Khóa luận nghiên cứu cấu trúc sản phẩm chuyển hóa từ 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide

Khóa luận nghiên cứu cấu trúc sản phẩm chuyển hóa từ 2 acetamido 3 4 chlorophenyl acrylohydrazide, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hóa học hữu cơ.

• Tác giả: Trương Thị Quỳnh Như
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Công
• Trường học: Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Cấu Trúc Của Một Số Sản Phẩm Chuyển Hóa Từ 2-(Acetamido)-3-(4-Chlorophenyl)Acrylohydrazide
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: OXAZOLONE VÀ CÁC DẪN XUẤT
• 1.1. Đặc điểm cấu tạo
• 1.2. Tổng hợp oxazolone và các dẫn xuất
• 1.3. Tổng hợp hydrazide
• 1.3.1. Đặc điểm cấu tạo
• 1.3.2. Tổng hợp hydrazide
• 1.4. Một số phản ứng chuyển hóa hydrazide
• 1.5. Hoạt tính sinh học của một số hydrazide N-thế (hydrazone)
• 2. CHƯƠNG 2: Tổng hợp các chất
• 2.1. Tổng hợp 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5-one (A)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu cấu trúc sản phẩm chuyển hóa từ 2 acetamido 3 4 chlorophenyl acrylohydrazide

Nghiên cứu cấu trúc sản phẩm chuyển hóa từ 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học hữu cơ. Hợp chất này không chỉ có tiềm năng ứng dụng trong y học mà còn là nền tảng cho việc phát triển các hợp chất mới. Việc hiểu rõ cấu trúc và tính chất của nó sẽ giúp mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hóa học dược phẩm.

1.1. Tầm quan trọng của 2 acetamido 3 4 chlorophenyl acrylohydrazide trong hóa học

Hợp chất 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide có vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các dẫn xuất có hoạt tính sinh học cao. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc mà còn mở ra cơ hội cho việc phát triển các loại thuốc mới.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu cấu trúc sản phẩm chuyển hóa

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định cấu trúc và tính chất của các sản phẩm chuyển hóa từ 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide. Điều này sẽ giúp đánh giá khả năng ứng dụng của chúng trong y học và các lĩnh vực khác.

II. Thách thức trong nghiên cứu cấu trúc sản phẩm chuyển hóa

Nghiên cứu cấu trúc sản phẩm chuyển hóa từ 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tinh khiết của sản phẩm, phương pháp phân tích cấu trúc và khả năng tái tạo sản phẩm là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ tinh khiết và chất lượng sản phẩm

Độ tinh khiết của sản phẩm chuyển hóa là yếu tố quyết định đến kết quả nghiên cứu. Việc kiểm soát chất lượng sản phẩm là rất cần thiết để đảm bảo tính chính xác trong phân tích cấu trúc.

2.2. Phương pháp phân tích cấu trúc hiệu quả

Sử dụng các phương pháp phân tích như phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ khối lượng (MS) là cần thiết để xác định cấu trúc của sản phẩm. Mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng, cần được lựa chọn phù hợp.

III. Phương pháp tổng hợp sản phẩm chuyển hóa từ 2 acetamido 3 4 chlorophenyl acrylohydrazide

Phương pháp tổng hợp sản phẩm chuyển hóa từ 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide bao gồm nhiều bước khác nhau. Các phản ứng hóa học cần được thực hiện trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ để đạt được sản phẩm mong muốn.

3.1. Quy trình tổng hợp cơ bản

Quy trình tổng hợp bao gồm các bước như phản ứng với aldehyde thơm và các điều kiện phản ứng cụ thể. Việc tối ưu hóa các điều kiện này sẽ giúp tăng hiệu suất sản phẩm.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp

Nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ chất tham gia là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp. Cần thực hiện các thí nghiệm để xác định điều kiện tối ưu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của sản phẩm chuyển hóa từ 2 acetamido 3 4 chlorophenyl acrylohydrazide

Sản phẩm chuyển hóa từ 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide có nhiều ứng dụng trong y học và công nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này sẽ góp phần nâng cao giá trị của hợp chất.

4.1. Ứng dụng trong y học

Các sản phẩm chuyển hóa có thể được sử dụng trong điều trị các bệnh lý khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực kháng sinh và chống ung thư. Nghiên cứu này mở ra cơ hội cho việc phát triển thuốc mới.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Ngoài y học, các sản phẩm này còn có thể được ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất, đặc biệt là trong sản xuất các hợp chất hữu cơ khác.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu cấu trúc sản phẩm chuyển hóa từ 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực hóa học hữu cơ. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác định được cấu trúc và tính chất của các sản phẩm chuyển hóa, từ đó khẳng định tiềm năng ứng dụng của chúng trong y học và công nghiệp.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các dẫn xuất mới từ 2-acetamido-3-4-chlorophenyl-acrylohydrazide và khám phá thêm các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực hóa dược và tổng hợp hữu cơ, việc tìm kiếm và phát triển các hợp chất mới có hoạt tính sinh học đóng vai trò thiết yếu nhằm đáp ứng nhu cầu điều trị bệnh, đặc biệt trong bối cảnh các bệnh lý nguy hiểm và ung thư ngày càng gia tăng. Dẫn xuất hydrazide N-thế (hydrazone) và các dị vòng có nguồn gốc từ hydrazide (như oxazole, imidazole, oxadiazole, pyrazole) là nhóm hợp chất sở hữu nhiều hoạt tính sinh học có giá trị như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus, giảm đau, chống co giật và ức chế tế bào ung thư. Mặc dù công trình đi trước đã từng bước tổng hợp được một số hydrazide N-thế từ acid 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylic, cấu trúc không gian và cấu hình lập thể của các sản phẩm chuyển hóa này vẫn chưa được xác định rõ ràng. Nhằm giải quyết khoảng trống học thuật trên, tác giả Trương Thị Quỳnh Như đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài "Nghiên cứu cấu trúc của một số sản phẩm chuyển hóa từ 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide" dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tiến Công tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể qua ba nhiệm vụ:

1. Tổng hợp và chuyển hóa hợp chất 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide qua phản ứng ngưng tụ với các aldehyde thơm.
2. Khảo sát các hằng số và tính chất vật lý của các chất tổng hợp được, bao gồm trạng thái tồn tại, dung môi kết tinh, nhiệt độ nóng chảy và màu sắc.
3. Xác định cấu trúc hóa học và cấu hình không gian của các dẫn xuất điều chế được thông qua hệ thống phương pháp phổ nghiệm hiện đại: phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ khối lượng (MS).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Khách thể nghiên cứu: Hợp chất 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide và các dẫn xuất chuyển hóa của nó.
• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình tổng hợp hóa học, phương pháp tinh chế và quy trình xác lập công thức cấu tạo, cấu trúc không gian của các chất nghiên cứu.
• Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ quá trình thực nghiệm tổng hợp, kết tinh tinh chế và phân tích quang phổ được triển khai trong phạm vi phòng thí nghiệm chuyên ngành Hóa hữu cơ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên hóa học các hợp chất dị vòng oxazolone (azlactone) và dẫn xuất hydrazide:

• Phản ứng Erlenmeyer: Tổng hợp dị vòng oxazol-5-one từ aldehyde thơm và N-acylglycine với sự hiện diện của anhydride acetic và xúc tác base yếu (sodium acetate khan). Phản ứng này có tính chọn lọc lập thể cao, ưu tiên tạo thành đồng phân cấu hình Z có độ bền nhiệt cao hơn do ít bị cản trở không gian.
• Phản ứng mở vòng oxazolone: Sử dụng tác nhân nucleophile mạnh là hydrazine hydrate để mở vòng 2-methyloxazol-5-one theo cơ chế cộng - tách nucleophile ở nhóm carbonyl (cơ chế $Ac_B2$), chuyển hóa thành dẫn xuất hydrazide mạch hở tương ứng.
• Phản ứng ngưng tụ tạo hydrazone và phản ứng đóng vòng: Phản ứng giữa hydrazide và hợp chất carbonyl (aldehyde thơm) diễn ra qua hai giai đoạn (tấn công nucleophile của nhóm $-NH_2$ vào carbon carbonyl, tiếp theo là giai đoạn tách nước có xúc tác acid hoặc base) để hình thành liên kết azomethine ($-CH=N-$). Trong một số điều kiện phản ứng thích hợp, hydrazide thế có thể tiếp tục tham gia phản ứng khép vòng nội phân tử tạo dị vòng imidazole.

Hệ thống phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích bao gồm:

• Phương pháp tổng hợp hóa học và tinh chế: Thực hiện các phản ứng đun hồi lưu cách thủy trong dung môi hữu cơ; tinh chế sản phẩm rắn bằng phương pháp kết tinh lại phân đoạn với hệ dung môi ethanol, dioxan - nước và ethanol - nước.
• Xác định nhiệt độ nóng chảy: Thực hiện trên máy Gallenkamp tại Phòng thí nghiệm Hóa đại cương, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phổ hồng ngoại (FT-IR): Đo theo kỹ thuật ép viên nén KBr trên máy Shimadzu 8400S tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Ghi phổ $^1H$-NMR (500 MHz), $^{13}C$-NMR (125 MHz) và các phổ hai chiều (NOESY, HSQC, HMBC) trên máy Bruker Avance 500 MHz, sử dụng dung môi DMSO-$d_6$ và chất chuẩn nội TMS tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội).
• Phổ khối lượng phân giải cao (HR-MS): Đo trên hệ thống sắc ký ghép khối phổ microTOF-QII Bruker tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phương pháp hóa lượng tử: Tính toán tối ưu hóa hình học phân tử và tính toán năng lượng bằng phần mềm Gaussian với bộ hàm MP2/6-311++G(d,p) (thực hiện bởi TS. Trương Bá Tài, Phòng Hóa lượng tử, Đại học Leuven, Vương quốc Bỉ).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Oxazolone và các dẫn xuất

Chương 1 tổng quan tài liệu chuyên khảo về cấu tạo, phương pháp điều chế và hoạt tính sinh học của oxazolone cùng các dẫn xuất hydrazide:

• Đặc điểm cấu tạo và tổng hợp oxazolone: Oxazolone (azlactone) là dị vòng 5 cạnh chứa hai dị tố nitrogen và oxygen, được Emil Erlenmeyer tổng hợp lần đầu năm 1893. Các nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X đơn tinh thể và lý thuyết hàm mật độ (DFT) đã chứng minh rằng liên kết đôi exocyclic giữa hợp phần arylidene và vòng oxazolone ưu tiên tồn tại ở cấu hình Z bền vững về mặt năng lượng.
• Tổng hợp và tính chất của hydrazide: Hydrazide ($RCONHNH_2$) là dẫn xuất của acid carboxylic, tồn tại ở thể rắn nhờ liên kết hydrogen liên phân tử. Phương pháp điều chế phổ biến là mở vòng oxazolone bằng hydrazine hydrate với hiệu suất cao nhờ lực nucleophile mạnh của hydrazine.
• Khả năng chuyển hóa và hoạt tính sinh học: Hydrazide là hợp chất trung gian đa năng dùng để tổng hợp nhiều dị vòng có dược tính cao như pyrimidine, 1,3,4-oxadiazole, pyrazole, oxadiazoline, thiadiazole. Các dẫn xuất hydrazide N-thế (hydrazone) thể hiện phổ hoạt tính sinh học rộng: chống co giật (GABA hydrazone), giảm đau mạnh hơn morphin và aspirin (dẫn xuất benzoxazoline-hydrazone), kháng khuẩn đối với Staphylococcus aureus và Escherichia coli, kháng lao (Mycobacterium tuberculosis, M. fortuitum, M. avium) ở dải nồng độ thấp từ 6,25 đến 40 $\mu g/mL$, cũng như khả năng ức chế các dòng tế bào ung thư vú (MCF-7), ung thư phổi (NCI-H460) và ung thư thần kinh (SF-268).

Chương 2. Tổng hợp các chất

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, điều kiện phản ứng, phương pháp cô lập và tinh chế 4 hợp chất hữu cơ (ký hiệu A, B, C, D):

• Hợp chất (A) - 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5-one: Tiến hành qua 2 giai đoạn. Giai đoạn 1 tổng hợp acetylglycine từ 5,0 g glycine ($0,06\text{ mol}$) và 14,5 g anhydride acetic ($0,14\text{ mol}$) trong 75 mL nước cất, thu được 5,87 g sản phẩm rắn màu trắng. Giai đoạn 2 cho 5,85 g acetylglycine phản ứng với 7,03 g 4-chlorobenzaldehyde, 4,1 g sodium acetate khan và 20,5 g anhydride acetic; đun hồi lưu cách thủy trong 3 giờ. Sản phẩm kết tinh lại từ ethanol, thu được 6,76 g chất bột màu vàng đậm, điểm nóng chảy 158–160 °C, hiệu suất 61,04%.
• Hợp chất (B) - 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide: Cho 2,22 g ($0,01\text{ mol}$) chất (A) phân tán trong 50 mL ethanol, nhỏ từ từ 10 mL hydrazine hydrate 50% ($0,1\text{ mol}$) và khuấy 30 phút ở nhiệt độ phòng. Kết tinh lại bằng ethanol, thu được 1,45 g chất rắn màu trắng, điểm nóng chảy 154–156 °C, hiệu suất đạt 57,20%.
• Hợp chất (C) - 5-bromo-2-hydroxybenzylidene-2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide: Đun hồi lưu cách thủy trong 1 giờ hỗn hợp gồm 0,76 g ($3,0\text{ mmol}$) chất (B) và 0,45 g ($3,0\text{ mmol}$) 2-hydroxy-5-bromobenzaldehyde trong dung môi ethanol. Kết tinh lại trong hệ dung môi dioxan : nước (tỷ lệ thể tích 7:1), thu được 0,65 g chất rắn màu vàng nhạt, điểm nóng chảy 244,7–246,7 °C, hiệu suất đạt 49,64%.
• Hợp chất (D) - 4-(4-chlorobenzylidene)-1-((4-hydroxy-3-methoxybenzylidene)amino)-2-methyl-1H-imidazol-5-one: Đun hồi lưu cách thủy trong 1 giờ hỗn hợp gồm 0,76 g ($3,0\text{ mmol}$) chất (B) và 0,46 g ($3,0\text{ mmol}$) 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde (vanillin) trong ethanol. Kết tinh lại trong hệ dung môi ethanol : nước (tỷ lệ thể tích 2:1), thu được 0,75 g chất rắn màu vàng, điểm nóng chảy 221,1–222,7 °C, hiệu suất đạt 64,52%.
• Quy chuẩn đo đạc cấu trúc: Chương này cũng nêu thông số kỹ thuật của các thiết bị đo điểm nóng chảy Gallenkamp, máy đo phổ hồng ngoại Shimadzu 8400S, máy Bruker 500 MHz và máy microTOF-QII Bruker.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các biện luận chi tiết về cơ chế phản ứng và quy kết tín hiệu phổ nhằm xác lập công thức cấu tạo và cấu trúc không gian của từng chất:

• Tổng hợp và tính chất vật lý: Bảng tổng kết số liệu thực nghiệm cho thấy cả 4 chất đều được tinh chế đến độ tinh khiết cao với khoảng nóng chảy hẹp và ổn định.
• Biện giải cấu trúc hợp chất (A): Phổ IR cho thấy các vân hấp thụ đặc trưng của nhóm lactone $C=O$ tại $1797\text{ cm}^{-1}$ và $1780\text{ cm}^{-1}$; liên kết $C=C$ và $C=N$ tại $1658$, $1604$ và $1580\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1H$-NMR hiển thị 8 proton với tỷ lệ tích phân 3:1:2:2; nhóm methyl tại $\delta = 2,394\text{ ppm}$ (s, 3H); proton vinyl $H_2$ tại $\delta = 7,231\text{ ppm}$ (s, 1H); hai tín hiệu doublet đặc trưng cho vòng benzen thế 1,4 tại $\delta = 8,184\text{ ppm}$ ($J = 8,0\text{ Hz}$, 2H, $H_{3,6}$) và $\delta = 7,567\text{ ppm}$ ($J = 8,0\text{ Hz}$, 2H, $H_{4,5}$).
• Biện giải cấu trúc hợp chất (B): Phổ IR xuất hiện dải hấp thụ nhóm aminde/hydrazide $N-H$ ở $3471$, $3225$, $3178\text{ cm}^{-1}$ và nhóm $C=O$ ở $1635\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1H$-NMR thể hiện đầy đủ 12 proton gồm: nhóm methyl acetyl $\delta = 1,973\text{ ppm}$ (s, 3H); nhóm $-NH_2$ tại $\delta = 4,355\text{ ppm}$ (s, 2H); proton olefinic $H_3$ tại $\delta = 6,989\text{ ppm}$ (s, 1H); các proton thơm $H_{4,7}$ tại $\delta = 7,524\text{ ppm}$ ($J = 8,0\text{ Hz}$, 2H) và $H_{5,6}$ tại $\delta = 7,423\text{ ppm}$ ($J = 8,0\text{ Hz}$, 2H); cùng hai proton amide phân bố ở vùng trường yếu tại $\delta = 9,332\text{ ppm}$ (s, 1H, $H_2$) và $\delta = 9,396\text{ ppm}$ (s, 1H, $H_8$).
• Xác lập cấu trúc và cấu hình không gian hợp chất (C): Phổ IR có tín hiệu $N-H$ ở $3325$ và $3248\text{ cm}^{-1}$; nhóm $C=O$ ở $1666–1689\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1H$-NMR thể hiện các tín hiệu: nhóm methyl $\delta = 2,030\text{ ppm}$ (s, 3H); proton vòng thơm mang nhóm thế hydroxy và bromo gồm $H_{19}$ tại $\delta = 6,888\text{ ppm}$ ($d, J = 8,5\text{ Hz}$), $H_{18}$ tại $\delta = 7,407\text{ ppm}$ ($dd, ^3J = 8,5\text{ Hz}, ^4J = 2,0\text{ Hz}$) và $H_{16}$ tại $\delta = 7,745\text{ ppm}$ ($d, ^4J = 2,5\text{ Hz}$); proton nhóm azomethine $-CH=N-$ ($H_{14}$) xuất hiện ở $\delta = 8,551\text{ ppm}$ (s, 1H); hai proton linh động trường rất yếu là nhóm $-NH-$ amide ($H_{13}$) tại $\delta = 11,247\text{ ppm}$ (s, 1H) và nhóm phenolic $-OH$ ($H_{21}$) tại $\delta = 11,898\text{ ppm}$ (s, 1H). Phổ $^{13}C$-NMR phân giải rõ 18 tín hiệu carbon phù hợp với công thức. Phổ HR-MS cho pic ion phân tử $[M+H]^+$ ở $m/z = 436,0058$ và $[M+H+2]^+$ ở $m/z = 438,0036$, khẳng định công thức phân tử $C_{18}H_{15}O_3N_3ClBr$. Đặc biệt, phổ NOESY chỉ ra tương tác không gian giữa $H_5$ với các proton $H_{7,11}$ (chứng minh cấu hình Z tại liên kết $C=C$) và tương tác giữa $H_{13}$ với $H_{21}$ (chứng minh cấu hình Z quanh liên kết $C=N$). Tính toán hóa lượng tử Gaussian MP2/6-311++G(d,p) khẳng định cấu hình (Z,Z) có mức năng lượng thấp nhất và tồn tại hai liên kết hydro nội phân tử bền vững: $O-H\cdots N$ và $N-H\cdots O=C$.
• Phát hiện phản ứng khép vòng bất thường tạo hợp chất (D): Khi ngưng tụ chất (B) với 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde, sản phẩm thu được không phải là hydrazide mạch hở như dự kiến. Trên phổ IR biến mất dải hấp thụ $N-H$ ở vùng $3200\text{ cm}^{-1}$, nhóm carbonyl dịch chuyển lên tần số cao $1712\text{ cm}^{-1}$ (đặc trưng cho vòng lactam/imidazolone). Phổ $^1H$-NMR thiếu 2 proton so với dạng hydrazone mạch hở, tín hiệu nhóm methyl dịch chuyển xuống trường yếu $\delta = 2,474\text{ ppm}$ (thay vì $\sim 2,02\text{ ppm}$ của nhóm acetamido), và proton azomethine dịch chuyển mạnh xuống $\delta = 9,35\text{ ppm}$. Kết hợp phân tích phổ hai chiều HSQC và HMBC, tác giả chứng minh chất (D) đã trải qua phản ứng khép vòng ngưng tụ nội phân tử tạo thành dị vòng 4-(4-chlorobenzylidene)-1-((4-hydroxy-3-methoxybenzylidene)amino)-2-methyl-1H-imidazol-5-one.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã thu được các kết quả thực nghiệm và đóng góp khoa học cụ thể:

Hợp chất	Công thức / Danh pháp	Dạng tồn tại và màu sắc	Dung môi kết tinh	Nhiệt độ nóng chảy (°C)	Hiệu suất (%)
A	4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5-one	Chất bột màu vàng đậm	Ethanol	158 – 160	61,04
B	2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide	Chất rắn màu trắng	Ethanol	154 – 156	57,20
C	5-bromo-2-hydroxybenzylidene-2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide	Chất rắn màu vàng nhạt	Dioxan : Nước (7:1)	244,7 – 246,7	49,64
D	4-(4-chlorobenzylidene)-1-((4-hydroxy-3-methoxybenzylidene)amino)-2-methyl-1H-imidazol-5-one	Chất rắn màu vàng	Ethanol : Nước (2:1)	221,1 – 222,7	64,52

Các đóng góp khoa học chính bao gồm:

• Làm sáng tỏ cấu trúc lập thể: Khác với công trình trước [1] vốn mới chỉ tổng hợp mà chưa xác định cấu trúc không gian, khóa luận này là công trình đầu tiên xác định tường minh cấu hình lập thể của dẫn xuất acrylohydrazide N-thế (hợp chất C). Bằng sự phối hợp chặt chẽ giữa phổ tương tác không gian 2D-NOESY và phương pháp hóa lượng tử Gaussian MP2/6-311++G(d,p), tác giả đã chứng minh hợp chất (C) tồn tại ở cấu hình bền vững Z quanh liên kết đôi $C=N$, được duy trì bởi hệ thống liên kết hydro nội phân tử kép giữa nhóm phenolic $-OH$ với nitrogen azomethine ($O-H\cdots N$) và giữa nhóm amide $-NH-$ với oxygen carbonyl ($N-H\cdots O=C$).
• Phát hiện phản ứng khép vòng dị vòng hóa: Phát hiện và chứng minh thực nghiệm rằng phản ứng giữa 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide với vanillin trong điều kiện đun hồi lưu không dừng lại ở dạng hydrazone hở mà tự động khép vòng tạo thành dẫn xuất dị vòng imidazol-5-one (hợp chất D). Cấu trúc dị vòng mới này được xác lập chắc chắn thông qua phổ tương tác gần HSQC và tương tác xa HMBC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung được trình bày trong khóa luận, nghiên cứu có các hạn chế và hướng mở sau:

• Hạn chế: Đề tài chỉ tập trung hoàn toàn vào quy trình thực nghiệm tổng hợp hóa học, tinh chế và giải đoán cấu trúc phổ (IR, NMR 1D/2D, MS) của 4 hợp chất trong phòng thí nghiệm; chưa tiến hành khảo sát và đánh giá hoạt tính sinh học thực tế (khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, kháng tế bào ung thư) của các dẫn xuất điều chế được, dù phần tổng quan đã chỉ ra tiềm năng dược lý rất lớn của nhóm chất này. Đồng thời, số lượng aldehyde thơm được khảo sát phản ứng chuyển hóa còn giới hạn ở hai đại diện.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng phản ứng ngưng tụ của 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide với nhiều dẫn xuất aldehyde thơm khác nhau mang các nhóm thế hút/đẩy electron đa dạng; nghiên cứu sâu hơn về động học và điều kiện chi phối phản ứng đóng vòng tạo imidazole; gửi mẫu các chất (C) và (D) đi thử nghiệm sàng lọc hoạt tính sinh học in vitro đối với các chủng vi sinh vật kiểm định và các dòng tế bào ung thư.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cao cho:

• Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Hóa học (đặc biệt là Hóa hữu cơ), Hóa dược và Dược học đang nghiên cứu về tổng hợp dị vòng hoặc các hợp chất chứa khung hydrazide - hydrazone.
• Nội dung tham khảo giá trị:
  • Quy trình chi tiết điều chế oxazolone theo phản ứng Erlenmeyer và kỹ thuật mở vòng điều chế hydrazide với các thông số hóa chất, dung môi kết tinh cụ thể.
  • Phương pháp luận quy kết và biện giải phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1D ($^1H$, $^{13}C$) kết hợp 2D (HSQC, HMBC) để xác định cấu trúc phân tử phức tạp.
  • Quy trình kết hợp phổ NOESY với tính toán hóa lượng tử lý thuyết (Gaussian MP2/6-311++G(d,p)) để phân tích cấu hình lập thể E/Z và phát hiện liên kết hydro nội phân tử, có thể áp dụng làm mẫu chuẩn cho các nghiên cứu hóa học lập thể tương tự.

Câu hỏi thường gặp

1. Hợp chất (C) được tổng hợp từ những tiền chất nào và có các thông số vật lý đặc trưng ra sao?

Hợp chất (C) được điều chế bằng phản ứng ngưng tụ giữa 0,76 g ($3,0\text{ mmol}$) 3-(4-chlorophenyl)-2-(acetamido)acrylohydrazide (chất B) và 0,45 g ($3,0\text{ mmol}$) 2-hydroxy-5-bromobenzaldehyde trong dung môi ethanol đun hồi lưu cách thủy trong 1 giờ. Sau khi tinh chế bằng cách kết tinh lại trong hệ dung môi dioxan : nước (tỷ lệ 7:1), thu được 0,65 g sản phẩm dưới dạng chất rắn màu vàng nhạt, nhiệt độ nóng chảy ổn định ở 244,7–246,7 °C và hiệu suất phản ứng đạt 49,64%.

2. Dữ liệu phổ nào chứng minh hợp chất (C) tồn tại ở cấu hình Z quanh liên kết đôi C=N?

Cấu hình Z quanh liên kết đôi $C=N$ của hợp chất (C) được xác định trực tiếp nhờ phổ NOESY thông qua tín hiệu giao nhau giữa proton nhóm amide $H_{13}$ ($\delta = 11,247\text{ ppm}$) và proton nhóm hydroxy phenolic $H_{21}$ ($\delta = 11,898\text{ ppm}$). Tương tác NOE này chứng minh hai proton trên phân bố gần nhau trong không gian, buộc vòng benzene chứa nhóm $-OH$ và nhóm $-NH-$ phải nằm về cùng một phía đối với liên kết đôi $C=N$. Kết quả này hoàn toàn trùng khớp với cấu trúc tối ưu hóa năng lượng từ tính toán hóa lượng tử MP2/6-311++G(d,p).

3. Vì sao tác giả xác định sản phẩm ngưng tụ (D) là dị vòng imidazol-5-one thay vì hydrazone mạch hở?

Tác giả xác định chất (D) bị khép vòng tạo dị vòng 4-(4-chlorobenzylidene)-1-((4-hydroxy-3-methoxybenzylidene)amino)-2-methyl-1H-imidazol-5-one dựa trên các sai khác phổ nghiệm then chốt: trên phổ IR, dải hấp thụ dao động hóa trị $N-H$ ở vùng $3200\text{ cm}^{-1}$ hoàn toàn biến mất và pic $C=O$ dịch chuyển lên $1712\text{ cm}^{-1}$; trên phổ $^1H$-NMR thiếu hụt 2 proton so với hydrazide hở, tín hiệu nhóm methyl dịch chuyển từ $\sim 2,02\text{ ppm}$ xuống $2,474\text{ ppm}$, tín hiệu proton azomethine dịch chuyển từ vùng $8,25–8,60\text{ ppm}$ xuống $9,35\text{ ppm}$. Sự hình thành dị vòng imidazole được khẳng định chắc chắn thông qua phổ tương quan 2 chiều HSQC và HMBC.

4. Phổ khối lượng MS của hợp chất (C) ghi nhận những pic ion nào và có ý nghĩa gì?

Phổ khối lượng của hợp chất (C) ($C_{18}H_{15}O_3N_3ClBr$, khối lượng phân tử tính toán $M = 434,9985$) ghi nhận pic ion phân tử $[M+H]^+$ tại giá trị $m/z = 436,0058$ và pic $[M+H+2]^+$ tại $m/z = 438,0036$. Sự xuất hiện của cặp pic ion này với độ chênh lệch 2 đơn vị khối lượng phản ánh chính xác sự tồn tại đồng thời của các đồng vị bền của chlorine ($^{35}Cl$, $^{37}Cl$) và bromine ($^{79}Br$, $^{81}Br$) trong cùng một phân tử, khẳng định sản phẩm tổng hợp có thành phần nguyên tố đúng như dự kiến.

5. Phương pháp tính toán hóa học lượng tử nào đã được áp dụng để xác nhận cấu trúc của chất (C)?

Tác giả đã phối hợp với TS. Trương Bá Tài (Phòng Hóa lượng tử, Đại học Leuven, Bỉ) sử dụng phần mềm Gaussian với phương pháp nhiễu loạn Moller-Plesset bậc hai cùng bộ hàm cơ sở mở rộng MP2/6-311++G(d,p) để tối ưu hóa hình học phân tử hợp chất (C). Kết quả tính toán chứng minh cấu hình (Z,Z) có mức năng lượng thấp nhất, đồng thời chỉ ra sự hình thành bền vững của hai liên kết hydro nội phân tử: giữa proton $H_{41}$ của nhóm $-OH$ với nguyên tử $N_{25}$ của nhóm azomethine, và giữa proton $H_{26}$ của nhóm $-NH-$ với nguyên tử $O_{19}$ của nhóm carbonyl $CH_3C=O$.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Trương Thị Quỳnh Như đã tổng hợp thành công 4 hợp chất hữu cơ (A, B, C, D) từ tiền chất oxazolone và hydrazide với hiệu suất đạt từ 49,64% đến 64,52%, được tinh chế và kiểm soát độ tinh khiết chặt chẽ. Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu xác định cấu trúc không gian của dẫn xuất 5-bromo-2-hydroxybenzylidene-2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide (C), chứng minh cấu hình Z lập thể bền vững thông qua sự kết hợp giữa phổ 2D-NOESY và tính toán lượng tử MP2/6-311++G(d,p). Đồng thời, công trình đóng góp phát hiện thực nghiệm quan trọng về phản ứng dị vòng hóa nội phân tử tạo dẫn xuất imidazol-5-one (D) được minh chứng bằng phổ HSQC và HMBC, cung cấp nguồn dữ liệu phổ nghiệm và quy trình thực nghiệm tin cậy cho chuyên ngành Hóa học hữu cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. OXAZOLONE VÀ CÁC DẪN XUẤT 1. Đặc điểm cấu tạo Oxazolone là một hợp chất dị vòng 5 cạnh chứa dị tố nitrogen và oxygen. Oxazolone còn có tên gọi khác là azlactone, được nghiên cứu và tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1893 bởi Friedrich Gustav Carl Emil Erlenmeyer [7].

Dẫn xuất 2-alkyl-4- arylideneoxazol-5-one có dạng: Nguyên tử carbon ở vị trí C2 và C4 sẽ quyết định đến hoạt tính sinh học [46]. Tổng hợp oxazolone và các dẫn xuất Có rất nhiều phương pháp để tổng hợp oxazolone. Trong công trình [21], khi cho sebasoyl phản ứng với glycine, tác giả đã thu được các hợp chất oxazolone mới. Theo tài liệu [31], bằng phản ứng Erlenmeyer tác giả đã tổng hợp được benzylidene-2-oxazol-5(4H)-one.

SVTH: Trương Thị Quỳnh Như Trang 9 GVHD: TS. Nguyễn Tiến Công Khóa luận tốt nghiệp Các tác giả [39] đã tổng hợp được 2-o-tolyl-4-(3-N,N- dimethylaminophenylmethylene)-oxazol-5-one (TDPO), là một dẫn xuất mới của oxazole-5-one. Việc tối ưu hóa năng lượng cũng cho thấy cấu hình Z tại liên kết đôi giữa hợp phần aryliden với vòng oxazolone có năng lượng thấp hơn cấu hình E. Sau khi nghiên cứu cấu trúc phân tử bằng phương pháp chiếu xạ tinh thể tia X, các tác giả đã khẳng định rằng TDPO tồn tại ở cấu hình Z.

Sử dụng phương pháp Erlenmeyer, tác giả [37] đã tổng hợp (Z)-2-aryl-4- arylidene-5(4H)-oxazolone (4-6). SVTH: Trương Thị Quỳnh Như Trang 10 GVHD: TS. Nguyễn Tiến Công Khóa luận tốt nghiệp Mặc dù trong các chất (4-6) vẫn tồn tại 2 dạng cấu hình là Z và E nhưng phản ứng Erlenmeyer lại có tính chọn lọc về mặt lập thể, ưu tiên những đồng phân Z có độ bền cao về nhiệt độ cũng như là dễ tách ra trong quá trình kết tinh lại. Theo tài liệu [32] nhóm tác giả đã tổng hợp azlactone theo phương pháp Erlenmeyer: Trong nghiên cứu này, các tác giả đã xác định cấu hình E/Z của các chất (11) và (12) dựa trên phép đo nhiễu xạ đơn tinh thể tia X và thấy rằng các hợp chất này tồn tại chủ yếu ở dạng Z.

Các tác giả cũng sử dụng phương pháp DFT (density functional theory – lý thuyết hàm mật độ) để xác định độ bền của các hợp chất (11) và (12). Kết quả cho thấy ở cấu hình Z có ít tương tác không gian hơn so với cấu hình E, vì thế năng lượng thấp hơn nên bền hơn. Tổng hợp hydrazide 1. Đặc điểm cấu tạo Hydrazide thuộc vào nhóm dẫn xuất của acid carboxylic, trong đó nhóm –OH được thay bởi nhóm –NHNH2.

SVTH: Trương Thị Quỳnh Như Trang 11 GVHD: TS. Nguyễn Tiến Công Khóa luận tốt nghiệp Công thức chung của hydrazide là RCONHNH2. Do có khối lượng phân tử không nhỏ đồng thời giữa các phân tử lại tạo liên kết hydrogen nên hydrazide thường tồn tại ở dạng chất rắn. Tổng hợp hydrazide Người ta thường tổng hợp hydrazide bằng phản ứng giữa methyl hay ethyl ester của acid carboxylic với hydrazine hydrate.

Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng tách (AcB2): chậm chậm Do hydrazide là một tác nhân nucleophile mạnh đồng thời sản phẩm hydrazide thường có độ tan vừa phải trong dung môi nên hiệu suất phản ứng thường khá cao. Ngoài ra, hydrazide còn được tổng hợp bằng phản ứng giữa oxazolone với hydrazine hydrate. Với phương pháp này thì tác giả [20] cũng đã tổng hợp được hydrazide như mong muốn khi tiến hành khuấy oxazol-5-one với hydrazine hydrate trong dung môi ethanol. SVTH: Trương Thị Quỳnh Như Trang 12 GVHD: TS.

Nguyễn Tiến Công Khóa luận tốt nghiệp Theo một tài liệu khác [51], khi cho 4-(2-(methylthio)ethyl)-2-(3- nitrophenyl)oxazol-5(4H)-one tác dụng với hydrazine hydrate 98% trong dung môi dioxan tác giả cũng thu được hydrazide của N-(3-nitrobenzoyl)-D,L-methionine.