CHƯƠNG 1 - TONG QUAN 1. Hop chat crown ether Các hợp chất vòng polyether (1) với công thức cấu tạo được hình thành từ các nhóm I,2-ethylenglycol thường được gọi là các hợp chat crown ether. Năm 1967, lần đầu tiên các hợp chất crown ether được nghiên cứu có hệ thống và ứng dụng rộng rãi trong khoa học và kỹ thuật [67]. Ké từ đó, hàng nghìn hợp chất crown với cấu trúc tương tự đã được nghiên cứu, phát triển và công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín, trong các sách chuyên khảo và các đăng ký sở hữu trí tuệ (patent) [13.
14, 25, 33, 42, 104] mở ra nhánh mới trong lĩnh vực hóa học hữu cơ — hóa học các hợp chất đại phân tử - supermolercular chemistry [16, 27, 96, 98, 100]. Hai mươi năm sau khi công bố phương pháp tông hợp và ứng dụng đầu tiên của các hợp chất crown ether — Chalers Pedersen [67]- đã được trao giải thưởng Nobel cùng với hai nhà khoa học khác là Donald J. Cram và Jean-Marie Lehn về những đóng góp cho sự nghiên cứu, phát triên và ứng dụng của lĩnh vực hóa học mới — Hóa học các hợp chất crown ether [41, 99, 101, 102]. Một số vi du về các hợp chất crown: 1 — crown ether; 2 - azacrownophane; 3 — azacrown ether; 4 - thiocrown ether Các hợp chat crown ether được ứng dụng rộng rãi trong hóa hoc phân tích, chiết tách và phân lập các ion kim loại, đặc biệt là các ion kim loại kiềm và kiềm thô [25, 67, 103, 104].
Khi thay thế một hoặc vài nguyên tử oxy trong vòng crown bằng các dị tố khác thì chúng ta thu được các hợp chất heterocrown ether; ví dụ khi thay bởi nguyên tử nitơ thì chúng ta thu được các hợp chất azacrown ether (ví dụ, các chất 2 và 3); khi thay bởi các nguyên tử lưu huỳnh thì chúng ra có các hợp chất thiacrown ether (chất 4)[14, 25, 60, 98, 100]. Các hợp chất heterocrown ether thu hút sự quan tâm chú ý của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học, kỹ thuật, 14 dược học, mỹ phẩm,. do các tinh chất hóa học đặc biệt của nhóm heterocrown ether như kha năng tạo phức tốt, bền vững và độ chọn lọc cao với nhiều ion kim loại, NH¿” và các cation ammonium hữu cơ [32, 34, 78, 89]. Bên cạnh các ứng dụng trong hóa học phối trí, các hợp chất heterocrown ether với khả năng tích hợp các dị vòng chứa dị tố nitơ (hoặc lưu huỳnh) góp phan nâng cao khả năng thể hiện các hoạt tính sinh học hữu ích — hoạt tính gây độc tế bào trên các dòng tế bào ung thư [2, 5, 51, 52], ứng dụng trong nghiên cứu giả lập, mô phỏng co-enzyme NAD, ứng dụng trong hóa kỹ thuật, trong nghiên cứu huỳnh quang, trong các quá trình oxy hóa khử, trong vai trò chất xúc tác chuyên pha,.
Các nghiên cứu sau này đã xác định được kha năng tạo phức bền của crown ether với các ion kim loại phụ thuộc vào mối liên quan giữa kích thước không gian nội phân tử và bán kinh ion — bản chất các cation (bảng 1. Thông thường, các hợp chất 12-crown-4 tạo phức bên với ion Li*, hợp chất 15-crown-5 tạo phức bền vững nhất với các ion Na”, các dẫn xuất 18-crown-6 tạo phức bền vững với các ion KỶ, Rb*, NHÍ [88].1 Đường kính cation và kích thước không gian nội vùng crown ether (A ) Cation | Đường kính cation Crown ether Đường kính nội vùng crown Li* 1,36 12-crown-4 12— 1,5 Na” 1,90 15-crown-5 17—2,2 K* 2,66 18-crown-6 2,6 — 3,2 NH,* 2,86 18-crown-6 2,6 — 3,2 Rb* 2,94 18-crown-6 2,6 — 3,2 Cs* 3,38 21-crown-7 34-43 Tuy nhiên, trong trường hợp vùng không gian nội vòng crown qua nhỏ so với kích thước ion và ngược lại, khi thể tích nội vòng quá lớn so với đường kính cation, sẽ xảy ra trường hợp tạo phức theo các tỷ lệ thích hợp giữa phối tử và cation.2 trường hợp phức (6) hai phân tử 12-crown-4 ether tạo phức với một ion K* dưới dang sandwich; trường hợp phức (7) do kích thước nội vòng crown ether quá lớn so với bán kính ion Na”, nên chúng ta thu được phức chất trong đó một phân tử crown ether tạo liên kết phối trí với hai cation Na” [76]. Crown ether và khả năng tạo phức: 5 - phức chat theo tỷ lệ 1:1 = ligand : ion KỶ; 6 — phức chat theo tỷ lệ 2:1 = ligand : ion K”; 7 — phức chất theo tỷ lệ 1:2 = ligand : ion Na” Với mục tiêu đánh giá định lượng độ bền của phức chất, người ta sử dụng thông sỐ hằng số bền (K,— stability constant) được xác định theo công thức sau: — [LM*) Š [LIIM*] Trong đó: [L.M*] — nồng độ của phức chat [L]— nồng độ của phối tử tự do [M*] — nồng độ của cation tự do 1. Hợp chất azacrown ether Nhờ ứng dụng thực tiễn của các hợp chất crown ether trong nhiều ngành công nghiệp và các lĩnh vực khác nhau, yêu cầu thường xuyên đặt ra đối với nghiên cứu đó là phát triển phương pháp tổng hợp đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp và tìm kiếm các ứng dụng hữu ich của chúng.
Nghiên cứu các tài liệu tong quan về các hợp chất crown trong giai đoạn 1967 — 2017, chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến các hợp chất thiaazacrown, trong đó một số nguyên tử oxy được thay thế bởi nguyên tử lưu huỳnh và sự kết hợp vòng crown ether với các dị vòng như pyridine va y-piperidone. Cac di vòng khi tích hợp với vòng crown ether, thì có hai khả năng đối với di nguyên tố, đó là: 1) Dị tố có thé trực tiếp tham gia vào vòng crown ether, khi đó được gọi là endo-heteroatom. 2) Di tố không tham gia vào vòng crown ether, có vi trí exo-heteroatom. ca = 8 - endo-heteroatom 9 - exo-heteroatom Hình 1.
Một số hợp chất heterocrown ether Nhờ các liên kết qua nhóm ethyl và nguyên tử nitơ với hóa trị ba, lai hóa sp” đã hình thành nhóm các hợp chất hữu cơ mới - các đại phân tử cryptand. Cryptand là một trong những cấu trúc không gian (3D) của các hợp chất aminoether no — dẫn xuất của crown ether. Ba nhà khoa học Donald Cram, Jean-Marie Lehn và Charles Pedersen đã duoc nhận giải thưởng Nobel vào năm 1987 nhờ những phát minh va ứng dụng các hợp chất cryptand, crown ether vào cuộc sông [76]. Hop chất cryptand va phức chất của chúng với các cation M* va NH„* Trong phần tông quan chúng tôi sẽ trình bày một số phương pháp tổng hợp và ứng dung các hợp chat polyether mach thắng (dạng mở vòng crown ether) — hợp chất podand, các hợp chất azacrown ngưng tụ với các dị vòng chứa nito, như pyrrole, imidazole, pyridine, y-piperidone.
Ngoài ra, luận án cũng trình bày tông quan về phản ứng ngưng tụ đa tác nhân — một trong những phương pháp tổng hợp hữu cơ hiện đại và hiệu quả được áp dụng pho bién hién nay. Các hop chất polyether mạch thang — podand Các hợp chất polyether mạch thắng, hay còn gọi là các hợp chất polyethylenglycol (-O-CH;-CH;-O-)„ được coi là các dẫn xuất mở vòng của crown ether, ví dụ hợp chất 12-crown-4 ether (14) có podand tương ứng (15) (hình 1. 2 4 ‘ so > É —> yc O07 Oo 9 1 2 O. CH 2 5 " ‘ oO ‘Oo ; 2,5,8,11-tetraoxadodecane (15) 12 crown 4 ether (14) Hình 1.
Hop chat podand đồng phân mach thang của vòng crown ether Podand được tích hợp từ “pod” (với nghĩa ban chân) va “ligand” (phối tử), bởi tương tự như hợp chat crown ether, ứng dụng phổ biến nhất đối với podand là kha năng tạo phức với các ion kim loại [79, 87]. Bên cạnh khả năng tạo phức với các ion kim loại, hợp chất podand còn là các tiền chất quan trọng trong tổng hợp các heterocrown ether mới [52, 53, 80-82]. -5 S CH3 He ON 0 SOY 0 8 Hạc 7 378NTM 2,5,8,11-tetraoxadodecane (16) 2,5,8,11- tetrathiadodecane (17) H HạC Bà)SON S as -CH 3 H 2,5- dithia-8,1 1-diazadodecane (18) Hình 1. Một số ví du vé hop chat heteropodand Dua vào sự xuất hiện của các di tố, podand có thể phân loại thành các nhóm oxopodand (podand thông thường), thiapodand và azapodand,.
Ngoài ra, các podand có thể phân loại dựa trên đặc điểm các nhóm đầu, cuối trên mạch. Tương tự các hợp chất crown ether, hợp chất podand có khả năng tạo phức với một số cation kim loại. Hợp chất bipyridinopodand (19) thé hién kha nang tao phức với ion kim loại chuyên tiếp Cu” và tao thành sản pham pseudocrown ether — cau trúc giả crown ether (20) (sơ đồ 1. ig ig Cut O mm l9) P P ứ y > heavy metal ) a oO Ø Podand (19) n Leon (20) n So đồ 1.
Tổng hop hệ phức chat bipyridinopodand với ion Cu” 18 nh O o À Tetrakis(benzo)-28-crown-6 ether (21) l§ ` S t 8Ó 14 ` 20 18 21 2 2 19 ' 25 24 26 O 2 CH Il HỆ 2 30 29 Hình 1. Một số hợp chat tetrakis(benzo)crown ether là sản phẩm ngưng tu aldol từ các podand thành phan Các hợp chất podand với các nhóm chức hoạt động ở hai đầu mạch dễ dàng tham gia vào các chuyên hóa hóa học như các phản ứng ngưng tụ aldol. Trong các công bó, bang phản ứng domino ngưng tu aldol từ các podand thành phan (thé hiện mau xanh và đỏ trên hình 1.7), nhóm nghiên cứu đã tổng hợp thành công các dai di vòng tetrakisbenzo-28(31)-crown-6(7) ether (21,22) và tetrakisbenzo-31(34)- crown-7(8) ether (23,24).[1, 49, 84] ce FOO (25a-g) dioxane, 3h, Tsoi dung môi (26a-g) a: R = C(O)-NHp, X = Cl, n= 1; b: R = C(O)-NHp, X = Cl, n=2; €:R=C(O)-NH;, X = Cl, n= R= C(O)-NH), X = OTs, n= 1; e: R = C(O)-NHp, X = OTs, n= 2; f: R =C(O)-NH¿, X = OTs, n= 3; g: R=H, X=OTs, n= 1; Sơ đồ 1. Tổng hợp dẫn xuất N-alkylpyridinium podand (26a-g) 19 Bên cạnh khả năng tạo phức tốt với các ion kim loại, một số podand với dị vòng pyridine cũng thé hiện một số hoạt tính sinh học hữu ích, như hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định.2 trình bay một số phương pháp tông hợp các podand chứa dị vòng pyridine [65].
Một số podand với dị vòng pyrazole (27) ở hai đầu đã được nhóm nghiên cứu của giáo sư Popova V. từ Viện Hàn lâm khoa học Liên bang Nga tổng hợp thành công. Các podand này có khả năng tạo phức tốt với các ion kim loại kiềm, kiềm thổ, và kim loại chuyền tiếp [68]. Dẫn xuất podand (27a,b) chứa dị vòng 1,2-dihydro-3H-pyrazol-3-one Xuất phát từ các đặc trưng hóa lý (độ âm điện, mật độ electron, khả năng lai hóa, .) của các nguyên tố N, S, .