Tổng hợp các dẫn xuất chalcone và 3-hydroxyflavone từ 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone và các dẫn xuất benzaldehyde

Khóa luận tốt nghiệp: Tổng hợp các dẫn xuất chalcone và 3-hydroxyflavone tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Đào Khánh Chi
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Minh Hảo
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Tổng hợp các dẫn xuất chalcone và 3-hydroxyflavone từ 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone và các dẫn xuất benzaldehyde
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về dẫn xuất chalcone tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP

Chalcone và 3-hydroxyflavone là hai nhóm hợp chất flavonoid đóng vai trò quan trọng trong hóa dược tự nhiên và tổng hợp. Bộ môn Công nghệ Hóa học tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã triển khai đề tài nghiên cứu nhằm tối ưu hóa con đường điều chế các hợp chất này. Chalcone sở hữu khung sườn 1,3-diaryl-2-propen-1-one đặc trưng. Cấu trúc liên hợp mạch hở này mang lại tính linh động hóa học cao. Các phân tử chalcone đóng vai trò là chất trung gian thiết yếu để tổng hợp nhiều dị vòng oxy sinh học. Nhóm 3-hydroxyflavone lại sở hữu cấu trúc dị vòng benzo-gamma-pyrone có nhóm hydroxyl tự do ở vị trí C-3. Cấu trúc này quyết định khả năng liên kết với các thụ thể protein sinh học. Sự tích hợp nguyên tử fluor vào khung phân tử chalcone giúp tăng cường tính bền trao đổi chất. Đồng thời, cấu trúc gắn fluor làm tăng đáng kể độ thân lipid của phân tử. Nghiên cứu tập trung giải quyết việc kiểm soát độ chọn lọc phản ứng. Đề tài mở rộng khả năng khai thác tiềm năng kháng khuẩn, chống oxy hóa và ức chế tế bào ác tính từ các dẫn xuất mới.

1.1. Đặc điểm cấu trúc và hoạt tính sinh học của chalcone

Chalcone là tiền chất tự nhiên thuộc nhóm flavonoid mạch hở. Cấu trúc phân tử gồm hai vòng thơm liên kết thông qua hệ thống ba carbon alpha, beta không no. Hệ thống liên hợp pi mở rộng tạo ra khả năng phản ứng phong phú. Phân tử dễ dàng tham gia phản ứng cộng nucleophile và phản ứng cộng đóng vòng. Nhiều nghiên cứu dược lý chứng minh dẫn xuất chalcone sở hữu hoạt tính kháng viêm mạnh mẽ. Hợp chất còn thể hiện khả năng quét gốc tự do và tiêu diệt vi khuẩn gram dương. Sự xuất hiện của dị nguyên tố như fluor trên vòng benzen làm thay đổi mật độ điện tích. Biến đổi này nâng cao ái lực gắn kết với enzyme đích. Đây là tiền đề phát triển các phân tử thuốc điều trị ung thư mới.

1.2. Giá trị nghiên cứu của 3 hydroxyflavone trong hóa dược

Hợp chất 3-hydroxyflavone là khung cấu trúc cốt lõi của dòng flavonol tự nhiên. Nhóm chức 3-OH liên kết nội phân tử với nhóm carbonyl C-4 tạo hiệu ứng chuyển dịch proton trạng thái kích thích. Hiện tượng phát huỳnh quang đặc biệt này giúp phân tử trở thành đầu dò sinh học nhạy bén. Bên cạnh đó, hợp chất thể hiện hoạt tính kháng u và ức chế enzyme tyrosinase. Trong hóa dược hiện đại, các nhà khoa học đánh giá cao khả năng chelat hóa ion kim loại chuyển tiếp của khung flavonol. Sự kết hợp giữa nhóm thế fluor và hệ thống dị vòng cải thiện độ thẩm thấu qua màng tế bào. Nghiên cứu tại trường tạo nền tảng vững chắc để xây dựng thư viện hoạt chất đa dạng.

II. Vấn đề tổng hợp dẫn xuất chalcone và 3 hydroxyflavone chứa fluor

Quá trình tổng hợp chalcone và 3-hydroxyflavone đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Tác chất 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone chứa nguyên tử fluor có độ âm điện rất lớn. Hiệu ứng rút electron mạnh làm giảm mật độ điện tích tại tâm phản ứng carbonyl. Điều này làm giảm khả năng tạo carbanion enolate trong môi trường base. Tốc độ ngưng tụ Claisen-Schmidt bị chậm lại đáng kể. Hơn nữa, sự hiện diện của nhóm hydroxyl liền kề dễ gây phản ứng phụ tạo sản phẩm flavanone ngoài ý muốn. Khi chuyển tiếp sang giai đoạn oxy hóa đóng vòng tạo 3-hydroxyflavone, thách thức kiểm soát nhiệt độ trở nên gay gắt. Phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt mạnh và dễ dẫn đến phân hủy mạch carbon. Sản phẩm phụ không mong muốn thường có độ phân cực tương đương sản phẩm chính. Việc tách phân đoạn bằng sắc ký cột hoặc kết tinh phân đoạn gặp nhiều trở ngại. Các tạp chất hữu cơ làm giảm hiệu suất thu hồi và độ tinh khiết phân tích. Yêu cầu kiểm soát chặt chẽ điều kiện phản ứng là bài toán cấp thiết đặt ra cho nhóm thực hiện tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

2.1. Trở ngại từ hiệu ứng điện tử của nhóm thế fluor

Nguyên tử fluor có độ âm điện đạt 3,98 trên thang Pauling. Khi nằm ở vị trí 5' trên vòng acetophenone, fluor hút mật độ electron rất mạnh. Hiệu ứng cảm ứng âm tính làm biến đổi tính acid của proton alpha. Khả năng bứt proton bằng xúc tác bazơ trở nên khó khăn hơn. Đồng thời, các dẫn xuất benzaldehyde mang nhóm thế đẩy hoặc hút electron khác nhau cũng làm thay đổi hoạt tính carbonyl. Dẫn xuất 4-methoxybenzaldehyde đẩy electron làm giảm khả năng bị tấn công bởi tác nhân ái nhân. Ngược lại, dẫn xuất mang nhóm fluor phản ứng nhanh hơn nhưng dễ tạo tạp chất polymer hóa. Sự chênh lệch hoạt tính đòi hỏi quá trình khảo sát nồng độ xúc tác và thời gian phản ứng rất tỉ mỉ.

2.2. Khó khăn trong việc tinh sạch và cô lập hợp chất

Hỗn hợp sau phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt chứa lượng dư tác chất và sản phẩm phụ. Độ tan của chalcone trong hỗn hợp dung môi nước và cồn thay đổi thất thường. Việc kết tinh trực tiếp sản phẩm KC02, KC03, TX01 và TX03 dễ kéo theo tiền chất chưa phản ứng. Quá trình cô lập đòi hỏi trung hòa cẩn thận bằng acid clohydric để kết tủa chalcone hoàn toàn. Nếu điều chỉnh pH quá nhanh, sản phẩm dễ bị vón cục và lẫn muối vô cơ. Trong phản ứng đóng vòng tạo 3-hydroxyflavone, sản phẩm thường bị lẫn chalcone dư. Sự tương đồng về cấu trúc khiến việc kết tinh lại gặp nhiều trở ngại. Kiểm tra độ tinh sạch đòi hỏi kết hợp sắc ký lớp mỏng và kỹ thuật đo nhiệt độ nóng chảy chuẩn xác.

III. Phương pháp tổng hợp chalcone tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP

Quy trình thực nghiệm được xây dựng chuẩn hóa tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Phương pháp dựa trên phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong điều kiện kiềm hóa nhẹ nhàng. Tác chất 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone phản ứng với các dẫn xuất benzaldehyde tỷ lệ mol 1:1 trong dung môi ethanol. Dung dịch KOH được bổ sung từ từ nhằm kích hoạt phản ứng tạo enolate. Hỗn hợp phản ứng được khuấy từ liên tục ở nhiệt độ phòng trong thời gian từ 4 đến 6 giờ. Tiến trình tạo sản phẩm được theo dõi chặt chẽ bằng sắc ký lớp mỏng TLC. Sau khi phản ứng hoàn tất, hệ dung dịch được acid hóa bằng HCl để giải phóng kết tủa chalcone thô. Kế tiếp, phản ứng oxy hóa đóng vòng theo phương pháp Algar-Flynn-Oyamada được áp dụng để chuyển hóa chalcone thành 3-hydroxyflavone tương ứng. Quá trình sử dụng hydro peroxide trong môi trường kiềm loãng ở điều kiện làm lạnh. Tinh thể sản phẩm được rửa sạch và tái kết tinh bằng dung môi thích hợp. Quy trình đảm bảo độ an toàn cao, tiết kiệm năng lượng và đạt hiệu suất tổng hợp vượt trội.

3.1. Quy trình ngưng tụ Claisen Schmidt tổng hợp 2 hydroxychalcone

Phương pháp ngưng tụ Claisen-Schmidt sử dụng 3,7 mmol 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone và 3,7 mmol dẫn xuất benzaldehyde. Tác chất được nạp vào bình cầu 50 mL chứa 6,0 mL ethanol tuyệt đối. Hỗn hợp được bổ sung 3,1 mL dung dịch KOH đậm đặc. Màu sắc dung dịch chuyển từ không màu sang vàng sẫm ngay khi thêm kiềm. Quá trình khuấy từ duy trì ở nhiệt độ phòng trong 4 đến 6 giờ mà không cần gia nhiệt. Tiến trình phản ứng được kiểm tra bằng bản mỏng TLC pha đảo và pha thuận. Sau khi tác chất phản ứng hoàn toàn, hỗn hợp được trung hòa bằng dung dịch HCl 10% đến môi trường acid yếu. Kết tủa màu vàng nhạt xuất hiện được lọc qua phễu Buchner và sấy khô chân không.

3.2. Đánh giá độ tinh sạch và cấu trúc bằng TLC đo nhiệt độ nóng chảy

Kiểm tra độ tinh sạch của các dẫn xuất được thực hiện nghiêm ngặt bằng kỹ thuật TLC và đo nhiệt độ nóng chảy. Sắc ký lớp mỏng sử dụng 03 hệ dung môi có độ phân cực tăng dần. Giá trị Rf của sản phẩm duy trì ổn định trong khoảng 0,3 đến 0,6. Bản mỏng được soi dưới đèn tử ngoại ở bước sóng 254 nm và 365 nm để xác nhận tính đơn vết. Độ tinh khiết tiếp tục được đánh giá thông qua nhiệt độ nóng chảy trên ống Thiele chứa glycerol tải nhiệt. Mẫu bột khô được nén chặt vào ống vi quản với chiều cao từ 1 đến 1,5 mm. Khoảng nóng chảy hẹp chứng tỏ hợp chất có độ tinh khiết cao. Cấu trúc hóa học sau đó được chứng minh tường minh bằng phổ 1H-NMR, 13C-NMR và phổ khối lượng MS.

IV. Kết luận và ứng dụng dẫn xuất chalcone cùng 3 hydroxyflavone

Nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thiện chuỗi quy trình tổng hợp các dẫn xuất chalcone và 3-hydroxyflavone mới. Đề tài điều chế thành công 4 dẫn xuất chalcone ký hiệu KC02, KC03, TX01, TX03 và 4 dẫn xuất 3-hydroxyflavone gồm KC01, KC04, TX02, TX04. Quy trình tổng hợp chứng minh tính hiệu quả cao, vận hành dễ dàng và thân thiện với môi trường thí nghiệm. Việc gắn nguyên tử fluor vào khung phân tử mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong ngành dược phẩm hiện đại. Các hợp chất thu được là tiền chất giá trị để sàng lọc hoạt tính kháng vi sinh vật gây bệnh và ức chế tế bào ung thư. Bên cạnh đó, đặc tính quang học của dẫn xuất 3-hydroxyflavone tạo tiền đề phát triển các chất đánh dấu huỳnh quang trong phân tích y sinh. Kết quả nghiên cứu khẳng định năng lực thực nghiệm chuyên sâu của sinh viên và giảng viên ngành Hóa học. Hướng phát triển tiếp theo mở ra cơ hội thử nghiệm sinh học in vitro và in vivo toàn diện.

4.1. Tiềm năng ứng dụng sinh học và phát triển thuốc mới

Các dẫn xuất chalcone và 3-hydroxyflavone fluor hóa mở ra triển vọng lớn trong nghiên cứu dược chất. Nguyên tử fluor đóng vai trò tăng tính bền sinh học và cản trở sự chuyển hóa oxy hóa của enzyme cytochrome P450. Nhờ đó, hoạt chất duy trì nồng độ ổn định trong huyết tương lâu hơn. Khung chalcone thể hiện hoạt tính kháng khuẩn vượt trội đối với các chủng kháng thuốc. Khung 3-hydroxyflavone có khả năng ức chế gốc tự do và làm chậm tiến trình lão hóa tế bào. Thử nghiệm hoạt tính có thể nhắm vào các dòng tế bào ung thư phổi, vú và đại trực tràng. Thư viện hợp chất này cung cấp cấu trúc cơ sở giá trị cho các nghiên cứu mô phỏng docking phân tử tiếp theo.

4.2. Hướng mở rộng nghiên cứu tổng hợp hữu cơ tại nhà trường

Thành công của đề tài khẳng định tính khả thi của quy trình tổng hợp trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Hướng nghiên cứu tương lai cần mở rộng khảo sát các xúc tác dị thể thân thiện môi trường hơn. Việc ứng dụng vi sóng hoặc siêu âm có thể rút ngắn thời gian phản ứng từ vài giờ xuống vài phút. Bên cạnh đó, việc biến tính gắn thêm các nhóm thế mang dị vòng pyridin hoặc indole sẽ giúp phong phú hóa cấu trúc. Nhóm nghiên cứu cần đẩy mạnh hợp tác với các viện sinh học để thử nghiệm hoạt tính kháng ung thư chi tiết. Các kết quả thực nghiệm đóng góp thiết thực vào chương trình đào tạo kỹ thuật hóa học của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực hóa học hữu cơ và y dược học, việc nghiên cứu các hợp chất tự nhiên và dẫn xuất tổng hợp của chúng giữ vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm các tiền chất dược phẩm mới. Nhóm hợp chất flavonoid, tiêu biểu là chalcone và 3-hydroxyflavone (flavonol), thu hút sự quan tâm lớn của giới nghiên cứu nhờ sở hữu nhiều hoạt tính sinh học giá trị như khả năng chống oxy hóa, kháng viêm, ức chế enzyme và tiềm năng kháng ung thư. Tuy nhiên, việc phân lập các hợp chất này trực tiếp từ nguồn thực vật trong tự nhiên gặp nhiều hạn chế: hàm lượng hoạt chất thấp, độ tinh khiết không cao, hiệu suất phân lập hạn chế và phụ thuộc nhiều vào điều kiện sinh thái, mùa vụ. Trong bối cảnh đó, phương pháp tổng hợp hóa học là hướng tiếp cận chủ động, linh hoạt, cho phép tạo ra các phân tử có cấu trúc xác định, nâng cao hiệu suất và phục vụ công tác khảo sát mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học và hoạt tính sinh học (SAR - Structure–Activity Relationship).

Khóa luận tốt nghiệp tập trung thực hiện đề tài "Tổng hợp các dẫn xuất chalcone và 3-hydroxyflavone từ 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone và các dẫn xuất benzaldehyde", sử dụng nguyên liệu khởi đầu là 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone nhằm khảo sát ảnh hưởng của nguyên tử flo (nhóm thế fluoro) đến hiệu suất phản ứng và cấu trúc hóa học của các sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo 3 nhiệm vụ:

1. Tổng hợp các dẫn xuất chalcone từ 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone và các dẫn xuất benzaldehyde thông qua phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt.
2. Tổng hợp các dẫn xuất 2'-hydroxychalcone, thực hiện đóng vòng thành các dẫn xuất 3-hydroxyflavone bằng phản ứng oxy hóa Algar-Flynn-Oyamada (AFO).
3. Xác định cấu trúc, đánh giá hiệu suất và độ tinh khiết của các hợp chất tổng hợp được.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các dẫn xuất 2'-hydroxychalcone và các dẫn xuất 3-hydroxyflavone tương ứng, được điều chế từ phản ứng giữa 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone với 4 dẫn xuất benzaldehyde mang nhóm thế methoxy (-OCH3) và fluoro (-F) tại vị trí ortho hoặc para.

Phạm vi nghiên cứu:

• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Khóa luận hoàn thành vào tháng 07 - 08 năm 2025.
• Phạm vi phương pháp: Tập trung vào phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt có xúc tác dung dịch base KOH ở nhiệt độ phòng để tổng hợp chalcone; phản ứng oxy hóa đóng vòng AFO bằng dung dịch H2O2 30% trong môi trường kiềm NaOH 20% ở nhiệt độ phòng để chuyển hóa thành 3-hydroxyflavone. Các kỹ thuật phân tách và kiểm tra sản phẩm bao gồm chiết lỏng - lỏng, sắc ký lớp mỏng (TLC), sắc ký cột pha chuẩn (silica gel), đo nhiệt độ nóng chảy bằng ống Thiele, phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR, 13C-NMR), phổ tương quan lượng tử đơn hạt nhân (HSQC) và phổ khối lượng (MS).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt cơ sở lý thuyết, nghiên cứu dựa trên các khái niệm và phản ứng hữu cơ kinh điển:

• Hợp chất chalcone (1,3-diphenyl-2-propen-1-one, C15H12O): Là một ketone thơm gồm hai vòng benzen (vòng A và vòng B) liên kết qua hệ thống cầu nối ba carbon bất bão hòa $\alpha,\beta$-carbonyl. Về mặt hóa lập thể, chalcone tồn tại ở hai dạng đồng phân trans (E) và cis (Z), trong đó đồng phân (E) chiếm ưu thế và bền hơn do ít chịu lực cản trở không gian.
• Dẫn xuất 3-hydroxyflavone (flavonol): Là một phân nhóm flavonoid mang khung sườn cơ bản C6–C3–C6, gồm hai vòng benzen A và B liên kết thông qua dị vòng pyrone chứa oxy (vòng C). Cấu trúc này đặc trưng bởi sự hiện diện đồng thời của ba nhóm chức: nhóm carbonyl (>C=O) tại vị trí C4, liên kết đôi (>C=C<) giữa C2 và C3, và nhóm hydroxyl (-OH) tại vị trí C3.
• Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt: Là phản ứng giữa aldehyde thơm và ketone thơm trong môi trường xúc tác base hoặc acid. Trong nghiên cứu này, phản ứng được chọn thực hiện trong môi trường xúc tác base (KOH 20% w/v, dung môi EtOH). Cơ chế diễn ra qua việc base tách proton $\alpha$ của acetophenone tạo anion enolate có tính nucleophile cao; anion này tấn công vào carbon carbonyl của benzaldehyde tạo hợp chất trung gian $\beta$-hydroxyketone; sau đó xảy ra quá trình dehydrat hóa tạo liên kết đôi liên hợp $\alpha,\beta$. Tác giả phân tích rõ ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng benzaldehyde: nhóm hút điện tử làm tăng mật độ điện tích dương trên nhóm carbonyl của benzaldehyde, làm tăng tính electrophile giúp phản ứng diễn ra nhanh và thuận lợi; ngược lại, nhóm đẩy điện tử làm giảm tính electrophile của carbonyl, khiến phản ứng cần nhiều thời gian hơn.
• Phản ứng Algar-Flynn-Oyamada (AFO): Là phương pháp oxy hóa đóng vòng 2'-hydroxychalcone bằng hydrogen peroxide (H2O2) trong môi trường kiềm (NaOH). Cơ chế bao gồm sự khử proton nhóm 2'-OH tạo phenolate, tấn công nucleophile vào vị trí carbon $\beta$ của hệ liên hợp để tạo dị vòng, tiếp theo là quá trình oxy hóa trung gian dihydroflavonol để tạo thành vòng 3-hydroxyflavone. Bên cạnh phản ứng AFO, tác giả cũng khảo sát lý thuyết các phương pháp tổng hợp flavonol khác như phản ứng Auwers, phản ứng Baker-Venkataraman và phản ứng oxy hóa flavone bằng 3,3-dimethyldioxirane (DMDO) để làm rõ ưu nhược điểm của từng lộ trình.

Về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

• Hóa chất chính sử dụng gồm: 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone (độ tinh khiết $\ge$ 97,0%), 4-methoxybenzaldehyde ($\ge$ 99,0%), 2-methoxybenzaldehyde ($\ge$ 99,0%), 4-fluorobenzaldehyde ($\ge$ 98,0%), 2-fluorobenzaldehyde ($\ge$ 97,0%). Các dung môi và chất trợ phân tích gồm ethanol 96%, n-hexane, ethyl acetate, dichloromethane (DCM), acetone, acetic acid, HCl 35%, KOH, NaOH, H2O2 30%, Na2SO4 khan, silica gel 60 (0,063 mm) và bản mỏng TLC tráng sẵn silica gel 60 F254.
• Phương pháp phân tách và làm sạch: Chiết lỏng - lỏng bằng phễu chiết với dung môi DCM (3 lần, mỗi lần 15 mL), làm khan dịch chiết bằng muối Na2SO4, thu hồi dung môi bằng máy cô quay chân không ở 40 °C. Tinh sạch sản phẩm thô bằng sắc ký cột cổ điển nhồi silica gel 60 với tỷ lệ khối lượng silica gel so với mẫu là 30:1, tỷ lệ hình học giữa chiều cao lớp hấp phụ và đường kính cột là 8:1; pha động giải ly là hệ dung môi n-hexane : ethyl acetate (Hex:EtOAc).
• Phương pháp kiểm tra và xác định cấu trúc: Sắc ký lớp mỏng (TLC) soi dưới đèn tử ngoại ở bước sóng 254 nm và 365 nm để theo dõi phản ứng và kiểm tra độ tinh sạch qua giá trị hệ số lưu giữ ($R_f = a/b$); đo nhiệt độ nóng chảy bằng ống Thiele với chất lỏng tải nhiệt là glycerol; phân tích cấu trúc hóa học bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ tương quan lượng tử đơn hạt nhân (HSQC) và phổ khối lượng (MS).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa các tài liệu khoa học liên quan đến đề tài. Tác giả trình bày cấu trúc, tính chất lý hóa, phân loại của nhóm chalcone và 3-hydroxyflavone cũng như hoạt tính sinh học đã được ghi nhận trong y dược. Chương 1 tập trung phân tích sâu cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong cả hai môi trường xúc tác acid (Brønsted HCl, qua dạng enol, hiệu suất thường thấp từ 10 - 40%) và xúc tác base (NaOH, KOH, qua dạng anion enolate). Tác giả so sánh chi tiết bốn phương pháp tổng hợp 3-hydroxyflavone:

1. Phương pháp Algar-Flynn-Oyamada (AFO): Đóng vòng trực tiếp từ 2'-hydroxychalcone bằng H2O2/NaOH, quy trình đơn giản, thời gian ngắn, điều kiện êm dịu ở nhiệt độ phòng.
2. Phương pháp Auwers: Đi từ benzofuranone qua bromo hóa và chuyển vị alkoxide, hiệu suất thấp và phạm vi chất nền hẹp.
3. Phương pháp Baker-Venkataraman: Gồm 3 giai đoạn (este hóa o-hydroxyacetophenone, chuyển vị bazơ tạo $\beta$-diketone, đóng vòng xúc tác acid tạo flavone, sau đó biến đổi tại vị trí C3 để thu flavonol), quy trình kéo dài và tổng hiệu suất không cao.
4. Phương pháp oxy hóa bằng DMDO: Cho hiệu suất và độ chọn lọc cao, đáp ứng tiêu chí hóa học xanh nhưng tác chất DMDO khó tổng hợp, kém bền và giá thành cao. Từ các so sánh trên, tác giả luận giải việc lựa chọn quy trình Claisen-Schmidt kết hợp phản ứng AFO là phương án tối ưu về mặt kinh tế và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục trang thiết bị, nguồn gốc hóa chất và các thông số thực nghiệm cho từng phản ứng tổng hợp:

• Tổng hợp 4 dẫn xuất 2'-hydroxychalconoid (KC02, KC03, TX01, TX03): Phản ứng được thực hiện ở quy mô 3,7 mmol 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone (570,3 mg) với 3,7 mmol từng dẫn xuất benzaldehyde (4-methoxybenzaldehyde 503,8 mg; 2-methoxybenzaldehyde 503,8 mg; 4-fluorobenzaldehyde 459,2 mg / 0,4 mL; 2-fluorobenzaldehyde 459,2 mg / 0,4 mL) trong 6,0 mL dung môi ethanol và 3,1 mL dung dịch xúc tác KOH 20% w/v. Hỗn hợp được khuấy từ không gia nhiệt ở nhiệt độ phòng từ 4 đến 6 giờ. Tiến trình phản ứng được theo dõi liên tục bằng TLC. Sau phản ứng, hỗn hợp được acid hóa bằng HCl 6N đến pH 2 - 3, chiết tách bằng DCM (3 $\times$ 15 mL), làm khan bằng Na2SO4, cô quay chân không và tinh sạch bằng sắc ký cột.
• Tổng hợp 4 dẫn xuất 3-hydroxyflavone (KC01, KC04, TX02, TX04): Phản ứng oxy hóa đóng vòng AFO được thực hiện ở quy mô 50,0 mg tiền chất chalcone rắn (khoảng 0,2 mmol) trong hỗn hợp dung môi gồm ethanol (551 - 577 $\mu$L), dung dịch kiềm NaOH 20% w/v (551 - 577 $\mu$L) và chất oxy hóa H2O2 30% v/v (110 - 115 $\mu$L). Hỗn hợp được khuấy từ không gia nhiệt ở nhiệt độ phòng trong thời gian từ 2,5 đến 4 giờ. Sau khi TLC xác nhận phản ứng hoàn toàn, hỗn hợp được dập tắt và điều chỉnh về pH 2 - 3 bằng dung dịch acid acetic (CH3COOH), sau đó chiết lỏng - lỏng bằng DCM (3 $\times$ 15 mL) và tinh sạch qua sắc ký cột silica gel.
• Quy chuẩn kỹ thuật tinh sạch và phân tích: Mô tả chi tiết kỹ thuật sắc ký cột (tỷ lệ silica gel : mẫu là 30:1, tỷ lệ chiều cao : đường kính cột là 8:1, nạp mẫu dạng bột khô, kiểm soát tốc độ dòng và dải $R_f$ tối ưu từ 0,3 đến 0,6), kỹ thuật đo nhiệt độ nóng chảy bằng ống Thiele dùng glycerol tải nhiệt, và phương pháp xác định cấu trúc bằng phổ NMR và phổ MS.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm, hình ảnh sắc ký lớp mỏng, phổ cộng hưởng từ hạt nhân và kết quả biện giải cấu trúc của 8 hợp chất:

• Biện giải cấu trúc các dẫn xuất 2'-hydroxychalcone: Xác nhận sự hình thành cầu nối liên hợp prop-2-en-1-one thông qua cặp tín hiệu proton olefin trên phổ 1H-NMR với hằng số ghép spin-spin ($J$) đặc trưng cho cấu hình trans (E). Sự hiện diện của các mũi phổ tương ứng với nhóm thế flo trên vòng A (tại C5') và các nhóm thế -OCH3 hoặc -F trên vòng B (tại vị trí C2 hoặc C4) được phối hợp chứng minh qua phổ 13C-NMR và phổ tương quan 2D-HSQC.
• Biện giải cấu trúc các dẫn xuất 3-hydroxyflavone: Phổ nghiệm ghi nhận sự biến mất của hệ thống liên kết đôi olefin tự do của mạch chalcone hở, thay vào đó là sự xuất hiện tín hiệu khung chromen-4-one với nhóm carbonyl tại C4, liên kết đôi C2=C3 và nhóm hydroxyl tại C3. Phổ HSQC giúp gán chính xác vị trí tương quan giữa các nguyên tử carbon và proton trực tiếp liên kết.
• Bàn luận về động học và hiệu ứng nhóm thế: Phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng điện tử và hiệu ứng lập thể đến thời gian phản ứng. Đối với phản ứng Claisen-Schmidt, hợp chất KC02 mang nhóm thế 4-methoxy (-OCH3 là nhóm đẩy điện tử mạnh) trên vòng benzaldehyde đòi hỏi thời gian khuấy từ lên tới 6 giờ, dài hơn so với các phản ứng tạo KC03, TX01 và TX03 (chỉ cần 4 giờ). Đối với phản ứng oxy hóa đóng vòng AFO, hợp chất KC01 hoàn thành đóng vòng sau 2,5 giờ khuấy từ, trong khi các hợp chất còn lại (KC04, TX02, TX04) cần 4 giờ phản ứng. Toàn bộ hiệu suất của hai dãy hợp chất được tổng hợp và đối sánh trong Bảng 3.9 và Bảng 3.10 của văn bản.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu: Khóa luận đã thiết lập thành công quy trình tổng hợp, tinh chế và làm sáng tỏ cấu trúc hóa học của 4 dẫn xuất chalconoid và 4 dẫn xuất 3-hydroxyflavone mang nhóm thế flo từ nguồn nguyên liệu khởi đầu 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone. Tác giả kiến nghị các hướng phát triển tiếp theo bao gồm: mở rộng thư viện cấu trúc với các nhóm thế khác trên vòng benzen, tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để nâng cao hiệu suất, và tiến hành khảo sát sàng lọc các hoạt tính sinh học in vitro (kháng oxy hóa, kháng khuẩn, ức chế enzyme) đối với các hợp chất tinh sạch đã tổng hợp được.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công 8 hợp chất hữu cơ dị vòng và tiền chất mạch hở, bao gồm 4 dẫn xuất 2'-hydroxychalconoid và 4 dẫn xuất 3-hydroxyflavone. Toàn bộ các chất đều được tinh sạch qua chiết lỏng - lỏng và sắc ký cột silica gel, được kiểm tra độ tinh sạch bằng sắc ký lớp mỏng (TLC) dưới đèn tử ngoại (254 nm và 365 nm), đo nhiệt độ nóng chảy và xác định cấu trúc thông qua dữ liệu phổ NMR, HSQC và MS.

Bảng tổng hợp điều kiện thực nghiệm và đặc tính kỹ thuật của các hợp chất trong khóa luận:

Mã hợp chất	Tên danh pháp IUPAC	Nguyên liệu / Tác chất ban đầu	Loại khung cấu trúc	Thời gian phản ứng	Tỷ lệ hệ dung môi giải ly TLC (Hex:EtOAc)
KC02	(E)-1-(5-fluoro-2-hydroxyphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)prop-2-en-1-one	5'-Fluoro-2'-hydroxyacetophenone + 4-Methoxybenzaldehyde	2'-Hydroxychalcone	6 giờ	9:1
KC03	(E)-1-(5-fluoro-2-hydroxyphenyl)-3-(2-methoxyphenyl)prop-2-en-1-one	5'-Fluoro-2'-hydroxyacetophenone + 2-Methoxybenzaldehyde	2'-Hydroxychalcone	4 giờ	9:1
TX01	(E)-1-(5-fluoro-2-hydroxyphenyl)-3-(4-fluorophenyl)prop-2-en-1-one	5'-Fluoro-2'-hydroxyacetophenone + 4-Fluorobenzaldehyde	2'-Hydroxychalcone	4 giờ	98:2
TX03	(E)-1-(5-fluoro-2-hydroxyphenyl)-3-(2-fluorophenyl)prop-2-en-1-one	5'-Fluoro-2'-hydroxyacetophenone + 2-Fluorobenzaldehyde	2'-Hydroxychalcone	4 giờ	98:2
KC01	6-fluoro-2-(4-methoxyphenyl)-3-hydroxy-4H-chromen-4-one	KC02 + H2O2 30% / NaOH 20%	3-Hydroxyflavone	2,5 giờ	9:1
KC04	6-fluoro-2-(2-methoxyphenyl)-3-hydroxy-4H-chromen-4-one	KC03 + H2O2 30% / NaOH 20%	3-Hydroxyflavone	4 giờ	9:1
TX02	6-fluoro-2-(4-fluorophenyl)-3-hydroxy-4H-chromen-4-one	TX01 + H2O2 30% / NaOH 20%	3-Hydroxyflavone	4 giờ	95:5
TX04	6-fluoro-2-(2-fluorophenyl)-3-hydroxy-4H-chromen-4-one	TX03 + H2O2 30% / NaOH 20%	3-Hydroxyflavone	4 giờ	95:5

Đóng góp khoa học và thực tiễn do tác giả tự nêu trong công trình:

1. Về mặt khoa học: Nghiên cứu đã góp phần mở rộng thư viện cấu trúc của các dẫn xuất chalcone và flavonol có chứa nguyên tử flo (nhóm 5'-fluoro trên vòng acetophenone ban đầu chuyển hóa thành nhóm 6-fluoro trên khung dị vòng 3-hydroxyflavone). Cung cấp hệ thống dữ liệu phổ nghiệm chi tiết (1H-NMR, 13C-NMR, HSQC và MS) làm cơ sở tham khảo cho việc nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học (SAR) của các hợp chất flavonoid chứa halogen.
2. Về mặt thực tiễn: Khóa luận xây dựng được quy trình thực nghiệm rõ ràng, khả thi, tiến hành ở điều kiện êm dịu (khuấy từ không gia nhiệt ở nhiệt độ phòng), sử dụng các tác chất và dung môi thông dụng (EtOH, DCM, KOH, NaOH, H2O2), không đòi hỏi xúc tác kim loại chuyển tiếp đắt tiền hay hệ thống thiết bị phức tạp, phù hợp để áp dụng điều chế các dẫn xuất dị vòng tương tự trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu được ghi nhận dựa trên nội dung và phạm vi trình bày trong văn bản:

• Quy mô phản ứng thực nghiệm mới dừng lại ở mức độ tổng hợp quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm (3,7 mmol đối với phản ứng tổng hợp chalconoid và 50,0 mg đối với phản ứng đóng vòng flavonol), chưa tiến hành khảo sát mở rộng ở quy mô lớn hơn.
• Thư viện nhóm thế trên vòng benzaldehyde mới giới hạn ở hai loại nhóm chức là methoxy (-OCH3) và fluoro (-F) tại hai vị trí ortho và para; chưa khảo sát đa dạng các nhóm thế khác (như nitro, chloro, bromo, amino, hydroxyl đa nhóm thế).
• Khóa luận tập trung hoàn toàn vào quy trình tổng hợp hóa học, tinh sạch và chứng minh cấu trúc; văn bản chưa bao gồm các dữ liệu thử nghiệm thực tế về hoạt tính sinh học (khả năng chống oxy hóa, kháng khuẩn, ức chế enzyme hoặc kháng ung thư) của các hợp chất đã điều chế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo do tác giả đề xuất:

• Tiếp tục mở rộng tổng hợp các dẫn xuất chalcone và 3-hydroxyflavone với các dẫn xuất benzaldehyde mang các nhóm thế hút/đẩy điện tử khác nhau nhằm làm phong phú thêm thư viện hợp chất.
• Khảo sát tối ưu hóa các thông số phản ứng (nồng độ xúc tác, tỷ lệ chất oxy hóa H2O2, nhiệt độ, dung môi) để nâng cao hơn nữa hiệu suất thu hồi sản phẩm tinh sạch.
• Triển khai các thử nghiệm đánh giá hoạt tính sinh học in vitro đối với 8 hợp chất đã tổng hợp được nhằm kiểm chứng tiềm năng ứng dụng làm chất khởi đầu trong nghiên cứu dược phẩm.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa dược và Dược học đang thực hiện các đề tài liên quan đến tổng hợp hợp chất dị vòng, tổng hợp các dẫn xuất flavonoid hoặc biến tính cấu trúc phân tử có chứa nguyên tử flo.
• Người làm việc trong các phòng thí nghiệm hóa tổng hợp cần tham khảo quy trình thực nghiệm chi tiết: các bảng thành phần tác chất quy đổi chính xác theo số mol, khối lượng (mg) và thể tích ($\mu$L), quy trình chiết lỏng - lỏng với DCM, và quy trình xử lý sau phản ứng.
• Các phần có giá trị tham khảo cao trong văn bản bao gồm:
  • Mục 2.3 và 2.4 (Chương 2): Cung cấp các thông số kỹ thuật chuẩn hóa cho phương pháp sắc ký cột (tỷ lệ silica gel : mẫu là 30:1, tỷ lệ hình học cột 8:1) và phương pháp kiểm tra độ tinh sạch bằng sắc ký lớp mỏng (cách xác định hệ số lưu giữ $R_f$, hệ dung môi Hex:EtOAc cho từng nhóm chất).
  • Chương 3: Cung cấp phương pháp luận biện giải phổ NMR kết hợp kỹ thuật phổ 2D-HSQC để xác định vị trí liên kết và tương quan spin của các hạt nhân trong khung phân tử dị vòng mang nhóm thế halogen.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác chất ketone ban đầu được lựa chọn sử dụng trong toàn bộ khóa luận là gì và giữ vai trò gì trong cấu trúc sản phẩm cuối?
Tác chất ketone ban đầu được sử dụng là 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone (độ tinh khiết $\ge$ 97,0%). Hợp chất này cung cấp vòng A có chứa nhóm thế flo tại vị trí C5' và nhóm hydroxyl tự do tại vị trí C2'. Khi ngưng tụ tạo thành 2'-hydroxychalconoid, nhóm 2'-OH đóng vai trò là tâm phản ứng tham gia vào quá trình tấn công nucleophile đóng vòng pyrone theo cơ chế AFO, đưa nguyên tử flo vào vị trí C6 trên khung 3-hydroxyflavone của sản phẩm đích.

2. Điều kiện nhiệt độ và môi trường xúc tác của phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong khóa luận được thiết lập như thế nào?
Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong khóa luận được tiến hành trong điều kiện êm dịu: khuấy từ không gia nhiệt ở nhiệt độ phòng (Room Temperature) trong thời gian từ 4 đến 6 giờ. Môi trường phản ứng sử dụng dung môi ethanol (6,0 mL) với sự hiện diện của xúc tác base là dung dịch potassium hydroxide (KOH 20% w/v, thể tích 3,1 mL).

3. Tại sao phản ứng tổng hợp dẫn xuất KC02 lại đòi hỏi thời gian khuấy từ (6 giờ) dài hơn so với các dẫn xuất chalcone khác (4 giờ)?
Dẫn xuất KC02 được tổng hợp từ 4-methoxybenzaldehyde mang nhóm methoxy (-OCH3) ở vị trí para. Do -OCH3 là nhóm đẩy điện tử qua hiệu ứng cộng hưởng, nó làm giảm mật độ điện tích dương trên carbon carbonyl của benzaldehyde, làm giảm tính electrophile của trung tâm này đối với sự tấn công của anion enolate từ acetophenone, dẫn đến tốc độ phản ứng chậm hơn và cần thời gian khuấy từ kéo dài hơn (6 giờ so với 4 giờ của các dẫn xuất mang nhóm thế fluoro hoặc nhóm 2-methoxy).

4. Quy trình oxy hóa đóng vòng AFO từ chalcone thành 3-hydroxyflavone sử dụng hệ tác chất và tỷ lệ thể tích như thế nào?
Phản ứng AFO được thực hiện trên lượng mẫu 50,0 mg dẫn xuất 2'-hydroxychalconoid rắn. Tác chất và dung môi gồm có: dung môi ethanol (551 $\mu$L cho mẫu KC, 577 $\mu$L cho mẫu TX), dung dịch kiềm NaOH 20% w/v (551 $\mu$L cho mẫu KC, 577 $\mu$L cho mẫu TX) và tác nhân oxy hóa là dung dịch H2O2 30% v/v (110 $\mu$L cho mẫu KC, 115 $\mu$L cho mẫu TX). Hỗn hợp được khuấy từ ở nhiệt độ phòng trong 2,5 đến 4 giờ trước khi acid hóa về pH 2 - 3 bằng CH3COOH.

5. Kỹ thuật sắc ký cột và kiểm tra độ tinh sạch của sản phẩm trong khóa luận tuân thủ các tiêu chuẩn thực nghiệm nào?
Kỹ thuật sắc ký cột sử dụng chất hấp phụ pha tĩnh là silica gel 60 với tỷ lệ khối lượng silica gel so với mẫu là 30:1, tỷ lệ chiều cao lớp silica gel so với đường kính cột là 8:1. Pha động giải ly là hệ n-hexane : ethyl acetate với tỷ lệ được chọn sao cho vết sản phẩm trên bản mỏng TLC có giá trị $R_f$ nằm trong khoảng tối ưu từ 0,3 đến 0,6. Sản phẩm sau tinh sạch được kiểm tra độ tinh khiết bằng TLC soi dưới hai bước sóng tử ngoại 254 nm và 365 nm, đồng thời kiểm tra khoảng nhiệt độ nóng chảy bằng ống Thiele chứa glycerol tải nhiệt.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu và thực hiện thành công quy trình tổng hợp hai giai đoạn gồm phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt và phản ứng oxy hóa đóng vòng Algar-Flynn-Oyamada (AFO) từ nguyên liệu 5'-fluoro-2'-hydroxyacetophenone. Tám hợp chất đích gồm 4 dẫn xuất 2'-hydroxychalconoid (KC02, KC03, TX01, TX03) và 4 dẫn xuất 3-hydroxyflavone tương ứng (KC01, KC04, TX02, TX04) đã được cô lập, tinh chế bằng chiết lỏng - lỏng và sắc ký cột silica gel. Cấu trúc hóa học và độ tinh khiết của toàn bộ các sản phẩm đã được xác định và chứng minh đầy đủ thông qua hệ thống phổ nghiệm 1H-NMR, 13C-NMR, phổ 2D-HSQC và phổ khối lượng MS. Công trình cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết ở điều kiện nhiệt độ phòng cùng hệ thống dữ liệu phổ nghiệm tin cậy, đóng góp vào thư viện các hợp chất dị vòng flavonoid chứa flo phục vụ định hướng nghiên cứu hóa dược.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về chalcone Chalcone (C15H12O) là một ketone thơm gồm 02 vòng thơm (vòng A và vòng B) liên kết với nhau thông qua hệ thống cầu nối của 03 carbon gồm 𝛼, 𝛽 và carbonyl bất bão hòa (Hình 1. Tên gọi theo IUPAC của chalcone là 1,3-diphenyl-2-propen-1-one. Nhìn chung, các chalcone tự nhiên thường có các nhóm thế như hydroxyl, methoxyl hóa và prenyl hóa, nhưng chúng cũng tồn tại dưới dạng dihydrochalcones, dimers (bichalcones) và glycosides. Về mặt lập thể, chalcone có thể tồn tại cả đồng phân trans (E) và cis (Z), nhưng đồng phân Z không ổn định nhất do các hiệu ứng lập thể [1].

Hợp chất chalcone có ý nghĩa lớn trong lĩnh vực dược học và y tế như chống ung thư, chống oxy hóa, chống tiểu đường, chống viêm, kháng khuẩn, kháng vi-rút [2, 3]. Bên cạnh đó, chalcone còn là tiền chất sinh học của flavonoids và isoflavonoids [4] hoặc là chất trung gian trong tổng hợp những hợp chất dị vòng mang lại nhiều giá trị trong lĩnh vực y dược và công nghiệp [5] có nhiều trong rễ, lá, thân của thực vật [1].1 Công thức cấu tạo của chalcone 1.2 Khái quát về dẫn xuất 3-hydroxyflavone Dẫn xuất flavonoid là một nhóm sản phẩm tự nhiên quan trọng [6], thuộc nhóm chất chuyển hóa thứ cấp của thực vật, được tìm thấy rộng rãi trong trái cây, rau và một số loại đồ uống. Chúng có nhiều tác dụng sinh hóa và chống oxy hóa có lợi khác nhau liên quan đến nhiều bệnh như ung thư, xơ vữa động mạch, bệnh Alzheimer… Flavonoid có liên quan đến nhiều tác dụng tăng cường sức khỏe và là thành phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng thực phẩm chức năng, dược phẩm, y học và mỹ phẩm. 1 Flavonoid được phân loại thành các phân nhóm khác nhau tùy thuộc vào carbon của vòng C mà vòng B gắn vào và mức độ không bão hòa và oxy hóa của vòng C (Hình 1.

Flavonoid mà vòng B được liên kết ở vị trí 03 của vòng C được gọi là isoflavone. Đối với những flavonoid mà vòng B được liên kết ở vị trí 02 có thể được chia thành một số phân nhóm dựa trên các đặc điểm cấu trúc của vòng C. Các phân nhóm này là: flavone, flavonol (3-hydroxyflavone), flavanone và isoflavone [6]. Trong đề tài khóa luận này, hướng tới tổng hợp thành công các dẫn xuất 3-hydroxyflavone.2 Các cấu trúc của dẫn xuất flavonoid 3-Hydroxyflavone hay còn gọi là flavonol, là một phân nhánh quan trọng thuộc họ flavonoid, thường được tìm thấy trong các loại rau củ và trái cây [6, 7].

Có cấu trúc khung cơ bản C6 – C3 – C6, gồm hai vòng benzene (A và B) nối với nhau qua dị vòng pyrone chứa oxygen (vòng C) (Hình 1. Đặc điểm nổi bật của 3-hydroxyflavone là sự hiện diện đồng thời ba nhóm chức: (1) nhóm carbonyl (>C=O) tại C4, (2) liên kết đôi (>C=C<) giữa C2 và C3, và (3) nhóm hydroxyl (–OH) tại C3 [8, 9]. Chính nhóm hydroxyl ở vị trí này quyết định nhiều hoạt tính sinh học của flavonol, bao gồm khả năng chống oxy hóa [8], kháng viêm và ức chế enzyme [6].3 Khung sườn cơ bản của 3-hydroxyflavone 1.3 Phương pháp tổng hợp chalcone Chalcone là hợp chất trung gian đóng vai trò then chốt tạo nên các hợp chất có hoạt tính sinh học đa dạng. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra các phương pháp tổng hợp chalconoid như phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt với xúc tác acid hoặc base, phản ứng Suzuki, phản ứng Witting, chiếu xạ siêu âm [10, 11]… Trong các phương pháp kể trên thì phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt có mặt của các chất xúc tác chiếm ưu thế hơn và được sử dụng phổ biến trong quá trình tổng hợp chalconoid [10].1 Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt với xúc tác acid/base trong điều kiện có dung môi Tổng hợp chalcone theo phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt là một phương pháp khá phổ biến [2] nhờ vào sự đơn giản và hiệu quả do hai nhà khoa học Rainer Lugwig Claisen và Johann Gustav Schmidt nghiên cứu thành công và công bố vào năm 1880 – 1881.

Quá trình phản ứng diễn ra trong môi trường acid hoặc base (Hình 1.4), dựa vào sự ngưng tụ aldol giữa một aldehyde thơm và một ketone, tạo ra 𝛼,𝛽-carbonyl bất bão hòa [12].4 Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong môi trường acid hoặc base 3 1.1 Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt với xúc tác acid Thay vì tạo ra enolate mang điện tích âm thì ở môi trường acid lại tạo ra enol trung hòa về điện. Nguyên tử oxy của nhóm carbonyl trong tác chất ketone sẽ bị proton hóa, tạo thành enol. Cùng lúc đó, benzaldehyde cũng bị proton hóa do xúc tác acid. Enol bắt đầu tấn công vào nhóm carbonyl của benzaldehyde và tạo ra sản phẩm trung gian.

Nhóm thế -OH của chất trung gian tiếp tục bị proton hóa, xảy ra quá trình dehydrat hóa và hình thành nên liên kết đôi C=C, cho ra sản phẩm cuối cùng là chalconoid. Xúc tác acid phổ biến nhất acid Brønsted (HCl). Tuy nhiên, hiệu suất của xúc tác này không cao, chỉ từ 10 – 40% [13]. Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong môi trường có xúc tác acid diễn ra theo các giai đoạn sau (Hình 1.5 Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong môi trường xúc tác acid 4 1.2 Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt với xúc tác base Base là chất xúc tác thường được sử dụng trong tổng hợp chalcone.

Phương pháp này sử dụng sodium hydroxide, potassium hydroxide hoặc potassium tert-butoxide trong methanol hoặc ethanol ở nhiệt độ phòng [14]. Đầu tiên, proton ở vị trí 𝛼 trong nhóm acetophenone bị base lấy đi, hình thành nên enolate mang điện tích âm, có tính ổn định và mang tính nucleophile cao. Nguyên tử carbon trong nhóm chức carbonyl của dẫn xuất benzaldehyde bị anion enolate tấn công, tạo nên hợp chất 𝛽-hydroxyketone là một sản phẩm trung gian. Sau đó, sản phẩm chalcone sẽ được hình thành sau khi hợp chất trung gian trải qua quá trình dehydrat hóa tại vị trí 𝛽.

Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt xúc tác base diễn ra theo Hình 1.6 Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong môi trường xúc tác base 5 Để quá trình tổng hợp chalcone đạt hiệu suất cao, ảnh hưởng của các nhóm thế gắn trên vòng benzaldehyde là rất lớn. Nếu nhóm thế là nhóm hút điện tử (–NO2, halogen,…), mật độ điện tử trên vòng thơm càng giảm, làm cho nhóm carbonyl của benzaldehyde càng tăng điện tích dương. Đồng thời, nhóm carbonyl sẽ mang tính electrophile cao hơn. Qua đó, quá trình phản ứng với anion enolate của acetophenone được đẩy mạnh hơn, mang lại hiệu quả cao và thời gian xảy ra phản ứng nhanh hơn.

Ngược lại, nếu nhóm thế là các nhóm đẩy điện tử (–OH, –CH3, –OCH3,…) thì sẽ mang lại hiệu suất không cao, thời giản phản ứng diễn ra chậm hơn do nhóm carbonyl của benzaldehyde sẽ bị giảm tính electrophile.4 Phương pháp tổng hợp 3-hydroxyflavone 1.1 Phương pháp tổng hợp 3-hydroxyflavone từ 2'-hydroxychalconoid Phản ứng Algar-Flynn-Oyamada (AFO) là phương pháp cổ điển để tổng hợp 3- hydroxyflavone từ tiền chất 2'-hydroxychalcone thông qua oxy hoá đóng vòng [6], [7]. Phương pháp điều chế này được nghiên cứu và báo cáo bởi Algar, Flynn và Oyamada từ vào năm 1934. Quy trình tổng hợp bao gồm hai giai đoạn chính: (1) Tổng hợp 2'-hydroxychalconoid thông qua phản ứng Claisen-Schmidt bằng cách ngưng tụ dẫn xuất của acetophenone và các dẫn xuất benzaldehyde trong môi trường kiềm để hình thành α,β-carbonyl không no. Ưu điểm của phương pháp này là nguyên liệu dễ tiếp cận, quy trình thực hiện đơn giản, thời gian tổng hợp ngắn, không cần xúc tác kim loại hay thiết bị chuyên dụng, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm thông thường.

Ngoài ra, việc điều chỉnh vị trí nhóm thế (–OH, –OCH₃, –F, –Cl hoặc –NO₂,…) trên vòng A và B cho phép tạo ra sự đa dạng cấu trúc để xây dựng thư viện các dẫn xuất 3-hydroxyflavone. Tuy nhiên, phản ứng này cũng tồn tại một số nhược điểm. Trước hết, hiệu suất phản ứng thường phụ thuộc vào bản chất nhóm thế trên khung chalconoid, đặc biệt là hiệu ứng điện tử và định vị không gian của các nhóm thế trên vòng thơm. Điều này hạn chế ứng dụng và sản xuất quy mô lớn.

Trong đó, quá trình oxy hoá đóng vòng tiền chất 2'-hydroxychalconoid được diễn ra theo cơ chế: Khử proton nhóm hydroxyl tạo thành phenolate, tấn công nucleophile vào vị trí 6 β của hệ α,β–không bão hòa để tạo dị vòng, sau đó oxy hóa trung gian dihydroflavonol bằng hydrogen peroxide để hình thành sản phẩm 3-hydroxyflavone. Cơ chế của phản ứng tổng hợp theo phương pháp AFO được mô tả trong Hình 1.7 Cơ chế tổng hợp 3-hydroxyflavone 1.2 Các phương pháp tổng hợp 3-hydroxyflavone khác Ngoài phản ứng AFO, 3-hydroxyflavone còn có thể được tổng hợp bằng ba phương pháp khác như phương pháp Auwers, Baker-Venkataraman và phương pháp oxy hoá flavone bằng 3,3-dimethyldioxirane (DMDO) [7]. Phương pháp Auwers, được phát hiện vào năm 1908, là một trong những phương pháp tổng hợp flavonol sớm nhất dựa trên phản ứng đóng vòng của benzofura [7]. Quy trình ở Hình 1.8 bao gồm việc ngưng tụ benzofura với benzaldehyde, sau đó bromo hóa để tạo thành 2-bromo-2-(α-bromobenzyl)benzofuranone, rồi được xử lý bằng alkoxide trong rượu để tạo ra flavonol thông qua phản ứng sắp xếp lại [7, 19].

Tuy nhiên, phương pháp này còn vài hạn chế như phạm vi ứng dụng của chất nền hẹp, khó điều chế chất trung gian dibrominated, nhiều bước phản ứng, hiệu suất thấp, do đó ít được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ hiện đại [7].8 Tổng hợp flavonol bằng phản ứng Auwers Phương pháp Baker-Venkataraman, phát triển từ phản ứng Allan-Robinson, là một phương pháp tổng hợp flavone thông thường và có thể được điều chỉnh để tổng hợp 3- hydroxyflavone [7, 19]. Bao gồm ba bước: Este hóa o-hydroxyacetophenone với aryl acyl chloride (aryl carboxylic anhydride hoặc aryl carboxylic acid) trong pyridine; sau đó là phản ứng sắp xếp lại Baker-Venkataraman trong môi trường kiềm để thu được hợp chất β-diketone; cuối cùng là đóng vòng xúc tác acid để tạo thành hợp chất flavone (Hình 1. Để tổng hợp flavonol, nhóm R ở vị trí 3-O của flavone được thay thế bằng nhóm alkyl (methyl hoặc benzyl) hoặc benzoyloxy, sau đó loại bỏ nhóm thế này để thu được flavonol (Hình 1. Mặc dù phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các nhóm thế trên vòng A và B, nhưng nó đòi hỏi nhiều bước và tổng hiệu suất thường không cao do phải đi qua chất trung gian flavone.9 Phản ứng Baker-Venkataraman tạo flavone 8 Hình 1.10 Phản ứng Baker-Venkataraman tạo flavonol từ flavone Phương pháp oxy hóa flavone bằng DMDO là một phương pháp hiện đại và hiệu quả để chuyển hóa trực tiếp flavone thành 3-hydroxyflavone [7].

Quá trình này bắt đầu bằng việc tách proton ở vị trí C3 của flavone bằng lithium diisopropylamide, sau đó oxy hóa bằng DMDO để tạo epoxide tại liên kết đôi C2=C3, rồi chuyển vị thành flavonol hay 3- hydroxyflavone (Hình 1.