Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Coumarin và các dẫn xuất của chúng là nhóm hợp chất dị vòng có cấu trúc $C_9-C_6$ (benzo-$\alpha$-pyron) hiện diện phổ biến trong tự nhiên cũng như được tổng hợp nhân tạo. Hợp chất này được phân lập lần đầu tiên vào năm 1820 từ hạt cây Dipteryx odorata Willd thuộc họ Đậu và xuất hiện trong nhiều loài thực vật y dược như Cỏ mực, Ba dót, Mần tưới, Bạch chỉ, Tiền hồ, Sa sàng, Mù u, Hoàng kỳ, Cúc La Mã, Quế. Các dẫn xuất của coumarin sở hữu nhiều hoạt tính sinh học quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong y dược (chống co thắt mạch vành, chống đông máu, chống viêm, kháng khuẩn, an thần, chống giun sán, ức chế virus HIV) cũng như trong công nghiệp hương liệu, mỹ phẩm, phụ gia thực phẩm và vật liệu huỳnh quang.

Trong số các dẫn xuất đơn phân tử, 7-hydroxy-4-methylcoumarin là một tiền chất có hoạt tính sinh học đáng chú ý. Theo các tài liệu nghiên cứu trước đây, hầu hết các công trình chuyển hóa hay dẫn xuất hóa 7-hydroxy-4-methylcoumarin chủ yếu tập trung vào phản ứng thế hoặc alkyl hóa/acyl hóa trên nhóm hydroxy (-OH) ở vị trí C-7. Ngược lại, các hướng nghiên cứu tạo dẫn xuất bằng phản ứng thế trực tiếp nhóm thế (như halogen, nitro) lên các vị trí trên khung vòng thơm benzo-$\alpha$-pyron vẫn còn hạn chế. Do đó, đề tài "Tổng hợp một số dẫn xuất của 7-hydroxy-4-methylcoumarin" được tác giả thực hiện nhằm khảo sát phản ứng thế brom và nitro trực tiếp lên nhân thơm, tạo tiền đề nghiên cứu cấu trúc và mở rộng hoạt tính sinh học của nhóm hợp chất này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài đặt ra hai nhiệm vụ nghiên cứu chính:

  1. Nhiệm vụ 1: Tổng hợp 7-hydroxy-4-methylcoumarin và 5 dẫn xuất thế trực tiếp trên vòng thơm hoặc biến tính nhóm chức, bao gồm:
    • 7-hydroxy-4-methylcoumarin (Ký hiệu: A)
    • 3-bromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin (Ký hiệu: B)
    • 3,6,8-tribromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin (Ký hiệu: C)
    • 7-hydroxy-4-methyl-8-nitrocoumarin (Ký hiệu: D)
    • 7-hydroxy-4-methyl-6-nitrocoumarin (Ký hiệu: E)
    • 7-methoxy-4-methyl-6-nitrocoumarin (Ký hiệu: F)
  2. Nhiệm vụ 2: Xác định tính chất vật lý (màu sắc, trạng thái, nhiệt độ nóng chảy) và làm sáng tỏ cấu trúc hóa học của các hợp chất tổng hợp được bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại: phổ hồng ngoại (FTIR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hợp chất 7-hydroxy-4-methylcoumarin và các dẫn xuất thế bromo, nitro, methoxy gắn trên nhân coumarin.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ và Phòng đo phổ thuộc Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh; phép đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân được thực hiện tại Viện Hóa học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Khóa luận hoàn thành vào tháng 5 năm 2012 trong khuôn khổ chương trình đào tạo Cử nhân Hóa học khóa 2008 - 2012.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các phản ứng hóa học cơ sở

Khóa luận hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về phân loại coumarin (coumarin đơn giản, alkyl-oxycoumarin, furanocoumarin 6,7 và 7,8, pyranocoumarin 6,7 và 7,8, bis-coumarin, tris-coumarin, coumestan, chromonocoumarin) và các phương pháp tổng hợp dị vòng coumarin chính:

  • Phản ứng tổng hợp Pechmann: Phản ứng ngưng tụ và đóng vòng giữa phenol đa chức (resorcinol) với este $\beta$-keto (ethyl acetoacetate) dưới sự xúc tác của acid vô cơ mạnh ($\text{H}_2\text{SO}_4$) theo cơ chế thế ái điện tử vào nhân thơm ($S_E\text{Ar}$) kết hợp tạo este nội phân tử loại nước.
  • Các phản ứng tổng hợp khác: Phản ứng ngưng tụ Knoevenagel giữa dẫn xuất salicylaldehyde với hợp chất có nhóm methylen hoạt động; phản ứng tổng hợp Perkin giữa salicylaldehyde và anhydride acetic; phản ứng đóng vòng có xúc tác kim loại chuyển tiếp Paladi (Pd).
  • Phản ứng thế trên nhân coumarin: Phản ứng brom hóa vòng thơm theo cơ chế cộng - tách hoặc thế $S_E\text{Ar}$; phản ứng nitro hóa chọn lọc bằng hỗn hợp sulfonitric ($\text{HNO}_3/\text{H}_2\text{SO}_4$); phản ứng chuyển vị Fries của dẫn xuất este 7-acetoxy; phản ứng alkyl hóa ether hóa nhóm phenol bằng methyl iodide ($\text{CH}_3\text{I}$) trong môi trường base yếu.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích cấu trúc

  • Phương pháp tổng hợp hóa hữu cơ: Tiến hành tổng hợp theo các quy trình đun hồi lưu, kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt trên máy khuấy từ gia nhiệt hoặc bể làm lạnh đá muối; tách chất bằng phương pháp kết tủa trong nước đá; tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại trong hệ dung môi thích hợp (nước:ethanol, acid acetic:nước, dioxane:nước).
  • Phương pháp xác định nhiệt độ nóng chảy: Đo trên thiết bị đo điểm nóng chảy chuyên dụng tại Bộ môn Hóa đại cương, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM.
  • Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR): Ghi phổ trên máy quang phổ FTIR Shimadzu 8400S bằng kỹ thuật ép viên nén KBr trong vùng số sóng $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$ nhằm định danh các nhóm chức dao động hóa trị ($\text{O-H}$, $\text{C=O}$ lactone, $\text{C=C}$ thơm, $\text{C-O}$, $\text{C-N}$, $\text{C-NO}_2$).
  • Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$): Ghi phổ trên máy Bruker Avance $500\text{ MHz}$, sử dụng dung môi DMSO-$d_6$ với chất nội chuẩn tetramethylsilane (TMS) nhằm xác định độ chuyển dịch hóa học ($\delta$), độ bội tách vạch (singlet, doublet, doublet of doublets), số lượng proton và hằng số tương tác spin-spin ($J$).

Nguồn hóa chất và mẫu nghiên cứu

Hóa chất sử dụng bao gồm resorcinol ($5{,}50\text{ g}$), ethyl acetoacetate ($6{,}50\text{ mL}$, $d = 1{,}021\text{ g/mL}$), acid sulfuric đặc, acid nitric đặc, brom lỏng, methyl iodide ($d = 2{,}276 - 2{,}286\text{ g/mL}$), kali carbonate ($\text{K}_2\text{CO}_3$), acid acetic băng, acetone, 1,4-dioxane và ethanol.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Tổng quan

Chương này tổng thuật toàn diện các nghiên cứu về coumarin trong tự nhiên và hóa học tổng hợp:

  • Nguồn gốc và phân loại coumarin: Mô tả lịch sử phát hiện benzo-$\alpha$-pyron từ hạt cây Dipteryx odorata và sự phân bố trong các họ thực vật. Phân loại chi tiết thành các nhóm: coumarin đơn giản (umbelliferon, skimmin, aesculin, cichoriin), alkyl-oxycoumarin (osthenol, aculeatin, meransin), 6,7-furanocoumarin (psoralen), 7,8-furanocoumarin (angelicin), pyranocoumarin (xanthyletin, seselin), bis-coumarin và các coumarin phức tạp khác. Đa số các dẫn xuất tự nhiên đều mang nguyên tử oxy gắn tại vị trí C-7, chứng tỏ khung umbelliferon đóng vai trò cấu trúc nền tảng.
  • Tính chất hóa học của 7-hydroxy-4-methylcoumarin: Phân tích các phản ứng đặc trưng gồm brom hóa vào vòng thơm, phản ứng acyl hóa nhóm OH và chuyển vị Fries dưới xúc tác $\text{AlCl}_3$ ở $130^\circ\text{C}$ tạo sản phẩm thế tại vị trí C-6 hoặc C-8, phản ứng đóng vòng nội phân tử tạo furobenzopyron, phản ứng thế với phenacyl bromua, phản ứng sulfon hóa bằng acid chlorosulfonic ($\text{HOSO}_2\text{Cl}$) và phản ứng nitro hóa bằng hỗn hợp acid.
  • Các phương pháp tổng hợp nhân tạo: Trình bày chi tiết cơ chế phản ứng Pechmann, Knoevenagel, Perkin và tổng hợp có xúc tác Pd.
  • Hoạt tính sinh học và công dụng: Đánh giá các tác dụng dược lý nổi bật như giãn động mạch vành (tương tự papaverin), chống đông máu (dicoumarol làm giảm tổng hợp prothrombin), tác dụng bảo vệ thành mạch dạng vitamin P, điều trị bệnh bạch biến và vảy nến (furanocoumarin), hoạt tính kháng sinh phổ rộng (novobiocin từ nấm Streptomyces niveus), chống viêm (calophyllolid từ cây mù u) và ức chế HIV (calanolid từ cây Calophyllum lanigerum). Ngoài ra, tài liệu đề cập đến độc tố aflatoxin gây ung thư trong mốc Aspergillus flavus và chất diệt chuột warfarin.

Phần 2: Thực nghiệm

Trình bày sơ đồ tổng hợp 6 chất và các quy trình tổng hợp chi tiết:

  • Tổng hợp 7-hydroxy-4-methylcoumarin (A): Hòa tan $5{,}50\text{ g}$ resorcinol ($0{,}05\text{ mol}$) trong $6{,}50\text{ mL}$ ethyl acetoacetate; nhỏ từ từ vào $25\text{ mL}$ $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc ở $5 - 10^\circ\text{C}$, khuấy trong $30 - 40$ phút, để yên ngoài không khí 1 giờ, đổ vào $200\text{ mL}$ nước đá vụn. Tinh chế bằng kết tinh lại trong hỗn hợp nước:rượu tỉ lệ $3:2$. Thu được $6{,}60\text{ g}$ tinh thể hình kim màu vàng nhạt, hiệu suất $75{,}5%$, nhiệt độ nóng chảy $185 - 186^\circ\text{C}$.
  • Tổng hợp 3-bromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin (B): Hòa tan $4{,}40\text{ g}$ hợp chất A ($0{,}025\text{ mol}$) trong $145\text{ mL}$ acid acetic, thêm từ từ $4{,}32\text{ g}$ brom lỏng, khuấy ở $60^\circ\text{C}$ trong 3 giờ. Đổ hỗn hợp vào nước đá, lọc kết tủa và kết tinh lại trong rượu. Thu được $2{,}94\text{ g}$ bột rắn màu hồng nhạt, hiệu suất $46{,}0%$, nhiệt độ nóng chảy $213{,}2 - 214{,}1^\circ\text{C}$.
  • Tổng hợp 3,6,8-tribromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin (C): Thực hiện tương tự quy trình B nhưng tăng lượng brom lên $12{,}96\text{ g}$ (tỉ lệ mol $1:3$). Kết tinh lại trong rượu, thu được $3{,}90\text{ g}$ bột rắn màu vàng nhạt, hiệu suất $37{,}0%$, nhiệt độ nóng chảy $220{,}7 - 221{,}3^\circ\text{C}$.
  • Tổng hợp 7-hydroxy-4-methyl-8-nitrocoumarin (D): Hòa tan $4{,}40\text{ g}$ chất A trong $1{,}65\text{ mL}$ $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc ở $<5^\circ\text{C}$; nhỏ từ từ hỗn hợp $1{,}60\text{ mL}$ $\text{HNO}_3$ đặc và $9{,}69\text{ mL}$ $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc vào. Đổ vào nước đá, lọc kết tủa và kết tinh lại trong dung môi acid acetic:nước tỉ lệ $1:1$. Thu được $1{,}50\text{ g}$ bột màu vàng, hiệu suất $27{,}8%$, nhiệt độ nóng chảy $184{,}5 - 185{,}7^\circ\text{C}$.
  • Tổng hợp 7-hydroxy-4-methyl-6-nitrocoumarin (E): Phản ứng nitro hóa kiểm soát ở $5 - 10^\circ\text{C}$, kết tinh lại trong rượu. Thu được $1{,}80\text{ g}$ tinh thể hình kim màu vàng, hiệu suất $32{,}7%$, nhiệt độ nóng chảy $148{,}8 - 149{,}3^\circ\text{C}$.
  • Tổng hợp 7-methoxy-4-methyl-6-nitrocoumarin (F): Hòa tan $2{,}20\text{ g}$ hợp chất E ($0{,}005\text{ mol}$) trong $30\text{ mL}$ acetone, thêm $2{,}00\text{ g}$ $\text{K}_2\text{CO}_3$, $3{,}50\text{ mL}$ methyl iodide và $15\text{ mL}$ dioxane. Đun hồi lưu ở $80^\circ\text{C}$ trong 24 giờ. Đổ vào nước đá, kết tinh lại trong hệ dioxane:nước tỉ lệ $1:1$. Thu được $0{,}89\text{ g}$ bột màu vàng nhạt, hiệu suất $34{,}0%$, nhiệt độ nóng chảy $278 - 279^\circ\text{C}$.

Phần 3: Kết quả và thảo luận

Chương này đi sâu vào cơ chế phản ứng và biện giải dữ liệu phổ FTIR và $^1\text{H-NMR}$ của từng hợp chất:

  • Hợp chất 7-hydroxy-4-methylcoumarin (A): Cơ chế tạo vòng Pechmann diễn ra qua phản ứng cộng ái điện tử của resorcinol vào nhóm carbonyl của este acetoacetate, tạo este trung gian, sau đó đóng vòng lactone và tách nước. Phổ FTIR cho thấy dải hấp thụ rộng của nhóm $\text{O-H}$ ở $2400 - 3600\text{ cm}^{-1}$, dao động hóa trị $\text{C=O}$ lactone mạnh ở $1670\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=C}$ thơm ở $1606\text{ cm}^{-1}$, $\text{C-O}$ ở $1277\text{ cm}^{-1}$ và biến dạng $\text{C-H}$ ở $1395\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ xác nhận đầy đủ các tín hiệu proton đặc trưng của cấu trúc phân tử.
  • Hợp chất 3-bromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin (B): Cơ chế brom hóa tại C-3 theo cơ chế cộng $\text{Br}_2$ vào nối đôi $\text{C}_3=\text{C}_4$ và tách $\text{HBr}$. Phổ FTIR xuất hiện dải $\text{O-H}$ tù ở $3300\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=O}$ dịch chuyển về $1726\text{ cm}^{-1}$, $\text{C=C}$ thơm ở $1592\text{ cm}^{-1}$, $\text{C-O}$ ở $1092\text{ cm}^{-1}$, $\text{-CH}_3$ ở $1375\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$, DMSO-$d_6$) hiển thị 7 proton: $\delta\text{ }10{,}40\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, broad, nhóm $\text{-OH}$); $\delta\text{ }7{,}71\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, doublet, $J = 8{,}5\text{ Hz}$, proton $\text{H-5}$); $\delta\text{ }6{,}84\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, doublet of doublets, $J_1 = 2{,}5\text{ Hz}$, $J_2 = 9{,}0\text{ Hz}$, proton $\text{H-6}$); $\delta\text{ }6{,}74\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, doublet, $J = 2{,}5\text{ Hz}$, proton $\text{H-8}$); $\delta\text{ }2{,}52\text{ ppm}$ ($3\text{H}$, singlet, proton $\text{-CH}_3$ tại C-4). Việc mất tín hiệu proton $\text{H-3}$ chứng minh phản ứng thế đã diễn ra tại C-3.
  • Hợp chất 3,6,8-tribromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin (C): Cơ chế diễn ra gồm thế brom vào hydro-$\alpha$ của nhóm carbonyl ở C-3 và thế ái điện tử $S_E\text{Ar}$ vào hai vị trí giàu mật độ electron ortho so với nhóm -OH là C-6 và C-8. Phổ FTIR hiển thị đầy đủ các dao động hóa trị nhóm chức. Phổ $^1\text{H-NMR}$ chỉ còn 4 proton gồm: $\delta\text{ }8{,}07\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, singlet, $\text{H-5}$) và $\delta\text{ }2{,}50\text{ ppm}$ ($3\text{H}$, singlet, $\text{-CH}_3$), khẳng định 3 vị trí C-3, C-6, C-8 đã bị thế hoàn toàn bởi brom.
  • Hợp chất 7-hydroxy-4-methyl-8-nitrocoumarin (D): Phản ứng nitro hóa có tác nhân ái điện tử $\text{NO}_2^+$ tấn công vị trí C-8. Phổ FTIR có mũi $\text{O-H}$ ở $3223\text{ cm}^{-1}$, liên kết $\text{C-N}$ ở $1310\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ gồm 7 proton: $\delta\text{ }12{,}13\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, singlet, $\text{-OH}$ dịch chuyển về trường rất yếu do liên kết hydro nội phân tử với nhóm $-\text{NO}_2$ lân cận); $\delta\text{ }7{,}79\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, doublet, $J = 9{,}0\text{ Hz}$, $\text{H-5}$); $\delta\text{ }7{,}03\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, doublet, $J = 9{,}0\text{ Hz}$, $\text{H-6}$); $\delta\text{ }6{,}30\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, singlet, $\text{H-3}$); $\delta\text{ }2{,}41\text{ ppm}$ ($3\text{H}$, singlet, $\text{-CH}_3$). Hệ tương tác spin ortho giữa $\text{H-5}$ và $\text{H-6}$ với $J = 9{,}0\text{ Hz}$ và mất proton $\text{H-8}$ xác nhận nhóm nitro gắn tại C-8.
  • Hợp chất 7-hydroxy-4-methyl-6-nitrocoumarin (E): Phổ FTIR xuất hiện dao động $\text{O-H}$ ở $3470\text{ cm}^{-1}$, $\text{C}_{ar}\text{-H}$ ở $2920\text{ cm}^{-1}$, liên kết $\text{C-N}$ ở $1323\text{ cm}^{-1}$ và nhóm $\text{C-NO}_2$ ở $1500 - 1521\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ gồm 6 proton: $\delta\text{ }12{,}00\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, $\text{-OH}$); $\delta\text{ }8{,}27\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, singlet, $\text{H-5}$); $\delta\text{ }6{,}97\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, singlet, $\text{H-8}$); $\delta\text{ }6{,}32\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, doublet, $J = 1{,}0\text{ Hz}$, $\text{H-3}$ tương tác xa với proton nhóm methyl); $\delta\text{ }2{,}36\text{ ppm}$ ($3\text{H}$, singlet, $\text{-CH}_3$). Hai mũi singlet riêng biệt của $\text{H-5}$ và $\text{H-8}$ chứng minh vị trí C-6 đã bị thế nitro.
  • Hợp chất 7-methoxy-4-methyl-6-nitrocoumarin (F): Phổ FTIR cho thấy sự biến mất hoàn toàn của dải hấp thụ nhóm $\text{-OH}$, xuất hiện dải $\text{C=O}$ ở $1740\text{ cm}^{-1}$, $\text{C-O}$ ở $1294\text{ cm}^{-1}$ và $\text{C=C}$ ở $1626\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ ghi nhận tín hiệu mới của nhóm methoxy: $\delta\text{ }8{,}32\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, singlet, $\text{H-5}$); $\delta\text{ }7{,}39\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, singlet, $\text{H-8}$); $\delta\text{ }6{,}42\text{ ppm}$ ($1\text{H}$, doublet, $\text{H-3}$); $\delta\text{ }4{,}01\text{ ppm}$ ($3\text{H}$, singlet, $3\text{H}$ của nhóm $-\text{OCH}_3$ dịch chuyển về trường yếu do liên kết trực tiếp với nguyên tử oxy có độ âm điện lớn); $\delta\text{ }2{,}43\text{ ppm}$ ($3\text{H}$, singlet, $\text{-CH}_3$).

Phần 4: Kết luận và đề xuất

  • Tổng kết việc thực hiện đầy đủ các mục tiêu đề tài: tổng hợp thành công 6 hợp chất coumarin thế, tinh chế và xác lập đầy đủ thông số hóa lý, quang phổ.
  • Đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tổng hợp thực nghiệm

Tác giả đã tổng hợp thành công 6 hợp chất thuộc dãy 7-hydroxy-4-methylcoumarin với các thông số thực nghiệm, hiệu suất và đặc tính vật lý được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Ký hiệu Tên hợp chất Màu sắc & Dạng tồn tại Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) Khối lượng thu được ($\text{g}$) Hiệu suất phản ứng ($%$)
A 7-hydroxy-4-methylcoumarin Hình kim, vàng nhạt $185 - 186$ $6{,}60$ $75{,}5$
B 3-bromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin Dạng bột, hồng nhạt $213{,}2 - 214{,}1$ $2{,}94$ $46{,}0$
C 3,6,8-tribromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin Dạng bột, vàng nhạt $220{,}7 - 221{,}3$ $3{,}90$ $37{,}0$
D 7-hydroxy-4-methyl-8-nitrocoumarin Dạng bột, vàng $184{,}5 - 185{,}7$ $1{,}50$ $27{,}8$
E 7-hydroxy-4-methyl-6-nitrocoumarin Hình kim, vàng $148{,}8 - 149{,}3$ $1{,}80$ $32{,}7$
F 7-methoxy-4-methyl-6-nitrocoumarin Dạng bột, vàng nhạt $278 - 279$ $0{,}89$ $34{,}0$

Đóng góp khoa học của khóa luận

  • Đã khảo sát và làm rõ các quy trình thực nghiệm thế trực tiếp tác nhân halogen (brom) và nitro hóa lên các vị trí khác nhau trên nhân thơm của dị vòng 7-hydroxy-4-methylcoumarin, thay vì chỉ biến tính trên nhóm -OH ở vị trí C-7 như các công bố trước đó.
  • Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về tính chất vật lý (màu sắc, dạng tinh thể, điểm nóng chảy) và dữ liệu phổ học cấu trúc (FTIR, $^1\text{H-NMR}$) cho 5 dẫn xuất thế của 7-hydroxy-4-methylcoumarin, phục vụ việc tra cứu và so sánh phổ trong hóa học tổng hợp hữu cơ các hợp chất dị vòng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Do giới hạn về mặt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp, đề tài mới chỉ dừng lại ở quy mô tổng hợp phòng thí nghiệm, tinh chế và chứng minh cấu trúc hóa học của các dẫn xuất, chưa tiến hành khảo sát và đánh giá hoạt tính sinh học trên các chủng vi sinh vật hoặc các mô hình thử nghiệm dược lý thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo (do tác giả đề xuất)

  • Tiến hành thử nghiệm, thăm dò hoạt tính sinh học (kháng khuẩn, chống viêm, chống oxy hóa, kháng nấm hoặc ức chế enzyme) của 6 hợp chất đã tổng hợp được.
  • Đưa các dẫn xuất nitro và bromo đã tổng hợp tham gia phản ứng chuyển hóa nhóm chức tiếp theo, chẳng hạn như phản ứng hydrazid hóa hoặc phản ứng ngưng tụ với các hợp chất chứa nhóm hydrazide nhằm mục đích gia tăng hoạt tính sinh học và mở rộng thư viện chất dị vòng coumarin.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên đại học, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các ngành Hóa học (chuyên ngành Hóa hữu cơ), Sư phạm Hóa học, Hóa Dược và Dược học quan tâm đến phương pháp tổng hợp dị vòng benzo-$\alpha$-pyron.
  • Nội dung có giá trị ứng dụng cao:
    • Quy trình thực nghiệm tổng hợp 7-hydroxy-4-methylcoumarin theo phản ứng Pechmann và kỹ thuật brom hóa, nitro hóa có kiểm soát nhiệt độ.
    • Phương pháp phân tích chi tiết phổ $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$) để biện giải vị trí thế trên khung coumarin (dựa trên độ chuyển dịch hóa học, hằng số tương tác $J$ và độ bội vạch tách spin).

Câu hỏi thường gặp

1. Phản ứng tổng hợp chất nền 7-hydroxy-4-methylcoumarin (A) được thực hiện từ những tiền chất nào và đạt hiệu suất bao nhiêu?

Hợp chất (A) được tổng hợp bằng phản ứng Pechmann giữa $5{,}50\text{ g}$ resorcinol ($0{,}05\text{ mol}$) và $6{,}50\text{ mL}$ este ethyl acetoacetate trong môi trường xúc tác $25\text{ mL}$ acid sulfuric đặc ở nhiệt độ $5 - 10^\circ\text{C}$. Phản ứng tạo ra $6{,}60\text{ g}$ sản phẩm tinh thể hình kim màu vàng nhạt, đạt hiệu suất $75{,}5%$ với nhiệt độ nóng chảy $185 - 186^\circ\text{C}$.

2. Làm thế nào để phân biệt vị trí gắn của nhóm nitro giữa hai đồng phân 7-hydroxy-4-methyl-8-nitrocoumarin (D) và 7-hydroxy-4-methyl-6-nitrocoumarin (E) bằng phổ $^1\text{H-NMR}$?

  • Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của đồng phân 8-nitro (D), hai proton còn lại trên vòng thơm ($\text{H-5}$ và $\text{H-6}$) ở vị trí ortho tương tác spin-spin mạnh với nhau, tạo ra hai tín hiệu dạng doublet tại $\delta = 7{,}79\text{ ppm}$ và $\delta = 7{,}03\text{ ppm}$ với hằng số tương tác $J = 9{,}0\text{ Hz}$.
  • Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của đồng phân 6-nitro (E), hai proton trên vòng thơm ($\text{H-5}$ và $\text{H-8}$) ở vị trí para cách xa nhau, không có tương tác spin trực tiếp nên xuất hiện dưới dạng hai mũi singlet riêng biệt tại $\delta = 8{,}27\text{ ppm}$ ($\text{H-5}$) và $\delta = 6{,}97\text{ ppm}$ ($\text{H-8}$).

3. Phản ứng tổng hợp dẫn xuất 7-methoxy-4-methyl-6-nitrocoumarin (F) diễn ra trong điều kiện nào và dấu hiệu phổ FTIR nào chứng minh phản ứng thành công?

Hợp chất (F) được điều chế bằng phản ứng ether hóa giữa $2{,}20\text{ g}$ hợp chất E với $3{,}50\text{ mL}$ methyl iodide ($\text{CH}_3\text{I}$) dưới sự có mặt của $2{,}00\text{ g}$ $\text{K}_2\text{CO}_3$ trong hỗn hợp dung môi acetone ($30\text{ mL}$) và dioxane ($15\text{ mL}$) ở nhiệt độ $80^\circ\text{C}$ trong 24 giờ. Trên phổ FTIR của chất (F), dải hấp thụ rộng đặc trưng của nhóm phenolic $\text{-OH}$ ở vùng $3470\text{ cm}^{-1}$ biến mất hoàn toàn, đồng thời phổ $^1\text{H-NMR}$ xuất hiện thêm tín hiệu mũi singlet tích phân $3\text{H}$ của nhóm $-\text{OCH}_3$ tại $\delta = 4{,}01\text{ ppm}$.

4. Cơ chế phản ứng brom hóa tạo hợp chất 3-bromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin (B) và 3,6,8-tribromo-7-hydroxy-4-methylcoumarin (C) khác nhau như thế nào?

  • Khi dùng tỉ lệ mol $1:1$ giữa hợp chất A và $\text{Br}_2$, phản ứng thế bromo diễn ra ưu tiên vào vị trí C-3 theo cơ chế cộng tác nhân $\text{Br}_2$ vào liên kết đôi $\text{C}_3=\text{C}_4$ của vòng $\alpha$-pyron rồi tách phân tử $\text{HBr}$.
  • Khi tăng lượng $\text{Br}_2$ lên tỉ lệ mol $1:3$, ngoài phản ứng thế tại C-3, hai phân tử $\text{Br}_2$ tiếp theo sẽ tham gia phản ứng thế ái điện tử vòng thơm ($S_E\text{Ar}$) vào hai vị trí giàu mật độ electron nhất (ortho so với nhóm hoạt hóa mạnh $\text{-OH}$) trên nhân benzene là C-6 và C-8, tạo thành sản phẩm thế 3,6,8-tribromo.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thị Hồng Thái đã hoàn thành trọn vẹn quy trình thực nghiệm tổng hợp 7-hydroxy-4-methylcoumarin cùng 5 dẫn xuất thế bromo, nitro và methoxy trên nhân thơm và nhóm chức hydroxy. Toàn bộ cấu trúc hóa học của các sản phẩm tổng hợp đều được xác minh rõ ràng thông qua phân tích dữ liệu nhiệt độ nóng chảy, phổ hồng ngoại (FTIR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$). Công trình cung cấp quy trình điều chế chi tiết và dữ liệu phổ học có độ tin cậy cao, tạo cơ sở thực nghiệm tiền đề cho các hướng nghiên cứu tiếp theo về chuyển hóa hóa học và sàng lọc hoạt tính sinh học của nhóm hợp chất dị vòng coumarin.