Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực hóa dược và hóa học hữu cơ hiện đại, sự phát triển của các phản ứng ngưng tụ đa tác nhân (Multicomponent Reactions - MCR) đã mở ra những bước tiến quan trọng trong việc xây dựng thư viện các hợp chất dị vòng mới có cấu trúc phong phú và hoạt tính sinh học đa dạng. Trong số các cấu trúc tiềm năng, hệ dị vòng ngưng tụ chứa đồng thời vòng crown ether (phần A) và các dị vòng chứa nguyên tử nitơ (phần B) nhận được nhiều sự quan tâm do thể hiện hoạt tính gây độc tế bào tốt trên nhiều dòng tế bào ung thư ở người như HepG2 (ung thư gan), RD (ung thư cơ vân), FL (ung thư màng ối), Lu (ung thư phổi), MCF7 (ung thư vú), PC3 (ung thư tuyến tiền liệt). Đáng chú ý, nhiều hợp chất trong nhóm này thể hiện độc tính chọn lọc cao đối với tế bào ung thư nhưng không gây độc đối với dòng tế bào thận khỉ bình thường (Vero).

Mặc dù sở hữu tiềm năng ứng dụng lớn trong việc định hướng phát triển thuốc chống ung thư, các hợp chất azacrown ether này trước đây chưa được tập trung nghiên cứu chuyển hóa hóa học chuyên sâu nhằm tối ưu hóa hoạt tính sinh học cũng như khảo sát ảnh hưởng tương hỗ giữa phần vòng crown ether và phần dị vòng chứa nitơ. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài khóa luận "Nghiên cứu tổng hợp một số dẫn xuất azacrown ether" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ trọng tâm sau:

  1. Tổng hợp thành công các khung dẫn xuất piperidonoaza-14-crown-4 ether cơ sở thông qua phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Petrenko – Kritchenko cải tiến.
  2. Thực hiện các phản ứng chuyển hóa hóa học trên nguyên tử nitơ của dị vòng piperidone (phản ứng acyl hóa, alkyl hóa và lai ghép dị vòng) để tạo ra các dẫn xuất azacrown ether mới.
  3. Phân lập, tinh chế và xác định cấu trúc hóa học, cấu hình lập thể của các hợp chất tổng hợp được bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại.
  4. Đánh giá sơ bộ phổ hoạt tính sinh học của các hợp chất mới tổng hợp bằng chương trình tin sinh học PASS.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các dẫn xuất của hệ dị vòng piperidonoaza-14-crown-4 ether cùng các biến thể gắn nhóm chloroacetyl, nhóm cyanomethyl và phân tử lai ghép chứa khung 1,2,4-triazine mang hai vòng furan. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm bao gồm quy trình tổng hợp hữu cơ tại phòng thí nghiệm, đo đạc quang phổ tại Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và dự đoán hoạt tính sinh học in silico.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và ứng dụng y sinh của Crown Ether

Cơ sở lý thuyết của đề tài gắn liền với lịch sử phát triển của hóa học siêu phân tử (supramolecular chemistry) và hóa học vòng lớn, lĩnh vực được vinh danh giải Nobel Hóa học năm 1987 trao cho Charles Pedersen, Donald Cram và Jean-Marie Lehn. Kể từ khi Pedersen phát hiện ra dibenzo-18-crown-6 vào năm 1967 thông qua phản ứng giữa catechol và ether 2,2’-dichlorodiethyl với sự có mặt của NaOH trong $n$-butanol, khả năng tạo phức chọn lọc với các ion kim loại kiềm/kiềm thổ của crown ether đã mở ra khái niệm tương tác "chủ - khách" (host - guest).

Crown ether và các dẫn xuất azacrown ether đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu y sinh học nhờ các đặc tính cấu trúc độc đáo:

  • Hệ thống tạo ngăn nước và phân phối thuốc: Azacrown ether tạo phức với cation kim loại ($Ag^+$) hoặc kết hợp với lipid để hình thành các cấu trúc hình cầu, liposome trung tính và niosome (như các dẫn xuất 12-crown-4L, 15-crown-5L, PCE). Các hệ này có độ ổn định hóa học cao, thời gian bán hủy lớn và hỗ trợ vận chuyển DNA hoặc thuốc qua màng tế bào.
  • Mô phỏng kênh ion và chất mang ion: Các phân tử như 21-crown-7 kết hợp peptide xoắn hoặc các dẫn xuất alkylurea crown ether có khả năng xuyên qua màng lipid đơn lớp (MLM) và màng lipid kép để vận chuyển chọn lọc ion $Na^+, K^+$.
  • Vector mục tiêu và hạt mang nano: Dẫn xuất crown ether liên kết với phân tử đường (D-galactose, D-lactose) hoặc thuốc chống ung thư (actinocin) làm tăng tính thấm mô, trong khi perfluoro-1,5-crown ether (PFCE) kết hợp microRNA-124 được ứng dụng hướng đích tế bào não trong nghiên cứu bệnh Parkinson.
  • Điều hòa độ tan và giảm độc tính tế bào: Crown ether (12-crown-4, 15-crown-5, 18-crown-6) giúp tăng độ tan và khả năng thâm nhập giác mạc của riboflavin qua phức hợp với $Ca^{2+}$, đồng thời các dẫn xuất ionophore (Boc-CEHR, Arg-CEHR) có khả năng kích hoạt quá trình apoptosis trên tế bào ung thư SKOV-3 mà không gây hoại tử tế bào.

Về phương pháp tổng hợp azacrown ether, văn bản tổng thuật 6 chiến lược hóa học chính:

  1. Tổng hợp khuôn mẫu (Template synthesis): Sử dụng ion kim loại ($Fe^{2+}, Ni^{2+}, Cu^{2+}, Co^{2+}$) định hướng không gian các nhóm phản ứng để đóng vòng tạo imine/bisimine vòng lớn, sau đó khử thành amine vòng và loại bỏ ion kim loại.
  2. Phương pháp Sulfonamide (Richman – Atkins): Chuyển amine thành sulfonamide để tăng tính acid của proton trên nitơ, thực hiện phản ứng $S_N2$ với ditosylate hoặc dimesylate trong dung môi DMF với base ($K_2CO_3, Cs_2CO_3$), sau đó giải phóng nhóm bảo vệ tosyl bằng $H_2SO_4$ đặc, $HBr/CH_3COOH$ hoặc $LiAlH_4$.
  3. Phương pháp Amide hóa (phương pháp Tabushi và Stetter – Marx): Phản ứng giữa diamine với diester tạo bislactam rồi khử bằng $B_2H_6/THF$ hoặc $LiAlH_4$; hoặc ngưng tụ diamine với diacid chloride; hoặc phản ứng cộng Michael giữa ester $\alpha,\beta$-không no với diamine.
  4. Phản ứng giữa dicarboxylic acid và diamine: Hoạt hóa acid bằng các tác nhân như dicyclohexylcarbodiimide (DCC), diphenylphosphoryl azide (DPPA) kết hợp hydroxybenzotriazole (HOBt).
  5. Phản ứng đóng vòng kiểu càng cua (Crab-like ring closure): Đóng vòng giữa bis-$\alpha$-chloroamide và diamine, không cần bảo vệ nhóm nitơ, sau đó khử nhóm carbonyl của amide bằng $B_2H_6/THF$.
  6. Phản ứng ngưng tụ Petrenko – Kritchenko: Ngưng tụ đa tác nhân giữa oligoether dialdehyde, dialkyl ketone và nguồn nitơ để tạo hệ dị vòng ngưng tụ chứa đồng thời crown ether và vòng piperidone mang nhóm NH tự do.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hóa học kết hợp phân tích quang phổ và đánh giá in silico:

  • Phương pháp tổng hợp và phân lập: Áp dụng phản ứng ngưng tụ MCR trong pha lỏng đun hồi lưu, phản ứng thế ái nhân và phản ứng alkyl hóa xúc tác chuyển pha (Phase Transfer Catalysis - PTC). Phân lập và theo dõi phản ứng bằng sắc ký lớp mỏng (TLC) pha thuận trên bản mỏng silicagel Merck; tinh chế sản phẩm bằng phương pháp sắc ký cột (SKC) pha thuận với chất nhồi silicagel kích thước hạt 100 - 200 mesh (Merck); kết tinh lại sản phẩm trong các hệ dung môi thích hợp (hexane, dichloromethane, ethyl acetate, ethanol, methanol).
  • Phương pháp xác định cấu trúc hóa học:
    • Đo nhiệt độ nóng chảy ($t_{nc}$) trong ống mao quản trên thiết bị Stuart SMP3.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): ghi trên máy Infralum FT-801, mẫu đo dạng ép viên với chất chuẩn rắn KBr.
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H$-NMR): ghi trên máy Bruker XL-500 ở tần số 500 MHz, sử dụng dung môi $CDCl_3$ và chất chuẩn nội tetramethylsilane (TMS).
    • Phổ khối lượng (MS): ghi trên thiết bị Finnigan MAT 95 XL với phương pháp ion hóa va chạm điện tử (EI, năng lượng ion hóa 70 eV) và ESI-MS.
  • Phương pháp dự đoán hoạt tính sinh học: Sử dụng phần mềm PASS (Prediction of Activity Spectra for Substances) để sàng lọc phổ hoạt tính sinh học lý thuyết của các cấu trúc mới tổng hợp.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu và Tổng quan tài liệu

Phần mở đầu và tổng quan tài liệu làm rõ tính cấp thiết của việc phát triển các dẫn xuất azacrown ether có hoạt tính sinh học, đồng thời hệ thống hóa toàn diện các phương pháp tổng hợp hợp chất vòng lớn từ lịch sử đến hiện đại. Nội dung tập trung phân tích ưu điểm nổi bật của phản ứng Petrenko – Kritchenko: tạo ra cấu trúc dị vòng ngưng tụ gồm phần crown ether (phần A) và dị vòng chứa nitơ (phần B) ở dạng piperidone. Do nguyên tử nitơ ở phần B tồn tại ở dạng amine bậc hai (nhóm -NH-), cấu trúc này cho phép thực hiện tiếp các phản ứng biến đổi hóa học như acyl hóa hoặc alkyl hóa nhằm mở rộng không gian cấu trúc phân tử và khảo sát ảnh hưởng tương hỗ đến hoạt tính sinh học.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết hóa chất, thiết bị và các quy trình tổng hợp 6 hợp chất trung gian và dẫn xuất mới:

  • Tổng hợp hợp chất 78 (piperidonoaza-14-crown-4 ether mang hai nhóm methyl): Đun hồi lưu hỗn hợp gồm 16 mmol (6,1 g) 2-[2-[2-(2-formylphenoxy)-ethoxy]ethoxy]benzaldehyde (76), 16 mmol pentan-3-one và 20 mmol (1,57 g) ammonium acetate trong 15 ml ethanol và 3 ml acetic acid trong 5 giờ. Sản phẩm được chiết bằng chloroform ($3 \times 30$ ml), làm khan bằng $MgSO_4$, tinh chế qua sắc ký cột silica gel (hệ dung môi ethyl acetate - hexane 1:1) và kết tinh lại từ ethanol. Hiệu suất phản ứng đạt 41%.
  • Tổng hợp hợp chất 80 (piperidonoaza-14-crown-4 ether mang nhóm phenyl): Thực hiện tương tự hợp chất 78 nhưng thay pentan-3-one bằng 16 mmol (2,144 g) 1-phenylpropan-2-one. Tinh chế qua sắc ký cột (ethyl acetate - hexane 1:1) và kết tinh lại từ ethanol. Hiệu suất đạt 35%.
  • Tổng hợp hợp chất 81 (dẫn xuất N-chloroacetyl của 78): Cho 5,25 mmol (2,0 g) hợp chất 78 phản ứng với 10,5 mmol (0,85 ml) chloroacetyl chloride cùng 1,0 g $K_2CO_3$ trong 30 ml acetonitrile ở nhiệt độ phòng. Sản phẩm kết tinh từ hỗn hợp ethyl acetate - alcol thu được tinh thể màu trắng, điểm nóng chảy 218–220 °C, hiệu suất đạt 51%.
  • Tổng hợp hợp chất lai 83: Hòa tan 2,2 mmol (0,54 g) 3-mercapto-5,6-di(furan-2-yl)-1,2,4-triazine và 2,2 mmol (0,09 g) NaOH trong 30 ml acetonitrile, sau đó nhỏ từ từ 2,2 mmol (1,0 g) hợp chất 81 vào dung dịch. Phản ứng khuấy ở nhiệt độ phòng, tinh chế bằng sắc ký cột (ethyl acetate - hexane 1:1). Sản phẩm là chất rắn, điểm nóng chảy 204–206 °C, hiệu suất đạt 68%.
  • Tổng hợp hợp chất 84 (dẫn xuất N-cyanomethyl của 78): Đun hồi lưu hỗn hợp 5,25 mmol (2,0 g) hợp chất piperidone 78, 16 mmol (1,2 g) chloroacetonitrile, 16 mmol (2,2 g) $K_2CO_3$ và 0,3 g xúc tác chuyển pha triethylbenzylammonium chloride (TEBAC) trong 30 ml acetonitrile trong 3 giờ. Tinh chế bằng sắc ký cột silica gel (ethyl acetate - hexane 1:1) và kết tinh lại từ ethyl acetate. Thu được chất rắn không màu, điểm nóng chảy 224–226 °C, hiệu suất đạt 48%.
  • Tổng hợp hợp chất 85 (dẫn xuất N-cyanomethyl của 80): Khuấy hỗn hợp 4,66 mmol (2,0 g) piperidone 80, 14 mmol (1,1 g) chloroacetonitrile, 14 mmol (1,9 g) $K_2CO_3$ và 0,3 g TEBAC trong 30 ml acetonitrile ở điều kiện làm lạnh 0 °C trong 3 giờ. Tinh chế bằng sắc ký cột (ethyl acetate - hexane 1:1) và kết tinh lại từ ethyl acetate. Thu được chất rắn không màu, điểm nóng chảy 229–231 °C, hiệu suất đạt 73%.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tập trung phân tích cơ chế phản ứng và biện giải cấu trúc của các hợp chất tổng hợp dựa trên dữ liệu phổ $^1H$-NMR, FT-IR và MS:

  • Cơ chế phản ứng Petrenko – Kritchenko cải tiến: Để tạo khung azacrown ether mang nhóm NH tự do, nguồn cung cấp nitơ thông thường là amoniac. Tuy nhiên, do amoniac ở thể khí dễ bay hơi ở nhiệt độ hồi lưu làm giảm hiệu suất, nghiên cứu đã sử dụng muối amoni acetate ($CH_3COONH_4$). Muối này thiết lập cân bằng đệm $NH_4^+ \rightleftharpoons NH_3 + H^+$, giúp duy trì nồng độ amoniac hòa tan ổn định trong dung dịch và hạn chế tối đa sự thất thoát khí.
  • Biện giải cấu trúc hợp chất 81 ($C_{25}H_{28}ClNO_5$, $M^+ = 457$): Phổ $^1H$-NMR (500 MHz, $CDCl_3$) ghi nhận đầy đủ 28 proton. Hai nhóm methyl ở vị trí C-22 và C-24 xuất hiện ở trường cao dạng doublet tại 1,04 ppm ($J = 7,0$ Hz) và 1,43 ppm ($J = 6,7$ Hz). Proton H-1 ($\delta$ 4,43 ppm) và H-21 ($\delta$ 5,13 ppm) đều có tín hiệu doublet với hằng số tương tác spin-spin $J = 11,8$ Hz; giá trị $J$ lớn này khẳng định cấu hình tương tác axial-axial, chứng minh các nhóm thế tại C-1, C-24 và C-21, C-22 đều ở vị trí equatorial và có cấu hình trans với nhau. Hai proton nhóm $-COCH_2Cl$ xuất hiện dạng singlet tại 5,28 ppm. Tám proton nhân thơm xuất hiện ở 6,15–7,10 ppm. Phổ IR xác nhận dao động $C-H$ vòng thơm ở 3073 $cm^{-1}$, $C-H$ no ở 2972, 2936 $cm^{-1}$, liên kết $C=O$ cetone ở 1701 $cm^{-1}$, $C=O$ amide ở 1646 $cm^{-1}$, $C=C$ vòng thơm ở 1601, 1490 $cm^{-1}$ và biến dạng $-CH_3$ ở 1406 $cm^{-1}$. Phổ MS xác nhận ion phân tử $[M^+]$ tại $m/z = 457$.
  • Biện giải cấu trúc hợp chất lai 83: Phổ $^1H$-NMR ghi nhận 34 proton. Hai nhóm methyl cộng hưởng tại 1,42 và 1,54 ppm. Hai proton nhóm $N-CO-CH_2-S-$ bất đối xứng ($H-2'a$ và $H-2'b$) tách biệt tại 5,14 và 5,66 ppm. Sáu proton trên hai dị vòng furan chuyển dịch về trường yếu: $H-4'''$ xuất hiện dạng doublet-doublet tại 6,51 và 6,61 ppm ($J = 3,6$ Hz và 1,8 Hz); $H-3'''$ dạng doublet tại 6,81 ppm ($J = 3,6$ Hz); $H-5'''$ liên kết kề oxy cộng hưởng dạng doublet tại 6,98 ppm.
  • Biện giải cấu trúc hợp chất 84 ($C_{25}H_{28}N_2O_4$, $M^+ = 420$): Phổ $^1H$-NMR ghi nhận 28 proton. Hai nhóm methyl xuất hiện tại 0,79 ppm ($d, J = 6,4$ Hz). Proton H-1 và H-21 cộng hưởng tại 3,36 ppm với hằng số tương tác $J = 10,7$ Hz, khẳng định cấu hình axial-axial và các nhóm thế nằm ở vị trí equatorial. Hai proton nhóm $-CH_2-CN$ xuất hiện dạng singlet tại 3,10 ppm. Phổ MS cho ion phân tử $[M^+]$ tại $m/z = 420$.
  • Biện giải cấu trúc hợp chất 85 ($C_{29}H_{28}N_2O_4$, $M^+ = 468$): Phổ $^1H$-NMR thể hiện 28 proton. Cấu trúc phân tử bất đối xứng làm cho hai proton của nhóm $-CH_2-CN$ không tương đương, tách thành hai tín hiệu tại 3,11 và 3,23 ppm với hằng số ghép geminal $J = 17,7$ Hz. Proton H-1 xuất hiện dạng doublet-doublet tại 3,60 ppm ($J = 12,4$ Hz và 1,3 Hz, vị trí axial). Proton H-21 và H-22 lần lượt cộng hưởng tại 3,91 ppm và 4,96 ppm với $J = 10,8$ Hz (tương tác axial-axial, cấu hình trans-equatorial). Phổ IR ghi nhận cực đại hấp thụ đặc trưng của nhóm nitril $C\equiv N$ tại 2226 $cm^{-1}$, $C=O$ cetone tại 1711 $cm^{-1}$, liên kết $C=C$ vòng thơm tại 1602, 1495, 1452 $cm^{-1}$. Phổ MS xác nhận ion phân tử $[M^+]$ tại $m/z = 468$.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành việc tổng hợp và xác định cấu trúc một loạt hợp chất azacrown ether đa vòng ngưng tụ mới. Các thông số tổng hợp và đặc trưng hóa lý của các sản phẩm được tổng hợp trong bảng sau:

Ký hiệu Tên gọi / Cấu trúc hóa học Điều kiện phản ứng chính Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) Hiệu suất (%) Dữ liệu MS ($m/z$)
78 Piperidonoaza-14-crown-4 ether dimethyl Pentan-3-one + Dialdehyde 76 + $CH_3COONH_4$, EtOH/AcOH, hồi lưu 5h — 41% —
80 Piperidonoaza-14-crown-4 ether monomethyl-monophenyl 1-Phenylpropan-2-one + Dialdehyde 76 + $CH_3COONH_4$, EtOH/AcOH, hồi lưu 5h — 35% —
81 Dẫn xuất 25-N-(2’-chloroacetyl) của hợp chất 78 Hợp chất 78 + Chloroacetyl chloride, $K_2CO_3$, $CH_3CN$, nhiệt độ phòng 218–220 51% 457 $[M^+]$
83 Dẫn xuất lai ghép 1,2,4-triazine mang furan của hợp chất 81 Hợp chất 81 + 3-Mercapto-5,6-di(furan-2-yl)-1,2,4-triazine, NaOH, $CH_3CN$, nhiệt độ phòng 204–206 68% —
84 Dẫn xuất 25-N-(cyanomethyl) của hợp chất 78 Hợp chất 78 + Chloroacetonitrile, $K_2CO_3$, TEBAC, $CH_3CN$, hồi lưu 3h 224–226 48% 420 $[M^+]$
85 Dẫn xuất 25-N-(cyanomethyl) của hợp chất 80 Hợp chất 80 + Chloroacetonitrile, $K_2CO_3$, TEBAC, $CH_3CN$, 0 $^\circ\text{C}$, 3h 229–231 73% 468 $[M^+]$

Các đóng góp chính của công trình nghiên cứu:

  • Cải tiến quy trình tổng hợp khung piperidonoaza-14-crown-4 ether bằng phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Petrenko – Kritchenko với việc sử dụng tác nhân amoni acetate ($CH_3COONH_4$) thay thế khí amoniac, giúp kiểm soát tốt nồng độ tác nhân phản ứng và nâng cao độ ổn định thực nghiệm.
  • Khai thác thành công tâm phản ứng NH bậc hai trên dị vòng piperidone để phát triển ba hướng dẫn xuất hóa: gắn nhóm hoạt hóa chloroacetyl (81), alkyl hóa tạo nhóm chức nitril (84, 85) và lai ghép phân tử với dị vòng chứa lưu huỳnh/nitơ 1,2,4-triazine mang nhân furan (83).
  • Xác lập tường minh cấu hình lập thể trans-equatorial của các nhóm thế trên khung piperidone dựa trên phân tích tương tác spin-spin ($J_{ax-ax} = 10,7 - 11,8$ Hz) từ phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1H$-NMR.
  • Thực hiện sàng lọc và dự đoán phổ hoạt tính sinh học in silico cho các hợp chất tổng hợp (81, 83, 84, 85) bằng công cụ PASS.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đề tài mới dừng lại ở việc dự đoán phổ hoạt tính sinh học trên lý thuyết thông qua phần mềm PASS; chưa thực hiện thử nghiệm sinh học thực nghiệm in vitro về khả năng gây độc tế bào trên các dòng tế bào ung thư (như HepG2, RD, FL, Lu, MCF7, PC3) cũng như thử nghiệm trên dòng tế bào thường (Vero) để kiểm chứng độc tính chọn lọc.
    • Hiệu suất của phản ứng đóng vòng MCR Petrenko – Kritchenko ban đầu tạo hợp chất 78 (41%) và hợp chất 80 (35%) vẫn ở mức trung bình do sự cạnh tranh của các phản ứng phụ trong hệ ngưng tụ đa cấu tử.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Triển khai thử nghiệm độc tính tế bào in vitro trên các dòng tế bào ung thư thực tế đối với các hợp chất 81, 83, 84 và 85 nhằm đối chiếu với kết quả dự đoán từ chương trình PASS.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện phản ứng đóng vòng Petrenko – Kritchenko (tỷ lệ mol tác nhân, dung môi, nhiệt độ, chất xúc tác acid) nhằm nâng cao hiệu suất tạo khung piperidonoaza-14-crown-4 ether cơ sở.
    • Tiếp tục phát triển các phản ứng chuyển hóa trên nhóm thế nitril ($-CH_2CN$) hoặc nhóm chloroacetyl ($-COCH_2Cl$) để tổng hợp thêm các dẫn xuất lai ghép dị vòng mới.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên đại học, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các ngành Hóa học hữu cơ, Hóa dược, Công nghệ Hóa học và Hóa sinh.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  • Kỹ thuật tổng hợp MCR: Quy trình chi tiết điều chế các hệ dị vòng ngưng tụ chứa đồng thời crown ether và piperidone bằng phản ứng Petrenko – Kritchenko.
  • Biện giải phổ lập thể: Phương pháp xác định cấu hình không gian (axial - equatorial, cis - trans) của các dẫn xuất vòng 6 cạnh piperidone dựa trên hằng số tương tác ghép spin $J$ trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1H$-NMR độ phân giải cao (500 MHz).
  • Tổng thuật tư liệu: Hệ thống tài liệu tổng quan toàn diện về lịch sử, các phương pháp đóng vòng azacrown ether và các ứng dụng vận chuyển thuốc, tạo niosome, kênh ion màng trong y dược học.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại sử dụng amoni acetate ($CH_3COONH_4$) thay thế cho khí amoniac ($NH_3$) trong phản ứng Petrenko – Kritchenko?
Phản ứng tổng hợp piperidonoaza-14-crown-4 ether được thực hiện trong điều kiện đun sôi hồi lưu dung môi. Khí amoniac ($NH_3$) ở điều kiện thường rất dễ bay hơi khi đun nóng, làm suy giảm nồng độ tác nhân trong hỗn hợp phản ứng và dẫn đến giảm hiệu suất tạo vòng. Việc sử dụng muối $CH_3COONH_4$ tạo ra một hệ cân bằng đệm $NH_4^+ \rightleftharpoons NH_3 + H^+$, giúp duy trì ổn định nồng độ $NH_3$ hòa tan, hạn chế tối đa sự bay hơi và tăng hiệu quả phản ứng đóng vòng.

2. Dữ liệu phổ nào chứng minh cấu hình lập thể trans-equatorial của các nhóm thế trên khung piperidone của hợp chất 81 và 84?
Trên phổ $^1H$-NMR (500 MHz, $CDCl_3$), hằng số tương tác spin-spin giữa proton H-1 và H-24 (cũng như giữa H-21 và H-22) của hợp chất 81 đạt $J = 11,8$ Hz. Tương tự, ở hợp chất 84, hằng số tương tác giữa H-1, H-21 với các proton kề bên đạt $J = 10,7$ Hz. Các giá trị $J$ nằm trong khoảng $10 - 12$ Hz là đặc trưng điển hình cho tương tác giữa hai proton đều ở vị trí axial (axial - axial). Điều này chứng minh các proton nằm ở trục axial, do đó các nhóm thế liên kết tại các nguyên tử carbon tương ứng bắt buộc phải định hướng ở mặt phẳng equatorial và có cấu hình trans với nhau.

3. Hợp chất lai 83 được tổng hợp từ những chất đầu nào và phản ứng xảy ra theo cơ chế gì?
Hợp chất lai 83 được tổng hợp thông qua phản ứng thế ái nhân giữa dẫn xuất 25-N-chloroacyl (hợp chất 81, lượng dùng 2,2 mmol) và tác nhân 3-mercapto-5,6-di(furan-2-yl)-1,2,4-triazine (2,2 mmol) có sự hiện diện của base NaOH trong dung môi acetonitrile ở nhiệt độ phòng. Nguyên tử lưu huỳnh mang điện tích âm (thiolate) đóng vai trò tác nhân nucleophile tấn công thế nguyên tử clo trên nhóm chloroacetyl, tạo liên kết thioether với hiệu suất đạt 68%.

4. Sự khác biệt về điều kiện phản ứng và hiệu suất giữa quá trình tổng hợp hợp chất 84 và hợp chất 85 là gì?
Cả hai hợp chất đều được tổng hợp bằng phản ứng alkyl hóa nhóm NH của dị vòng piperidone với chloroacetonitrile sử dụng base $K_2CO_3$ và xúc tác chuyển pha TEBAC trong dung môi acetonitrile. Tuy nhiên, hợp chất 84 (tổng hợp từ piperidone 78 mang 2 nhóm methyl) được thực hiện ở điều kiện đun hồi lưu trong 3 giờ và đạt hiệu suất 48%; trong khi hợp chất 85 (tổng hợp từ piperidone 80 mang nhóm methyl và phenyl) được thực hiện ở điều kiện làm lạnh 0 °C trong 3 giờ và đạt hiệu suất cao hơn, đạt 73%.

5. Những phương pháp hóa lý nào đã được sử dụng để khẳng định cấu trúc các hợp chất trong khóa luận?
Nghiên cứu đã sử dụng phối hợp 4 phương pháp phân tích hóa lý: (1) Đo điểm nóng chảy trên thiết bị Stuart SMP3; (2) Phổ hồng ngoại FT-IR trên máy Infralum FT-801 để xác định các nhóm chức đặc trưng ($C=O$ cetone, $C=O$ amide, $C\equiv N$, liên kết nhân thơm); (3) Phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1H$-NMR (500 MHz) trên máy Bruker XL-500 để xác định số lượng proton, độ dịch chuyển hóa học ($\delta$), độ bội và cấu hình lập thể ($J$); (4) Phổ khối lượng MS trên máy Finnigan MAT 95 XL để xác định khối lượng ion phân tử $[M^+]$ phù hợp với công thức phân tử lý thuyết.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành việc xây dựng quy trình tổng hợp hệ dị vòng ngưng tụ piperidonoaza-14-crown-4 ether (hợp chất 78 và 80) thông qua phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Petrenko – Kritchenko cải tiến sử dụng amoni acetate. Từ các khung trung gian này, tác giả đã chuyển hóa thành công để tạo ra 4 dẫn xuất azacrown ether mới bao gồm dẫn xuất N-chloroacetyl (81), dẫn xuất lai ghép 1,2,4-triazine mang hai vòng furan (83) và hai dẫn xuất N-cyanomethyl (84, 85) với hiệu suất phân lập từ 48% đến 73%. Cấu trúc phân tử và cấu hình lập thể trans-equatorial của toàn bộ các hợp chất tổng hợp đã được xác định tường minh bằng hệ thống phổ FT-IR, $^1H$-NMR và MS, đồng thời được sàng lọc hoạt tính sinh học ban đầu bằng phần mềm PASS, tạo tiền đề khoa học thực nghiệm cho các nghiên cứu phát triển hoạt chất chống ung thư tiếp theo.