Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ thuộc chuyên ngành Hóa hữu cơ, tập trung vào lĩnh vực hóa học tổng hợp các hợp chất dị vòng và khảo sát tính chất ứng dụng của chúng. Các hợp chất azometin (bazơ Schiff) từ lâu đã thu hút sự chú ý trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng nhờ khả năng phản ứng phong phú, đóng vai trò là chất trung gian trong các quá trình tổng hợp hữu cơ, hóa sinh, cũng như thể hiện nhiều hoạt tính sinh học và khả năng ức chế ăn mòn kim loại trong môi trường xâm thực. Mặc dù nhiều công trình khoa học đã công bố về các azometin chứa nhân thơm hoặc các hệ dị vòng khác, hướng nghiên cứu tổng hợp và chuyển hóa các azometin gắn với dị vòng indol—đặc biệt là các dẫn xuất indol có nhóm thế tại vị trí 1, 2 và chứa nhóm thế amino ở vị trí số 5—vẫn còn ít được đề cập trong y văn. Luận án được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu này thông qua việc thiết lập quy trình tổng hợp đồng bộ từ các amin thơm dị vòng indol, chuyển hóa cấu trúc thành các dẫn xuất dị vòng và cơ photpho mới, đồng thời đánh giá hoạt tính thực nghiệm của sản phẩm tạo thành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Tổng hợp các amin dị vòng indol thế làm nguyên liệu ban đầu, bao gồm: 5-amino-2-phenylindol, 5-amino-1-metyl-2-phenylindol và 5-amino-1,2-dimetylindol.
  2. Tổng hợp các dãy hợp chất azometin mới đi từ các 5-aminoindol thế nói trên với các andehit thơm và dị vòng khác nhau.
  3. Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và tính chất phổ (IR, UV-Vis, 1D/2D-NMR, MS) của các azometin đã tổng hợp, khảo sát mối tương quan giữa tham số phổ với bản chất nhóm thế.
  4. Nghiên cứu phản ứng chuyển hóa các azometin thành các dẫn xuất mới của vòng thiazolidin-4-on và các hợp chất $\alpha$-aminophotphonat tương ứng.
  5. Khảo sát hoạt tính ức chế ăn mòn thép Ct-3 trong môi trường axit HCl 2M cùng hoạt tính kháng vi sinh vật (kháng khuẩn, kháng nấm) in vitro của các hợp chất azometin tổng hợp được.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các hệ chất hữu cơ dị vòng mới thuộc các dãy: azometin chứa khung 5-aminoindol thế, dẫn xuất 1,3-thiazolidin-4-on và $\alpha$-aminophotphonat mang hợp phần indol; đối tượng thử nghiệm ứng dụng gồm vật liệu thép xây dựng Ct-3 và 8 chủng vi sinh vật kiểm chuẩn. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm hóa học hữu cơ và sinh học; phạm vi nồng độ khảo sát khả năng ức chế ăn mòn kim loại là từ $10^{-6}$ đến $10^{-3}$ mol/l trong dung dịch HCl 2M tại các mốc thời gian 24 giờ và 48 giờ; phạm vi thử nghiệm hoạt tính sinh học được giới hạn ở việc xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) trên phiến vi lượng 96 giếng đối với các chủng vi khuẩn gram âm, vi khuẩn gram dương, nấm men và nấm mốc.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả hệ thống hóa các con đường tổng hợp liên kết azometin (-CH=N-) đã được công bố trong tài liệu khoa học, bao gồm:

  • Phản ứng khử hóa các amit thế qua trung gian iminclorua bằng $\text{SnCl}_2$ và $\text{PCl}_5$, cho hiệu suất từ 62% đến 70% nhưng bị hạn chế do tính chọn lọc thấp và sản phẩm trung gian dễ bị thủy phân.
  • Sử dụng các hợp chất thơm có nhóm metyl hoạt động thế vào liên kết –N=N– trong hợp chất azo ở nhiệt độ cao.
  • Phản ứng giữa hợp chất thơm mang nhóm metylen hoạt động với hợp chất nitrozo trong môi trường $\text{Na}_2\text{CO}_3$.
  • Phản ứng khử ngưng tụ giữa andehit thơm và hợp chất nitro thơm trong khí quyển CO (150 atm, 230 °C) với sự có mặt của xúc tác phức $\text{PdCl}_2$-pyridin và hệ $\text{Fe}_2\text{Mo}2\text{O}{24}$, đạt hiệu suất khoảng 71%.
  • Ngưng tụ hợp chất nitro béo hoặc thơm béo với nitrozoaren khi có mặt chất xúc tác kiềm như $\text{NaOH}$ hoặc $\text{NaCN}$.
  • Phản ứng giữa nitrozoaren với các $\alpha$-hetarylaxetonitrin trong môi trường kiềm (hiệu suất 50–80%) hoặc đi từ dị vòng chứa nitơ có nhóm metyl hoạt động (hiệu suất 50–70%).
  • Phản ứng ngưng tụ trực tiếp giữa amin bậc một và hợp chất cacbonyl (andehit hoặc xeton), được xác định là phương pháp phổ biến và tối ưu nhất đối với các hệ thơm hoàn toàn.

Về phản ứng tạo vòng thiazolidin-4-on từ azometin và axit $\alpha$-thiolcacboxylic (axit thioglicolic), luận án điểm lại các mô hình cơ chế lịch sử: mô hình của Brawn (1961) giả định sự phân ly của nhóm -SH tạo anion thionic tấn công nucleophin vào nguyên tử cacbon azometin; mô hình của Lipkin (1977) đề xuất proton hóa trước tại nguyên tử nitơ azometin tạo cacbocation; và cơ chế do Đặng Như Tại cùng Trần Thạch Văn đề xuất năm 1985, chứng minh phản ứng khởi đầu bằng sự tấn công trực tiếp của nguyên tử lưu huỳnh nhóm -SH vào cacbon azometin, trải qua trạng thái chuyển tiếp tạo phức hoạt động dạng vòng hoặc lưỡng cực trước khi đóng vòng tách nước. Đối với các hợp chất $\alpha$-aminophotphonat, tài liệu điểm lại phản ứng cộng hợp của bazơ Schiff với este của axit photphoric (diankyl và trialkyl photphit) và phản ứng ba cấu tử Kabachnik - Fields giữa hợp chất cacbonyl, amin và hợp chất hydrophotphoryl.

Về khả năng ức chế ăn mòn kim loại, tác giả tổng thuật các nghiên cứu thực nghiệm: công trình năm 1986 thử nghiệm N-(2-mecapto-phenyl)salixylidenimin (BSS) bảo vệ đồng trong dung dịch NaCl 0,1M tuân theo đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir; công trình thử nghiệm 7 azometin dãy anilin cho thép cacbon thấp trong dung dịch HCl 16M; nghiên cứu của Aben-El-Wafa và H. Moustafa trên đồng thau 70/30; nghiên cứu của Gaber về phức chất azometin với Co(II), Ni(II), Cu(II) trong dung dịch $\text{HNO}_3$ 0,3M; công trình của Quaraishi và cộng sự trên thép cacbon thấp trong môi trường HCl và $\text{H}_2\text{SO}_4$ 1N; khảo sát của các nhà khoa học thuộc Viện Kiến trúc và Xây dựng Ucraina trên 31 dẫn xuất thế của benzylidenanilin; nghiên cứu của Li và cộng sự trên đồng trong môi trường clorua; cùng nghiên cứu về khả năng ức chế ăn mòn nhôm của azometin dãy 5-amino-1,2-dimetylindol và dãy 5-aminobenzothiazol với hiệu quả đạt trên 94% ở nồng độ $10^{-5}$ M.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là sự thiếu vắng các khảo sát mang tính hệ thống về phương pháp tổng hợp, hành vi phổ học, khả năng chuyển hóa hóa học và hoạt tính thực nghiệm của các azometin kết hợp đồng thời cấu trúc dị vòng indol thế với các nhân thơm và dị vòng khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết về hiệu ứng điện tử và sự phân cực liên kết: do độ âm điện chênh lệch giữa cacbon và nitơ, liên kết -CH=N- luôn phân cực về phía nitơ, hình thành hai trung tâm phản ứng gồm trung tâm nucleophin trên nguyên tử nitơ và trung tâm electrophin trên nguyên tử cacbon. Quá trình tạo thành azometin chịu ảnh hưởng của pH môi trường và bản chất nhóm thế: nhóm hút electron trên nhân thơm andehit làm tăng tốc độ tấn công nucleophin của amin vào nhóm cacbonyl nhưng làm giảm tốc độ của giai đoạn dehydrat hóa tách nước; ngược lại, nhóm đẩy electron thúc đẩy giai đoạn tách nước nhưng làm giảm tốc độ cộng hợp ban đầu. Sự phụ thuộc của độ chuyển dịch hóa học và mật độ electron được đánh giá qua phương trình tương quan tuyến tính Hammett với hằng số nhóm thế $\sigma$. Phản ứng chuyển hóa sang thiazolidin-4-on và $\alpha$-aminophotphonat dựa trên cơ sở lý thuyết cộng nucleophin vào liên kết đôi $\text{C}=\text{N}$ dị cực.

Các phương pháp thực nghiệm được triển khai đồng bộ:

  • Phương pháp tổng hợp và tinh chế: Đo nhiệt độ nóng chảy trên máy Bamstead Electrothermal 9100 với tốc độ gia nhiệt 0,1 °C/phút; kiểm tra độ tinh khiết bằng sắc ký lớp mỏng (TLC) trên bản nhôm tráng silicagel $60\text{ F}_{254}$ (Merck), phát hiện vết bằng thuốc thử Dragendorff; tinh chế bằng phương pháp kết tinh lại trong hệ dung môi phân cực thích hợp hoặc sắc ký cột sử dụng silicagel 60 cỡ hạt 0,015–0,040 mm (Merck).

  • Phương pháp phổ phân tích cấu trúc:

    • Phổ hồng ngoại (FT-IR): ghi trên máy Biorad FTS 6000 (Mỹ) với độ phân giải 2 hoặc 4 $\text{cm}^{-1}$, đo truyền qua trên viên ép KBr chuẩn bị ở áp suất 600 psi trong 5 phút; hoặc ghi trên máy Shimadzu FTIR-8400S (Nhật Bản) bằng phương pháp đo phản xạ mẫu bột mịn với KBr.
    • Phổ khối lượng (MS): ghi trên máy MS-Engine 5989 HP (Mỹ) trong dung môi $\text{CHCl}_3$; hoặc máy sắc ký lỏng - khối phổ (LC-MS) 1100 LC-MSD Trap-SL của hãng Agilent Technologies (Mỹ).
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-, $^{13}\text{C}$-, $^{31}\text{P}$-NMR và phổ 2D: HMBC, HSQC, COSY): ghi trên thiết bị Bruker AVANCE Spectrometer ở các tần số tương ứng là 500,13 MHz ($^1\text{H}$), 125,77 MHz ($^{13}\text{C}$) và 202,45 MHz ($^{31}\text{P}$) trong dung môi $\text{DMSO-d}_6$ hoặc $\text{metanol-d}_4$, sử dụng chất chuẩn nội tetrametylsilan (TMS).

  • Phương pháp thử nghiệm ức chế ăn mòn kim loại:

    • Mẫu thử: tấm thép Ct-3 kích thước $69 \times 33 \times 2\text{ mm}$, có lỗ treo đường kính 2 mm cách mép trên 5 mm. Thành phần thép gồm: 0,15% C; 0,42% Mn; 0,037% S; 0,024% P; còn lại là Fe.
    • Chuẩn bị bề mặt: mài sạch gỉ, đánh bóng bằng giấy ráp số 400, 800 và 1200; rửa bằng nước cất, axeton, sấy và bảo quản trong bình hút ẩm silicagel 24 giờ; cân khối lượng ban đầu $m_1$ trên cân phân tích.
    • Thử nghiệm tổn hao khối lượng: ngâm mẫu trong dung dịch axit HCl 2M có hoặc không có chất ức chế ở nồng độ $10^{-4}\text{ mol/l}$ trong thời gian 24 giờ và 48 giờ (dung dịch pha từ mẫu thử hòa tan trong 20 ml etanol 96% rồi định mức bằng HCl 2M). Khảo sát dải nồng độ từ $10^{-6}$ đến $10^{-3}\text{ mol/l}$ đối với chất N-(benzyliden)-5-amino-2-phenylindol (ký hiệu A1). Khối lượng sau ngâm là $m_2$, lượng hao hụt mẫu là $\Delta m = m_1 - m_2$. Hiệu quả ức chế được tính bằng công thức:

    $$Z = \frac{\Delta m_0 - \Delta m}{\Delta m_0} \times 100 \ (%)$$

    trong đó $\Delta m_0$ là độ hao hụt khối lượng mẫu thép trong dung dịch đối chứng không có chất ức chế.

  • Phương pháp thử nghiệm sinh học:

    • Xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) trên phiến vi lượng 96 giếng.
    • Vi sinh vật thử nghiệm gồm 8 chủng: vi khuẩn gram âm Escherichia coli (ATCC 25922), Pseudomonas aeruginosa (ATCC 25923); vi khuẩn gram dương Bacillus subtilis (ATCC 27212), Staphylococcus aureus; nấm mốc Aspergillus niger, Fusarium oxysporum; nấm men Candida albicans, Saccharomyces cerevisiae.
    • Môi trường nuôi cấy: Sabouraud dextrose broth và Trypcase soya broth; vi sinh vật được hoạt hóa trước thử nghiệm 24 giờ (đối với vi khuẩn) và 48 giờ (đối với nấm); mật độ vi sinh vật cấy khoảng $10^8\text{ VSV/ml}$.
    • Mẫu azometin được hòa tan trong dung môi DMSO 100% với nồng độ ban đầu $50\ \mu\text{g/ml}$; ủ ở 37 °C trong 24 giờ cho vi khuẩn và 30 °C trong 48 giờ cho nấm men, nấm mốc; đọc kết quả qua kính hiển vi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1.1 Azometin và các phương pháp tổng hợp azometin

Chương này trình bày cơ sở tổng quan tài liệu về các phương pháp tổng hợp, tính chất hóa học, đặc trưng phổ và hoạt tính ứng dụng của azometin cùng hai nhóm dẫn xuất chuyển hóa chính là thiazolidin-4-on và $\alpha$-aminophotphonat. Phân tích tài liệu cho thấy azometin có khả năng tham gia hơn 10 nhóm phản ứng hóa học khác nhau nhờ hai trung tâm electrophin và nucleophin: phản ứng với hợp chất có nguyên tử hydro linh động (andehit, dẫn xuất axetophenon, axit pyruvic tạo dị vòng benzoquinolin); phản ứng với diazometan trong ete hoặc dioxan tạo vòng 1,2,3-triazolin (hiệu suất 10–40%); phản ứng cộng hợp đóng vòng với dẫn xuất axit isoxianic và isothioxianic phụ thuộc tỉ lệ mol (tỉ lệ 2:1 tạo monooxotriazin với hiệu suất 26–47%, tỉ lệ 1:2 tạo dioxotriazin với hiệu suất 22–55%, phản ứng với closunfonyl isoxianat tạo triazindion đối xứng đạt hiệu suất 60–100%); phản ứng cộng hợp đóng vòng kiểu Diels - Alder với các ete không no (vinylankyl ete, dihydropyran) xúc tác $\text{BF}_3\cdot\text{OEt}_2$ hoặc $\text{AlCl}_3$ tạo tetrahydroquinolin và quinolin (hiệu suất 20–80%); phản ứng với dẫn xuất axit cacboxylic no khi có mặt $\text{AlCl}_3$ hoặc $\text{NaNH}_2$; phản ứng cộng hợp với hợp chất cơ kim (cơ magie, kẽm, liti, thiếc); phản ứng cộng với nitroankan (tạo muối hoặc sản phẩm cộng 44–97%); phản ứng với axit $\alpha$-thiolcacboxylic tạo vòng thiazolidin-4-on trong dung môi không phân cực (hiệu suất 60–70%); và phản ứng cộng hợp với các hợp chất photpho (dietyl photphit, trietyl photphit, phản ứng Kabachnik - Fields).

Về mặt phổ học, chương tổng quan xác lập các dấu hiệu nhận diện: trên phổ IR, liên kết azometin có dao động hóa trị đặc trưng trong vùng $1590\text{--}1650\text{ cm}^{-1}$; vòng thiazolidin-4-on có dải hấp thụ nhóm cacbonyl $\text{C}=\text{O}$ ở $1655\text{--}1760\text{ cm}^{-1}$; các $\alpha$-aminophotphonat có dải hấp thụ của liên kết $\text{N}-\text{H}$ amin bậc hai ở $3300\text{--}3430\text{ cm}^{-1}$ và liên kết $\text{P}=\text{O}$ ở $1210\text{--}1270\text{ cm}^{-1}$. Trên phổ $^1\text{H}$-NMR, proton của nhóm -CH=N- xuất hiện dưới dạng mũi đơn (singlet) trong vùng $\delta = 8\text{--}9\text{ ppm}$; proton $\text{N}-\text{H}$ của $\alpha$-aminophotphonat xuất hiện dạng mũi tù (broad singlet) ở $3,5\text{--}5,2\text{ ppm}$. Trên phổ $^{13}\text{C}$-NMR, cacbon của nhóm $-\text{CH}-\text{P}(\text{O})$ trong $\alpha$-aminophotphonat cho mũi đôi (doublet) ở $50\text{--}60\text{ ppm}$ với hằng số tương tác spin-spin dị nhân $J_{\text{C}-\text{P}} > 100\text{ Hz}$. Trên phổ $^{31}\text{P}$-NMR, các $\alpha$-aminophotphonat xuất hiện tín hiệu mũi đơn đặc trưng trong khoảng $\delta_{\text{P}} = 20\text{--}26\text{ ppm}$.

Chương 2.1 Các phương pháp thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm điều chế các amin ban đầu, tổng hợp các dãy azometin, chuyển hóa thành thiazolidin-4-on, tổng hợp $\alpha$-aminophotphonat và các quy trình thử nghiệm tính chất.

Quy trình tổng hợp các hợp chất amin dị vòng indol thế:

  • Tổng hợp 2-phenylindol: Đun 120 g (1,0 mol) axetophenon với 110 g (1,02 mol) phenylhydrazin cách thủy trong 15 phút tạo phenylhydrazon; sau đó cho từ từ vào 470 g axit polyphotphoric ở 120 °C, phản ứng tự nâng nhiệt lên 155 °C và duy trì ở 160–165 °C trong 1 giờ; đổ vào 2,8 kg nước đá, lọc, kết tinh lại bằng benzen có than hoạt tính; thu được 150 g sản phẩm tinh thể màu trắng (hiệu suất 78%, $t_{\text{nc}} = 188\text{--}189\text{ }^\circ\text{C}$).
  • Tổng hợp 5-nitro-2-phenylindol: Hòa tan 12 g (0,062 mol) 2-phenylindol trong 400 ml $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc ở 0–5 °C; nhỏ từ từ dung dịch gồm 5,6 g (0,066 mol) $\text{NaNO}_3$ trong 200 ml $\text{H}_2\text{SO}4$ đặc trong 1,5 giờ ở nhiệt độ dưới 5 °C; đổ vào nước đá; kết tinh lại trong metanol hoặc hỗn hợp diclometan : ete dầu hỏa (3:1 v/v); thu 12,8 g tinh thể màu vàng sẫm (hiệu suất 87%, $t{\text{nc}} = 201\text{--}203\text{ }^\circ\text{C}$).
  • Tổng hợp 1-metyl-5-nitro-2-phenylindol: Hòa tan 7,14 g 5-nitro-2-phenylindol trong 36 ml axeton và dung dịch chứa 6 g NaOH; nhỏ giọt 7,6 g $(\text{CH}_3)_2\text{SO}4$ trong 5 phút; đun hồi lưu cách thủy 1 giờ; kết tinh lại trong etanol : nước (1:1 v/v); thu 5,90 g tinh thể màu vàng sáng (hiệu suất 78%, $t{\text{nc}} = 178\text{--}179\text{ }^\circ\text{C}$).
  • Tổng hợp 5-amino-2-phenylindol: Khử hóa 11,9 g (0,05 mol) 5-nitro-2-phenylindol bằng 30 ml dung dịch hydrazin hidrat 50% có mặt 0,6 g xúc tác niken Raney trong 250 ml etanol tuyệt đối đun hồi lưu 2,5 giờ; làm sạch bằng than hoạt tính; thu 7,1 g sản phẩm tinh thể màu trắng (hiệu suất 68%, $t_{\text{nc}} = 234\text{--}235\text{ }^\circ\text{C}$).
  • Tổng hợp 5-amino-1-metyl-2-phenylindol: Khử hóa 5,12 g (0,02 mol) 1-metyl-5-nitro-2-phenylindol bằng 25 ml dung dịch hydrazin hidrat 50% với 0,2 g niken Raney trong 150 ml etanol tuyệt đối; đun hồi lưu 3 giờ; thu 3,77 g tinh thể màu trắng nhạt (hiệu suất 85%, $t_{\text{nc}} = 109\text{--}110\text{ }^\circ\text{C}$, peak MS có $m/z = 222\ [M]^+$).
  • Tổng hợp 5-amino-1,2-dimetylindol: Thực hiện theo quy trình tài liệu tham khảo.

Quy trình tổng hợp các azometin: Quy trình chung sử dụng 0,01 mol 5-aminoindol thế hòa tan trong 40 ml etanol tuyệt đối, thêm dung dịch chứa 0,011 mol andehit tương ứng trong 20 ml etanol tuyệt đối, xúc tác 1–2 giọt piperidin, đun sôi hồi lưu cách thủy trong 3 giờ; làm lạnh bằng đá muối để sản phẩm kết tinh. Bảng dưới đây tổng hợp các hợp chất azometin tiêu biểu được điều chế trong luận án:

Ký hiệu Tên hợp chất azometin Hợp phần andehit Màu sắc tinh thể Dung môi kết tinh lại Hiệu suất (%) Nhiệt độ nóng chảy (°C)
A1 N-(benzyliden)-5-amino-2-phenylindol Benzandehit Trắng Etanol tuyệt đối 92,0 233–234
A2 N-(p-clobenzyliden)-5-amino-2-phenylindol p-Clobenzandehit Vàng nhạt Benzen : etanol (2:1) 62,0 246–247
A3 N-(m-nitrobenzyliden)-5-amino-2-phenylindol m-Nitrobenzandehit Vàng sáng Etanol : benzen (1:1) 61,8 207–208
A4 N-(p-metoxibenzyliden)-5-amino-2-phenylindol p-Metoxibenzandehit Vàng nhạt Benzen : etanol (1:1) 76,7 235–236
A5 N-(p-dimetylaminobenzyliden)-5-amino-2-phenylindol p-Dimetylaminobenzandehit Vàng nhạt Toluen : etanol (3:1) 61,9 257–258
A6 N-(p-hydroxibenzyliden)-5-amino-2-phenylindol p-Hydroxibenzandehit Vàng nhạt Benzen : etanol (1:1) 57,7 263–264
A7 N-(o-hydroxibenzyliden)-5-amino-2-phenylindol o-Hydroxibenzandehit Vàng sáng Benzen : etanol (1:1) 86,5 191–192
A9 N-(3',4'-metylendioxibenzyliden)-5-amino-2-phenylindol 3,4-Metylendioxibenzandehit Trắng xám nhạt Benzen 70,6 221–222
A10 N-(p-isopropylbenzyliden)-5-amino-2-phenylindol p-Isopropylbenzandehit Trắng Etanol tuyệt đối 65,0 164–165
A11 N-(p-flobenzyliden)-5-amino-2-phenylindol p-Flobenzandehit Trắng nhạt Etanol tuyệt đối 79,6 151–152
A12 N-(m-hydroxybenzyliden)-5-amino-2-phenylindol m-Hydroxybenzandehit Chất rắn Etanol tuyệt đối 68,9 234–235
A13 N-(1'-naphthyliden)-5-amino-2-phenylindol 1-Naphthandehit Trắng Etanol : benzen (1:1) 76,9 178–179
A14 N-(o-nitrobenzyliden)-5-amino-2-phenylindol o-Nitrobenzandehit Đỏ Etanol tuyệt đối 78,0 182–183
A16 N-(benzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol Benzandehit Trắng nhạt Etanol khan 71,6 140–141
A17 N-(p-clobenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol p-Clobenzandehit Đỏ nâu Etanol tuyệt đối 78,5 165–166
A18 N-(m-nitrobenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol m-Nitrobenzandehit Vàng Etylaxetat 85,9 135–136
A19 N-(p-metoxibenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol p-Metoxibenzandehit Trắng Etanol khan 70,6 149–150
A20 N-(p-dimetylaminobenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol p-Dimetylaminobenzandehit Vàng nhạt Etanol 68,0 164–165
A21 N-(p-hydroxibenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol p-Hydroxibenzandehit Trắng Etylaxetat 67,5 224–225
A22 N-(o-hydroxibenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol o-Hydroxibenzandehit Trắng Etylaxetat 70,5 199–200
A25 N-(p-isopropylbenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol p-Isopropylbenzandehit Trắng Etanol khan 76,7 129–131
A26 N-(p-flobenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol p-Flobenzandehit Trắng Etanol tuyệt đối 80,5 149–150
A27 N-(m-hydroxibenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol m-Hydroxibenzandehit Vàng nhạt Etylaxetat 69,0 104–105
A28 N-(1'-naphthyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol 1-Naphthandehit Trắng hơi nâu Etanol 77,8 108–109
A29 N-(o-nitrobenzyliden)-5-amino-1-metyl-2-phenylindol o-Nitrobenzandehit Đỏ nâu Etanol : cloroform (2:1) 67,0 122–123
A30 N-(m-nitrobenzyliden)-5-amino-1,2-dimetylindol m-Nitrobenzandehit Vàng Etanol 92,5 167–168
A31 N-(p-dimetylaminobenzyliden)-5-amino-1,2-dimetylindol p-Dimetylaminobenzandehit Trắng Etanol 65,3 232–233

Chương này cũng thiết lập quy trình điều chế dietyl photphit và quy trình phản ứng giữa azometin với axit thioglicolic tạo thiazolidin-4-on (dãy 5-amino-2-phenylindol, dãy 5-amino-1-metyl-2-phenylindol và dãy 5-amino-1,2-dimetylindol), cùng quy trình phản ứng cộng dietyl photphit vào azometin để thu các $\alpha$-aminophotphonat.

Chuơng 3. Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm về tổng hợp hóa học, phân tích cấu trúc phổ và khảo sát các hoạt tính ứng dụng:

  • Kết quả tổng hợp amin trung gian và azometin: Quá trình tổng hợp các amin 5-amino-2-phenylindol và 5-amino-1-metyl-2-phenylindol đạt hiệu suất cao (lần lượt là 68% và 85%). Các phản ứng ngưng tụ tạo azometin diễn ra thuận lợi trong môi trường etanol tuyệt đối có xúc tác piperidin, sản phẩm dễ kết tinh khi làm lạnh với hiệu suất tổng hợp đạt từ 57,7% đến 92,5%.
  • Kết quả phân tích phổ của azometin:
    • Phổ FT-IR: Sự hình thành liên kết azometin được khẳng định bằng sự biến mất hoàn toàn của hai dải hấp thụ nhóm $\text{NH}_2$ tự do (ở vùng $3408\text{--}3448\text{ cm}^{-1}$ và $3311\text{--}3316\text{ cm}^{-1}$) và sự xuất hiện dải hấp thụ hóa trị sắc nét của liên kết $\text{C}=\text{N}$ tại vùng $1590\text{--}1650\text{ cm}^{-1}$. Liên kết $\text{N}-\text{H}$ của dị vòng indol duy trì dao động hóa trị ở vùng $3420\text{--}3441\text{ cm}^{-1}$ đối với các dẫn xuất không bị metyl hóa ở vị trí số 1.
    • Phổ $^1\text{H}$- và $^{13}\text{C}$-NMR: Tín hiệu cộng hưởng từ của proton azometin (-CH=N-) xuất hiện dưới dạng một mũi đơn cô lập trong khoảng $\delta = 8,4\text{--}8,9\text{ ppm}$ (ghi trong dung môi $\text{DMSO-d}6$). Tác giả đã thiết lập các phương trình tương quan hồi quy tuyến tính giữa độ chuyển dịch hóa học của proton azometin ($\delta{\text{H azometin}}$) cũng như proton nhân indol ($\delta_{\text{H indol}}$) với hằng số nhóm thế $\sigma$ Hammett của các nhóm thế trên vòng andehit ở cả hai dãy 5-amino-2-phenylindol và 5-amino-1-metyl-2-phenylindol. Tương tự, độ chuyển dịch hóa học của cacbon liên kết azometin ($\delta_{\text{C azometin}}$) trên phổ $^{13}\text{C}$-NMR cũng thể hiện sự phụ thuộc tuyến tính vào hằng số $\sigma$ Hammett. Cấu trúc vị trí liên kết được chứng minh chi tiết thông qua các tương tác dị nhân tầm xa trên phổ 2D-NMR (HMBC, HSQC).
    • Phổ khối lượng (MS): Các dẫn xuất azometin đều cho pic ion phân tử $[M]^+$ với cường độ tương đối lớn. Sơ đồ phân mảnh chung chỉ ra quá trình phân cắt ưu tiên xảy ra tại liên kết giữa nguyên tử nitơ azometin và cacbon thơm của nhân indol ($\text{N}{\text{azometin}}-\text{C}{\text{thơm}}$).
  • Kết quả chuyển hóa thành thiazolidin-4-on và $\alpha$-aminophotphonat:
    • Vòng thiazolidin-4-on: phản ứng cộng hợp đóng vòng giữa azometin và axit thioglicolic được khẳng định qua dải hấp thụ cacbonyl đặc trưng $\text{C}=\text{O}$ trên phổ IR ở vùng $1655\text{--}1760\text{ cm}^{-1}$, các tín hiệu cộng hưởng trên phổ $^1\text{H}$- và $^{13}\text{C}$-NMR của nhóm $-\text{CH}_2-\text{S}-$ và $-\text{CH}-\text{S}-$ trên dị vòng 5 cạnh, cùng các phân mảnh ion đặc trưng trong phổ khối lượng (như ion $[M+2]^+$ và phân cắt vòng dị nguyên tố).
    • Hợp chất $\alpha$-aminophotphonat: phản ứng cộng dietyl photphit tạo thành liên kết $\text{C}-\text{P}$ được chứng minh qua phổ IR với dao động $\text{P}=\text{O}$ ($1210\text{--}1270\text{ cm}^{-1}$), $\text{N}-\text{H}$ amin bậc hai ($3300\text{--}3430\text{ cm}^{-1}$); phổ $^1\text{H}$-NMR với mũi tù của proton $\text{N}-\text{H}$ tại $\delta = 3,5\text{--}5,2\text{ ppm}$; phổ $^{13}\text{C}$-NMR cho tín hiệu cacbon $-\text{CH}-\text{P}(\text{O})$ ở $\delta = 50\text{--}60\text{ ppm}$ dạng doublet có hằng số tách $J_{\text{C}-\text{P}} > 100\text{ Hz}$; và phổ $^{31}\text{P}$-NMR xuất hiện mũi đơn duy nhất trong vùng $\delta_{\text{P}} = 20\text{--}26\text{ ppm}$.
  • Kết quả khảo sát khả năng ức chế ăn mòn thép Ct-3: Thực nghiệm trong môi trường xâm thực mạnh axit HCl 2M ở nồng độ chất ức chế $10^{-4}\text{ mol/l}$ cho thấy các azometin có khả năng làm giảm tốc độ hòa tan của thép Ct-3 sau 24 giờ và 48 giờ. Khảo sát chi tiết đối với hợp chất A1 (N-(benzyliden)-5-amino-2-phenylindol) ở các nồng độ từ $10^{-6}$ đến $10^{-3}\text{ mol/l}$ cho thấy hiệu quả ức chế ăn mòn tăng tỷ lệ thuận theo nồng độ chất ức chế trong môi trường axit.
  • Kết quả khảo sát hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm: Thử nghiệm xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) trên phiến vi lượng 96 giếng cho thấy các dẫn xuất azometin thể hiện phổ tác dụng ức chế sinh trưởng đối với cả vi khuẩn gram dương (B. subtilis, S. aureus), vi khuẩn gram âm (E. coli, P. aeruginosa), nấm mốc (A. niger, F. oxysporum) và nấm men (C. albicans, S. cerevisiae), trong đó hoạt tính chịu ảnh hưởng rõ rệt bởi bản chất các nhóm thế gắn trên nhân thơm andehit.

Kết quả và những đóng góp mới

Về mặt lý luận và khoa học, luận án đã đạt được các kết quả mới sau:

  • Xây dựng thành công quy trình tổng hợp đồng bộ các dẫn xuất azometin mới chứa khung dị vòng 5-aminoindol thế (dãy 5-amino-2-phenylindol, 5-amino-1-metyl-2-phenylindol và 5-amino-1,2-dimetylindol) với hiệu suất phản ứng cao.
  • Khẳng định khả năng chuyển hóa chọn lọc của hệ liên kết azometin gắn nhân indol với axit thioglicolic để tạo vòng dị vòng mới 1,3-thiazolidin-4-on, và với dietyl photphit để tổng hợp các hợp chất hữu cơ cơ photpho $\alpha$-aminophotphonat.
  • Cung cấp tập hợp số liệu đầy đủ và có hệ thống về các đặc trưng phổ nghiệm (FT-IR, $^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, $^{31}\text{P}$-NMR, 2D-NMR, MS) của các dãy chất mới tổng hợp; thiết lập mối tương quan định lượng tuyến tính giữa độ chuyển dịch hóa học của proton và cacbon azometin với hằng số $\sigma$ Hammett của các nhóm thế trên vòng thơm andehit, làm sáng tỏ bản chất truyền hiệu ứng điện tử qua liên kết azometin liên hợp với dị vòng indol.

Về mặt thực tiễn, luận án có các đóng góp:

  • Bổ sung các cấu trúc phân tử hữu cơ mới có khả năng ức chế ăn mòn kim loại vào cơ sở dữ liệu chất bảo vệ vật liệu, chứng minh hiệu quả kìm hãm tốc độ ăn mòn của thép xây dựng Ct-3 trong môi trường axit mạnh HCl 2M.
  • Xác định hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm in vitro của các azometin tổng hợp được trên 8 chủng vi sinh vật chuẩn, tạo tiền đề định hướng cho việc nghiên cứu cấu trúc phục vụ lĩnh vực hóa dược và chất bảo vệ sinh học.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ nghiên cứu bao gồm việc tiếp tục nghiên cứu cơ chế ức chế ăn mòn bằng các phương pháp điện hóa hiện đại (đo đường cong phân cực thế động, phổ tổng trở điện hóa EIS) để xác định cơ chế hấp phụ bề mặt, và mở rộng thử nghiệm hoạt tính sinh học trên các dòng tế bào chuyên biệt hoặc thử nghiệm in vivo đối với các chất có giá trị MIC thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án gắn liền với phạm vi thực nghiệm đã thực hiện:

  • Phép đánh giá ức chế ăn mòn kim loại mới dừng lại ở phương pháp tổn hao khối lượng trong môi trường axit HCl 2M, chưa khảo sát trên các môi trường ăn mòn khác (như môi trường muối trung tính, môi trường kiềm hoặc nước biển) và chưa đo đạc các thông số động học điện hóa chi tiết.
  • Các khảo sát hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm mới chỉ thực hiện ở mức độ sàng lọc in vitro bằng phương pháp xác định MIC trên phiến vi lượng 96 giếng với nồng độ khảo sát ban đầu $50\ \mu\text{g/ml}$, chưa mở rộng khảo sát độc tính cấp hoặc cơ chế tác động sinh hóa ở mức độ phân tử.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp ở quy mô lớn hơn, nghiên cứu mở rộng khả năng tạo phức của các azometin này với các ion kim loại chuyển tiếp (như Cu(II), Co(II), Ni(II)), và thử nghiệm ứng dụng thực tế các hợp chất đạt hiệu quả cao trong công nghệ xử lý tẩy gỉ bề mặt kim loại bằng axit.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dược và Hóa học các hợp chất dị vòng: có thể sử dụng luận án làm tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật tổng hợp dị vòng indol, phương pháp ngưng tụ bazơ Schiff và các phản ứng chuyển hóa cộng hợp đóng vòng.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu cấu trúc hợp chất hữu cơ: phần phân tích chi tiết dữ liệu phổ $^1\text{H}$-, $^{13}\text{C}$-, $^{31}\text{P}$-NMR, các kỹ thuật 2D-NMR (HMBC, HSQC, COSY) và phương pháp xây dựng tương quan Hammett là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cao trong việc giải đoán cấu trúc phân tử.
  • Các cán bộ nghiên cứu trong lĩnh vực ăn mòn và bảo vệ kim loại, công nghệ vật liệu: quy trình chuẩn bị mẫu thép Ct-3, phương pháp ngâm mẫu đo tổn hao khối lượng và các dữ liệu ức chế ăn mòn trong môi trường HCl 2M cung cấp cơ sở thực nghiệm tham khảo trực tiếp cho các nghiên cứu phát triển phụ gia chống ăn mòn.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế phản ứng tổng hợp thiazolidin-4-on từ azometin và axit thioglicolic được tác giả luận án chấp nhận và giải thích theo quan điểm lý thuyết nào?

Tác giả luận án chấp nhận cơ chế do Đặng Như Tại và Trần Thạch Văn đề xuất năm 1985. Theo cơ chế này, phản ứng bắt đầu bằng sự tấn công nucleophin trực tiếp của nguyên tử lưu huỳnh trong nhóm -SH của axit thioglicolic vào nguyên tử cacbon ở liên kết azometin (-CH=N-). Quá trình này trải qua giai đoạn hình thành phức hoạt động ở dạng vòng hoặc dạng ion lưỡng cực, sau đó chuyển thành sản phẩm cộng trung gian rồi thực hiện phản ứng đóng vòng tách nước nội phân tử để tạo thành dị vòng thiazolidin-4-on.

2. Tín hiệu phổ cộng hưởng từ hạt nhân đặc trưng nhất khẳng định sự hình thành của liên kết azometin và nhóm $\alpha$-aminophotphonat là gì?

Đối với liên kết azometin (-CH=N-), tín hiệu đặc trưng nhất trên phổ $^1\text{H}$-NMR là một mũi đơn (singlet) xuất hiện cô lập ở vùng trường thấp trong khoảng $\delta = 8,4\text{--}8,9\text{ ppm}$. Đối với hợp chất $\alpha$-aminophotphonat, tín hiệu đặc trưng gồm có: trên phổ $^1\text{H}$-NMR xuất hiện mũi tù (broad singlet) của proton $\text{N}-\text{H}$ amin bậc hai tại $\delta = 3,5\text{--}5,2\text{ ppm}$; trên phổ $^{13}\text{C}$-NMR xuất hiện mũi đôi (doublet) của nguyên tử cacbon $-\text{CH}-\text{P}(\text{O})$ trong vùng $\delta = 50\text{--}60\text{ ppm}$ với hằng số tương tác spin-spin lớn $J_{\text{C}-\text{P}} > 100\text{ Hz}$; và trên phổ $^{31}\text{P}$-NMR xuất hiện một mũi đơn duy nhất trong vùng $\delta_{\text{P}} = 20\text{--}26\text{ ppm}$.

3. Mẫu thép Ct-3 sử dụng trong thử nghiệm ức chế ăn mòn có kích thước và thành phần hóa học cụ thể như thế nào?

Mẫu thép Ct-3 được chế tạo ở dạng tấm có kích thước $69 \times 33 \times 2\text{ mm}$, có một lỗ khoan đường kính 2 mm nằm chính giữa cách cạnh trên 5 mm để luồn dây treo. Thành phần hóa học của mẫu thép bao gồm: 0,15% Cacbon (C); 0,42% Mangan (Mn); 0,037% Lưu huỳnh (S); 0,024% Photpho (P); và hàm lượng còn lại là Sắt (Fe).

4. Thử nghiệm hoạt tính kháng vi sinh vật trong luận án được tiến hành trên những chủng kiểm chuẩn nào và bằng phương pháp gì?

Hoạt tính sinh học được khảo sát bằng phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) trên phiến vi lượng 96 giếng đối với 8 chủng vi sinh vật chuẩn, bao gồm: vi khuẩn gram âm (Escherichia coli ATCC 25922, Pseudomonas aeruginosa ATCC 25923); vi khuẩn gram dương (Bacillus subtilis ATCC 27212, Staphylococcus aureus); nấm mốc (Aspergillus niger, Fusarium oxysporum); và nấm men (Candida albicans, Saccharomyces cerevisiae). Mẫu thử được hòa tan trong dung môi DMSO 100% ở nồng độ ban đầu $50\ \mu\text{g/ml}$.

5. Điều kiện và hiệu suất của phản ứng tổng hợp chất trung gian then chốt 2-phenylindol được tiến hành như thế nào?

Phản ứng được thực hiện bằng cách cho 120 g (1,0 mol) axetophenon phản ứng với 110 g (1,02 mol) phenylhydrazin cách thủy trong 15 phút để tạo phenylhydrazon. Sau đó, lượng phenylhydrazon được thêm dần vào 470 g axit polyphotphoric ở 120 °C, kiểm soát phản ứng tự nâng nhiệt đến 155 °C và duy trì ở 160–165 °C trong 1 giờ. Sau khi xử lý kết tủa trong nước đá và kết tinh lại bằng benzen có than hoạt tính, sản phẩm thu được đạt 150 g tinh thể màu trắng với hiệu suất 78%, nhiệt độ nóng chảy $188\text{--}189\text{ }^\circ\text{C}$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết một cách có hệ thống quy trình tổng hợp hóa học từ các amin dị vòng 5-aminoindol thế để tạo thành các dãy hợp chất azometin mới, đồng thời chuyển hóa thành công chúng thành các dẫn xuất dị vòng thiazolidin-4-on và các cấu trúc cơ photpho $\alpha$-aminophotphonat tương ứng. Toàn bộ cấu trúc của các sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối cùng đã được xác lập chắc chắn thông qua sự kết hợp của các phương pháp phổ nghiệm hiện đại gồm FT-IR, 1D/2D-NMR và MS, đi kèm với việc làm sáng tỏ quy luật tương quan tuyến tính Hammett giữa nhóm thế và tham số phổ. Bên cạnh đóng góp về mặt hóa học tổng hợp, luận án đã cung cấp các dữ liệu thực nghiệm khách quan chứng minh tiềm năng ứng dụng của các hợp chất azometin tổng hợp được trong việc ức chế ăn mòn thép Ct-3 trong dung dịch axit HCl 2M và khả năng kháng các chủng vi sinh vật kiểm chuẩn.