Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực hóa học hữu cơ và hóa dược, các hợp chất dị vòng đóng vai trò trung tâm nhờ tính chất hóa lý đa dạng và tiềm năng ứng dụng sinh học phong phú. Trong số các khung cấu trúc dị vòng ngưng tụ, dị vòng benzimidazole nhận được sự quan tâm sâu rộng từ giới nghiên cứu do xuất hiện phổ biến trong nhiều phân tử có hoạt tính y sinh và nông dược quan trọng. Y văn đã ghi nhận các dẫn xuất chứa dị vòng benzimidazole có khả năng kháng khuẩn, kháng virus, chống viêm, chống oxy hóa, kháng ung thư và ức chế virus HIV. Trong thực tiễn bảo vệ thực vật, khung benzimidazole là hoạt chất chủ chốt trong nhiều loại thuốc trừ nấm được sử dụng ở cả giai đoạn tiền thu hoạch và sau thu hoạch đối với cây lương thực, rau màu và cây ăn trái. Đặc biệt, phân tử 2-methylbenzimidazole—một dẫn xuất tiêu biểu của khung benzimidazole—thể hiện nhiều hoạt tính dược lý giá trị như diệt khuẩn, trừ nấm và kháng côn trùng.

Nhằm phát triển các cấu trúc phân tử mới kết hợp khung benzimidazole với các dị vòng chức năng khác nhằm gia tăng hoạt tính sinh học, đề tài "Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số amide chứa dị vòng benzimidazole" được thực hiện bởi sinh viên Trần Thị Cẩm Đức (lớp Hóa K37C, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tiến Công.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu tổng quát: Tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc của một số dẫn xuất amide chứa dị vòng benzimidazole kết hợp dị vòng 1,3,4-oxadiazole hoặc 1,2,4-triazole.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Xác định cấu trúc hóa học của các hợp chất tổng hợp được thông qua việc khảo sát tính chất vật lý (trạng thái, màu sắc, điểm nóng chảy, độ tan) và phân tích các phổ nghiệm: phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$) và phổ khối lượng (MS).
    • Thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định của các hợp chất tổng hợp đối với 8 chủng vi sinh vật chuẩn, bao gồm:
      • Vi khuẩn Gram (-): Escherichia coli (ATCC 25922), Pseudomonas aeruginosa (ATCC 25923).
      • Vi khuẩn Gram (+): Bacillus subtilis (ATCC 11774), Staphylococcus aureus subsp. aureus (ATCC 11632).
      • Nấm sợi: Aspergillus niger (439), Fusarium oxysporum (M42).
      • Nấm men: Candida albicans (ATCC 7754), Saccharomyces cerevisiae (SH 20).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Dãy dẫn xuất $N\text{-aryl } 2\text{-}{5\text{-}[(2\text{-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazol-2-ylthio}}acetamide$ và $N\text{-aryl } 2\text{-}{5\text{-}[(2\text{-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4}H\text{-1,2,4-triazole-3-ylthio}}acetamide$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Quy trình thực nghiệm tổng hợp hữu cơ đa giai đoạn, khảo sát tính chất hóa lý, biện luận cấu trúc phân tử qua hệ thống phổ nghiệm FT-IR, $^1\text{H-NMR}$, MS và đánh giá hoạt tính ức chế vi sinh vật trong điều kiện in vitro.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 4 bước chính:

  1. Xuất phát từ nguyên liệu ban đầu là $o\text{-phenylenediamine}$, tổng hợp $2\text{-methylbenzimidazole}$ (1), tiếp tục chuyển hóa thành dẫn xuất ester $ethyl\text{ 2-(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)acetate}$ (2) và hydrazide tương ứng $2\text{-(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)acetohydrazide}$ (3).
  2. Phát triển 2 hướng chuyển hóa từ hydrazide (3):
    • Hướng 1: Cho hydrazide phản ứng với $\text{CS}_2$ trong môi trường kiềm tạo dị vòng $5\text{-}[(2\text{-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazole-2-thiol}$ (4); sau đó thực hiện phản ứng thế ái nhân với các dẫn xuất chloroacetamide để tạo các amide ($\mathbf{5a\text{-}b}$).
    • Hướng 2: Cho hydrazide phản ứng với $1\text{-isothiocyanato-4-methylbenzene}$ qua 2 giai đoạn tạo dị vòng $5\text{-}[(2\text{-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4}H\text{-1,2,4-triazole-3-thiol}$ (6); sau đó thế ái nhân với các chloroacetamide để tạo các dẫn xuất amide ($\mathbf{7a\text{-}b}$).
  3. Đo đạc và biện luận các thông số vật lý, phổ FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ và MS để xác định chính xác cấu trúc của các hợp chất trung gian và sản phẩm cuối.
  4. Đánh giá hoạt tính sinh học thăm dò nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ ức chế 50% ($\text{IC}_{50}$) của các hợp chất tổng hợp được đối với các chủng vi khuẩn và vi nấm kiểm nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết hóa học dị vòng thơm, cơ chế phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử ($\text{S}\text{N}2$), phản ứng cộng - tách ái nhân nhóm carbonyl ($\text{A}\text{N}$) và phản ứng đóng vòng tạo dị vòng 5 cạnh chứa dị tố nitơ, oxy, lưu huỳnh:

  • Cấu tạo và tính chất benzimidazole: Khung dị vòng ngưng tụ giữa vòng benzene và vòng imidazole; sự tồn tại của liên kết hydro liên phân tử và hiện tượng hỗ biến tautomer giữa nguyên tử hydro ở vị trí N1 và N3.
  • Khung dị vòng 1,3,4-oxadiazole và 1,2,4-triazole: Cấu trúc thơm phẳng 5 cạnh có tính bền nhiệt cao, khả năng tham gia chuyển hóa hỗ biến thiol - thione của các dẫn xuất mercapto/thiol ở vị trí C2/C3.
  • Kế thừa quy trình tổng hợp: Quy trình khép vòng hydrazide với $\text{CS}_2/\text{KOH}$ và khép vòng thiosemicarbazide trong môi trường kiềm được xây dựng dựa trên các nghiên cứu của Ainsworth, Lưu Văn Bôi và cộng sự, Patel (2012), Abdel-Rahman và cộng sự (2013), và Ansari (2010).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị phân tích gồm:

  • Tổng hợp hóa học: Phương pháp hồi lưu nhiệt phân đun cách thủy, chiết, lọc, kết tinh phân đoạn và tái kết tinh trong các hệ dung môi thích hợp ($\text{H}_2\text{O}$, ethanol tuyệt đối, acetone).
  • Xác định nhiệt độ nóng chảy: Thiết bị Gallenkamp tại Phòng thí nghiệm Hóa Đại cương, Khoa Hóa học, Trường ĐH Sư phạm TP. Hồ Chí Minh.
  • Phổ hồng ngoại (FT-IR): Máy Shimadzu FTIR 8400S, mẫu đo ở dạng viên nén $\text{KBr}$, thực hiện tại Khoa Hóa học, Trường ĐH Sư phạm TP. Hồ Chí Minh.
  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$): Máy Bruker Avance 500 MHz, đo trong dung môi $\text{DMSO-d}_6$, thực hiện tại Phòng NMR, Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội).
  • Phổ khối lượng (MS): Máy Agilent 6490 Triple Quadrupole LC/MS tại Trung tâm Pháp y (Sở Y tế TP. Hồ Chí Minh) và máy Bruker micrOTOF-Q 10187 tại Trường ĐH Khoa học Tự nhiên (ĐHQG TP. Hồ Chí Minh).
  • Thử nghiệm sinh học: Đánh giá nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và $\text{IC}_{50}$ theo phương pháp vi pha loãng trên bản 96 giếng của Vanden Berghen & Vlietlinck (1991) và McKane (1996), phân tích đường cong sinh trưởng bằng phần mềm Table Curve tại Phòng Kiểm nghiệm vi sinh vật, Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Hà Nội).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu đi trước liên quan đến 3 hệ dị vòng cốt lõi của đề tài:

  • Dị vòng benzimidazole: Trình bày lịch sử phát hiện từ năm 1872 bởi Hoebrecker qua phản ứng khử $4\text{-methyl-2-nitroacetanilide}$ bằng thiếc và acid, Ladenburg ngưng tụ $3,4\text{-diaminotoluene}$ với acid acetic; sự hiện diện của cấu trúc $5,6\text{-dimethylbenzimidazole}$ trong vitamin $\text{B}_{12}$; hiện tượng tautomer hóa đặc trưng (như giữa dạng 5-methyl và 6-methylbenzimidazole). Tổng quan các con đường tổng hợp $2\text{-methylbenzimidazole}$ từ $o\text{-phenylenediamine}$ với anhydride acetic, aldehyde (xúc tác oxy hóa muối đồng) hoặc nitrile.
  • Dị vòng 1,3,4-oxadiazole: Trình bày đặc điểm hình học phân tử, độ dài liên kết và góc liên kết; tổng hợp theo Ainsworth (1965) qua nhiệt phân $ethyl\text{ formate hydrazine}$, oxy hóa $N\text{-acylpyrazolylaldehyde hydrazone}$ bằng $\text{PhI(OAc)}_2$, vòng hóa thiosemicarbazide bằng $\text{HgO}$ hoặc $\text{I}_2/\text{KI}/\text{NaOH}$, khử nước diacyl hydrazine bằng $\text{POCl}_3, \text{SOCl}_2, \text{H}_2\text{SO}_4$, và phản ứng của hydrazide với carbon disulfide ($\text{CS}_2$).
  • Dị vòng 1,2,4-triazole: Trình bày cấu trúc hỗ biến $4H$ và $1H$, hỗ biến thiol - thione ($4\text{-aryl-4}H\text{-1,2,4-triazole-3-thiol}$ và $4\text{-aryl-1,2,4-triazole-3-thione}$); các phương pháp tổng hợp khép vòng từ thiosemicarbazide dưới tác dụng của dung dịch kiềm ($\text{NaOH/KOH}$) hoặc phản ứng oxy hóa thiosemicarbazone bằng $\text{FeCl}_3$.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thao tác, lượng hóa chất, điều kiện phản ứng và kết quả thu nhận từng hợp chất trung gian và sản phẩm cuối:

Ký hiệu Tên hợp chất Tác nhân phản ứng chính Điều kiện phản ứng Khối lượng (g) Hiệu suất (%) Trạng thái, màu sắc Nhiệt độ nóng chảy (°C)
(1) $2\text{-methyl-1}H\text{-benzimidazole}$ $o\text{-phenylenediamine} + \text{CH}_3\text{COOH}$ $\text{HCl 4N}$, hồi lưu 12 giờ 8,01 60,68 Tinh thể kim, vàng nâu 178 - 180
(2) $ethyl\text{ 2-(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)acetate}$ $\mathbf{(1)} + \text{ClCH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$ $\text{K}_2\text{CO}_3$, acetone, hồi lưu 8 giờ 7,56 34,68 Tinh thể kim, trắng 114
(3) $2\text{-(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)acetohydrazide}$ $\mathbf{(2)} + \text{NH}_2\text{NH}_2\cdot\text{H}_2\text{O } 50%$ Ethanol, hồi lưu 6 giờ 3,37 66,08 Tinh thể, trắng 191,2
(4) $5\text{-}[(2\text{-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazole-2-thiol}$ $\mathbf{(3)} + \text{CS}_2 + \text{KOH}$ Ethanol tuyệt đối, hồi lưu 10 giờ; acid hóa $\text{HCl 10%}$ 2,01 54,47 Tinh thể vảy, vàng xám 178,4
(5a) $N\text{-phenyl 2-{5-[(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazol-2-ylthio}}acetamide$ $\mathbf{(4)} + \text{ClCH}_2\text{CONHPh}$ $\text{K}_2\text{CO}_3$, acetone, hồi lưu 6 giờ 0,52 68,42 Tinh thể, trắng ngà 162
(5b) $N\text{-(4-bromophenyl) 2-{5-[(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-1,3,4-oxadiazol-2-ylthio}}acetamide$ $\mathbf{(4)} + \text{ClCH}_2\text{CONH(4-BrC}_6\text{H}_4)$ $\text{K}_2\text{CO}_3$, acetone, hồi lưu 6 giờ 0,61 66,30 Tinh thể, trắng 174
(6) $5\text{-}[(2\text{-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4}H\text{-1,2,4-triazole-3-thiol}$ GĐ1: $\mathbf{(3)} + p\text{-CH}_3\text{C}_6\text{H}_4\text{NCS}$; GĐ2: $\text{NaOH 2M}$ GĐ1: EtOH, 1 giờ; GĐ2: hồi lưu 2 giờ; acid hóa $\text{HCl 10%}$ 2,83 56,32 Tinh thể vảy, trắng 190
(7a) $N\text{-phenyl 2-{5-[(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4}H\text{-1,2,4-triazole-3-ylthio}}acetamide$ $\mathbf{(6)} + \text{ClCH}_2\text{CONHPh}$ $\text{K}_2\text{CO}_3$, acetone, hồi lưu 4 giờ 0,56 59,83 Tinh thể kim, trắng 182
(7b) $N\text{-(4-bromophenyl) 2-{5-[(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4}H\text{-1,2,4-triazole-3-ylthio}}acetamide$ $\mathbf{(6)} + \text{ClCH}_2\text{CONH(4-BrC}_6\text{H}_4)$ $\text{K}_2\text{CO}_3$, acetone, hồi lưu 4 giờ 0,68 62,04 Tinh thể kim, trắng 196

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tập trung biện luận cơ chế chuyển hóa hóa học và phân tích chi tiết dữ liệu phổ nghiệm của từng chất:

  • Hợp chất (1): Tổng hợp theo cơ chế proton hóa nhóm carbonyl của acid acetic bởi xúc tác $\text{HCl}$, tạo tâm carbocation tăng cường khả năng tấn công của nhóm amine trên $o\text{-phenylenediamine}$. Phổ FT-IR cho thấy sự mất hoàn toàn vân hấp thụ $-\text{NH}2$ tự do, xuất hiện dao động hóa trị $\text{C}\text{sp2}\text{-H}$ thơm ($3063\text{ cm}^{-1}$), $\text{C}_\text{sp3}\text{-H}$ no ($2995\text{ - }2916\text{ cm}^{-1}$), liên kết $\text{C=N/C=C}$ ($1622, 1556\text{ cm}^{-1}$) và biến dạng nhóm $-\text{CH}_3$ ($1386\text{ cm}^{-1}$).
  • Hợp chất (2): Phản ứng alkyl hóa N1 theo cơ chế $\text{S}_\text{N}2$ sử dụng $\text{K}_2\text{CO}_3$ trong dung môi aprotic acetone khan. Bán kính ion của $\text{K}^+$ lớn hơn $\text{Na}^+$, làm giảm mật độ điện tích và tăng độ phân ly anion nucleophile. Phổ FT-IR xuất hiện peak đặc trưng của nhóm ester $\text{C=O}$ tại $1734\text{ cm}^{-1}$.
  • Hợp chất (3): Phản ứng thế ái nhân giữa ester và hydrazine hydrate theo cơ chế cộng - tách $\text{A}_\text{N}$. Cần sử dụng lượng dư hydrazine (gấp 2-3 lần) và bổ sung từng lượng nhỏ để hạn chế thủy phân ester trong môi trường base. Phổ FT-IR dịch chuyển peak $\text{C=O}$ từ $1734\text{ cm}^{-1}$ xuống $1658\text{ cm}^{-1}$ và xuất hiện peak dao động $\text{N-H}$ tại $3306\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz, DMSO-d}_6$) ghi nhận đầy đủ 12 proton với tỷ lệ tích phân $2:2:2:1:1:1:3$:
    • $\delta = 2,50\text{ ppm}$ ($\text{s}, 3\text{H}, -\text{CH}_3$).
    • $\delta = 4,33\text{ ppm}$ ($\text{s}, 2\text{H}, -\text{NH}_2$).
    • $\delta = 4,79\text{ ppm}$ ($\text{s}, 2\text{H}, -\text{CH}_2\text{-}$).
    • $\delta = 7,14\text{ ppm}$ ($\text{m}, 2\text{H}, \text{H}^{5'}, \text{H}^{6'}$).
    • $\delta = 7,38\text{ ppm}$ ($\text{d}, 1\text{H}, ^3J = 7,5\text{ Hz}, \text{H}^{7'}$).
    • $\delta = 7,51\text{ ppm}$ ($\text{d}, 1\text{H}, ^3J = 7,5\text{ Hz}, \text{H}^{4'}$).
    • $\delta = 9,51\text{ ppm}$ ($\text{s}, 1\text{H}, -\text{NH-CO-}$). (Nguyên tử $\text{N}_1$ tham gia liên hợp làm tăng mật độ electron tại $\text{H}^{7'}$, khiến tín hiệu $\text{H}^{7'}$ nằm ở trường mạnh hơn so với $\text{H}^{4'}$).
  • Hợp chất (4): Đóng vòng oxadiazole với $\text{CS}_2/\text{KOH}$. Phổ FT-IR mất hoàn toàn các vân hấp thụ của nhóm $-\text{NH}_2$ ($3306\text{ cm}^{-1}$) và $\text{C=O}$ hydrazide ($1658\text{ cm}^{-1}$). Phổ $^1\text{H-NMR}$ (9 proton) ghi nhận tín hiệu singlet $-\text{CH}_3$ tại $\delta = 2,57\text{ ppm}$, tín hiệu mũi tù rộng $-\text{SH}$ tại $\delta = 3,44\text{ ppm}$, $-\text{CH}_2\text{-}$ tại $\delta = 5,68\text{ ppm}$, $\text{H}^{5'}, \text{H}^{6'}$ multiplet tại $\delta = 7,22\text{ ppm}$ và $\text{H}^{4'}, \text{H}^{7'}$ doublet-doublet chập tại $\delta = 7,57\text{ ppm}$ ($^3J = 7,0\text{ Hz}$).
  • Dãy hợp chất amide (5a-b): Phản ứng thế $\text{S}_\text{N}2$ của nhóm thiol phân ly với $N\text{-aryl chloroacetamide}$ trong acetone có $\text{K}_2\text{CO}_3$. Phổ FT-IR xuất hiện dao động $\text{C=O}$ amide trong khoảng $1674\text{ - }1676\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ thể hiện rõ 2 nhóm methylen: nhóm $-\text{S-CH}_2\text{-}$ gắn lưu huỳnh cộng hưởng ở $\delta = 4,25\text{ ppm}$, trong khi nhóm $-\text{N-CH}_2\text{-}$ gắn dị vòng benzimidazole chịu ảnh hưởng hút electron mạnh hơn nên cộng hưởng ở trường yếu hơn tại $\delta = 5,79\text{ - }5,80\text{ ppm}$. Proton nhóm $-\text{CONH-}$ xuất hiện ở vùng trường rất yếu $\delta = 10,34\text{ - }10,51\text{ ppm}$.
  • Dãy hợp chất triazole (6) và (7a-b): Biện luận tương tự cho phản ứng khép vòng 1,2,4-triazole 2 giai đoạn và phản ứng $S\text{-alkyl}$ hóa gắn cầu nối amide, xác nhận cấu trúc qua phổ FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ và khối phổ MS.
  • Thăm dò hoạt tính sinh học: Đánh giá giá trị MIC và $\text{IC}_{50}$ của các hợp chất trung gian thiol và các dẫn xuất amide đối với 8 chủng vi sinh vật chuẩn, xác định mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học và hiệu lực ức chế vi khuẩn Gram (+), Gram (-) và vi nấm.

Chương 4: Kết luận và đề xuất

Tổng kết các kết quả đạt được:

  • Đã xây dựng và hoàn thiện quy trình tổng hợp 8 hợp chất dị vòng chứa khung benzimidazole, bao gồm các hợp chất trung gian (1, 2, 3), các dẫn xuất dị vòng thiol (4, 6) và 4 dẫn xuất amide mới thuộc hai dãy oxadiazole ($\mathbf{5a\text{-}b}$) và triazole ($\mathbf{7a\text{-}b}$).
  • Xác định đầy đủ cấu trúc hóa học, độ tinh khiết và thông số lý hóa của tất cả các hợp chất tổng hợp được bằng hệ thống phổ nghiệm FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ và MS.
  • Bước đầu thăm dò và ghi nhận hoạt tính kháng vi sinh vật của các hợp chất đối với các chủng vi khuẩn và vi nấm thử nghiệm.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu tổng hợp thêm các dẫn xuất thế khác trên nhân thơm và tiến hành thử nghiệm hoạt tính sinh học mở rộng (chống viêm, chống oxy hóa, gây độc tế bào ung thư).

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã công bố các kết quả thực nghiệm định lượng rõ ràng:

  • Dữ liệu tổng hợp và hiệu suất:

    • Hợp chất trung gian: $2\text{-methyl-1}H\text{-benzimidazole}$ (1) đạt hiệu suất $60,68%$ ($t_\text{nc} = 178\text{ - }180^\circ\text{C}$); $ethyl\text{ 2-(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)acetate}$ (2) đạt hiệu suất $34,68%$ ($t_\text{nc} = 114^\circ\text{C}$); $2\text{-(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)acetohydrazide}$ (3) đạt hiệu suất $66,08%$ ($t_\text{nc} = 191,2^\circ\text{C}$).
    • Hợp chất dị vòng thiol: dẫn xuất 1,3,4-oxadiazole (4) đạt hiệu suất $54,47%$ ($t_\text{nc} = 178,4^\circ\text{C}$); dẫn xuất 1,2,4-triazole (6) đạt hiệu suất $56,32%$ ($t_\text{nc} = 190^\circ\text{C}$).
    • Dẫn xuất amide dãy oxadiazole: $\mathbf{5a}$ đạt $68,42%$ ($t_\text{nc} = 162^\circ\text{C}$); $\mathbf{5b}$ đạt $66,30%$ ($t_\text{nc} = 174^\circ\text{C}$).
    • Dẫn xuất amide dãy triazole: $\mathbf{7a}$ đạt $59,83%$ ($t_\text{nc} = 182^\circ\text{C}$); $\mathbf{7b}$ đạt $62,04%$ ($t_\text{nc} = 196^\circ\text{C}$).

  • Đóng góp khoa học:

    • Đã thiết lập được quy trình bán vi mô ổn định để tổng hợp hệ thống các phân tử lai ghép đa dị vòng ($2\text{-methylbenzimidazole}$ liên kết với $1,3,4\text{-oxadiazole}$ hoặc $1,2,4\text{-triazole}$ qua cầu nối methylene và mang nhóm chức $N\text{-aryl thioacetamide}$).
    • Cung cấp bộ dữ liệu phổ nghiệm chi tiết ($^1\text{H-NMR}$ phân giải cao 500 MHz, FT-IR, MS), quy kết chính xác vị trí tương tác spin-spin và độ chuyển dịch hóa học cho các hệ dị vòng phức tạp.
    • Bổ sung dữ liệu thực nghiệm về hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm in vitro của các dẫn xuất amide chứa dị vòng benzimidazole.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự nêu các hạn chế và đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng:

  • Hạn chế thực nghiệm:
    • Hiệu suất tổng hợp giai đoạn tạo ester (2) còn tương đối thấp ($34,68%$) do quá trình cạnh tranh không gian và khả năng thủy phân ester trong môi trường phản ứng.
    • Số lượng dẫn xuất amide tổng hợp ở mỗi dãy còn hạn chế (mới khảo sát trên nhóm thế $\text{-H}$ và $\text{-Br}$ ở vị trí para của vòng phenyl).
    • Phản ứng khép vòng sử dụng $\text{CS}_2$ là tác nhân có tính độc hại, dễ bay hơi và nguy cơ cháy nổ trong điều kiện phòng thí nghiệm thông thường.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Tối ưu hóa điều kiện phản ứng alkyl hóa tạo ester (2) để nâng cao hiệu suất tổng thể của toàn bộ quy trình.
    • Mở rộng tổng hợp các dẫn xuất amide với nhiều nhóm thế hút/đẩy electron khác nhau trên vòng thơm ($\text{-Cl}, \text{-NO}_2, \text{-OCH}_3, \text{-CH}_3$) để khảo sát mối quan hệ định lượng giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học (QSAR).
    • Nghiên cứu thay thế tác nhân $\text{CS}_2$ bằng các tác nhân thiocarbamoyl hóa thân thiện với môi trường hơn (như tetramethylthiuram disulfide).
    • Mở rộng thử nghiệm hoạt tính sinh học sang các mô hình sàng lọc khác như kháng viêm, chống oxy hóa, kháng virus và thử nghiệm độc tính tế bào ung thư.

Giá trị tham khảo

Khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học, Hóa dược và Dược học: Tài liệu tham khảo hữu ích về quy trình thực hành tổng hợp hữu cơ đa giai đoạn, kỹ thuật khép dị vòng 5 cạnh (oxadiazole, triazole) và kỹ năng phân tích, biện luận phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$) và phổ hồng ngoại (FT-IR) của các hợp chất hữu cơ phức tạp.
  • Các nhóm nghiên cứu về tổng hợp thuốc và hoạt chất sinh học: Cung cấp số liệu thực nghiệm, thông số điểm nóng chảy, điều kiện phản ứng và dữ liệu hoạt tính kháng khuẩn/kháng nấm chuẩn của các dẫn xuất benzimidazole liên kết thioacetamide.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phản ứng tổng hợp ethyl 2-(2-methylbenzimidazol-1-yl)acetate (2) lại ưu tiên dùng muối $\text{K}_2\text{CO}_3$ thay vì $\text{Na}_2\text{CO}_3$ và phải thực hiện trong acetone khan?
Trong phản ứng thế $\text{S}\text{N}2$, cation $\text{K}^+$ có bán kính ion lớn hơn $\text{Na}^+$ dù cùng điện tích $+1$, làm giảm mật độ điện tích bề mặt và làm cho liên kết giữa $\text{K}^+$ và anion benzimidazolate kém bền hơn, giúp phân ly anion nucleophile dễ dàng hơn, làm tăng nồng độ tác nhân phản ứng. Acetone là dung môi phân cực phi proton (aprotic) thuận lợi nhất cho cơ chế $\text{S}\text{N}2$. Phản ứng bắt buộc phải khan nước vì nước sẽ thủy phân $\text{K}_2\text{CO}_3$ tạo môi trường kiềm mạnh làm thủy phân nhóm chức ester của cả chất phản ứng lẫn sản phẩm tạo thành.

2. Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của hydrazide (3), vì sao proton $\text{H}^{7'}$ của vòng benzimidazole lại xuất hiện ở trường mạnh hơn ($\delta = 7,38\text{ ppm}$) so với proton $\text{H}^{4'}$ ($\delta = 7,51\text{ ppm}$)?
Do nguyên tử nitơ $\text{N}_1$ của vòng benzimidazole còn cặp electron tự do gây hiệu ứng liên hợp đẩy electron ($+\text{C}$) vào vòng thơm benzimidazole, làm tăng mật độ electron tại vị trí lân cận $\text{H}^{7'}$. Mật độ electron cao hơn dẫn đến hiệu ứng chắn từ trường hạt nhân mạnh hơn, đẩy tín hiệu cộng hưởng của $\text{H}^{7'}$ về phía trường mạnh ($\delta = 7,38\text{ ppm}$ so với $\delta = 7,51\text{ ppm}$ của $\text{H}^{4'}$). Cả hai đều có dạng doublet với hằng số tách spin-spin $^3J = 7,5\text{ Hz}$.

3. Làm thế nào để phân biệt hai nhóm methylen ($-\text{CH}_2\text{-}$) trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của các dẫn xuất amide (5a-b)?
Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của ($\mathbf{5a\text{-}b}$), hai nhóm $-\text{CH}_2\text{-}$ đều cho tín hiệu singlet với tích phân $2\text{H}$ nhưng ở hai vùng trường khác nhau: nhóm $-\text{S-CH}_2\text{-}$ liên kết với lưu huỳnh cộng hưởng ở $\delta = 4,25\text{ ppm}$, trong khi nhóm $-\text{N-CH}_2\text{-}$ gắn trực tiếp vào dị vòng benzimidazole chịu ảnh hưởng hút electron mạnh của nguyên tử nitơ nên bị giải chắn mạnh hơn, dịch chuyển về vùng trường yếu hơn tại $\delta = 5,79\text{ - }5,80\text{ ppm}$.

4. Quy trình tổng hợp dị vòng 5-[(2-methyl-1H-benzimidazol-1-yl)methyl]-4-(p-tolyl)-4H-1,2,4-triazole-3-thiol (6) diễn ra qua những giai đoạn nào?
Phản ứng diễn ra qua 2 giai đoạn:

  • Giai đoạn 1: Cho hydrazide (3) phản ứng với $p\text{-methylphenyl isothiocyanate}$ ($p\text{-CH}_3\text{-C}_6\text{H}_4\text{NCS}$) trong ethanol tuyệt đối, đun cách thủy 1 giờ tạo chất trung gian thiosemicarbazide ($2\text{-}[2\text{-(2-methyl-1}H\text{-benzimidazol-1-yl)acetyl]-}N\text{-(p-tolyl)hydrazine-1-carbothioamide}$ dạng chất rắn màu trắng).
  • Giai đoạn 2: Đun hồi lưu chất rắn trung gian trong dung dịch $\text{NaOH 2M}$ trong 2 giờ để đóng vòng triazole, sau đó làm lạnh và acid hóa bằng dung dịch $\text{HCl 10%}$ về $\text{pH } 3\text{ - }4$ trong chậu nước đá để kết tủa hoàn toàn sản phẩm dị vòng thiol (6).

5. Hoạt tính kháng vi sinh vật của các hợp chất tổng hợp được kiểm nghiệm trên những đối tượng nào và tiêu chuẩn đánh giá hoạt tính ra sao?
Hoạt tính được thử nghiệm trên 8 chủng vi sinh vật chuẩn gồm vi khuẩn Gram (-) (E. coli, P. aeruginosa), vi khuẩn Gram (+) (B. subtilis, S. aureus), nấm sợi (A. niger, F. oxysporum) và nấm men (C. albicans, S. cerevisiae). Theo tiêu chuẩn phương pháp vi pha loãng được áp dụng trong khóa luận, mẫu thử nghiệm được coi là có hoạt tính ức chế khi giá trị nồng độ ức chế tối thiểu $\text{MIC} < 200\ \mu\text{g/mL}$ đối với mẫu thô và $\text{MIC} < 50\ \mu\text{g/mL}$ đối với mẫu tinh khiết, sau đó nồng độ ức chế 50% ($\text{IC}_{50}$) được tính toán dựa trên đường cong logarit phát triển vi sinh vật bằng phần mềm Table Curve.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Thị Cẩm Đức đã thực hiện thành công chuỗi quy trình tổng hợp hữu cơ đa giai đoạn để tạo ra 8 hợp chất dị vòng chứa khung $2\text{-methylbenzimidazole}$ lai ghép với dị vòng $1,3,4\text{-oxadiazole}$ và $1,2,4\text{-triazole}$ mang cầu nối amide. Cấu trúc hóa học của toàn bộ các sản phẩm trung gian và dẫn xuất mới đều được chứng minh sáng tỏ thông qua phân tích chuyên sâu các dữ liệu phổ nghiệm FT-IR, $^1\text{H-NMR}$ (500 MHz) và MS. Công trình cung cấp bộ dẫn liệu thực nghiệm có độ tin cậy cao về quy trình tổng hợp hóa học và kết quả sàng lọc hoạt tính kháng vi sinh vật, đóng góp thiết thực cho hướng nghiên cứu phát triển các phân tử có hoạt tính sinh học trên nền khung dị vòng benzimidazole.