{H-NMR}$) và phổ khối lượng phân giải cao (HR-MS).
    • Thăm dò hoạt tính kháng khuẩn của các dẫn xuất 5-arylidene tổng hợp được đối với hai chủng vi khuẩn Gram dương (Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis) và hai chủng vi khuẩn Gram âm (Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli).

  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:

    • Nhiệm vụ 1: Xuất phát từ thiosemicarbazide, tiến hành tổng hợp hợp chất trung gian 2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one, sau đó thực hiện phản ứng ngưng tụ với các aldehyde thơm để thu nhận các dẫn xuất 5-arylidene tương ứng.
    • Nhiệm vụ 2: Khảo sát các tính chất vật lý của các chất tổng hợp được bao gồm trạng thái, màu sắc, dung môi kết tinh và nhiệt độ nóng chảy.
    • Nhiệm vụ 3: Phân tích cấu trúc của các hợp chất thu được bằng các phương pháp phổ IR, $^1\text{H-NMR}$ và HR-MS.
    • Nhiệm vụ 4: Thực hiện thử nghiệm vi sinh để thăm dò hoạt tính kháng khuẩn của các dẫn xuất 5-arylidene.

  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Hợp chất dị vòng 2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one và ba dẫn xuất 5-arylidene: 5-benzylidene (5a), 5-(2-fluorobenzylidene) (5b) và 5-(4-fluorobenzylidene) (5c).
    • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các phản ứng tổng hợp hữu cơ trong phòng thí nghiệm; phân tích cấu trúc hóa học bằng các thiết bị phổ hiện đại; đánh giá khả năng kháng 4 chủng vi khuẩn chuẩn (S. aureus, B. subtilis, P. aeruginosa, E. coli) ở hai nồng độ khảo sát là 0,3% và 0,5%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên cơ sở lý thuyết về hóa học các hợp chất dị vòng năm cạnh chứa dị tố lưu huỳnh và nitơ:

  • Khung dị vòng 1,3,4-thiadiazole: Dị vòng thơm năm cạnh chứa 2 dị tố nitơ và 1 dị tố lưu huỳnh, có tính bền và khả năng tham gia phản ứng thế nucleophile hoặc acyl hóa ở nhóm 2-amino.
  • Khung dị vòng 1,3-thiazolidin-4-one: Dẫn xuất của thiazolidine mang nhóm carbonyl tại vị trí C4 ($\text{C}_3\text{H}_5\text{NOS}$, $M=103$), và biến thể 2-iminothiazolidin-4-one ($\text{C}_3\text{H}_4\text{N}_2\text{OS}$, $M=116$) mang nhóm methylene hoạt động tại vị trí C5, có khả năng tham gia phản ứng ngưng tụ aldol với các aldehyde thơm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai theo các quy trình chuẩn hóa:

  • Phương pháp tổng hợp hữu cơ: Thực hiện phản ứng hồi lưu nhiệt qua 4 giai đoạn liên tiếp; tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại trong các hệ dung môi thích hợp (ethanol, ethanol - nước, dioxan - nước).
  • Phương pháp xác định tính chất vật lý và phổ nghiệm:
    • Xác định nhiệt độ nóng chảy trên máy Gallenkamp (Khoa Hóa học, Trường ĐH Sư phạm TP.HCM).
    • Phổ hồng ngoại (FT-IR): Đo dạng viên nén KBr trên máy FTIR-8400S SHIMADZU (Trường ĐH Sư phạm TP.HCM).
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$): Đo trên máy Bruker AC 500 MHz, dung môi $\text{DMSO-d}_6$ (Phòng Cộng hưởng từ hạt nhân, Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).
    • Phổ khối lượng phân giải cao (HR-MS): Đo trên máy Bruker micrOTOF-Q 10187 (Trường ĐH Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM).
  • Phương pháp thử hoạt tính sinh học: Đánh giá khả năng kháng khuẩn theo phương pháp khuếch tán giếng thạch của Egorov (1985) trên môi trường Meat Peptone Agar (MPA) tại Phòng thí nghiệm Vi sinh – Sinh hóa, Khoa Sinh học, Trường ĐH Sư phạm TP.HCM.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các tài liệu khoa học trong và ngoài nước liên quan đến hai hệ dị vòng nghiên cứu:

  • Tổng quan về 1,3,4-thiadiazole: Trình bày cấu tạo, danh pháp ba đồng phân của thiadiazole (1,3,4-; 1,2,3-; 1,2,4-thiadiazole). Phân tích chi tiết các phương pháp tổng hợp dẫn xuất 2-amino-1,3,4-thiadiazole xuất phát từ thiosemicarbazide tác dụng với acid carboxylic, chloride acid hoặc ester khi có mặt các tác nhân hút nước ($\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, $\text{H}_3\text{PO}_4$, $\text{POCl}_3$) theo công bố của Mahendrasinh, S. Joshi, Pooja Mullick, Rajiv, Sara, Kucukguzel. Đồng thời điểm qua các phương pháp không dùng thiosemicarbazide như phản ứng của hydrazide với aryl isothiocyanate (Georgeta Serban, Tunde Horvath) hay đóng vòng bithiourea (Adediji F. Johnson).
  • Tổng quan về 1,3-thiazolidin-4-one và 2-iminothiazolidin-4-one: Trình bày cấu trúc, tính chất hóa học và phương pháp đóng vòng 2-iminothiazolidin-4-one từ dẫn xuất chloroacetamide với muối thiocyanate ($\text{KSCN}$, $\text{NH}_4\text{SCN}$). Tác giả phân tích các nghiên cứu về hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của các dẫn xuất gắn nhóm 5-arylidene từ công trình của Chavan - Nandini R. Pai, Nguyễn Tiến Công - Trương Chí Hiền, Hui-Ling Liu, Ch. Sanjeeva Reddy, và Prajapati - Dhrubo Jyoti Sen; qua đó chứng minh nhóm thế arylidene tại C5 cùng các nhóm rút electron (như $\text{-Cl}$, $\text{-NO}_2$, $\text{-F}$) đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng hoạt tính sinh học.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình hóa chất, dụng cụ và các bước tiến hành thực nghiệm tổng hợp 6 hợp chất:

  • Tổng hợp 2-amino-5-methyl-1,3,4-thiadiazole (2): Phản ứng giữa thiosemicarbazide ($18\text{ g}$) với acid acetic ($34,8\text{ ml}$, $0,6\text{ mol}$) có xúc tác $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc ($30\text{ ml}$), đun hồi lưu 2 giờ, làm lạnh vào nước đá, kiềm hóa bằng dung dịch $\text{NH}_4\text{OH}$, kết tinh lại trong ethanol; thu được $19,7\text{ g}$ chất rắn màu trắng ngà, nhiệt độ nóng chảy $222,2^\circ\text{C}$, hiệu suất đạt $87,85%$.
  • Tổng hợp 2-chloro-N-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)acetamide (3): Cho $2,30\text{ g}$ ($0,02\text{ mol}$) chất (2) phản ứng với $2,48\text{ g}$ chloroacetyl chloride khi có $1,38\text{ g }\text{K}_2\text{CO}_3$ trong dung môi chloroform ($48\text{ ml}$), đun hồi lưu 30 phút, kết tinh lại trong hệ ethanol : nước; thu được $2,58\text{ g}$ chất bột màu trắng, nhiệt độ nóng chảy $229,5^\circ\text{C}$, hiệu suất $67,36%$.
  • Tổng hợp 2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one (4): Cho $1,915\text{ g}$ chất (3) phản ứng với $0,760\text{ g }\text{NH}_4\text{NCS}$ trong $50\text{ ml}$ acetone, đun hồi lưu cách thủy 6 giờ, kết tinh lại trong ethanol; thu được $1,360\text{ g}$ chất bột màu vàng, nhiệt độ nóng chảy $236^\circ\text{C}$, hiệu suất $63,55%$.
  • Tổng hợp các dẫn xuất 5-arylidene (5a-c): Cho $0,535\text{ g}$ ($0,0025\text{ mol}$) chất (4) phản ứng với $0,0025\text{ mol}$ các aldehyde thơm tương ứng (benzaldehyde: $0,265\text{ g}$; 2-fluorobenzaldehyde: $0,310\text{ g}$; 4-fluorobenzaldehyde: $0,310\text{ g}$) khi có $0,246\text{ g}$ ($0,003\text{ mol}$) natri acetate trong $30\text{ ml}$ acid acetic băng, đun hồi lưu 5 giờ, làm lạnh trong nước đá, kết tinh lại trong hệ dioxan : nước.
    • Chất (5a): $0,410\text{ g}$ chất rắn màu vàng cam, nhiệt độ nóng chảy $245,8^\circ\text{C}$, hiệu suất $54,49%$.
    • Chất (5b): $0,570\text{ g}$ chất rắn màu vàng, nhiệt độ nóng chảy $281,3^\circ\text{C}$, hiệu suất $71,25%$.
    • Chất (5c): $0,520\text{ g}$ chất rắn màu vàng, nhiệt độ nóng chảy $263^\circ\text{C}$, hiệu suất $65,00%$.
  • Quy trình thử nghiệm kháng khuẩn: Chuẩn bị môi trường thạch MPA gồm $5\text{ g}$ cao thịt, $5\text{ g}$ pepton, $5\text{ g }\text{NaCl}$ khan, $20\text{ g}$ agar trong $1000\text{ ml}$ nước cất, hấp vô trùng. Cấy trải vi khuẩn, đục lỗ thạch, nạp $0,1\text{ ml}$ dung dịch mẫu thử ở các nồng độ 0,3% và 0,5%, giữ lạnh 4–8 giờ, ủ ở nhiệt độ phòng 12 giờ rồi đo đường kính vòng vô khuẩn $(D - d)\text{ mm}$.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các phương trình phản ứng, cơ chế hóa học chi tiết và biện giải cấu trúc thông qua dữ liệu phổ:

  • Cơ chế phản ứng:
    • Tạo vòng thiadiazole (2): Diễn ra qua quá trình proton hóa acid acetic, tấn công nucleophile của nhóm hydrazine trong thiosemicarbazide vào carbon carbonyl, tách nước, proton hóa tạo carbocation, đóng vòng nội phân tử nhờ dị tố lưu huỳnh và loại nước lần hai tạo nhân 1,3,4-thiadiazole.
    • Phản ứng acyl hóa tạo (3): Diễn ra theo cơ chế cộng nucleophile của nhóm $-\text{NH}_2$ vào carbon carbonyl của chloroacetyl chloride (giai đoạn chậm), sau đó tách anion $\text{Cl}^-$ và loại proton hình thành liên kết amide.
    • Phản ứng đóng vòng thiazolidin-4-one (4): Diễn ra theo cơ chế thế nucleophile lưỡng phân tử ($\text{S}_\text{N}2$) giữa ion $\text{NCS}^-$ với nguyên tử clo trong môi trường dung môi không proton acetone; tiếp đó, nguyên tử nitơ của nhóm amide tấn công nucleophile vào carbon mang điện tích dương của nhóm thiocyanate, kèm theo sự chuyển vị proton để tạo thành vòng 2-iminothiazolidin-4-one.
    • Phản ứng ngưng tụ tạo (5a-c): Xúc tác acid đóng vai trò enol hóa nhóm methylene tại C5 của (4) và proton hóa kích hoạt nhóm carbonyl của benzaldehyde. Sản phẩm cộng aldol ($\beta$-hydroxy ketone) tiếp tục trải qua quá trình croton hóa (dehydrat hóa). Tác giả làm rõ hai khả năng tách nước: "cơ chế enol" đối với các hợp chất mang nhóm rút electron như fluor (5b, 5c) khi proton tấn công vào nhóm carbonyl tạo enol rồi loại nước; và "cơ chế carbocation" khi có nhóm đẩy electron. Hợp chất (5a, $X=\text{H}$) có thể diễn ra theo cả hai cơ chế.
  • Biện luận dữ liệu phổ:
    • Phổ IR: Sự hình thành vòng thiazolidinone (4) được chứng minh qua bước nhảy tần số dao động hóa trị nhóm $\text{C=O}$ từ $1697\text{ cm}^{-1}$ ở hợp chất mạch hở (3) lên $1734\text{ cm}^{-1}$ ở hợp chất đóng vòng (4). Trên phổ các chất (5a-c), dao động $\text{C=O}$ xuất hiện ở dải $1714 - 1737\text{ cm}^{-1}$, dao động $\text{C=N}$ ở $1558 - 1560\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=C}$ thơm ở dải $1510 - 1599\text{ cm}^{-1}$.
    • Phổ $^1\text{H-NMR}$: Trên phổ của (5a-c), tín hiệu singlet của nhóm $-\text{CH}2-$ linh động tại $\delta = 4,072\text{ ppm}$ của chất (4) hoàn toàn biến mất, thay vào đó là sự xuất hiện của proton methenyl $(=\text{CH}-)$ dạng singlet tại $\delta = 7,766 - 7,787\text{ ppm}$ cùng hệ thống tín hiệu nhân thơm ở vùng trường yếu ($\delta > 7,3\text{ ppm}$). Tác giả phân tích chi tiết tương tác tách spin-spin giữa hạt nhân hydro và hạt nhân flo ($^{19}\text{F}$ có spin $I=1/2$ tương tự $^1\text{H}$) ở các hợp chất (5b) và (5c), chỉ ra các hằng số tách ghép đặc trưng $J{\text{HF}}$ và $J_{\text{HH}}$ với các dạng vân phổ doublet-doublet ($dd$) và multiplet ($m$).
    • Phổ HR-MS: Sắc ký đồ của chất (4) và (5b) cho pic đơn sắc nét khẳng định độ sạch của sản phẩm. Phổ HR-MS của chất (4) ($\text{C}_6\text{H}_6\text{N}_4\text{OS}_2$, $M=213,9983$) xuất hiện pic ion phân tử $[\text{M}+\text{H}]^+$ tại $m/z = 215$; chất (5b) xuất hiện đầy đủ các pic ion phân tử $[\text{M}+\text{H}]^+$, $[\text{M}+\text{H}+1]^+$ và $[\text{M}+\text{H}+2]^+$.
  • Kết quả kháng khuẩn: Các chất tổng hợp thể hiện hoạt tính kháng khuẩn trung bình trên cả 4 chủng vi khuẩn khảo sát; đặc biệt hai hợp chất (5b) và (5c) thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh đối với chủng vi khuẩn Gram âm Pseudomonas aeruginosa ở nồng độ 0,5%.

Chương 4: Kết luận

Tổng kết việc thực hiện thành công quy trình tổng hợp 06 hợp chất (gồm 3 chất trung gian 2, 3, 4 và 3 dẫn xuất mới 5a, 5b, 5c). Xác nhận toàn bộ cấu trúc phân tử và hằng số vật lý; đánh giá sơ bộ hoạt tính kháng khuẩn và định hướng tiếp tục ngưng tụ chất (4) với các aldehyde thơm khác cũng như mở rộng khảo sát các hoạt tính kháng nấm, chống ung thư.

Kết quả và đóng góp

1. Dữ liệu tổng hợp hóa học và thông số vật lý

Khóa luận đã thiết lập quy trình tổng hợp 4 giai đoạn với hiệu suất và thông số vật lý của 6 hợp chất được tổng hợp và tinh chế:

Ký hiệu Tên hợp chất Màu sắc / Trạng thái Dung môi kết tinh Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) Hiệu suất (%)
(2) 2-amino-5-methyl-1,3,4-thiadiazole Bột màu trắng ngà Ethanol 222,2 87,85
(3) 2-chloro-N-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)acetamide Bột màu trắng Ethanol : Nước 229,5 67,36
(4) 2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one Bột màu vàng Ethanol 236,0 63,55
(5a) 5-benzylidene-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one Chất rắn màu vàng cam Dioxan : Nước 245,8 54,49
(5b) 5-(2-fluorobenzylidene)-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one Chất rắn màu vàng Dioxan : Nước 281,3 71,25
(5c) 5-(4-fluorobenzylidene)-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one Chất rắn màu vàng Dioxan : Nước 263,0 65,00

2. Dữ liệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H-NMR}$ ($\delta\text{, ppm}$; $J\text{, Hz}$) trong $\text{DMSO-d}_6$

Hợp chất $\text{H}^1$ ($s$, 3H, $\text{CH}_3$) $\text{H}^2$ ($s$, 1H, $=\text{CH}-$) $\text{H}^3$ ($broad$, 1H, $=\text{NH}$) Proton nhân thơm (vị trí, độ chuyển dịch $\delta$, hằng số tách ghép $J$)
(5a) 2,660 7,766 12,877 $\text{H}^{4'}: 7,483\text{ }(t, 1\text{H})$; $\text{H}^{3',5'}: 7,550\text{ }(d, 2\text{H}, J=7,5)$; $\text{H}^{2',6'}: 7,573\text{ }(dd, 2\text{H}, J_1=J_2=7,5)$
(5b) 2,661 7,768 ~13,000 $\text{H}^{3'}: 7,394\text{ }(dd, 1\text{H}, J_{\text{HF}}=10,0, J_{\text{HH}}=8,5)$; $\text{H}^{5'}: 7,450\text{ }(m, 1\text{H})$; $\text{H}^{4'}: 7,568\text{ }(m, 1\text{H})$; $\text{H}^{6'}: 7,644\text{ }(dd, 1\text{H}, J_1=J_2=7,5)$
(5c) 2,667 7,787 12,878 $\text{H}^{3',5'}: 7,450\text{ }(dd, 2\text{H}, J_1=9,5, J_2=7,5)$; $\text{H}^{2',6'}: 7,700\text{ }(dd, 2\text{H}, J_1=7,5, J_2=5,5)$

3. Kết quả thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn

Đường kính vòng vô khuẩn $(D - d)\text{ mm}$ của các dẫn xuất (5a-c) trên 4 chủng vi khuẩn:

Chủng vi sinh vật Nồng độ khảo sát Dẫn xuất (5a) $(D-d)\text{ mm}$ Dẫn xuất (5b) $(D-d)\text{ mm}$ Dẫn xuất (5c) $(D-d)\text{ mm}$
Escherichia coli (Gram âm) 0,3%
0,5%		 16
18		 16
18		 17
18
Pseudomonas aeruginosa (Gram âm) 0,3%
0,5%		 18
19		 19
21		 19
22
Bacillus subtilis (Gram dương) 0,3%
0,5%		 16
17		 16
18		 17
19
Staphylococcus aureus (Gram dương) 0,3%
0,5%		 15
16		 16
18		 17
18

(Ghi chú theo tiêu chuẩn đánh giá: $D-d > 20\text{ mm}$: kháng mạnh; $15 - 20\text{ mm}$: kháng trung bình; $< 15\text{ mm}$: kháng yếu; $0\text{ mm}$: không kháng).

4. Đóng góp khoa học của đề tài

  • Tổng hợp thành công 3 dẫn xuất mới chứa đồng thời hai dị vòng 1,3,4-thiadiazole và 1,3-thiazolidin-4-one là (5a), (5b), và (5c) chưa từng được công bố trong các tài liệu tham khảo trước đó.
  • Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đầy đủ về hằng số vật lý, phổ hồng ngoại, phổ khối lượng phân giải cao và đặc biệt là sự phân tích chi tiết tương tác tách ghép spin $^{19}\text{F}-^1\text{H}$ trên phổ $^1\text{H-NMR}$.
  • Chứng minh khả năng kháng khuẩn của các hợp chất tổng hợp được, phát hiện dẫn xuất chứa nhóm thế fluor ở vị trí ortho (5b) và para (5c) có hoạt tính kháng mạnh vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa ở nồng độ 0,5%.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu mới khảo sát phản ứng ngưng tụ trên 3 dẫn xuất aldehyde thơm (benzaldehyde, 2-fluorobenzaldehyde, 4-fluorobenzaldehyde).
    • Hoạt tính kháng khuẩn mới dừng lại ở bước thăm dò định tính/bán định lượng qua đường kính vòng vô khuẩn ở 2 mức nồng độ (0,3% và 0,5%), chưa tiến hành xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC).
  • Hướng mở rộng đề tài:
    • Tiếp tục phát triển phản ứng ngưng tụ hợp chất trung gian (4) với các dẫn xuất aldehyde thơm khác mang các nhóm thế đa dạng (như nhóm thế halogen khác, nhóm nitro, nhóm methoxy, nhóm hydroxyl).
    • Mở rộng khảo sát các hoạt tính sinh học tiềm năng khác của dãy chất tổng hợp được như hoạt tính kháng nấm và hoạt tính gây độc tế bào ung thư.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo cho:

  • Đối tượng: Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dược, Dược học và Công nghệ Hóa học.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Quy trình thực nghiệm 4 bước điều chế hệ dị vòng kép từ nguyên liệu ban đầu thiosemicarbazide.
    • Các lập luận biện giải cơ chế phản ứng hữu cơ (phản ứng đóng vòng dị thể, phản ứng $\text{S}_\text{N}2$ nội phân tử, cơ chế tách nước enol và carbocation trong phản ứng croton hóa).
    • Phương pháp luận quy kết tín hiệu phổ $^1\text{H-NMR}$ độ phân giải cao ($500\text{ MHz}$) đối với các hợp chất hữu cơ chứa dị nguyên tố có tương tác tách spin phức tạp ($^{19}\text{F}-^1\text{H}$).

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên liệu ban đầu và tác nhân phản ứng dùng để tổng hợp khung dị vòng 1,3,4-thiadiazole (chất 2) trong khóa luận là gì?

Khung 1,3,4-thiadiazole (chất 2: 2-amino-5-methyl-1,3,4-thiadiazole) được tổng hợp trực tiếp từ nguyên liệu ban đầu là thiosemicarbazide ($18\text{ g}$) phản ứng với acid acetic ($34,8\text{ ml}$) dưới tác dụng xúc tác và hút nước của acid sulfuric đậm đặc ($30\text{ ml}$), đun hồi lưu nhiệt trong 2 giờ và kiềm hóa sản phẩm bằng dung dịch $\text{NH}_4\text{OH}$, đạt hiệu suất $87,85%$.

2. Phản ứng tạo vòng 1,3-thiazolidin-4-one (chất 4) từ dẫn xuất chloroacetamide (chất 3) diễn ra theo cơ chế nào?

Phản ứng diễn ra qua hai giai đoạn liên tiếp:

  1. Phản ứng thế nucleophile lưỡng phân tử ($\text{S}_\text{N}2$) giữa tác nhân $\text{NCS}^-$ với nguyên tử clo của nhóm chloroacetyl trong môi trường dung môi acetone tạo hợp chất trung gian thiocyanate mạch hở.
  2. Phản ứng đóng vòng nội phân tử: nguyên tử nitơ của nhóm amide đóng vai trò tác nhân nucleophile tấn công vào carbon mang điện tích dương của nhóm thiocyanate, tiếp nối bằng quá trình chuyển vị proton tạo thành dị vòng 2-iminothiazolidin-4-one.

3. Dấu hiệu phổ nghiệm nào chứng minh phản ứng ngưng tụ tạo các dẫn xuất 5-arylidene (5a-c) đã xảy ra hoàn toàn?

Trên phổ cộng hưởng từ proton ($^1\text{H-NMR}$), bằng chứng then chốt là sự biến mất hoàn toàn của tín hiệu singlet ứng với 2 proton của nhóm $-\text{CH}_2-$ linh động trên dị vòng thiazolidine tại $\delta = 4,072\text{ ppm}$ của chất đầu (4); đồng thời xuất hiện một tín hiệu singlet mới đặc trưng cho 1 proton methenyl $(=\text{CH}-)$ tại $\delta = 7,766 - 7,787\text{ ppm}$ cùng hệ thống pic đa vạch của các proton vòng thơm tại vùng $\delta > 7,3\text{ ppm}$.

4. Kết quả thăm dò hoạt tính kháng khuẩn cho thấy hợp chất nào có hoạt tính ức chế vi sinh vật mạnh nhất?

Hai hợp chất mang nhóm thế fluor là 5-(2-fluorobenzylidene)-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one (5b) và 5-(4-fluorobenzylidene)-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one (5c) thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh nhất trên chủng vi khuẩn Gram âm Pseudomonas aeruginosa ở nồng độ 0,5%, với đường kính vòng vô khuẩn đo được lần lượt là $21\text{ mm}$ (đối với 5b) và $22\text{ mm}$ (đối với 5c).

5. Những hợp chất nào trong khóa luận được xác định là các cấu trúc mới?

Ba dẫn xuất 5-arylidene gồm (5a) 5-benzylidene-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one, (5b) 5-(2-fluorobenzylidene)-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one, và (5c) 5-(4-fluorobenzylidene)-2-imino-3-(5-methyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-thiazolidin-4-one là các hợp chất mới, chưa từng được ghi nhận trong các tài liệu tham khảo mà tác giả khảo sát.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Trọng Đức đã xây dựng thành công quy trình thực nghiệm tổng hợp 06 hợp chất dị vòng chứa nhân 1,3,4-thiadiazole và 1,3-thiazolidin-4-one, trong đó có 03 dẫn xuất 5-arylidene mới (5a, 5b, 5c). Cấu trúc của tất cả các sản phẩm tổng hợp đều được làm sáng tỏ và chứng minh chặt chẽ bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại gồm IR, $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$) và HR-MS. Kết quả thử nghiệm sinh học ban đầu khẳng định các hợp chất tổng hợp đều có hoạt tính kháng khuẩn, trong đó các dẫn xuất gắn nguyên tử fluor (5b, 5c) thể hiện hoạt tính ức chế mạnh đối với chủng vi khuẩn Gram âm Pseudomonas aeruginosa, tạo tiền đề thực nghiệm cho các nghiên cứu phát triển hoạt chất hóa dược tiếp theo.