phần mở đầu, do có ứng dụng rộng rãi nên các hợp chất isothioxianat được các nhà khoa học trên thế giới rất chú ý nghiên cứu. Số công trình đăng tải về lĩnh vực này rất đồ sộ và đang ngày càng tăng. Vì vậy trong tổng quan này chỉ tập trung phân tích các phương pháp điều chế chủ yếu, các tính chất vật lý - hóa học quan trọng và các ứng dụng phổ biến. Đặc điểm chung của các hợp chất isothioxianat 1.
Trạng thái tồn tại và nguồn gốc tự nhiên Isothioxianat là este của axit isothioxianic (H-NCS), một loại axit mạnh tồn tại dưới dạng khí không màu ở nhiệt độ phòng và luôn có xu hướng bị polime hóa do quá trình tự trùng hợp. Isothioxianat được xem như sản phẩm thế lưu huỳnh của isoxianat (R-NCO), là chất đồng phân với thioxianat và là chất đẳng electron như thioketen (R2C=C=S). Thông thường isothioxianat thơm và mạch thẳng là chất lỏng không màu, có mùi hăng kích thích, vị gắt đặc trưng [94]. Ở nồng độ cao, isothioxianat có tính độc với người và có thể phá huỷ nghiêm trọng thị giác.
Các ankyl- và arylisothixianat đơn giản tương đối bền, còn axyl- và sunfonylisothioxianat (R-CO-NCS; R-SO2- NCS) lại kém bền hơn do khả năng hoạt động hóa học cao ở điều kiện thường [28]. Đa phần isothioxianat tự nhiên được tách từ rễ và hạt của nhiều loại thực vật khác nhau, điển hình từ các loài cây họ cải: súp lơ, cải tím, cải xoong, củ cải…Các thực vật khác nhau có thể chứa các dẫn xuất isothioxianat khác nhau, nhưng đôi khi một loại cây có thể chứa nhiều loại dẫn xuất isothioxianat. Allyl isothioxianat là thành phần chính của dầu mù tạt tinh luyện nhận được bằng cách cất lôi cuốn hơi nước hạt cây mù tạt đen (black mustard-Brassica) hay từ rễ của cây cải ngựa (Horse Radish-Cochlearia armoracea), được sử dụng nhiều làm gia vị thực phẩm, còn ở nồng độ cao hơn được dùng làm chất bảo vệ nông sản (crop protection). Các dẫn xuất isothioxianat quan trọng khác như sunforaphan được tìm thấy trong cây súp lơ, cải bắp hay mầm của cây cải bruxen.
Phenetylisothioxianat (PEITX) được tìm thấy 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com trong cây cải xoong. Sunforaphan, PEITX và BITX đều là những hợp chất có hoạt tính chống ung thư [52, 54, 62]. Các nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học Mỹ đã chỉ ra rằng sunforaphan có trong cây súp lơ có thể giúp loại bỏ vi khuẩn có hại trong phổi. Isothioxianat độc với chính thực vật sản sinh ra nó.
Vì vậy, trong tự nhiên, isothioxianat tồn tại không phải ở dạng tự do mà dưới dạng nhóm chức trong các phân tử lớn, như glucosinolat. Ở dạng này, isothioxianat không còn độc tính nữa. Glucosinolat hay còn gọi là β-thioglucozit-N-hiđroxisunfat có mặt trong 16 họ cây hạt kín hai lá mầm, trong đó phần lớn là các loài cây có thể dùng làm thực phẩm. Glucosinolat chuyển hoá thành isothioxianat khi thực vật bị phân huỷ.
Sự phá huỷ tế bào sẽ làm sinh ra enzim myrosinase, một loại glycoprotein tồn tại song song với glucosinolat nhưng có thể phân lập dễ dàng. Enzim này tấn công vào phân tử glucosinolat để tạo thành các sản phẩm thứ cấp khác nhau. Tuỳ thuộc vào cấu tạo của glucosinolat và điều kiện tiến hành phản ứng mà sản phẩm có thể là isothioxianat, nitril hoặc thioxianat (sơ đồ 1. Cấu trúc của Isothioxianat Cấu trúc của các hợp chất isothioxianat đã nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Trong quá trình nghiên cứu, đã tồn tại nhiều quan điểm khác nhau về cấu trúc của hợp chất này. Năm 1931, Dadieu và các cộng sự dựa trên các kết quả phổ Raman đã đề xuất cấu trúc của nhóm NCS ở dạng vòng có liên kết ba như sau [18]: 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Cấu trúc này được suy ra dựa trên sự xuất hiện dải hấp thụ 2000-2200cm -1. Nhưng cấu trúc này lại trái với những khái niệm hiện đại về hoá trị của cacbon trong hợp chất hữu cơ. Trước đó vào năm 1929, Pershke và Hibben đã khẳng định nhóm isothioxianat có cấu trúc thẳng, nhưng ông lại không thể xác định được cấu trúc đó chứa hệ thống liên kết đôi kiểu allen (A) hay dạng lưỡng cực chứa liên kết ba (B) [43, 87].
Trên cơ sở nghiên cứu mômen lưỡng cực và phổ Raman của một số isothioxianat thơm, Bergmann đã kết luận isothioxianat tồn tại dưới dạng cấu trúc thẳng (B) chứ không phải dưới dạng vòng như Dadieu đề xuất [12]. Tuy nhiên, Goubeau và Gott thì lại cho rằng cấu trúc nhóm isothioxianat với hệ thống liên kết đôi kiểu alen là thích hợp hơn cả [37]. Năm 1937, Linnet và Thompson bằng việc tính toán hằng số tương tác của các liên kết riêng rẽ đã kết luận rằng cấu trúc thật của isothioxianat là tồn tại dưới 2 dạng cộng hưởng (A) và (C) [63] (sơ đồ 1.2 William phân tích phổ hồng ngoại của C6H5NCS trong vùng 650-3000cm-1 và kết luận cấu trúc (B) là thích hợp nhất [112]. Bằng việc so sánh phổ IR của thioxianat và isothioxianat, Lieber cũng cho rằng cấu trúc hợp lý nhất của isothioxianat là cấu trúc (B) [61].
Khi các aryl có nhóm hút electron mạnh (NO2), họ đã đưa ra cấu trúc lưỡng cực của isothioxianat với sự kéo dài hệ thống liên hợp tồn tại dưới dạng cộng hưởng (sơ đồ 1.3 Khi nghiên cứu phối hợp phổ tử ngoại và phổ hồng ngoại của isothioxianat béo và thơm, Svatek cùng các cộng sự cho rằng sự phân bố electron trong phân tử tạo thành lưỡng cực, phản ánh bằng công thức (B), còn việc xuất hiện dải hấp thụ trong vùng tử ngoại chứng tỏ NCS có liên kết bội ứng với cấu trúc (A) [103]. Họ giải 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com thích sự dịch chuyển dao động hóa trị của nhóm NCS từ 2100cm-1 tới 2054cm-1 trong phân tử C6H5NCS là do hiệu ứng liên hợp và vì vậy cấu trúc phù hợp là cấu trúc (C). Kết quả tính toán lý thuyết và phân tích cấu trúc bằng phương pháp X-ray chỉ ra rằng, trong phân tử isothioxianat tồn tại hệ thống liên hợp giữa các liên kết bội với các cặp e độc thân [21]. Và như vậy, phân tử isothioxianat gồm hai hệ thống electron π liên hợp trực giao nhau.
Một hệ thống πx bao gồm sự xen phủ obitan 2px của nitơ, obitan 2px của cacbon và cặp e tự do trên lưu huỳnh. Hệ thống πy bao gồm sự xen phủ obitan 2py của cacbon, obitan 3py của lưu huỳnh và cặp e tự do trên nguyên tử nitơ. Với các arylisothioxianat, cả hai hệ thống electron π của nhóm NCS đều có khả năng liên hợp với hệ thống electron π của vòng thơm. Các tính toán cho thấy góc liên kết C-N-C nhỏ hơn 1800 nên hệ thống electron πx của nhóm NCS có khả năng liên hợp cao hơn [21] (hình 1.
Mô tả về sự liên hợp trong phân tử C6H5NCS Như vậy trên cơ sở các kết quả nghiên cứu cấu trúc của nhóm NCS, có thể kết luận rằng nhóm NCS tồn tại dưới 3 dạng công thức cộng hưởng sau: Sơ đồ 1.4 Cấu trúc thực của nhóm NCS sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của toàn bộ phân tử cũng như dung môi, điều kiện phản ứng mà hợp chất isothioxianat tham gia. Cấu trúc 3 được ưu tiên khi trong phân tử chứa nhóm đẩy electron còn cấu trúc 1 chiếm ưu thế khi trong phân tử chứa nhóm hút electron. Sự phân bố mật độ electron π trong nhóm NCS được đặc trưng bởi điện tích âm của nguyên tử S và nguyên tử N, còn điện tích dương ở nguyên tử Cacbon. Vì vậy hai loại phản ứng điển hình của nhóm NCS là phản ứng cộng nucleophin vào nguyên tử cacbon và phản ứng cộng đóng vòng ở liên kết đôi C=N hoặc C=S.
6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Các phương pháp chủ yếu tổng hợp isothioxianat 1. Điều chế Isothioxianat từ thioxianat Đây là một trong những phương pháp kinh điển để điều chế hợp chất isothioxianat. Các dẫn xuất halogen hữu cơ (R-X) tham gia phản ứng thế nucleophin với muối của axit thiocyanic tạo thành thioxianat, sau đó đồng phân hóa thành isothioxianat [25, 94] (sơ đồ 1.5 R X R SCN R NCS SCN (1) (2) Phụ thuộc vào bản chất và độ hoạt động hóa học cũng như điều kiện tiến hành phản ứng, các ankyl và arankyl halogen khi tác dụng với muối amoni, chì hoặc muối thioxianat của kim loại kiềm thường tạo thành hỗn hợp thioxianat và isothioxianat.
Tuy nhiên, vì độ bền nhiệt cao hơn nên việc điều chế isothioxianat (2) tương đối đơn giản bằng cách đun nóng thioxianat (1) ở nhiệt độ cao, đặc biệt trong sự có mặt của cadmium iotdua, kẽm clorua hoặc axit mạnh [21]. Hợp chất 9- cloacriđin phản ứng với muối bạc hoặc chì thioxianat trong dung môi phân cực tạo thành acridinthioxianat, nhưng khi phản ứng với muối kali thioxianat trong dung môi DMF lại tạo thành dẫn xuất acridyl isothioxianat với hiệu suất cao (sơ đồ 1.6 Cl NCS KSCN R R N DMF N Khi đun hồi lưu benzyl halogenua thế với kali thioxianat trong dung môi 1,2- điclobenzen với sự có mặt của crown ete vòng (18-Crown-6) sẽ thu được sản phẩm benzyl isothioxinat [77]. Hợp chất này cũng có thể được điều chế từ phản ứng đồng phân hóa dẫn xuất benzyl thioxinat tương ứng trong dung môi DMSO hoặc DMF, có mặt NaI [105] (sơ đồ 1.7 CH2SCN NaI CH2NCS R R DMF 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Bằng cách đun với muối thioxianat kim loại axyl và aroyl halogenua sẽ chuyển hóa thành isothioxianat tương ứng. Ví dụ, 3-thionyl-, 2-furanoyl- và nicotinoyl isothioxianat được điều chế với hiệu suất trung bình khi cho các dẫn xuất halogenua tương ứng tác dụng với muối chì thioxianat [98].
Tương tự, 2-Oxo-3- imidazolin-1-cacbonyl clorua, phản ứng với ammoni thioxianat lại tạo thành (2-oxo- imidazolinyl)cacbonyl isothioxianat [21] (sơ đồ 1.8 NH NH O axeton N O N SCN O Cl NH4 O NCS Quá trình đồng phân hoá giữa hợp chất thioxianat và isothioxianat có thể được thực hiện theo nhiều cơ chế khác nhau [30, 88]. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu động học, tác giả [29] đã chỉ ra rằng trong dung môi phân cực và cấu trúc không gian nguyên tử cacbon thích hợp, phản ứng xảy ra theo cơ chế thế SN2. Theo tác giả [29], nguyên tử cacbon α của 1 phân tử thioxianat sẽ tạo liên kết với nguyên tử Nitơ của phân tử thioxianat khác, sau đó là quá trình thế nucleophin của ion thioxianat để tạo thành isothioxianat (sơ đồ 1. R-CH2 S C N CH2 S C N R-CH 2 S C N CH2R + SCN R NCS CH2R NCS CH2 S C N CH2R + R S C N CH2R 1.
Điều chế isothioxianat từ phản ứng của amin và thiophotgen 1. Từ amin bậc một và thiophotgen Đầu tiên amin bậc 1 phản ứng với thiophotgen tạo thành thiocacbamoyl kém bền, sau đó chuyển hóa ngay thành isothioxianat [25, 94] (sơ đồ 1.10 Bằng phương pháp này tác giả [21] đã điều chế thành công 350 dẫn xuất isothioxianat khác nhau.