Tổng Hợp Dẫn Xuất Cacbonyl a,ß-Không No Của 8-Hidroxiquinolin

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp hóa học tổng hợp một số dẫn xuất cacbonyl không no của 8 hidroxiquinolin, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp cụ thể cho

• Tác giả: Nguyễn Văn Tân
• Người hướng dẫn: Thầy Lê Văn Đăng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ
• Đề tài: Tổng Hợp Dẫn Xuất Cacbonyl a,ß-Không No Của 8-Hidroxiquinolin
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP FOMYL HÓA TRỰC TIẾP NHÂN THƠM
• 1.1. Tổng hợp Vilsmeier
• 1.2. Phản ứng Gattermann - Koch
• 1.2.1. Cơ chế phản ứng
• 1.2.2. Phạm vi ứng dụng
• 1.2.3. Điều kiện tiến hành phản ứng
• 1.2.4. Chất xúc tác và chất hoạt hóa
• 1.2.5. Dung môi
• 1.2.6. Thời gian phản ứng
• 1.2.7. Cơ chế phản ứng
• 1.2.8. Phạm vi ứng dụng
• 1.2.9. Cải tiến của Adams
• 1.2.10. Tác nhân phản ứng
• 1.2.11. Nhiệt độ
• 1.2.12. Dung môi
• 1.3. Phản ứng Reimer - Tiemann
• 1.3.1. Cơ chế phản ứng
• 1.3.2. Phạm vi ứng dụng
• 1.3.3. Dung môi
• 1.4. Fomyl hóa bằng fomyl florua
• 1.4.1. Điều chế fomyl florua
• 1.4.2. Phản ứng fomyl hóa
• 1.4.3. Điều kiện tiến hành phản ứng
• 1.4.4. Dung môi và xúc tác

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Dẫn Xuất Cacbonyl a ß Không No Của 8 Hidroxiquinolin

Dẫn xuất cacbonyl a,ß-không no của 8-hidroxiquinolin đã thu hút sự chú ý trong nghiên cứu hóa học hữu cơ. Các hợp chất này không chỉ có cấu trúc độc đáo mà còn mang lại nhiều ứng dụng trong y dược và hóa học phân tích. Việc tổng hợp và nghiên cứu các dẫn xuất này giúp mở rộng hiểu biết về tính chất hóa học và sinh học của chúng. Nghiên cứu này không chỉ nhằm mục đích tổng hợp mà còn để khám phá các ứng dụng tiềm năng trong thực tiễn.

1.1. Định Nghĩa Và Tầm Quan Trọng Của 8 Hidroxiquinolin

8-Hidroxiquinolin là một hợp chất dị vòng quan trọng trong hóa học hữu cơ. Nó có khả năng tạo phức với nhiều ion kim loại, làm cho nó trở thành một chất thử hữu ích trong phân tích hóa học. Các dẫn xuất của nó, đặc biệt là cacbonyl, có tiềm năng lớn trong việc phát triển thuốc và các ứng dụng công nghiệp.

1.2. Lịch Sử Nghiên Cứu Về Dẫn Xuất Cacbonyl

Nghiên cứu về dẫn xuất cacbonyl của 8-hidroxiquinolin đã bắt đầu từ những năm 2000. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng những hợp chất này có hoạt tính sinh học cao, bao gồm khả năng chống nấm và diệt khuẩn. Điều này đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực dược phẩm.

II. Vấn Đề Trong Tổng Hợp Dẫn Xuất Cacbonyl a ß Không No

Tổng hợp dẫn xuất cacbonyl a,ß-không no của 8-hidroxiquinolin gặp nhiều thách thức. Các vấn đề chính bao gồm việc chọn lựa phương pháp tổng hợp phù hợp và tối ưu hóa điều kiện phản ứng. Sự phức tạp trong cấu trúc của các hợp chất này cũng làm tăng độ khó trong việc xác định các thông số vật lý và hóa học của chúng.

2.1. Thách Thức Trong Phương Pháp Tổng Hợp

Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp là một trong những thách thức lớn nhất. Các phương pháp như Vilsmeier và Gattermann-Koch đều có ưu và nhược điểm riêng. Cần phải cân nhắc kỹ lưỡng để đạt được hiệu suất cao nhất trong tổng hợp.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Xác Định Tính Chất

Xác định các thông số vật lý như nhiệt độ nóng chảy và phổ hồng ngoại của các dẫn xuất cacbonyl là một nhiệm vụ không dễ dàng. Sự tương tác giữa các nhóm chức trong phân tử có thể ảnh hưởng đến các đặc tính này, gây khó khăn trong việc phân tích.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Dẫn Xuất Cacbonyl a ß Không No

Có nhiều phương pháp để tổng hợp dẫn xuất cacbonyl a,ß-không no của 8-hidroxiquinolin. Các phương pháp này bao gồm fomyl hóa trực tiếp và phản ứng ngưng tụ aldol. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được sản phẩm mong muốn.

3.1. Phương Pháp Fomyl Hóa

Phương pháp fomyl hóa là một trong những cách hiệu quả nhất để tổng hợp dẫn xuất cacbonyl. Phương pháp này sử dụng các tác nhân fomyl hóa như N,N-dimetylfomamit để gắn nhóm -CHO vào nhân thơm của 8-hidroxiquinolin.

3.2. Phản Ứng Ngưng Tụ Aldol

Phản ứng ngưng tụ aldol là một phương pháp khác để tổng hợp các dẫn xuất cacbonyl. Phương pháp này cho phép tạo ra các hợp chất phức tạp từ các tiền chất đơn giản, mở ra nhiều khả năng trong việc phát triển các dẫn xuất mới.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Dẫn Xuất Cacbonyl a ß Không No

Dẫn xuất cacbonyl a,ß-không no của 8-hidroxiquinolin có nhiều ứng dụng thực tiễn trong y dược và hóa học phân tích. Chúng được sử dụng như các chất thử trong phân tích ion kim loại và có tiềm năng trong việc phát triển thuốc mới. Nghiên cứu về các ứng dụng này đang được tiến hành để khai thác tối đa giá trị của chúng.

4.1. Ứng Dụng Trong Y Dược

Nhiều dẫn xuất cacbonyl của 8-hidroxiquinolin đã được chứng minh có hoạt tính sinh học cao. Chúng có thể được sử dụng trong việc phát triển thuốc chống nấm và diệt khuẩn, mang lại hy vọng cho việc điều trị các bệnh lý khó chữa.

4.2. Ứng Dụng Trong Hóa Học Phân Tích

Các dẫn xuất này cũng được sử dụng rộng rãi trong hóa học phân tích. Chúng có khả năng tạo phức với nhiều ion kim loại, giúp xác định chính xác các thành phần trong mẫu phân tích.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Dẫn Xuất Cacbonyl a ß Không No

Nghiên cứu về dẫn xuất cacbonyl a,ß-không no của 8-hidroxiquinolin đã mở ra nhiều hướng đi mới trong hóa học hữu cơ. Những thách thức trong tổng hợp và xác định tính chất của chúng cần được giải quyết để khai thác tối đa tiềm năng của các hợp chất này. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho cả khoa học và thực tiễn.

5.1. Triển Vọng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Nghiên cứu về dẫn xuất cacbonyl sẽ tiếp tục được mở rộng, với nhiều phương pháp tổng hợp mới và ứng dụng tiềm năng. Các nhà khoa học đang tìm kiếm cách để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và nâng cao hiệu suất của các hợp chất này.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Hóa Học Hữu Cơ

Nghiên cứu hóa học hữu cơ, đặc biệt là các hợp chất dị vòng như 8-hidroxiquinolin, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các sản phẩm mới. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp hóa chất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 PHƯƠNG PHÁP FOMYL HÓA TRỰC TIẾP NHÂN THƠM Để gắn nhóm —CHO vào nhân thơm có nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào bản chất của nhân thơm, tác nhân fomy! hóa cũng như chất xúc tác. Tổng hợp Vilsmeier [7], [10], [14], [30] Tác nhân fomyl hoá trong tổng hợp Vilsmeier là một amit của axit fomic. Đặc biệt hay dùng là N, N-đimetylfomamit và N-metylfomanilit. N-metylfomanilit có khả năng phản ứng cao hơn một chút so với N, N-đimetylfomamit rẻ tiền hơn.

Chất xúc tác thường dùng là photpho (V) oxitriclorua POC], nn) + CHy-N~CH=O ou> Ru-( Go + CH; asH CoHs 1. Cơ chế phần ứng {15] Chất xúc tác POC]; tạo một phức chất với amit của axit a 9° ` N-C“x0 ——* +POCh \ N © CC 0TNGŒ `". 2 y 4 al im H Phức trên là một tác nhân electrophin tấn công vào nhân thơm: | | RạN +. `Sc—opochel a> RN CH H OPOCI; N— nn )- cá + HO —> Kuw-ÓC )-cheo + —NH + HOPOCI, OPOCI; L.

Phạm vi ứng dụng [21], [22] Phương pháp tổng hợp Vilsmeier có thể áp dụng cho các hợp chất thơm giàu clectron e Các phenol, phenol ete, các dẫn xuất của chúng và các thiopheny! ete. H,C 3 / + (CH3)aN— CHO, POCI, BÀ CH¡O=<<(`——Z ——————— - (CH;);NH Chi C) CH=O Sink niên thie hiện: WUguyén Odn Féin Frang 4 Lugn nàn tất nghi¢g Qiáa oiên butting din: Thdy Li “Dán Dang OCH; OCH - (CH;);NH (90%) CH=0 ws) Of ie CH;),N—CHO, POC! cms CC ))-cheo © Cac hiđrocacbon thơm đa vòng ngưng ty cũng như các dẫn xuất của chúng như: azulen, axenaphtylen, antraxen, piren œŒ `) + ( CH;)N-CHO, POCI, CC) - (CH;)NH O=HC Azulen 1-Fomylazulen e Các đị vòng thom chứa -N- (pirol, inđol,); chứa -O- (furan, benzofuran); chứa -S- (thiophen); -Se- (selenophen) cũng như các dẫn xuất của chúng. —_- enone CH )2N~CHO, POCI (80%) Pham vi ứng dụng của phản ứng còn được mở rộng để dua các chất déng đẳng vinyl của các amit của các axit vào nhân thơm để điểu chế các anđehit không no. + RyN—CH=CH— CHO, POCI; RạN RạN CH=CH-CH=O - RạNH Phản ứng tổng hợp Vilsmeier còn dùng để gấn nhóm —CHO vào nhánh không no của nhân thơm.

b CH; H=CH-CH=O , (À POCO, Ô _+(CH3)2N—CH a - (CH;);NH ae `7 (80%) đi nk vién thuge kiệm: Gguyen Odn Jan Frang 5 uận oán tất sg&¿ệp Gido niên hittng din: Cháu £2 Uda “Đáng Phản ứng Vilsmeier không thành công khi điểu chế các andehit từ benzen, các ankylbenzen, naphtalen. Phản ứng cũng không thực hiện được hoặc cho hiệu suất rất thấp đối với các phenol ete nếu vị trí para đã bị thế.Tac nhân fomyl hóa [42] Các dẫn xuất fomamit thường được dùng làm tác nhân fomyl hóa: dimetylfomamit > N-metylfomanilit > fomanilit > fomamit N-ctylfomanilit và N, N-dietylfomanilit cho cùng kết quả với dẫn xuất metyl. Cũng có thể dùng các tác nhân fomyl hóa khác như N-fomylpiperiđin, N- fomylindol, 2-N-metylanilinoacrolein (CgHs-N(CH;)-CH=CH-CH=O) và 1-(N- metylanilino)-1 ,3-pentadien-5-al (CgHs-N(CH;)-CH=CH-CH=CH-CH=0).4, Xúc tác Trong phần lớn các phản ứng thực hiện theo phương pháp Vilsmeier dùng POCI, làm chất xúc tác, có thể dùng xúc tác khác là photgen COCI, (nhất là ở trong kỹ thuật), POBr;, thionyl clorua SOCI;, ngoài ra AICI; cũng được sử dụng nhưng trong trường hợp này AICI; tạo phản ứng phụ với fomamit. Dung môi Trong trường hợp các chất phản ứng có thể hòa tan vào nhau thì nói chung không cần đung môi.

Dung môi ding trong phản ứng tổng hợp Vilsmeier thường là benzen, clobenzen hoặc ø-điclobenzen hoặc một lượng dư của N, N-đimetylfomamit. Nhiệt độ Đối với các hợp chất thơm hoạt động thì phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ phòng, trong trường hợp khác thì thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhưng hiếm khi thực hiện ở nhiệt độ cao hơn 80-95°C (vì có thể xãy ra sự chuyển vị nội phân tử). Fomyl hóa Gattermann ~ Koch [7], [11], [29], (30] Phản ứng Gattermann-Koch là phản ứng đưa trực tiếp nhóm ~CHO vào nhân thơm mà tác nhân fomyl hóa là fomy! clorua. Phần ứng là sự tương tác của hỗn hợp khí CO và khí hidroclorua HCI với hiđrocacbon thơm khi có mặt AICI; và Cu¿C]ạ.

CO no ———rv n+ ©) ree Ope: ee CH=O + HCl 1. Cơ chế phan ứng Dưới ảnh hưởng của xúc tác Cu;C]; sẽ tạo thành fomyl clorua từ hỗn hợp khí CO và HCI: CO + , HCl —————*> H~C—CI CuCl, i Fomyl clorua khi có mặt của AICI, sẽ tác dụng với nhãn thơm theo phản ứng Friedel - Crafts: Sink vién thực kiệm: ⁄2(guuỗn Van Tan Trang 6 Lugn odn tốt nghiệp Gide oiên hiténg dẳn: Thdy £2 “ăn Dang H~C~Cl + AICI, Fg]faci " + [aici,]° Ont ©, Om 1. Pham vi ứng dụng Phương pháp Gattermann — Koch là một phương pháp thuận lợi để điều chế các anđehit thơm đơn giản. e Với dẫn xuất một lan thế của benzen như: alkylbenzen, biphenyl, florobenzen, clorobenzen thì nhóm -CHO sẽ thế vào vị trí para (bromobenzen và iođobenzen thì không phản ứng).

Ví dụ: CHy _CO+HC! CHy CHzO Cu,Cl,, AICI, « Với dẫn xuất 2 lắn thế của benzen như ø- và m-xilen thì nhóm —CHO vào vị trí para còn p-xilen thì có sự déng phân hóa. Hạ Hy CO + HCI CHạ Cu;Cl, AICI, CH; cu, —CO*HC! __. os, CHO Cu,Cl,, AICI, © Với dẫn xuất xuất 3 lần thé của benzen như: aaa hay diisopropyltoluen thì cho các anđehit tương ứng ma không có sự đồng phân. CH; CH; « (CÔ _ CO+HCL „ cá } ene Cu,Cl,, AICI, CH; CH, ¢ Naphtalen bị fomyl hóa khi dùng HF + BF, làm xúc tác.

HzO OG1Dnày không áp dụng ©fomyl hóa các phenol, các phenol ete ở áp HCI _ +HCI _ CO+ HEB, BF, suất thường (do Cu;Cl; không tan trong hỗn hợp phản ứng); các hợp chất dị vòng (do bị polime hóa); các diankylaminobenzen (do điankylbenzanđehit tao thành tham gia phản ứng ngưng tụ). Những cải tiến của phương pháp Sinh ciên (lực kiện: Uguyén Udn Fan Trang 7 Lugn nản tốt mgkiệp Gido ciên hướng dẫn: Thay £2 Van Dang Gresham va Tabet đã thay thé AICI, và HCl bằng BF; va HF khan, trong nhiều trường hợp phan ứng xãy ra nhanh hơn so với phản ứng Gattermann — Koch với ti lệ số mol CO: HE: BF, = I: 1: 1. Woods và Dix đã thay thế xúc tác AICI, và Cu;Cl; bằng axit trifloroaxetic để fomyl hóa các hợp chất dị vòng với tỉ lệ HCI: CO = 1: 1. Bảng 1: Một số anđehit tổng hợp bằng phương pháp Gattermann - Koch Benzen Benzanđehit CO, HCI, AICI, Cu;Clạ CO, HF, BF; Toluen 4-CHO-Toluen CO, HCI, AIC, CuạCl› CO, HF, BF, Meuly đã kết hợp phản ứng anky! hóa và fomyl hóa, khi cho benzen phản ứng với isopropyl clorua (hay propen) và CO + HCI thu được p-isopropylbenzanđehit (CH,);CHC! + CO + HCI „ (cự.

cụ4O» (is Cu;Cl;, AICI, 1.4, Điều kiện tiến hành phản ứng Phản ứng Gattermann-Koch được tiến hành trong 2 hệ thống điểu kiện: © Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ từ 25-30°C. e Ở áp suất 100-250 atm, nhiệt độ từ 25-30°C. Chất xúc tác và chất hoạt hóa Vai trò của chất xúc tác: Tham gia vào sự hình thành cation fomy!l. © HCI + CO + AICI, HCỞ AICI, (CuCOfAICÍ+ HCI HCỞ AICI, + CuCl © Các chất xúc tác thường dùng: AICh, AIBry, All; và các axit Lewis như FeCl, SnCl,, TíC,, SbCl; trong đó khả nang xúc tác của AIBr; > All, > AICI; > FeCl:.

Lượng chất xúc tác cẩn để điểu chế anđehit với hiệu suất cao phụ thuộc vào bản chất hiđrocacbon thơm đem fomy! hóa. Thường người ta dùng | mol AICI; cho | mol hiđrocacbon thơm. Chất hoạt hóa thường được dùng là Cu;Cl; và Cu;Bz;, vai trò của chất hoạt hóa là kết hợp với chất xúc tác tạo nên phức có khả năng hấp thụ khí CO. Sink oién thực kiện: ⁄À(guuên Udn Fan Frang 8 Lugn odn tất ngkiệp Gido ciên kướng din: hầu £2 Oda Dang CuCl, + 2AIC]y ———* 2Cÿ AlCl, Cu AICI, + CO ———> [{CuCO] AIC, @ 9 © © 9 eo 9 HCI + [CuCO] AICl¿ ———*HCO AICl, + CuCl 1.

Dung môi Trong nhiều trường người ta dùng chính hợp chất thom làm dung môi nếu chất thơm là chất lỏng.Trong các trường hợp khác thì dùng benzen, nitrobenzen làm dung môi. Thời gian phản ứng Cho dòng hiđroclorua khô và cacbonoxit qua hỗn hợp hiđrocacbon thơm + AICI; + Cu;Cl; trong vài giờ. Trong thời gian phản ứng cẩn phải khuấy mạnh hỗn hợp phản ứng để có thể làm tăng bể mặt tiếp xúc tướng. Trung gian phản ứng là clorua iminium, thủy phân thành anđehit bởi axit vô cơ.

H,O/H ° 4® + HCN + HCI ———> mar CaNic Oe CH=0 Benzen .iminium Benzanđchit HO HO © + HCN + HCI + HO 1. Cơ chế phản ứng AICI;, ZnCl; tHO HO CHzO + NH,Cl Cơ chế phản ứng này không được rõ rệt lấm. Tác nhân electrophin có thé là một lon trung gian tương tự như cation fomy!: +AICl, Š+ 8. H—C=N + HCI HC—NH == HC*='NH- - -AICI; Cl CI ðt Š" CH=NH + HC——NH--- AICI, —,+(@) Cl -[ AICI, H Ou NH [aren] ¬ @@ H;OM® \ “AT - AICI; O TC VU - a, NH,CI 1.

Phạm vi ứng dụng Sinh niên thực kiện: Aguyén “ân Fan Trang 9 Lugn odn tất nghiệp Gido ciên kuớng dẫn: Thdy L2 Udn Dang Farbwerke Baeyer va Hinkel đã thành công khi ứng dụng phương pháp Gattermann để điều chế các andehit tương ứng từ các hiđrocacbon thơm như: toluen, các xilen, mesitylen, benzen, antranxen, biphenyl, naphtalen, axenaphtylen. Trong phản ứng Gattecman nhóm —CHO bao giờ cũng vào vị trí para đối với nhóm thế có tác dụng hoạt hóa, và chỉ vào vị trí ortho khi nào vị tri para đã bị chiếm. 1) +HCN + HCI, AICI, @{*%-a= + NH,CI 2) + H;O/H® Gattermann đã tổng hợp các anđehit tương ứng từ phenol, polyphenol, phenol ete va polyphenol ete của benzen và naphtalen. 2) + H;O/H ® Fischer đã thành công khi ứng dụng phản ứng Gattermann đối với pirol, thiophen, inđol, furan, azulen, benzofuran, đibenzofuran cũng như các dẫn xuất của chúng.

Cải tiến của Adams Để tránh việc sử dụng trực tiếp HCN là một axit rất độc, Roger Adams đã thay HCN bằng Zn(CN); và axit HCI để phát sinh axit HCN ngay trong bình phản ứng và ZnC]; tạo thành đóng vai trò chất xúc tác cho phản ứng. Zn(CN), + HCl ——>HCN + ZnCl, Zn(CN); được diéu chế từ NaCN và ZaCh, trong dung môi rượu-nước. 2NaCN + ZnCh ==—=*#Zn(CN); + 2NaCl 1. Tác nhân phan ứng Phương pháp Gattermann có thể sử dụng các hệ thống tác nhân sau tùy theo bản chất của chất phản ứng.

HCI + HCN + AICl› HCl + Zn(CN); + AICI HCl + HCN +2nCl; HC] + NaCN (KCN) + AICI; HCI + Zn(CN); I.Nhiệt độ Hầu như trong tất cả các trường hợp phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ phòng. Dung môi Sinh niên tực kiện: Hguyén Odn Fan Frang 10 FE Phản ứng thường được tiến hành trong các dung môi như: benzen, clorofom, tetracloroetan, o-diclorobenzen, ete và clorobenzen.4, Phan ứng Reimer - Tiemann [7], [9], { 10], { 18] Sự tương tấc của phenol với clorofom và NaOH (hoặc KOH) dư sé tạo thành o- và p-hidroxiandehit thom, mang tên gọi là phản ứng Reimer - Tiemann.