LỜI MỞ ĐẦU Với sự phát triển của nền công nghiệp hiện nay, đã mang đến nhiều tiện ích cho cuộc sống của chúng ta, nhưng bên cạnh đó vẫn tồn tại những mặt tiêu cực mà chính sự phát triển ấy tạo ra đã và đang đe dọa đến sự sống của nhân loại như: năng lượng, môi trường, bệnh tật,… Nhiều công trình khoa học đã đi sâu vào nghiên cứu nhằm tìm ra hướng giải quyết cho các vần đề mà nhân loại đang gặp phải và đáp ứng nhu cầu sản xuất hiện nay với phương thức đơn giản, rẻ tiền và an toàn với môi trường. Nhiều nghiên cứu cho biết rằng, một loại hợp chất có nhiều tiềm năng cũng đang rất được quan tâm đó là các hợp chất bazơ Schiff. Người ta biết đến các hợp chất này từ rất lâu song chỉ vài chục năm gần đây, các hợp chất này mới được nghiên cứu nhiều, nhất là từ khi phát hiện thấy chúng và các sản phẩm chuyển hóa của chúng có nhiều hoạt tính sinh học quý giá như: tính kháng khuẩn, chống viêm, diệt nấm và kháng virut. Các bazơ Schiff có thể tham gia vào nhiều quá trình sinh hóa và chuyển hóa hóc học khác nhau tạo ra nhiều hợp chất có thể ứng dụng trong dược phẩm, trong biến tính cao su, trong hóa phân tích và trong phòng chống ăn mòn và bảo vệ kim loại, khả năng tạo phức với các kim loại chuyển tiếp….
Tuy nhiên những nghiên cứu trong nước về các hợp chất này thì còn tương đối nghèo nàn, trong khi các hợp chất này đã được các nước trên thế giới biết đến từ rất lâu. Để tiếp nối và phát triển thêm những nghiên cứu về các hợp chất bazơ Schiff ở nước ta, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Tổng hợp và đặc trưng hóa lý của một số hợp chất bazơ Schiff”, với nội dung đề tài: Tổng hợp một số hợp chất bazơ (base) Schiff dạng N2O2, xác định một số đặc trưng hóa lý và nghiên cứu cấu trúc của các sản phẩm thu được bằng một số phương pháp phổ học, khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng đối với phản ứng có hiệu suất thấp. vii Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Khóa 2007-2012 Tổng Quan PHẦN 1: TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU VỀ BAZƠ SCHIFF 1.
Khái niệm Bazơ Schiff (base Schiff) là một hợp chất trong đó có chứa nhóm chức C=N, còn được gọi là nhóm imin hay azometin, được biết đến bởi nhà hóa học người Đức Schiff Hugo Josef (1834-1915) vào năm 1864, khi ông thực hiện phản ứng ngưng tụ giữa hợp chất andehyt hay ceton với amin[14]. R1, R2, R3: aryl, ankyl Cấu trúc chung của hợp chất bazơ Schiff (imine) Nhóm imin, azometin có mặt trong các hợp chất có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc có thể đi từ tổng hợp. Sự hiện diện của nhóm imin trong các hợp chất bazơ Schiff đã được chứng minh là rất quan trọng cho các hoạt tính của các bazơ Schiff này. Phương pháp tổng hợp bazơ Schiff Phương pháp tổng hợp cổ điển của Schiff là ngưng tụ một hợp chất cacbonyl với một amin, sản phẩm hình thành kèm theo sự tách loại nước.
Sau khi được khám phá bởi Schiff, một loạt các phương pháp tổng hợp các hợp chất chức imin đã được các nhà khoa học nghiên cứu và mô tả. Trong những năm 1990, một trong những phương pháp tổng hợp được phát triển đó là sử dụng thêm các dung môi khử nước nhằm hỗ trợ cho quá trình tách nước của phản ứng như tetrametyl orthosilicat hay trimetyl orthoformat. Nguyễn Quang Trung 1 SVTH: Đỗ Thị Ngọc Trúc Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Khóa 2007-2012 Tổng Quan Năm 2004, Chakraborti và các cộng sự đã nghiên cứu và giải thích rằng khả năng của phản ứng này phụ thuộc vào mức độ ái điện tử các hợp chất cacbonyl và mức độ ái nhân cao của amin và họ đã đề ra một giải pháp khác là sử dụng thêm các chất có chức năng như: proton-Lowry hay axit Lewis với mục đích là tăng hoạt tính của nhóm cacbonyl, xúc tác cho quá trình tấn công của đôi điện tử tự do trên nguyên tử nitơ vào nguyên tử cacbon mang một phần điện tích dương của nhóm cacbonyl và quá trình dehydrat hóa tách loại nước (giai đoạn cuối của phản ứng). Một số proton-Lowry, axit Lewis được sử dụng cho tổng hợp các bazơ Schiff như: ZnCl2, TiCl4, MgSO4-PPTS, Ti(OR)4, H2SO4, NaHCO3, MgSO4, Mg(ClO4)2, CH3COOH, P2O5/Al2O3, HCl.
Trong khoảng 12 năm qua, các công nghệ mới trong phương pháp tổng hợp các base Schiff đã được báo cáo như: tổng hợp không dung môi sử dụng vi sóng/clay, vi sóng/NaHSO4.SiO2, vi sóng/CaO, sử dụng bức xạ hồng ngoại; tổng hợp trạng thái rắn; tổng hợp trong môi trường phân tán nước; tổng hợp có sử dụng siêu âm/SiO2… Trong số các phương pháp mới đó, thì vi sóng (microwave irradiation) là một trong những phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, chính nhờ những ưu điểm vượt trội hơn mà vi sóng đã mang lại so với các phương pháp khác: về điều kiện thực hiện phản ứng thì dễ dàng và đơn giản hơn so với các phương pháp truyển thống, tốc độ phản ứng cũng được cải thiện khá rõ rệt (đạt được hiệu suất cao chỉ trong một khoảng thời gian ngắn). Đặc biệt tổng hợp sử dụng vi sóng không gây hại cho môi trường bởi vì độ chuyển hóa của phản ứng rất cao, gần như sau phản ứng thì lượng tác chất ban đầu còn lại rất ít, vì thế không gây thừa thải ra môi trường, đây cũng là vấn đề nan giải mà các phương pháp khác đã và đang đối mặt. Do đó vi sóng cũng là một sự lựa chọn khá tốt khi tổng hợp bazơ Shiff [17]. Ngoài ra, cũng phải kể đến phương pháp sóng siêu âm (Ultrasound irradation).
Nguyễn Quang Trung 2 SVTH: Đỗ Thị Ngọc Trúc Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Khóa 2007-2012 Tổng Quan Siêu âm là âm thanh ở tần số cao nằm ngoài ngưỡng nghe của con người. Sóng siêu âm có thể truyền qua được bất kỳ dạng vật chất nào (rắn, lỏng, khí). Sóng âm không tác dụng trực tiếp lên vật chất mà tác dụng thông qua tương tác gián tiếp gọi là sự tạo bọt. Trong điều kiện yên lặng (không siêu âm), các phân tử chất lỏng nằm sát nhau.
Dưới tác dụng của âm thanh tần số cao thì các chu kỳ "giãn" và "nén" xảy ra liên tục và rất nhanh, lúc này các phân tử chất lỏng khi đó bị tách ra tạo thành "bọt" (khoảng trống liên phân tử). "Bọt" ngày càng lớn lên trong các chu kỳ giãn, nén liên tục. Đến một mức giới hạn bọt sẽ "xẹp" lại, sự "vỡ bọt" tạo ra một năng lượng và áp suất rất lớn. Cũng như ưu điểm của vi sóng, siêu âm có thể giúp đẩy nhanh tiến độ của các phản ứng hóa học và cho kết quả tốt hơn nhiều so với việc sử dụng các phương pháp cổ điển thông thường, nhất là giảm thiểu các chất thải ra môi trường.
Một số thiết bị được sử dụng phổ biến như bể siêu âm, thanh siêu âm. Bể siêu âm: là thiết bị rẻ tiền nhất và thông dụng nhất trong các phòng thí nghiệm hóa học. Siêu âm chủ yếu được tạo ra bằng biến năng (transducer) đặt dưới đáy bình truyền qua môi trường đến hệ thống phản ứng. Tuy nhiên năng lượng siêu âm sinh ra trong trường hợp này khá yếu.
Thanh siêu âm: Thiết bị này có thể chuyển trực tiếp năng lượng siêu âm vào hệ thống phản ứng nên không cần phải khuấy trộn liên tục như trong trường hợp dùng bể siêu âm. Một ưu điểm khác nữa là có thể kiểm soát được năng lượng trong hệ thống này và năng lượng siêu âm tạo ra mạnh hơn rất nhiều[20]. Cơ chế hình thành bazơ Schiff Các bazơ Schiff (imin) được tạo thành khi hợp chất cacbonyl tham gia phản ứng với các amin bậc một, gồm hai giai đoạn: cộng hợp ái nhân và tách loại nước. Nguyễn Quang Trung 3 SVTH: Đỗ Thị Ngọc Trúc Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Khóa 2007-2012 Tổng Quan O O- H OH H R C NH 2 R R C N R'' R C N R'' R' R' H R' cacbinolamin H2O R C N R'' R' imin Giai đoạn đầu của phản ứng là sự tấn công của đôi điện tử tự do trên nguyên tử nitơ của amin vào nguyên tử cacbon mang một phần điện tích dương của nhóm cacbonyl.
Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân thông thường, hình thành hợp chất trung gian đồng thời chứa anion ankoxit và cation amoni. Hợp chất trung gian này chuyển hóa nhanh thành sản phẩm trung gian bền hơn là cacbinolamin. Cuối cùng là giai đoạn tách nước, hình thành sản phẩm imin. Cấu trúc điện tử của nhóm C=N tương tự như của nhóm C=O, trong đó nguyên tử oxy được thay thế bằng nguyên tử nitơ.
Nguyên tử nitơ trong nhóm C=N ở trạng thái lai hóa sp2, một orbital lai hóa sp2 tham gia xen phủ dọc theo trục với một orbital lai hóa sp2 của nguyên tử cacbon để hình thành liên kết C-N, một orbital lai hóa sp2 liên kết với một nhóm thế và một orbital sp2 còn lại chứa một đôi điện tử không liên kết. Hai orbital p của nguyên tử nitơ và cacbon tham gia xen phủ về hai phía của trục liên kết, hình thành liên kết . Ứng dụng của các hợp chất bazơ Schiff Các hợp chất bazơ Schiff là một hợp chất hữu cơ được sử dụng khá rộng rãi: khả năng tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp[16,19], khả năng ức chế ăn mòn kim loại[3], ứng dụng trong hóa phân tích[18] và có hoạt tính sinh học… GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 4 SVTH: Đỗ Thị Ngọc Trúc Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học Khóa 2007-2012 Tổng Quan Hoạt tính sinh học Một số bazơ Schiff đã được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y học như: kháng nấm, kháng khuẩn, chống sốt rét, đặc tính chống viêm, kháng virus, hạ sốt[13,17]; … Kháng khuẩn N-salicyliden-2-hydroxyanilin là một bazơ Schiff có hoạt tính kháng khuẩn, đặc biệt với loài vi khuẩn Mycobacterium tuberculosis với MIC là 8g/mL.
N OH OH N-(salicyliden)-2-hydroxyanilin Các bazơ Schiff có nguồn gốc từ Isatin cũng đã được báo cáo có hoạt tính kháng khuẩn. Pandeya và các đồng nghiệp đã tiến hành nghiên cứu trên 28 loài vi khuẩn, và họ đã cho biết rẳng các hợp chất bazơ Schiff có nguồn gốc từ isatin là hợp chất mạnh nhất trong số những tổng hợp chống lại tất cả các vi khuẩn gây bệnh được nghiên cứu, có MIC chống lại E. coli, Vibrio cholerae, Enterococcus faecalis , Proteus shigelloides tương ứng là 2. Trong khi giá trị MIC của sulfamethoxazole (một loại thuốc tham khảo) chống lại các chủng vi khuẩn giống nhau trong phạm vi của 312-5000 g/mL.
N N Br N O N N Cl O dẫn xuất của isatin GVHD: TS.