Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp thiosemicarbazon từ aldehyd và keton thiên nhiên

Nghiên cứu tổng hợp tetra o cetylglycopyranosyl thiosemicarbazon từ aldehyd và keton thiên nhiên, mang lại ứng dụng tiềm năng trong hóa học.

• Tác giả: Trương Thị Thu
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Đình Thành
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp một số (tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon của một số aldehyd và keton thiên nhiên
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN I: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ ISOTHIOCYANAT
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ THIOSEMICARBAZIDE VÀ CÁC GLYCOSYL THIOSEMICARBAZIDE
• 1.2.1. Các phương pháp tổng hợp thiosemicarbazide
• 1.2.2. Phản ứng của isothiocyanat và hydrazin
• 1.2.3. Phản ứng khử thiosemicarbazon bằng NaBH4
• 1.2.4. Phản ứng của hydrazin với các dẫn xuất của acid thiocarbamic
• 1.2.5. Phản ứng của cyanohydrazin với hydro sulfide
• 1.2.6. Phản ứng tổng hợp dẫn xuất di- và trithiosemicarbazide từ các amin
• 1.2.7. Tính chất của thiosemicarbazide
• 1.2.7.1. Phản ứng với các aldehyd
• 1.2.7.2. Phản ứng đóng vòng của thiosemicarbazide tạo thiadiazol
• 1.2.8. Tính chất của các glycosyl thiosemicarbazide
• 1.3. TỔNG QUAN VỀ THIOSEMICARBAZON
• 1.4. TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ ALDEHYD, KETON THIÊN NHIÊN
• 1.5. SỬ DỤNG LÒ VI SÓNG TRONG HOÁ HỌC CARBOHYDRATE
• 2. PHẦN II: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glycopyranosyl)thiosemicarbazide
• 2.2. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glucopyranosyl)thiosemicarbazide
• 2.3. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-galactopyranosyl)thiosemicarbazide
• 2.4. Điều chế và tinh chế một số aldehyd và keton trong thiên nhiên
• 2.4.1. Điều chế menthone từ menthol
• 2.4.2. Tinh chế citral từ tinh dầu sả chanh
• 2.4.3. Tinh chế citronellal từ tinh dầu sả hồng (sả Java)
• 2.4.4. Điều chế camphor từ borneol
• 2.5. Tổng hợp 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon của một số aldehyd, keton thiên nhiên
• 2.5.1. Tổng hợp các 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glucopyranosyl)thiosemicarbazon
• 2.5.2. Tổng hợp các 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-galactopyranosyl)thiosemicarbazon của một số aldehyd, keton thiên nhiên
• 2.6. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi và xúc tác đến phản ứng của (2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glycopyranosyl)thiosemicarbazide với citral và citronellal
• 3. PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazide
• 3.2. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazide
• 3.3. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazide
• 3.4. Tổng hợp các 4-(2,3,4,6-tetra-O-axetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon của các aldehyd, keton thiên nhiên
• 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi và xúc tác tới phản ứng của (2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazide với citral và citronellal
• 3.6. Hoạt tính sinh học của 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon của các aldehyd và keton thiên nhiên
• 3.6.1. Khả năng kháng trực khuẩn Gram(-), cầu khuẩn Gram(+), nấm men và nấm sợi
• 3.6.2. Tác dụng chống oxy hoá
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thiosemicarbazon từ aldehyd và keton thiên nhiên

Nghiên cứu tổng hợp thiosemicarbazon từ aldehyd thiên nhiên và keton thiên nhiên đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Thiosemicarbazon là một hợp chất hữu cơ quan trọng, có nhiều ứng dụng trong y học và hóa học. Việc tổng hợp các hợp chất này từ nguồn nguyên liệu thiên nhiên không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao giá trị sử dụng của các hợp chất này trong thực tiễn.

1.1. Định nghĩa và vai trò của thiosemicarbazon trong hóa học

Thiosemicarbazon là hợp chất có cấu trúc đặc biệt, được tổng hợp từ aldehyd và thiosemicarbazide. Chúng có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm và chống ung thư. Các nghiên cứu cho thấy thiosemicarbazon có thể tạo phức với nhiều kim loại, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hóa học hữu cơ.

1.2. Tầm quan trọng của aldehyd và keton thiên nhiên trong tổng hợp

Aldehyd và keton thiên nhiên là nguồn nguyên liệu phong phú, có nhiều hoạt tính sinh học. Việc sử dụng chúng trong tổng hợp thiosemicarbazon không chỉ giúp tạo ra các hợp chất mới mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu việc sử dụng hóa chất tổng hợp.

II. Thách thức trong việc tổng hợp thiosemicarbazon từ aldehyd và keton

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tổng hợp thiosemicarbazon từ aldehyd và keton thiên nhiên cũng gặp phải một số thách thức. Các phương pháp truyền thống thường yêu cầu thời gian dài và hiệu suất không cao. Do đó, cần tìm kiếm các phương pháp mới hiệu quả hơn.

2.1. Những khó khăn trong phương pháp tổng hợp truyền thống

Phương pháp cổ điển để tổng hợp thiosemicarbazon thường mất từ 2-3 giờ và hiệu suất phản ứng không cao. Điều này làm tăng chi phí và thời gian nghiên cứu, ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng thực tiễn của các hợp chất này.

2.2. Cần thiết phải phát triển phương pháp mới

Việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới, như sử dụng lò vi sóng, có thể rút ngắn thời gian phản ứng xuống còn 5-8 phút và nâng cao hiệu suất lên đến 90%. Điều này mở ra cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng thiosemicarbazon.

III. Phương pháp tổng hợp thiosemicarbazon hiệu quả từ aldehyd và keton

Để tổng hợp thiosemicarbazon, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu thời gian thực hiện.

3.1. Phương pháp sử dụng lò vi sóng trong tổng hợp

Sử dụng lò vi sóng trong tổng hợp thiosemicarbazon đã chứng minh hiệu quả vượt trội. Phương pháp này giúp rút ngắn thời gian phản ứng và nâng cao hiệu suất, từ đó tạo ra các hợp chất có hoạt tính sinh học cao.

3.2. Các phản ứng hóa học chính trong tổng hợp thiosemicarbazon

Các phản ứng chính trong tổng hợp thiosemicarbazon bao gồm phản ứng giữa aldehyd và thiosemicarbazide. Phản ứng này có thể được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian và loại dung môi.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thiosemicarbazon trong y học

Các hợp chất thiosemicarbazon có nhiều ứng dụng trong y học, đặc biệt là trong việc phát triển thuốc kháng khuẩn và chống ung thư. Nghiên cứu cho thấy chúng có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn và nấm.

4.1. Khả năng kháng khuẩn và kháng nấm của thiosemicarbazon

Thiosemicarbazon đã được chứng minh có khả năng kháng lại nhiều loại vi khuẩn Gram(-) và Gram(+). Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các loại thuốc mới có hiệu quả cao trong điều trị nhiễm trùng.

4.2. Tiềm năng chống ung thư của thiosemicarbazon

Nghiên cứu cho thấy thiosemicarbazon có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư. Các hợp chất này có thể được phát triển thành các liệu pháp điều trị mới, mang lại hy vọng cho bệnh nhân ung thư.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu thiosemicarbazon

Nghiên cứu tổng hợp thiosemicarbazon từ aldehyd và keton thiên nhiên không chỉ mang lại những hiểu biết mới trong hóa học hữu cơ mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong y học và công nghiệp. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều phương pháp mới và hiệu quả hơn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu thiosemicarbazon

Với sự phát triển của công nghệ và phương pháp tổng hợp mới, nghiên cứu thiosemicarbazon sẽ tiếp tục mở rộng. Các hợp chất mới có thể được phát triển từ nguồn nguyên liệu thiên nhiên, góp phần vào sự phát triển bền vững.

5.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác ngoài y học

Ngoài y học, thiosemicarbazon còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như nông nghiệp, hóa học vật liệu và công nghệ sinh học. Điều này cho thấy tiềm năng to lớn của các hợp chất này trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển mạnh mẽ của hóa dược hiện đại, việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất lai tạo giữa dẫn xuất carbohydrate và các dị vòng có hoạt tính sinh học đang mở ra nhiều triển vọng to lớn. Theo các báo cáo ngành dược phẩm, hơn 70% các phân tử hoạt tính sinh học mới gặp trở ngại về sinh khả dụng do tính tan kém, trong khi các hợp chất đường phân cực lại là chìa khóa lý tưởng giúp cải thiện độ tan trong môi trường nước và ethanol. Đồng thời, nhóm chức thiosemicarbazon từ lâu đã được chứng minh sở hữu phổ hoạt tính đa dạng như kháng khuẩn, kháng nấm, ức chế virus và chống oxy hóa.

Tuy nhiên, phương pháp nhiệt phân cổ điển để tạo khung thiosemicarbazon thường đòi hỏi thời gian đun hồi lưu kéo dài từ 2 đến 16 giờ nhưng chỉ đạt hiệu suất trung bình từ 45% đến 60%. Nhằm giải quyết triệt để hạn chế này, luận văn thạc sĩ hóa học hữu cơ thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tập trung nghiên cứu phản ứng tổng hợp chuỗi hợp chất (tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon từ D-glucose, D-galactose và các hợp chất carbonyl có nguồn gốc thiên nhiên như cinamaldehyd, menthone, camphor, citral và citronellal.

Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật chiếu xạ vi sóng công suất 800W giúp cắt giảm thời gian phản ứng xuống còn 8 phút, đồng thời gia tăng hiệu suất tổng hợp lên mức 78% đến 80%. Các sản phẩm sau tổng hợp được kiểm tra toàn diện về cấu trúc và đánh giá hoạt tính sinh học trên các chủng vi khuẩn Gram âm, Gram dương, nấm men, nấm sợi và khả năng bắt gốc tự do DPPH, đóng góp nền tảng quan trọng cho định hướng phát triển tân dược kháng sinh và chống lão hóa từ nguồn dược liệu Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng nền tảng lý thuyết phản ứng cộng hợp ái nhân (nucleophilic addition) trên nhóm isothiocyanat mang tính electrophil cao (-N=C=S). Khi tương tác với tác nhân nucleophil chứa hydro linh động như hydrazin hydrat, nguyên tử nitrogen bị proton hóa trong khi phần mang điện tích âm gắn vào carbon, chuyển hóa thành khung glycosyl thiosemicarbazide. Tiếp đó, phản ứng ngưng tụ giữa hợp phần hydrazin của thiosemicarbazide với nhóm carbonyl (>C=O) của các aldehyd hoặc keton thiên nhiên tạo thành liên kết azomethin (>C=N-) đặc trưng của thiosemicarbazon.

Bên cạnh đó, đề tài khai thác sâu lý thuyết hiệu ứng nhiệt điện môi vi sóng (microwave dielectric heating). Năng lượng bức xạ sóng ngắn ở tần số tiêu chuẩn 2,45 GHz gây ra sự phân cực phân tử và chuyển động ion ma sát, sinh nhiệt nhanh chóng mà không phụ thuộc vào gradien truyền nhiệt thông thường. Theo phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với hằng số tốc độ khi nhiệt độ tăng vọt trong thời gian cực ngắn, giúp giảm thiểu đáng kể năng lượng hoạt hóa và hạn chế tối đa các sản phẩm phụ phân hủy. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: cấu hình anomer β bền vững, hiệu ứng chắn dị hướng (anisotropic effect) của liên kết đôi, nhóm bảo vệ ester acetyl và hoạt tính dập tắt gốc tự do.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu chuẩn gồm 10 mmol (tương đương 3,89 g) (2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl)isothiocyanat và dẫn xuất galactopyranosyl tương ứng để tạo tiền chất thiosemicarbazide. Các hợp chất carbonyl thiên nhiên được chọn mẫu tinh chế trực tiếp từ tinh dầu tự nhiên: tinh chế citral từ 40 ml tinh dầu sả chanh thô, citronellal từ 40 ml tinh dầu sả Java qua phức bisulfit, điều chế menthone từ 9 g menthol và camphor từ 7,7 g borneol bằng phản ứng oxy hóa với tác nhân acid chromic.

Các phản ứng ngưng tụ được khảo sát ở quy mô mẫu 2 mmol trong 9 ml ethanol 99,9% có xúc tác acid acetic băng. Phương pháp tổng hợp so sánh trực tiếp giữa đun hồi lưu truyền thống và chiếu xạ trong lò vi sóng công suất 800W trong 8 phút. Sản phẩm được tinh chế bằng kỹ thuật kết tinh phân đoạn trong ethanol 96%. Cấu trúc hóa học được xác định thông qua hệ thống phân tích hiện đại: đo điểm nóng chảy trên máy STUART SMP3, phổ hồng ngoại FTIR Magna 760 ép viên KBr, phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR (500 MHz), 13C-NMR (125 MHz) trên máy Bruker AVANCE trong dung môi DMSO-d6 cùng các phổ 2D-NMR (HSQC, HMBC, COSY) và phổ khối lượng ESI-MS. Lý do lựa chọn hệ phổ phân giải cao này nhằm xác định chính xác cấu hình lập thể anomer β thông qua hằng số tương tác spin-spin và khẳng định tính tinh khiết của khung liên kết mới.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học quan trọng về hiệu suất phản ứng và đặc tính cấu trúc:

Thứ nhất, kỹ thuật tổng hợp hỗ trợ bởi sóng vi ba chứng minh ưu thế vượt bậc về tốc độ chuyển hóa. Phản ứng giữa (tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazide với cinamaldehyd và menthone hoàn thành trọn vẹn chỉ sau 8 phút chiếu xạ ở công suất 800W, cho hiệu suất sản phẩm tinh khiết đạt lần lượt 80% (thu được 0,85 g, điểm nóng chảy 160-161°C) và 78% (thu được 0,86 g, điểm nóng chảy 100-101°C). So với phương pháp đun hồi lưu thông thường mất từ 2 đến 3 giờ, kỹ thuật vi sóng rút ngắn thời gian phản ứng hơn 90%.

Thứ hai, đối với các dẫn xuất gắn khung galactosyl, phản ứng vi sóng cũng ghi nhận hiệu suất ấn tượng đạt 75% đối với cinamaldehyd 4-(tetra-O-acetyl-β-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazon (điểm nóng chảy 115-116°C) và 70% đối với dẫn xuất menthone (thu được 0,77 g, điểm nóng chảy 114-115°C). Riêng camphor do có cấu trúc vòng cầu cồng kềnh với hiệu ứng lập thể lớn nên phản ứng đòi hỏi phương pháp đun hồi lưu kéo dài 16 giờ, đạt hiệu suất 55% với nhiệt độ nóng chảy 155-156°C.

Thứ ba, phân tích phổ 1H-NMR xác nhận 100% sản phẩm tổng hợp đều giữ nguyên cấu hình anomer β. Tín hiệu cộng hưởng của proton H-1' và H-2' trên vòng đường pyranose thể hiện hằng số ghép cặp lớn 3J dao động từ 8,75 Hz đến 9,50 Hz, đặc trưng cho tương tác trans-diaxial giữa các liên kết vị trí equatorial. Tín hiệu proton nhóm NH-2 bị dịch chuyển mạnh về phía trường yếu tại vùng 10,50 đến 11,89 ppm do tương tác bất đối xứng của liên kết C=S và C=N lân cận.

Thứ tư, phổ 13C-NMR khẳng định sự xuất hiện của liên kết azomethin C=N tại độ chuyển dịch 146,0 ppm (ở dẫn xuất cinamaldehyd), 160,3 ppm (ở dẫn xuất menthone) và 168,7 ppm (ở dẫn xuất camphor), đi cùng tín hiệu carbon thiocarbonyl C=S tại 177,9 đến 179,1 ppm, chứng minh cấu trúc phân tử đích đã hình thành trọn vẹn.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu thực nghiệm có thể được mô hình hóa trực quan thông qua biểu đồ cột so sánh hiệu suất và thời gian giữa hai phương pháp nhiệt phân cổ điển và vi sóng, kết hợp cùng bảng thống kê độ chuyển dịch hóa học NMR và các dải hấp thụ hồng ngoại then chốt (nhóm NH ở 3348-3169 cm-1, nhóm ester C=O ở 1756-1748 cm-1, nhóm azomethin C=N ở 1630-1620 cm-1).

Sự gia tăng đột biến về tốc độ phản ứng dưới bức xạ vi ba xuất phát từ khả năng hấp thụ sóng ngắn trực tiếp của dung môi phân cực ethanol và acid acetic, tạo nên sự quá nhiệt cục bộ và thúc đẩy sự định hướng phân cực của trạng thái chuyển tiếp. Điều này làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng cộng ái nhân giữa đầu amin tự do trên thiosemicarbazide vào carbon mang điện tích dương của nhóm carbonyl. So với các công trình nghiên cứu trước đây về thiosemicarbazon mạch hở, việc kết hợp khung phân tử đường tetraacetyl không chỉ làm tăng độ bền nhiệt của phức chất mà còn tạo tiền đề nâng cao hoạt tính dập tắt gốc tự do DPPH và ức chế các chủng vi khuẩn, mở ra hướng ứng dụng dược lý rất khả quan.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra bốn đề xuất thực tiễn nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ và nâng cao giá trị ứng dụng:

1. Tối ưu hóa quy mô phản ứng dòng chảy: Chuyển đổi từ mô hình vi sóng mẻ tĩnh sang hệ thống vi sóng dòng chảy liên tục (continuous-flow microwave synthesis) quy mô 50-100 mmol. Giải pháp này do các phòng thí nghiệm kỹ thuật hóa dược triển khai trong 12 tháng tới, hướng tới mục tiêu giảm 30% lượng dung môi tiêu hao và kiểm soát nhiệt độ tự động chuẩn xác.
2. Khử bảo vệ chọn lọc nhóm acetyl: Thực hiện phản ứng thủy phân Zemplén sử dụng hệ xúc tác natri methoxide trong methanol (NaOMe/MeOH) để loại bỏ 4 nhóm acetyl trên khung đường. Mục tiêu nhằm thu được dẫn xuất thiosemicarbazon chứa carbohydrate tự do, nâng độ tan trong nước lên trên 85% trong lộ trình 6 tháng.
3. Tổng hợp phức chất kim loại có hoạt tính cao: Phối hợp cùng các đơn vị chuyên ngành vô cơ - hóa dược tổng hợp hệ phức chất của các thiosemicarbazon này với ion Cu(II), Zn(II), Pt(II) trong thời gian 18 tháng, nhằm đánh giá khả năng ức chế tế bào ung thư buồng trứng và ung thư vú với mục tiêu đạt chỉ số IC50 dưới 10 µg/mL.
4. Đánh giá tiền lâm sàng in vivo: Phối hợp với các viện kiểm nghiệm dược phẩm thực hiện thử nghiệm độc tính cấp tính và hoạt tính kháng khuẩn trên mô hình chuột thí nghiệm trong vòng 24 tháng, hoàn thiện hồ sơ khoa học cho hoạt chất tiềm năng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình là nguồn tư liệu học thuật và thực tiễn giá trị cao cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

1. Nhà nghiên cứu Hóa học Hữu cơ và Hóa Dược: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng gắn khung carbohydrate với các dị vòng chứa lưu huỳnh và nitơ, cùng kỹ thuật kích hoạt phản ứng bằng vi sóng đạt hiệu suất cao.
2. Học viên cao học và sinh viên ngành Hóa học: Tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận xác định cấu trúc phân tử lập thể thông qua tổ hợp phổ hiện đại gồm 1H-NMR, 13C-NMR, phổ tương tác 2D-NMR (COSY, HSQC, HMBC) và ESI-MS.
3. Kỹ sư công nghệ thực phẩm và nông dược sinh học: Tiếp cận phương pháp tinh chế và chuyển hóa các hợp chất tự nhiên từ nguồn tinh dầu quế, sả, bạc hà thành các hoạt chất sinh học có giá trị kinh tế cao, thân thiện với môi trường.
4. Chuyên viên nghiên cứu phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp dược phẩm: Ứng dụng mô hình tổng hợp xanh để phát triển các phân tử dẫn đường (lead compounds) trong quy trình sàng lọc thuốc kháng sinh và thuốc chống oxy hóa thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

Bức xạ vi sóng giúp tối ưu hóa phản ứng tổng hợp thiosemicarbazon như thế nào?

Chiếu xạ vi sóng ở công suất 800W tạo ra hiện tượng phân cực tức thời và chuyển động ion nội tại trong dung dịch phản ứng. Quá trình này cung cấp năng lượng đồng đều, giúp giảm năng lượng hoạt hóa và rút ngắn thời gian phản ứng từ 2-3 giờ xuống chỉ còn 8 phút, đồng thời nâng hiệu suất từ mức trung bình lên 78-80%.

Căn cứ vào thông số nào để khẳng định sản phẩm có cấu hình anomer β?

Cấu hình anomer β được chứng minh chắc chắn qua phổ 1H-NMR 500 MHz, dựa vào hằng số ghép cặp spin-spin 3J giữa proton H-1' và H-2' trên vòng pyranose đạt giá trị lớn từ 8,75 đến 9,50 Hz. Giá trị này khẳng định tương tác góc nhị diện trans-diaxial, chứng minh nhóm thế thiosemicarbazone định hướng ở vị trí equatorial.

Vì sao phản ứng giữa camphor và glycosyl thiosemicarbazide cần đun hồi lưu tới 16 giờ?

Camphor là một monoterpenoid có cấu trúc bicyclo[2.2.1]heptan dạng cầu cứng nhắc, khiến nhóm carbonyl tại vị trí C-2 bị che chắn không gian rất lớn bởi các nhóm methyl lân cận. Do trở ngại lập thể nặng nề này, phản ứng đòi hỏi năng lượng nhiệt hồi lưu kéo dài 16 giờ mới đạt hiệu suất 55%.

Hợp phần monosaccharide mang lại ưu thế gì cho phân tử thiosemicarbazon?

Khung carbohydrate chứa nhiều liên kết phân cực và nhóm chức mang oxy, giúp cân bằng tính kỵ nước của các gốc terpenoid hoặc nhân thơm thiên nhiên. Cấu trúc lai này gia tăng đáng kể độ tan trong dung môi sinh học, cải thiện độ bền phân tử và tạo điều kiện thuận lợi để tiếp cận màng tế bào vi khuẩn.

Những tín hiệu phổ FTIR nào khẳng định phản ứng ngưng tụ đã diễn ra thành công?

Phổ FTIR ghi nhận sự biến mất của nhóm carbonyl tự do và xuất hiện dải hấp thụ mới đặc trưng cho liên kết azomethin C=N tại 1620-1630 cm-1. Đồng thời, phổ hiển thị rõ dải dao động hóa trị của nhóm ester C=O tại 1748-1756 cm-1 và nhóm C=S tại vùng 1060-1120 cm-1.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp thành công hai tiền chất glycosyl thiosemicarbazide và chuỗi dẫn xuất (tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon từ 5 hợp chất carbonyl thiên nhiên với hiệu suất cao từ 55% đến 80%.
• Thiết lập thành công quy trình tổng hợp xanh hỗ trợ bởi vi sóng công suất 800W, giúp rút ngắn thời gian phản ứng xuống còn 8 phút, giảm thiểu tiêu hao năng lượng và hóa chất.
• Xác định sáng tỏ cấu trúc hóa học và khẳng định cấu hình lập thể anomer β tuyệt đối của các hợp chất bằng hệ thống phổ hiện đại FTIR, 1H-NMR (500 MHz), 13C-NMR (125 MHz), 2D-NMR và ESI-MS.
• Hoàn thành khảo sát thực nghiệm về hoạt tính kháng khuẩn trên các chủng Gram âm, Gram dương, nấm sợi và khả năng dập tắt gốc tự do DPPH, ghi nhận tiềm năng sinh học vượt trội của khung cấu trúc lai.
• Khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên tinh dầu thiên nhiên phong phú của Việt Nam (quế, sả, bạc hà) kết hợp với hóa học đường để tạo ra các hợp chất có giá trị khoa học và dược lý cao.

Đóng góp then chốt của công trình là xây dựng thành công giải pháp tổng hợp hiện đại, hiệu quả cao cho lớp chất glycosyl thiosemicarbazon mang hoạt tính sinh học. Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, các nhóm nghiên cứu cần tiếp tục đẩy mạnh bước khử bảo vệ nhóm acetyl và triển khai thử nghiệm in vivo. Các nhà khoa học và viện nghiên cứu quan tâm được khuyến khích hợp tác khai thác sâu hơn quy trình tổng hợp này nhằm phát triển các sản phẩm dược phẩm phục vụ sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nói chung và hoá học nói riêng, hoá học về tổng hợp các hợp chất hữu cơ cũng ngày càng phát triển nhằm tạo ra các hợp chất phục vụ đời sống con người, đặc biệt là các chất có hoạt tính sinh học đối với cơ thể người và động thực vật. Các hợp chất này ngày càng trở nên có ý nghĩa quan trọng khi nó được áp dụng vào lĩnh vực y học chữa trị các căn bệnh hiểm nghèo, nâng cao sức đề kháng cho người và động thực vật. Ngày nay, xu thế tổng hợp các hợp chất thiosemicarbazon đã thu hút được sự quan tâm của các nhà hoá học hữu cơ. Thiosemicarbazon là một hợp chất quan trọng có nhiều hoạt tính sinh học đa dạng, như khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, kháng vi rút, chống ung thư, chống sốt rét, ức chế ăn mòn và chống gỉ sét.

Bên cạnh đó, các hợp chất thiosemicarbazon còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác như tinh thể học, hoá học đại phân tử và ngành quang điện. Ngoài ra, các hợp chất của nó còn có khả năng tạo phức với nhiều kim loại. Những phức chất này cũng có hoạt tính sinh học như hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, kháng vi rút và chống ung thư v. Vì vậy, ngày càng nhiều hợp chất thiosemicarbazon được tổng hợp và nghiên cứu tính chất.

Bên cạnh đó, các dẫn xuất của monosaccaride cũng có nhiều hoạt tính sinh học đáng chú ý, đặc biệt khi trong phân tử của chúng có hệ liên hợp. Các thiosemicarbazon có hoạt sinh học cao và nhờ sự có mặt hợp phần phân cực của monosaccaride làm các hợp chất này dễ hoà tan trong dung môi phân cực như nước, ethanol.Mặt khác, các dẫn xuất của carbohydrate là các hợp chất quan trọng có mặt trong nhiều phân tử sinh học như acid nucleic, coenzym, trong thành phần cấu tạo của một số virus, một số vitamin nhóm B. Do đó, các hợp chất này không những chiếm vị trí đáng kể trong y dược học mà còn đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp nhờ khả năng kích thích sinh trưởng, phát triển của cây trồng, ức chế sự phát triển hoặc diệt trừ cỏ dại, sâu bệnh [16]. Như người ta đã biết phương pháp cổ điển để tổng hợp các thiosemicarbazon là đun sôi hồi lưu hỗn hợp của hợp chất carbonyl và các thiosemicarbazide tương ứng, phương pháp này cần thời gian phản ứng khoảng 2-3 giờ và hiệu suất phản ứng không cao.

Gần đây, một số hợp chất thiosemicarbazon đã được tổng hợp bằng phương pháp lò Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà Nội) 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Trương Thị Thu vi sóng. Phản ứng được tiến hành trong thời gian chỉ khoảng 5-8 phút, hiệu suất phản ứng khá cao (từ 50‒ 90%). Các hợp chất carbonyl trong thiên nhiên là nguồn hương liệu quí, có nhiều hoạt tính sinh học đáng chú ý như kháng khuẩn, kháng nấm, diệt côn trùng, chống ung thư. Ngoài ra nó còn có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, làm hương liệu cho bánh kẹo, nước hoa [23].

Nhằm góp phần vào việc nghiên cứu trong lĩnh vực hoá học của các monosaccaride, trong luận văn thạc sĩ khoa học này em đã thực hiện việc nghiên cứu tổng hợp một số thiosemicarbazon có chứa đồng thời hợp phần monosaccaride và một vài hợp chất carbonyl thiên nhiên. Để thực hiện mục đích này, em đã tiến hành một số nhiệm vụ sau: 1. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glucopyranosyl)thiosemicarbazide từ (2,3,4,6- tetra-O-acetyl- -D-glucopyranosyl)isothiocyanat. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-galactopyranosyl)thiosemicarbazide từ (2,3,4,6- tetra-O-acetyl- -D-galactopyranosyl)isothiocyanat.

Điều chế, tinh chế một số aldehyd, keton thiên nhiên. Tổng hợp 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon của các aldehyd, keton thiên nhiên. Nghiên cứu cấu trúc của các dẫn xuất thiosemicarbazon bằng các phương pháp vật lí hiện đại như phổ hồng ngoại ( IR ), phổ cộng hưởng từ hạt nhân ( 1 H NMR,13C NMR), phổ 2D NMR (COSY, HSQC, HMBC), phổ khối lượng ESI-MS. Thử hoạt tính kháng khuẩn của 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D- glycopyranosyl)thiosemicarbazon của các aldehyd, keton thiên nhiên.

Thử hoạt tính chống oxy hoá của 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D- glycopyranosyl)thiosemicarbazon của các aldehyd, keton thiên nhiên đã tổng hợp. Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà Nội) 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Trương Thị Thu PHẦN I: TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ ISOTHIOCYANAT Isothiocyanat là nhóm chức có dạng R-N=C=S. Phản ứng của nhóm isothiocyanat với các tác nhân nucleophil tỏ ra khá mạnh do đặc tính electrophil của nhóm –NCS.

Đặc tính này có được là do trong nhóm –NCS nguyên tử nitrogen có độ âm điện cao và sẽ mang điện tích âm còn nguyên tử carbon sẽ mang điện tích dương. - + R N C S Khi tác nhân nucleophil có nguyên tử hydro linh động tấn công vào phân tử isothiocyanat, nó sẽ proton hóa nguyên tử nitrogen trong khi đó phần điện âm cũng lại sẽ liên kết với nguyên tử carbon trong nhóm –NCS. + HX R NH C X :S: Ngược lại, sự cộng hợp vòng của isothiocyanat trong phản ứng với một tác nhân thích hợp sẽ tạo thành các vòng 1,2-, 1,3-, 1,4-. Do cấu trúc cộng hưởng của nhóm -NCS nên sự ghép vòng bị ảnh hưởng lớn và chúng có thể phản ứng ở liên kết C=S hoặc C=N.

- + + - R N C S R N C S R N C S Chính nhờ khả năng đó của nhóm isothiocyanat mà đã mở ra một hướng nghiên cứu về loại hợp chất chứa nhóm aldehyd có nhân thơm. Để tổng hợp được những hợp chất đó, các glycosyl isothiocyanat được sử dụng như là chất khởi đầu và bằng hàng loạt các phản ứng khác nhau, người ta đã tổng hợp được một số dẫn xuất thiosemicarbazon có chứa hợp phần monosaccaride. Bên cạnh đó, người ta cũng nghiên cứu được sự chuyển hóa qua lại giữa isothiocyanat và thiocyanat [34]. - - S C N S C N Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà Nội) 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Trương Thị Thu Cơ chế phản ứng của anion thiocyanat với một hợp chất hữu cơ đã chỉ ra rằng sự tấn công nucleophil của thiocyanat là bởi nguyên tử lưu huỳnh còn của isothiocyanat là bởi nguyên tử nitrogen.

Không chỉ vậy, người ta cũng rút ra nhận xét là isomer isothiocyanat được ổn định về mặt nhiệt động hơn là isomer thiocyanat [9], tất nhiên điều đó còn tùy thuộc vào các điều kiện môi trường ngoài mà cân bằng dịch chuyển theo hướng nào. TỔNG QUAN VỀ THIOSEMICARBAZIDE VÀ CÁC GLYCOSYL THIOSEMICARBAZIDE Thiosemicarbazide là hydrat của acid carbamic. Nó tồn tại ở dạng tinh thể màu trắng, có nhiệt độ nóng chảy khoảng 183°C và độ tan trong nước khoảng 10%. Thiosemicarbazide là một hợp chất đầu quan trọng để tổng hợp các hợp chất dị vòng 5 cạnh.

Bên cạnh đó, các dẫn xuất của chúng còn có nhiều hoạt tính sinh học quan trọng. Các phương pháp tổng hợp thiosemicarbazide 2. Phản ứng của isothiocyanat và hydrazin R4 R3 R5 S R1 N C S + N N N R1 R4 N N R5 R2 R3 R2 Đây là phương pháp thông dụng nhất để tổng hợp các thiosemicarbazide, nhưng hợp chất isothiocyanat lại dễ bị thuỷ phân do vậy rất khó bảo quản [12]. Phản ứng khử thiosemicarbazon bằng NaBH4 S H N NaBH4 S N R1 R4 N NH R4 N N R3 R1 R3 H Phản ứng này chỉ dùng để tổng hợp các dẫn xuất mono-, di- hoặc tri- của thiosemicarbazide [11].

Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà Nội) 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Trương Thị Thu 2. Phản ứng của hydrazin với các dẫn xuất của acid thiocarbamic Các hydrazin thế phản ứng với các dẫn xuất của acid thiocarbamic cho các thiosemicarbazide tương ứng. Hiệu suất của phản ứng này dao động từ 66-73% phụ thuộc vào ảnh hưởng của các phản ứng phụ [35]: S R5 R3 R5 R1 S N NH +X N N N R1 R4 R4 N R2 R3 R2 X= Cl, alkyl, Oalkyl 2. Phản ứng của cyanohydrazin với hydro sulfide R5 R3 R5 S H2S H N N N R4 N N R4 CN R3 H Phản ứng này cho ta dẫn xuất mono- hoặc dithiosemicarbazide [25].

Phản ứng tổng hợp dẫn xuất di- và trithiosemicarbazide từ các amin Phản ứng đi qua hai bước: Bước đầu ta thực hiện phản ứng của amin với 1,2,4- triazolyl hoặc bis(imidazoyl)methylthion trong dung môi dicloromethan ở nhiệt độ phòng. Bước 2 ta cho sản phẩm này tác dụng với dẫn xuất của hydrazin trong dung môi dicloromethan, khi đó thiosemicarbazide sẽ được tạo thành [36]. S R1 R5 R3 R5 S + NH + N NH N R1 X X R2 R4 R4 N N R3 R2 X= Cl, NH 2, alkyl, Oalkyl 2. Tính chất của thiosemicarbazide 2.

Phản ứng với các aldehyd Thiosemicarbazide có thể dễ dàng ngưng tụ với hợp chất carbonyl. Sản phẩm ngưng tụ sinh ra được gọi là thiosemicarbazon. R1 R1 H2N-CS-NH-NH 2+ O=C H2N-CS-NH-N=C R2 R2 Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà Nội) 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ khoa học Trương Thị Thu CHO Cl C2H5OH H2N C NH NH2 + CH3COOH CH N NH C NH2 + H2O S Cl S 2. Phản ứng đóng vòng của thiosemicarbazide tạo thiadiazol Hai tác nhân hay được dùng trong phản ứng đóng vòng của thiosemicarbazide và dẫn xuất của chúng để tạo vòng thiadiazol là CS2 và TMTD (Tetramethylthiuram disulfide).

Với CS2, phản ứng này đã được nghiên cứu vào năm 1956. Đây là phương pháp cổ điển nhất để tổng hợp dẫn xuất 2-mercapto-1,3,4-thidiazol. Phản ứng được thực hiện trong 17 giờ ở nhiệt độ 70-800C, hiệu suất đạt 93%. Nếu phản ứng diễn ra trong môi trường kiềm yếu thì chỉ 50% tạo sản phẩm mong muốn.

Sản phẩm trung gian được tạo thành là (H2N-NH-CS)2S cần có acid mạnh mới chuyển hoá tạo thành dẫn xuất thiadiazol. Còn nếu trong môi trường kiềm mạnh, phản ứng sẽ xảy ra qua một bước. Phương trình phản ứng như sau [31]: N N R NH C NH NH2 + CS2+ NaOH + NaHS + H2O R NH S SNa S H+ N N R NH SH S Tetramethylthiuram disulfide (TMTD) hay thiram, là chất xúc tiến lưu hoá cao su, có giá thành rẻ, khó bay hơi, ít gây ô nhiễm môi trường, là tác nhân rất tốt để tổng hợp các dẫn xuất 2-mercapto-1,3,4-thiđiazol. TMTD được điều chế bằng cách oxy hoá muối natri của acid N-alkyl dithiocarbamic với các chất oxy hoá như hydro peoxide, natri nitrit.

Sơ đồ phản ứng như sau: oxy hóa R NH C SNa R NH C S S C R S S S Phản ứng của các thiosemicarbazide và TMTD xảy ra theo phương trình sau: Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà Nội) 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.