Nghiên Cứu Tổng Hợp Hợp Chất 8-Hidroxiquinolin và Ứng Dụng Trong Hóa Học

Khóa luận tốt nghiệp hóa học tổng hợp nghiên cứu 1,4 clorophenyl 3,8 hiđroxiquinolin và các hợp chất liên quan, mang lại kiến thức mới trong lĩnh vực hóa học.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thương
• Người hướng dẫn: Th.S Lê Văn Đăng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Hợp Chất 8-Hidroxiquinolin và Ứng Dụng Trong Hóa Học
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. PHẦN MỞ ĐẦU
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.2. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 2.1. PHẢN ỨNG THẾ ELECTROPHIN VÀO NHÂN THƠM
• 2.1.1. Đặt vấn đề
• 2.1.2. Cơ chế
• 2.1.2.1. Cơ chế phức x
• 2.1.2.2. Cơ chế phức ø
• 2.1.2.3. Xác nhận sự hình thành E'
• 2.1.2.4. Sự hình thành phức ø
• 2.1.2.5. Dung môi và xúc tác
• 2.1.3. Giới thiệu một số phản ứng thế electrophin của nhân thơm
• 2.1.4. Tốc độ phản ứng tương đối so với chất chuẩn là benzen
• 2.1.5. Quy luật thế với trường hợp nhân thơm có 1 nhóm thế Z
• 2.1.6. Quy luật thế với nhân benzen có 2 nhóm thế
• 2.1.7. Phản ứng thế của hợp chất thơm vòng ngưng tụ
• 2.1.7.1. Các dị vòng 5 cạnh
• 2.1.7.2. Các dị vòng 6 cạnh
• 2.1.7.3. Các dị vòng ngưng tụ với benzen
• 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP FORMYL HÓA NHÂN THƠM

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hợp Chất 8 Hidroxiquinolin Trong Hóa Học

Hợp chất 8-Hidroxiquinolin là một trong những hợp chất hữu cơ quan trọng trong hóa học. Nó thuộc nhóm hợp chất dị vòng và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như dược phẩm, hóa phân tích và hóa học hữu cơ. Sự quan tâm đến tổng hợp hóa học của hợp chất này ngày càng tăng do tính chất hóa học độc đáo và khả năng tạo phức với các ion kim loại. Nghiên cứu về 8-Hidroxiquinolin không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của nó mà còn mở ra nhiều hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

1.1. Đặc Điểm Hóa Học Của 8 Hidroxiquinolin

Hợp chất 8-Hidroxiquinolin có cấu trúc đặc trưng với vòng quinolin và nhóm hydroxyl. Tính chất hóa học của nó cho phép tạo phức với nhiều ion kim loại, làm cho nó trở thành một chất phân tích hữu ích trong hóa học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hợp chất này có khả năng kháng khuẩn và chống nấm, mở ra cơ hội ứng dụng trong y học.

1.2. Lịch Sử Nghiên Cứu 8 Hidroxiquinolin

Lịch sử nghiên cứu về 8-Hidroxiquinolin bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20. Các nhà khoa học đã phát hiện ra tính chất kháng khuẩn của nó và từ đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khám phá thêm về ứng dụng của hợp chất này trong y học và hóa học phân tích.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Hợp Chất 8 Hidroxiquinolin

Mặc dù 8-Hidroxiquinolin có nhiều ứng dụng tiềm năng, nhưng việc tổng hợp và nghiên cứu tính chất của nó vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tinh khiết của sản phẩm tổng hợp, khả năng tạo phức với các ion kim loại và tính ổn định của hợp chất trong môi trường khác nhau là những vấn đề cần được giải quyết. Những thách thức này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải phát triển các phương pháp tổng hợp mới và cải tiến quy trình phân tích.

2.1. Vấn Đề Độ Tinh Khiết Trong Tổng Hợp

Độ tinh khiết của 8-Hidroxiquinolin là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng. Việc loại bỏ các tạp chất trong quá trình tổng hợp có thể ảnh hưởng đến tính chất hóa học và khả năng tạo phức của hợp chất. Do đó, cần có các phương pháp phân tích chính xác để đảm bảo độ tinh khiết cao.

2.2. Khả Năng Tạo Phức Với Ion Kim Loại

Khả năng tạo phức của 8-Hidroxiquinolin với các ion kim loại là một trong những đặc điểm nổi bật của nó. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các điều kiện tối ưu để tạo phức và ổn định phức là một thách thức lớn. Các yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ ion kim loại cần được kiểm soát chặt chẽ.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Hợp Chất 8 Hidroxiquinolin

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp 8-Hidroxiquinolin, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp này bao gồm phản ứng formyl hóa, phản ứng alkyl hóa và các phương pháp tổng hợp khác. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp không chỉ phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu mà còn vào tính khả thi và hiệu quả của quy trình tổng hợp.

3.1. Phản Ứng Formyl Hóa 8 Hidroxiquinolin

Phản ứng formyl hóa là một trong những phương pháp chính để tổng hợp 8-Hidroxiquinolin. Phương pháp này sử dụng các tác nhân formyl hóa như formyl chloride và xúc tác axit để tạo ra sản phẩm mong muốn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều kiện phản ứng như nhiệt độ và thời gian có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tổng hợp.

3.2. Phản Ứng Alkyl Hóa Trong Tổng Hợp

Phản ứng alkyl hóa cũng là một phương pháp quan trọng trong tổng hợp 8-Hidroxiquinolin. Phương pháp này cho phép tạo ra các dẫn xuất của hợp chất, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng là cần thiết để đạt được sản phẩm với độ tinh khiết cao.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hợp Chất 8 Hidroxiquinolin

Hợp chất 8-Hidroxiquinolin có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như dược phẩm, hóa phân tích và công nghiệp. Trong dược phẩm, nó được sử dụng để phát triển các loại thuốc kháng khuẩn và chống nấm. Trong hóa phân tích, hợp chất này được sử dụng để xác định các ion kim loại trong mẫu. Những ứng dụng này cho thấy tầm quan trọng của 8-Hidroxiquinolin trong nghiên cứu và phát triển.

4.1. Ứng Dụng Trong Dược Phẩm

Trong lĩnh vực dược phẩm, 8-Hidroxiquinolin được nghiên cứu để phát triển các loại thuốc điều trị bệnh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hợp chất này có khả năng kháng khuẩn và chống nấm, làm cho nó trở thành một ứng viên tiềm năng cho các loại thuốc mới.

4.2. Ứng Dụng Trong Hóa Phân Tích

Hợp chất 8-Hidroxiquinolin cũng được sử dụng trong hóa phân tích để xác định các ion kim loại. Khả năng tạo phức với các ion kim loại giúp nó trở thành một chất phân tích hữu ích trong việc xác định nồng độ của các ion này trong mẫu.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Hợp Chất 8 Hidroxiquinolin

Nghiên cứu về 8-Hidroxiquinolin đã mở ra nhiều cơ hội mới trong hóa học và dược phẩm. Mặc dù còn nhiều thách thức trong việc tổng hợp và ứng dụng, nhưng tiềm năng của hợp chất này là rất lớn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải tiến các phương pháp tổng hợp và mở rộng ứng dụng của nó trong thực tiễn.

5.1. Tiềm Năng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Tiềm năng nghiên cứu về 8-Hidroxiquinolin trong tương lai là rất lớn. Các nhà khoa học có thể khám phá thêm về tính chất hóa học và ứng dụng của hợp chất này trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ dược phẩm đến hóa phân tích.

5.2. Hướng Đi Mới Trong Ứng Dụng

Hướng đi mới trong ứng dụng của 8-Hidroxiquinolin có thể bao gồm phát triển các loại thuốc mới và cải tiến quy trình phân tích trong hóa học. Những nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về hợp chất mà còn đóng góp vào sự phát triển của ngành hóa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề - Phan ứng thế electrophin S; xảy ra do sự tấn công của tiểu phân tử thiếu electron vào trung tâm phản ứng giàu electron của chất ban đầu.) Sơ đồ chung như sau: R—z + EY —> R—t + @ - Chat ban đầu phải có trung tâm có mật độ electron lớn như những hợp chất thom aren, các hợp chất chưa no hoặc những hợp chất no được hoạt hóa bằng những nhóm thế cho electron - Tac nhân cho electrophin là những tac nhân có obitan trồng như các ion dương hoặc —. SVTH: Nguyên Thị Thương 3 Dé tài tỏi nghiệp GVHD: Th.S Lé Van Dang những obitan chưa được chat day. Do vòng thơm có mật độ electron cao, để tương tac với tác nhân electrophin nên phan ứng thẻ đặc trưng va phô biến hơn ca ở các hợp chat thơm là thẻ electrophin.2- Cơ chế: Xét vẻ mặt lý thuyết, phản ứng giữa chất thom ArH va tác nhân electrophin E` tạo sản phẩm ArE vả H” cỏ thé xảy ra theo 3 cơ chế : Cơ chẻ | : cơ ché | giai đoạn tương tự cơ chế S„2: E' +Ar-H ->[E”".H" ]—» E-Ar+H” trạng thái chuyền tiếp Ca chế 2 - Cơ chế 2 giai đoạn đơn phân tử, tương tự cơ chế S„l: Ar-H—*—>Ar — Ar E chậm cacbanion Cơ chế 3 : Cơ chế 2 giai đoạn lưỡng phân tử ( cơ chế phức ø ): H ba 1.1- Cơ chế phứcx Khi tác nhân electrophin tác dụng với nhân benzen trước hết tạo được phức như là một tiểu phân trung gian không bèn. Trong phức 2, hệ electron của nhân thơm vẫn được bảo toàn.

hey Tốc độ tạo thành và phân hủy phức xảy ra rất nhanh, ảnh hưởng của hiệu ứng electron của nhóm thé đến tính ôn định của phức x không lớn vì sự chuyền dịch điện tích trong phức x rất nhỏ. Sự tạo thành phức x thực sự không làm ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng cũng như bản chất của sản phẩm tạo thành.2- Cơ chế phức - Phức ø hay ion benzoni là hợp chất trung gian mang điện tích đương tập trung trong SVTH: Nguyễn Thị Thương 4 Dé tai tốt nghié GVHD: Th.S Lé Van Dang Phức ø có một số cấu trúc cộng hướng gan giống loại supcrallyl có điện tich đương phân bỏ trên 3 của Š obitan p: H MH H H 4 H H H kẻ =Ö—Ö~Ó + + + Hệ này trở thành không thơm, có hai vị trí ortho giếng nhau và một vị trí para mang điện tích đương. còn hai vị trí trong đương nhau là meta mang điện tích dương về hình thức. Song có mang bản chất điện tích đương vì 2 vị trí bên cạnh mang điện tích dương.

a) Về cơ chế Í*Ì - Phản ứng cũng xảy ra qua hợp chất trung gian phức ø quyết định tốc độ phản ứng. Vj trí tấn công của tác nhân electrophin cũng là vị trí có mật độ electron lớn hơn và hướng thế cũng phụ thuộc vào độ bền của phức ơ. - Swhinh thành phức o cỏ sự thay đổi trạng thái lai hóa từ Csp` thành Csp’ nên đã phá hủy tính thơm của nhân benzen. b) Sự phân lập phức - Phản ứng đòi hỏi xúc tác thường là axit proton mạnh như H2SO, hay axit Lewis dạng halogenua kim loại như : AIC]:, FeBr;, ZnBr;.

- _ Ngoại trừ phản ứng sunfo hóa, cơ chế chung của phản ứng là cơ chế 2 giai đoạn: s% Giai đoạn |: Giai đoạn hình thành tác nhân E” là giai đoạn chậm hơn, và là giai đoạn hình thành phức ø. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào giai đoạn này và không phụ thuộc vào bản chất của chất ban đầu. SVTH: Nguyên Thị Thương 3 Đề tài tốt nghié GVHD- Th.S Lẻ Văn Đăng Phức ø được an dịnh bởi cộng hưởng nhưng kém bén hơn aren đầu vi đã mắt tính thơm. HE H JE H E ®› © phức o phức ø » Giai đoạn 2; Giai đoạn phân cắt proton từ phức ơ và thơm hóa lại.

Nghĩa là giai đoạn tách proton 1a giai đoạn chậm. H, E —— = + | : c) Xác nhận sự hình thành E'` : Bằng nhiều phương pháp khác nhau, người ta đã chứng minh được sự có mặt của E” như : NO;, Br, hay Brạ-MXn, BrO”H;, Cl; hay Clp-MXn, CIOH;, SO;, R;C”, RCH;X MXn, RC=O', R-COX-MXn, H”, R;C=OˆH, R,CO="MXn, HCE=N”H, N=O”, Ar-N”=N, % Tác nhân E’; Tác nhân E” là một axit Lewis , nghĩa là thiếu electron có ảnh hường tới tốc độ phản ứng và tỷ lệ đồng phân: - _ Tác nhân càng hoạt động thì trạng thái chuyển xuất hiện sớm hơn và trạng thái chuyển giếng với chất ban đầu hơn là phức Ø, điện tích dương trong vòng nhỏ, tương tác với nhóm thế yếu. - _ Tác nhân kém hoạt động thi trạng thái chuyến xuất hiện muộn hơn. liên kết mới với electrophin tạo thành hoàn toàn hơn và vòng có điện tích dương lớn, tương ứng với ảnh hưởng mạnh của nhóm thế.

Như vậy, tác nhân có sự lựa chọn chất ban đầu. Tác nhân cũng làm ảnh hưởng tới sản phẩm thế ở các vị trí khác nhau trong phân tử ban đầu. Vậy: Phản ứng của tác nhân càng cao tính chọn lọc của nó cảng nhỏ và ngược lại. d) Sự hình thành phức ø: - Khi tạo thành phức ơ, phức đó có thé bền vững theo hai hương khác nhau _—mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmaaaammmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm SVTH: Nguyên Thị Thương 6 Để tài tốt nghiệ GVHD: ThS Lẻ Van Đăng + Cộng anion Yˆ dé tạo thành hệ thông ciclohexađien (1) có năng lượng liên hợp khoảng 35 kecal/mol.

+ Tach proton dé tạo hệ liên hợp thom (II) cỏ năng lượng liên hợp khoảng 36 kcal/mol. e) Dung môi và xúc tác: Dung môi cũng ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng cũng như tỷ lệ đồng phân. Ảnh hưởng của dung môi biểu hiện mạnh trong những phản ứng có hiệu ứng đồng vi, tức giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là giai đoạn phân hủy phức ơ. - Một số dung môi thường dùng như: CH;COOH, CH;NO;, HCIO;¿, C¿H;CH;,.

Phan ứng thế SeAr thường dùng xúc tác Friedel-Crafts có khả năng tạo phức cho nhận. Lực nhận của các xúc tác giảm theo thứ tự sau: ALBr, > AlCl, > Fe;Cl, > SbCl, >SnCl, > BF; > TiCl, >ZnCl, > HF > H;SO, > P;O; > H;PO¿. - Phan ứng thế eletrophin cũng chịu anh hưởng của nhiệt độ, thường thì khi tăng nhiệt độ thì tăng tếc độ phản ứng và tăng hiệu suất đỗng phân meta và ortho.3- Giới thiệu một số phan ứng thé electrophin của nhân thơm S,2Ar :PII Do độ hoạt động của các tác nhân khác nhau, mỗi phản ứng trên chỉ xảy ra trong phạm vi nhất định tùy theo khả năng phan ứng của hợp chất thơm. Phản ứng thế hydro của nhân thơm - Phind lôi hyd phản ứng halogen hóa: - Phan ứng nitro hóa: ————————E—E——EEEE—_{[{_{_———————————— SVTH; Nguyên Thị Thương 7 Để tải tốt nghiệp GVHD: Th Lẻ Văn Dang Phan ứng ghép diazoni: - Phản ứng sunfohda: s Phan ứng fomylhóa Gattecman-Koch.

¢ Phan ứng fomylhóa Gatterman. « Phan ứng fomylhóa Vilsmeier. « Phan ứng fomyl hóa Reimer-tiemann. ø Ngoài ra còn nhiều phương pháp khác như: Formyl hóa bằng clorometylen đibenzoat và điclorometyl ankyl ete, fomylhoa bằng tác nhân fomylclorua, fomylhoa bằng tác nhân cloroankyl ete,.

Mặt khác, cũng có những phản ứng mà nhóm đi ra không phải là hydro như: phản ứng deanky! hóa, phản ứng decacboxyhoa, phan ứng decacbonyl hóa, phản ứng Jacobsen, phan ứng đesunfohóa, phản ứng dehalogen hóa, phản ứng thủy phân các hợp chat cơ kim,. reel SVTH: Nguyên Thị Thương 8 se Tốc độ phản ứng tương đối so với chất chuẩn là benzen. se Ty lệ phần trăm giữa các sản phẩm đồng phân ortho, meta, para tức là sự định hướng sản phẩm thé , 4 Lê kha năng phan ứng: Mật độ electron trong nhân benzen ma lớn thi tác dụng của E” càng dé. Do đó các nhóm có hiệu img +1, +C làm tăng khả năng phan ứng, còn các nhóm có hiệu ứng -1, -C làm giảm khả năng phản ứng.1- Qui luật thế với trường hợp nhân thơm có 1 nhóm thế Z Nghiên cứu ảnh hưởng nhóm có sẵn Z đến phản img SzAr để gắn tiếp nhóm thứ hai vào vòng qua việc xác định: © Ti lệ % các sản phẩm thế ortho-para-meta ¢ Tốc độ tương đối của phản ứng và giá trị tốc độ phần của từng vị trí o-, m-, p- so với vị trí đồng giá trị của benzen, người ta có thé chia làm 2 loại: Nhóm thé loại | định hướng o-p-; và nhóm thé loại 2 định hướng m-.

Bảng 1: Một số nhóm thế trên nhân thơm Nhóm thể loại 1 Nhóm thé loại 2. Định hướng ortho và para : : = s= -CH;CI -CH=CH-NO; -NH-CO-R -COOR -CHO SVTH: Nguyễn Thị Thương : Các nhóm tang hoạt ( hoạt hóa ) là nhóm nói chung day electron, làm tăng tốc độ tương đối của phán ứng S¿2Ar định hướng cho nhóm thế mới ưu tiên đi vào ortho và para.Í”Ì CH; Hs 3 Hy 2 NOM po, 2% ' 1 63% 34% % NO; NO; - Các nhóm giảm hoạt ( phản hoạt hóa ) là nhóm có hiệu ứng nói chung là rút electron, làm giảm tốc độ phản ứng Sg2Ar và định hướng cho nhóm thế mới đi vào vị trí meta. Để giải thích về độ phản ứng và sự định hướng ta có thể xét : + Trạng thái của Benzen 1 nhóm thế Z: Thực chất là ta xét trạng thái trung gian của phản ứng, là trạng thái mà phân tử chất nền đã chịu tác kích của tác nhân phản ứng. Phức trung gian ơ mang điện tích dương , do đó: 4 Xét các chất có ban chất day electron: Sự day electron của nhóm thế ảnh hưởng mạnh nhất là vị trí cacbon gần nhất tức nguyên tir cacbon mang nhómthé.

Do đó : © Phức o ortho cũng như para có cơ cấu công hưởng điện tích dương trên cacbon mang SVTH: Nguyên Thị Thương 10 Dé tai tốt nghiệ, GVHD: Th S Lê Văn ° Trường hợp các nhóm thế như halogen có hiệu ứng +C < -I nhưng trong phản ứng thé, hiệu ứng +C lại chiếm ưu thế ưu tiên tác động đến độ ổn định của trạng thái chuyển tiếp và phức ơ nên các halogen sẽ đẩy electron làm giải tòa điện tích cho cacbon mang điện tích dương mang nhóm thé halogen vi vậy làm cho các phức o ortho va para an định hơn và bền hơn. Cho nên là nhóm giảm hoạt nhưng các halogen cũng là các nhóm định hướng ortho và para. SVTH: Muyệt Thị Thương 1] Dé tải to1 nghiệ GVHD: Th.S Lẻ Văn Dan rs Ví dụ : - Sy rút electron của nhóm —CN cũng ảnh hưởng mạnh nhất vào cacbon gần nhất, do đó : © Phức o ortho và para có điện tích dương trên nguyên tử cacbon mang nhóm thế, chịu ảnh hưởng mạnh của sự rút electron của nhóm thế -CN làm tăng điện tích dương. Như vậy các phức ortho va para kém bên .