Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực hóa học hữu cơ hiện đại, nghiên cứu tổng hợp các hợp chất dị vòng có hoạt tính sinh học cao đang là một trong những hướng mũi nhọn phục vụ cho y dược học và đời sống. Các cấu trúc dị vòng chứa nguyên tố nitơ và lưu huỳnh, đặc biệt là nhóm dị vòng thiazoliđin và các dẫn xuất thế của khung 2-thioxothiazoliđin-4-on (dẫn xuất của rhođanin), thu hút nhiều sự quan tâm do thể hiện các hoạt tính đa dạng như kháng khuẩn, kháng nấm, chống virus (bao gồm virus HIV-1), chống co giật, chống viêm và tiềm năng ức chế sự phát triển của nhiều dòng tế bào ung thư.
Các công trình công bố trước đây chỉ ra rằng bản chất và vị trí của các nhóm thế gắn trên nhân 2-thioxothiazoliđin-4-on, đặc biệt là tại vị trí số 3 (nguyên tử nitơ) và vị trí số 5 (nhóm metylen linh động), có ảnh hưởng mang tính quyết định đến hoạt tính sinh học cũng như độ bền cấu trúc của hợp chất. Từ cơ sở thực tiễn và lý thuyết này, đề tài "Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số dẫn xuất 5-benzyliđen-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on" được thực hiện nhằm phát triển các dẫn xuất dị vòng mới mang đồng thời nhóm 4-metylphenyl ở vị trí N-3 và nhóm aryliđen ở vị trí C-5.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể gồm:
- Xuất phát từ $p$-toluiđin, tổng hợp hợp chất trung gian 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on, sau đó thực hiện phản ứng ngưng tụ với các anđehit thơm để tạo thành dãy hợp chất 5-benzyliđen-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on.
- Khảo sát các tính chất vật lý cơ bản của các chất tổng hợp được, bao gồm trạng thái tồn tại, màu sắc, độ tan, dung môi kết tinh và nhiệt độ nóng chảy.
- Xác định cấu trúc hóa học của hợp chất trung gian và các dẫn xuất điều chế được bằng các phương pháp hóa lý 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).
- Thăm dò hoạt tính kháng khuẩn của các hợp chất tổng hợp được trên hai chủng vi khuẩn kiểm định gồm Escherichia coli và Bacillus subtilis.
Đối tượng nghiên cứu là hợp chất 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on và 4 dẫn xuất 5-aryliđen mang các nhóm thế khác nhau trên vòng benzen ($-\text{Cl}$, $-\text{OH}$, $-\text{OCH}_3$, $-\text{N(CH}_3\text{)}_2$). Phạm vi 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 TP. Hồ Chí Minh), phối hợp đo phổ tại Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG TP. Hồ Chí Minh).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào hóa học các hợp chất dị vòng năm cạnh no chứa hai dị tố nitơ và lưu huỳnh tại vị trí 1, 3 (hệ vòng thiazoliđin). Khi gắn thêm các nhóm chức cacbonyl ($>\text{C}=\text{O}$) hoặc thiocacbonyl ($>\text{C}=\text{S}$), hệ vòng chuyển hóa thành các dẫn xuất đặc trưng:
- Thiazoliđin-4-on: Vòng thiazoliđin gắn thêm nguyên tử oxy ở vị trí cacbon số 4.
- Thiazoliđin-2,4-đion: Vòng thiazoliđin mang đồng thời hai nhóm cacbonyl ở vị trí C-2 và C-4.
- 2-Thioxothiazoliđin-4-on (khung rhođanin): Vòng thiazoliđin mang nhóm thiocacbonyl ($>\text{C}=\text{S}$) ở vị trí C-2 và nhóm cacbonyl ($>\text{C}=\text{O}$) ở vị trí C-4. Cấu trúc này có hai trung tâm phản ứng quan trọng là nguyên tử hydro ở nhóm $-\text{NH}$ (vị trí N-3) và nhóm metylen linh động $-\text{CH}_2-$ (vị trí C-5) có khả năng tham gia phản ứng ngưng tụ Knoevenagel với các hợp chất cacbonyl.
Phương pháp nghiên cứu trong khóa luận kết hợp giữa tổng hợp hữu cơ thực nghiệm, phân tích công cụ và thử nghiệm sinh học:
- Phương pháp tổng hợp hóa học: Phản ứng cộng nucleophile giữa amin thơm ($p$-toluiđin) với cacbon đisunfua trong môi trường amoniac tạo muối đithiocacbamat, tiếp theo là phản ứng thế nucleophile với natri cloroaxetat và đóng vòng trong môi trường axit clohiđric. Tiếp đó, thực hiện phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa nhóm metylen linh động của dị vòng với các anđehit thơm trong môi trường axit axetic băng có xúc tác natri axetat dưới điều kiện đun hồi lưu nhiệt độ cao.
- Phương pháp tinh chế và xác định hằng số vật lý: Tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại trong các hệ dung môi thích hợp (etanol, đioxan - etanol, đioxan - nước). Nhiệt độ nóng chảy của các chất rắn được đo trên thiết bị FP62 Mettler Toledo.
- Phương pháp phổ xác định cấu trúc:
- Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Ghi trên máy FTIR-8400S SHIMADZU dưới dạng viên nén $\text{KBr}$.
- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$): Ghi trên máy Bruker AC 500 MHz, sử dụng dung môi đimetyl sunfoxit đơterơ hóa ($\text{DMSO-}d_6$).
- Phổ khối lượng phân giải cao (HR-MS): Đo trên máy Bruker micrOTOF-Q 10187 theo phương pháp ion hóa phun mù điện tử (ESI-MS).
- Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học: Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn bằng phương pháp khuếch tán lỗ thạch (agar well diffusion) trên môi trường MPA (Meat Peptone Agar) đối với chủng vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli) và Gram dương (Bacillus subtilis) ở hai dải nồng độ 1% và 2%, xác định hiệu số đường kính vòng vô khuẩn $(D - d)$ tính bằng milimét hoặc xentimét sau 24 giờ ủ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I. Tổng quan tài liệu
Chương này hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến dị vòng thiazoliđin:
- Giới thiệu cấu trúc cơ bản của hệ vòng thiazoliđin, thiazoliđin-4-on, thiazoliđin-2,4-đion và 2-thioxothiazoliđin-4-on.
- Trình bày tổng quan về hoạt tính sinh học của các dẫn xuất thiazoliđin: hoạt tính kháng nấm trên các chủng Aspergillus flavus, Aspergillus niger, Candida albicans (ức chế 30–55% ở nồng độ 50–100 ppm); hoạt tính chống co giật và độc tính thần kinh trên động vật thí nghiệm ở các liều 30, 100, 300 mg/kg thể trọng; hoạt tính chống viêm và kháng khuẩn với đường kính vòng vô khuẩn đạt 16–28 mm.
- Phân tích sâu về dẫn xuất rhođanin (2-thioxothiazoliđin-4-on): các nghiên cứu ức chế enzyme integrase của virus HIV-1 (công trình của Kavya Ramkumar và cộng sự với 40 dẫn xuất, trong đó có 19 dẫn xuất 5-benzyliđen rhođanin); khả năng kháng ung thư trên các dòng tế bào MCF7 (ung thư vú), NCI-H460 (ung thư phổi) và SF-268 (ung thư thần kinh trung ương) sử dụng phương pháp nhuộm Sulforhodamine B (SRB).
- Khảo sát các hướng chuyển hóa hóa học chính trên nhân 2-thioxothiazoliđin-4-on: phản ứng thế ở nhóm $-\text{NH}$ với dẫn xuất acyl clorua trong môi trường kiềm $\text{KOH}$; phản ứng ngưng tụ ở nhóm metylen linh động C-5 sử dụng chất mang polyetylen glycol (PEG-800) hoặc gia nhiệt vi sóng (công trình của Sukanta Kamila và cộng sự, cho thấy vi sóng 200W/250 psi trong 20 phút đạt hiệu suất 85–96%, vượt trội so với đun hồi lưu thông thường 3 giờ đạt 43–66%).
Chương II. Thực nghiệm
Chương II mô tả chi tiết quy trình hóa chất, dụng cụ và phương pháp tiến hành tổng hợp:
- Tổng hợp 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on (hợp chất 2):
- Giai đoạn 1: Hòa tan 25,68 g (0,24 mol) $p$-toluiđin trong 25 mL etanol tuyệt đối, nhỏ từ từ vào hỗn hợp gồm 17,2 mL cacbon đisunfua và 36 mL dung dịch amoniac 35% ở 0–10°C trong 20 phút. Khuấy tiếp 1 giờ, để yên 30 phút ở 10–15°C để tách muối amoni $p$-tolylđithiocacbamat (chất 1 dạng tinh thể màu vàng).
- Giai đoạn 2: Thêm từ từ 23,3 g (0,2 mol) natri cloroaxetat vào dung dịch chứa 38 g (0,19 mol) muối đithiocacbamat trong 100 mL nước lạnh. Khuấy 2 giờ, axit hóa bằng $\text{HCl}$ đặc, lọc lấy kết tủa trắng, rửa nước và kết tinh lại trong etanol. Thu được 24,21 g tinh thể hình vảy màu vàng xanh, nhiệt độ nóng chảy 167°C, hiệu suất chung 2 giai đoạn đạt 45,3%.
- Tổng hợp các dẫn xuất 5-aryliđen-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on (hợp chất 3a–d):
- Hòa tan 0,01 mol hợp chất (2) (2,23 g) và 0,01 mol anđehit thơm tương ứng trong 30 mL axit axetic băng, bổ sung 0,015 mol natri axetat (1,23 g). Đun hồi lưu hỗn hợp phản ứng trong khoảng 4–7 giờ. Sau phản ứng, đổ vào nước đá vụn, lọc kết tủa, rửa sạch và kết tinh lại bằng hệ dung môi thích hợp.
- Quy trình đo đạc hóa lý và vi sinh:
- Ghi phổ FT-IR (máy Shimadzu FTIR-8400S, viên nén KBr), phổ $^1\text{H-NMR}$ (máy Bruker 500 MHz, DMSO), phổ HR-MS (máy Bruker micrOTOF-Q).
- Thử nghiệm kháng khuẩn: Pha chế môi trường MPA (5 g cao thịt, 5 g Peptone, 5 g $\text{NaCl}$, 20 g Agar trong 1000 mL nước cất), cấy trải vi khuẩn B. subtilis và E. coli, đục lỗ thạch, tra 0,1 mL dung dịch chất thử ở nồng độ 1% và 2%, giữ lạnh 4–8 giờ rồi ủ 24 giờ ở nhiệt độ phòng để đo vòng kháng khuẩn.
Chương III. Kết quả - Thảo luận
Chương III tập trung phân tích cơ chế phản ứng, biện giải cấu trúc thông qua số liệu phổ và đánh giá kết quả hoạt tính sinh học:
- Cơ chế phản ứng: Phân tích cơ chế cộng nucleophile của nhóm amin trên $p$-toluiđin vào liên kết $\text{C}=\text{S}$ của $\text{CS}_2$, phản ứng thế $S_N2$ tiếp theo vào gốc $-\text{CH}_2\text{Cl}$ của cloroaxetat và phản ứng đóng vòng nội phân tử loại nước để tạo hợp chất (2). Phản ứng ngưng tụ giữa (2) và các anđehit thơm diễn ra theo cơ chế ngưng tụ Knoevenagel qua các giai đoạn cộng nucleophile của cacbanion vị trí C-5 vào nhóm cacbonyl anđehit, proton hóa và tách nước tạo liên kết đôi $\text{C}=\text{C}$ ngoại vòng.
- Biện giải phổ hồng ngoại (FT-IR):
- Hợp chất (2): Mất hoàn toàn tín hiệu của nhóm $-\text{NH}$ ($> 3100\text{ cm}^{-1}$), xuất hiện vân hấp thụ dao động hóa trị liên kết $\text{C}=\text{O}$ ở $1705\text{ cm}^{-1}$, $\text{C}=\text{S}$ ở $1234\text{ cm}^{-1}$, và $\text{C}-\text{H}$ no ở $2849–2917\text{ cm}^{-1}$.
- Các hợp chất (3a–d): Xuất hiện thêm dao động hóa trị $\text{C}_{sp2}-\text{H}$ ở $3011–3028\text{ cm}^{-1}$, $\text{C}=\text{C}$ liên hợp ở $1602–1616\text{ cm}^{-1}$; nhóm $\text{C}=\text{O}$ dịch chuyển về $1684–1717\text{ cm}^{-1}$; nhóm $\text{C}=\text{S}$ ở $1232–1250\text{ cm}^{-1}$. Riêng hợp chất (3b) có vân hấp thụ đặc trưng của nhóm phenolic $-\text{OH}$ ở $3374\text{ cm}^{-1}$.
- Biện giải phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$):
- Hợp chất (2): Singlet của nhóm $-\text{CH}_3$ tại $\delta = 2,50\text{ ppm}$ ($3\text{H}$), singlet của $-\text{CH}_2-$ vị trí C-5 tại $\delta = 4,37\text{ ppm}$ ($2\text{H}$); 2 tín hiệu doublet của vòng benzen ở $\delta = 7,12\text{ ppm}$ ($2\text{H}, \text{H}-3,5, J = 8,5\text{ Hz}$) và $\delta = 7,31\text{ ppm}$ ($2\text{H}, \text{H}-2,6, J = 8,5\text{ Hz}$).
- Các hợp chất (3a–d): Mất hoàn toàn tín hiệu nhóm $-\text{CH}_2-$ ở $4,37\text{ ppm}$, xuất hiện singlet mới của proton metin $\text{H}-7$ ($=\text{CH}-$) tại vùng trường yếu $\delta = 7,71–7,85\text{ ppm}$ do nằm gần dị tố lưu huỳnh và chịu hiệu ứng cảm ứng âm ($-\text{I}$). Các proton trên hai vòng benzen tách thành các hệ vân doublet tương ứng với hằng số ghép $J = 8,5–9,0\text{ Hz}$. Nhóm chức riêng biệt: $-\text{OH}$ của (3b) xuất hiện tại $\delta = 10,49\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}$); $-\text{OCH}_3$ của (3c) tại $\delta = 3,86\text{ ppm}$ ($s, 3\text{H}$); $-\text{N(CH}_3\text{)}_2$ của (3d) tại $\delta = 3,06\text{ ppm}$.
- Bàn luận về tạp chất trên phổ (3d): Xuất hiện pic tại $\delta = 3,57\text{ ppm}$ tích phân $4\text{H}$ (được xác định là vết dung môi đioxan kết tinh sót lại) và độ tích phân của nhóm đimetylamino hiển thị $7\text{H}$ do ảnh hưởng của tạp chất mẫu đo.
- Biện giải phổ khối lượng (HR-MS): Xác nhận khối lượng phân tử chính xác qua pic ion cộng kết natri $[\text{M} + \text{Na}]^+$ hay $[\text{M} + 23]$:
- Hợp chất 3a ($\text{C}{17}\text{H}{12}\text{ClNOS}_2$, phân tử khối lý thuyết $345,8663$): Pic $[\text{M} + 23]^+$ quan sát thấy ở $m/z = 367,9941$ ($100%$), cùng các pic đồng vị $368,9971$ ($20,53%$) và $369,9913$ ($43,21%$) phù hợp với sự có mặt của nguyên tử clo.
- Hợp chất 3b ($\text{C}{17}\text{H}{13}\text{NO}_2\text{S}_2$, phân tử khối lý thuyết $327,4206$).
- Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn: Đánh giá đường kính vòng vô khuẩn của (3a) và (3d) trên môi trường nuôi cấy E. coli và B. subtilis.
Kết quả và đóng góp
Số liệu thực nghiệm tổng hợp và phổ học
Quá trình thực nghiệm đã tổng hợp thành công hợp chất trung gian (2) và 4 dẫn xuất 5-aryliđen-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on với các thông số lý hóa được tổng hợp tại các bảng dưới đây:
Bảng 1: Thông số tổng hợp và đặc tính vật lý của các dẫn xuất (3a–d)
| Hợp chất | Nhóm thế (X) | Màu sắc và trạng thái | Dung môi kết tinh | Nhiệt độ nóng chảy (°C) | Hiệu suất (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 3a | $4-\text{Cl}$ | Tinh thể màu vàng | Đioxan – Etanol | 199 | 68,4% |
| 3b | $4-\text{OH}$ | Tinh thể màu cam | Etanol | 264 | 62,5% |
| 3c | $4-\text{OCH}_3$ | Tinh thể màu vàng | Đioxan – Etanol | 206 | 58,4% |
| 3d | $4-\text{N(CH}_3\text{)}_2$ | Tinh thể màu đỏ máu | Đioxan – Nước | 204 | 60,2% |
Bảng 2: Tóm tắt số liệu phổ hồng ngoại (FT-IR) của các hợp chất ($\text{cm}^{-1}$)
| Hợp chất | $\nu_{\text{O-H}}$ | $\nu_{\text{C}_{sp2}\text{-H}}$ | $\nu_{\text{C}_{sp3}\text{-H}}$ | $\nu_{\text{C=O}}$ | $\nu_{\text{C=S}}$ |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 | — | — | 2849, 2917 | 1705 | 1234 |
| 3a | — | 3028 | 2849, 2917 | 1711 | 1250 |
| 3b | 3374 | — | 2849, 2918 | 1684 | 1242 |
| 3c | — | 3011 | 2835, 2922 | 1717 | 1244 |
| 3d | — | — | 2861, 2918 | 1713 | 1232 |
Bảng 3: Độ dịch chuyển hóa học trên phổ $^1\text{H-NMR}$ ($\delta$, ppm; $J$, Hz)
| Vị trí Proton | Chất 3a ($4-\text{Cl}$) | Chất 3b ($4-\text{OH}$) | Chất 3c ($4-\text{OCH}_3$) | Chất 3d ($4-\text{N(CH}_3\text{)}_2$) |
|---|---|---|---|---|
| $\text{H}-2,6$ | 7,34 ($d, J=8,5$) | 7,36 ($d, J=8,5$) | 7,35 ($d, J=8,5$) | 7,34 ($d, J=8,5$) |
| $\text{H}-3,5$ | 7,28 ($d, J=8,5$) | 7,26 ($d, J=8,5$) | 7,27 ($d, J=8,5$) | 7,24 ($d, J=8,5$) |
| $\text{H}-7$ ($=\text{CH}-$) | 7,85 ($s$) | 7,75 ($s$) | 7,81 ($s$) | 7,71 ($s$) |
| $\text{H}-9,13$ | 7,72 ($d, J=8,5$) | 7,56 ($d, J=9,0$) | 7,67 ($d, J=8,5$) | 7,52 ($d, J=9,0$) |
| $\text{H}-10,12$ | 7,65 ($d, J=8,5$) | 6,96 ($d, J=9,0$) | 7,15 ($d, J=8,5$) | 6,86 ($d, J=9,0$) |
| $\text{H}-4\text{a}$ ($-\text{CH}_3$) | 2,39 ($s$) | 2,38 ($s$) | 2,38 ($s$) | 2,38 ($s$) |
| Proton nhóm thế | — | 10,49 ($s, -\text{OH}$) | 3,86 ($s, -\text{OCH}_3$) | 3,06 ($s, -\text{N(CH}_3\text{)}_2$) |
Bảng 4: Kết quả thử hoạt tính kháng khuẩn của hợp chất 3a và 3d
| Hợp chất | Escherichia coli (1%) | Escherichia coli (2%) | Bacillus subtilis (1%) | Bacillus subtilis (2%) |
|---|---|---|---|---|
| 3a | 1,4 cm | 1,3 cm | 1,5 cm | 1,6 cm |
| 3d | 1,2 cm | 1,3 cm | 1,5 cm | 1,5 cm |
Đóng góp của đề tài
- Tổng hợp thành công 4 dẫn xuất aryliđen mới thuộc khung 5-aryliđen-3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on chưa từng được công bố trong các tài liệu tham khảo được khảo sát của tác giả.
- Cải tiến quy trình tổng hợp chất trung gian (2) bằng cách hòa tan $p$-toluiđin trong etanol trước khi nhỏ giọt vào hỗn hợp $\text{CS}_2$ và amoniac, giúp khắc phục nhược điểm ít tan của amin thơm thể rắn trong môi trường nước, nâng cao hiệu suất tạo muối đithiocacbamat.
- Thiết lập đầy đủ bộ dữ liệu phổ nghiệm thực nghiệm (FT-IR, $^1\text{H-NMR}$, HR-MS) làm cơ sở chứng minh cấu trúc hóa học và độ tinh khiết tương đối của dãy hợp chất tổng hợp.
- Cung cấp dữ liệu thực nghiệm ban đầu về khả năng ức chế vi khuẩn của các dẫn xuất (3a) và (3d), cho thấy hoạt tính kháng khuẩn ở mức độ yếu đến trung bình, trong đó tác dụng trên chủng vi khuẩn Gram dương (B. subtilis) thể hiện rõ nét hơn trên vi khuẩn Gram âm (E. coli).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của nghiên cứu:
- Độ tinh khiết của một số mẫu phân tích phổ (điển hình là hợp chất 3d) chưa triệt để, còn lẫn vết dung môi kết tinh (đioxan ở $\delta = 3,57\text{ ppm}$) dẫn đến sai lệch nhẹ trong tích phân cường độ tín hiệu $^1\text{H-NMR}$.
- Hoạt tính kháng khuẩn của các dẫn xuất mới tổng hợp mới chỉ dừng lại ở mức yếu và trung bình, chưa đạt mức ức chế mạnh ở nồng độ khảo sát (1–2%).
- Phạm vi thử nghiệm sinh học mới chỉ tiến hành thăm dò trên 2 hợp chất (3a, 3d) đối với 2 chủng vi khuẩn cơ bản, chưa mở rộng trên nấm hay các dòng tế bào ung thư.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo (theo đề xuất của tác giả):
- Khảo sát tối ưu hóa các điều kiện phản ứng (nhiệt độ, thời gian đun hồi lưu, tỷ lệ mol xúc tác và dung môi) nhằm nâng cao hơn nữa hiệu suất phản ứng tổng hợp.
- Mở rộng phản ứng ngưng tụ của 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on với các anđehit dị vòng khác (như dị vòng thiazol, pyriđazin, furan, thiophen) nhằm tìm kiếm các cấu trúc lai có hoạt tính sinh học cao hơn.
- Tiếp tục tinh chế sâu và khảo sát mở rộng các hoạt tính sinh học tiềm năng khác như hoạt tính kháng nấm, kháng viêm và ức chế tế bào ung thư in vitro.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các ngành Hóa học (chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dược), Dược học và Công nghệ Hóa học:
- Tham khảo quy trình thực nghiệm: Cung cấp quy trình chi tiết về phản ứng tạo muối đithiocacbamat từ amin thơm mạch nhánh, phản ứng đóng vòng tạo dẫn xuất rhođanin thế $N$-aryl và phản ứng ngưng tụ Knoevenagel sử dụng xúc tác $\text{CH}_3\text{COONa}/\text{CH}_3\text{COOH}$.
- Tham khảo phương pháp phổ nghiệm: Cung cấp ví dụ thực tế về kỹ thuật phân tích và quy kết tín hiệu phổ $^1\text{H-NMR}$ phức tạp của hệ thống hai vòng thơm liên hợp qua dị vòng năm cạnh, kỹ thuật phân tích phổ khối lượng phân giải cao HR-MS với các dạng pic ion cộng kết natri $[\text{M} + \text{Na}]^+$ và tỷ lệ phân bố đồng vị của nguyên tử clo.
- Tham khảo kỹ thuật vi sinh cơ bản: Hướng dẫn quy trình đổ đĩa, pha chế môi trường MPA và thao tác đục lỗ thạch đo đường kính vòng kháng khuẩn trong sàng lọc hoạt tính ban đầu của các hợp chất hữu cơ mới.
Câu hỏi thường gặp
1. Chất đầu được sử dụng để tổng hợp khung dị vòng trong khóa luận là gì?
Chất đầu chính là $p$-toluiđin ($25,68\text{ g}$, tương ứng $0,24\text{ mol}$), được cho phản ứng với cacbon đisunfua ($\text{CS}_2, 17,2\text{ mL}$) và dung dịch amoniac $35%$ ($36\text{ mL}$) để tạo muối amoni $p$-tolylđithiocacbamat, sau đó phản ứng với muối natri cloroaxetat ($23,3\text{ g}, 0,2\text{ mol}$) và đóng vòng bằng $\text{HCl}$ đặc để tạo chất trung gian 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on.
2. Hiệu suất tổng hợp chất trung gian (2) và các dẫn xuất (3a–d) đạt bao nhiêu phần trăm?
Hiệu suất tổng hợp chất trung gian (2) qua hai giai đoạn đạt $45,3%$ ($24,21\text{ g}$). Đối với 4 dẫn xuất 5-aryliđen (3a–d), hiệu suất phản ứng ngưng tụ lần lượt là: chất 3a ($4-\text{Cl}$) đạt $68,4%$; chất 3b ($4-\text{OH}$) đạt $62,5%$; chất 3c ($4-\text{OCH}_3$) đạt $58,4%$; và chất 3d ($4-\text{N(CH}_3\text{)}_2$) đạt $60,2%$.
3. Tín hiệu phổ $^1\text{H-NMR}$ nào chứng minh phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa chất (2) và anđehit thơm đã xảy ra thành công?
Sự biến mất hoàn toàn của tín hiệu singlet ứng với nhóm $-\text{CH}_2-$ ở vị trí C-5 của chất (2) tại $\delta = 4,37\text{ ppm}$, đồng thời xuất hiện một tín hiệu singlet mới của proton metin $\text{H}-7$ ($=\text{CH}-$) ở vùng trường yếu ($\delta = 7,71–7,85\text{ ppm}$) trên phổ của các chất 3a–d là bằng chứng then chốt chứng minh liên kết đôi $\text{C}=\text{C}$ ngoại vòng đã hình thành.
4. Dấu hiệu bất thường nào được tác giả thảo luận trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của hợp chất 3d?
Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của hợp chất 3d xuất hiện một pic lạ ở độ dịch chuyển $\delta = 3,57\text{ ppm}$ với cường độ tích phân bằng $4\text{H}$ do mẫu đo bị lẫn dung môi kết tinh đioxan. Đồng thời, tín hiệu của nhóm $-\text{N(CH}_3\text{)}_2$ tại $\delta = 3,06\text{ ppm}$ có tích phân hiển thị $7\text{H}$ (thay vì $6\text{H}$ theo lý thuyết), tuy nhiên tỷ lệ tích phân giữa proton nhóm bão hòa $\text{H}-4\text{a}$ và nhóm đimetylamino vẫn duy trì tương quan phù hợp ($3,5 : 7$, tương đương $3\text{H} : 6\text{H}$).
5. Hoạt tính kháng khuẩn của các dẫn xuất tổng hợp được thể hiện như thế nào trên các chủng vi khuẩn thử nghiệm?
Hai hợp chất được thử nghiệm (3a và 3d) thể hiện hoạt tính kháng khuẩn ở mức độ yếu và trung bình ở nồng độ 1% và 2%. Cả hai chất đều cho đường kính vòng vô khuẩn trên vi khuẩn Gram dương Bacillus subtilis ($1,5–1,6\text{ cm}$) lớn hơn so với vi khuẩn Gram âm Escherichia coli ($1,2–1,4\text{ cm}$).
Kết luận
Khóa luận đã tổng hợp thành công hợp chất 3-N-(4-metylphenyl)-2-thioxothiazoliđin-4-on và 4 dẫn xuất 5-aryliđen mới (3a–d) thông qua phản ứng ngưng tụ Knoevenagel với hiệu suất từ 58,4% đến 68,4%. Cấu trúc hóa học của các sản phẩm được xác định rõ ràng và đồng nhất thông qua sự kết hợp của các phương pháp phổ FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ và HR-MS. Kết quả thử nghiệm vi sinh bước đầu cho thấy các dẫn xuất này có hoạt tính ức chế vi khuẩn ở mức yếu đến trung bình, tạo tiền đề thực nghiệm cho việc mở rộng hướng tổng hợp và khảo sát các dẫn xuất dị vòng rhođanin gắn dị vòng thế trong tương lai.