MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hợp chất chứa dị vòng benzothiazole có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong hóa học tổng hợp, y học và dược phẩm do có hoạt tính sinh học phong phú như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng tế bào ung thư. Nhiều hợp chất chứa dị vòng benzothiazole được sử dụng làm thuốc như: Riluzole dùng làm thuốc chống trầm cảm, Zopolrestat dùng để điều trị các biến chứng tiểu đường và Ethoxazolamide dùng làm thuốc tăng nhãn áp, lợi tiểu, loét tá tràng… Nhiều dẫn xuất của benzothiazole đang trong quá trình thử nghiệm lâm sàng đã làm nổi bật tầm quan trọng của dị vòng này. Bên cạnh đó, benzoxazole là một khung dị vòng thường gặp trong thiên nhiên cũng như trong tổng hợp.
Benzoxazole được tìm thấy trong cấu trúc hóa học của một số dược phẩm như: thuốc chống viêm Flunoxaprofen, thuốc kháng sinh Calcimycin, thuốc giảm đau, hạ sốt và chống viêm Benoxaprofen … Hợp chất chứa dị vòng benzoxazole cũng nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học do có nhiều hoạt tính sinh học phong phú như kháng ung thư, kháng khuẩn, chống co giật. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về hai dị vòng này ở Việt Nam còn ít, chưa có hệ thống và mới chỉ dừng lại ở việc tổng hợp mà chưa quan tâm nhiều đến hoạt tính sinh học. Việc tổng hợp và nghiên cứu các dẫn xuất của benzothiazole có chứa đồng thời hai nhóm chức amino và hydroxyl không những làm tăng khả năng chuyển hóa để tạo thành các dẫn xuất mới mà còn tăng khả năng cộng hưởng hoạt tính là điều rất cần thiết. Do đó, hướng nghiên cứu này còn rất rộng mở, hứa hẹn những kết quả mới mẻ, lý thú, có ích về phương diện lý thuyết và thực tiễn.
Vì vậy, tôi lựa chọn đề tài: ―Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole‖. Mục đích và nhiệm vụ của luận án - Mục đích: Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc và chuyển hóa có định hướng tạo thành một số hợp chất mới có chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole nhiều nhóm thế từ nguyên liệu ban đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin, nhằm tìm kiếm những hợp chất có hoạt tính sinh học cao hoặc có ứng dụng khác. 1 - Nhiệm vụ: + Xuất phát từ 2 chất đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin tổng hợp một số ―chất chìa khóa‖ loại o-aminophenol. + Chuyển hóa ―chất chìa khóa‖ thành các dãy hợp chất mới có chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole.
+ Nghiên cứu tính chất và xác định cấu trúc của các hợp chất mới bằng phương pháp phổ hiện đại IR, NMR và MS. + Thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định, chống oxi hóa, kháng tế bào ung thư và hoạt tính kích thích sinh trưởng thực vật của một số hợp chất mới nhằm tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính sinh học cao. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Một số hợp chất mới chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc và thăm dò hoạt tính sinh học của các hợp chất tổng hợp được.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đã hoàn thiện 02 quy trình tổng hợp hợp chất chứa dị vòng benzothiazole theo nguyên tắc của hóa học xanh từ hai chất đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin đó là: i) khép vòng benzoxazole có chứa dị vòng benzothiazole, phản ứng khép vòng này xảy ra đồng thời ở cả hai nhóm chức amino và hydroxyl; ii) N-formyl hóa nhóm amine, phản ứng này chỉ xảy ra ở nhóm chức amine. Trong quy trình tổng hợp có một số giai đoạn sử dụng chiếu xạ năng lượng vi sóng đã rút ngắn được thời gian phản ứng, tiết kiệm dung môi và tăng hiệu suất của phản ứng. - Cung cấp nguồn dữ liệu chuẩn xác về phổ IR, NMR và MS của các hợp chất dị vòng phức tạp phục vụ cho nghiên cứu khoa học và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho xã hội. - Một số hợp chất có chứa dị vòng benzothiazole loại N-formamide và acid hydroxamic thể hiện độc tính tế bào tốt tương đương đối chứng, trong khi đó các hợp chất loại o-aminophenol lại có hoạt tính chống oxi hóa cao, điều này giúp định hướng cho việc tìm kiếm những hợp chất mới có tiềm năng ứng dụng vào thực tế.
Tổng quan về dị vòng benzothiazole Benzothiazole là hợp chất dị vòng ngưng tụ gồm dị vòng 5 cạnh 1,3-thiazole được kết hợp với vòng benzene thuộc họ benzo-1,3-azole [6]. 7 1 Me Me 6 S N N N COOH HOOC HO 2 5 N S HO S S Me 4 HO AcO OH O 3 (1) Firefly luciferin (2) Me Me Benzothiazole O MeO OH OH Me F O NH S N O S O N F F NH2 S NH2 F N S F N N O O O S F N OH Ziluzole (4) Ethoxazolamide (6) O H Zopolrestat (5) Me O Rifamycin P (3) Hình 1. Benzothiazole và một số dẫn xuất có trong tự nhiên và sử dụng trong y học Nhiều hợp chất chứa dị vòng benzothiazole được tìm thấy trong thiên nhiên vì thế chúng thường có phổ hoạt tính sinh học phong phú, chọn lọc và thân thiện với cơ thể sống và môi trường. Ví dụ, acid 6-hydroxybenzothiazole-5-acetic (1) (Hình 1.1) là hợp chất kháng khuẩn có tên C304A hoặc M4582 là sản phẩm được tách từ nước lọc của vi khuẩn Actinosynnema [45] và Paecilomyces lilacinus [108].
Hợp chất này thể hiện khả năng giảm biến chứng ở mắt và dây thần kinh. Rifamycin P (3) được tách lần đầu tiên trong quá trình lên men, nó thể hiện hoạt tính kháng sinh tốt và có chọn lọc. Chẳng hạn nó ức chế mạnh vi khuẩn Gr (+) và Gr (-) nhưng lại yếu đối với vi khuẩn gây ra bệnh MAC (Mycobacterium avium complex) của những người mắc bệnh HIV [18, 22, 32]. Hơn nữa, một số hợp chất chứa benzothiazole đã trở thành thuốc thương mại như Riluzole (4), Zopolrestat (5), Ethoxazolamide (6) [39, 111]… Do đó, có nhiều phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole được nghiên cứu và phát triển.
Phƣơng pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole Trên thế giới, dị vòng benzothiazole được nghiên cứu tổng hợp rất sớm bởi Hofmann (năm 1880) xuất phát từ phản ứng giữa acid formic và o-aminothiophenol [36]. Sau đó các phương pháp tổng hợp dị vòng này phát triển mạnh mẽ. Trên cơ sở chất phản ứng, có thể mô tả phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole theo sơ đồ sau: 3 X NH2 R S H-íng b S H-íng a R Y N SH Z N R H H-íng c X: H, halogen, S Y: O, S, Se U V-R Z: H, OH, OR, NH, SMe N V: COOH, Br, I, ZnBr Sơ đồ 1. Các hƣớng tổng hợp benzothiazole Theo sơ đồ trên: Hướng a: ngưng tụ giữa 2-aminothiophenol với hợp chất chứa nhóm carbonyl như aldehyde, ketone, acid carboxylic, chloride acid, hoặc ester.
Hướng b: tạo benzothiazole từ aniline hoặc phản ứng đóng vòng nội phân tử của thiobenzanilide và dẫn xuất. Hướng c: chuyển hóa hợp chất 2-benzothiazole để tạo thành các dẫn xuất mới. Trong 3 hướng trên thì hướng a được sử dụng nhiều nhất, trong đó phản ứng ngưng tụ giữa 2-aminothiophenol với aldehyde là phương pháp kinh điển và phổ biến để tổng hợp dị vòng này. Ban đầu phản ứng ngưng tụ giữa amine và aldehyde tạo thành azomethine.
Sau đó là phản ứng cộng nucleophile vào nhóm >C=N-. Do có mặt oxygen của không khí nên nguyên tử hydrogen bị oxy hóa và kèm theo phản ứng tách nước sinh ra dị vòng benzothiazole [80]. SH SH S R S R CH O Kh«ng khÝ R N H N NH2 N CHR -H2O H Sơ đồ 1. Tổng hợp benzothiazole từ aldehyde 1.
Ngƣng tụ 2-aminothiophenol và aldehyde thơm sử dụng xúc tác đồng thể a) Ngƣng tụ sử dụng chất xúc tác acid Guo và cộng sự đã tìm ra được một phương pháp đơn giản cho phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol và aldehyde là sử dụng hỗn hợp H2O2/HCl làm chất xúc tác trong dung môi ethanol ở nhiệt độ phòng. Ưu điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng ngắn, sản phẩm được phân lập dễ dàng và hiệu suất phản ứng cao (>85%) [29]. 4 SH 30%H2O2, 37%HCl (6:3) N RCHO R H>85% r.t, 45-60 phút S NH2 Maleki và cộng sự đã phát triển phương pháp tổng hợp các dẫn xuất 2- arylbenzothiazole từ phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol với aldehyde thơm bằng cách sử dụng NH4Cl làm chất xúc tác trong hệ dung môi kép methanol/nước (15:1) ở nhiệt độ phòng. Ưu điểm chính của phương pháp này là sử dụng NH4Cl là chất xúc tác rẻ tiền, sẵn có và không chứa kim loại.
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của dung môi đến hiệu suất phản ứng, tác giả đã sử dụng các dung môi hữu cơ khác nhau như chloroform, ethanol, acetonitrile, dichloromethane và nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ methanol/nước là dung môi tốt nhất cho phản ứng này [53]. CHO SH NH4Cl(70mol%)/O2 CH3OH:H2O(15:1) N R NH2 r.t , 20-60 phót S R H= 58 - 92% b) Ngƣng tụ không sử dụng chất xúc tác Sử dụng dung môi DMSO, Batista và cộng sự đã tổng hợp được bithienyl- 1,3-benzothiazole từ phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol và 5-formyl-5'- alkoxy-bithiophene hoặc 5-formayl-5’-(N,N-dialkylamino)-2,2'-bithiophene. Phản ứng này thực hiện ở nhiệt độ cao (120oC) và thời gian phản ứng tương đối ngắn (30-60 phút) [12].
NH2 N S DMSO S R OHC R S 0 S SH 120 C, 30-60 phút S H = 56-96% R=H; OMe, OEt, NMe2, NEt2, N(i-Pr)2, piperidino, morpholino Hu và cộng sự thực hiện phản ứng ngưng tụ trong điều kiện không khí, dung môi DMSO và không sử dụng xúc tác. Điều kiện này cho phép nhiều nhóm chức khác tồn tại trong phản ứng và cho hiệu suất tốt từ 61 đến 95%. Phương pháp này cho phép áp dụng với nhiều dẫn xuất của benzaldehyde để tổng hợp dị vòng. Ngoài ra tác giả cũng chứng minh DMSO là dung môi tốt nhất cho loại phản ứng này.
Tuy nhiên thời gian phản ứng dài cần 6 giờ [37]. SH S O kh«ng khÝ + Ar NH2 H Ar DMSO N 600C, 6h H= 61-95% 1. Ngưng tụ 2-aminothiophenol và aldehyde thơm sử dụng chất xúc tác dị thể Một phương pháp rất hiệu quả đã được Bahrami áp dụng để tổng hợp dẫn xuất của benzothiazole là sử dụng hỗn hợp chất oxy hóa là nước oxy già (H2O2) và ceric ammonium nitrate (CAN). Ưu điểm của phương pháp này là không cần dung môi, thời gian ngắn, chất xúc tác rẻ tiền và hiệu suất cao đạt từ 92 đến 97% [9].q) R N 10% CAN Ar H Ar SH không dung môi S 50C, 9-10 phút H = 92-97% Nghiên cứu của Gorepatil và các cộng sự cho thấy samarium triflate là một xúc tác hữu hiệu đã giúp phản ứng xảy ra trong điều kiện nhẹ nhàng trong không khí và hỗn hợp dung môi ethanol và nước.