Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ hóa học của tác giả Vũ Ngọc Toán với đề tài "Nghiên cứu tổng hợp và tính chất của các 3-acetyl- và 4-formylcoumarin glycopyranosyl thiosemicarbazon" được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nguyễn Đình Thành (chuyên ngành Hóa hữu cơ, mã số: 62440114, năm 2015).

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, luận án xuất phát từ xu hướng tổng hợp các dẫn xuất của monosaccharide chứa hệ thống liên hợp $\pi$, tiêu biểu là các hợp chất thiosemicarbazon. Khung phân tử thiosemicarbazon có nhiều hoạt tính sinh học đa dạng như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus, chống ung thư, chống sốt rét, ức chế ăn mòn và chống gỉ sét, đồng thời có khả năng tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp mang hoạt tính sinh học. Sự có mặt của hợp phần monosaccharide phân cực làm tăng độ tan của các hợp chất trong các dung môi phân cực như nước và ethanol. Bên cạnh đó, khung coumarin tự nhiên (như umbelliferon, aesculetin, herniarin, psoralen) và các dẫn xuất tổng hợp của nó thể hiện nhiều đặc tính quý như chống sâu bệnh, chống đông máu, chống khối u, chống virus HIV và giãn động mạch vành. Nhằm đóng góp vào việc tạo ra các cấu trúc phân tử lai mới có tiềm năng hoạt tính sinh học, luận án đã lựa chọn hướng nghiên cứu kết hợp giữa khung dị vòng coumarin (3-acetylcoumarin và 4-formylcoumarin) với các glycosyl thiosemicarbazide thông qua phản ứng ngưng tụ dưới sự hỗ trợ của bức xạ vi sóng, sau đó thực hiện chuyển hóa đóng vòng dị vòng và gỡ nhóm bảo vệ.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của luận án được xác định gồm 6 nhiệm vụ chính:

  1. Tổng hợp một số glycosyl thiosemicarbazide từ các dẫn xuất isothiocyanat của D-glucose và D-galactose.
  2. Tổng hợp các dẫn xuất carbonyl của coumarin thế.
  3. Ngưng tụ các glycosyl thiosemicarbazide tổng hợp được với một số hợp chất carbonyl của coumarin để tạo ra glycosyl thiosemicarbazon tương ứng.
  4. Chuyển hóa một số glycosyl thiosemicarbazon này bằng phản ứng với anhydrid acetic để cho các dẫn xuất 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol.
  5. Chuyển hóa một số glycosyl thiosemicarbazon này bằng phản ứng với $\omega$-bromoacetophenon để cho các dẫn xuất 2,3-dihydro-1,3-thiazol.
  6. Thực hiện phản ứng deacetyl một số glucosyl thiosemicarbazon; đồng thời thăm dò hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và chống oxy hóa của các thiosemicarbazon cùng các sản phẩm chuyển hóa thu được.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các dẫn xuất 3-acetylcoumarin mang nhóm thế khác nhau, các dẫn xuất 6-alkoxy- và 7-alkoxy-4-formylcoumarin, các hợp chất glycosyl thiosemicarbazide dẫn xuất từ D-glucose và D-galactose, các sản phẩm ngưng tụ thiosemicarbazon, các dị vòng 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol, 2,3-dihydro-1,3-thiazol và các dẫn xuất deacetyl hóa.
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung vào phương pháp tổng hợp hữu cơ thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (kết hợp gia nhiệt truyền thống và chiếu xạ vi sóng gián đoạn ở công suất 600 W), xác định cấu trúc bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại (IR, 1D/2D NMR, ESI-MS, EI-HRMS) và đánh giá hoạt tính sinh học in vitro gồm hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định (xác định nồng độ ức chế tối thiểu MIC) và hoạt tính chống oxy hóa (phương pháp bắt gốc tự do DPPH, xác định giá trị $\text{EC}_{50}$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả đã hệ thống hóa các tài liệu khoa học liên quan đến cấu trúc, tính chất hóa học và phương pháp điều chế của coumarin, thiosemicarbazide cũng như việc ứng dụng năng lượng vi sóng trong hóa học carbohydrate:

  • Về coumarin và dẫn xuất: Tác giả điểm lại các phản ứng hóa học đặc trưng như phản ứng thủy phân mở vòng bởi kiềm tạo muối của acid o-coumaric và sự đồng phân hóa cis-trans; phản ứng với tác nhân Grignard tại vị trí C-2, C-4 hoặc nhóm carbonyl kèm theo mở vòng; phản ứng cộng Michael với cyanide hoặc malononitril ở vị trí C-4; phản ứng thế electrophil (nitro hóa, sulfo hóa chủ yếu tại C-6; tạo muối pyrili với thuốc thử Meerwein triethyloxoni tetrafluoroborat; acyl hóa Friedel-Crafts ở C-6; cloromethyl hóa ở C-3; brom hóa ở C-3, C-6); phản ứng oxy hóa 4-alkylcoumarin bằng $\text{SeO}_2$ trong xylen hồi lưu tạo 4-formylcoumarin; phản ứng formyl hóa vị trí 3 bằng $\text{POCl}_3/\text{DMF}$; phản ứng brom hóa nhóm acetyl của 3-acetylcoumarin và đóng vòng tạo khung thiazol; phản ứng quang hóa dimer hóa dưới tác dụng của ánh sáng ($h\nu$).
  • Về các phương pháp tổng hợp coumarin cổ điển và hiện đại: Tổng hợp theo phương pháp Pechmann từ phenol và $\beta$-keto ester (như ethyl acetoacetat) với các xúc tác acid ($\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{AlCl}_3$, $\text{POCl}_3$, $\text{CH}_3\text{COONa}$, $\text{BiCl}_3$); phương pháp Perkin từ dẫn xuất salicylaldehyd và anhydrid acetic/natri acetat hoặc ester malonic/piperidin acetat; phương pháp ngưng tụ Knoevenagel giữa salicylaldehyd và ethyl carbonat/piperidin; tổng hợp từ dẫn xuất quinon; tổng hợp từ o-vinylphenol và diethyl malonat; tổng hợp bằng phương pháp điện hóa hoặc sử dụng chất lỏng ion ([bmim]OH, $[\text{bmim}]\text{BF}_4$, $[\text{bmim}][\text{SBF}_6]$) với các xúc tác như $\text{Hf}(\text{OTf})_4$, $\text{TFA}$.
  • Về tổng hợp và tính chất của thiosemicarbazide: Các con đường điều chế từ isothiocyanat và hydrazin hydrat; khử hóa thiosemicarbazon bằng $\text{NaBH}_4$; phản ứng của hydrazin với dẫn xuất acid thiocarbamic; phản ứng của cyanohydrazin với $\text{H}_2\text{S}$; tổng hợp dẫn xuất thế từ amin qua chất trung gian 1,2,4-triazolil hoặc bis(imidazoyl)methylthion. Về tính chất hóa học, thiosemicarbazide tham gia phản ứng ngưng tụ với hợp chất carbonyl tạo thiosemicarbazon; phản ứng đóng vòng tạo 2-mercapto-1,3,4-thiadiazol với $\text{CS}_2$ hoặc tetramethyl thiuram disulfide (TMTD); phản ứng đóng vòng tạo thiazolidin-4-on và thiazolin từ bromocoumarin; phản ứng tạo phức với các cation kim loại chuyển tiếp có orbital d trống như $\text{Ni(II)}$, $\text{Co(II)}$, $\text{Zn(II)}$, $\text{Cu(II)}$; phản ứng đóng vòng tạo 1,3,4-thiadiazol với acid benzoic hoặc acid 2-hydroxybenzoic; phản ứng deacetyl hóa trong môi trường $\text{MeONa}/\text{MeOH}$.
  • Về ứng dụng lò vi sóng trong hóa học carbohydrate: Tác giả phân tích cơ sở vật lý của bức xạ vi sóng ở tần số 2,45 GHz (bước sóng 12,24 cm, năng lượng photon 0,0016 eV), cơ chế chuyển hóa năng lượng điện từ thành nhiệt qua tổn hao điện môi $\tan \delta = \varepsilon'/\varepsilon$ (với $\varepsilon'$ là đại lượng điện môi mất đi và $\varepsilon$ là hằng số điện môi). Dẫn luận tính toán động học Arrhenius của Baghurst và Mingos ($k = A \cdot \exp(-E_a/RT)$) cho thấy để đạt 90% chuyển hóa cần 68 ngày ở 27°C nhưng chỉ mất 1,61 giây ở 227°C, qua đó giải thích hiệu ứng thúc đẩy tốc độ phản ứng của vi sóng và khả năng áp dụng kỹ thuật không dung môi hoặc chiếu xạ gián đoạn.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết: Việc gắn kết chọn lọc cấu hình $\beta$-anomer của các gốc glycopyranosyl (D-glucose và D-galactose) vào khung 3-acetylcoumarin và 4-formylcoumarin qua cầu nối thiosemicarbazon dưới sự hỗ trợ của vi sóng, khảo sát các phản ứng chuyển hóa đóng vòng tạo dị vòng mới (4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol và 2,3-dihydro-1,3-thiazol) và đánh giá mối liên quan giữa cấu trúc với hoạt tính sinh học kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxy hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và cơ chế phản ứng

  • Phản ứng cộng nucleophil ($A_N$) giữa nhóm amino ($\text{NH}_2$) của glycosyl thiosemicarbazide với nhóm carbonyl ($\text{C}=\text{O}$) của 3-acetylcoumarin hoặc 4-formylcoumarin để hình thành liên kết azomethin ($\text{C}=\text{N}$).
  • Phản ứng dị vòng hóa nội phân tử: Phản ứng giữa thiosemicarbazon với anhydrid acetic dẫn đến sự đóng vòng tạo dẫn xuất 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol; phản ứng ngưng tụ đóng vòng giữa thiosemicarbazon với $\omega$-bromoacetophenon có mặt natri acetat tạo dẫn xuất 2,3-dihydro-1,3-thiazol.
  • Phản ứng thủy phân gỡ nhóm bảo vệ ester (deacetyl hóa Zemplén) trong môi trường kiềm nhẹ ($\text{MeONa}/\text{MeOH}$) sau đó trung hòa bằng acid để tạo các dẫn xuất glycopyranosyl tự do.
  • Lý thuyết nhiệt điện môi vi sóng: Sử dụng hiệu ứng phân cực lưỡng cực và dẫn truyền ion trong dung môi phân cực để gia nhiệt thể tích đồng đều, giảm thời gian phản ứng và hạn chế phản ứng phụ.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

  • Kỹ thuật tổng hợp: Sử dụng lò vi sóng gia dụng Samsung GW71B (công suất cực đại 1000 W), tiến hành phản ứng ở mức công suất 600 W theo phương pháp chiếu xạ gián đoạn kết hợp kiểm soát bằng sắc ký bản mỏng (TLC).
  • Phương pháp kiểm tra và tinh chế: Tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại phân đoạn trong các hệ dung môi (ethanol, ether, n-hexan, dicloromethan).
  • Phương pháp phân tích cấu trúc:
    • Điểm nóng chảy ($\text{Đ}_{nc}$): Đo trên thiết bị đo điểm nóng chảy STUART SMP3 (Bibby Sterilin - UK).
    • Phổ hồng ngoại (FT-IR): Đo trên phổ kế Impact 410 FT-IR Spectrometer (Nicolet, USA) dạng viên ép với KBr.
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$ NMR, $^{13}\text{C}$ NMR và 2D NMR): Ghi trên phổ kế Bruker Avance Spectrometer AV500 (Bruker, Đức) ở tần số 500,13 MHz đối với $^1\text{H}$ và 125,77 MHz đối với $^{13}\text{C}$, sử dụng dung môi $\text{DMSO-}d_6$ và chất chuẩn nội tetramethylsilan (TMS). Các kỹ thuật phổ 2D bao gồm $^1\text{H-}^1\text{H}$ COSY, HSQC (tương tác gần $^{13}\text{C-}^1\text{H}$) và HMBC (tương tác xa $^{13}\text{C-}^1\text{H}$).
    • Phổ khối lượng (MS): Ghi trên máy LTQ Orbitrap XL (Thermo Scientific, USA) với phương pháp ion hóa phun mù điện tử (ESI-MS) trong dung môi methanol và phương pháp ion hóa va chạm electron phân giải cao (EI-HRMS).
  • Phương pháp thử nghiệm sinh học:
    • Thử nghiệm hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định: Xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) trên các chủng vi khuẩn Gram dương, vi khuẩn Gram âm và nấm men, nấm mốc kiểm định.
    • Thử nghiệm hoạt tính chống oxy hóa: Xác định khả năng quét gốc tự do DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) qua đo độ hấp thụ quang và tính toán giá trị nồng độ ức chế 50% ($\text{EC}_{50}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về coumarin, dẫn xuất và thiosemicarbazide

Chương này tổng kết các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về:

  • Cấu tạo, tính chất vật lý, phân bố tự nhiên và hoạt tính sinh học của các hợp chất coumarin và dẫn xuất coumarin glucoside.
  • Các phản ứng hóa học đặc trưng của khung coumarin (thế nucleophil, thế electrophil, oxy hóa mạch nhánh, brom hóa, phản ứng đóng vòng sydnone, dị vòng hóa tạo isoxazol-4-on, pyrazol-4-on, pyrimidin-2,3-dion).
  • Các phương pháp tổng hợp coumarin (Pechmann, Perkin, Knoevenagel, điện hóa, chất lỏng ion).
  • Các phương pháp tổng hợp, chuyển hóa hóa học và khả năng tạo phức kim loại của thiosemicarbazide và thiosemicarbazon.
  • Lý thuyết tương tác vi sóng trong hóa học hữu cơ và ứng dụng trong tổng hợp dẫn xuất carbohydrate.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp các hợp chất trung gian và sản phẩm đích:

  • Tổng hợp $N$-(2,3,4,6-tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazide (3) và dẫn xuất galactopyranosyl (4): Từ D-glucose/D-galactose monohydrat cho phản ứng với $\text{Ac}_2\text{O}/\text{HClO}_4$ rồi $\text{Br}_2/\text{P đỏ}/\text{H}_2\text{O}$ tạo dẫn xuất glycosyl bromide $\alpha$; tiếp tục phản ứng với $\text{Pb(SCN)}2$ trong toluen khan hồi lưu thu được 2,3,4,6-tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-glucopyranosyl isothiocyanat (1, $\text{Đ}{nc}$: 110-112°C) và galactopyranosyl isothiocyanat (2); sau đó phản ứng với hydrazin hydrat trong $\text{CH}_2\text{Cl}2$ ở nhiệt độ dưới 20°C (10-15°C) thu được hợp chất 3 ($\text{Đ}{nc}$: 156-157°C, hiệu suất 81%) và 4 (hiệu suất 50%).
  • Tổng hợp các dẫn xuất 3-acetylcoumarin thế (5a-j): Gồm 5-nitro (5a), 6-nitro (5b), 6-cloro (5c), 6-bromo (5d), 3-acetylcoumarin không thế (5e), 4-methyl (5f), 4-methyl-7-hydroxy (5g), 6-methyl (5h), 7-methyl (5i), 8-methoxy (5j).
  • Tổng hợp các dẫn xuất alkoxycoumarin (6'a-o) và 6-alkoxy-/7-alkoxy-4-formylcoumarin (6a-n): Tổng hợp các dẫn xuất 4-methylcoumarin mang nhóm alkoxy (ethoxy, propoxy, isopropoxy, butoxy, isobutoxy, pentoxy, isopentoxy, alliloxy), sau đó oxy hóa nhóm 4-methyl bằng $\text{SeO}_2$ trong xylen đun hồi lưu tạo các aldehyde 6a-n.
  • Tổng hợp các glycosyl thiosemicarbazon của coumarin:
    • Dãy 3-acetylcoumarin $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazon (7a-j): Ngưng tụ giữa 5a-j và 3 trong methanol có xúc tác acid acetic băng dưới chiếu xạ vi sóng (hiệu suất 30-68%).
    • Dãy 3-acetylcoumarin $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazon (8a-i): Ngưng tụ giữa 5 và 4 (hiệu suất 40-76%).
    • Dãy 6-alkoxy- và 7-alkoxy-4-formylcoumarin $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazon (9a-n): Ngưng tụ giữa 6a-n và 3 trong ethanol có xúc tác acid acetic băng dưới chiếu xạ vi sóng (hiệu suất 65-80%).
    • Dãy 6-alkoxy- và 7-alkoxy-4-formylcoumarin $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazon (10a-m): Ngưng tụ giữa 6 và 4 (hiệu suất 64-74%).
  • Chuyển hóa dị vòng và gỡ nhóm bảo vệ:
    • Tổng hợp các hợp chất 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol (11', 11, 12', 12) bằng phản ứng của thiosemicarbazon với anhydrid acetic trong $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ trong 45-47 giờ.
    • Tổng hợp các hợp chất 2,3-dihydro-1,3-thiazol (13b, 13c, 13e và 14f, 14h, 14m, 14n) bằng phản ứng với $\omega$-bromoacetophenon có mặt $\text{CH}_3\text{COONa}$ trong $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ (2 giờ, hiệu suất dãy 13 đạt 31-38%, dãy 14 đạt 30-40%).
    • Phản ứng deacetyl hóa: Gỡ nhóm acetyl của glucosyl thiosemicarbazon (7, 9) bằng $\text{MeONa}/\text{MeOH}$ rồi trung hòa bằng $\text{HCl}$ đặc trong 5 giờ tạo sản phẩm 15 (hiệu suất 70-79%) và 16 (hiệu suất 76-82%).
  • Mô tả quy trình thử nghiệm sinh học (MIC đối với vi sinh vật kiểm định và DPPH).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương này tập trung biện luận cấu trúc hóa học của các chất tổng hợp thông qua phân tích dữ liệu phổ và thảo luận kết quả thử nghiệm hoạt tính sinh học:

  • Biện luận cấu trúc các chất trung gian và thiosemicarbazide (3, 4): Xác nhận cấu hình liên kết anomer dạng $\beta$ thông qua hằng số tương tác $^3J_{\text{H1'},\text{H2'}} \approx 9,0\text{--}9,5\text{ Hz}$ trên phổ $^1\text{H}$ NMR; phổ IR cho thấy các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm $\text{C}=\text{S}$, $\text{C}=\text{O}$ ester và các nhóm $\text{NH}$.
  • Biện luận cấu trúc các thiosemicarbazon (7, 8, 9, 10):
    • Phổ FT-IR: Xuất hiện dải hấp thụ liên kết azomethin $\nu_{\text{C}=\text{N}}$ ở vùng 1580-1620 $\text{cm}^{-1}$, $\nu_{\text{C}=\text{S}}$ ở vùng 1210-1230 $\text{cm}^{-1}$, $\nu_{\text{C}=\text{O}}$ lacton của coumarin ở 1710-1730 $\text{cm}^{-1}$ và $\nu_{\text{C}=\text{O}}$ ester của gốc đường ở 1740-1755 $\text{cm}^{-1}$.
    • Phổ $^1\text{H}$ NMR và $^{13}\text{C}$ NMR: Tín hiệu proton nhóm $-\text{N}=\text{C}(\text{CH}_3)-$ của dãy 3-acetylcoumarin xuất hiện dạng mũi đơn ở $\delta \approx 2,4\text{--}2,5\text{ ppm}$; proton nhóm $-\text{N}=\text{CH}-$ của dãy 4-formylcoumarin xuất hiện dạng mũi đơn ở $\delta \approx 8,4\text{--}8,6\text{ ppm}$; proton $\text{H-1'}$ của khung đường xuất hiện ở $\delta \approx 5,8\text{--}6,0\text{ ppm}$ với hằng số tách $J \approx 9,5\text{ Hz}$ khẳng định cấu hình $\beta$. Carbon $\text{C}=\text{S}$ xuất hiện ở vùng $\delta \approx 178\text{--}181\text{ ppm}$; carbon $\text{C}=\text{O}$ lacton ở $\delta \approx 159\text{--}161\text{ ppm}$.
    • Phổ 2D NMR ($^1\text{H-}^1\text{H}$ COSY, HSQC, HMBC): Quy kết đầy đủ và chính xác toàn bộ tín hiệu proton và carbon trong phân tử, xác định tương tác xa giữa proton azomethin hoặc methyl với các carbon lân cận của khung coumarin và carbon $\text{C}=\text{S}$.
    • Phổ khối lượng phân giải cao EI-HRMS và ESI-MS: Phù hợp với khối lượng phân tử tính toán lý thuyết; phân tích các mảnh phân cắt ion đặc trưng như mảnh cation oxoni của khung đường tetra-O-acetylglycopyranosyl ($m/z = 331$), mảnh F4, mảnh F7.
  • Biện luận cấu trúc các sản phẩm đóng vòng dị vòng (11, 12, 13, 14) và deacetyl (15, 16):
    • Dẫn xuất 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol: Sự biến mất của tín hiệu proton $\text{NH-thion}$ và sự xuất hiện của nhóm $N$-acetyl mới cùng sự dịch chuyển hóa học của carbon vị trí C-2 và C-5 trên phổ $^{13}\text{C}$ NMR.
    • Dẫn xuất 2,3-dihydro-1,3-thiazol: Phổ NMR chỉ ra sự có mặt của nhóm phenyl và proton của vòng thiazol ở vùng $\delta \approx 6,5\text{--}7,2\text{ ppm}$.
    • Dẫn xuất deacetyl: Phổ IR và NMR chứng minh sự biến mất hoàn toàn của 4 nhóm acetyl ester ($\text{CH}_3\text{COO}-$) ở vùng 1,9-2,1 ppm và xuất hiện các tín hiệu nhóm $\text{OH}$ tự do.
  • Thảo luận kết quả thử nghiệm sinh học:
    • Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định: Một số dẫn xuất thiosemicarbazon và dị vòng đóng vòng thể hiện hoạt tính ức chế đối với các chủng vi khuẩn kiểm định và nấm kiểm định ở các dải nồng độ MIC khác nhau tùy thuộc vào bản chất nhóm thế (nhóm thế nitro, halogen và alkoxy mạch dài) và sự có mặt của khung dị vòng.
    • Hoạt tính chống oxy hóa: Đánh giá qua phép thử quét gốc tự do DPPH, xác định giá trị $\text{EC}_{50}$ của các hợp chất thử nghiệm, cho thấy mức độ quét gốc tự do có sự thay đổi rõ rệt khi chuyển đổi nhóm thế trên khung coumarin và khi gỡ bỏ nhóm bảo vệ acetyl.
Dãy hợp chất Cấu trúc phân tử Phương pháp/Điều kiện tổng hợp Hiệu suất (%)
3 $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazide Isothiocyanat 1 + $\text{N}_2\text{H}_4\cdot\text{H}_2\text{O}$, $\text{CH}_2\text{Cl}_2$, < 20°C 81
4 $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazide Isothiocyanat 2 + $\text{N}_2\text{H}_4\cdot\text{H}_2\text{O}$, $\text{CH}_2\text{Cl}_2$, < 20°C 50
7a-j 3-Acetylcoumarin glucosyl thiosemicarbazon 5a-j + 3, MeOH, $\text{CH}_3\text{COOH}$, vi sóng (600 W) 30 - 68
8a-i 3-Acetylcoumarin galactosyl thiosemicarbazon 5 + 4, MeOH, $\text{CH}_3\text{COOH}$, vi sóng (600 W) 40 - 76
9a-n 4-Formylcoumarin glucosyl thiosemicarbazon 6a-n + 3, EtOH, $\text{CH}_3\text{COOH}$, vi sóng (600 W) 65 - 80
10a-m 4-Formylcoumarin galactosyl thiosemicarbazon 6 + 4, EtOH, $\text{CH}_3\text{COOH}$, vi sóng (600 W) 64 - 74
11, 12 Dẫn xuất 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol Thiosemicarbazon + $\text{Ac}_2\text{O}$, $\text{CH}_2\text{Cl}_2$, 45-47h Đã tổng hợp
13, 14 Dẫn xuất 2,3-dihydro-1,3-thiazol Thiosemicarbazon + $\text{C}_6\text{H}_5\text{COCH}_2\text{Br}$, $\text{AcONa}$, $\text{CH}_2\text{Cl}_2$, 2h 30 - 40
15, 16 Dẫn xuất deacetyl thiosemicarbazon Thiosemicarbazon + $\text{MeONa}/\text{MeOH}$ rồi $\text{HCl}$ đặc, 5h 70 - 82

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và phương pháp:

  • Xây dựng quy trình tổng hợp một giai đoạn dưới tác dụng của bức xạ vi sóng (công suất 600 W, chiếu xạ gián đoạn) để ngưng tụ các dẫn xuất carbonyl của coumarin (3-acetylcoumarin và 4-formylcoumarin) với các glycosyl thiosemicarbazide, rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng so với phương pháp đun hồi lưu truyền thống trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất phản ứng đạt từ 64% đến 80% đối với các dẫn xuất formylcoumarin.
  • Thiết lập hệ thống dữ liệu phổ thực nghiệm đồng bộ và hoàn chỉnh (FT-IR, $^1\text{H}$ NMR, $^{13}\text{C}$ NMR, 2D NMR gồm COSY, HSQC, HMBC, MS, EI-HRMS) cho các cấu trúc phân tử lai chứa đồng thời khung coumarin, cầu nối thiosemicarbazon/dị vòng ngưng tụ và khung carbohydrate, chứng minh rõ cấu hình liên kết anomer dạng $\beta$.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

  • Tổng hợp thành công một số lượng lớn các hợp chất hữu cơ mới thuộc các dãy:
    • Dãy 3-acetylcoumarin $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazon thế (7a-j).
    • Dãy 3-acetylcoumarin $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazon thế (8a-i).
    • Dãy 6-alkoxy- và 7-alkoxy-4-formylcoumarin $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazon (9a-n).
    • Dãy 6-alkoxy- và 7-alkoxy-4-formylcoumarin $N$-(tetra-$O$-acetyl-$\beta$-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazon (10a-m).
    • Các dẫn xuất dị vòng chuyển hóa 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol (11, 12), 2,3-dihydro-1,3-thiazol (13, 14) và các hợp chất deacetyl (15, 16).
  • Cung cấp dữ liệu định lượng bước đầu về hoạt tính sinh học in vitro bao gồm hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định (giá trị MIC) và hoạt tính quét gốc tự do chống oxy hóa (giá trị $\text{EC}_{50}$ qua phép thử DPPH) của các hợp chất tổng hợp.

Kiến nghị và hướng phát triển đề xuất:

  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng thử nghiệm hoạt tính sinh học của các hợp chất tiềm năng trên các dòng tế bào ung thư người và khảo sát hoạt tính kháng virus.
  • Nghiên cứu sâu hơn về khả năng tạo phức của các thiosemicarbazon này với các ion kim loại chuyển tiếp sinh học và đánh giá hoạt tính của các phức chất tạo thành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Phạm vi đánh giá hoạt tính sinh học chỉ dừng lại ở các thử nghiệm sàng lọc in vitro bước đầu (đo giá trị MIC trên một số chủng vi sinh vật kiểm định chuẩn và đo hoạt tính quét gốc tự do DPPH), chưa tiến hành các thử nghiệm trên mô hình tế bào chuyên sâu hoặc mô hình động vật (in vivo), chưa xác định cơ chế tác động ở mức độ phân tử.
  • Về mặt cấu trúc đường, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào hai loại monosaccharide là D-glucose và D-galactose; phản ứng gỡ nhóm bảo vệ acetyl mới chỉ thực hiện trên một số đại diện glucosyl thiosemicarbazon chọn lọc.

Hướng nghiên cứu tiếp theo (dựa trên văn bản luận án):

  • Mở rộng phạm vi tổng hợp trên các nguồn carbohydrate khác như các pentose (D-xylose, D-arabinose), các hexose khác (D-mannose) hoặc các disaccharide.
  • Khảo sát các phản ứng đóng vòng tạo thêm các hệ dị vòng chứa lưu huỳnh và nitơ khác từ cầu nối thiosemicarbazide/thiosemicarbazon.
  • Tối ưu hóa sâu hơn các điều kiện tổng hợp xanh không dung môi dưới bức xạ vi sóng.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo khoa học hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa Dược và Hóa học các hợp chất thiên nhiên: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tổng hợp hóa học carbohydrate, phản ứng ngưng tụ tạo thiosemicarbazon và phương pháp ứng dụng lò vi sóng trong tổng hợp hữu cơ.
  • Giảng viên và nghiên cứu viên trong lĩnh vực phổ nghiệm phân tích cấu trúc: Luận án là tài liệu thực hành về phương pháp giải đoán và quy kết tín hiệu phổ 1D và 2D NMR ($^1\text{H-}^1\text{H}$ COSY, HSQC, HMBC) trên các hệ phân tử hữu cơ lai dị vòng - đường phức tạp.
  • Các nhà nghiên cứu phát triển thuốc và hợp chất có hoạt tính sinh học: Cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc hóa học, độ tan và hoạt tính kháng vi sinh vật, chống oxy hóa của các dẫn xuất coumarin glycopyranosyl thiosemicarbazon.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả đã sử dụng thiết bị vi sóng nào và thông số kỹ thuật ra sao trong các phản ứng tổng hợp? Tác giả sử dụng lò vi sóng gia dụng hiệu Samsung GW71B có công suất cực đại 1000 W. Các phản ứng tổng hợp thiosemicarbazon được thực hiện ở mức công suất 600 W theo phương pháp chiếu xạ gián đoạn, sử dụng dung môi phân cực (methanol hoặc ethanol) có bổ sung xúc tác acid acetic băng.

2. Làm thế nào để điều chế glycosyl thiosemicarbazide (3 và 4) từ D-glucose và D-galactose? Quy trình gồm 3 giai đoạn: (i) Acetyl hóa và brom hóa đường monohydrat bằng $\text{Ac}_2\text{O}/\text{HClO}_4$ rồi $\text{Br}_2/\text{P đỏ}/\text{H}_2\text{O}$ thu được 2,3,4,6-tetra-$O$-acetyl-$\alpha$-D-glycopyranosyl bromide; (ii) Cho dẫn xuất bromide phản ứng với muối chì thiocyanat $\text{Pb(SCN)}_2$ trong toluen khan đun hồi lưu 3 giờ để tạo isothiocyanat dạng $\beta$ (1 và 2); (iii) Cho isothiocyanat phản ứng với hydrazin hydrat trong $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ ở nhiệt độ dưới 20°C (10-15°C) để thu được glycosyl thiosemicarbazide (3 đạt hiệu suất 81%, 4 đạt hiệu suất 50%).

3. Bằng cách nào tác giả chuyển hóa glycosyl thiosemicarbazon thành các dị vòng 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol và 2,3-dihydro-1,3-thiazol? Để tạo dẫn xuất 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol (11, 12), thiosemicarbazon được cho phản ứng với anhydrid acetic trong dung môi $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ trong thời gian 45-47 giờ. Để tạo dẫn xuất 2,3-dihydro-1,3-thiazol (13, 14), thiosemicarbazon được cho phản ứng với $\omega$-bromoacetophenon trong dung môi $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ có mặt xúc tác natri acetat ($\text{CH}_3\text{COONa}$) trong thời gian 2 giờ (hiệu suất đạt từ 30% đến 40%).

4. Dữ liệu phổ nào được sử dụng để chứng minh cấu hình liên kết $\beta$-anomer của khung đường? Cấu hình $\beta$-anomer được chứng minh bằng phổ $^1\text{H}$ NMR dựa trên hằng số tương tác spin-spin giữa proton anomer H-1' và proton H-2' ($^3J_{\text{H1'},\text{H2'}}$). Tín hiệu H-1' xuất hiện ở vùng $\delta \approx 5,8\text{--}6,0\text{ ppm}$ dưới dạng mũi đôi ($d$) với giá trị hằng số tách lớn ($J \approx 9,0\text{--}9,5\text{ Hz}$), đặc trưng cho vị trí tương đối trans-diaxial của hai proton lân cận trên vòng pyranose dạng ghế, khẳng định liên kết glycosyl có cấu hình $\beta$.

5. Luận án đã đánh giá những hoạt tính sinh học nào và bằng phương pháp gì? Luận án đã đánh giá hai loại hoạt tính sinh học in vitro: (i) Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định bằng phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) trên các chủng vi khuẩn Gram dương, Gram âm và nấm; (ii) Hoạt tính chống oxy hóa bằng phương pháp quét gốc tự do DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) xác định nồng độ tác dụng hiệu quả 50% ($\text{EC}_{50}$).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Vũ Ngọc Toán đã hoàn thành việc nghiên cứu tổng hợp và xác định cấu trúc của hệ thống các dẫn xuất mới thuộc họ 3-acetylcoumarin và 4-formylcoumarin glycopyranosyl thiosemicarbazon, cùng các sản phẩm đóng vòng dị vòng 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol, 2,3-dihydro-1,3-thiazol và các dẫn xuất deacetyl. Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp chiếu xạ vi sóng trong việc rút ngắn thời gian phản ứng ngưng tụ và nâng cao hiệu suất tổng hợp các dẫn xuất coumarin mang khung đường. Các dữ liệu phổ nghiệm 1D/2D NMR, IR, MS, EI-HRMS và kết quả thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro kháng vi sinh vật kiểm định và chống oxy hóa thu được là tài liệu khoa học có giá trị tham khảo cho lĩnh vực hóa học hữu cơ và hóa dược.