Tổng Hợp và Nghiên Cứu Cấu Trúc Amide Chứa Dị Vòng Benzimidazole

Luận văn tốt nghiệp hóa học nghiên cứu tốt nghiệp hóa học tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số amide chứa dị vòng benzimidazole, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề

• Tác giả: Trần Thị Cầm Đức
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Công
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp và Cấu Trúc Amide Chứa Dị Vòng Benzimidazole
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TÓNG QUAN
• 1.1. Đặc điểm cau tạo
• 1.2. Hiện tượng tautomer hóa ở dị vòng benzimidazole
• 1.3. Giới thiệu chung về 2-methylbenzimidazole
• 1.4. Phương pháp tông hợp 2-methylbenzimidazole
• 1.5. Giới thiệu chung về 1,3,4-oxadiazole
• 2. CHƯƠNG 2: THỤC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp 2-methylbenzimidazole (1)
• 2.2. Tông hợp ethyl 2-(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetate (2)
• 2.3. Tông hợp 2-(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetohydrazide (3)
• 2.4. Tông hợp 5-[(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazol-2-thiol
• 2.5. Tông hợp N-aryl 2-{5-[(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazol-2-ylthio} acetamide (5a-b)
• 2.6. Tông hợp N-aryl 2-{5-[(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4H-1,2,4-triazole-3-ylthio} acetamide (7a-b)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp 2-methyl-1/-benzimidazole (1). Cơ chế phản ứng
• 3.2. Tông hợp ethyl 2-(2-methylbenzimidazol-1-yl)acetate (2). Cơ chế phản ứng
• 3.3. Phổ hồng ngoại IR
• 3.4. Phổ cộng hưởng từ proton 'H-NMR
• 3.5. Phổ khối lượng MS
• 3.6. Tham dò hoạt tính sinh học
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về Nghiên cứu Amide chứa Dị vòng Benzimidazole

Nghiên cứu về amide chứa dị vòng benzimidazole đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây. Các hợp chất này không chỉ có cấu trúc độc đáo mà còn mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực dược phẩm và hóa học. Benzimidazole là một trong những dị vòng phổ biến, được biết đến với khả năng kháng khuẩn, chống viêm và chống ung thư. Việc tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của các hợp chất này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển thuốc và các ứng dụng khác.

1.1. Đặc điểm cấu tạo của Benzimidazole và Amide

Cấu trúc của benzimidazole bao gồm một vòng benzene kết hợp với một vòng imidazole. Điều này tạo ra những tính chất hóa học đặc biệt, giúp các hợp chất chứa amide có khả năng tương tác tốt với các mục tiêu sinh học. Sự kết hợp này không chỉ làm tăng tính ổn định mà còn cải thiện khả năng hòa tan trong dung môi.

1.2. Tầm quan trọng của Nghiên cứu Amide chứa Benzimidazole

Nghiên cứu về amide chứa benzimidazole có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các loại thuốc mới. Các hợp chất này đã được chứng minh có khả năng kháng vi sinh vật và chống lại nhiều loại bệnh tật. Việc tìm hiểu sâu hơn về cấu trúc và tính chất của chúng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả điều trị.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên cứu Amide chứa Benzimidazole

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc tổng hợp và nghiên cứu amide chứa benzimidazole cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tinh khiết của sản phẩm, hiệu suất phản ứng và khả năng tái tạo cấu trúc là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Ngoài ra, việc xác định cấu trúc và tính chất của các hợp chất này cũng đòi hỏi các phương pháp phân tích hiện đại.

2.1. Những khó khăn trong quá trình tổng hợp

Quá trình tổng hợp amide chứa benzimidazole thường gặp khó khăn trong việc kiểm soát điều kiện phản ứng. Nhiệt độ, áp suất và thời gian phản ứng đều ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất cần thiết để đạt được kết quả tốt nhất.

2.2. Thách thức trong việc xác định cấu trúc

Xác định cấu trúc của các hợp chất amide chứa benzimidazole thường sử dụng các phương pháp như phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ proton (NMR) và phổ khối lượng (MS). Tuy nhiên, việc phân tích và giải thích dữ liệu từ các phương pháp này có thể gặp khó khăn do sự tương đồng trong cấu trúc của các hợp chất.

III. Phương pháp Tổng hợp Amide chứa Dị vòng Benzimidazole

Để tổng hợp amide chứa benzimidazole, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp tạo ra các hợp chất mới mà còn tối ưu hóa quy trình tổng hợp. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.

3.1. Phương pháp tổng hợp từ o phenylenediamine

Một trong những phương pháp phổ biến là tổng hợp từ o-phenylenediamine. Phản ứng với anhydride acetic sẽ tạo ra 2-methylbenzimidazole, từ đó có thể tiếp tục chuyển hóa thành các hợp chất amide. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả và dễ thực hiện.

3.2. Phương pháp tổng hợp qua phản ứng nucleophile

Phản ứng nucleophile với các chloroacetamide là một phương pháp khác để tổng hợp amide chứa benzimidazole. Phương pháp này cho phép tạo ra các dẫn xuất mới với tính chất hóa học đa dạng, mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và ứng dụng.

IV. Ứng dụng thực tiễn và Kết quả Nghiên cứu Amide chứa Benzimidazole

Các hợp chất amide chứa benzimidazole đã cho thấy nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực dược phẩm. Nghiên cứu cho thấy chúng có khả năng kháng vi sinh vật và chống lại nhiều loại bệnh tật. Kết quả nghiên cứu này không chỉ khẳng định giá trị của các hợp chất mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển thuốc.

4.1. Khả năng kháng vi sinh vật của các hợp chất

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hợp chất amide chứa benzimidazole có khả năng kháng vi sinh vật mạnh mẽ. Các thử nghiệm cho thấy chúng có thể ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn và nấm, từ đó mở ra cơ hội cho việc phát triển thuốc kháng sinh mới.

4.2. Ứng dụng trong điều trị bệnh

Các hợp chất này không chỉ có khả năng kháng vi sinh vật mà còn có tiềm năng trong việc điều trị các bệnh lý khác như ung thư và viêm. Việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của chúng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả điều trị.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu Amide chứa Benzimidazole

Nghiên cứu về amide chứa benzimidazole đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực hóa học và dược phẩm. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng tiềm năng ứng dụng của các hợp chất này là rất lớn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều phát hiện mới và cải tiến trong điều trị bệnh.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và khám phá thêm nhiều dẫn xuất mới. Việc này sẽ giúp mở rộng danh mục các hợp chất có tiềm năng ứng dụng trong y học.

5.2. Tầm quan trọng của hợp tác nghiên cứu

Hợp tác giữa các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước sẽ là yếu tố quan trọng để thúc đẩy nghiên cứu về amide chứa benzimidazole. Sự chia sẻ kiến thức và tài nguyên sẽ giúp tăng cường hiệu quả nghiên cứu và phát triển.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Tình trạng kháng kháng sinh (Antimicrobial Resistance - AMR) đang trở thành một trong những mối đe dọa y tế cộng đồng nghiêm trọng nhất toàn cầu. Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn đa kháng thuốc và nấm gây ra hơn 1,27 triệu ca tử vong trực tiếp mỗi năm, dự báo con số này có thể tăng lên 10 triệu ca vào năm 2050 nếu không có các nhóm hoạt chất trị liệu mới. Trong bối cảnh đó, nghiên cứu hóa dược tập trung phát triển các phân tử đa dị vòng (hybrid heterocycles) nhằm tạo ra các tác nhân có cơ chế tác động đa mục tiêu, hạn chế khả năng đột biến kháng thuốc của vi sinh vật.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Hóa hữu cơ: "Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số amide chứa dị vòng benzimidazole" (thực hiện bởi SV. Trần Thị Cẩm Đức, hướng dẫn bởi TS. Nguyễn Tiến Công - Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh) tập trung giải quyết các bài toán kỹ thuật trọng tâm:

1. Tổng hợp hóa học đa bước: Chuyển hóa $o$-phenylenediamine thành hợp chất nền 2-methyl-1H-benzimidazole, tiếp tục chức hóa thành ester và hydrazide làm chất trung gian then chốt.
2. Khép vòng chọn lọc tạo khung đa dị vòng: Thiết kế hai hướng chuyển hóa song song từ hydrazide để tạo vòng 1,3,4-oxadiazole-2-thiol và 1,2,4-triazole-3-thiol.
3. Chức hóa tạo chuỗi amide - thioether: Thực hiện phản ứng thế nucleophile ($S_N2$) giữa nhóm thiol (-SH) của dị vòng với các dẫn xuất N-aryl chloroacetamide để thu nhận chuỗi dẫn xuất N-aryl 2-thioacetamide hoàn chỉnh.
4. Xác định cấu trúc phân tử toàn diện: Khảo sát tính chất vật lý (nhiệt độ nóng chảy $T_{nc}$, độ tan) và phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$ 500 MHz), phổ khối lượng (LC-MS/MS).
5. Thăm dò hoạt tính kháng sinh học: Định lượng nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ ức chế 50% ($IC_{50}$) trên 8 chủng vi sinh vật kiểm định chuẩn (Gram âm, Gram dương, nấm sợi và nấm men).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp và xác thực cấu trúc của 8 hợp chất hữu cơ thuộc hệ khung benzimidazole liên kết dị vòng 1,3,4-oxadiazole/1,2,4-triazole qua cầu nối $-\text{S-CH}_2\text{-CO-NH-Ar}$ ($X = \text{H, Br}$), đồng thời kiểm thử sinh học in vitro tại Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên (VAST).

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khung phân tử benzimidazole là một dị vòng ngưng tụ giữa vòng benzene và vòng imidazole, có mặt trong nhiều hoạt chất sinh học nổi tiếng (Albendazole, Omeprazole, Vitamin $B_{12}$). Tuy nhiên, các dẫn xuất đơn vòng hoặc dị vòng độc lập thường gặp nhược điểm về phổ kháng khuẩn hẹp hoặc độc tính tế bào cao.

Tiêu chí so sánh	Khung Benzimidazole đơn thuần	Dẫn xuất Oxadiazole của Patel et al. [22]	Dẫn xuất Triazole của F. Ansari [18]	Hệ Hybrid Đa dị vòng Amide (Nghiên cứu này)
Độ phức tạp cấu trúc	Đơn dị vòng ($C_8H_8N_2$)	Benzimidazole-1,3,4-oxadiazole	Benzimidazole-1,2,4-triazole	Hybrid Benzimidazole + Oxadiazole/Triazole + Amide thioether
Khả năng liên kết đích (Target Binding)	Trung bình	Tốt trên vi khuẩn Gr(+)	Tốt trên nấm mốc	Xuất sắc nhờ liên kết Hydro nhóm amide & cầu nối -S- linh động
Độ bền liên kết & Tính chọn lọc	Bị giới hạn do tautomer hóa	Dễ thủy phân liên kết ester	Khó tan trong môi trường sinh lý	Tăng độ bền trao đổi chất nhờ nhóm $-\text{CONH-Ar}$
Độ chọn lọc $S_N2$	Thấp	Trung bình	Trung bình	Chọn lọc 100% tại nguyên tử S vị trí thiol

Phân tích yêu cầu tổng hợp theo mô hình MoSCoW:

• Must have: Tổng hợp tinh khiết các chất nền (1), (2), (3); khép vòng thành công dị vòng thiol (4) và (6); cô lập thành công các amide đích (5a-b), (7a-b).
• Should have: Kiểm soát hiệu suất phản ứng alkyl hóa ester (2) trên 34%; tối ưu hóa thời gian khép vòng triazole (6).
• Could have: Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn định lượng trên dải 8 chủng chuẩn vi sinh vật ATCC.
• Won't have: Đánh giá dược động học in vivo trên mô hình động vật trong phạm vi khóa luận cử nhân.

Thiết kế hệ thống tổng hợp và phân tích

Hệ thống quy trình tổng hợp hóa học hữu cơ và phân tích cấu trúc được thiết lập dựa trên các tiêu chuẩn thiết bị và công cụ phân tích hiện đại:

[Hệ phản ứng tổng hợp hóa học]
[Hệ thống tinh chế & Đo đạc tính chất vật lý]
[Hệ thống phổ cấu trúc & Sinh học định lượng]

Phương pháp luận (Methodology)

1. Tổng hợp hóa học tuyến tính kết hợp hội tụ (Convergent/Linear Synthesis): Tối ưu hóa từng giai đoạn phản ứng qua việc kiểm soát dung môi phân cực phi proton (Acetone khan), tác nhân base ($K_2CO_3$ thay thế $Na_2CO_3$ do bán kính ion $K^+$ lớn hơn, mật độ điện tích nhỏ giúp anion carboxylate/thiolate phân ly tự do hơn).
2. Kỹ thuật phổ phân tử: Đối chiếu độ chuyển dịch hóa học ($\delta$, ppm), hằng số tách spin-spin ($J$, Hz), và diện tích tích phân proton trên phổ $^1\text{H-NMR}$ 500 MHz để xác minh vị trí gắn nhóm thế.
3. Đánh giá rủi ro an toàn hóa chất: Quản lý nghiêm ngặt phản ứng sử dụng Carbon disulfide ($CS_2$) dễ bay hơi và cháy nổ bằng hệ thống sinh hàn kín trong tủ hút, kiểm soát nhiệt độ tạo kết tủa tại $0-10^\circ\text{C}$.

---

Thực nghiệm và Kết quả

Quy trình tổng hợp chi tiết

=====================================================================================
QUY TRÌNH HÓA HỌC TỔNG HỢP CÁC DẪN XUẤT AMIDE ĐA DỊ VÒNG BENZIMIDAZOLE
=====================================================================================

Giai đoạn 1: Tổng hợp 2-methyl-1H-benzimidazole (1)
o-Phenylenediamine (10.8 g, 0.1 mol) + CH3COOH đặc (6.6 g, 0.11 mol) + HCl 4N (10 mL)

Giai đoạn 2: Alkyl hóa tạo Ethyl 2-(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetate (2)
(1) (13.2 g, 0.1 mol) + ClCH2COOC2H5 (12.2 g, 0.1 mol) + K2CO3 (13.8 g) + Acetone (150 mL)

Giai đoạn 3: Hydrazin phân tạo 2-(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetohydrazide (3)
(2) (5.45 g, 25.0 mmol) + NH2NH2 50% (7.5 g, chia 3 lần cách nhau 1h) + EtOH (50 mL)

Giai đoạn 4a: Khép vòng 1,3,4-oxadiazole (4)
(3) (3.06 g, 15.0 mmol) + KOH (0.84 g) + CS2 (2.5 mL) + EtOH tuyệt đối (40 mL)

Giai đoạn 4b: Khép vòng 1,2,4-triazole (6)

Giai đoạn 5: Tổng hợp Amide (5a-b) và (7a-b)
Hợp chất Thiol (4 hoặc 6) (2.0 mmol) + K2CO3 (0.28 g) + ClCH2CONH-Ar (2.0 mmol) + Acetone

Dữ liệu kiểm chứng cấu trúc phân tử

Sản phẩm tổng hợp được xác nhận thông qua phân tích tín hiệu phổ:

Phân tích tín hiệu đặc trưng phổ 1H-NMR (500 MHz, DMSO-d6) của hợp chất 5a:
--------------------------------------------------------------------------------------
δ (ppm)  | Dạng peak | Tích phân | Quy kết proton / Hằng số tương tác (J, Hz)
--------------------------------------------------------------------------------------
2.55     | singlet   | 3H        | -CH3 gắn vòng benzimidazole (H-8)
4.25     | singlet   | 2H        | -S-CH2-CO- gắn nhóm amide (H-7)
5.80     | singlet   | 2H        | -N-CH2- gắn giữa benzimidazole và oxadiazole (H-6)
7.07     | triplet   | 1H        | H-11 (vòng phenyl ngoại biên, 3J = 7.5 Hz)
7.17     | multiplet | 2H        | H-2', H-3' (vòng benzimidazole)
7.31     | dd        | 2H        | H-10, H-12 (vòng phenyl, 3J = 7.5 Hz, 4J = 8.0 Hz)
7.52     | multiplet | 4H        | H-1', H-4' (benzimidazole) + H-9, H-13 (phenyl)
10.34    | singlet   | 1H        | -CONH- proton amide linh động
--------------------------------------------------------------------------------------
Phổ FT-IR (KBr): v = 3173 cm⁻¹ (N-H amide), 3063 cm⁻¹ (C-H thơm), 2922 cm⁻¹ (C-H no),
                 1674 cm⁻¹ (C=O amide), 1608 cm⁻¹ (C=N/C=C).

Kết quả tổng hợp và kiểm định sinh học

Dưới đây là bảng tổng hợp các chỉ số thực nghiệm và hoạt tính sinh học của các hợp chất:

Hợp chất	Công thức phân tử / Tên gọi	Khối lượng (g)	Hiệu suất (%)	$T_{nc}$ thực nghiệm ($^\circ\text{C}$)	$T_{nc}$ tài liệu ($^\circ\text{C}$)	Hoạt tính kháng khuẩn / nấm
(1)	2-Methyl-1H-benzimidazole	8.01	60.68	178.0 – 180.0	177.0 – 180.0 [27]	Trung gian
(2)	Ethyl 2-(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetate	7.56	34.68	114.0	114.0 [6]	Trung gian
(3)	2-(2-Methyl-1H-benzimidazol-1-yl)acetohydrazide	3.37	66.08	191.2	190.0 – 192.0 [6]	Tiền chất
(4)	5-[(2-Methyl-1H-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazol-2-thiol	2.01	54.47	178.4	175.0 – 176.0 [6]	Kháng khuẩn Gr(+)
(5a)	N-Phenyl 2-{5-[...]-1,3,4-oxadiazol-2-ylthio}acetamide	0.52	58.20	186.0 – 187.0	Mới	$\text{MIC} < 50\ \mu\text{g/mL}$
(5b)	N-(4-Bromophenyl) 2-{5-[...]-1,3,4-oxadiazol-2-ylthio}acetamide	0.61	61.30	204.0 – 205.0	Mới	Kháng S. aureus, B. subtilis
(6)	5-[(2-Methyl-1H-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4H-1,2,4-triazol-3-thiol	2.83	56.32	190.0	Mới	Kháng C. albicans
(7a)	N-Phenyl 2-{5-[...]-4-(p-tolyl)-4H-1,2,4-triazol-3-ylthio}acetamide	0.56	59.83	212.0	Mới	$\text{MIC} < 50\ \mu\text{g/mL}$
(7b)	N-(4-Bromophenyl) 2-{5-[...]-4-(p-tolyl)-4H-1,2,4-triazol-3-ylthio}acetamide	0.68	62.04	228.0	Mới	Kháng phổ rộng nấm & khuẩn

---

Đổi mới và đóng góp khoa học

1. Thiết kế phân tử lai hóa (Hybrid Pharmacophore): Khóa luận tích hợp ba tâm hoạt tính sinh học trên cùng một khung phân tử: nhân benzimidazole, dị vòng 5 cạnh (oxadiazole hoặc triazole), và chuỗi nhánh N-aryl acetamide gắn qua nguyên tử lưu huỳnh. Cấu trúc này tối ưu hóa khả năng tạo liên kết hydro và tương tác $\pi-\pi$ stacking với thụ thể vi sinh vật.
2. Cải tiến quy trình tổng hợp dị vòng triazole: Rút ngắn phản ứng tạo vòng 1,2,4-triazole qua trung gian thiosemicarbazide trong môi trường kiềm NaOH 2M xuống còn 2 giờ đun hồi lưu, hạn chế phản ứng phụ phân hủy liên kết amide.
3. Tính chọn lọc $S_N2$ trên tâm Thiol: Sử dụng hệ đệm base $K_2CO_3$ trong acetone khan giúp phản ứng thế với $N$-aryl chloroacetamide chỉ xảy ra trên nguyên tử lưu huỳnh (-SH) mà không tấn công cạnh tranh lên các nguyên tử nitơ của dị vòng, đạt hiệu suất cô lập từ 58.20% đến 62.04%.

---

Ứng dụng thực tế và Triển khai

Khả năng ứng dụng dược phẩm và nông nghiệp

• Hóa dược y tế: Các dẫn xuất (5b) và (7b) mang nhóm thế para-bromo ($p\text{-Br}$) trên vòng phenyl thể hiện hoạt tính ức chế chọn lọc cao đối với vi khuẩn Gram dương (Staphylococcus aureus) và nấm men (Candida albicans), mở ra tiềm năng phát triển thuốc bôi ngoài da điều trị nhiễm khuẩn và nấm kháng thuốc.
• Nông nghiệp công nghệ cao: Khung benzimidazole kết hợp 1,3,4-oxadiazole có đặc tính diệt nấm sợi (Fusarium oxysporum, Aspergillus niger), định hướng ứng dụng trong các chế phẩm bảo vệ thực vật trước và sau thu hoạch cho cây ăn quả và ngũ cốc.

Lộ trình nâng quy mô tổng hợp (Scalability Roadmap)

- Quy mô: 2 - 100 mmol               - Tự động hóa nhiệt/pH           - Tối ưu hóa chi phí CS2/Solvent
- Tinh chế: Kết tinh phân đoạn       - Thu hồi dung môi Acetone/EtOH  - Đánh giá độc tính tế bào (Cytotoxicity)
- Chi phí nguyên liệu: Thấp          - Tỷ lệ thu hồi dung môi > 85%   - Thử nghiệm in vivo trên chuột

---

Hạn chế và Hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật tồn tại

• Hiệu suất phản ứng alkyl hóa ester (2): Giai đoạn chuyển hóa từ (1) thành (2) đạt hiệu suất 34.68% do phản ứng phụ alkyl hóa hai lần hoặc sự tạo thành muối bậc bốn tại nguyên tử nitơ $N_3$ của benzimidazole.
• Dung môi và tác nhân độc hại: Phản ứng khép vòng oxadiazole sử dụng Carbon disulfide ($CS_2$) đòi hỏi kiểm soát an toàn nghiêm ngặt về khí thải và chống cháy nổ.
• Thư viện dẫn xuất: Khóa luận mới khảo sát hai nhóm thế trên vòng aryl ($X = \text{H, Br}$).

Hướng nghiên cứu mở rộng

• Mở rộng thư viện dẫn xuất với các nhóm thế có hiệu ứng cảm ứng và cộng hưởng đa dạng ($-NO_2$, $-OCH_3$, $-CF_3$, $-F$) để xây dựng mô hình tương quan cấu trúc - hoạt tính (QSAR).
• Ứng dụng xúc tác chuyển pha (Phase Transfer Catalysis - PTC như TBAB) hoặc chiếu xạ vi sóng (Microwave-assisted synthesis) nhằm nâng cao hiệu suất phản ứng alkyl hóa giai đoạn 2 lên trên 75% và rút ngắn thời gian phản ứng xuống dưới 30 phút.

---

Đối tượng hưởng lợi

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai quy trình tổng hợp này là gì?

Hệ thống phòng thí nghiệm cần trang bị bình phản ứng hồi lưu có kiểm soát nhiệt độ, máy khuấy từ gia nhiệt, tủ hút khí độc chịu dung môi hữu cơ ($CS_2$, Acetone), thiết bị đo nhiệt độ nóng chảy Gallenkamp, và khả năng tiếp cận máy đo phổ NMR $\ge 500\text{ MHz}$ và FT-IR.

2. Làm thế nào để kiểm soát phản ứng thế $S_N2$ chỉ xảy ra trên nhóm -SH mà không tấn công vào nguyên tử Nitơ của dị vòng?

Nhóm thiol (-SH) liên kết trực tiếp với dị vòng thơm oxadiazole/triazole có tính acid cao hơn nhiều so với nguyên tử nitơ vòng. Khi sử dụng base yếu $K_2CO_3$ trong acetone khan, nhóm -SH bị khử proton chọn lọc tạo thành anion thiolate ($-\text{S}^-$), đóng vai trò là tác nhân ái nhân mạnh hơn hẳn nguyên tử nitơ, đảm bảo phản ứng thế $S_N2$ xảy ra chọn lọc 100% tại lưu huỳnh.

3. Tại sao phản ứng tạo ester (2) lại có hiệu suất thấp nhất trong chuỗi (34.68%)?

Nguyên nhân do tính base và tính ái nhân của hai nguyên tử nitơ trên vòng benzimidazole cạnh tranh phản ứng, kèm theo sự thủy phân một phần của ethyl chloroacetate khi có vết ẩm trong môi trường phản ứng.

4. Các hợp chất mới tổng hợp được tinh chế bằng phương pháp nào?

Tất cả các sản phẩm trung gian và sản phẩm đích đều được tinh chế bằng phương pháp kết tinh lại phân đoạn trong hệ dung môi thích hợp (nước cất cho chất 1, 2, 3; hỗn hợp Ethanol : Nước cho chất 4, 5a-b, 6, 7a-b) mà không cần sử dụng sắc ký cột pha động tốn kém dung môi.

5. Dấu hiệu phổ $^1\text{H-NMR}$ nào khẳng định phản ứng tạo amide (5a-b) thành công?

Sự xuất hiện của peak singlet tại vùng trường rất yếu $\delta = 10.34 - 10.51\text{ ppm}$ tương ứng với proton của nhóm $-\text{CONH-}$, cùng với sự dịch chuyển của nhóm $-\text{S-CH}_2\text{-CO-}$ về $\delta = 4.25\text{ ppm}$ và giữ nguyên peak $-\text{N-CH}_2\text{-}$ tại $\delta = 5.80\text{ ppm}$.

---

Kết luận

Đề tài khóa luận tốt nghiệp của SV. Trần Thị Cẩm Đức đã thực hiện thành công chuỗi quy trình tổng hợp hữu cơ 5 giai đoạn, điều chế và cô lập thành công các dẫn xuất amide mới chứa đồng thời dị vòng benzimidazole và 1,3,4-oxadiazole hoặc 1,2,4-triazole. Cấu trúc của toàn bộ 8 hợp chất trung gian và sản phẩm cuối đã được làm sáng tỏ và chứng minh bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại (FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ 500 MHz, LC-MS/MS). Kết quả thử nghiệm vi sinh bước đầu cho thấy các dẫn xuất amide mang nhóm thế brom (5b, 7b) có hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm rõ rệt, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho các nghiên cứu phát triển thuốc kháng vi sinh vật mới trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TÓNG QUAN 1.1 Đặc điểm cau tạo Dị vòng benzimidazole là dj vòng ngưng tụ có chứa một vòng benzene kết hợp với một vòng imidazole. H H ` » H N H H H Các nhà hóa học nghiên cứu về benzimidazole đã khám pha ra Š.6- dimethylbenzimidazole nằm trong thành phan cấu trúc của vitamin Bj). Trong lịch sử, di vòng benzimidazole được tìm ra năm 1872 bởi Hoebrecker [10]. Ông đã thu được 2,5 (hoặc 2,6)-dimethylbenzimidazole bằng phản ứng khử 4-metyl-2-nitroacetanilide.

H;C NO; Sn HO NH, —_—_—_—_—_—— NHCOCH, — HCI : " NHCOCH; -HạO »—CH }—CH V : hay Wj ' N H.C N Một vai năm sau đó, Ladenburg [10] cũng thu được một hợp chat tương tự qua phan ứng ngưng tụ của 3,4-diaminotoluen với acid acetic, Trân Thị Cảm Đức — K37.017 l Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tiền Công Hy NH; H;C NH, H;C Ñ + cu,coon —_-1S,_ -H;O cu Y > 3 NH; NHCOCH, RA Những hợp chat loại này được hình thành từ sự mat nước nên được gọi là những base khan nước. Benzimidazole được biết đến là như 1a benzoglyoxaline. Chúng cũng được đặt tên từ những dẫn xuất của ø-phenylenediamine.

Khi đó 2-methylbenzimidazole sẽ được gọi là ethenyl-o-phenylenediamine. Chúng cũng được đặt tên như dẫn xuất của nhóm chức trong vòng imidazole. Ví dụ: Benzimidazole cũng được gọi là ø- phenylformamidine. 2(3H)-Benzimidazolone (1) và 2(3H)-benzimidazolethione (2) lan lượt được gọi là o-phenyleneurea vả ø- phenylenethiourea.2 Hiện tượng tautomer hóa ở di vòng benzimidazole Benzimidazole chứa nguyên tử hydrogen liên kết với nitrogen ở vị trí số 1 để bị tautomer hóa.

Điều này được miều tả như sau [10]: N N ) ———=—= ⁄ H ` \N) N Sự tautomer hóa nay tương tự như trong imidazole và amidine. Mac di, có 2 công thức được viết ra nhưng đó chỉ là một chất. Điều này cũng đúng và đã được chứng tỏ với 5-methylbenzimidazole (hoặc 6-methylbenzimidazole). x (3) (4) Tran Thị Cam Đức — K37.017 2 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.

Nguyễn Tiền Công 5-Methylbenzimidazole (3) đã được chứng minh là một dang tautomer của 6- methylbenzimidazole (4) và cả 2 cau trúc (3 và 4) la của cùng 1 hợp chất. Giới thiệu chung về 2-methylbenzimidazole 1. Đặc điểm cấu tạo Cấu trúc phân tử của 2- methylbenzimidazole được mô tả như sau [2&]: Nw Sern N@) H Trong công thức trên có the xem vòng thơm như là một nhóm thẻ lớn ở vòng imidazole gây hiệu ứng ky nước. Trong khi đó, phân tử lại có sự tôn tại của hai nhóm nitrogen ưa nước (1) và (3).

Các yếu tổ này có ảnh hưởng mạnh mẽ đến khả năng hòa tan của chất. Tính tan còn phụ thuộc vào khả năng hình thành liên kết hydro giữa các phân tử 2-methylbenzimidazole (N-H.N) với nhau và giữa 2-methylbenzimidazole với dung môi. Xu hướng hình thành liên kết hydro trên được quan tâm trong các quá trình hóa học vả dược lý. Phương pháp tông hợp 2- methylbenzimidazole a, Từ o-phenylenedianine và anhydric acid Phản ứng của anhydride acid va o-phenylenediamine sé tạo thảnh benzimidazole.

Không phải tất cả các anhydride acid đều tham gia phản ứng này. Thực nghiệm đã chứng minh chi có anhydride acetic là tông hợp được benzimidazole. O- phenylenediamine khi đun hôi lưu vài giờ với anhydride acetic sẽ chuyên hoàn toàn thành 2-methylbenzimidazole {23}. Tir o-phenylenediamine va aldehyde Trong điều kiện thích hợp, aldehyde có thé phán ứng với o-phenylenediamine tạo thành benzimidazole với nhóm thé ở vị trí số 2.

Trân Thị Cảm Đức — K37.017 3 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tiền Công NH, N=CHR Ñ + RCHO eo =. Cr » R -H;ạ NH;b NH; N Phản ứng này tốt nhất nên thực hiện khi có mặt tác nhân oxi hóa. Quả trình oxi hóa này có thẻ thực hiện ngoài không khí hoặc thuận lợi hơn là sử dụng các tác nhân oxi hoa khác như đồng acetate.

Phan ứng nay được thục hiện đầu tiên bởi Weidenhagen [14]. CI 2HCL + RCHO + 3(CH,;COO],Cu —_> NH, NH, N Cr p-k Cu,Ch + 4 CH,COOH + 2,0 N ec. Từ o-phenylenediamine và nitrile Nitrile khi được đun nóng với ø-phenylene diamine hydrochloride tạo thành 2- alkylbenzimidazole theo sơ đồ sau [23]: NH, NH, NH NH, NH, RCC NH> |- ° NH; HCI N ee NHẠC „ S—r ~——— N NHCR it NH Phan ứng được thực hiện thường ở khoảng 200°C, ở nhiệt độ nay amoni clorua sẽ phân hủy đẻ tạo thêm hydro chloride. Thực nghiệm cho thay, phản ứng sẽ đạt hiệu suất cao hơn trong điều kiện khan.

Giới thiệu chung về 1,3. Đặc điểm cấu tạo Dị vòng 1,3.4-oxadiazole là dị vòng 5 cạnh chứa một nguyên tử oxygen va hai nguyên nitrogen với công thức cấu tạo như sau: _——-RrRrRrRrRiỶẰỶ=-.ơờơ-iẳẳ-ờzyễzyzờợyơợơơợơơờợnơơợơợơơợnơợơơợnơợunng Trân Thị Câm Đức — K37.017 4 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tiền Công N— N hà Vẻ mặt cấu trúc, góc vả độ đải liên kết của di vòng 1,3,4-oxadiazole được mô tả như ở bảng 1. Độ dài liên kết và góc liên kết của dị vòng 1,3,4-oxadiazole Độ dài liên kết Góc liên kết 1,3,4-Oxadiazole là một phân tử khá bên nhiệt do các nguyên tô trong dj vòng oxadiazole tương tac với nhau tạo thành hệ thom.

DỊ vòng 1,3,4-oxadiazole đã được báo cáo đầu tiên vào năm 1955 bởi hai phòng thí nghiệm độc lập [26].4- oxadiazole đã thu hút được sự quan tâm dang ké của nhiều nhà khoa học bởi ứng dụng da dạng của chúng trong sinh học và trong hóa dược như: chống viêm [20], kháng khuẩn [7], chong lao phổi [30]. Gần đây, có nghiên cứu dé cập đến việc sử dụng dẫn xuất chứa dj vòng 1,3,4-oxadiazole dé thay thé các thuốc có gốc nucleoside nhằm ức chế sự phát trién của khối u và virus HIV-I [4]. — Trân Thị Cam Đức — K37.017 5 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tiền Công 1.

Phương pháp tong hợp di vòng 1,3,4-oxadiazole Năm 1965, Ainsworth đã thu được 1,3,4-oxadiazole khi nhiệt phân ethyl formate hydrazine ở áp suất khí quyền [26]. oO 0 IẾ lỊ HC-HN=~N*CHOC)H, ——— \._ N Các hợp chat 2,5-disubstituted-1,3,4-oxadiazole có thé được tông hợp bằng cách oxy hóa tạo vòng các hợp chất N-acylpyrazolylaldehyde hydrazone khi có mặt của xúc tác iodobenzene diacetate ở nhiệt độ phòng [26]. Ar Ar Ph ý X Sy | \ Phi(OAc);, CH Cl, | Wj, \ |h —————+ ~ fa) Ñ Yj Stirring at room à Nw yf temprature NH Ar Ph Phan ứng của hydrazide với arylisothiocyanate tao thành thiosemicarbazide. Đây có thé xem là sản phẩm trung gian trong tông hợp dị vòng oxadiazole.

Theo tai liệu {26}. V-4-(4-flourophenyl)thiosemicarbazide đã được chuyên hóa thành di vòng 1,3.4-oxadtazole qua phản ứng với (a) Thúy ngân oxit (MgO) trong ethanol hoặc (b) L,/KI trong NaOH. NHNHOUCR (HOH li (a) HgO/C;H;OH or (b) lx/KJ/NaOH R | Ò Phương pháp tổng hợp dị vòng 1,3,4-oxadiazole thuận tiện nhất là vòng hoá các đẫn xuất hydrazin với sự tách loại phan tử HạO khi có mặt tác nhân dehydrat hóa. Trân Thị Câm Đức — K37.017 6 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.

Nguyễn Tiền Công Chang han, tương tác của diacyl hydrazin với POC], hay SOCI, hoặc H)SO, khi đun nóng, dan tới sự tạo vòng 1,3,4-oxadiazole [5]. RCONHNHCOR' ———> AM, HạO Gan day, các din xuất 2,5-đialkyl-1.3,4-oxadiazole được tông hợp theo phương pháp “một giai đoạn” bằng cách đun nóng acid carboxylic va hydrazine chlohydrat với POCI;; tiếp theo chung cất phân đoạn hỗn hợp phản ứng. Tuy nhiên, phương pháp nay rất khó đạt được hiệu suất tốt [5].2HC! _POCh _ wiOM, Qua trình này có lẽ đã diễn ra qua giai đoạn tao thành chloride acid của acid carboxylic, rồi acyl hóa hydrazin chlohydrat đến dẫn xuất diacylhidrazine, Sau đó phan ứng trở lại như được mô tả ở phương pháp trên. 2-Hydroxybenzohydrazide khi đun nóng với carbon disulfide trong môi trường KOH/C›;H:OH tạo thành Š-(2-hydroxyphenyl)-2-mercapto-l.

OH OH i \ CONHNH; ¬ a EtOH Năm 2012, Rahul V. Patel đã tông hợp các dan xuất của benzimidazole chứa di vòng 1,3,4-oxadiazole và chức amide theo sơ đỗ sau [22]: Tran Thị Cam Đức — K37.017 7 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tiền Công oe90% HCOOH C o_C I C H ;—C O O O C ; H ‹ ` N 8 NH›NH; HO | CH;COOC;H; N CS;/'KOH \ 5 — › | àè" } / CH;CONHNH; =Ắ=. N > Ve aneo Á 8 Nf Những hop chat amide tạo thành có kha năng kháng khuân cao cụ the như kháng lại 8 loại vi khuan (Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiell pneumoniae, Salmonella typhi, Proteus vulgaris, Shigella flexneri) và 4 loại nam (Aspergillus niger, Aspergillus fumigatus, Aspergillus clavatus, Candida albicans) [22].

Do carbon disulfide là một tác nhân dé gây cháy nd, độc hại và gay 6 nhiễm môi trường, hơn nữa phản ứng lại phải qua hai giai đoạn, vì vậy, Lưu Văn Bôi và cộng sự [1] đã tiễn hành tổng hợp 5-(5-acetamido-2hidroxyary!)-1,3.4-oxadiazole bằng phản ứng thiocarbamoyl hóa 5-acetamido-2-hidroxybenzoyl hydrazide với tác nhân tetramethylthiuram disulfide: OH CONHNH; — + (CH:);NCSSCN(CH;); ———> $s Ss NHCOCH; NHŒCOCH; Trân Thị Câm Đức — K37.017 8 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Tiền Công Chất trên được tiếp tục chuyên hóa thành một số din xuất. Khi cho 5-(5- acetamidophenyl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol phản ứng với N-a-chloroacetanilit trong môi trường NaOH 10%, ở nhiệt độ 80°C và thời gian 2 giờ thì thu được sản phẩm 2- arylamino-5-(5-acetamido-2-hidroxyary])-|,3,4-oxadiazole: OH N—N Sos OH enum ùSÙ”, NaOH 10% ` s=manxX. ie) ) er ⁄ NHCOCH : X= H, p-CH;, p-NO;, p-Cl, p-Br, p-COCH,:, p-COOCH: NHCOCH;: Theo tai liệu [1], do các yếu 16 trong quá trình phản ứng như nông độ kiểm, nhiệt độ, thời gian phan ứng, tỉ lệ chất tham gia phản ứng mà phản ứng cũng có thé xảy ra theo sơ đô sau: On " oo_" lÌ Ni NS—sen.eonn OH - - V0 NHCOCH; 5 SÚ”, NaOH 10% | ` x Nhóm tác gia [1] cũng đã thir hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định theo phương pháp của Vanden Berghen và Vilict Linh (1994) tiến hành trên bản vi lượng 96 giếng có so sánh với các chat kháng sinh chuẩn: Amphoterilin B, Nystatin, Ampicyline, Teracyline.

Cac chung vi sinh vật kiểm định bao gồm đại diện các nhóm: vi khuẩn Gram (-): E.aereuginosa; vi khuẩn Gram (+): B.aureus: nam mốc: A&P, niger, F.oxysprum và nam men: C. Kết qua thir nghiệm cho thấy. phần lớn các chat điều chế được đều có hoạt tính chống vi khuẩn Gram (+) ở nồng độ 12. — Trân Thị Cam Đức — K37.017 9 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.

Nguyễn Tiền Công Năm 2013, tác giả Adel A.H Abdel-Rahman [6] và cộng sự đã tong hợp theo quy trình sau: \ CICH,CO,Ht ÑN., N;H,Hạ0 ` N K;CO¿/Áceton N EIOH, Sh 1 H 3 | C HCOOH 3 3 Ì Cc H;CONHNH, N CS2/KOH/10h a c ử OAc °CH, N me© "NŠi NNH,DE dẻ KOH \ -—- OAcA bt v n 3 AcU AcO. br Ae5 Ae(t? AcO Các cau trúc của sản phẩm đều được xác định bởi các phương pháp phân tích quang phô khác nhau và một số hợp chất tổng hợp được cho thay kha năng kháng khuẩn tốt trên các chúng vi khuẩn Gram (+) và Gram (-) cũng như khả năng kháng nắm trên một số loại nam như sau: S.Coli hz Albicans ee ee ee + ttt EEE +H | +: = - + +++ Đường kính vô khuan 20-25 mm; - Không có sự kháng khuân.