Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hóa học hữu cơ và hóa dược, các hợp chất dị vòng chứa dị tố nitơ đóng vai trò quan trọng nhờ khả năng tạo phức nội vòng với các ion kim loại và sở hữu nhiều hoạt tính sinh học có giá trị chữa bệnh. Hợp chất 8-hidroxiquinolin và các dẫn xuất cacbonyl $\alpha,\beta$-chưa no của nó là nhóm hợp chất tiêu biểu được ứng dụng rộng rãi trong hóa học phân tích (dùng trong phương pháp phân tích khối lượng, phân tích thể tích và trắc quang tách chiết ion kim loại) cũng như trong y dược (kháng khuẩn, chống ký sinh trùng, ức chế tế bào ung thư). Đồng thời, các dẫn xuất cacbonyl $\alpha,\beta$-chưa no còn là hệ liên hợp chuẩn mực để khảo sát tương tác điện tử và lập thể giữa các nhóm thế trong phân tử. Khóa luận tốt nghiệp cử nhân hóa học của tác giả Hồ Thị Mỹ Dung (thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh năm 2007) tập trung nghiên cứu quy trình thực nghiệm tổng hợp và xác định cấu trúc của các dẫn xuất quinolin mới nhằm phục vụ mục tiêu học tập và nghiên cứu thực nghiệm.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

  1. Tổng hợp thành công chất trung gian 5-fomyl-8-hidroxiquinolin từ 8-hidroxiquinolin theo phương pháp Reimer – Tiemann.
  2. Tổng hợp dẫn xuất chalcon 3-(8-hidroxi-5-quinolyl)-1-(3-nitrophenyl)prop-2-en-1-on thông qua phản ứng ngưng tụ anđol – croton hóa giữa 5-fomyl-8-hidroxiquinolin và 3-nitroaxetophenon.
  3. Tổng hợp dẫn xuất chalcon 1-(3-aminophenyl)-3-(8-hidroxi-5-quinolyl)prop-2-en-1-on thông qua phản ứng ngưng tụ anđol – croton hóa giữa 5-fomyl-8-hidroxiquinolin và 3-aminoaxetophenon.
  4. Xác định các thông số vật lý và đặc trưng cấu trúc của các sản phẩm tổng hợp được thông qua nhiệt độ nóng chảy, hệ số lưu giữ ($R_f$) trên sắc ký bản mỏng (TLC), quang phổ hồng ngoại (IR) và quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$).

Đối tượng nghiên cứu là khung dị vòng 8-hidroxiquinolin và các dẫn xuất thế ở vị trí số 5 chứa nhóm chức formyl và mạch enon nối với nhân benzen mang nhóm thế thế nitro ($-NO_2$) hoặc amino ($-NH_2$). Phạm vi thực nghiệm tổng hợp và phân tích hằng số vật lý được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ – Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh; phổ IR được đo tại Khoa Dược – Trường Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh; phổ $^1\text{H-NMR}$ được ghi nhận tại Viện Hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (Hà Nội).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết và phương pháp phân tích hóa học hữu cơ thực nghiệm:

  • Khung lý thuyết phản ứng formyl hóa: Cơ chế phản ứng thế electrophin vào nhân thơm để gắn nhóm $-CHO$, trọng tâm là phản ứng Reimer – Tiemann sử dụng tác nhân diclorocacben ($:CCl_2$) sinh ra từ clorofom trong môi trường kiềm mạnh. Ngoài ra, văn bản khảo sát có hệ thống các phương pháp formyl hóa trực tiếp khác bao gồm phương pháp Vilsmeier (sử dụng amit và $POCl_3$), phương pháp Gattermann – Koch ($CO + HCl$ xúc tác $AlCl_3/Cu_2Cl_2$), phương pháp Gattermann ($HCN + HCl$ xúc tác axit Lewis), và phương pháp dùng formyl florua ($HCOF + BF_3$).
  • Khung lý thuyết ngưng tụ anđol – croton hóa: Cấu trúc phân cực của nhóm cacbonyl ($>C=O$), tính axit của nguyên tử hydro $\alpha$, cơ chế cộng nucleophin của hợp phần metylen hoạt động vào nhóm cacbonyl (phản ứng Claisen – Schmidt) xúc tác bởi axit hoặc bazơ, cơ chế tách nước (dehidrat hóa) theo hướng enol hoặc cacbocation để tạo hệ liên kết đôi liên hợp $\alpha,\beta$-chưa no bền vững dạng trans.
  • Phương pháp phân tích quang phổ:
    • Phổ hồng ngoại (IR) dựa trên định luật Bouguer – Lambert – Beer và các điều kiện hấp thụ kích thích dao động phân tử (dao động hóa trị và dao động biến dạng) trong vùng tần số $4000 - 650\text{ cm}^{-1}$.
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$) dựa trên hiện tượng cộng hưởng spin hạt nhân trong từ trường ngoài, phân tích độ dịch chuyển hóa học ($\delta$), hiệu ứng chắn bất đẳng hướng, hiện tượng ghép spin – spin và hằng số tách ($J$).
  • Phương pháp sắc ký bản mỏng (TLC): Dựa trên nguyên lý phân bố vi phân của các chất giữa pha tĩnh rắn (silica gel) và pha động lỏng hữu cơ để kiểm tra tiến trình phản ứng, độ tinh khiết của sản phẩm và xác định giá trị $R_f$.
  • Nguồn dữ liệu và hóa chất thực nghiệm: Các hóa chất tinh khiết gồm 8-hidroxiquinolin ($50\text{ g}$), clorofom ($CHCl_3$), kali hidroxit ($KOH$), axit clohidric ($HCl$), cồn tuyệt đối $99{,}5^\circ$, 3-nitroaxetophenon, 3-aminoaxetophenon, natri axetat ($CH_3COONa$), benzen, ete etylic, silica gel và hơi iot.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Giới thiệu về 8-hidroxiquinolin và các dẫn xuất của nó

Chương này tổng quan về phân loại, tính chất và hoạt tính sinh học của 8-hidroxiquinolin. Phân tử tồn tại ở hai dạng hỗ biến (dạng hidroxi và dạng oxo), trong đó dạng hidroxi chiếm ưu thế và có liên kết hydro nội phân tử bền vững giữa nguyên tử hydro của nhóm $-OH$ với nguyên tử nitơ dị vòng piridin. Về mặt ứng dụng phân tích, 8-hidroxiquinolin có khả năng tạo phức chelat nội vòng với hầu hết các ion kim loại, ứng dụng phân biệt ion coban (phức quinolat hấp thụ ở bước sóng $\lambda = 700\text{ nm}$) và niken ($\lambda = 365\text{ nm}$). Về mặt y dược, văn bản trích dẫn các nghiên cứu thực nghiệm chứng minh dẫn xuất 5-clo-7-iod có hoạt tính diệt amip mạnh (Madhukar G. Vaidya, 1962); dẫn xuất nitro ức chế mạnh thể nha bào vi khuẩn Bacillus subtilis (L. Brantsevich); oxim của 5-axetyl-8-hidroxiquinolin có hoạt tính chống trực khuẩn lao (H37Rv) mạnh hơn Streptomycin và Rimifon (P. Juhasz); và muối bậc bốn của $p$-dimetylaminostyrylquinolin có tác dụng ức chế chọn lọc tế bào ung thư biểu mô tuyến và ung thư máu.

Phần II - Chương I: Phương pháp fomyl hoá trực tiếp nhân thơm

Nội dung chương phân tích chi tiết cơ chế phản ứng, phạm vi ứng dụng và điều kiện thực nghiệm của 5 phương pháp đưa nhóm $-CHO$ vào vòng thơm:

  • Phương pháp Vilsmeier: Sử dụng $DMF$ hoặc $N$-metylfomanilit với xúc tác $POCl_3$, thích hợp cho các hợp chất thơm giàu điện tử (phenol, phenol ete, dị vòng, amin thơm bậc 2 và bậc 3).
  • Phương pháp Gattermann – Koch: Sử dụng hỗn hợp khí $CO + HCl$ dưới xúc tác axit Lewis ($AlCl_3/Cu_2Cl_2$); không áp dụng được cho phenol và dị vòng ở áp suất thường do hiện tượng polymer hóa và độ tan kém của muối đồng.
  • Phương pháp Gattermann: Sử dụng tác nhân $HCN + HCl$ với xúc tác $ZnCl_2$ hoặc $AlCl_3$, áp dụng hiệu quả để formyl hóa phenol, polyphenol và dị vòng indol, furan, thiophen.
  • Phương pháp Reimer – Tiemann: Cho phenol hoặc 8-hidroxiquinolin phản ứng với clorofom trong môi trường kiềm dư thông qua tác nhân trung gian diclorocacben ($:CCl_2$).
  • Phương pháp dùng fomyl florua: Sử dụng $HCOF$ với chất xúc tác $BF_3$ ở nhiệt độ thấp hoặc nhiệt độ phòng.

Phần II - Chương II: Phản ứng ngưng tụ anđol – croton hoá tạo hợp chất cacbonyl

Chương này đi sâu vào cơ chế hóa học tạo liên kết cacbon – cacbon giữa hợp phần cacbonyl và hợp phần metylen hoạt động:

  • Khảo sát sự phân cực liên kết $C=O$ ($sp^2$, momen lưỡng cực $\mu = 2{,}7\text{ D}$) và độ linh động của nguyên tử hydro $\alpha$ do hiệu ứng hút electron liên hợp.
  • Phân tích chi tiết 2 cơ chế xúc tác: Xúc tác bazơ (bazơ bứt proton $H_\alpha$ tạo cacbanion enolat tấn công nucleophin vào nhóm $C=O$, sau đó tách nhóm $-OH$ theo cơ chế $E1cb$) và xúc tác axit (proton hóa nhóm $C=O$ làm tăng tính electrophin kết hợp enol hóa hợp phần metylen, tách nước theo cơ chế cacbocation).
  • Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng: Nhóm thế hút electron ($-NO_2$, $-Cl$) làm tăng tốc độ phản ứng cộng nucleophin; nhóm đẩy electron ($-N(CH_3)_2$, $-NH_2$, $-OH$, $-OCH_3$) làm giảm mật độ điện tích dương trên C-cacbonyl khiến phản ứng khó khăn hơn; các nhóm thế cồng kềnh gây hiệu ứng không gian làm giảm vận tốc ngưng tụ; phản ứng Claisen – Schmidt giữa anđehit thơm và xeton béo/thơm.

Phần II - Chương III: Quang phổ hồng ngoại (IR)

Trình bày cơ sở vật lý của quang phổ dao động – quay, phân tích định luật Bughe – Lamber – Bia ($D = \varepsilon l C$), hai quy tắc chọn lọc quang phổ ($\Delta v = \pm 1$ và sự thay đổi momen lưỡng cực điện khi dao động). Khảo sát số bậc tự do dao động phân tử ($3N-6$ cho phân tử phi tuyến và $3N-5$ cho phân tử thẳng), phân vùng phổ hồng ngoại thành vùng nhóm chức ($1500 - 4000\text{ cm}^{-1}$) và vùng vân tay ($< 1500\text{ cm}^{-1}$). Phân tích ảnh hưởng của liên kết hydro nội phân tử (làm dịch dải dao động $-OH$ về vùng tần số thấp $2500 - 3200\text{ cm}^{-1}$, dạng dải tù), hiệu ứng liên hợp (làm giảm tần số dao động hóa trị $v_{C=O}$ và $v_{C=C}$) và các đồng phân lập thể cis/trans.

Phần II - Chương IV: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$)

Trình bày cơ sở lý thuyết từ tính hạt nhân proton ($I = 1/2$), hiện tượng cộng hưởng dưới bức xạ vô tuyến trong từ trường ngoài $H_0$, cơ chế chắn từ trực tiếp và chắn cảm ứng bất đẳng hướng từ các liên kết bội ($\pi$). Giải thích khái niệm độ chuyển dịch hóa học ($\delta$, đơn vị ppm), cơ chế tách spin – spin theo quy tắc $n+1$, bản chất của hằng số ghép $J$ (Hz), mối liên hệ giữa hằng số ghép với cấu trúc lập thể và khoảng cách liên kết của các proton liền kề trên nhân thơm và mạch hở.

Phần II - Chương V: Sắc kí bản mỏng

Khảo sát nguyên lý hấp phụ pha động – pha tĩnh, công thức tính giá trị $R_f$, kỹ thuật triển khai sắc ký đi lên, đi xuống, vòng tròn ngang và sắc ký hai chiều. Hướng dẫn chi tiết quy trình chuẩn bị bản mỏng silica gel, kỹ thuật lựa chọn đơn dung môi hoặc hỗn hợp dung môi phân cực thích hợp và phương pháp hiện hình vệt chất bằng hơi iot.

Phần III: Thực nghiệm tổng hợp các chất

Mô tả quy trình thao tác phòng thí nghiệm chi tiết cho 3 phản ứng:

  1. Tổng hợp 5-fomyl-8-hidroxiquinolin: Hòa tan $50\text{ g}$ 8-hidroxiquinolin trong $200\text{ ml}$ ethanol $99{,}5^\circ$, thêm dung dịch $100\text{ g } KOH / 125\text{ ml } H_2O$. Đun cách thủy ở $110^\circ\text{C}$ trong 1 giờ để tạo muối kali quinolat, hạ nhiệt độ xuống $45^\circ\text{C}$ rồi nhỏ giọt $100\text{ ml } CHCl_3$. Tiếp tục đun và khuấy ở $80^\circ\text{C}$ trong 12 giờ (bổ sung định kỳ ethanol và clorofom). Đuổi dung môi, hòa tan bã trong $1500\text{ ml } H_2O$, lọc, axit hóa bằng dung dịch $HCl\text{ 18%}$ thu kết tủa đỏ sẫm. Chiết liên tục bằng hệ Soxhlet với $250\text{ ml}$ benzen, kết tinh lại trong cồn : nước (tỉ lệ $4:1$), thu được $4{,}81\text{ g}$ tinh thể màu vàng nhạt (hiệu suất $8{,}07%$, nhiệt độ nóng chảy $172{,}5 - 173^\circ\text{C}$).
  2. Tổng hợp 3-(8-hidroxi-5-quinolyl)-1-(3-nitrophenyl)prop-2-en-1-on: Trộn $0{,}4\text{ g}$ 5-fomyl-8-hidroxiquinolin và $0{,}33\text{ g}$ ($2\cdot 10^{-3}\text{ mol}$) 3-nitroaxetophenon trong $20\text{ ml}$ cồn $99{,}5^\circ$, nhỏ từ từ $10\text{ ml } HCl\text{ 36%}$, hồi lưu $60^\circ\text{C}$ trong 2 giờ. Trung hòa bằng dung dịch $CH_3COONa$ bão hòa đến dư, lọc kết tủa, rửa ete 3 lần, kết tinh lại trong cồn thu được $0{,}21\text{ g}$ tinh thể vàng đậm (hiệu suất $32{,}8%$, nhiệt độ nóng chảy $184 - 185^\circ\text{C}$).
  3. Tổng hợp 1-(3-aminophenyl)-3-(8-hidroxi-5-quinolyl)prop-2-en-1-on: Trộn $0{,}4\text{ g}$ 5-fomyl-8-hidroxiquinolin và $0{,}27\text{ g}$ ($2\cdot 10^{-3}\text{ mol}$) 3-aminoaxetophenon trong $20\text{ ml}$ cồn $99{,}5^\circ$, thêm $10\text{ ml } HCl\text{ 36%}$ (chỉnh $\text{pH} = 1$), hồi lưu $70^\circ\text{C}$ trong 3 giờ. Trung hòa bằng dung dịch $CH_3COONa$ bão hòa, lọc kết tủa, rửa ete 3 lần, kết tinh lại trong cồn : nước (tỉ lệ $1:2$) thu được $0{,}13\text{ g}$ tinh thể màu vàng (hiệu suất $22{,}4%$, nhiệt độ nóng chảy $129 - 130^\circ\text{C}$).

Phần IV: Kết quả và thảo luận

  • Biện luận cơ sở chọn môi trường phản ứng: Đối với phản ứng Reimer – Tiemann, tác giả sử dụng $KOH$ thay vì $NaOH$ vì cation $K^+$ có bán kính ion lớn hơn, mật độ điện tích thấp hơn nên liên kết giữa ion phenolat $ArO^-$ và $K^+$ lỏng lẻo hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng phân ly tạo tác nhân nucleophin tự do. Đối với phản ứng ngưng tụ chalcon, phản ứng bắt buộc phải tiến hành trong môi trường axit mạnh ($HCl$) thay vì môi trường bazơ; do trong môi trường bazơ, 8-hidroxiquinolin chuyển thành dạng quinolat mang điện tích âm giải tỏa vào vòng làm triệt tiêu tính dương điện của C-cacbonyl, trong khi môi trường axit giúp proton hóa nhóm $-CHO$, làm tăng mạnh mật độ điện tích dương tại cacbon trung tâm để phản ứng cộng nucleophin xảy ra dễ dàng.
  • Phân tích phổ IR của 5-fomyl-8-hidroxiquinolin: Xuất hiện vân hấp thụ mạnh đặc trưng của dao động hóa trị $v_{C=O}$ anđehit ở $1685{,}7\text{ cm}^{-1}$; dải hấp thụ rộng, tù của nhóm $-OH$ tạo liên kết hydro nội phân tử ở vùng $3000 - 3100\text{ cm}^{-1}$; dao động hóa trị $C-H$ anđehit ở $2752{,}23\text{ cm}^{-1}$; các dải dao động hóa trị $C=C$ và $C=N$ nhân quinolin ở $1382{,}9 - 1616{,}3\text{ cm}^{-1}$; dao động biến dạng phẳng của $C-H$ quinolin ở $1058 - 1294{,}1\text{ cm}^{-1}$; dao động biến dạng phẳng của nhóm $-OH$ ở $1200 - 1410\text{ cm}^{-1}$; dao động hóa trị $C-OH$ ở $1100 - 1200\text{ cm}^{-1}$; dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của liên kết $C-H$ quinolin ở vùng $702 - 827{,}4\text{ cm}^{-1}$.
  • Phân tích phổ $^1\text{H-NMR}$ (500 MHz, DMSO-$d_6$) của 5-fomyl-8-hidroxiquinolin:
    • Tín hiệu proton formyl ($-CHO$) xuất hiện dạng mũi đơn (singlet, $1\text{H}$) ở độ dịch chuyển hóa học rất thấp $\delta = 10{,}146\text{ ppm}$.
    • Hai proton $H_6$ và $H_7$ nằm kế cận trên nhân thơm tương tác spin – spin lẫn nhau tạo thành 2 mũi đôi (doublet, $1\text{H}$) với hằng số tách $J_{6,7} = J_{7,6} = 8\text{ Hz}$; proton $H_6$ nằm ở $\delta = 7{,}161\text{ ppm}$, proton $H_7$ chịu hiệu ứng chắn bất đẳng hướng từ nhóm formyl kế cận nên dịch về vùng trường yếu hơn ở $\delta = 8{,}061\text{ ppm}$.
    • Proton $H_3$ bị tách bởi $H_2$ và $H_4$ không tương đương nên xuất hiện dạng mũi đôi – đôi (doublet of doublets, $1\text{H}$) tại vùng $\delta = 7{,}773 - 7{,}798\text{ ppm}$.
    • Proton $H_4$ xuất hiện dạng mũi đôi – đôi tại $\delta = 9{,}694 - 9{,}714\text{ ppm}$.
    • Proton $H_2$ xuất hiện dạng mũi đôi – đôi tại $\delta = 8{,}969 - 8{,}981\text{ ppm}$.
    • Tín hiệu của proton phenolic $-OH$ không quan sát thấy trong khoảng quét thông thường do liên kết hydro nội phân tử rất mạnh làm dịch chuyển tín hiệu về trường cực yếu ($\delta > 10 - 12\text{ ppm}$) và bị mở rộng dưới ảnh hưởng của dung môi phân cực DMSO-$d_6$.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp và đặc trưng hóa thành công 3 hợp chất dị vòng quinolin với các số liệu thực nghiệm định lượng chi tiết:

Hợp chất tổng hợp Khối lượng thu được Hiệu suất phản ứng Nhiệt độ nóng chảy thực nghiệm Nhiệt độ nóng chảy lý thuyết Dung môi kết tinh lại Đặc điểm tinh thể
5-fomyl-8-hidroxiquinolin $4{,}81\text{ g}$ $8{,}07%$ $172{,}5 - 173^\circ\text{C}$ $173^\circ\text{C}$ Cồn : Nước ($4:1$) Tinh thể hình kim màu vàng nhạt
3-(8-hidroxi-5-quinolyl)-1-(3-nitrophenyl)prop-2-en-1-on $0{,}21\text{ g}$ $32{,}8%$ $184 - 185^\circ\text{C}$ Chưa có tài liệu tra cứu Ethanol $99{,}5^\circ$ Tinh thể màu vàng đậm
1-(3-aminophenyl)-3-(8-hidroxi-5-quinolyl)prop-2-en-1-on $0{,}13\text{ g}$ $22{,}4%$ $129 - 130^\circ\text{C}$ Chưa có tài liệu tra cứu Cồn : Nước ($1:2$) Tinh thể màu vàng

Bảng tổng hợp quy kết các tín hiệu quang phổ chính của 5-fomyl-8-hidroxiquinolin:

Phương pháp phân tích Vị trí tín hiệu / Độ dịch chuyển ($\delta$) Dạng mũi phổ / Quy ước dao động Quy kết nhóm chức / Vị trí proton
Quang phổ IR ($KBr$) $1685{,}7\text{ cm}^{-1}$ Vân hấp thụ mạnh Dao động hóa trị nhóm cacbonyl $v_{C=O}$ (anđehit)
$2752{,}23\text{ cm}^{-1}$ Vân hấp thụ trung bình Dao động hóa trị liên kết $C-H$ trong nhóm $-CHO$
$3000 - 3100\text{ cm}^{-1}$ Dải tù, cường độ rộng Dao động hóa trị $-OH$ có liên kết hydro nội phân tử
$1382{,}9 - 1616{,}3\text{ cm}^{-1}$ Hệ nhiều vân Dao động hóa trị liên kết $C=C$, $C=N$ nhân quinolin
$1058 - 1294{,}1\text{ cm}^{-1}$ Vân hấp thụ đặc trưng Dao động biến dạng phẳng của $C-H$ nhân quinolin
$702 - 827{,}4\text{ cm}^{-1}$ Vân hấp thụ mạnh Dao động biến dạng ngoài mặt phẳng $C-H$ nhân thơm
Quang phổ $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$, DMSO) $\delta = 10{,}146\text{ ppm}$ Singlet ($s$, $1\text{H}$) Proton nhóm formyl ($-CHO$) tại vị trí số 5
$\delta = 7{,}161\text{ ppm}$ Doublet ($d$, $1\text{H}$, $J = 8\text{ Hz}$) Proton $H_6$ trên nhân quinolin
$\delta = 8{,}061\text{ ppm}$ Doublet ($d$, $1\text{H}$, $J = 8\text{ Hz}$) Proton $H_7$ trên nhân quinolin
$\delta = 7{,}773 - 7{,}798\text{ ppm}$ Doublet of doublets ($dd$, $1\text{H}$) Proton $H_3$ trên nhân quinolin
$\delta = 9{,}694 - 9{,}714\text{ ppm}$ Doublet of doublets ($dd$, $1\text{H}$) Proton $H_4$ trên nhân quinolin
$\delta = 8{,}969 - 8{,}981\text{ ppm}$ Doublet of doublets ($dd$, $1\text{H}$) Proton $H_2$ trên nhân quinolin

Các đóng góp và giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Làm sáng tỏ quy luật phản ứng ngưng tụ anđol – croton hóa của anđehit dị vòng quinolin: Chứng minh phản ứng ngưng tụ bắt buộc phải dùng xúc tác axit clohidric ($HCl$) thay vì xúc tác bazơ như anđehit thơm thông thường, giải thích hiện tượng giảm hoạt tính do cộng hưởng enolat quinolat trong môi trường kiềm.
  • Đề xuất cải tiến kỹ thuật chiết tách sản phẩm Reimer – Tiemann bằng hệ thống chiết Soxhlet liên tục với dung môi benzen kết hợp đun cách thủy, giúp tách triệt để chất trung gian mà không làm nhựa hóa hay cacbon hóa sản phẩm.
  • Bổ sung vào hệ thống dữ liệu hóa học các hằng số vật lý thực nghiệm (nhiệt độ nóng chảy, phổ IR, phổ $^1\text{H-NMR}$, hệ dung môi sắc ký bản mỏng) của 2 dẫn xuất chalcon mới chứa nhân quinolin chưa từng được công bố trong các tài liệu tra cứu trước đó.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế thực nghiệm và đề xuất các định hướng mở rộng:

  • Hạn chế kỹ thuật và hiệu suất: Hiệu suất phản ứng formyl hóa theo phương pháp Reimer – Tiemann còn thấp ($8{,}07%$) do phản ứng phụ tạo este octofomic, quá trình nhựa hóa sản phẩm trong môi trường axit và sự bay hơi của clorofom. Do điều kiện trang thiết bị phòng thí nghiệm thời điểm đó chưa có sinh hàn xoắn (phải ghép nối hai sinh hàn thẳng) và hệ thống khuấy cơ học chưa tối ưu tốc độ tiếp xúc giữa hai pha lỏng.
  • Hạn chế về phạm vi thử nghiệm: Khóa luận dừng lại ở giai đoạn tổng hợp hóa học và phân tích cấu trúc phổ, chưa tiến hành thử nghiệm hoạt tính sinh học (in vitro) đối với các chủng vi khuẩn, nấm hoặc dòng tế bào ung thư.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Tối ưu hóa điều kiện phản ứng formyl hóa: Tăng cường khuấy trộn bằng máy khuấy từ tốc độ cao hoặc khảo sát các phương pháp formyl hóa khác (như Vilsmeier, formyl florua) nhằm nâng cao hiệu suất tổng hợp 5-fomyl-8-hidroxiquinolin.
    • Mở rộng tổng hợp các dẫn xuất chalcon mới gắn các nhóm thế có hoạt tính sinh học tiềm năng khác trên nhân thơm.
    • Tiến hành thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn (trên các chủng Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, trực khuẩn lao) và hoạt tính ức chế tế bào ung thư của các dẫn xuất chalcon thu được.
    • Nghiên cứu khả năng tạo phức màu của các dẫn xuất mới với các ion kim loại chuyển tiếp ($Ni^{2+}, Co^{2+}, Cu^{2+}, Fe^{3+}$) phục vụ mục đích phân tích trắc quang.

Giá trị tham khảo

Công trình khóa luận có giá trị tham khảo học thuật và ứng dụng thực tiễn đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dược và Hóa phân tích: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tổng hợp dị vòng quinolin, kỹ thuật chiết Soxhlet, kỹ thuật kết tinh phân đoạn và quy trình lựa chọn hệ dung môi sắc ký bản mỏng.
  • Người làm nghiên cứu về tổng hợp hữu cơ và phức chất: Là tài liệu đối sánh tin cậy về số liệu phổ hồng ngoại (IR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$) độ phân giải cao ($500\text{ MHz}$) đối với khung cấu trúc 8-hidroxiquinolin mang nhóm thế ở vị trí số 5.
  • Nghiên cứu sinh phát triển thuốc: Cung cấp quy trình điều chế các tiền chất chalcon mang dị vòng quinolin phục vụ thử nghiệm hoạt tính sinh học và tổng hợp các dị vòng phức tạp hơn (như pyrazolin, isoxazol).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phản ứng ngưng tụ giữa 5-fomyl-8-hidroxiquinolin với 3-nitroaxetophenon phải dùng xúc tác axit mà không dùng xúc tác bazơ như phản ứng Claisen – Schmidt thông thường?
Trả lời: Trong môi trường bazơ, nhóm $-OH$ phenolic của 5-fomyl-8-hidroxiquinolin bị phân ly tạo ion quinolat. Đôi điện tử tự do trên nguyên tử oxy giải tỏa mạnh vào hệ vòng thơm, làm giảm đáng kể mật độ điện tích dương ($\delta^+$) trên nguyên tử cacbon của nhóm formyl ($-CHO$), khiến nó mất khả năng phản ứng với tác nhân nucleophin. Ngược lại, trong môi trường axit mạnh ($HCl$), oxy của nhóm cacbonyl được proton hóa làm tăng mạnh tính electrophin của cacbon trung tâm, giúp phản ứng ngưng tụ xảy ra thuận lợi.

2. Vì sao tác giả sử dụng dung dịch $KOH$ thay vì $NaOH$ trong phản ứng Reimer – Tiemann?
Trả lời: Cation $K^+$ có bán kính ion lớn hơn cation $Na^+$, do đó mật độ điện tích trên ion $K^+$ nhỏ hơn, làm cho độ bền liên kết giữa ion kim loại và anion phenolat ($ArO^-$) yếu hơn. Khi sử dụng $KOH$, phân tử phân ly tạo ion phenolat tự do dễ dàng hơn, giúp quá trình tấn công nucleophin vào tác nhân diclorocacben ($:CCl_2$) diễn ra hiệu quả hơn.

3. Tín hiệu nào trên phổ hồng ngoại (IR) khẳng định phản ứng Reimer – Tiemann đã đưa thành công nhóm chức anđehit vào vị trí số 5 của 8-hidroxiquinolin?
Trả lời: Sự xuất hiện của vân hấp thụ mạnh tại tần số $1685{,}7\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm cacbonyl $v_{C=O}$ anđehit liên hợp, cùng với vân dao động hóa trị của liên kết $C-H$ formyl tại tần số $2752{,}23\text{ cm}^{-1}$ trên phổ IR của sản phẩm (các tín hiệu này hoàn toàn không có trên phổ của chất đầu 8-hidroxiquinolin).

4. Vì sao proton của nhóm phenolic $-OH$ không xuất hiện tín hiệu trên phổ đồ $^1\text{H-NMR}$ của 5-fomyl-8-hidroxiquinolin?
Trả lời: Do sự hình thành liên kết hydro nội phân tử rất mạnh giữa nguyên tử hydro của nhóm $-OH$ với nguyên tử nitơ dị vòng piridin làm proton bị giải chắn mạnh, đẩy tín hiệu về vùng trường rất thấp ($\delta = 10 - 12\text{ ppm}$). Dưới tác động tạo liên kết hydro liên phân tử với dung môi phân cực mạnh là Dimetylsunfoxit (DMSO-$d_6$), tín hiệu bị dãn rộng và dịch chuyển ra ngoài giới hạn thang đo thông thường của phổ đồ.

5. Những nguyên nhân chính nào khiến hiệu suất phản ứng tổng hợp 5-fomyl-8-hidroxiquinolin chỉ đạt mức $8{,}07%$?
Trả lời: Hiệu suất phản ứng Reimer – Tiemann bị giảm do: (1) Các anđehit tạo thành trong môi trường axit khi xử lý mẫu dễ bị nhựa hóa; (2) Một phần phenol phản ứng với clorofom tạo este octofomic $HC(OC_9H_6N)_3$; (3) Sản phẩm tạo thành tiếp tục phản ứng với chất đầu tạo phẩm màu kiểu axit rozolic; (4) Clorofom có nhiệt độ sôi thấp ($61{,}2^\circ\text{C}$) dễ bị bay hơi thất thoát trong quá trình phản ứng kéo dài 12 giờ.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Hồ Thị Mỹ Dung đã hoàn thành việc tổng hợp chất trung gian 5-fomyl-8-hidroxiquinolin theo phương pháp Reimer – Tiemann và phát triển thành công 2 dẫn xuất chalcon mới là 3-(8-hidroxi-5-quinolyl)-1-(3-nitrophenyl)prop-2-en-1-on và 1-(3-aminophenyl)-3-(8-hidroxi-5-quinolyl)prop-2-en-1-on thông qua phản ứng ngưng tụ anđol – croton hóa xúc tác axit. Cấu trúc hóa học và độ tinh khiết của các sản phẩm được xác định sáng tỏ bằng hệ thống dữ liệu thực nghiệm gồm nhiệt độ nóng chảy, sắc ký bản mỏng, phổ IR và phổ $^1\text{H-NMR}$ $500\text{ MHz}$. Đề tài đã giải quyết thỏa đáng vấn đề cơ chế phản ứng đặc thù của dị vòng quinolin trong môi trường axit, đóng góp quy trình thực nghiệm chi tiết và bổ sung số liệu phổ có giá trị cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực hóa dược và hóa học phân tích.