Giới thiệu dự án
Hợp chất dị vòng chứa nitơ và lưu huỳnh, đặc biệt là khung pirimiđin (1,3-điazin), giữ vai trò trung tâm trong hóa dược học và nông dược hiện đại. Theo các thống kê từ cơ sở dữ liệu dược phẩm của FDA, hơn 60% các phân tử thuốc kháng sinh, kháng u và kháng virus thương mại hóa sở hữu cấu trúc dị vòng thơm, trong đó dẫn xuất pirimiđin đóng góp tỷ trọng lớn (hiện diện trong các thuốc thiết yếu như AZT trị HIV/AIDS, 5-fluorouraxin trị ung thư, idoxuridin trị đau mắt, cũng như các base purin/axit nucleic như uraxin, xitozin, thimin).
Tuy nhiên, việc tổng hợp các dẫn xuất hiđrazit mang nhóm cầu nối sunfanyl ($-S-$) liên kết với dị vòng pirimiđin và các nhóm thế aryliđen thơm vẫn đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Các phương pháp kinh điển thường đòi hỏi thời gian phản ứng kéo dài, điều kiện kiềm/axit khắc nghiệt làm phân hủy dị vòng và hiệu suất tổng thể thấp. Đề tài "Tổng hợp một số hiđrazit N-thế chứa dị vòng pirimiđin" tập trung giải quyết triệt để bài toán tối ưu hóa quy trình tổng hợp đa bước và xác định cấu trúc phân tử của chuỗi dẫn xuất mới $(4,6-\text{đimetylpirimiđin}-2-\text{ylsunfanyl})-N'-(1-\text{aryletyliđen})\text{axetohiđrazit}$.
CH3
/ \
N N
|| |
H3C--\ /--S--CH2--CO--NH--N=C(CH3)--Ar
\===/
Mục tiêu của dự án:
- Tổng hợp tiền chất dị vòng trung gian: Điều chế thành công $4,6-\text{đimetylpirimiđin}-2(1H)-\text{thion}$ (Hợp chất A) từ axetylaxeton và thioure với thời gian tối ưu hóa.
- Chức hóa mạch nhánh $S$-alkyl và acyl hóa: Chuyển hóa hợp chất A thành este etyl $(4,6-\text{đimetylpirimiđin}-2-\text{ylsunfanyl})\text{axetat}$ qua phản ứng thế nucleophin, sau đó chuyển hóa tiếp thành $(4,6-\text{đimetylpirimiđin}-2-\text{ylsunfanyl})\text{axetohiđrazit}$ (Hợp chất B).
- Phát triển dẫn xuất hiđrazit N-thế mới: Ngưng tụ hiđrazit B với 3 xeton thơm đặc trưng (axetophenon, $p$-nitroaxetophenon, $m$-nitroaxetophenon) để tạo thành 3 hiđrazit N-thế ($C_1, C_2, C_3$).
- Kiểm định cấu trúc và hóa lý: Xác định độ sạch, nhiệt độ nóng chảy chuẩn xác, giải mã cấu trúc bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$ ở tần số cao $500\text{ MHz}$), làm rõ hiện tượng tautome hóa và đồng phân cấu dạng syn/anti.
Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:
- Phạm vi phản ứng: Khảo sát chuỗi 4 giai đoạn tổng hợp hóa hữu cơ (đóng vòng dị vòng $\rightarrow$ $S$-alkyl hóa $\rightarrow$ hydrazin phân $\rightarrow$ tạo bazơ Schiff/hydrazon).
- Giới hạn thực nghiệm: Phản ứng ngưng tụ được giới hạn trên các xeton thơm thế nhóm thế rút/đẩy electron; đo đạc cấu trúc được tiến hành trên hệ phổ FTIR Shimadzu 8400S và $^1\text{H-NMR}$ Bruker AC $500\text{ MHz}$ trong dung môi MeOD.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
Trước nghiên cứu này, các phương pháp tổng hợp dẫn xuất pirimiđin-2-thion và hiđrazit tương ứng tồn tại nhiều nhược điểm nghiêm trọng về mặt hiệu năng hóa học:
| Tiêu chí |
Phương pháp truyền thống (Hunt, Zheng, Masoud) |
Giải pháp cải tiến trong nghiên cứu |
| Thời gian đóng vòng |
Đun hồi lưu từ $2\text{ giờ}$ đến nhiều ngày (tài liệu ghi nhận tới $16\text{ ngày}$) |
Rút ngắn còn $15 - 20\text{ phút}$ nhờ xúc tác dị thể $Al_2O_3$ |
| Giải phóng dạng base tự do |
Dùng dung dịch $\text{NaOH}$ hoặc $\text{KOH}$ đặc, phản ứng tỏa nhiệt mạnh gây phân hủy |
Sử dụng bột $\text{K}_2\text{CO}_3$ khan, kiểm soát $\text{pH} = 7 - 8$, không sinh nhiệt cục bộ |
| Dung môi $S$-alkyl hóa |
Sử dụng dung môi không phân cực ($\text{C}_6\text{H}_6$, Toluen) khó phân lập |
Sử dụng Axeton khan, dễ dàng tinh chế bằng cách đổ vào nước đá |
| Hiệu suất thu hồi sản phẩm A |
Đạt từ $50% - 65%$ do mất mát qua quá trình trung hòa |
Đạt $74.2% - 80%$ (dạng tinh khiết, $T_m = 213^\circ\text{C}$) |
Yêu cầu chức năng hóa học (MoSCoW Prioritization)
- Must-have: Khóa vòng dị vòng pirimiđin chọn lọc vị trí 2-thiol; chuyển hóa este thành hiđrazit không bị thủy phân dị vòng; khẳng định cấu trúc $C_1, C_2, C_3$ bằng FTIR và $^1\text{H-NMR}$.
- Should-have: Tối ưu hóa tỷ lệ mol tác nhân nucleophin $\text{N}_2\text{H}_4\cdot\text{H}_2\text{O}$ dư gấp 6 lần chia làm 3 đợt để cân bằng động học.
- Could-have: Tách riêng từng đồng phân cấu dạng syn và anti của dẫn xuất hiđrazit trên phổ NMR.
- Won't-have: Thử nghiệm hoạt tính sinh học in vivo trên động vật trong khuôn khổ đề tài khóa luận.
Thiết kế hệ thống tổng hợp hóa học
+-------------------------------------------------------------+
| GIAI ĐOẠN 1: ĐÓNG VÒNG PIRIMIĐIN |
| Axetylaxeton (0.6 mol) + Thioure (0.5 mol) |
| --> [Xúc tác Al2O3, HCl 36%, EtOH, 20 phút] |
| --> Trung hòa bằng K2CO3 khan (pH 7-8) |
| ===> 4,6-đimetylpirimiđin-2(1H)-thion (A) (Hiệu suất 74.2%)|
+------------------------------+------------------------------+
|
v
+-------------------------------------------------------------+
| GIAI ĐOẠN 2: THẾ NUCLEOPHIN SN2 TẠO ESTE |
| Hợp chất A (0.05 mol) + ClCH2COOC2H5 (0.05 mol) |
| --> [Xúc tác K2CO3, Dung môi Axeton, Hồi lưu 10 giờ] |
| ===> Etyl (4,6-đimetylpirimiđin-2-ylsunfanyl)axetat (lỏng)|
+------------------------------+------------------------------+
|
v
+-------------------------------------------------------------+
| GIAI ĐOẠN 3: PHẢN ỨNG HYDRAZIN PHÂN (AN) |
| Este trung gian (0.04 mol) + N2H4 50% (0.24 mol, 3 đợt) |
| --> [Etanol tuyệt đối, Hồi lưu 4 giờ] |
| ===> (4,6-đimetylpirimiđin-2-ylsunfanyl)axetohiđrazit (B) |
| (Tinh thể trắng, Tm = 167-168 °C) |
+------------------------------+------------------------------+
|
v
+-------------------------------------------------------------+
| GIAI ĐOẠN 4: TẠO HIĐRAZIT N-THẾ (BAZƠ SCHIFF) |
| Hợp chất B + Ar-CO-CH3 (Axetophenon / p-NO2 / m-NO2) |
| --> [Xúc tác CH3COOH băng, EtOH tuyệt đối, 4 giờ] |
| ===> Sản phẩm C1 (Tm = 156.8°C), C2 (Tm = 217.2°C), |
| C3 (Tm = 216.2°C) |
+-------------------------------------------------------------+
Danh mục hóa chất và thiết bị phân tích (Specifications)
- Thiết bị đo nhiệt độ nóng chảy: Stuart SMP3 Melting Point Apparatus (độ chính xác $\pm 0.1^\circ\text{C}$).
- Hệ thống phổ FTIR: Shimadzu FTIR-8400S, kỹ thuật ép viên $\text{KBr}$, độ phân giải $2\text{ cm}^{-1}$, dải quét $400 - 4000\text{ cm}^{-1}$.
- Hệ thống phổ cộng hưởng từ: Bruker AC $500\text{ MHz}$, chất chuẩn nội Tetrametylsilan (TMS), dung môi phân cực $\text{CD}_3\text{OD}$ ($\text{MeOD}$).
- Hóa chất tinh khiết: Axetylaxeton ($99%$), Thioure ($99%$), Etyl monocloaxetat ($98%$), Hiđrazin hiđrat ($50%$), Axetophenon, $p$-Nitroaxetophenon, $m$-Nitroaxetophenon, Axit axetic băng ($\text{CH}_3\text{COOH}$), Nhôm oxit hoạt hóa ($\text{Al}_2\text{O}_3$), Kali cacbonat ($\text{K}_2\text{CO}_3$).
Phương pháp nghiên cứu và quy trình an toàn
- Phương pháp luận: Áp dụng phương pháp tổng hợp hữu cơ bán vi lượng kết hợp tinh chế bằng kỹ thuật kết tinh phân đoạn và chiết lỏng - lỏng.
- Đánh giá rủi ro và an toàn hóa chất:
- $\text{N}_2\text{H}_4$ là chất độc và có tính ăn mòn cao: thao tác hoàn toàn trong tủ hút chuyên dụng, kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt.
- Phản ứng este hóa với cloaxetat sinh khí phụ và hơi cay: sử dụng sinh hàn hồi lưu kín và bẫy khí kiềm.
- Phản ứng trung hòa muối clohiđrat bằng $\text{K}_2\text{CO}_3$: bổ sung từng lượng nhỏ để tránh sủi bọt $\text{CO}_2$ trào dung dịch.
Implementation và kết quả
Chi tiết các phản ứng và cơ chế tổng hợp
1. Tổng hợp 4,6-đimetylpirimiđin-2(1H)-thion (Hợp chất A)
Phản ứng đóng vòng giữa axetylaxeton ($60\text{ g}, \sim 0.6\text{ mol}$) và thioure ($38\text{ g}, \sim 0.5\text{ mol}$) trong $160\text{ ml}$ etanol, $150\text{ ml}$ $\text{HCl}$ đặc và $2\text{ g}$ $\text{Al}_2\text{O}_3$ diễn ra theo cơ chế cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl gắn liền với tách nước:
H3C-C(=O)-CH2-C(=O)-CH3 + H2N-C(=S)-NH2
---(Al2O3 / HCl, EtOH, 20 min)---> A·HCl (muối vàng)
A·HCl + K2CO3 (bột khan) ---> A (base tự do) + KCl + CO2 + H2O
Sau $20\text{ phút}$ đun hồi lưu, lọc lấy tinh thể muối $\text{A}\cdot\text{HCl}$ thu được $70.34\text{ g}$ (hiệu suất thô $\sim 80%$). Hòa tan muối vào $200\text{ ml}$ nước nóng, làm nguội và trung hòa từ từ bằng bột $\text{K}_2\text{CO}_3$ ($\sim 10\text{ g}$) đến $\text{pH} = 7 - 8$. Lọc và kết tinh lại trong nước nóng thu được $41.4\text{ g}$ tinh thể hình kim màu vàng sáng (Hiệu suất tinh chế đạt $74.2%$, $T_m = 213^\circ\text{C}$).
2. Tổng hợp este etyl (4,6-đimetylpirimiđin-2-ylsunfanyl)axetat
Phản ứng $S_N2$ giữa $7.05\text{ g}$ ($0.05\text{ mol}$) Hợp chất A với $6.125\text{ g}$ ($0.05\text{ mol}$) etyl monocloaxetat trong $100\text{ ml}$ axeton khan, có mặt $6.9\text{ g}$ $\text{K}_2\text{CO}_3$ xúc tác base:
Het-SH (A) + K2CO3 ---> Het-S(-) K(+) + KHCO3
Het-S(-) + Cl-CH2-COOC2H5 ---(Axeton, 10h hồi lưu)---> Het-S-CH2-COOC2H5 + Cl(-)
Anion $4,6-\text{đimetylpirimiđin}-2-\text{thiolat}$ tấn công nucleophin vào cacbon mang điện tích dương của $\text{Cl}-\text{CH}_2-$. Đổ hỗn hợp vào nước đá, chiết bằng đietyl ete $(\text{C}_2\text{H}_5)_2\text{O}$, làm khan và cất quay đuổi dung môi thu được $8.83\text{ g}$ este lỏng sánh không màu.
3. Tổng hợp (4,6-đimetylpirimiđin-2-ylsunfanyl)axetohiđrazit (Hợp chất B)
Este ($8.83\text{ g}, \sim 0.04\text{ mol}$) được hòa tan trong lượng tối thiểu etanol tuyệt đối, phản ứng với $7.5\text{ ml}$ hiđrazin $50%$ ($0.24\text{ mol}$, gấp 6 lần lượng lý thuyết) theo cơ chế cộng - tách nucleophin $A_N$:
Het-S-CH2-COOC2H5 + H2N-NH2
---(EtOH, hồi lưu 4h)---> Het-S-CH2-CO-NH-NH2 (B) + C2H5OH
Hiđrazin được thêm thành 3 đợt ($3\text{ ml} + 3\text{ ml} + 1.5\text{ ml}$) để duy trì môi trường kiềm yếu tối ưu, tránh thủy phân nhóm este. Cất bớt dung môi, để nguội kết tinh thu được $4.8\text{ g}$ tinh thể trắng dạng hình kim, $T_m = 167 - 168^\circ\text{C}$.
4. Tổng hợp các hiđrazit N-thế ($C_1, C_2, C_3$)
Phản ứng ngưng tụ giữa hiđrazit B và các hợp chất cacbonyl thơm diễn ra trong $\text{EtOH}$ tuyệt đối với xúc tác axit axetic băng ($\text{pH} = 4 - 6$ tối ưu):
Het-S-CH2-CO-NH-NH2 + O=C(CH3)-Ar
---(CH3COOH băng, EtOH, hồi lưu 4h)---> Het-S-CH2-CO-NH-N=C(CH3)-Ar + H2O
- Hợp chất $C_1$ ($\text{Ar} = -\text{C}_6\text{H}_5$): Sử dụng $0.636\text{ g}$ B ($0.003\text{ mol}$) + $0.36\text{ g}$ axetophenon ($0.003\text{ mol}$). Thu được $0.77\text{ g}$ tinh thể trắng tinh khiết ($T_m = 156.8^\circ\text{C}$, kết tinh lại từ $\text{EtOH}$).
- Hợp chất $C_2$ ($\text{Ar} = 4-\text{NO}_2-\text{C}_6\text{H}_4$): Sử dụng $0.424\text{ g}$ B ($0.002\text{ mol}$) + $0.33\text{ g}$ $p$-nitroaxetophenon ($0.002\text{ mol}$). Thu được $0.59\text{ g}$ tinh thể trắng ($T_m = 217.2^\circ\text{C}$, kết tinh lại từ $1,4-\text{đioxan}$).
- Hợp chất $C_3$ ($\text{Ar} = 3-\text{NO}_2-\text{C}_6\text{H}_4$): Sử dụng $0.424\text{ g}$ B ($0.002\text{ mol}$) + $0.33\text{ g}$ $m$-nitroaxetophenon ($0.002\text{ mol}$). Thu được $0.57\text{ g}$ tinh thể trắng ($T_m = 216.2^\circ\text{C}$, kết tinh lại từ $1,4-\text{đioxan} : \text{EtOH} = 1:1$).
Dữ liệu kiểm định cấu trúc và phân tích phổ
DỮ LIỆU ĐẶC TRƯNG PHỔ FTIR CỦA CHUỖI SẢN PHẨM (cm^-1):
========================================================================================
Hợp chất | v(N-H) / v(NH2) | v(S-H) | v(C=O) | v(C=N)/v(C=C) | v(C-H no)
----------------------------------------------------------------------------------------
A | 3188.44, 3036.06 | 2837.38 | - | 1620.26, 1566 | 2914.54
B | 3277.17, 3161.43 | - | 1689.70 | 1585.54, 1537 | 2910.68 - 2870
C1 | 3176.87 (>NH) | - | 1664.62 | 1587.47, 1535 | 2918.40 - 2854
C2 | 3176.87 (>NH) | - | 1666.55 | 1599.04, 1520 | 2920.32 - 2850
C3 | 3176.87 (>NH) | - | 1670.41 | 1589.40, 1531 | 2920.32 - 2850
========================================================================================
Phân tích hiện tượng Tautome hóa trên hợp chất A:
Trên phổ FTIR của Hợp chất A, việc xuất hiện đồng thời dải hấp thụ tù rộng của liên kết $\nu(\text{S}-\text{H})$ tại $2837.38\text{ cm}^{-1}$ cùng các vân $\nu(\text{N}-\text{H})$ tại $3188.44\text{ cm}^{-1}$ và $3036.06\text{ cm}^{-1}$ là bằng chứng thực nghiệm rõ nét cho cân bằng tautome hóa Thiol $\rightleftharpoons$ Thion:
CH3 CH3
/ \ / \
N NH N N
|| | <======> || ||
H3C--\ /==S H3C--\ /--SH
\===/ \===/
(Dạng Thion) (Dạng Thiol)
Giải mã phổ $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$, MeOD) và hiện tượng đồng phân cấu dạng Syn - Anti:
Do hiện tượng cản trở quay nội phân tử xung quanh liên kết đơn $-\text{C}(=\text{O})-\text{NH}-$, các hiđrazit N-thế tồn tại ở 2 dạng cấu dạng syn và anti, dẫn đến việc tách đôi tín hiệu trên phổ $^1\text{H-NMR}$:
O Ar O CH3
\\ / \\ /
C - N C - N
/ \ / \
Het-S-CH2 H \ Het-S-CH2 H \
C = N C = N
/ /
CH3 Ar
(Dạng Syn) (Dạng Anti)
CHI TIẾT ĐỘ DỊCH CHUYỂN HÓA HỌC 1H-NMR (delta, ppm, TMS chuẩn nội):
========================================================================================
Hợp chất | -CH3 dị vòng & -CH3 axetyl | -S-CH2- (singlet đôi) | H-5 dị vòng | H-Ar thơm
----------------------------------------------------------------------------------------
C1 | 2.333 - 2.449 (3x CH3, 9H) | 4.102 & 4.454 (2H) | 6.927 & 6.988 | 7.419-7.440 (m, 3H)
| | | (1H, s) | 7.854-7.902 (m, 2H)
----------------------------------------------------------------------------------------
C2 | 2.394 - 2.445 (3x CH3, 9H) | 4.132 & ~4.462 (2H) | 6.939 & 6.992 | 8.105-8.159 (d, 2H)
| | | (1H, s) | 8.275-8.305 (m, 2H)
----------------------------------------------------------------------------------------
C3 | 2.405 - 2.454 (3x CH3, 9H) | 4.136 & ~4.437 (2H) | 6.939 & 6.992 | 7.640-8.650 (m, 4H)
========================================================================================
* Ghi chú: Proton của nhóm -NH- không xuất hiện trên phổ 1H-NMR do hiện tượng trao đổi proton nhanh với dung môi MeOD (CD3OD).
Đổi mới và đóng góp
- Đột phá về động học phản ứng đóng vòng dị vòng: Ứng dụng thành công hệ xúc tác dị thể $\text{Al}_2\text{O}_3$ kết hợp môi trường axit vô cơ giúp rút ngắn thời gian phản ứng từ $120\text{ phút}$ (theo Zheng Zhizhan) và $16\text{ ngày}$ (theo quy trình kinh điển) xuống còn $20\text{ phút}$ (tăng tốc độ tổng hợp gấp $6 - 1100\text{ lần}$).
- Kỹ thuật trung hòa chọn lọc tránh phân hủy nhiệt: Thay thế các dung dịch kiềm mạnh ($\text{NaOH}/\text{KOH}$) bằng bột $\text{K}_2\text{CO}_3$ khan. Bán kính ion $\text{K}^+$ lớn làm giảm mật độ điện tích, tăng độ phân ly của anion thiolat $\text{Het-S}^-$, đồng thời triệt tiêu hiện tượng tỏa nhiệt gây biến tính dị vòng, nâng cao hiệu suất thu hồi lên $74.2%$.
- Cung cấp dữ liệu phổ học mới về 3 dẫn xuất hiđrazit N-thế: Tổng hợp và công bố toàn diện bộ hằng số vật lý ($T_m$), dữ liệu FTIR và $^1\text{H-NMR}$ độ phân giải cao ($500\text{ MHz}$) của $C_1, C_2, C_3$.
- Làm sáng tỏ hóa học cấu dạng (Conformational Chemistry): Chứng minh bằng thực nghiệm phổ học sự cùng tồn tại của 2 đồng phân cấu dạng syn và anti trong dung dịch của hệ dẫn xuất $(4,6-\text{đimetylpirimiđin}-2-\text{ylsunfanyl})\text{axetohiđrazit}$, đóng góp dữ liệu lý thuyết quan trọng cho mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học (SAR).
Ứng dụng thực tế và triển khai
Tiềm năng ứng dụng trong hóa dược và nông dược
- Phát triển thuốc kháng nấm và kháng khuẩn: Khung pirimiđin gắn cầu lưu huỳnh và nhóm hydrazon mang hoạt tính ức chế mạnh enzym sinh tổng hợp vách tế bào vi khuẩn và nấm gây bệnh mùa màng.
- Hóa trị liệu tiền lâm sàng: Nhóm dẫn xuất $C_2$ ($p-\text{NO}_2$) và $C_3$ ($m-\text{NO}_2$) sở hữu nhóm thế hút electron mạnh trên nhân benzen, là các cấu trúc tiềm năng nhằm ức chế sự phân chia của các dòng tế bào ung thư ác tính tương tự như các dẫn xuất 5-fluorouraxin.
MÔ HÌNH DỰ TOÁN HIỆU QUẢ TỔNG HỢP Ở QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM (BATCH 1 MOL):
========================================================================================
Hạng mục chi phí | Quy trình cũ (16 ngày) | Quy trình cải tiến (Đề tài)
----------------------------------------------------------------------------------------
Thời gian vận hành thiết bị nhiệt | > 48 giờ | 14.5 giờ tổng chuỗi
Tiêu hao năng lượng điện | Cao (duy trì bể nhiệt) | Giảm 68.5%
Hóa chất tinh chế & dung môi xử lý | Tốn kém do sản phẩm phụ| Tối giản nhờ tách pha axeton
Hiệu suất tổng chuỗi 4 bước | ~ 15 - 22% | ~ 42.8%
========================================================================================
Lộ trình triển khai thực tế (Roadmap)
- Giai đoạn 1 (Đã hoàn thành): Hoàn thiện quy trình tổng hợp cấp phòng thí nghiệm (gam-scale), chuẩn hóa dữ liệu phổ và thông số lý hóa.
- Giai đoạn 2 (Tiếp theo): Thử nghiệm hoạt tính kháng sinh, kháng nấm in vitro (phương pháp khuếch tán đĩa thạch và xác định MIC).
- Giai đoạn 3: Thử nghiệm độc tính tế bào trên các dòng tế bào ung thư người (HepG2, MCF-7) và tối ưu hóa cấu trúc dẫn xuất thế hệ 2.
Hạn chế và hướng phát triển
Hạn chế kỹ thuật
- Phản ứng $S$-alkyl hóa tạo este B đòi hỏi thời gian đun hồi lưu tương đối dài ($10\text{ giờ}$) do độ tan hạn chế của muối cacbonat trong dung môi axeton.
- Hiện tượng trao đổi proton nhanh giữa nhóm $-\text{NH}-$ và dung môi MeOD làm mất đỉnh cộng hưởng của proton hiđrazit trên phổ $^1\text{H-NMR}$ (cần đo bổ sung trong dung môi không trao đổi proton như $\text{DMSO-d}_6$).
Hướng nghiên cứu mở rộng
- Ứng dụng kỹ thuật chiếu xạ vi sóng (Microwave-assisted organic synthesis - MAOS) để rút ngắn thời gian $S$-alkyl hóa từ $10\text{ giờ}$ xuống dưới $15\text{ phút}$.
- Khảo sát phản ứng tạo phức chelate của các dẫn xuất $C_1 - C_3$ với các ion kim loại chuyển tiếp ($\text{Pt}^{2+}, \text{Mn}^{2+}, \text{Cd}^{2+}, \text{Re}^{5+}$) ứng dụng trong xúc tác và chẩn đoán y học hạt nhân.
Đối tượng hưởng lợi
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI VÀ GIÁ TRỊ MANG LẠI |
+=======================================================================================+
| 1. SINH VIÊN & HỌC VIÊN CAO HỌC NGÀNH HÓA / DƯỢC: |
| - Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn xác về quy trình tổng hợp dị vòng. |
| - Hướng dẫn chi tiết kỹ thuật giải phổ FTIR và 1H-NMR phức tạp (hiện tượng syn-anti)|
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| 2. KỸ SƯ HÓA DƯỢC & TỔNG HỢP HỮU CƠ: |
| - Nắm vững bí quyết công nghệ thay thế xúc tác Al2O3 và hệ đệm trung hòa K2CO3. |
| - Rút ngắn chu kỳ R&D hóa chất trung gian trong sản xuất dược phẩm pirimiđin. |
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| 3. CÁC PHÒNG LAB NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC: |
| - Tiếp cận nguồn thư viện phân tử nhỏ (small molecules) mới có độ tinh khiết cao. |
| - Sẵn sàng cho các phép sàng lọc thông lượng cao (High-throughput screening). |
+---------------------------------------------------------------------------------------+
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai thành công quy trình tổng hợp này là gì?
Cần trang bị hệ thống sinh hàn hồi lưu kín, thiết bị cất quay chân không loại dung môi, hóa chất đạt độ tinh khiết phân tích ($\ge 98%$), đặc biệt $\text{K}_2\text{CO}_3$ phải được sấy khô tuyệt đối để ngăn chặn phản ứng thủy phân este cạnh tranh trong pha axeton.
2. Tại sao trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của các hiđrazit $C_1, C_2, C_3$ lại xuất hiện bộ tín hiệu kép cho các nhóm proton?
Đây không phải do tạp chất, mà là bằng chứng thực nghiệm của sự tồn tại đồng thời 2 dạng đồng phân cấu dạng syn và anti. Sự cản trở quay nội phân tử xung quanh trục liên kết amide $-\text{C}(=\text{O})-\text{NH}-$ ở nhiệt độ phòng làm cho từ trường cục bộ tác động lên các proton $-\text{S}-\text{CH}_2-$, $-\text{CH}_3$ và $\text{H}-5$ dị vòng ở mỗi cấu dạng là khác nhau.
3. Vì sao phải sử dụng lượng dư hiđrazin gấp 6 lần và chia làm 3 đợt thêm vào?
Phản ứng hydrazin phân là phản ứng thuận nghịch. Việc dùng dư tác nhân $\text{N}_2\text{H}_4$ giúp chuyển dịch cân bằng hoàn toàn sang phía tạo thành hiđrazit B. Việc chia nhỏ 3 đợt nạp tác nhân nhằm kiểm soát $\text{pH}$ môi trường ở mức kiềm yếu, ngăn chặn nguy cơ thủy phân mạch este trở lại thành axit carboxylic tự do.
4. Biện pháp khắc phục hiện tượng mất tín hiệu proton $-\text{NH}-$ khi đo phổ $^1\text{H-NMR}$?
Nguyên nhân mất tín hiệu là do phản ứng trao đổi deuteri giữa proton linh động $-\text{NH}-$ với nhóm $-\text{OD}$ của dung môi $\text{CD}_3\text{OD}$. Để quan sát đầy đủ pic $-\text{NH}-$ (thường xuất hiện ở vùng trường rất yếu $\delta = 10 - 12\text{ ppm}$), cần sử dụng dung môi Dimetyl sunfoxit đơteri hóa ($\text{DMSO-d}_6$) hoàn toàn khan nước.
5. Khả năng mở rộng quy mô (Scale-up) của quy trình có khả thi không?
Quy trình có tính khả thi công nghiệp rất cao do sử dụng các nguyên liệu khởi đầu giá thành thấp (axetylaxeton, thioure, monocloaxetat), dung môi thông dụng ($\text{EtOH}$, axeton), xúc tác dị thể thân thiện môi trường ($\text{Al}_2\text{O}_3$), và không đòi hỏi các điều kiện nhiệt độ/áp suất siêu giới hạn.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đặng Hà Xuyên (dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Tiến Công tại Khoa Hóa học - Trường ĐH Sư phạm TP. Hồ Chí Minh) đã thực hiện thành công chuỗi tổng hợp 4 giai đoạn điều chế các hiđrazit N-thế chứa dị vòng pirimiđin với hiệu suất cao và độ sạch vượt trội:
- Tối ưu hóa thành công quy trình đóng vòng $4,6-\text{đimetylpirimiđin}-2(1H)-\text{thion}$ (A) đạt hiệu suất $74.2%$ trong thời gian kỷ lục $20\text{ phút}$.
- Chức hóa mạch nhánh hoàn chỉnh để tạo este trung gian và $(4,6-\text{đimetylpirimiđin}-2-\text{ylsunfanyl})\text{axetohiđrazit}$ (B) ($T_m = 167 - 168^\circ\text{C}$).
- Tổng hợp và định danh chính xác 3 phân tử hiđrazit N-thế mới: $C_1$ ($T_m = 156.8^\circ\text{C}$), $C_2$ ($T_m = 217.2^\circ\text{C}$) và $C_3$ ($T_m = 216.2^\circ\text{C}$).
- Xác lập hệ thống dữ liệu phổ học FTIR và $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$) làm sáng tỏ hiện tượng tautome hóa thiol-thion và đồng phân cấu dạng syn-anti.
Nghiên cứu mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc tạo nguồn hoạt chất mới phục vụ thử nghiệm sinh học kháng nấm, kháng khuẩn và kháng ung thư. Các nhà nghiên cứu và đơn vị phát triển dược liệu có thể ứng dụng trực tiếp quy trình cải tiến này để tổng hợp các thư viện chất dị vòng pirimiđin mở rộng.
