Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu điều chế và đánh giá hoạt tính sinh học của dẫn xuất 2-pyrrolidinone

Luận văn nghiên cứu điều chế và đánh giá hoạt tính sinh học của các dẫn xuất 2 pyrrolidinone, góp phần vào phát triển dược phẩm mới.

• Tác giả: Lê Phước Thảo Nguyên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trần Nguyên
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Sư phạm
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Chế Và Đánh Giá Hoạt Tính Sinh Học Của Một Số Dẫn Xuất 2-Pyrrolidinone
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Đối tượng và mục đích nghiên cứu
• 0.3. Phương pháp nghiên cứu
• 0.4. Nội dung nghiên cứu
• 0.5. Bố cục luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. SƠ LƯỢC VỀ 2-PYRROLIDINONE VÀ DẪN XUẤT CỦA NÓ
• 1.1.1. Sơ lược về 2-pyrrolidinone
• 1.1.2. Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone
• 1.2. PHẢN ỨNG NHIỀU THÀNH PHẦN
• 1.2.1. Sơ lược về phản ứng nhiều thành phần
• 1.2.2. Một số phản ứng nhiều thành phần
• 1.2.2.1. Phản ứng Strecker
• 1.2.2.2. Phản ứng Ugi
• 1.2.2.3. Phản ứng Gewald
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT
• 2.2. QUY TRÌNH TỔNG HỢP
• 2.3. KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG
• 2.3.1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng và thể tích dung môi
• 2.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 2.3.3. Ảnh hưởng của độ mạnh acid
• 2.4. TỔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE
• 2.4.1. Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ benzaldehyde và aniline
• 2.4.2. Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ benzaldehyde và benzylamine
• 2.4.3. Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ p-tolualdehyde và aniline
• 2.5. ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA CÁC DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE ĐÃ TỔNG HỢP
• 2.5.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5.1.1. Phương pháp sắc ký lớp mỏng
• 2.5.1.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
• 2.5.1.3. Phương pháp phổ khối (MS)
• 2.5.1.4. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
• 2.5.1.5. Phương pháp khuếch tán đĩa thạch
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. SO SÁNH HIỆU SUẤT KHI THAY ĐỔI ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG
• 3.1.1. Thay đổi thời gian phản ứng và thể tích dung môi
• 3.1.2. Thay đổi nhiệt độ phản ứng
• 3.1.3. Thay đổi acid
• 3.2. TỔNG HỢP DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE TỪ BENZALDEHYDE VÀ ANILINE
• 3.2.1. Phổ hồng ngoại
• 3.2.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR
• 3.2.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR
• 3.3. TỔNG HỢP DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE TỪ BENZALDEHYDE VÀ BENZYLAMINE
• 3.3.1. Phổ hồng ngoại
• 3.3.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR
• 3.3.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR
• 3.4. TỔNG HỢP DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE TỪ P-TOLUALDEHYDE VÀ ANILINE
• 3.4.1. Phổ hồng ngoại
• 3.4.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR
• 3.4.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR
• 3.5. ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA CÁC DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE ĐÃ TỔNG HỢP
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về 2 pyrrolidinone

2-pyrrolidinone là một hợp chất lactam có cấu trúc vòng 5 cạnh, bao gồm bốn nguyên tử carbon và một nguyên tử nitơ. Hợp chất này có công thức phân tử C4H7NO và khối lượng phân tử 85.11 g/mol. 2-pyrrolidinone được biết đến với nhiều tính chất hóa học và vật lý đặc biệt, như tỷ trọng 1.116 g/cm3 và nhiệt độ sôi 245°C. Hợp chất này có ứng dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm và hóa nông nghiệp. Các dẫn xuất của 2-pyrrolidinone đã được nghiên cứu và chứng minh có hoạt tính sinh học mạnh, bao gồm khả năng chống vi khuẩn và kháng viêm. Việc tổng hợp các dẫn xuất này thông qua phản ứng nhiều thành phần (MCRs) đã mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển dược phẩm.

1.1. Tính chất và ứng dụng

2-pyrrolidinone có nhiều tính chất hóa học quan trọng, như khả năng hòa tan tốt trong nước và các dung môi hữu cơ. Hợp chất này thường được sử dụng làm dung môi trong các phản ứng hóa học và là nguyên liệu trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác. Các dẫn xuất của 2-pyrrolidinone đã được phát hiện có khả năng kháng khuẩn, chống ung thư và nhiều ứng dụng khác trong y học. Việc nghiên cứu và phát triển các dẫn xuất này không chỉ giúp mở rộng ứng dụng trong dược phẩm mà còn góp phần vào việc phát triển các phương pháp điều trị mới cho nhiều bệnh lý.

II. Phản ứng nhiều thành phần trong tổng hợp 2 pyrrolidinone

Phản ứng nhiều thành phần (MCRs) là một phương pháp tổng hợp hữu ích trong hóa học hữu cơ, cho phép tổng hợp nhiều sản phẩm từ một số lượng nguyên liệu hạn chế. Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học, bao gồm các dẫn xuất của 2-pyrrolidinone. Một trong những ưu điểm nổi bật của MCRs là khả năng tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời giảm thiểu các phản ứng phụ không mong muốn. Các phản ứng như phản ứng Strecker, Ugi và Gewald đã được nghiên cứu và áp dụng để tổng hợp các dẫn xuất 2-pyrrolidinone, mở ra nhiều hướng đi mới trong nghiên cứu hóa học.

2.1. Lợi ích của phản ứng nhiều thành phần

Phản ứng nhiều thành phần mang lại nhiều lợi ích cho quá trình tổng hợp hóa học. Đầu tiên, phương pháp này giúp giảm thiểu số bước trong quy trình tổng hợp, từ đó tiết kiệm thời gian và chi phí. Thứ hai, MCRs cho phép tạo ra các hợp chất phức tạp từ các nguyên liệu đơn giản, giúp tăng cường tính đa dạng của các sản phẩm. Cuối cùng, phương pháp này thường sử dụng các nguyên liệu thân thiện với môi trường, góp phần vào sự phát triển bền vững trong hóa học. Việc áp dụng MCRs trong tổng hợp 2-pyrrolidinone và các dẫn xuất của nó đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này.

III. Đánh giá hoạt tính sinh học của các dẫn xuất 2 pyrrolidinone

Hoạt tính sinh học của các dẫn xuất 2-pyrrolidinone đã được đánh giá thông qua các thử nghiệm kháng khuẩn. Các dẫn xuất này đã cho thấy khả năng ức chế sự phát triển của các vi khuẩn như Escherichia coli và Salmonella sp. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng một số dẫn xuất có hoạt tính kháng khuẩn mạnh, mở ra tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm. Việc đánh giá hoạt tính sinh học không chỉ giúp xác định hiệu quả của các dẫn xuất mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển các sản phẩm mới trong tương lai.

3.1. Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học

Phương pháp khuếch tán đĩa thạch là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng để đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của các dẫn xuất 2-pyrrolidinone. Trong phương pháp này, các mẫu dẫn xuất được đặt trên môi trường nuôi cấy vi khuẩn và quan sát sự hình thành vòng ức chế xung quanh mẫu. Đường kính vòng ức chế cho thấy mức độ hiệu quả của các dẫn xuất trong việc ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Kết quả từ các thử nghiệm này cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển các sản phẩm dược phẩm mới có khả năng kháng khuẩn cao.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình phát triển của hóa học hữu cơ hiện đại, các hợp chất dị vòng đóng vai trò trung tâm trong nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng thực tiễn, chiếm hơn một nửa tổng số các công trình hóa hữu cơ được công bố trên các tạp chí quốc tế hàng năm. Trong số các khung cấu trúc dị vòng, dẫn xuất của 2-pyrrolidinone (vòng lactam 5 cạnh chứa một dị tố nitơ) được ghi nhận có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực dược phẩm, hóa dược và hóa chất nông nghiệp nhờ hoạt tính sinh học đa dạng như kháng khuẩn, kháng viêm, chống khối u và ức chế enzym.

Song song với việc tìm kiếm các cấu trúc có hoạt tính sinh học, phương pháp tổng hợp hữu cơ đang chuyển dịch mạnh mẽ sang các kỹ thuật phản ứng nhiều thành phần (Multi-Component Reactions - MCRs). Phản ứng MCRs cho phép chuyển hóa từ ba tác chất ban đầu trở lên thành một sản phẩm duy nhất trong một bình phản ứng (one-pot), mang lại nhiều ưu điểm vượt trội: quy trình thao tác đơn giản, hiệu quả kinh tế nguyên tử cao, giảm thiểu dung môi và chất thải, đồng thời cho phép tạo lập nhanh chóng các thư viện dẫn xuất có tính đa dạng cấu trúc cao.

Khóa luận tốt nghiệp cử nhân sư phạm của tác giả Lê Phước Thảo Nguyên (Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng, 2018) tập trung giải quyết bài toán tổng hợp các dẫn xuất 2-pyrrolidinone thông qua phản ứng MCRs nhằm mục đích xanh hóa quy trình và khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của các sản phẩm tạo thành.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm:

1. Nghiên cứu và tìm kiếm các điều kiện tối ưu (thời gian, thể tích dung môi, nhiệt độ, xúc tác acid) để thực hiện quá trình tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone bằng phản ứng nhiều thành phần trong thời gian ngắn nhất với hiệu suất cao nhất.
2. Tổng hợp thành công ba dẫn xuất cụ thể của 2-pyrrolidinone.
3. Đánh giá hoạt tính sinh học (khả năng kháng khuẩn) của các dẫn xuất 2-pyrrolidinone đã tổng hợp được.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của bốn yếu tố công nghệ: thời gian phản ứng, thể tích dung môi, nhiệt độ phản ứng và độ mạnh của acid xúc tác.
2. Thực hiện tổng hợp 3 dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ các cặp tác chất tiền chất: benzaldehyde và aniline; benzaldehyde và benzylamine; p-tolualdehyde và aniline với diethyl acetylenedicarboxylate.
3. Kiểm tra độ tinh khiết, giải mã cấu trúc các hợp chất bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại (IR, MS, 1H-NMR, 13C-NMR).
4. Đánh giá hoạt tính ức chế đối với hai chủng vi khuẩn chỉ thị Escherichia coli và Salmonella sp. bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các hợp chất dẫn xuất của 2-pyrrolidinone được tạo thành từ aldehyde, amine sơ cấp và diethyl acetylenedicarboxylate.
• Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng; thời gian triển khai từ ngày 05/05/2017 đến ngày 22/01/2018.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên cơ sở hóa học các hợp chất dị vòng lactam và lý thuyết về phản ứng nhiều thành phần (MCRs). Về mặt cấu trúc, 2-pyrrolidinone là một lactam vòng 5 cạnh có công thức phân tử C4H7NO, khối lượng phân tử 85,11 g/mol, tỷ trọng 1,116 g/cm³, nhiệt độ sôi 245°C và nhiệt độ nóng chảy 25°C. Cơ chế phản ứng tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone trong nghiên cứu diễn ra qua hai giai đoạn liên tiếp trong một bình phản ứng: giai đoạn đầu là phản ứng ngưng tụ giữa amine và aldehyde dưới sự xúc tác của acid tạo thành hợp chất trung gian imine/enamine; giai đoạn tiếp theo là sự cộng hợp đóng vòng nucleophil giữa imine với diethyl acetylenedicarboxylate để tạo nên khung dị vòng pyrrolidinone mang các nhóm chức ester và vòng thơm.

Hạng mục	Thông số và Phương pháp thực tế
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết	Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu chuyên ngành về phản ứng nhiều thành phần (MCRs: Strecker, Ugi, Gewald), các hướng tổng hợp khung dị vòng 2-pyrrolidinone và phương pháp đánh giá hoạt tính vi sinh.
Phương pháp tổng hợp hữu cơ	Kỹ thuật phản ứng một nồi (one-pot MCRs) sử dụng bình cầu đáy tròn, khuấy từ gia nhiệt ở các điều kiện nhiệt độ phòng, 40°C và 60°C.
Phương pháp theo dõi và tinh chế	Sắc ký lớp mỏng (TLC) trên bản mỏng silica gel, hệ pha động n-hexane : ethyl acetate (tỷ lệ thể tích 5 : 3), soi dưới đèn tử ngoại (UV). Tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại trong dung môi ethanol ở 80°C, rửa lại bằng ethanol lạnh và cô quay chân không.
Phương pháp xác định cấu trúc	- Phổ hồng ngoại (IR): Xác định các nhóm dao động hóa trị ($\nu$) và dao động biến dạng ($\delta$) đặc trưng. - Phổ khối lượng (MS): Xác định tỷ số khối lượng trên điện tích ($m/z$) và mảnh ion phân tử. - Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR và 13C-NMR): Xác định số lượng proton, carbon, độ chuyển dịch hóa học ($\delta$) và tương tác tách spin-spin.
Phương pháp thử hoạt tính sinh học	Phương pháp khuếch tán đĩa thạch (Hadacek et al., 2000) trên môi trường Luria - Bertani (LB) với vi khuẩn Escherichia coli và Salmonella sp. (mật độ $5 \times 10^8$ CFU/ml). Đo đường kính vòng kháng khuẩn ($DK = D - d$).
Nguồn gốc nguyên liệu và hóa chất	- Hóa chất Merck (Đức): Benzylamine, aniline, diethyl acetylenedicarboxylate, benzaldehyde, p-tolualdehyde, acid citric, acid acetic, acid formic, ethanol, n-hexane, ethyl acetate, dimethyl sulfoxide (DMSO), NaCl. - Hóa chất vi sinh: Cao nấm men, peptone (Trung Quốc); agar (Việt Nam).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày hệ thống lý thuyết tổng quan về dị vòng 2-pyrrolidinone và các phản ứng nhiều thành phần:

• Cấu tạo và tính chất của 2-pyrrolidinone: Phân tích cấu trúc phân tử lactam 5 cạnh, tính chất vật lý (chất lỏng phân cực, nhiệt độ sôi 245°C) và các con đường điều chế công nghiệp (từ acetylene phản ứng với formaldehyde qua 4 giai đoạn tạo 1,4-butanediol, chuyển hóa thành $\gamma$-butyrolactone rồi phản ứng với ammonia; hoặc hydro hóa succinimide).
• Dẫn xuất 2-pyrrolidinone trong dược phẩm và tự nhiên: Giới thiệu các hoạt chất chứa khung 2-pyrrolidinone đã được ứng dụng lâm sàng như Cotinine (chất chuyển hóa của nicotine, công thức C10H12N2O), Doxapram (chất kích thích hô hấp dạng tiêm tĩnh mạch, công thức C24H30N2O2), và hợp chất tự nhiên Lactacystin phân lập từ xạ khuẩn Streptomyces.
• Lý thuyết phản ứng nhiều thành phần (MCRs): Khái quát lịch sử phát triển MCRs từ phản ứng Strecker (1850) tổng hợp $\alpha$-amino cyanide, phản ứng Ugi (1959) tạo bis-amide từ 4 thành phần (aldehyde/ketone, amine, isocyanide, acid carboxylic), đến phản ứng Gewald (tổng hợp 2-amino-thiophene). Chương 1 khẳng định MCRs là công cụ hữu hiệu trong tổng hợp hữu cơ định hướng hóa dược.

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, hóa chất, thiết bị và nguyên lý của các phương pháp phân tích:

• Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm: Sử dụng bình cầu 15 ml, 25 ml, phễu chiết, phễu lọc, pipet, ống sinh hàn, cân phân tích, máy khuấy từ gia nhiệt, máy cô quay chân không, máy đo nhiệt độ nóng chảy, máy đo phổ NMR, IR, MS.
• Quy trình tổng hợp mẫu: Hỗn hợp gồm amine (1 mmol), aldehyde (1 mmol) và acid xúc tác (2 mmol) trong dung môi ethanol được khuấy từ trong 15 phút để tạo imine trung gian. Sau đó thêm diethyl acetylenedicarboxylate (1 mmol, 0,16 ml) và tiếp tục khuấy phản ứng.
• Kế hoạch khảo sát điều kiện tối ưu:
  • Thời gian phản ứng và thể tích dung môi: Khảo sát tại các mốc 8 giờ (2 ml), 10 giờ (2 ml), 14 giờ (2 ml) và 10 giờ (4 ml).
  • Nhiệt độ phản ứng: Khảo sát ở nhiệt độ phòng, 40°C và 60°C trong 2 ml ethanol, thời gian 10 giờ.
  • Độ mạnh của acid xúc tác: Khảo sát so sánh giữa acid citric, acid acetic và acid formic.
• Quy trình tổng hợp 3 dẫn xuất cụ thể: Thiết lập quy trình chi tiết cho ba phản ứng: (1) Benzaldehyde + aniline; (2) Benzaldehyde + benzylamine; (3) p-Tolualdehyde + aniline. Sau phản ứng, sản phẩm thô được lọc, rửa bằng ethanol lạnh và kết tinh lại trong ethanol nóng ở 80°C.
• Cơ sở phương pháp phân tích cấu trúc và hoạt tính vi sinh:
  • Sắc ký lớp mỏng (TLC): Xác định hệ số $R_f = a/b$.
  • Phổ hồng ngoại (IR): Cơ sở lý thuyết về dao động hóa trị, dao động biến dạng, dao động điều hòa và không điều hòa.
  • Phổ khối lượng (MS): Nguyên lý phân mảnh ion $m/z$, các kỹ thuật ion hóa va đập electron (EI), ion hóa hóa học (CI), ion hóa giải hấp phụ (SIMS, FAB, MALDI) và ion hóa tia điện (ESI).
  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Nguyên lý spin hạt nhân ($I \neq 0$), hiện tượng phân tách mức năng lượng Zeeman trong từ trường ngoài $B_0$, công thức độ chuyển dịch hóa học $\delta = (v_X - v_{TMS})/v_0$, hiệu ứng chắn và tương tác tách spin-spin.
  • Phương pháp khuếch tán đĩa thạch: Chuẩn bị dịch khuẩn nồng độ $5 \times 10^8$ CFU/ml, môi trường LB đặc (5g cao nấm men, 5g NaCl, 10g peptone, 20g agar trong 1 lít nước cất, chuẩn pH = 7), tạo giếng thạch đường kính 8 mm, tra 50 $\mu$L mẫu nồng độ 1 mg/ml trong DMSO, ủ ở 37°C trong 24 giờ.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các số liệu thực nghiệm thu được từ quá trình tối ưu hóa, tổng hợp và kiểm tra hoạt tính:

• Tối ưu hóa điều kiện phản ứng:
  • Phản ứng giữa benzaldehyde (1 mmol) và aniline (1 mmol) với diethyl acetylenedicarboxylate (1 mmol) được sử dụng làm phản ứng mô hình.
  • Về thể tích dung môi và thời gian: Thể tích 2 ml ethanol cho hiệu suất cao hơn so với 4 ml (thể tích lớn làm giảm nồng độ tiếp xúc của các chất); thời gian phản ứng 10 giờ đạt hiệu suất tối ưu (8 giờ phản ứng chưa chuyển hóa hết, 14 giờ hiệu suất không tăng thêm đáng kể).
  • Về nhiệt độ: Phản ứng thực hiện ở nhiệt độ phòng cho sản phẩm sạch và hiệu suất cao hơn; khi tăng lên 40°C và 60°C xuất hiện nhiều sản phẩm phụ làm giảm hiệu suất thu hồi.
  • Về acid xúc tác: Acid citric (acid hữu cơ 3 chức) cho kết quả tổng hợp vượt trội so với acid acetic và acid formic.
• Tổng hợp và xác định cấu trúc 3 dẫn xuất:
  • Dẫn xuất A (từ benzaldehyde và aniline): Phân tích phổ IR, MS, 1H-NMR và 13C-NMR chứng minh sự hình thành khung 2-pyrrolidinone gắn nhóm phenyl và nhóm chức ester.
  • Dẫn xuất B (từ benzaldehyde và benzylamine): Dữ liệu phổ xác nhận liên kết của nhóm benzyl với nguyên tử nitơ trên vòng lactam cùng các nhóm thế tương ứng.
  • Dẫn xuất C (từ p-tolualdehyde và aniline): Các tín hiệu phổ khẳng định sự hiện diện của nhóm p-methylphenyl trên khung pyrrolidinone.
• Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn:
  • Khảo sát khả năng ức chế của cả 3 hợp chất A, B, C đối với hai chủng vi khuẩn Gram âm là Escherichia coli và Salmonella sp. ở nồng độ thử nghiệm 1 mg/ml trong dung môi DMSO.
  • Kết quả đo đường kính vòng kháng khuẩn ($DK = D - d$) thể hiện mức độ đối kháng vi sinh vật của từng dẫn xuất.

---

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã thu được các kết quả thực nghiệm định lượng rõ ràng, thể hiện qua các điều kiện tối ưu và quy trình tổng hợp:

Yếu tố khảo sát	Điều kiện tối ưu xác định	Ghi chú thực nghiệm
Dung môi phản ứng	Ethanol, thể tích 2 ml (cho 1 mmol tác chất)	Thể tích 4 ml làm loãng hệ, giảm tốc độ phản ứng
Thời gian phản ứng	10 giờ (sau 15 phút khuấy tạo imine)	Thời gian 8 giờ chưa tối đa, 14 giờ không tăng thêm hiệu suất
Nhiệt độ phản ứng	Nhiệt độ phòng	Gia nhiệt 40°C và 60°C tạo nhiều sản phẩm phụ
Chất xúc tác acid	Acid citric (2 mmol, tương đương 0,42 g)	Hiệu quả vượt trội so với acid formic và acid acetic
Hệ dung môi sắc ký TLC	n-Hexane : Ethyl acetate = 5 : 3	Kiểm tra sự tạo thành imine và kết thúc phản ứng
Phương pháp tinh chế	Kết tinh lại trong ethanol ở 80°C	Thu được sản phẩm tinh khiết dạng rắn sau khi cô quay

Các đóng góp chính của công trình:

1. Xây dựng quy trình tổng hợp xanh: Đã áp dụng thành công phản ứng nhiều thành phần (MCRs) một nồi để điều chế dẫn xuất 2-pyrrolidinone ở nhiệt độ phòng, sử dụng dung môi ethanol và xúc tác acid citric thân thiện môi trường, chi phí thấp.
2. Tổng hợp và định danh đầy đủ 3 dẫn xuất: Điều chế thành công 3 hợp chất dẫn xuất 2-pyrrolidinone (từ các tổ hợp benzaldehyde/aniline, benzaldehyde/benzylamine, p-tolualdehyde/aniline với diethyl acetylenedicarboxylate) và minh chứng cấu trúc hóa học bằng tổ hợp bốn phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR, 13C-NMR.
3. Cung cấp dữ liệu hoạt tính sinh học: Xác định khả năng kháng khuẩn thực nghiệm của các dẫn xuất tổng hợp được đối với hai chủng vi khuẩn E. coli và Salmonella sp., làm cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu sàng lọc hoạt tính tiếp theo.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nội dung và phạm vi thực nghiệm được trình bày trong khóa luận, các hạn chế và hướng phát triển bao gồm:

• Hạn chế của nghiên cứu:
  • Thí nghiệm mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm nhỏ (lượng mol tác chất 1 mmol).
  • Thư viện cấu trúc mới tổng hợp được 3 dẫn xuất cụ thể từ hai loại aldehyde và hai loại amine, chưa khảo sát các aldehyde/amine chứa các nhóm thế hút hoặc đẩy điện tử mạnh khác (như halogen, nitro, hydroxy...).
  • Thử nghiệm sinh học mới thực hiện ở một nồng độ cố định (1 mg/ml) trên 2 chủng vi khuẩn Gram âm (E. coli và Salmonella sp.) bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch, chưa xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và chưa thử nghiệm trên các chủng vi khuẩn Gram dương hay vi nấm.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo:
  • Mở rộng tổng hợp các dẫn xuất 2-pyrrolidinone mới với đa dạng các nhóm thế trên nhân thơm để thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học (SAR).
  • Khảo sát sâu hơn hoạt tính kháng khuẩn bằng cách xác định giá trị MIC, MBC và mở rộng sang các chủng vi sinh vật gây bệnh khác.
  • Đánh giá thêm các hoạt tính sinh học tiềm năng khác như hoạt tính kháng viêm, chống oxy hóa và ức chế tế bào ung thư theo định hướng ứng dụng dược phẩm.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo thực nghiệm hữu ích cho sinh viên, học viên và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Hóa học, Sư phạm Hóa học, Hóa dược và Công nghệ Sinh học:

• Tham khảo quy trình tổng hợp hữu cơ: Cung cấp quy trình chi tiết về phản ứng MCRs một nồi điều chế dị vòng lactam, các bước tối ưu hóa thông số phản ứng (thời gian, dung môi, xúc tác, nhiệt độ) và kỹ thuật tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại.
• Tham khảo phương pháp giải phổ cấu trúc: Phần cơ sở lý thuyết và thảo luận cung cấp ví dụ mẫu về việc phân tích, kết hợp các dữ liệu phổ hồng ngoại (IR), phổ khối lượng (MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR, 13C-NMR) để biện luận cấu trúc hợp chất hữu cơ.
• Tham khảo quy trình thử nghiệm vi sinh: Mô tả cụ thể các bước chuẩn bị môi trường LB, xử lý dịch khuẩn và kỹ thuật khuếch tán giếng thạch đánh giá hoạt tính kháng khuẩn.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Phản ứng tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone trong khóa luận sử dụng những tác chất ban đầu nào?
Phản ứng nhiều thành phần (MCRs) được thực hiện từ ba hợp phần chính: một amine sơ cấp (aniline hoặc benzylamine, lượng 1 mmol), một aldehyde thơm (benzaldehyde hoặc p-tolualdehyde, lượng 1 mmol) và diethyl acetylenedicarboxylate (1 mmol), với sự tham gia của acid citric làm xúc tác trong dung môi ethanol.

2. Điều kiện tối ưu được tác giả xác định để thực hiện phản ứng tổng hợp là gì?
Điều kiện tối ưu gồm: tỷ lệ tác chất amine : aldehyde : diethyl acetylenedicarboxylate là 1 : 1 : 1 (mmol), xúc tác acid citric 2 mmol (0,42 g), tiến hành trong 2 ml dung môi ethanol ở nhiệt độ phòng, thời gian phản ứng 10 giờ (sau khi khuấy 15 phút đầu để tạo imine).

3. Ba dẫn xuất 2-pyrrolidinone cụ thể được tổng hợp trong đề tài gồm những chất nào?
Ba dẫn xuất được tổng hợp từ các cặp tiền chất tương ứng gồm:

• Dẫn xuất A: Tổng hợp từ benzaldehyde, aniline và diethyl acetylenedicarboxylate.
• Dẫn xuất B: Tổng hợp từ benzaldehyde, benzylamine và diethyl acetylenedicarboxylate.
• Dẫn xuất C: Tổng hợp từ p-tolualdehyde, aniline và diethyl acetylenedicarboxylate.

4. Khóa luận sử dụng các phương pháp phổ nghiệm nào để chứng minh cấu trúc của các hợp chất?
Cấu trúc phân tử của cả 3 dẫn xuất được xác định bằng tổ hợp 4 phương pháp phổ nghiệm: Phổ hồng ngoại (IR) xác định các liên kết và nhóm chức; Phổ khối lượng (MS) xác định tỷ số $m/z$ và khối lượng ion phân tử; Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H-NMR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân carbon (13C-NMR) xác định cấu trúc khung carbon và vị trí các proton.

5. Hoạt tính sinh học của các dẫn xuất được đánh giá trên các chủng vi sinh vật nào và bằng phương pháp gì?
Hoạt tính sinh học được đánh giá bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch (Hadacek et al., 2000) trên môi trường Luria - Bertani (LB) đặc đối với hai chủng vi khuẩn kiểm định là Escherichia coli và Salmonella sp., với mật độ vi khuẩn $5 \times 10^8$ CFU/ml, nồng độ mẫu thử 1 mg/ml pha trong dung môi dimethyl sulfoxide (DMSO), ủ ở 37°C trong 24 giờ.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Phước Thảo Nguyên đã nghiên cứu thành công quy trình điều chế các dẫn xuất 2-pyrrolidinone thông qua phản ứng nhiều thành phần (MCRs) sử dụng xúc tác acid citric và dung môi ethanol ở nhiệt độ phòng. Đề tài đã tối ưu hóa các thông số phản ứng, tổng hợp và xác định chính xác cấu trúc hóa học của ba dẫn xuất 2-pyrrolidinone bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại (IR, MS, 1H-NMR, 13C-NMR). Đồng thời, nghiên cứu đã tiến hành đánh giá thực nghiệm khả năng kháng khuẩn của các sản phẩm đối với hai chủng vi khuẩn Escherichia coli và Salmonella sp., đóng góp dữ liệu khoa học có giá trị cho việc nghiên cứu tổng hợp xanh các hợp chất dị vòng có hoạt tính sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. SƠ LƯỢC VỀ 2-PYRROLIDINONE VÀ DẪN XUẤT CỦA NÓ 1. Sơ lược về 2-pyrrolidinone 1. Cấu tạo phân tử 2-pyrrolidinone là một loại hợp chất lactam có vòng 5 cạnh với bốn nguyên tử C và một dị tố N.

- CTPT : C4H7NO - Khối lượng phân tử : 85.11 g/mol - Tên gọi IUPAC : 2-pyrrolidin - Tên gọi khác : 2-pyrrolidone hoặc 2-pyrrolidinone [5], [21] Hình 1. Cấu trúc phân tử 2-pyrrolidinone 1. Tính chất - Tỷ trọng : 1.116 g/cm3 - Nhiệt độ sôi : 245°C - Nhiệt độ nóng chảy : 25°C - Chất lỏng không màu hoặc màu vàng, có mùi nhẹ, có độ tan thấp. - Là một dung môi phân cực được sử dụng khá rộng rãi.

Điều chế Trong công nghiệp, 2-pyrrolidinone được tạo thành qua 4 giai đoạn: acetylene tác dụng với formaldehyde tạo ra 2-butyne-1,4-diol; sau đó hiđro hóa sản phẩm thu được 1,4-butanediol; chất này được chuyển thành -butyrolactone và cuối cùng phản ứng với ammonia để thu 2-pyrrolidinone [6]. Luan van 5 Ngoài ra, 2-pyrrolidinone còn có thể được điều chế bằng phản ứng hiđro hóa succinimide với sự có mặt của ammonia nhằm ổn định succinimide và ức chế các phản ứng phụ [6]. Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone Dẫn xuất của 2-pyrrolidinone là những hợp chất quan trọng được tìm thấy trong nhiều loại dược phẩm (Hình 1. Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone trong dược phẩm Luan van 6 Bảng 1.

Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone trong dược phẩm CTPT Tên IUPAC Ứng dụng Cotinine, một alkaloid có trong thuốc lá, là chất chuyển hóa chủ yếu (S)-1-methyl-5- Cotinine C10H12N2O thành nicotine [7]. Doxapram kích thích sự gia tăng 1-ethyl-4-(2- khối lượng hồng cầu và tỷ lệ hô morpholin-4- Doxapram C24H30N2O2 hấp. Doxapram hydrochloride ethyl)-3,3- (2) [23] (được tạo thành từ doxapram) là diphenylpyrrolidi chất kích thích đường hô hấp, none-2 [23] tiêm tĩnh mạch [8]. dione [26] Bên cạnh đó, một vài sản phẩm có nguồn gốc thiên nhiên chứa 2- pyrrolidinone mang hoạt tính sinh học mạnh (Hình 1.

Luan van 7 Hình 1. Một số hợp chất chứa 2-pyrrolidinone có nguồn gốc thiên nhiên Lactacystin (5) là một hợp chất hữu cơ tự nhiên được tổng hợp do vi khuẩn thuộc giống Streptomyces [10]. 2-pyrrolidinone và các dẫn xuất của nó còn có nhiều ứng dụng quan trọng khác như tác nhân chống ung thư, chất ức chế integrase, chống vi khuẩn và kháng viêm … [13]. PHẢN ỨNG NHIỀU THÀNH PHẦN 1.

Sơ lược về phản ứng nhiều thành phần Phản ứng nhiều thành phần (MCRs) đã được biết đến hơn 150 năm trước. Phản ứng đầu tiên là sự tổng hợp α-amino cyanides của Strecker vào năm 1850. Tuy nhiên, ở thời điểm này, phản ứng nhiều thành phần ít thu hút sự chú ý của các nhà hóa học. Sự phổ biến của nó chỉ tăng lên nhanh chóng từ năm 1959, sau sự xuất hiện của phản ứng bốn thành phần (giữa ketone hoặc aldehyde với amine, isocyanide và acid carboxylic để hình thành bis-amide) được thực hiện bởi Ugi và các đồng nghiệp.

Từ đây, MCRs được áp dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ, đặc Luan van 8 biệt là với những chất có hoạt tính sinh học và những phân tử có nhóm chức [14], [15], [18]. Phản ứng nhiều thành phần là loại phản ứng hóa học, trong đó ba hay nhiều chất ban đầu phản ứng với nhau để tạo thành sản phẩm. Phản ứng phụ thuộc vào các điều kiện: dung môi, nhiệt độ, chất xúc tác và nồng độ các chất ban đầu [14]. Trong quá trình này, những phân tử mục tiêu có độ chọn lọc cao sẽ được tổng hợp và tinh chế nhằm tạo các hợp chất có tính ứng dụng.

Một số thuận lợi của phản ứng nhiều thành phần là cách tiến hành thí nghiệm đơn giản, sử dụng nguyên liệu giá thành thấp, khá phổ biến và thân thiện với môi trường. Ngoài ra, phản ứng này cho phép sự thay đổi có hệ thống và có khả năng tự động hóa. Với tất cả các lý do trên, phản ứng nhiều thành phần nhanh chóng trở thành một trong những con đường tổng hợp lý tưởng trong hóa học hữu cơ và hóa dược [4], [16]. Sơ đồ minh họa phản ứng nhiều thành phần 1.

Một số phản ứng nhiều thành phần 1. Phản ứng Strecker [17] Đây là phản ứng tổng hợp amino acid từ aldehyde hoặc ketone, được tìm ra bởi nhà hóa học người Đức Adolph Strecker. Phản ứng Strecker tổng quát đầu tiên Luan van 9 Hình 1. Cơ chế phản ứng Strecker 1.

Phản ứng Ugi [18] Phản ứng Ugi là một phản ứng đa thành phần giữa aldehyde hoặc ketone với amine, isocyanide và acid carboxylic để tạo thành một bis amide. Phản ứng Ugi tổng quát Hình 1. Cơ chế phản ứng Ugi Luan van 10 1. Phản ứng Gewald [19] Đây là phản ứng giữa một ketone và α-cyanoeste với xúc tác lưu huỳnh trong môi trường base để tạo thành một 2-amino-thiophene.

Phản ứng Gewald tổng quát Hình 1. Cơ chế phản ứng Gewald Luan van 11 CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT 2. Dụng cụ - Bình cầu 25ml, bình cầu 15ml, phễu chiết, phễu lọc.

- Các pipet loại 5ml và 1ml. - Nhiệt kế, ống sinh hàn, giấy lọc. - Cốc thủy tinh 100ml, 500ml. Thiết bị - Máy khuấy từ gia nhiệt, máy cô quay chân không, máy đo nhiệt độ nóng chảy.

- Máy đo phổ NMR, IR, MS. - Cân phân tích. Hóa chất Các hóa chất của hãng Merck (Đức) được sử dụng gồm: - Benzylamine - Aniline - Diethyl acetylenedicarboxylate - Benzaldehyde - p-Tolualdehyde - Acid citric - Acid acetic - Acid formic - Ethanol - n-Hexane - Ethyl acetate - Dimethyl sulfoxide - Sodium chloride Các hóa chất Trung Quốc được sử dụng gồm: cao nấm men, peptone. Hóa chất Việt Nam: agar.

QUY TRÌNH TỔNG HỢP Hỗn hợp gồm amine (1 mmol), aldehyde (1 mmol) và acid citric (2 mmol) trong ethanol (dung môi) được cho vào bình cầu và tiến hành khuấy từ trong 15 phút. Sau đó, diethyl acetylenedicarboxylate (1 mmol) được thêm vào, khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng. Kiểm tra quá trình phản ứng bằng sắc ký bản mỏng với dung môi n-hexane : ethyl acetate = 5 : 3. Sau khi phản ứng kết thúc, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong dung môi ethanol nóng (80°C) [4].

Phản ứng tổng quát điều chế dẫn xuất 2-pyrrolidinone Hình 2. Cơ chế phản ứng tạo dẫn xuất 2-pyrrolidinone bằng MCRs [4] 2. KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG Để tìm điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp các dẫn xuất của 2- pyrrolidinone bằng phản ứng nhiều thành phần, các yếu tố như thời gian phản ứng, thể tích dung môi, nhiệt độ phản ứng, thay đổi acid sẽ được khảo sát. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng và thể tích dung môi Tiến hành thí nghiệm: aniline (0.09 ml, 1 mmol), benzaldehyde (0.10 ml, 1 mmol), acid citric (0.42 g, 2 mmol) và diethyl acetylenedicarboxylate (0.16 ml, 1 mmol) được phản ứng trong dung môi ethanol ở nhiệt độ phòng trong những khoảng thời gian và thể tích dung môi khác nhau để so sánh hiệu suất phản ứng (Bảng 2.

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng và thể tích dung môi STT Thể tích dung môi, ml Thời gian phản ứng, giờ 1 2 8 2 2 10 3 2 14 4 4 10 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng Tiến hành thí nghiệm: aniline (0.09 ml, 1 mmol), benzaldehyde (0.10 ml, 1 mmol), acid citric (0.42 g, 2 mmol) và diethyl acetylenedicarboxylate (0.16 ml, 1 mmol) được phản ứng trong 2 ml ethanol trong 10 giờ lần lượt tại nhiệt độ phòng, 40°C và 60°C. Phản ứng giữa anilin và benzaldehyde ở 60°C 2. Ảnh hưởng của độ mạnh acid Tiến hành thí nghiệm: aniline (0.09 ml, 1 mmol), benzaldehyde (0.10 ml, 1 mmol) và diethyl acetylenedicarboxylate (0.16 ml, 1 mmol) được phản ứng trong 2 ml ethanol ở nhiệt độ phòng lần lượt với acid citric, acid acetic và acid formic làm chất xúc tác.

TỔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE Sau khi đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp dẫn xuất 2- pyrrolidinone bằng phản ứng nhiều thành phần, một số dẫn xuất 2-pyrrolidinone đã được điều chế dựa vào qui trình tối ưu nhất. Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ benzaldehyde và aniline Lần lượt cho vào bình cầu 2 ml ethanol, 0.42 gam (2 mmol) acid citric và khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng. Kiểm tra quá trình tạo imine bằng sắc ký bản mỏng. Khi đã có sự hình thành imine, cho vào hỗn hợp 0.16 ml (1 mmol) diethyl acetylenedicarboxylate.

Quá trình phản ứng được kiểm tra bởi sắc ký bản mỏng với hệ dung môi n-hexane : ethylacetate = 5 : 3. Sau khi phản ứng kết thúc, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong ethanol ở 80°C [4]. Ethanol, benzaldehyde, Khuấy Kiểm tra TLC Khuấy Thêm diethyl aniline, acid citric (tạo imine) acetylenedicarboxylat e Khuấy Kết tinh lại sản phẩm Lọc sản phẩm, rửa Kết thúc phản ứng trong ethanol (80°C) bằng ethanol lạnh Cô quay Sản phẩm tinh khiết 2. Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ benzaldehyde và benzylamine Lần lượt cho vào bình cầu 2 ml ethanol, 0.42 gam (2 mmol) acid citric và khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng.

Kiểm tra quá trình tạo imine bằng sắc ký bản mỏng. Khi đã có sự hình thành imine, cho vào hỗn hợp 0.16 ml (1 mmol) diethyl acetylenedicarboxylate. Quá trình phản ứng được kiểm tra bởi sắc ký bản mỏng với hệ dung môi n-hexane : ethylacetate = 5 : 3. Sau khi phản ứng kết thúc, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong ethanol ở 80°C [4].

Luan van 15 Ethanol, benzaldehyde, Khuấy Kiểm tra TLC Khuấy Thêm diethyl benzylamine, acid citric (tạo imine) acetylenedicarboxylat e Khuấy Kết tinh lại sản phẩm Lọc sản phẩm, rửa Kết thúc phản ứng trong ethanol (80°C) bằng ethanol lạnh Cô quay Sản phẩm tinh khiết 2. Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ p-tolualdehyde và aniline Lần lượt cho vào bình cầu 2 ml ethanol, 0.42 gam (2 mmol) acid citric và khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng. Kiểm tra quá trình tạo imine bằng sắc ký bản mỏng. Khi đã có sự hình thành imine, cho vào hỗn hợp 0.16 ml (1 mmol) diethyl acetylenedicarboxylate.

Quá trình phản ứng được kiểm tra bởi sắc ký bản mỏng với hệ dung môi n-hexane : ethylacetate = 5 : 3. Sau khi phản ứng kết thúc, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong ethanol ở 80°C [4]. Ethanol, p-tolualdehyde, Khuấy Kiểm tra TLC Khuấy Thêm diethyl aniline, acid citric (tạo imine) acetylenedicarboxylat e Khuấy Kết tinh lại sản phẩm Lọc sản phẩm, rửa Kết thúc phản ứng trong ethanol (80°C) bằng ethanol lạnh Cô quay Sản phẩm tinh khiết 2. ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA CÁC DẪN XUẤT 2- PYRROLIDINONE ĐÃ TỔNG HỢP Chuẩn bị các dung dịch vi sinh: - Dịch khuẩn: hòa tan 5 gam cao nấm men, 5 gam NaCl và 10 gam peptone vào 1 lít nước cất, chuẩn độ pH = 7; sau đó cấy vi khuẩn và hoạt hóa trong 24 giờ.