Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực hóa học hữu cơ và hóa dược, các hợp chất dị vòng đóng vai trò quan trọng nhờ những đặc tính hóa lý đặc thù và tiềm năng ứng dụng sinh học đa dạng. Dị vòng benzimidazole là một hệ dị vòng ngưng tụ giữa nhân benzene và nhân imidazole, hiện diện trong cấu trúc của nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học như vitamin B12 (dưới dạng 5,6-dimethylbenzimidazole). Các dẫn xuất chứa khung benzimidazole, đặc biệt là 2-methylbenzimidazole, đã được chứng minh qua nhiều công trình nghiên cứu là sở hữu phổ hoạt tính phong phú bao gồm khả năng kháng khuẩn, kháng virus, chống viêm, kháng ung thư, chống oxy hóa, kháng HIV và diệt nấm bảo vệ thực vật trước cũng như sau thu hoạch.

Song song đó, các dị vòng năm cạnh chứa dị tố nitơ và oxy/lưu huỳnh như 1,3,4-oxadiazole và 1,2,4-triazole cũng là những khung cấu trúc mang hoạt tính dược lý quan trọng (chống lao, kháng nấm, chống viêm, ức chế tế bào khối u). Việc kết hợp hệ nhân benzimidazole với dị vòng 1,3,4-oxadiazole hoặc 1,2,4-triazole thông qua liên kết cầu nối thioacetamide/amide được kỳ vọng sẽ tạo ra các phân tử lai hóa có hoạt tính sinh học cao. Xuất phát từ cơ sở đó, đề tài "Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số amide chứa dị vòng benzimidazole" được thực hiện bởi tác giả Trần Thị Cẩm Đức 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 gồm:

  1. Mục tiêu tổng quát: Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số dẫn xuất amide chứa dị vòng benzimidazole.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Xác định cấu trúc của các hợp chất tổng hợp được thông qua việc khảo sát các tính chất vật lý (trạng thái, màu sắc, dạng tinh thể, nhiệt độ nóng chảy, dung môi kết tinh) và các phương pháp quang phổ hiện đại: phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$) và phổ khối lượng (MS).
    • Thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật của một số hợp chất tổng hợp được đối với 8 chủng vi sinh vật kiểm định, bao gồm:
      • Vi khuẩn Gram âm: Escherichia coli (ATCC 25922), Pseudomonas aeruginosa (ATCC 25923).
      • Vi khuẩn Gram dương: Bacillus subtilis (ATCC 11774), Staphylococcus aureus subsp. aureus (ATCC 11632).
      • Nấm sợi: Aspergillus niger (439), Fusarium oxysporum (M42).
      • Nấm men: Candida albicans (ATCC 7754), Saccharomyces cerevisiae (SH 20).

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các dẫn xuất $N$-aryl $2\text{-}{5\text{-}[(2\text{-methyl-}1H\text{-benzimidazol-}1\text{-yl)methyl]-}1,3,4\text{-oxadiazol-}2\text{-ylthio}} \text{acetamide}$ (ký hiệu chuỗi 5a–b) và $N$-aryl $2\text{-}{5\text{-}[(2\text{-methyl-}1H\text{-benzimidazol-}1\text{-yl)methyl]-}4\text{-(}p\text{-tolyl)-}4H\text{-}1,2,4\text{-triazole-}3\text{-ylthio}}\text{acetamide}$ (ký hiệu chuỗi 7a–b).

Phạm vi nghiên cứu bao gồm: quy trình tổng hợp hóa học đa bước xuất phát từ tiền chất $o$-phenylenediamine qua các hợp chất trung gian ester, hydrazide, thiol khép vòng; phân tích xác định cấu trúc hóa học bằng phổ FT-IR, $^1\text{H-NMR}$, MS; và khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật in vitro (xác định giá trị MIC và $\text{IC}_{50}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của khóa luận tập trung vào hóa học các hợp chất dị vòng thơm:

  • Dị vòng benzimidazole và dẫn xuất 2-methylbenzimidazole: Nghiên cứu cấu trúc, hiện tượng hỗ biến (tautomer hóa) của nguyên tử hydro ở vị trí N1 trong dị vòng benzimidazole, đặc điểm tính tan và khả năng tạo liên kết hydro liên phân tử ($\text{N–H}\cdots\text{N}$) cũng như với dung môi.
  • Dị vòng 1,3,4-oxadiazole: Cấu trúc dị vòng năm cạnh phẳng, có tính thơm và độ bền nhiệt cao, các thông số độ dài liên kết ($a = 139{,}9\text{ pm}$, $b = e = 129{,}7\text{ pm}$, $c = d = 134{,}8\text{ pm}$) và góc liên kết ($A = E = 105{,}6^\circ$, $B = D = 113{,}4^\circ$, $C = 102{,}0^\circ$).
  • Dị vòng 1,2,4-triazole: Hệ dị vòng năm cạnh chứa 3 dị tố nitơ, tồn tại ở các dạng đồng phân hỗ biến $1,2,4\text{-triazole-}4H$, $1,2,4\text{-triazole-}1H$, và cân bằng tautomer thiol/thione ($4\text{-aryl-}4H\text{-}1,2,4\text{-triazole-}3\text{-thiol} \rightleftharpoons 4\text{-aryl-}1,2,4\text{-triazole-}3\text{-thione}$).
  • Cơ chế phản ứng hữu cơ: Cơ chế đóng vòng tạo nhân benzimidazole với xúc tác acid clohydric; cơ chế thế ái nhân lưỡng phân tử ($S_N2$) có sự tham gia của base vô cơ ($\text{K}_2\text{CO}_3$) trong dung môi aprotic (acetone); cơ chế cộng - tách ái nhân ($A_N$) của hydrazine vào nhóm carbonyl ester; phản ứng khép vòng oxadiazole bằng $\text{CS}_2/\text{KOH}$ và khép vòng triazole từ dẫn xuất thiosemicarbazide trong môi trường kiềm $\text{NaOH}$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị thu thập dữ liệu gồm:

  • Phương pháp tổng hợp hữu cơ: Đun hồi lưu (reflux), khuấy từ gia nhiệt, kết tinh phân đoạn và tinh chế sản phẩm bằng hệ dung môi thích hợp.
  • 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 TP. Hồ Chí Minh.
  • Quang phổ hồng ngoại (FT-IR): Ghi trên máy Shimadzu FTIR-8400S dưới dạng viên nén $\text{KBr}$ tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh.
  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$): Đo trên thiết bị Bruker Avance 500 MHz, sử dụng dung môi $\text{DMSO-}d_6$ tại Phòng NMR, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội).
  • Phổ khối lượng (MS): Đo trên thiết bị Agilent 6490 Triple Quadrupole LC/MS tại Trung tâm Pháp y (Sở Y tế TP. Hồ Chí Minh) hoặc máy Bruker micrOTOF-Q 10187 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
  • Thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật: Thực hiện tại Phòng Kiểm nghiệm vi sinh vật, Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên (VAST, Hà Nội) theo phương pháp vi pha loãng trên phiến 96 giếng (phương pháp của Vanden Berghe & Vlietinck, 1991 và McKane, L.). Đánh giá nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ ức chế 50% sinh trưởng vi sinh vật ($\text{IC}_{50}$) xử lý qua phần mềm TableCurve.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và tổng quan tài liệu về ba hệ dị vòng cốt lõi của đề tài:

  • Benzimidazole và 2-methylbenzimidazole: Trình bày lịch sử phát hiện (Hoebrecker năm 1872, Ladenburg), cấu tạo ngưng tụ giữa vòng benzene và imidazole, hiện tượng tautomer hóa dạng $5\text{-methyl} \rightleftharpoons 6\text{-methylbenzimidazole}$. Trình bày các phương pháp tổng hợp 2-methylbenzimidazole từ $o$-phenylenediamine với anhydride acetic, aldehyde (xúc tác oxy hóa) hoặc nitrile (nhiệt độ $\sim 200^\circ\text{C}$).
  • Dị vòng 1,3,4-oxadiazole: Trình bày đặc điểm hình học, cấu trúc điện tử, độ bền nhiệt và các phương pháp đóng vòng phổ biến như: nhiệt phân ethyl formate hydrazine (Ainsworth, 1965), oxy hóa đóng vòng $N$-acylpyrazolylaldehyde hydrazone bằng $\text{PhI(OAc)}_2$, tương tác của diacyl hydrazine với tác nhân dehydrat hóa ($\text{POCl}_3, \text{SOCl}_2, \text{H}_2\text{SO}_4$), và phản ứng giữa hydrazide với carbon disulfide ($\text{CS}_2$) trong môi trường kiềm. Tổng quan các công trình nghiên cứu hoạt tính của Patel (2012), Lưu Văn Bôi và cộng sự, Abdel-Rahman (2013).
  • Dị vòng 1,2,4-triazole: Trình bày trạng thái hỗ biến $4H/1H$ và thiol/thione, các con đường tổng hợp dị vòng $4\text{-aryl-}1,2,4\text{-triazole-}3\text{-thiol}$ từ dẫn xuất thiosemicarbazide khi xử lý với kiềm ($\text{NaOH}$ hoặc $\text{KOH}$), oxy hóa thiosemicarbazone bằng $\text{FeCl}_3$, hoặc đóng vòng quang hóa. Phân tích các nghiên cứu của nhóm tác giả ĐH Sư phạm TP.HCM (2010), Ansari (2010) về hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm tương đương ampicillin và amphotericin B.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp các hợp chất qua hai nhánh chuyển hóa:

  • Tổng hợp 2-methyl-1H-benzimidazole (1): Cho $10{,}8\text{ g}$ ($0{,}1\text{ mol}$) $o$-phenylenediamine phản ứng với $6{,}6\text{ g}$ ($0{,}11\text{ mol}$) $\text{CH}_3\text{COOH}$ đặc trong $10\text{ mL}$ $\text{HCl } 4\text{N}$, đun hồi lưu 12 giờ. Trung hòa bằng $\text{NaHCO}3$ bão hòa, kết tinh lại trong nước. Thu được $8{,}01\text{ g}$ chất (1) (hiệu suất $60{,}68%$), tinh thể kim màu vàng nâu, $t{\text{nc}} = 178\text{--}180^\circ\text{C}$.
  • Tổng hợp ethyl 2-(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetate (2): Cho $13{,}2\text{ g}$ ($0{,}1\text{ mol}$) chất (1) phản ứng với $12{,}2\text{ g}$ ($0{,}1\text{ mol}$) ethyl chloroacetate và $13{,}8\text{ g}$ ($0{,}1\text{ mol}$) $\text{K}_2\text{CO}3$ trong $150\text{ mL}$ acetone khan, đun hồi lưu 8 giờ ở $100^\circ\text{C}$. Kết tinh lại trong nước, thu được $7{,}56\text{ g}$ chất (2) (hiệu suất $34{,}68%$), tinh thể kim màu trắng, $t{\text{nc}} = 114^\circ\text{C}$.
  • Tổng hợp 2-(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetohydrazide (3): Hòa tan $5{,}45\text{ g}$ ($25{,}0\text{ mmol}$) chất (2) trong $50\text{ mL}$ ethanol, thêm $7{,}5\text{ g}$ hydrazine $50%$ chia làm 3 lần (mỗi giờ $2{,}5\text{ g}$), đun hồi lưu 6 giờ. Để nguội 24 giờ, kết tinh lại với nước. Thu được $3{,}37\text{ g}$ chất (3) (hiệu suất $66{,}08%$), tinh thể màu trắng, $t_{\text{nc}} = 191{,}2^\circ\text{C}$.
  • Nhánh 1 - Tổng hợp dị vòng oxadiazole và các dẫn xuất amide:
    • Chất (4): Cho $3{,}06\text{ g}$ ($15{,}0\text{ mmol}$) hydrazide (3) tác dụng với $0{,}84\text{ g}$ ($15{,}0\text{ mmol}$) $\text{KOH}$ và $4{,}5\text{ mL}$ $\text{CS}2$ trong $40\text{ mL}$ ethanol tuyệt đối, đun hồi lưu 10 giờ. Acid hóa bằng $\text{HCl } 10%$ về $\text{pH } 3\text{--}4$ trong nước đá. Thu được $2{,}01\text{ g}$ $5\text{-}[(2\text{-methyl-}1H\text{-benzimidazol-}1\text{-yl)methyl]-}1,3,4\text{-oxadiazole-}2\text{-thiol}$ (4) (hiệu suất $54{,}47%$), tinh thể vảy màu vàng xám, $t{\text{nc}} = 178{,}4^\circ\text{C}$.
    • Chất (5a-b): Cho $0{,}5\text{ g}$ ($2{,}0\text{ mmol}$) chất (4) phản ứng với $2{,}0\text{ mmol}$ dẫn xuất chloroacetamide tương ứng có mặt $0{,}28\text{ g}$ ($2{,}0\text{ mmol}$) $\text{K}2\text{CO}3$ trong $30\text{ mL}$ acetone, đun hồi lưu 6 giờ. Thu được 5a ($X = \text{H}$, $0{,}52\text{ g}$, hiệu suất $68{,}60%$, $t{\text{nc}} = 150{,}0^\circ\text{C}$) và 5b ($X = \text{Br}$, $0{,}59\text{ g}$, hiệu suất $64{,}27%$, $t{\text{nc}} = 212{,}2^\circ\text{C}$).
  • Nhánh 2 - Tổng hợp dị vòng triazole và các dẫn xuất amide:
    • Chất (6): Cho $3{,}06\text{ g}$ ($15{,}0\text{ mmol}$) hydrazide (3) phản ứng với $2{,}25\text{ g}$ $p\text{-tolyl isothiocyanate}$ trong $30\text{ mL}$ ethanol tuyệt đối, đun cách thủy 1 giờ tạo hợp chất trung gian thiosemicarbazide; sau đó thêm $25\text{ mL}$ $\text{NaOH } 2\text{M}$ đun hồi lưu tiếp 2 giờ, acid hóa về $\text{pH } 3\text{--}4$ bằng $\text{HCl } 10%$. Thu được $2{,}83\text{ g}$ $5\text{-}[(2\text{-methyl-}1H\text{-benzimidazol-}1\text{-yl)methyl]-}4\text{-(}p\text{-tolyl)-}4H\text{-}1,2,4\text{-triazole-}3\text{-thiol}$ (6) (hiệu suất $56{,}32%$), tinh thể vảy màu trắng, $t_{\text{nc}} = 190^\circ\text{C}$.
    • Chất (7a-b): Cho $0{,}67\text{ g}$ ($2{,}0\text{ mmol}$) chất (6) phản ứng với $2{,}0\text{ mmol}$ chloroacetamide tương ứng có mặt $0{,}28\text{ g}$ $\text{K}2\text{CO}3$ trong $30\text{ mL}$ acetone, đun hồi lưu 4 giờ. Thu được 7a ($X = \text{H}$, $0{,}56\text{ g}$, hiệu suất $59{,}83%$, $t{\text{nc}} = 150\text{--}152^\circ\text{C}$) và 7b ($X = \text{Br}$, $0{,}68\text{ g}$, hiệu suất $62{,}04%$, $t{\text{nc}} = 110{,}7^\circ\text{C}$).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 biện luận chi tiết cơ chế phản ứng và kết quả phân tích phổ nghiệm:

  • Cơ chế phản ứng:
    • Phản ứng tổng hợp (1): $\text{HCl}$ đóng vai trò xúc tác proton hóa nguyên tử oxy của acid acetic tạo ion carbonium thiếu electron, thúc đẩy nhóm $-\text{NH}_2$ của $o$-phenylenediamine tấn công ái nhân, sau đó tách nước hai lần đóng vòng.
    • Phản ứng tổng hợp (2), (5a–b), (7a–b): Diễn ra theo cơ chế thế ái nhân lưỡng phân tử ($S_N2$) qua trạng thái chuyển tiếp. Dung môi acetone aprotic và base $\text{K}_2\text{CO}_3$ (với bán kính ion $\text{K}^+$ lớn hơn $\text{Na}^+$, làm tăng độ phân ly anion) giúp tăng cường hoạt tính tác nhân ái nhân.
    • Phản ứng tạo hydrazide (3): Xảy ra theo cơ chế cộng - tách ái nhân ($A_N$). Phải thêm hydrazine từng lượng nhỏ để tránh thủy phân ester trong môi trường kiềm dư.
  • Biện luận phổ FT-IR:
    • Chất (1): Xuất hiện dao động hóa trị $\nu_{\text{C-H thơm}} = 3063\text{ cm}^{-1}$, $\nu_{\text{C-H no}} = 2995\text{--}2916\text{ cm}^{-1}$, $\nu_{\text{C=C, C=N}} = 1622, 1556\text{ cm}^{-1}$, biến mất hoàn toàn các dải của nhóm $-\text{NH}_2$ ban đầu.
    • Chất (2): Xuất hiện dải hấp thụ đặc trưng của nhóm ester $\nu_{\text{C=O}} = 1734\text{ cm}^{-1}$.
    • Chất (3): Dải $\nu_{\text{C=O}}$ dịch chuyển về tần số thấp hơn $1658\text{ cm}^{-1}$ (do liên hợp trong hydrazide), xuất hiện dải $\nu_{\text{N-H}} = 3306\text{ cm}^{-1}$.
    • Chất (4): Biến mất dải $\nu_{\text{N-H}}$ ($3306\text{ cm}^{-1}$) và $\nu_{\text{C=O}}$ ($1658\text{ cm}^{-1}$), xuất hiện $\nu_{\text{C=C, C=N}} = 1608, 1554\text{ cm}^{-1}$.
    • Chuỗi (5a–b): Xuất hiện dải carbonyl amide $\nu_{\text{C=O}} = 1676\text{ cm}^{-1}$ (5a) và $1674\text{ cm}^{-1}$ (5b); $\nu_{\text{N-H}} = 3180\text{ cm}^{-1}$ (5a) và $3173\text{ cm}^{-1}$ (5b).
  • Biện luận phổ $^1\text{H-NMR}$ và MS:
    • Hợp chất (3): Có đủ 12 proton với tín hiệu singlet của nhóm $-\text{CH}_3$ ($\delta = 2{,}50\text{ ppm}$), nhóm $-\text{NH}_2$ ($\delta = 4{,}33\text{ ppm}$), nhóm methylene $-\text{CH}_2-$ ($\delta = 4{,}79\text{ ppm}$), proton $-\text{NH}-$ ($\delta = 9{,}51\text{ ppm}$) và hệ proton nhân thơm benzimidazole ($H_1$ doublet $\delta = 7{,}38\text{ ppm}$, $^3J = 7{,}5\text{ Hz}$; $H_4$ doublet $\delta = 7{,}51\text{ ppm}$, $^3J = 7{,}5\text{ Hz}$; $H_2, H_3$ multiplet $\delta = 7{,}14\text{ ppm}$).
    • Hợp chất (4): Tín hiệu proton nhóm $-\text{SH}$ dạng mũi tù ở $\delta = 3{,}44\text{ ppm}$, nhóm $-\text{CH}_2-$ ở $\delta = 5{,}68\text{ ppm}$, nhóm $-\text{CH}_3$ ở $\delta = 2{,}57\text{ ppm}$.
    • Hợp chất (5a–b): Tín hiệu của 2 nhóm methylene tách biệt rõ rệt: proton $H_6$ ($-\text{CH}_2-$ gắn với dị tố N) dịch chuyển về phía trường yếu $\delta = 5{,}79\text{--}5{,}80\text{ ppm}$; proton $H_7$ ($-\text{CH}_2-$ gắn với nguyên tử S) xuất hiện ở $\delta = 4{,}25\text{ ppm}$. Proton nhóm amide ($-\text{CONH}-$) xuất hiện ở trường rất yếu $\delta = 10{,}34\text{--}10{,}51\text{ ppm}$.
    • Phổ MS xác nhận khối lượng phân tử: Hợp chất 5a ($\text{C}{19}\text{H}{17}\text{O}2\text{N}5\text{S}$, $M = 379$) cho peak ion phân tử $[M+\text{H}]^+ = 380$; hợp chất 5b ($\text{C}{19}\text{H}{16}\text{O}_2\text{N}_5\text{SBr}$, $M = 457/459$) cho peak ion phân tử $[M+\text{H}]^+ = 460$.

Chương 4: Kết luận và đề xuất

  • Tổng kết toàn bộ các chất trung gian và sản phẩm cuối đã được tổng hợp thành công với cấu trúc được chứng minh rõ ràng.
  • Đưa ra đề xuất tiếp tục tổng hợp mở rộng các dẫn xuất thế khác trên nhân aryl và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tác động sinh học của các hợp chất tiềm năng.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm tổng hợp các hợp chất

Khóa luận đã tổng hợp thành công 7 hợp chất trung gian và dẫn xuất amide mục tiêu. Các thông số thực nghiệm, tính chất vật lý và hiệu suất phản ứng được tổng hợp trong bảng sau:

Ký hiệu Tên hợp chất / Dẫn xuất ($X$) Công thức phân tử Dạng tinh thể, màu sắc Dung môi kết tinh $t_{\text{nc}}$ ($^\circ\text{C}$) Khối lượng (g) Hiệu suất (%)
(1) 2-Methyl-1H-benzimidazole $\text{C}_8\text{H}_8\text{N}_2$ Tinh thể hình kim, vàng nâu Nước 178–180 8,01 60,68
(2) Ethyl 2-(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetate $\text{C}{12}\text{H}{14}\text{N}_2\text{O}_2$ Tinh thể hình kim, trắng Nước 114,0 7,56 34,68
(3) 2-(2-Methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetohydrazide $\text{C}{10}\text{H}{12}\text{N}_4\text{O}$ Tinh thể, màu trắng Nước 191,2 3,37 66,08
(4) 5-[(2-Methyl-1H-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazole-2-thiol $\text{C}{11}\text{H}{10}\text{N}_4\text{OS}$ Tinh thể hình vảy, vàng xám Ethanol : Nước (3:2) 178,4 2,01 54,47
(5a) Amide oxadiazole ($X = \text{H}$) $\text{C}{19}\text{H}{17}\text{O}_2\text{N}_5\text{S}$ Tinh thể hình kim, trắng Dioxan - Nước 150,0 0,52 68,60
(5b) Amide oxadiazole ($X = \text{Br}$) $\text{C}{19}\text{H}{16}\text{O}_2\text{N}_5\text{SBr}$ Tinh thể, màu trắng Ethanol - Nước 212,2 0,59 64,27
(6) 5-[(2-Methyl-1H-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4H-1,2,4-triazole-3-thiol $\text{C}{18}\text{H}{17}\text{N}_5\text{S}$ Tinh thể hình vảy, trắng Ethanol 190,0 2,83 56,32
(7a) Amide triazole ($X = \text{H}$) $\text{C}{26}\text{H}{24}\text{N}_6\text{OS}$ Tinh thể hình kim, trắng Ethanol - Nước 150–152 0,56 59,83
(7b) Amide triazole ($X = \text{Br}$) $\text{C}{26}\text{H}{23}\text{N}_6\text{OSBr}$ Tinh thể hình vảy, trắng Ethanol - Nước 110,7 0,68 62,04

2. Đặc trưng quang phổ tiêu biểu của các dẫn xuất amide 5a–b

Hợp chất FT-IR ($\nu, \text{cm}^{-1}$) $^1\text{H-NMR}$ ($\delta, \text{ppm}$, $\text{DMSO-}d_6$) MS ($m/z$)
5a ($X = \text{H}$) 3180 ($\text{N-H}$), 3055 ($\text{C-H}{\text{thơm}}$), 2924 ($\text{C-H}{\text{no}}$), 1676 ($\text{C=O}_{\text{amide}}$), 1599, 1562 ($\text{C=N, C=C}$) 2,55 ($s, 3\text{H}, \text{CH}3$); 4,25 ($s, 2\text{H}, \text{SCH}2$); 5,79 ($s, 2\text{H}, \text{NCH}2$); 7,07 ($t, 1\text{H}, H{11}$); 7,17 ($m, 2\text{H}, H{2,3}$); 7,31 ($dd, 2\text{H}, H{10,12}$); 7,52 ($m, 4\text{H}, H_{1,4,9,13}$); 10,34 ($s, 1\text{H}, \text{NH}$) $[M+\text{H}]^+ = 380$
5b ($X = \text{Br}$) 3173 ($\text{N-H}$), 2922 ($\text{C-H}{\text{no}}$), 1674 ($\text{C=O}{\text{amide}}$), 1612, 1556 ($\text{C=N, C=C}$) 2,55 ($s, 3\text{H}, \text{CH}_3$); 4,25 ($s, 2\text{H}, \text{SCH}2$); 5,80 ($s, 2\text{H}, \text{NCH}2$); 7,17 ($m, 2\text{H}, H{2,3}$); 7,52 ($m, 6\text{H}, H{\text{thơm}}$); 10,51 ($s, 1\text{H}, \text{NH}$) $[M+\text{H}]^+ = 460$

3. Đóng góp khoa học của đề tài

  • Thiết lập quy trình tổng hợp hoàn chỉnh hai chuỗi dẫn xuất amide mới chứa hệ dị vòng kép: benzimidazole - 1,3,4-oxadiazole và benzimidazole - 1,2,4-triazole qua quy trình đa giai đoạn với các điều kiện phản ứng được kiểm soát.
  • Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm chi tiết về tính chất vật lý (nhiệt độ nóng chảy, hệ dung môi kết tinh) và bộ dữ liệu phổ nghiệm đầy đủ (FT-IR, $^1\text{H-NMR}$, MS), giải thích bản chất dịch chuyển hóa học của các nhóm chức và proton methylene đặc trưng.
  • Đánh giá khả năng ức chế vi sinh vật kiểm định của các hợp chất tổng hợp được trên 8 chủng vi khuẩn, nấm sợi và nấm men chuẩn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực nghiệm được trình bày trong văn bản:

  • Hạn chế:
    • Số lượng dẫn xuất amide tổng hợp ở mỗi nhánh còn hẹp (mới khảo sát 2 dẫn xuất $X = \text{H}$ và $X = \text{Br}$ cho mỗi dị vòng oxadiazole và triazole).
    • Hiệu suất phản ứng ở một số giai đoạn trung gian chưa cao (giai đoạn tổng hợp ester (2) đạt $34{,}68%$).
    • Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của một số dẫn xuất (như hợp chất 5b), các tín hiệu proton trong nhân thơm có độ dịch chuyển hóa học gần nhau dẫn đến hiện tượng chồng chập tín hiệu do độ phân giải phổ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng tổng hợp thêm các dẫn xuất $N$-aryl amide với nhiều nhóm thế khác nhau trên vòng thơm (nhóm thế hút electron như $-\text{NO}_2, -\text{CF}_3, -\text{Cl}$ hoặc đẩy electron như $-\text{OCH}_3, -\text{CH}_3$) để khảo sát mối quan hệ cấu trúc - hoạt tính (SAR).
    • Tối ưu hóa điều kiện phản ứng alkyl hóa và đóng vòng để nâng cao hiệu suất tổng thể của quy trình.
    • Tiếp tục thử nghiệm mở rộng các hoạt tính sinh học tiềm năng khác như hoạt tính chống viêm, chống oxy hóa, gây độc tế bào ung thư.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

  • Đối tượng: Sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu viên chuyên ngành Hóa học (Hóa Hữu cơ), Hóa Dược, Dược học và Công nghệ Kỹ thuật Hóa học.
  • Nội dung giá trị:
    • Quy trình thực nghiệm chi tiết về kỹ thuật đóng vòng dị vòng 1,3,4-oxadiazole và 1,2,4-triazole từ tiền chất hydrazide.
    • Phương pháp phân tích và quy kết tín hiệu phổ cộng hưởng từ proton ($^1\text{H-NMR}$) cho các hợp chất dị vòng chứa nhiều tâm nitơ và liên kết thioether/amide.
    • Quy trình kiểm tra hoạt tính kháng vi sinh vật in vitro theo phương pháp vi pha loãng trên phiến 96 giếng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao phản ứng alkyl hóa tổng hợp chất (2) và các amide (5a–b, 7a–b) lại sử dụng K2CO3 trong dung môi acetone khan?

Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế ái nhân lưỡng phân tử ($S_N2$). Cation $\text{K}^+$ có bán kính ion lớn hơn $\text{Na}^+$, mật độ điện tích nhỏ hơn nên liên kết giữa $\text{K}^+$ và anion phân ly dễ hơn so với muối natri, làm tăng nồng độ tác nhân ái nhân tự do. Dung môi acetone là dung môi aprotic phân cực thuận lợi cho phản ứng $S_N2$. Điều kiện khan nước là bắt buộc để tránh $\text{K}_2\text{CO}_3$ bị thủy phân tạo môi trường kiềm mạnh gây thủy phân nhóm chức ester hoặc amide.

2. Dữ liệu phổ nào chứng minh phản ứng khép vòng tạo 1,3,4-oxadiazole-2-thiol (4) từ hydrazide (3) đã thành công?

Trên phổ FT-IR của chất (4), tín hiệu dao động hóa trị của nhóm $-\text{NH}2$ ở $3306\text{ cm}^{-1}$ và nhóm $\text{C=O}$ hydrazide ở $1658\text{ cm}^{-1}$ của chất (3) hoàn toàn biến mất, đồng thời xuất hiện các dải $\nu{\text{C=N, C=C}}$ ở $1608, 1554\text{ cm}^{-1}$. Trên phổ $^1\text{H-NMR}$, xuất hiện mũi tù đặc trưng của proton $-\text{SH}$ ở $\delta = 3{,}44\text{ ppm}$ và proton $-\text{CH}_2-$ dịch chuyển về $\delta = 5{,}68\text{ ppm}$.

3. Làm thế nào phân biệt tín hiệu của hai nhóm methylene (-CH2-) trên phổ 1H-NMR của chuỗi amide 5a–b?

Nhóm $-\text{CH}_2-$ tại vị trí số 6 liên kết trực tiếp với nguyên tử nitơ của vòng benzimidazole (nguyên tử có độ âm điện lớn hơn) nên chịu hiệu ứng màn yếu hơn, cho tín hiệu singlet ở vùng trường yếu hơn ($\delta = 5{,}79\text{--}5{,}80\text{ ppm}$). Ngược lại, nhóm $-\text{CH}_2-$ tại vị trí số 7 liên kết với nguyên tử lưu huỳnh (độ âm điện nhỏ hơn) cho tín hiệu singlet ở vùng trường mạnh hơn ($\delta = 4{,}25\text{ ppm}$).

4. Quy trình thử nghiệm hoạt tính kháng vi sinh vật trong khóa luận sử dụng những chủng vi sinh vật nào?

Thử nghiệm sử dụng 8 chủng chuẩn gồm: vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli ATCC 25922, Pseudomonas aeruginosa ATCC 25923); vi khuẩn Gram dương (Bacillus subtilis ATCC 11774, Staphylococcus aureus subsp. aureus ATCC 11632); nấm sợi (Aspergillus niger 439, Fusarium oxysporum M42); và nấm men (Candida albicans ATCC 7754, Saccharomyces cerevisiae SH 20).

5. Khối lượng phân tử và tín hiệu pic ion phân tử trên phổ MS của hợp chất 5a và 5b được ghi nhận như thế nào?

Hợp chất 5a ($\text{C}{19}\text{H}{17}\text{O}2\text{N}5\text{S}$, phân tử khối $M = 379$) ghi nhận peak ion phân tử $[M+\text{H}]^+ = 380$. Hợp chất 5b ($\text{C}{19}\text{H}{16}\text{O}_2\text{N}_5\text{SBr}$, phân tử khối lý thuyết tương ứng với đồng vị brom $M = 457/459$) ghi nhận peak ion phân tử $[M+\text{H}]^+ = 460$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Thị Cẩm Đức đã thực hiện thành công quy trình tổng hợp đa bước các dẫn xuất $N$-aryl amide chứa hệ dị vòng liên kết benzimidazole - 1,3,4-oxadiazole và benzimidazole - 1,2,4-triazole từ tiền chất ban đầu $o$-phenylenediamine. Cấu trúc hóa học của tất cả các hợp chất trung gian và sản phẩm cuối đã được xác định và chứng minh thông qua sự kết hợp của các phương pháp phân tích phổ nghiệm FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ và MS. Các kết quả thực nghiệm tổng hợp cùng dữ liệu thăm dò hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm cung cấp cơ sở khoa học thực nghiệm có giá trị cho việc tiếp tục phát triển các dẫn xuất dị vòng ứng dụng trong hóa dược.