CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng hợp các dẫn xuất thiophene Thiophene là một dị vòng thơm năm cạnh có chứa lưu huỳnh được cô lập lần đầu tiên từ hắc ín bởi Victor Meyer từ năm 1883. Các dẫn xuất thiophene là một trong những lớp hợp chất dị vòng phổ biến và quan trọng trong các hợp chất thiên nhiên. Ví dụ như trong các cây thuộc họ Cúc chi Vạn thọ, Ngải, Đại bi… các thiophene đóng vai trò là các chất chuyển hóa thứ cấp, được tạo ra do cơ chế phòng vệ hóa học của cây [36]. Với khả năng kháng vi khuẩn phổ rộng, kháng tế bào ung thư và chống oxy hóa, nhiều hợp chất chứa vòng thiophene là thành phần chính của một số thuốc chữa bệnh đã được cấp phép từ lâu như Cefoxitin, Raltitrexed, Articaine… [90] Bên cạnh đó, các dẫn xuất thiophene có thể polymer hóa tạo thành polythiophene.
Đây là loại vật liệu thông minh có khả năng dẫn điện linh hoạt, dễ điều chỉnh hoặc thay đổi màu sắc rõ ràng khi có các kích thích bên ngoài. Bởi vậy, polythiophene đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong pin nhựa mặt trời, diot phát quang [53]. Thiophene và một số dẫn xuất thiophene. Do được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, các phương pháp tổng hợp dẫn xuất thiophene đã được quan tâm nghiên cứu từ lâu nên rất đa dạng và phong phú.
Một cách sơ lược, các phản ứng hình thành vòng thiophene có thể được xếp vào 15 hai loại chính là phản ứng không sử dụng hợp chất chứa kim loại chuyển tiếp và phản ứng có sử dụng hợp chất chứa kim loại chuyển tiếp. Các dẫn xuất thiophene có thể thu được bằng các phản ứng ngưng tụ không cần sự có mặt của các hợp chất kim loại chuyển tiếp. Một số phản ứng ngưng tụ tổng hợp thiophene điển hình được chỉ ra trong Sơ đồ 1. Phản ứng Paal-Knorr là phản ứng đóng vòng ngưng tụ của các hợp chất 1,4-dicarboxyl với các tác nhân sulfur hóa như P4S10 hoặc H2S (eq.
Phản ứng Fiesselmann là phản ứng của các dẫn xuất thioglycolic acid với α,β-acetylenic ester trong môi trường base tạo thành các 3- hydroxy-2-thiophene carboxylic (eq. Phản ứng Hinsberg tổng hợp các thiophene carboxylic acid từ 1,2-diketone và dialkyl thiodiacetate (eq. Nhìn chung, các phản ứng ngưng tụ cổ điển tổng hợp vòng thiophene thường đạt hiệu suất không cao, điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Tuy sau này đã được phát triển và cải tiến thêm nhưng chất đầu chứa lưu huỳnh của phản ứng vẫn không dễ tổng hợp, có mùi khó chịu, độc hại [43].
Một số phản ứng ngưng tụ cổ điển tạo vòng thiophene. Các phản ứng tổng hợp vòng thiophene có thể được xúc tác hoặc điều tiết bởi các hợp chất chứa kim loại chuyển tiếp như Cu, Rh, Pd. Một số phản ứng được phát triển gần đây thuộc phản ứng loại này được chỉ ra trong Sơ đồ 1. Phương pháp tổng hợp vòng thiophen sử dụng hợp chất kim loại chuyển tiếp có ưu điểm là độ chọn lọc cao, hiệu suất tốt.
Tuy nhiên, việc xử lý kim loại nặng có trong sản phẩm thô có thể làm phức tạp thêm quá trình tinh chế, kém thân thiện với môi 16 trường. Bên cạnh đó, các hợp chất của kim loại chuyển tiếp thường có giá cả đắt đỏ, làm giảm hiệu quả kinh tế của phản ứng tổng hợp [1]. Một số phản ứng tạo vòng thiophene có sử dụng kim loại chuyển tiếp. Tổng hợp hữu cơ hiện đại ngày nay luôn hướng đến các phương pháp tổng hợp mới hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường hơn.
Nằm trong xu hướng này, các phản ứng tổng hợp vòng thiophen sử dụng lưu huỳnh là một lựa chọn đầy hứa hẹn do lưu huỳnh là một nguồn nguyên liệu rẻ tiền, không độc hại.1 Tổng hợp các 2-aminothiophene sử dụng lưu huỳnh Các hợp chất 2-aminothiophene có khả năng áp dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ, thuốc nhuộm, vật liệu thông minh, chế phẩm nông nghiệp. Đặc biệt trong lĩnh vực dược phẩm, các 2-aminothiophene thể hiện hoạt tính sinh học đa dạng như chống viêm, kháng khuẩn, chống tế bào ung thư và đã được sử dụng làm các thuốc thương mại như Osseor chữa loãng xương, T-62 chữa đau dây thần kinh, Tinoridine chống sưng tấy (xem Hình 1. Các phương pháp tổng hợp bộ khung 2-aminothiophene được phát triển không ngừng, rất đa dạng và phong phú như các phản ứng sử dụng xúc tác đồng thể hoặc dị thể. Trong xu hướng tổng hợp xanh hiện nay, các phản ứng đa thành phần điều chế các 2-aminothiophene trong đó sử dụng trực tiếp lưu huỳnh nhận được nhiều chú ý do tính hiệu quả và chi phí thấp [8].
Một số dẫn xuất 2-aminothiophene dùng làm thuốc. Phản ứng Gewald được phát hiện từ năm 1966 cho đến nay vẫn là một trong những phương pháp tốt nhất để tổng hợp bộ khung 2-aminothiophene [76]. Khi ngưng tụ một ketone hoặc aldehyde 1 với α-cyano carbonyl 2 có mặt lưu huỳnh và base làm xúc tác sẽ tạo thành các 2-aminothiophene đa nhóm thế trong đó luôn có nhóm thế hút electron ở vị trí số 3 (Sơ đồ 1. Phản ứng Gewald tổng hợp các 2-aminothiophene.
Năm 2008, Aurelio và các cộng sự đã thực hiện phản ứng Gewald qua hai giai đoạn tách biệt để thu được các 2-amino-4-(3-trifluoromethylphenyl)thiophene (Sơ đồ 1. Giai đoạn đầu là phản ứng Knoevenagel giữa 3-trifluoromethylacetophenone và 18 benzoylacetonitrile hoặc ethyl cyanoacetate tạo thành sản phẩm 3. Giai đoạn sau là phản ứng đóng vòng của 3 với lưu huỳnh có mặt xúc tác base [6]. Quá trình điều chế không thể tiến hành liên tiếp trong một bình phản ứng và cần phân tách sản phẩm 3.
Tổng hợp các 2-amino-4-(3-trifluoromethylphenyl)thiophene. Khi trong ketone hoặc aldehyde ban đầu có chứa nhóm cyano, phản ứng Gewald vẫn có thể xảy ra một cách chọn lọc. Puterova sử dụng các hợp chất thơm 3- oxo nitrile 4 phản ứng với methylcyanoacetate hoặc malonodinitrile 5 có mặt lưu huỳnh và morpholine tạo thành bộ khung 2-amino-5-cyanothiophene mang vòng thơm ở vị trí C4 (Sơ đồ 1. Tổng hợp các 2-amino-5-cyanothiophene.
Phản ứng Gewald có thể được thúc đẩy bằng cách sử dụng năng lượng vi sóng. Năm 2011, Revelant và các cộng sự đã báo cáo về phản ứng của dẫn xuất carbonyl 6, nitrile 7 với lưu huỳnh khi có mặt morpholine đóng vai trò làm base xúc tác trong điều kiện vi sóng tạo thành các dẫn xuất 2-aminothiophene mang nhóm thế hút electron như carboxamide, ester hay cyano ở vị trí số 3 (Sơ đồ 1. Phản ứng Gewald sử dụng năng lượng vi sóng. Năm 2014, Yan và các cộng sự đã báo cáo về tổng hợp bộ khung 2- aminothiophene thông qua phản ứng mở vòng 2,3-diarylcyclopropane 8 dưới các điều kiện của phản ứng Gewald sử dụng lưu huỳnh trong DMF có mặt morpholine làm base xúc tác (Sơ đồ 1.
Do chất đầu cyclopropane 8 của phản ứng luôn cần có nhóm p-nitrobenzyl nên cấu trúc sản phẩm thu được không đa dạng. Phản ứng Gewald loại mở vòng. Gần đây, điều kiện của phản ứng Gewald đã được chứng minh là phù hợp với các boronat 9, tạo thành các 2-aminothiophene tương ứng. Nhóm boronat có thể dễ dàng chuyển thành các nhóm chức khác bằng các phương pháp ghép mạch đã biết (Sơ đồ 1.
Tổng hợp các boronat sử dụng phản ứng Gewald. Phản ứng bốn thành phần Michael-Gewald được phát triển để tăng nhanh tốc độ chuyển hóa phân tử. Với mục đích này, hợp phần carbonyl 11 của phản ứng Gewald được tạo thành bằng phản ứng cộng liên hợp của các dẫn xuất indol khác nhau 10 vào các α, β-aldehyde không no (Sơ đồ 1. Tiếp sau là phản ứng ba thành phần Gewald dẫn đến sự hình thành hợp chất 12 mang nhóm indole và nhóm 2- aminothiophene cách nhau một nguyên tử carbon [95].
Phản ứng bốn thành phần Michael-Gewald. Hợp chất carbonyl trong phản ứng Gewald có thể được thay thế bằng một benzylidenemalononitrile 13, hợp chất 2-aminothiophene mang nhóm coumarin– thiazole dễ dàng sinh ra khi ngưng tụ một aldehyde với malononitrile (Sơ đồ 1. Đặc biệt, phản ứng bốn thành phần gồm aldehyde, acetonitrile, malononitrile và lưu huỳnh có thể được tiến hành trực tiếp với xúc tác proline [48]. Phản ứng một bình bốn thành phần tổng hợp vòng thiophene.
Phản ứng Gewald cũng đã được phát triển cho cả các hợp chất chalcone 14, arylacetonitrile (Sơ đồ 1. Trong bước thứ nhất, các chalcone và arylacetonitrile dễ dàng phản ứng với nhau tạo thành sản phẩm cộng Michael 15 khi có xúc tác base mạnh là DBU. Sau đó, DABCO được sử dụng làm xúc tác base để thienyl hóa 4- cyano-1-propanone 15 tạo thành một loạt các dẫn xuất 2-aminothiophene 16 [70]. Tổng hợp các 2-amino-3-arylthiophene.
22 Rất gần đây, Jiang và các cộng sự đã báo cáo về phản ứng của các enaminone 17 và methylene nitrile có mặt lưu huỳnh tạo nên các 2-aminothiophene không mang nhóm thế ở vị trí số 3 nhưng có nhóm benzoyl ở vị trí số 4 (Sơ đồ 1. Tổng hợp các 2-aminothiophene từ enaminone.2 Tổng hợp các arylthiophene sử dụng lưu huỳnh Các arylthiophene xuất hiện trong một số hợp chất mang hoạt tính sinh học và đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện như diot phát quang, bóng bán dẫn [43]. Bên cạnh các 2-aminothiophene, một số dẫn xuất của thiophene mang nhóm thế là các nhân thơm cũng đã được tổng hợp thành công thông qua phản ứng vòng hóa sử dụng trực tiếp lưu huỳnh. Sự ngưng tụ sulfur hóa của các ketone.
23 Acetophenone 18 tạo ra diarylthiophene 19 khi đun nóng với lưu huỳnh (Sơ đồ 1. Phản ứng được xúc tác bởi aniline và Bronsted acid mạnh như PTSA thông qua sự hình thành bộ khung but-2-en-1-one trong 20 hoặc dẫn xuất imine của 20 với aniline [67]. Bộ khung but-2-en-1-one có thể thu được bằng nhiều phương pháp. Deng và cộng sự đã thực hiện quá trình ngưng tụ giữa phenylacetaldehyde 21 và 1,3-diketone (22, R = Alkyl) hoặc β-ketoester (22, R = OAlkyl) với K2CO3 / KHCO3 (3,5 equiv) làm chất xúc tác base và sự có mặt của lưu huỳnh (Sơ đồ 1.
Quá trình ban đầu tạo thành 23 có bộ khung but-2-en-1-one, sau đó đồng phân hóa thành but-3-en-1-one 24. Hợp chất 24 phản ứng với lưu huỳnh tạo thành dẫn xuất thiophene 25 [104]. Phản ứng ba thành phần tổng hợp các 2-arylthiophene. Dihydrofuran 30 là một chất tương đương tổng hợp với but-3-en-1-one 24 có thể phản ứng với lưu huỳnh khi có mặt morphin làm xúc tác theo hướng tương tự (Sơ đồ 1.
Chất trung gian 30 tạo ra trong môi trường nước từ phản ứng ba thành phần giữa penta-2,4-dione 26, benzaldehyde 27 và α-pyridiniumacetophenone bromide 29 (được tạo ra từ phản ứng giữa phenacyl bromide 28 và pyridine) có mặt xúc tác triethylamine. Cuối cùng sự sulfur hóa bởi S8 sẽ tạo thành các 3-arylthiophene [2]. Phản ứng bốn thành phần tổng hợp các 3-arylthiophene. Sự kết hợp của aldehyde thơm và phenacyl bromide có thể được thay thế bằng chalcone 31 như một thành phần duy nhất (Sơ đồ 1.