Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực hóa học hữu cơ hiện đại, nghiên cứu tổng hợp và chuyển hóa các hợp chất dị vòng đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm các cấu trúc phân tử mới có hoạt tính sinh học ứng dụng trong y dược. Các hợp chất dị vòng chứa khung thiazolidin nói chung và dẫn xuất của 2-thioxothiazolidin-4-on (còn gọi là rhodanin) nói riêng đã được chứng minh có phổ hoạt tính sinh học đa dạng, bao gồm khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, chống virus (đặc biệt là ức chế enzyme integrase của virus HIV-1), chống viêm, chống co giật và ức chế sự phát triển của các dòng tế bào ung thư. Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự hiện diện cũng như bản chất điện tử của các nhóm thế gắn tại vị trí C5 trên dị vòng 2-thioxothiazolidin-4-on có ảnh hưởng mang tính quyết định đến hoạt tính sinh học của toàn bộ phân tử.
Xuất phát từ thực tiễn trên, khóa luận tốt nghiệp thực hiện đề tài "Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số dẫn xuất 5-benzyliđen-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on" nhằm tạo ra các phân tử mới mang khung dị vòng rhodanin có gắn nhóm thế arylidene tại vị trí C5.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm 5 nội dung:
- Xuất phát từ nguyên liệu ban đầu là p-toluidin, tiến hành tổng hợp hợp chất trung gian 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-on (chất 2), sau đó thực hiện phản ứng ngưng tụ Knoevenagel với các andehit thơm để tạo thành dãy dẫn xuất 5-arylidene-3-N-(4-methylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-one (các hợp chất 3a-d).
- Khảo sát các thông số và tính chất vật lý cơ bản của các hợp chất tổng hợp được, bao gồm trạng thái tồn tại, màu sắc tinh thể, hệ dung môi kết tinh và xác định khoảng nhiệt độ nóng chảy ($t_{nc}$).
- Khảo sát và chứng minh cấu trúc hóa học của hợp chất trung gian (2) và các dẫn xuất (3a-d) bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại: phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$) và phổ khối lượng phân giải cao (HR-MS).
- Khảo sát và đánh giá sơ bộ hoạt tính kháng khuẩn của các dẫn xuất tổng hợp được đối với hai chủng vi sinh vật kiểm định là Escherichia coli (vi khuẩn Gram âm) và Bacillus subtilis (vi khuẩn Gram dương).
- Đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hiệu suất phản ứng và mở rộng dãy hợp chất dị vòng mới.
Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là hợp chất trung gian 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-on và 4 dẫn xuất 5-arylidene tương ứng mang các nhóm thế khác nhau trên vòng benzen gồm 4-Cl (3a), 4-OH (3b), 4-$\text{OCH}_3$ (3c) và 4-$\text{N(CH}_3)_2$ (3d).
Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ - Khoa Hóa học và Phòng thí nghiệm Vi sinh - Khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh; các phép đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân được thực hiện tại Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội); phép đo phổ khối lượng phân giải cao được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn khóa học 2009 - 2013.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và phản ứng hóa học
Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết về hóa học các hợp chất dị vòng 5 cạnh chứa 2 dị tố nitơ và lưu huỳnh. Khung cơ sở thiazolidin là dị vòng no 5 cạnh chứa nguyên tử lưu huỳnh ở vị trí số 1 và nguyên tử nitơ ở vị trí số 3. Khi phân tử gắn thêm nhóm oxo (=O) tại vị trí C4, ta thu được cấu trúc thiazolidin-4-on; gắn thêm nhóm oxo tại C2 và C4 tạo thành thiazolidin-2,4-dion; và gắn nhóm thioxo (=S) tại C2 cùng nhóm oxo (=O) tại C4 tạo nên hệ vòng 2-thioxothiazolidin-4-on (khung rhodanin).
Trung tâm phản ứng của khung 2-thioxothiazolidin-4-on bao gồm hai vị trí chính:
- Vị trí nhóm -NH (vị trí N3): có tính chất nucleophile, có thể tham gia các phản ứng thế tạo dẫn xuất N-thế.
- Vị trí nhóm methylen hoạt động ($\text{-CH}_2\text{-}$) tại C5: do nằm kẹp giữa nhóm carbonyl hút electron ($\text{C=O}$) và dị tố lưu huỳnh, các nguyên tử hydro tại C5 có độ linh động cao, dễ dàng tham gia phản ứng ngưng tụ Knoevenagel với các hợp chất carbonyl (andehit thơm) khi có mặt xúc tác bazơ yếu để tạo liên kết đôi exocyclic $\text{C=C}$.
Quá trình tổng hợp hợp chất trung gian (2) đi từ amin thơm bậc một ($p$-toluidin) trải qua hai giai đoạn: giai đoạn thứ nhất là phản ứng cộng nucleophile của nhóm amino vào carbon disulfua ($\text{CS}_2$) trong dung dịch amoniac để tạo muối amoni $p$-tolyldithiocarbamat; giai đoạn thứ hai là phản ứng thế nucleophile giữa muối dithiocarbamat vừa tạo thành với natri chloroacetat ($\text{ClCH}_2\text{COONa}$), sau đó đóng vòng nội phân tử trong môi trường acid vô cơ đậm đặc để tạo khung 2-thioxothiazolidin-4-on.
Phương pháp nghiên cứu và thiết bị phân tích
- Phương pháp tổng hợp hữu cơ: Thực hiện các phản ứng đun hồi lưu, lọc kết tinh phân đoạn, tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại trong các hệ dung môi thích hợp (etanol, đioxan - etanol, đioxan - nước).
- Xác định nhiệt độ nóng chảy: Đo trực tiếp trên máy đo điểm nóng chảy tự động FP62 Mettler Toledo.
- Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR): Ghi phổ trên máy FTIR-8400S SHIMADZU dưới dạng viên nén KBr trong vùng số sóng $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$.
- Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$): Ghi trên máy Bruker AC tần số 500 MHz, sử dụng dung môi DMSO-$d_6$ và chất chuẩn nội TMS.
- Phương pháp phổ khối lượng phân giải cao (HR-MS): Đo bằng kỹ thuật phun mù điện tử phân giải cao (HR-ESI-MS) trên thiết bị Bruker micrOTOF-Q 10187.
- Phương pháp khảo sát hoạt tính kháng khuẩn: Sử dụng phương pháp khuếch tán giếng thạch (khoan lỗ thạch) trên môi trường dinh dưỡng MPA (Meat Peptone Agar) đối với hai chủng vi khuẩn chuẩn Escherichia coli và Bacillus subtilis. Mẫu thử được hòa tan ở hai nồng độ 1% và 2%, nhỏ 0,1 mL vào giếng thạch, giữ lạnh 4-8 giờ cho chất khuếch tán, sau đó ủ ở nhiệt độ phòng 24 giờ và đo đường kính vòng vô khuẩn hiệu dụng ($D - d$, tính bằng cm/mm).
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG I. Tổng quan tài liệu
Chương I tổng hợp có hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến cấu trúc, phương pháp tổng hợp và hoạt tính sinh học của các dẫn xuất dị vòng thiazolidin. Nội dung chương tập trung vào:
- Khái quát cấu trúc và dược tính: Giới thiệu cấu trúc cơ bản của thiazolidin, thiazolidin-4-on, thiazolidin-2,4-dion và rhodanin. Nêu bật các bằng chứng thực nghiệm về hoạt tính kháng nấm (Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Candida albicans), chống co giật trên mô hình động vật, ức chế enzyme HIV-1 integrase và khả năng ức chế tế bào ung thư trên các dòng tế bào MCF7 (ung thư vú), NCI-H460 (ung thư phổi) và SF-268 (hệ thần kinh trung ương).
- Các hướng chuyển hóa hóa học: Phân tích chi tiết khả năng phản ứng tại vị trí N3 (-NH) và phản ứng ngưng tụ của nhóm methylen linh động C5 với các hợp chất thơm mang nhóm chức carbonyl.
- So sánh các phương pháp tổng hợp: Đưa ra dữ liệu so sánh giữa phương pháp tổng hợp cổ điển (đun hồi lưu trong 3 giờ) và phương pháp gia nhiệt vi sóng (MW 250 psi/200W, 90°C, 20 phút) cho phản ứng ngưng tụ tạo các dẫn xuất rhodanin mang khung thiazol. Số liệu tổng hợp từ Bảng 1 cho thấy phương pháp vi sóng giúp rút ngắn thời gian và nâng cao đáng kể hiệu suất phản ứng:
| Dẫn xuất | Nhóm thế $R_1, R_2, R_3, Y$ | Hiệu suất đun hồi lưu (%) | Hiệu suất vi sóng (%) |
|---|---|---|---|
| a | $R_1 = R_2 = H, Z = S, Y = H$ | 66 | 96 |
| b | $R_1 = R_2 = H, Z = S, Y = \text{CH}_3$ | 56 | 95 |
| c | $R_1 = \text{CH}_3, R_2 = H, Z = S, Y = H$ | 45 | 96 |
| d | $R_1 = \text{OCH}_3, R_2 = H, Z = S, Y = H$ | 48 | 95 |
| e | $R_1 = \text{Cl}, R_2 = H, Z = S, Y = H$ | 44 | 90 |
| f | $R_1 = \text{COCH}_3, R_2 = H, Z = S, Y = H$ | 56 | 93 |
| g | $R_1 = H, R_2 = \text{CN}, Z = S, Y = H$ | 43 | 85 |
CHƯƠNG II. Thực nghiệm
Chương II trình bày toàn bộ quy trình tổng hợp, hóa chất, thiết bị và các bước tiến hành thực nghiệm để tạo ra hợp chất trung gian (2) và 4 dẫn xuất arylidene (3a-d):
-
Tổng hợp 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-on (2):
- Hóa chất: 25,68 g (0,24 mol) $p$-toluidin; 25 mL etanol tuyệt đối; 17,2 mL $\text{CS}_2$; 36 mL dung dịch $\text{NH}_4\text{OH}$ 35%; 23,3 g (0,2 mol) $\text{ClCH}_2\text{COONa}$; 100 mL nước lạnh; dung dịch $\text{HCl}$ đặc.
- Tiến hành: Nhỏ từ từ dung dịch $p$-toluidin trong etanol vào hỗn hợp $\text{CS}_2$ và $\text{NH}_4\text{OH}$ ở nhiệt độ 0 - 10°C trong 20 phút; khuấy tiếp 1 giờ và để yên 30 phút ở 10 - 15°C để tách muối amoni $p$-tolyldithiocarbamat (kết tủa vàng). Lấy 38 g (0,19 mol) muối này hòa tan trong 100 mL nước lạnh, thêm từ từ 23,3 g $\text{ClCH}_2\text{COONa}$, khuấy 2 giờ, sau đó acid hóa bằng $\text{HCl}$ đặc để kết tủa sản phẩm. Lọc, rửa nước và kết tinh lại trong etanol.
- Kết quả: Thu được 24,21 g chất (2) dạng tinh thể hình vảy màu vàng xanh, điểm nóng chảy 167°C, hiệu suất tổng cộng qua hai giai đoạn đạt 45,3%.
-
Tổng hợp dãy dẫn xuất 5-arylidene-3-N-(4-methylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-one (3a-d):
- Tiến hành: Hòa tan 0,01 mol chất (2) (2,23 g) và 0,01 mol andehit thơm tương ứng (1,06 - 1,85 g) trong 30 mL acid acetic băng ($\text{CH}_3\text{COOH}$), thêm 1,23 g (0,015 mol) natri acetat ($\text{CH}_3\text{COONa}$). Hỗn hợp được đun hồi lưu trong 4 - 7 giờ tùy loại andehit. Đổ hỗn hợp vào nước đá vụn, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong hệ dung môi thích hợp.
| Hợp chất | Nhóm thế $X$ | Dung môi kết tinh (DMKT) | Nhiệt độ nóng chảy ($t_{nc}$, °C) | Trạng thái - Màu sắc | Hiệu suất tổng hợp (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 3a | 4-Cl | Đioxan - Etanol | 199 | Tinh thể màu vàng | 68,4 |
| 3b | 4-OH | Etanol | 264 | Tinh thể màu cam | 62,5 |
| 3c | 4-$\text{OCH}_3$ | Đioxan - Etanol | 206 | Tinh thể màu vàng | 58,4 |
| 3d | 4-$\text{N(CH}_3)_2$ | Đioxan - Nước | 204 | Tinh thể màu đỏ máu | 60,2 |
- Quy trình thử nghiệm hoạt tính sinh học:
- Môi trường MPA được pha chế theo tỷ lệ: 5 g cao thịt, 5 g Peptone, 5 g NaCl khan, 20 g Agar, 1000 mL nước cất; hấp vô trùng bằng nồi hấp áp suất và đổ đĩa Petri.
- Cấy trải đều huyền phù vi khuẩn (E. coli, B. subtilis), khoan lỗ thạch ở tâm đĩa, nạp 0,1 mL dung dịch thử (ở nồng độ 1% và 2%), bảo quản lạnh 4 - 8 giờ và ủ ấm 24 giờ trước khi đo đường kính vòng ức chế.
CHƯƠNG III. Kết quả - Thảo luận
Chương III tập trung phân tích cơ chế phản ứng, biện luận phổ nghiệm cấu trúc hóa học và đánh giá hoạt tính sinh học của các hợp chất thu được:
-
Biện luận cơ chế phản ứng:
- Phản ứng tạo chất (2) diễn ra qua sự tấn công nucleophile của nhóm $-\text{NH}_2$ trên $p$-toluidin vào nguyên tử carbon mang điện tích dương của $\text{CS}_2$, tạo thành acid dithiocarbamic dạng trung gian rồi chuyển thành muối amoni. Muối này tiếp tục đóng vai trò tác nhân nucleophile thế ion chloride của $\text{ClCH}_2\text{COO}^-$, sau đó trải qua quá trình đóng vòng lactam hóa kèm tách nước trong môi trường acid.
- Phản ứng giữa chất (2) và các andehit thơm diễn ra theo cơ chế ngưng tụ Knoevenagel: base acetat làm tăng tính nucleophile tại vị trí C5 bằng cách bứt proton tạo carbanion liên hợp; carbanion tấn công vào nhóm carbonyl của andehit tạo hợp chất trung gian alcol, sau đó xảy ra phản ứng tách nước tạo liên kết đôi liên hợp mang cấu trúc arylidene.
-
Phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) và phổ cộng hưởng từ proton ($^1\text{H-NMR}$):
- Hợp chất 2: Trên phổ IR không còn vân hấp thụ của nhóm $\text{N-H}$ (vùng $> 3100\text{ cm}^{-1}$), xuất hiện vân $\text{C=O}$ ở $1705\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=S}$ ở $1234\text{ cm}^{-1}$, $\text{C-H}$ no ở $2849 - 2917\text{ cm}^{-1}$. Trên phổ $^1\text{H-NMR}$, xuất hiện 4 nhóm tín hiệu tương ứng 9 proton (tỷ lệ tích phân 3:2:2:2): singlet ở $\delta 2,50\text{ ppm}$ ($3\text{H}, \text{-CH}3$ tại $\text{H}{4a}$); singlet ở $\delta 4,37\text{ ppm}$ ($2\text{H}$, nhóm $-\text{CH}_2-$ tại C5 vòng thiazolidin); hai doublet ở $\delta 7,12\text{ ppm}$ ($2\text{H}, \text{H}_3, \text{H}_5, J = 8,5\text{ Hz}$) và $\delta 7,31\text{ ppm}$ ($2\text{H}, \text{H}_2, \text{H}_6, J = 8,5\text{ Hz}$).
- Dãy dẫn xuất 3a-d: Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của cả 4 chất đều biến mất hoàn toàn mũi singlet của nhóm $-\text{CH}_2-$ tại $\delta 4,37\text{ ppm}$, thay vào đó xuất hiện mũi singlet mới đặc trưng cho proton olefinic $=\text{CH}-$ ($\text{H}_7$) ở vùng trường yếu $\delta 7,71 - 7,85\text{ ppm}$ do chịu ảnh hưởng cảm ứng âm của dị tố lưu huỳnh kế cận.
- Hợp chất 3a ($X = \text{Cl}$): IR cho pic $\text{C}{sp2}\text{-H}$ ở $3028\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=O}$ ở $1711\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=S}$ ở $1250\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=C}$ ở $1602\text{ cm}^{-1}$. $^1\text{H-NMR}$ cho tín hiệu $\text{H}{4a}$ ($\delta 2,39\text{ ppm}, s, 3\text{H}$), $\text{H}_7$ ($\delta 7,85\text{ ppm}, s, 1\text{H}$) cùng các cặp proton thơm đối xứng phân tách rõ rệt: $\text{H}_3, \text{H}_5$ ($\delta 7,28\text{ ppm}, d, J = 8,5\text{ Hz}$); $\text{H}2, \text{H}6$ ($\delta 7,34\text{ ppm}, d, J = 8,5\text{ Hz}$); $\text{H}{10}, \text{H}{12}$ ($\delta 7,65\text{ ppm}, d, J = 8,5\text{ Hz}$) và $\text{H}9, \text{H}{13}$ ($\delta 7,72\text{ ppm}, d, J = 8,5\text{ Hz}$).
- Hợp chất 3b ($X = \text{OH}$): IR xuất hiện vân $\text{O-H}$ rõ rệt ở $3374\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=O}$ ở $1684\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=S}$ ở $1242\text{ cm}^{-1}$. $^1\text{H-NMR}$ xuất hiện mũi singlet của proton phenol $\text{H}{11a}$ ở $\delta 10,49\text{ ppm}$ ($1\text{H}$); $\text{H}7$ ở $\delta 7,74\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}$); $\text{H}{10}, \text{H}{12}$ chuyển dịch về trường mạnh $\delta 6,96\text{ ppm}$ ($d, J = 9,0\text{ Hz}$) do hiệu ứng cộng hưởng đẩy electron ($+R$) của nhóm $-\text{OH}$.
- Hợp chất 3c ($X = \text{OCH}_3$): IR có $\text{C=O}$ ở $1717\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=S}$ ở $1244\text{ cm}^{-1}$. $^1\text{H-NMR}$ thể hiện mũi singlet của nhóm methoxy $-\text{OCH}_3$ tại $\delta 3,86\text{ ppm}$ ($3\text{H}$); $\text{H}_7$ ở $\delta 7,81\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}$); các proton vòng thơm xuất hiện trong khoảng $\delta 7,15 - 7,67\text{ ppm}$.
- Hợp chất 3d ($X = \text{N(CH}_3)_2$): IR có $\text{C=O}$ ở $1713\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=S}$ ở $1232\text{ cm}^{-1}$. $^1\text{H-NMR}$ có tín hiệu nhóm $-\text{N(CH}_3)_2$ ở $\delta 3,06\text{ ppm}$; $\text{H}_7$ ở $\delta 7,71\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}$). Tác giả lưu ý trên phổ xuất hiện thêm tín hiệu tại $\delta 3,57\text{ ppm}$ tương ứng 4 proton do vết dung môi kết tinh 1,4-đioxan chưa loại bỏ hoàn toàn.
| Hợp chất | $\nu_{\text{O-H}}$ | $\nu_{\text{C}_{sp2}\text{-H}}$ | $\nu_{\text{C}_{sp3}\text{-H}}$ | $\nu_{\text{C=O}}$ | $\nu_{\text{C=S}}$ | $\delta_{\text{H}_7}$ (ppm) | $\delta_{\text{H}_{4a}}$ (ppm) | Tín hiệu nhóm thế đặc trưng ($\delta$, ppm) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | - | - | 2849 - 2917 | 1705 | 1234 | - | 2,50 ($s$) | 4,37 ($s, 2\text{H}, -\text{CH}_2-$) |
| 3a | - | 3028 | 2849 - 2917 | 1711 | 1250 | 7,85 ($s$) | 2,39 ($s$) | - |
| 3b | 3374 | - | 2849 - 2918 | 1684 | 1242 | 7,75 ($s$) | 2,38 ($s$) | 10,49 ($s, 1\text{H}, -\text{OH}$) |
| 3c | - | 3011 | 2835 - 2922 | 1717 | 1244 | 7,81 ($s$) | 2,38 ($s$) | 3,86 ($s, 3\text{H}, -\text{OCH}_3$) |
| 3d | - | - | 2861 - 2918 | 1713 | 1232 | 7,71 ($s$) | 2,38 ($s$) | 3,06 ($s, 6\text{H}, -\text{N(CH}_3)_2$) |
-
Phân tích phổ khối lượng phân giải cao (HR-MS): Phổ HR-ESI-MS của hai hợp chất đại diện 3a và 3b đều xuất hiện pic ion phân tử cộng natri $[M + \text{Na}]^+$ hoàn toàn khớp với khối lượng lý thuyết tính toán:
- Hợp chất 3a ($\text{C}{17}\text{H}{12}\text{ClNOS}_2$, $M = 345,8663$): Pic $[M + \text{Na}]^+$ xuất hiện ở $m/z = 367,9941$ ($100%$), cùng các pic đồng vị $368,9971$ ($20,53%$) và $369,9913$ ($43,21%$) phù hợp với sự hiện diện của 1 nguyên tử clo.
- Hợp chất 3b ($\text{C}{17}\text{H}{13}\text{NO}_2\text{S}_2$, $M = 327,4206$): Xuất hiện pic $[M + \text{Na}]^+$ tại vùng khối lượng tương ứng.
-
Kết quả khảo sát hoạt tính kháng khuẩn: Khảo sát đường kính vòng vô khuẩn ($D - d$) của hai hợp chất 3a và 3d cho kết quả thực nghiệm như sau:
| Hợp chất | Nồng độ thử nghiệm | Đường kính vô khuẩn đối với E. coli ($D - d$, cm) | Đường kính vô khuẩn đối với B. subtilis ($D - d$, cm) |
|---|---|---|---|
| 3a | 1% | 1,4 | 1,5 |
| 3a | 2% | 1,3 | 1,6 |
| 3d | 1% | 1,2 | 1,5 |
| 3d | 2% | 1,3 | 1,5 |
Kết quả cho thấy các hợp chất 3a và 3d đều thể hiện hoạt tính kháng khuẩn ở mức độ yếu đến trung bình. Cả hai hợp chất đều thể hiện tính ức chế vi khuẩn Gram dương (Bacillus subtilis) tốt hơn so với vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli).
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính
- Đã xây dựng và thực hiện thành công quy trình tổng hợp hai giai đoạn điều chế hợp chất trung gian 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-on (2) từ $p$-toluidin với hiệu suất đạt 45,3% (thu được 24,21 g tinh thể vàng xanh, $t_{nc} = 167^\circ\text{C}$).
- Đã thực hiện phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa chất (2) với 4 andehit thơm khác nhau, tổng hợp thành công 4 dẫn xuất arylidene với hiệu suất đạt từ 58,4% đến 68,4%:
- 5-(4-clorobenzyliđen)-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on (3a): hiệu suất 68,4%, $t_{nc} = 199^\circ\text{C}$.
- 5-(4-hiđroxibenzyliđen)-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on (3b): hiệu suất 62,5%, $t_{nc} = 264^\circ\text{C}$.
- 5-(4-metoxibenzyliđen)-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on (3c): hiệu suất 58,4%, $t_{nc} = 206^\circ\text{C}$.
- 5-[4-(N,N-đimetylamino)benzyliđen]-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on (3d): hiệu suất 60,2%, $t_{nc} = 204^\circ\text{C}$.
- Đã xác định đầy đủ và quy kết chi tiết cấu trúc hóa học của tất cả các hợp chất tổng hợp được thông qua việc phân tích và đối chiếu đồng bộ các hệ dữ liệu phổ FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ (500 MHz) và HR-MS.
- Đã thu thập dữ liệu định lượng về khả năng kháng khuẩn của hợp chất 3a và 3d trên hai chủng vi khuẩn chuẩn E. coli và B. subtilis.
Đóng góp khoa học
- Tổng hợp thành công 5 hợp chất (gồm chất trung gian 2 và 4 dẫn xuất 3a, 3b, 3c, 3d) chưa từng được ghi nhận trong các tài liệu tham khảo được tác giả trích dẫn tại thời điểm nghiên cứu.
- Đóng góp bộ dữ liệu phổ nghiệm chi tiết ($^1\text{H-NMR}$ độ phân giải cao 500 MHz, FT-IR, HR-MS) và các hằng số vật lý chuẩn ($t_{nc}$, màu sắc, độ tan, hệ dung môi kết tinh) của các dẫn xuất rhodanin mới vào cơ sở dữ liệu hóa học hữu cơ thực nghiệm.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Phương pháp ngưng tụ Knoevenagel sử dụng kỹ thuật đun hồi lưu nhiệt truyền thống đòi hỏi thời gian phản ứng tương đối dài (từ 4 đến 7 giờ) và hiệu suất phản ứng chỉ đạt mức trung bình khá (58,4% - 68,4%).
- Quá trình tinh chế một số mẫu sản phẩm rắn (như chất 3d) còn để lại vết dung môi kết tinh (1,4-đioxan), gây ảnh hưởng nhỏ đến độ tinh khiết khi phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân.
- Thử nghiệm hoạt tính sinh học mới chỉ dừng lại ở bước thăm dò hoạt tính kháng khuẩn đối với 2 chủng vi khuẩn cơ bản trên 2 dẫn xuất (3a, 3d), chưa khảo sát toàn bộ dãy chất và chưa mở rộng sang các hoạt tính sinh học tiềm năng khác như kháng nấm hay kháng ung thư.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp hỗ trợ hiện đại (như chiếu xạ vi sóng hoặc siêu âm) nhằm rút ngắn thời gian phản ứng và tối ưu hóa hiệu suất tạo sản phẩm.
- Mở rộng phản ứng ngưng tụ giữa hợp chất 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-on với các andehit dị vòng khác (như dị vòng thiazol, pyridazin, furan, thiophen) nhằm tạo ra các cấu trúc liên hợp mới có tiềm năng hoạt tính sinh học cao hơn.
- Khảo sát toàn diện hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và thử nghiệm độc tính tế bào trên các dòng tế bào ung thư đối với toàn bộ dãy hợp chất tổng hợp được.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên và học viên chuyên ngành Hóa học, Hóa Hữu cơ, Hóa Dược và Sư phạm Hóa học: Cung cấp tài liệu thực hành chi tiết về quy trình tổng hợp dị vòng dithiocarbamat và dẫn xuất rhodanin từ các nguyên liệu sẵn có trong phòng thí nghiệm.
- Cán bộ nghiên cứu tổng hợp hữu cơ: Cung cấp quy trình chi tiết để xử lý và thực hiện phản ứng với các amin thơm thể rắn ít tan trong nước ($p$-toluidin) qua việc hòa tan trong etanol trước khi phản ứng với $\text{CS}_2$ và dung dịch amoniac.
- Tài liệu tham khảo về phổ nghiệm hữu cơ: Phần thảo luận và biện luận phổ cung cấp phương pháp chi tiết, mẫu mực trong việc quy kết các tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$), tính toán hằng số ghép spin-spin ($J$), xác định hiệu ứng dịch chuyển hóa học do các nhóm thế đẩy/hút electron trên vòng benzen, và cách phân tích số liệu phổ hồng ngoại cùng phổ khối lượng phân giải cao.
Câu hỏi thường gặp
1. Hợp chất trung gian 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-on (2) được tổng hợp qua những phản ứng hóa học nào?
Hợp chất (2) được tổng hợp qua 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Phản ứng cộng nucleophile giữa $p$-toluidin (hòa tan trong etanol) với carbon disulfua ($\text{CS}_2$) trong dung dịch amoniac 35% ở 0 - 10°C để tạo muối amoni $p$-tolyldithiocarbamat dạng tinh thể màu vàng.
- Giai đoạn 2: Phản ứng thế nucleophile giữa muối amoni $p$-tolyldithiocarbamat với natri chloroacetat ($\text{ClCH}2\text{COONa}$) trong nước lạnh, sau đó đóng vòng nội phân tử khi acid hóa hỗn hợp bằng acid clohydric ($\text{HCl}$) đặc, tạo thành chất (2) dạng tinh thể hình vảy màu vàng xanh ($t{nc} = 167^\circ\text{C}$, hiệu suất 45,3%).
2. Dẫn xuất 5-arylidene nào đạt hiệu suất tổng hợp cao nhất và nhiệt độ nóng chảy của từng chất là bao nhiêu?
Trong số 4 dẫn xuất được tổng hợp, hợp chất 3a mang nhóm thế 4-Cl đạt hiệu suất cao nhất:
- Hợp chất 3a ($X = 4\text{-Cl}$): Hiệu suất đạt 68,4%, nhiệt độ nóng chảy $t_{nc} = 199^\circ\text{C}$.
- Hợp chất 3b ($X = 4\text{-OH}$): Hiệu suất đạt 62,5%, nhiệt độ nóng chảy $t_{nc} = 264^\circ\text{C}$.
- Hợp chất 3c ($X = 4\text{-OCH}3$): Hiệu suất đạt 58,4%, nhiệt độ nóng chảy $t{nc} = 206^\circ\text{C}$.
- Hợp chất 3d ($X = 4\text{-N(CH}_3)2$): Hiệu suất đạt 60,2%, nhiệt độ nóng chảy $t{nc} = 204^\circ\text{C}$.
3. Những đặc trưng phổ nào chứng minh phản ứng ngưng tụ Knoevenagel tạo dẫn xuất 5-arylidene đã xảy ra thành công?
Sự hình thành liên kết ngưng tụ 5-arylidene được xác nhận thông qua hai dấu hiệu quang phổ quan trọng:
- Trên phổ hồng ngoại (FT-IR): Xuất hiện thêm vân hấp thụ của liên kết $\text{C}_{sp2}\text{-H}$ thơm/olefin ở vùng $3011 - 3028\text{ cm}^{-1}$ và vân liên kết đôi $\text{C=C}$ liên hợp ở vùng $1602\text{ cm}^{-1}$, đồng thời giữ nguyên các pic đặc trưng của $\text{C=O}$ ($1684 - 1717\text{ cm}^{-1}$) và $\text{C=S}$ ($1232 - 1250\text{ cm}^{-1}$).
- Trên phổ $^1\text{H-NMR}$: Mũi singlet của nhóm $-\text{CH}_2-$ tại vị trí C5 của chất đầu (ở $\delta 4,37\text{ ppm}$) hoàn toàn biến mất, thay vào đó là sự xuất hiện của mũi singlet mới tương ứng với proton olefinic $=\text{CH}-$ ($\text{H}_7$) ở vùng trường yếu $\delta 7,71 - 7,85\text{ ppm}$.
4. Tại sao trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của hợp chất 3d lại xuất hiện thêm pic tại $\delta 3,57\text{ ppm}$?
Pic hấp thụ tại độ dịch chuyển $\delta 3,57\text{ ppm}$ trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của hợp chất 3d có cường độ tích phân tương ứng 4H là do sự hiện diện của một lượng vết dung môi 1,4-đioxan còn sót lại từ quá trình kết tinh sản phẩm chưa được làm khô triệt để, chứ không thuộc về cấu trúc proton của phân tử chất 3d.
5. Kết quả thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của các hợp chất 3a và 3d cho thấy điều gì?
Cả hai hợp chất 3a và 3d đều thể hiện hoạt tính kháng khuẩn ở mức độ yếu đến trung bình với đường kính vòng vô khuẩn ($D - d$) dao động từ 1,2 cm đến 1,6 cm. Đáng chú ý, cả hai chất đều cho thấy khả năng ức chế vi khuẩn Gram dương (Bacillus subtilis, vòng vô khuẩn đạt 1,5 - 1,6 cm) tốt hơn so với vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli, vòng vô khuẩn đạt 1,2 - 1,4 cm).
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Vũ Minh Cường đã tổng hợp thành công hợp chất trung gian 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazolidin-4-on và 4 dẫn xuất 5-arylidene mới (3a-d) với hiệu suất từ 58,4% đến 68,4%. Cấu trúc hóa học của toàn bộ các hợp chất đã được xác định và chứng minh sáng tỏ thông qua sự phối hợp đồng bộ của các phương pháp phổ nghiệm FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ (500 MHz) và HR-MS. Kết quả thăm dò hoạt tính sinh học sơ bộ khẳng định các dẫn xuất 3a và 3d có hoạt tính kháng khuẩn ở mức trung bình, trong đó khả năng ức chế vi khuẩn Gram dương nổi trội hơn vi khuẩn Gram âm. Đề tài đã đóng góp các dữ liệu thực nghiệm có giá trị vào kho tàng các hợp chất dị vòng rhodanin và mở ra hướng nghiên cứu ngưng tụ với các dị vòng tiềm năng khác trong tương lai.