Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khung cấu trúc diaryl ether ($Ar\text{-}O\text{-}Ar$) hiện diện phổ biến trong nhiều hợp chất tự nhiên và hoạt chất có dược tính cao như kháng sinh vancomycin, hormone tuyến giáp (thyroxine), cũng như các hoạt chất chống ung thư, kháng lao và diệt khuẩn đa kháng thuốc. Song song đó, liên kết amide đóng vai trò cốt lõi trong hóa dược và sinh học phân tử, xuất hiện trong các loại thuốc hạ huyết áp (aliskiren), thuốc gây tê (ropivacain), thuốc ức chế virus HIV-1 (raltegravir) và các tác nhân kháng tế bào ung thư. Ngoài ra, dị vòng pyrimidine là một trong những hệ dị vòng sáu cạnh được quan tâm nghiên cứu nhờ hoạt tính sinh học phong phú, bao gồm khả năng ức chế tế bào ung thư biểu mô gan (BEL-7402), ung thư vú (MCF-7), chống lại vi khuẩn kháng thuốc (MRSA, MRSE) và kháng khuẩn lao (Mycobacterium tuberculosis).

Nhận thấy các cấu trúc lai tích hợp đồng thời khung diaryl ether, dị vòng pyrimidine và cầu nối amide còn ít được công bố, đề tài "Nghiên cứu hợp chất diaryl ether mang vòng pyrimidine" (với tên chi tiết trong nội dung là "Tổng hợp một số dẫn xuất amide mới có chứa diarylether mang vòng pyrimidine") được thực hiện nhằm định hướng tạo ra các phân tử lai có hoạt tính sinh học tiềm năng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Tổng hợp thành công hợp chất trung gian diaryl ether có tên 3-methoxy-4-(pyrimidin-2-yloxy)benzoic acid ($K_1$) thông qua phản ứng thế ái nhân thơm ($S_NAr$) giữa vanillic acid và 2-chloropyrimidine.
  2. Tổng hợp dãy 8 dẫn xuất amide mới ($PT_1$ đến $PT_8$) thông qua phản ứng ghép cặp amide giữa hợp chất trung gian $K_1$ với các amine thơm và amine dị vòng.
  3. Xác định cấu trúc hóa học của các hợp chất tổng hợp được bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$) và phổ khối lượng phân giải cao (HRMS).
  4. Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn in vitro của các dẫn xuất amide đã tổng hợp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hợp chất diaryl ether chứa dị vòng pyrimidine $K_1$, dãy 8 dẫn xuất amide ($PT_1$ - $PT_8$) và phản ứng ghép cặp tạo liên kết amide.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm tổng hợp hữu cơ, tinh chế bằng sắc ký cột/kết tinh lại, phân tích dữ liệu phổ tại phòng thí nghiệm Tổng hợp hữu cơ M305 (Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh) và đánh giá sơ bộ hoạt tính kháng khuẩn tại Khoa Sinh học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh trong năm học 2023 - 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết tổng hợp hữu cơ hiện đại về phản ứng tạo liên kết ether bất đối xứng và phản ứng ghép cặp tạo liên kết peptide/amide:

  • Phản ứng thế ái nhân thơm ($S_NAr$): Sử dụng tương tác giữa dẫn xuất phenol hoạt hóa (vanillic acid) và dị vòng khuyết electron (2-chloropyrimidine) trong môi trường base vô cơ ($K_2CO_3$) và dung môi phân cực không proton (DMSO) ở nhiệt độ cao.
  • Phản ứng ghép cặp amide hóa: Hoạt hóa nhóm carboxylic acid tự do trên hợp chất $K_1$ bằng tác nhân ghép cặp uronium $O\text{-(Benzotriazol-1-yl)-}N,N,N',N'\text{-tetramethyluronium tetrafluoroborate}$ (TBTU) kết hợp base hữu cơ triethylamine ($Et_3N$) trong dung môi $N,N\text{-dimethylformamide}$ (DMF), tạo điều kiện cho phản ứng ái nhân của nhóm amine xảy ra êm dịu ở $90\ ^\circ\text{C}$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thu thập dữ liệu cấu trúc:

  • Phương pháp tổng hợp và tinh chế: Phản ứng được kiểm tra tiến trình bằng sắc ký lớp mỏng (TLC). Sản phẩm được phân lập bằng phương pháp chiết lỏng - lỏng, làm khan bằng $Na_2SO_4$, cô quay loại dung môi và tinh chế bằng sắc ký cột silica gel hoặc kết tinh lại trong dung môi thích hợp.
  • Phương pháp xác định cấu trúc:
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H-NMR}$ (500 MHz) và $^{13}\text{C-NMR}$ (125 MHz) đo trên máy Bruker Avance III, sử dụng dung môi $DMSO\text{-}d_6$ tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
    • Phổ khối lượng phân giải cao (HRMS) ghi trên hệ thống LCMS-IT-TOP (Shimadzu) bằng phương pháp ion hóa phun bụi điện tử (ESI) tại Viện Kiểm nghiệm thuốc TP. Hồ Chí Minh.
    • Tra cứu cấu trúc mới trên cơ sở dữ liệu hóa học chuyên ngành SciFinder.
  • Phương pháp thử nghiệm sinh học: Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn in vitro của các dẫn xuất thu được trên các chủng vi sinh vật thử nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa các tư liệu nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến 3 mảng kiến thức nền tảng:

  • Hợp chất diaryl ether: Tổng quan về nguồn gốc tự nhiên, vai trò sinh học (chống sốt rét, ung thư, ức chế enzyme carbonic anhydrase hCA I và II) và các phương pháp tổng hợp từ phản ứng Ullmann cổ điển (xúc tác đồng ở $125 - 300\ ^\circ\text{C}$) đến các cải tiến O-aryl hóa hiện đại sử dụng phối tử picolinic acid hoặc xúc tác muối đồng/boronic acid của Evans, Chan và Lam.
  • Hợp chất dị vòng pyrimidine: Trình bày hoạt tính kháng virus HIV-1, chống nấm, kháng khuẩn chống lại các chủng kháng thuốc như MRSA, MRSE, hoạt tính kháng lao của các dẫn xuất pyrimidine và dihydropyrazolopyrimidine qua phản ứng đa thành phần Biginelli, cùng các xu hướng tổng hợp xanh sử dụng chất lỏng ion ở nhiệt độ phòng (RTILs như DIPEAc).
  • Tổng hợp các hợp chất amide: Giới thiệu các phương pháp hình thành liên kết amide kinh điển (từ acyl chloride, anhydride acid, ester) và các phương pháp hiện đại (xúc tác enzyme CALB, nitrile hydratase NHase, xúc tác cobalt carbonyl dưới ánh sáng, hoặc sử dụng tác nhân ghép cặp peptide TBTU).

Chương 2: Thực nghiệm

Chương thực nghiệm mô tả chi tiết nguồn gốc hóa chất, thiết bị đo đạc và quy trình tổng hợp từng chất:

  • Tổng hợp trung gian $K_1$ (3-methoxy-4-(pyrimidin-2-yloxy)benzoic acid): Hòa tan vanillic acid (504 mg, 3 mmol, 1.0 eq) trong 3 mL DMSO, khuấy từ ở nhiệt độ phòng đến khi hỗn hợp chuyển sang màu xanh rêu. Thêm 2-chloropyrimidine (678 mg, 6 mmol, 2.0 eq) và $K_2CO_3$, khuấy ở $120\ ^\circ\text{C}$ trong 20 giờ. Hỗn hợp sau phản ứng được pha loãng bằng 300 mL nước, chiết với ethyl acetate để loại tạp chất kém phân cực, acid hóa pha nước bằng dung dịch $HCl$ đậm đặc rồi chiết lấy sản phẩm bằng dichloromethane (DCM, $30\text{ mL} \times 5$). Tinh chế bằng cách kết tinh lại trong ethanol, thu được 656 mg sản phẩm $K_1$ (hiệu suất 89%).
  • Quy trình tổng hợp dãy amide $PT_1$ đến $PT_8$: Hỗn hợp gồm $K_1$ (49.0 mg, 1.0 eq), dẫn xuất amine tương ứng (1.0 eq) và 1 mL DMF được khuấy 15 phút ở nhiệt độ phòng; sau đó bổ sung tác nhân TBTU và $Et_3N$ (0.2 mL), nâng nhiệt độ lên $90\ ^\circ\text{C}$ và khuấy trong 2 giờ. Sau khi xử lý chiết loại dung môi và DMF bằng nước, sản phẩm thô được tinh chế qua cột sắc ký silica gel với các hệ dung môi giải ly chuyên biệt.
Mã hợp chất Tác nhân amine phản ứng Tỷ lệ dung môi giải ly sắc ký cột Khối lượng thu được (mg) Hiệu suất (%)
$PT_1$ 4-Chloroaniline DCM : Ethanol = 5 : 0.02 — 64%
$PT_2$ 2-Chloroaniline n-Hexane : DCM = 1 : 9 — 32%
$PT_3$ 3-Chloroaniline n-Hexane : DCM = 1 : 7 11.3 mg 16%
$PT_4$ Aniline DCM : Ethanol = 7 : 0.02 38.3 mg 60%
$PT_5$ 3-Bromoaniline DCM : Ethanol = 7 : 0.02 24.0 mg 30%
$PT_6$ 4-Bromoaniline DCM : Ethanol = 7 : 0.02 20.2 mg 25%
$PT_7$ 4-Fluoroaniline n-Hexane : Ethyl Acetate = 1 : 1 33.0 mg 49%
$PT_8$ Pyridin-2-amine DCM : Ethanol = 7 : 0.02 22.0 mg 34%

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tập trung phân tích cơ chế phản ứng, dữ liệu phổ học và kết quả kiểm tra sinh học:

  • Cơ chế phản ứng tạo $K_1$ và $PT_1\text{-}PT_8$: Phản ứng tạo $K_1$ diễn ra theo cơ chế $S_NAr$, trong đó ion phenolate sinh ra từ vanillic acid tấn công vào vị trí C-2 thiếu hụt electron của vòng pyrimidine, loại nhóm xuất $Cl^-$. Trong phản ứng tổng hợp amide, $K_1$ phản ứng với TBTU dưới sự hỗ trợ của $Et_3N$ tạo thành phức hoạt hóa ester benzotriazole trung gian, sau đó phân tử amine tấn công ái nhân vào carbon carbonyl để hình thành liên kết amide bền vững.
  • Biện luận phổ xác định cấu trúc:
    • Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của $PT_1$, xuất hiện mũi đơn đặc trưng của proton nhóm amide ($-NH\text{-}$) tại độ dịch chuyển hóa học $\delta = 10.38\text{ ppm}$ (1H, s), chứng minh liên kết amide đã hình thành. Nhóm methoxy ($-OCH_3$) cho mũi đơn tại $\delta = 3.78\text{ ppm}$ (3H, s). Tín hiệu các proton trên vòng pyrimidine xuất hiện tại vùng từ trường thấp $\delta = 8.65\text{ ppm}$. Các proton trên khung thơm vanillic thể hiện rõ: proton $H_1$ cho mũi doublet tại $\delta = 7.65\text{ ppm}$ ($J = 2.0\text{ Hz}$); proton $H_2$ cho mũi doublet of doublets tại $\delta = 7.61\text{ ppm}$ ($J = 8.0\text{ Hz}$); proton $H_3$ cho mũi doublet tại $\delta = 7.36\text{ ppm}$ ($J = 8.0\text{ Hz}$).
    • Phổ $^{13}\text{C-NMR}$ của $PT_1$ xuất hiện đầy đủ 15 tín hiệu carbon, trong đó có tín hiệu carbon carbonyl amide tại $\delta = 165.2\text{ ppm}$.
    • Phổ HRMS của $PT_1$ cho pic ion cộng kết $[M+Na]^+$ tại giá trị $m/z = 378.0622$ (tính toán lý thuyết cho $[C_{18}H_{14}N_3O_3ClNa]^+$ là 378.0616), hoàn toàn trùng khớp với công thức phân tử dự kiến.
    • Các hợp chất $PT_2$ đến $PT_8$ đều được biện luận cấu trúc tương tự, cho các giá trị HRMS ion hóa dạng $[M+H]^+$ hoặc $[M+Na]^+$ khớp với tính toán lý thuyết.
  • Đánh giá hoạt tính sinh học: Kết quả thử nghiệm sàng lọc hoạt tính kháng khuẩn của 8 hợp chất tại Khoa Sinh học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM cho thấy các chất $PT_1\text{-}PT_8$ không thể hiện hoạt tính kháng khuẩn đối với các chủng vi sinh vật được khảo nghiệm.

Chương 4: Kết luận - Kiến nghị

Tóm tắt các kết quả đạt được về mặt thực nghiệm tổng hợp, khẳng định tính mới của 8 dẫn xuất qua tra cứu SciFinder và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện quy trình và mở rộng phạm vi thử nghiệm sinh học.


Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tổng hợp thực nghiệm:
    • Đã tổng hợp thành công hợp chất trung gian diaryl ether $K_1$ với hiệu suất cao đạt 89% (656 mg) từ phản ứng giữa vanillic acid và 2-chloropyrimidine.
    • Đã thực hiện thành công phản ứng ghép cặp amide bằng tác nhân TBTU, điều chế và tinh chế hoàn chỉnh 8 dẫn xuất amide mới ($PT_1$ đến $PT_8$) với hiệu suất dao động từ 16% đến 64%. Trong đó, dẫn xuất $PT_1$ (gắn nhóm 4-chloroaniline) đạt hiệu suất cao nhất (64%), tiếp đến là $PT_4$ (aniline, 60%) và $PT_7$ (4-fluoroaniline, 49%).
  • Đóng góp khoa học:
    • Kết quả tra cứu trên cơ sở dữ liệu chuyên ngành SciFinder xác nhận cả 8 hợp chất amide ($PT_1$ - $PT_8$) đều là các cấu trúc hóa học mới, chưa từng được tổng hợp hay công bố trước đó trong tài liệu khoa học.
    • Cung cấp dữ liệu phổ nghiệm chi tiết ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, HRMS) của 8 chất mới, bổ sung dữ liệu thực nghiệm cho lĩnh vực hóa học các hợp chất dị vòng và dẫn xuất diaryl ether.
    • Đã bước đầu đánh giá hoạt tính kháng khuẩn in vitro của toàn bộ dãy chất tổng hợp được.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã thẳng thắn chỉ ra các hạn chế và đề xuất các hướng mở rộng:

  • Hạn chế:
    • Hiệu suất tổng hợp của một số dẫn xuất còn ở mức thấp (như $PT_3$ chỉ đạt 16%, $PT_6$ đạt 25%), do điều kiện phản ứng chưa được tối ưu hóa riêng biệt cho từng loại amine có hiệu ứng lập thể hoặc điện tử khác nhau.
    • Toàn bộ 8 hợp chất tổng hợp chưa thể hiện hoạt tính kháng khuẩn trong thử nghiệm sơ bộ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Tối ưu hóa các điều kiện phản ứng ghép cặp amide (nhiệt độ, tỷ lệ tác nhân TBTU/base, thời gian phản ứng, dung môi) để nâng cao hiệu suất phản ứng.
    • Mở rộng phản ứng ghép cặp với các cấu tử amine đa dạng khác nhằm tạo thêm các dẫn xuất mới mang tiềm năng dược tính cao hơn.
    • Khảo sát mở rộng các hoạt tính sinh học khác như kháng viêm, kháng nấm và thử nghiệm khả năng gây độc tế bào (kháng ung thư) trên các dòng tế bào ung thư khác nhau.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dược và Sư phạm Hóa học khi thực hiện các đề tài liên quan đến tổng hợp diaryl ether, dị vòng pyrimidine hoặc phản ứng ghép cặp tạo liên kết amide bằng tác nhân TBTU.
  • Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng thế ái nhân thơm $S_NAr$ trên dị vòng chloro-pyrimidine, kỹ thuật xử lý phân lập sản phẩm acid hữu cơ bằng chiết thay đổi pH, và điều kiện chạy sắc ký cột tinh chế các hợp chất hữu cơ phân cực.
  • Cung cấp bộ dữ liệu quy kết phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$, $^{13}\text{C}$) và khối phổ phân giải cao chuẩn xác của dãy hợp chất diaryl ether mang dị vòng pyrimidine.

Câu hỏi thường gặp

1. Hợp chất trung gian $K_1$ được tổng hợp từ những tiền chất nào và đạt hiệu suất bao nhiêu?
Hợp chất $K_1$ (3-methoxy-4-(pyrimidin-2-yloxy)benzoic acid) được tổng hợp từ phản ứng $S_NAr$ giữa vanillic acid (504 mg, 3 mmol, 1.0 eq) và 2-chloropyrimidine (678 mg, 6 mmol, 2.0 eq) với xúc tác $K_2CO_3$ trong dung môi DMSO ở $120\ ^\circ\text{C}$ trong 20 giờ, đạt hiệu suất 89% (khối lượng thu được 656 mg).

2. Tác nhân nào được sử dụng để hoạt hóa phản ứng ghép cặp tạo liên kết amide cho dãy chất $PT_1\text{-}PT_8$?
Phản ứng ghép cặp amide sử dụng tác nhân ghép cặp uronium là TBTU ($O\text{-(Benzotriazol-1-yl)-}N,N,N',N'\text{-tetramethyluronium tetrafluoroborate}$) cùng base triethylamine ($Et_3N$) trong dung môi DMF ở nhiệt độ $90\ ^\circ\text{C}$ trong thời gian 2 giờ.

3. Trong số các dẫn xuất amide được tổng hợp, hợp chất nào đạt hiệu suất cao nhất và thấp nhất?
Hợp chất đạt hiệu suất cao nhất là $PT_1$ (mang nhóm thế 4-chloroaniline) với hiệu suất 64%. Hợp chất có hiệu suất thấp nhất là $PT_3$ (mang nhóm thế 3-chloroaniline) với hiệu suất 16% (thu được 11.3 mg).

4. Dấu hiệu đặc trưng nào trên phổ $^1\text{H-NMR}$ chứng minh liên kết amide của hợp chất $PT_1$ đã được hình thành?
Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của $PT_1$, sự xuất hiện của mũi đơn (singlet) có cường độ 1H tại độ dịch chuyển hóa học $\delta = 10.38\text{ ppm}$ tương ứng với proton của liên kết amide ($-NH\text{-CO-}$), cùng sự có mặt của carbon carbonyl amide tại $\delta = 165.2\text{ ppm}$ trên phổ $^{13}\text{C-NMR}$.

5. Kết quả thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của các hợp chất $PT_1$ đến $PT_8$ như thế nào?
Toàn bộ 8 dẫn xuất amide ($PT_1\text{-}PT_8$) đã được gửi thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn tại Khoa Sinh học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM, và kết quả ghi nhận các hợp chất này không thể hiện hoạt tính kháng khuẩn đối với các chủng vi sinh vật được thử nghiệm.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu tổng hợp thành công hợp chất diaryl ether trung gian $K_1$ với hiệu suất 89% và dãy 8 dẫn xuất amide mới chứa dị vòng pyrimidine ($PT_1\text{-}PT_8$) bằng tác nhân ghép cặp TBTU. Cấu trúc của tất cả các sản phẩm đều được xác định rõ ràng, chuẩn xác thông qua các phương pháp phổ nghiệm $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$ và HRMS, đồng thời tính mới của cả 8 phân tử đã được xác thực qua cơ sở dữ liệu SciFinder. Mặc dù các hợp chất chưa thể hiện hoạt tính kháng khuẩn trong thử nghiệm sơ bộ, công trình đã đóng góp dữ liệu thực nghiệm giá trị cho hóa học tổng hợp hữu cơ và đặt nền tảng cho các nghiên cứu tối ưu hóa quy trình cũng như mở rộng đánh giá các hoạt tính sinh học khác trong tương lai.