Tổng quan nghiên cứu

Quinazoline và quinazolinone là những hợp chất dị vòng chứa nitơ có vai trò quan trọng trong hóa học hữu cơ và dược phẩm. Theo thống kê từ cơ sở dữ liệu SciFinder®, có hơn 8.200 bài báo khoa học và bằng sáng chế liên quan đến khung quinazoline, với hơn 670.000 hợp chất chứa khung này đã được tổng hợp và xác định cấu trúc, cùng hơn 40.000 dẫn xuất quinazoline có hoạt tính sinh học được chứng minh. Những con số này phản ánh tiềm năng ứng dụng rộng lớn và sự quan tâm ngày càng tăng trong việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả cho các hợp chất này.

Luận văn tập trung nghiên cứu hai phương pháp tổng hợp mới cho các dẫn xuất quinazoline và quinazolinone, đặc biệt là các dẫn xuất 2-arylquinazoline. Phương pháp đầu tiên sử dụng lưu huỳnh nguyên tố làm chất xúc tác trong phản ứng tổng hợp 2-arylquinazoline, mang lại ưu điểm về thời gian phản ứng ngắn, độ độc thấp hơn so với các xúc tác kim loại chuyển tiếp truyền thống và khả năng ứng dụng trên nhiều loại nhóm thế khác nhau. Phương pháp thứ hai khai thác phản ứng hoạt hóa liên kết C–H của isoquinoline và 2-aminobenzyl alcohol với xúc tác muối đồng để tổng hợp các dẫn xuất quinazolinone, cũng cho thấy thời gian phản ứng ngắn và hiệu suất cao trên nhiều nhóm thế.

Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi thời gian từ năm 2018 đến 2020. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển các phương pháp tổng hợp thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của các hợp chất quinazoline và quinazolinone trong lĩnh vực dược phẩm và vật liệu sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính trong hóa học hữu cơ:

  1. Phản ứng tổng hợp quinazoline qua trung gian lưu huỳnh (Sulfur-mediated synthesis): Lưu huỳnh nguyên tố được sử dụng như một chất xúc tác không kim loại, giúp thúc đẩy phản ứng tổng hợp 2-arylquinazoline từ 2-nitrobenzyl alcohol và phenylacetic acid. Lưu huỳnh có ưu điểm về tính ổn định, độ độc thấp và chi phí thấp so với các xúc tác kim loại chuyển tiếp như Pd hay Cu.

  2. Phản ứng hoạt hóa liên kết C–H và tạo liên kết C–N (C–H activation and C–N coupling): Phương pháp này sử dụng xúc tác muối đồng để kích hoạt liên kết C–H của isoquinoline và 2-aminobenzyl alcohol, tạo thành các dẫn xuất quinazolinone. Đây là một hướng tiếp cận hiện đại trong tổng hợp hữu cơ, giúp giảm thiểu bước trung gian và tăng hiệu quả phản ứng.

Các khái niệm chính được áp dụng bao gồm:

  • Heterocyclic nitrogen compounds (hợp chất dị vòng chứa nitơ)
  • Sulfur-mediated catalysis (xúc tác trung gian lưu huỳnh)
  • C–H bond activation (hoạt hóa liên kết C–H)
  • Transition metal catalysis (xúc tác kim loại chuyển tiếp)
  • Quinazoline and quinazolinone scaffolds (khung quinazoline và quinazolinone)

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các hợp chất thương mại và các dẫn xuất được tổng hợp trong phòng thí nghiệm của nhóm nghiên cứu. Các phản ứng tổng hợp được thực hiện trong điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ các chất phản ứng.

  • Cỡ mẫu: Các phản ứng được tiến hành với lượng mẫu từ 0,1 mmol đến quy mô gram (4 mmol) để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các dẫn xuất phenylacetic acid và 2-nitrobenzyl alcohol với các nhóm thế khác nhau nhằm khảo sát phạm vi ứng dụng của phương pháp.
  • Phương pháp phân tích: Sản phẩm được phân tích bằng các kỹ thuật sắc ký khí (GC), sắc ký khí khối phổ (GC-MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR 1H và 13C) để xác định cấu trúc và đánh giá hiệu suất phản ứng.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2018 đến 2020, với các giai đoạn thử nghiệm điều kiện phản ứng, mở rộng phạm vi dẫn xuất và xác nhận cấu trúc sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu được thiết kế nhằm tối ưu hóa điều kiện phản ứng như nhiệt độ, loại và lượng xúc tác, loại dung môi, thời gian phản ứng để đạt hiệu suất cao nhất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tổng hợp 2-phenylquinazoline:

    • Ở 80°C, hiệu suất sản phẩm chính dưới 10% sau 12 giờ phản ứng.
    • Khi tăng nhiệt độ lên 110°C, hiệu suất tăng lên khoảng 20%.
    • Ở 120°C, hiệu suất đạt khoảng 60%.
    • Nhiệt độ tối ưu là 140°C, cho hiệu suất cao nhất 71% chỉ sau 4 giờ phản ứng.
  2. Ảnh hưởng của loại bazơ đến hiệu suất phản ứng:

    • Sử dụng DABCO (1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane) làm bazơ cho hiệu suất cao hơn so với các bazơ khác như DBU, K2CO3.
    • Lượng bazơ tối ưu là 2,5 equivalen, giúp tăng hiệu suất sản phẩm lên mức đáng kể.
  3. Khả năng tổng hợp đa dạng các dẫn xuất 2-arylquinazoline:

    • Phương pháp sulfur-mediated cho phép tổng hợp thành công nhiều dẫn xuất với các nhóm thế khác nhau trên phenylacetic acid và 2-nitrobenzyl alcohol, với hiệu suất dao động từ 60% đến 89%.
    • Phản ứng gram-scale cũng được thực hiện thành công với hiệu suất tương tự, chứng minh tính khả thi trong ứng dụng thực tế.
  4. Tổng hợp quinazolinone bằng xúc tác muối đồng:

    • Phản ứng giữa isoquinoline và 2-aminobenzyl alcohol sử dụng muối đồng làm xúc tác, ở 100°C trong 12 giờ, cho hiệu suất sản phẩm quinazolinone đạt khoảng 81%.
    • Phương pháp này có ưu điểm về thời gian phản ứng ngắn và khả năng ứng dụng trên nhiều nhóm thế khác nhau.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng lưu huỳnh nguyên tố làm chất xúc tác trong tổng hợp 2-arylquinazoline đã chứng minh được hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống sử dụng kim loại chuyển tiếp như Pd hay Cu. Lưu huỳnh không chỉ giảm thiểu độc tính và chi phí mà còn rút ngắn thời gian phản ứng đáng kể. Kết quả cho thấy nhiệt độ phản ứng là yếu tố quyết định đến hiệu suất, do ở nhiệt độ thấp, các chất rắn không tan chảy, làm hạn chế sự tiếp xúc và chuyển giao khối giữa các chất phản ứng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp này không cần sử dụng các ligand phức tạp hay kim loại quý, phù hợp với xu hướng hóa học xanh và bền vững. Việc mở rộng thành công trên nhiều dẫn xuất khác nhau cũng cho thấy tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi của phương pháp.

Đối với tổng hợp quinazolinone, việc sử dụng xúc tác muối đồng giúp kích hoạt liên kết C–H và tạo liên kết C–N hiệu quả, phù hợp với các điều kiện phản ứng ôn hòa và thân thiện môi trường. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu gần đây về hoạt hóa liên kết C–H trong tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của hiệu suất sản phẩm theo nhiệt độ và loại bazơ, cũng như bảng so sánh hiệu suất các dẫn xuất khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các điều kiện phản ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp quy mô lớn:

    • Áp dụng điều kiện phản ứng sulfur-mediated ở nhiệt độ 140°C, sử dụng 2,5 equivalen DABCO và 3 equivalen urea trong dung môi DMSO để tổng hợp 2-arylquinazoline trên quy mô gram.
    • Thời gian thực hiện khoảng 2-4 giờ, phù hợp cho sản xuất công nghiệp nhỏ và trung bình.
  2. Phát triển các dẫn xuất mới:

    • Khuyến khích nghiên cứu mở rộng phạm vi nhóm thế trên phenylacetic acid và 2-nitrobenzyl alcohol để tạo ra các hợp chất có hoạt tính sinh học đa dạng.
    • Thời gian nghiên cứu dự kiến 6-12 tháng, do các bước tổng hợp và phân tích cần được thực hiện kỹ lưỡng.
  3. Ứng dụng xúc tác muối đồng trong tổng hợp quinazolinone:

    • Khuyến nghị sử dụng phương pháp xúc tác đồng cho tổng hợp các dẫn xuất quinazolinone với điều kiện phản ứng ở 100°C trong 12 giờ, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí.
    • Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu dược phẩm và hóa học hữu cơ.
  4. Nâng cao tính bền vững và thân thiện môi trường:

    • Khuyến khích thay thế các dung môi truyền thống bằng các dung môi xanh hơn, đồng thời nghiên cứu tái sử dụng lưu huỳnh và xúc tác để giảm thiểu chất thải.
    • Thời gian thực hiện đề xuất là 1-2 năm, phù hợp với các dự án phát triển bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu hóa học hữu cơ:

    • Có thể áp dụng các phương pháp tổng hợp mới để phát triển các hợp chất dị vòng chứa nitơ với hiệu suất cao và chi phí thấp.
    • Use case: Thiết kế quy trình tổng hợp các dẫn xuất quinazoline và quinazolinone phục vụ nghiên cứu dược phẩm.
  2. Chuyên gia phát triển dược phẩm:

    • Tận dụng các dẫn xuất quinazoline và quinazolinone có hoạt tính sinh học đa dạng để phát triển thuốc mới.
    • Use case: Tìm kiếm các hợp chất tiền thuốc có tiềm năng chống ung thư, kháng khuẩn hoặc kháng virus.
  3. Kỹ sư quy trình sản xuất hóa chất:

    • Áp dụng quy trình tổng hợp thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí và dễ dàng mở rộng quy mô.
    • Use case: Thiết kế dây chuyền sản xuất các hợp chất quinazoline quy mô công nghiệp.
  4. Sinh viên và học giả ngành hóa học:

    • Nắm bắt kiến thức về các phương pháp tổng hợp hiện đại, kỹ thuật phân tích và ứng dụng trong nghiên cứu khoa học.
    • Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp tổng hợp sử dụng lưu huỳnh có ưu điểm gì so với xúc tác kim loại?
    Phương pháp sử dụng lưu huỳnh nguyên tố có ưu điểm là ít độc hại, chi phí thấp, không cần các ligand phức tạp và giảm thiểu chất thải kim loại. Ví dụ, phản ứng đạt hiệu suất 71% chỉ sau 4 giờ ở 140°C, nhanh hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống.

  2. Phản ứng tổng hợp quinazolinone sử dụng xúc tác đồng có thể áp dụng cho các nhóm thế khác nhau không?
    Có, phương pháp này đã được thử nghiệm trên nhiều dẫn xuất khác nhau và cho hiệu suất ổn định khoảng 81%, cho thấy tính linh hoạt cao trong tổng hợp các dẫn xuất quinazolinone.

  3. Tại sao nhiệt độ phản ứng lại quan trọng trong tổng hợp 2-arylquinazoline?
    Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự tan chảy và tiếp xúc giữa các chất rắn, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất phản ứng. Ở nhiệt độ thấp, hiệu suất rất thấp do phản ứng không diễn ra hiệu quả.

  4. Phương pháp nghiên cứu có thể mở rộng quy mô sản xuất không?
    Có, nghiên cứu đã thực hiện thành công phản ứng quy mô gram với hiệu suất tương đương, chứng minh khả năng ứng dụng trong sản xuất quy mô lớn.

  5. Các kỹ thuật phân tích nào được sử dụng để xác định sản phẩm?
    Sản phẩm được xác định bằng sắc ký khí (GC), sắc ký khí khối phổ (GC-MS) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR 1H và 13C), đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong phân tích cấu trúc.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công hai phương pháp tổng hợp mới cho các dẫn xuất quinazoline và quinazolinone sử dụng lưu huỳnh nguyên tố và xúc tác muối đồng.
  • Phương pháp sulfur-mediated cho hiệu suất cao (71%) trong tổng hợp 2-arylquinazoline với thời gian phản ứng ngắn (4 giờ) và thân thiện môi trường.
  • Phương pháp xúc tác đồng tổng hợp quinazolinone đạt hiệu suất khoảng 81% trong 12 giờ, ứng dụng rộng rãi trên nhiều nhóm thế.
  • Nghiên cứu đã chứng minh khả năng mở rộng quy mô sản xuất và tính linh hoạt trong tổng hợp các dẫn xuất khác nhau.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa quy trình, phát triển các dẫn xuất mới và nâng cao tính bền vững trong tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quy trình nên áp dụng và phát triển thêm các phương pháp này để mở rộng ứng dụng trong dược phẩm và vật liệu sinh học.