Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Acid salicylic (acid 2-hydroxybenzoic) và các dẫn xuất của nó từ lâu đã giữ vai trò quan trọng trong ngành dược phẩm và tổng hợp hữu cơ nhờ các hoạt tính giảm đau, hạ sốt và chống viêm kinh điển như Aspirin (acid acetylsalicylic) hay Ethenzamide. Nhiều công trình nghiên cứu hiện đại tiếp tục phát hiện thêm khả năng kháng vi sinh vật nổi bật từ các cấu trúc biến đổi trên khung phân tử acid salicylic, đặc biệt là các dẫn xuất iodosalicylanilide có hoạt tính kháng khuẩn mạnh đối với các chủng vi khuẩn như Streptococcus faecalis và Staphylococcus aureus.
Song song với các dẫn xuất salicylate, hóa học các hợp chất dị vòng thơm năm cạnh chứa dị tố nitơ và oxy, điển hình là dị vòng 1,3,4-oxadiazole, đã và đang thu hút sự quan tâm lớn. Các dẫn xuất aryl-1,3,4-oxadiazole sở hữu phổ hoạt tính sinh học đa dạng bao gồm kháng khuẩn, chống nấm mốc, kháng viêm, giảm đau, chống lao và ức chế sự phát triển của khối u cũng như virus HIV giai đoạn I. Đồng thời, nhóm thiol (-SH) liên kết trực tiếp với dị vòng 1,3,4-oxadiazole có tính hoạt động hóa học cao, tạo điều kiện thuận lợi để chuyển hóa thành nhiều cấu trúc phân tử phức tạp hơn qua phản ứng thế nucleophile.
Mặc dù việc tổng hợp các dẫn xuất của acid 5-iodosalicylic đã được đề cập trong một số y văn, các hợp chất amide mang dị vòng 1,3,4-oxadiazole phát triển từ khung acid 5-iodosalicylic vẫn chưa được công bố đầy đủ. Do đó, khóa luận tốt nghiệp "Tổng hợp một số hợp chất amide chứa dị vòng 1,3,4-oxadiazole là dẫn xuất của acid salicylic" được tác giả Nguyễn Thị Thúy Hiền thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Tiến Công tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 5/2016).
Nghiên cứu tập trung giải quyết 5 mục tiêu cụ thể:
- Tổng quan tài liệu về các dẫn xuất của acid salicylic và các hợp chất chứa dị vòng 1,3,4-oxadiazole.
- Nghiên cứu và xây dựng quy trình chuyển hóa acid salicylic để tổng hợp các hợp chất amide chứa dị vòng 1,3,4-oxadiazole.
- Tiến hành thực nghiệm tổng hợp các sản phẩm trung gian và dãy dẫn xuất amide mục tiêu.
- Xác định cấu trúc hóa học của các hợp chất tổng hợp được bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại gồm phổ hồng ngoại (IR), phổ khối lượng (MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều và hai chiều ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, HSQC, HMBC).
- Thực nghiệm đánh giá sơ bộ hoạt tính kháng khuẩn của một số hợp chất amide thu được.
Phạm vi thực nghiệm tổng hợp và tinh chế được triển khai tại Phòng thí nghiệm Hóa Hữu cơ và Phòng thí nghiệm Hóa Đại cương thuộc Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. Các phép đo phổ cấu trúc được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG TP. Hồ Chí Minh) và Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tại Hà Nội). Phép thử hoạt tính sinh học được khảo sát tại Phòng Sinh học thực nghiệm, Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận thiết lập cơ sở lý thuyết dựa trên đặc tính cấu trúc và phản ứng hóa học đặc trưng của acid salicylic cũng như dị vòng aryl-1,3,4-oxadiazol-2-thiol:
- Đặc tính hóa học của acid salicylic: Phân tử chứa đồng thời nhóm hydroxyl phenolic (-OH), nhóm carboxyl (-COOH) và nhân benzen thơm. Nhóm -OH tham gia phản ứng tạo ether hoặc ester hóa; nhóm -COOH tham gia phản ứng thế nucleophile tại carbon carbonyl ($\text{S}\text{N}2(\text{CO})$) để tạo ester, hydrazide, chloride acid; nhân benzen tham gia phản ứng thế electrophile ($\text{S}\text{E}\text{Ar}$) như nitro hóa, halogen hóa (clo hóa, brom hóa, iod hóa).
- Đặc tính hóa học của dị vòng 1,3,4-oxadiazole: Là dị vòng 5 cạnh gồm 1 nguyên tử oxy và 2 nguyên tử nitơ, có hệ liên hợp $\pi$ bền nhiệt. Các hợp chất 5-aryl-1,3,4-oxadiazol-2-thiol tồn tại cân bằng hỗ biến (tautomerization) giữa hai dạng thiol (-SH) và thione (=S). Phản ứng đóng vòng oxadiazole từ hydrazide có thể sử dụng tác nhân carbon disulfide ($\text{CS}_2$) hoặc tetramethylthiuram disulfide (TMTD). Tác giả lựa chọn sử dụng TMTD nhằm thay thế $\text{CS}_2$ độc hại và dễ cháy nổ.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành qua các công đoạn:
- Phương pháp tổng hợp hữu cơ: Quy trình tổng hợp đa giai đoạn gồm phản ứng ester hóa Fisher, phản ứng iod hóa nhân thơm $\text{S}\text{E}\text{Ar}$ có hỗ trợ bởi chất oxy hóa $\text{NaClO}$, phản ứng tạo hydrazide bằng hydrazine hydrate, phản ứng thiocarbamoyl hóa đóng vòng dị vòng oxadiazole với TMTD, và phản ứng alkyl hóa nguyên tử lưu huỳnh ($\text{S}$-alkylation) theo cơ chế $\text{S}\text{N}2$ với các dẫn xuất chloroacetamide trong môi trường kiềm yếu.
- Phương pháp tinh chế: Sử dụng kỹ thuật chiết lỏng - lỏng, chưng cất loại dung môi, lọc áp suất giảm và kết tinh lại trong các hệ dung môi thích hợp như ethanol hoặc hỗn hợp $\text{N,N-dimethylformamide}$ - nước ($\text{DMF}-\text{H}_2\text{O}$).
- Phương pháp phân tích vật lý và quang phổ:
- Đo nhiệt độ nóng chảy trên thiết bị Gallenkamp.
- Ghi phổ hồng ngoại (FTIR) trên máy Shimadzu FTIR 8400S bằng kỹ thuật ép viên nén $\text{KBr}$.
- Ghi phổ cộng hưởng từ hạt nhân trên máy Bruker Avance ($500\text{ MHz}$ đối với $^1\text{H-NMR}$; $125\text{ MHz}$ đối với $^{13}\text{C-NMR}$, HSQC và HMBC) sử dụng dung môi DMSO-$d_6$.
- Đo phổ khối lượng phân giải cao (HR-MS) trên thiết bị Bruker micrOTOF-Q 10187.
- Phương pháp thử nghiệm sinh học: Khảo sát sơ bộ hoạt tính kháng khuẩn tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về cấu trúc, tính chất và các hướng chuyển hóa chính của acid salicylic cùng dị vòng 1,3,4-oxadiazole:
- Acid salicylic và dẫn xuất: Acid 2-hydroxybenzoic có công thức phân tử $\text{C}_7\text{H}6\text{O}3$ ($M = 138,12\text{ g/mol}$), nhiệt độ nóng chảy $159^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi $211^\circ\text{C}$, tỷ khối $1,422\text{ g/cm}^3$, $\text{p}K{\text{a}1} = 2,98$ và $\text{p}K{\text{a}2} = 13,6$. Độ tan trong nước ở $20^\circ\text{C}$ đạt $0,2\text{ g}/100\text{ g } \text{H}_2\text{O}$, tan tốt trong dung môi hữu cơ. Tác giả trình bày các phản ứng chuyển hóa tiêu biểu:
- Phản ứng của nhóm -OH: Phản ứng tạo ether với diazomethane, alkyl halide; phản ứng ester hóa phenolic tạo Aspirin bằng chloride acid hoặc anhydride acid với xúc tác pyridine (phương pháp Schotten-Baumann).
- Phản ứng của nhóm -COOH: Tác dụng với ammonia tạo amide, tác dụng với alcohol tạo ester, tác dụng với $\text{PCl}_5$, $\text{SOCl}_2$ tạo acyl chloride.
- Phản ứng thế trên nhân thơm: Nitro hóa trực tiếp tạo 5-nitrosalicylic ở $40-60^\circ\text{C}$ hoặc dẫn xuất 3,5-dinitro ở $80-90^\circ\text{C}$; khử hóa nhóm nitro thành nhóm amino để tổng hợp các dị vòng triazole, thiadiazole, oxadiazole; phản ứng halogen hóa tạo dẫn xuất chloro, bromo và iodo. Dẫn xuất iodosalicylanilide được chứng minh có khả năng ức chế vi khuẩn Gram dương mạnh.
- Dị vòng aryl-1,3,4-oxadiazol-2-thiol: Phân tích đặc điểm cấu trúc dị vòng 5 cạnh gồm các thông số độ dài và góc liên kết. Tác giả tổng hợp các con đường đóng vòng oxadiazole: nhiệt phân ethylformate hydrazine (Ainsworth, 1965); oxy hóa đóng vòng $N$-acylpyrazolylaldehyde hydrazone bằng xúc tác iodobenzene diacetate; dehydrat hóa diacylhydrazine bằng $\text{POCl}_3$, $\text{SOCl}_2$ hoặc $\text{H}_2\text{SO}_4$; phản ứng giữa hydrazide với $\text{CS}_2/\text{KOH}$; và phương pháp sử dụng TMTD để tổng hợp 5-aryl-1,3,4-oxadiazol-2-thiol nhằm nâng cao độ an toàn môi trường theo hướng nghiên cứu của Lưu Văn Bôi và cộng sự.
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 2 mô tả chi tiết phương trình phản ứng, hóa chất, thiết bị, quy trình tiến hành và kết quả thu hồi cho từng bước trong sơ đồ tổng hợp 5 giai đoạn:
| Bước | Hợp chất tổng hợp | Tác nhân và điều kiện phản ứng | Lượng chất ban đầu | Sản phẩm thu được | Đặc điểm và tính chất vật lý |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Methyl salicylate (2) | $\text{CH}_3\text{OH}$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ đđ, đun hồi lưu 30–36 giờ | $60\text{ g}$ Acid salicylic, $150\text{ ml } \text{CH}_3\text{OH}$ | $35,9\text{ g}$ | Chất lỏng không màu, mùi dầu gió, dùng ngay cho bước tiếp theo |
| 2 | Methyl 2-hydroxy-5-iodobenzoate (3) | $\text{KI}$, nước Javen ($\text{NaClO } 4%$), $\text{CH}_3\text{OH}$, giữ nhiệt độ $0^\circ\text{C}$ | $9,96\text{ g } (0,06\text{ mol})$ (2), $9,96\text{ g } \text{KI}$ | $11,02\text{ g}$ | Tinh thể hình kim màu vàng nhạt, $t_\text{nc} = 73,2^\circ\text{C}$ |
| 3 | 2-Hydroxy-5-iodobenzohydrazide (4) | $\text{N}_2\text{H}_4\cdot\text{H}_2\text{O } 50%$, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, hồi lưu 7 giờ (chia 3 đợt thêm hydrazine) | $5,84\text{ g } (0,02\text{ mol})$ (3), $12\text{ ml } \text{N}_2\text{H}_4$ | $4,1\text{ g}$ (Hiệu suất $70%$) | Tinh thể hình kim màu vàng, $t_\text{nc} = 177,8^\circ\text{C}$ |
| 4 | 5-(2-Hydroxy-5-iodophenyl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol (5) | TMTD, DMF, đun hồi lưu cách thủy $90-100^\circ\text{C}$, 3–4 giờ | $5,0\text{ g } (0,024\text{ mol})$ (4), $11,4\text{ g}$ TMTD | $5,76\text{ g}$ | Tinh thể hình kim màu trắng, $t_\text{nc} = 195^\circ\text{C}$ |
| 5 | Dãy amide chứa dị vòng 1,3,4-oxadiazole (6a–e) | Dẫn xuất $\text{ClCH}_2\text{CONH-Ar}$, Dioxane, $\text{NaOH } 5%$, khuấy ở $60^\circ\text{C}$ trong 3 giờ | $0,48\text{ g } (1,5\text{ mmol})$ (5), $1,5\text{ mmol}$ chloroacetamide | Thu được 5 dẫn xuất (6a–e) | Tinh thể hình kim sau kết tinh lại trong $\text{DMF}-\text{H}_2\text{O}$ |
Thông số đặc trưng của 5 dẫn xuất amide tổng hợp thành công ở bước 5:
| Hợp chất | Nhóm thế Y | Dung môi kết tinh | Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) | Hiệu suất (%) | Trạng thái và màu sắc |
|---|---|---|---|---|---|
| 6a | $4\text{-CH}_3$ | $\text{DMF}-\text{H}_2\text{O}$ | 204 | 65 | Tinh thể hình kim, màu trắng |
| 6b | $4\text{-H}$ | $\text{DMF}-\text{H}_2\text{O}$ | 183 | 68 | Tinh thể hình kim, màu trắng |
| 6c | $4\text{-NO}_2$ | $\text{DMF}-\text{H}_2\text{O}$ | 211 | 70 | Tinh thể hình kim, màu vàng nâu |
| 6d | $4\text{-OC}_2\text{H}_5$ | $\text{DMF}-\text{H}_2\text{O}$ | 234 | 68 | Tinh thể hình kim, màu trắng |
| 6e | $2\text{-CH}_3$ | $\text{DMF}-\text{H}_2\text{O}$ | 210 | 67 | Tinh thể hình kim, màu trắng |
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 3 trình bày cơ chế phản ứng và biện luận cấu trúc chi tiết dựa trên dữ liệu phổ học của các hợp chất:
- Phản ứng tổng hợp methyl salicylate (2): Phản ứng ester hóa diễn ra theo cơ chế $\text{S}_\text{N}2(\text{CO})$ thuận nghịch với xúc tác $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc. Acid sulfuric hoạt hóa carbon carbonyl và hút nước để chuyển dịch cân bằng. Tác giả lưu ý lượng acid cần vừa đủ để tránh proton hóa hoàn toàn methanol thành $\text{CH}_3\text{OH}_2^+$, làm suy giảm tính nucleophile. Sản phẩm đạt nhiệt độ sôi $217^\circ\text{C}$.
- Phản ứng iod hóa tạo methyl 2-hydroxy-5-iodobenzoate (3): Phản ứng thế electrophile vào nhân thơm ($\text{S}_\text{E}\text{Ar}$). Do $\text{I}_2$ hoạt động kém, hệ tác nhân $\text{KI} + \text{NaClO}$ tạo $\text{I}_2$ hoạt hóa tại chỗ trong môi trường kiềm. Phản ứng được kiểm soát nghiêm ngặt ở $0^\circ\text{C}$ nhằm ngăn ngừa sự phân hủy của $\text{NaClO}$ và hạn chế tạo sản phẩm thế diiodo. Phổ IR của chất (3) ghi nhận vân hấp thụ sắc nhọn tại $1674\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C=O}$ ester), vùng $1203-1288\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C-O}$ ester), $1605\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C=C}$ thơm) và $525\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C-I}$).
- Phản ứng tạo 2-hydroxy-5-iodobenzohydrazide (4): Xảy ra theo cơ chế $\text{S}_\text{N}2(\text{CO})$ khi hydrazine tấn công vào carbon carbonyl của ester. Phản ứng yêu cầu môi trường kiềm yếu và nồng độ dư hydrazine (gấp 3 lần), được thêm chia làm 3 đợt cách nhau 1 giờ để tránh thủy phân ester. Phổ IR xác nhận vân $\text{C=O}$ chuyển dịch về tần số thấp hơn ở $1626\text{ cm}^{-1}$ (do hiệu ứng liên hợp của cặp electron tự do trên nguyên tử N với nhóm carbonyl), xuất hiện dao động $\text{N-H}$ tại $3405\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{NH}_2$) và $3322\text{ cm}^{-1}$ ($>\text{NH}$), cùng liên kết $\text{C-I}$ ở $529\text{ cm}^{-1}$.
- Phản ứng đóng vòng tạo 5-(2-hydroxy-5-iodophenyl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol (5): Hỗn hợp hydrazide (4) và TMTD giải phóng khí $\text{H}_2\text{S}$ (kiểm tra bằng giấy tẩm chì acetate $\text{Pb(CH}_3\text{COO)}_2$) và lưu huỳnh tự do. Phổ IR của (5) ghi nhận sự biến mất hoàn toàn của các đỉnh $\text{NH}_2$, $\text{NH}$ và $\text{C=O}$, đồng thời xuất hiện đỉnh $-\text{SH}$ ở $2774\text{ cm}^{-1}$ và $-\text{OH}$ ở $3441\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ xuất hiện proton $\text{H}_9$ ($-\text{SH}$) ở trường yếu $\delta = 10,79\text{ ppm}$ (singlet). Trong vùng nhân thơm: $\text{H}_3$ xuất hiện ở $\delta = 6,88\text{ ppm}$ ($d, ^3J = 8,5\text{ Hz}$); $\text{H}_4$ ở $\delta = 7,71\text{ ppm}$ ($dd, ^3J = 8,5\text{ Hz}, ^4J = 2,5\text{ Hz}$); $\text{H}_6$ ở $\delta = 7,87\text{ ppm}$ ($d, ^4J = 2,5\text{ Hz}$). Hệ thống tách spin này chứng minh iod gắn chọn lọc vào vị trí số 5 (para so với nhóm $-\text{OH}$). Phổ $^{13}\text{C-NMR}$ ghi nhận đủ 8 tín hiệu carbon: $\text{C}_1$ (112,0 ppm), $\text{C}_2$ (156,1 ppm), $\text{C}_3$ (119,6 ppm), $\text{C}_4$ (141,5 ppm), $\text{C}_5$ (80,7 ppm), $\text{C}_6$ (136,7 ppm), $\text{C}_7$ (158,3 ppm) và $\text{C}_8$ (177,1 ppm). Phổ HR-MS cho pic ion phân tử $[\text{M}+\text{H}]^+ = 320,9186$ (khối lượng lý thuyết của $\text{C}_8\text{H}_5\text{O}_2\text{N}_2\text{SI}$ là $319,9116$).
- Phản ứng tổng hợp dãy amide (6a–e): Phản ứng thế nucleophile $\text{S}_\text{N}2$ giữa thiol (5) và các dẫn xuất chloroacetamide trong môi trường kiềm loãng. Do nhóm $-\text{SH}$ có tính acid và tính nucleophile mạnh hơn nhóm phenolic $-\text{OH}$, phản ứng ưu tiên chọn lọc tạo sản phẩm thế tại nguyên tử lưu huỳnh ($\text{S}$-alkylation). Phổ IR của các chất (6a–e) mất tín hiệu $-\text{SH}$ ở $2774\text{ cm}^{-1}$ và xuất hiện đỉnh $\text{C=O}$ amide trong khoảng $1658-1697\text{ cm}^{-1}$.
Quy kết chi tiết phổ NMR của các dẫn xuất (6a–e) trên cơ sở tương tác HSQC và HMBC:
- Hợp chất 6a ($4\text{-CH}3$): Tín hiệu singlet của nhóm methylene $-\text{S-CH}2-$ ($\text{H}9$) ở $\delta = 4,32\text{ ppm}$ tương ứng với $\text{C}9$ ở $\delta = 36,8\text{ ppm}$ (trên HSQC); $\text{H}9$ cho tương tác HMBC với $\text{C}{10}$ ($\text{C=O}$ amide ở $164,5\text{ ppm}$) và $\text{C}8$ (carbon dị vòng ở $163,2\text{ ppm}$). Proton amide linh động $\text{H}{11}$ xuất hiện ở $\delta = 10,32\text{ ppm}$ và proton phenolic $\text{H}{2a}$ ở $\delta = 10,56\text{ ppm}$. Nhóm methyl $\text{H}{15a}$ xuất hiện dạng singlet tại $\delta = 2,25\text{ ppm}$ ($\text{C}{15a} = 20,4\text{ ppm}$). Nhân aryl mang nhóm thế có $\text{H}{13,17}$ ở $\delta = 7,45\text{ ppm}$ ($d, ^3J = 8,5\text{ Hz}$) và $\text{H}_{14,16}$ ở $\delta = 7,12\text{ ppm}$ ($d, ^3J = 8,5\text{ Hz}$).
- Hợp chất 6b ($4\text{-H}$): $\text{H}{2a}$ ($\delta = 10,56\text{ ppm}$), $\text{H}{11}$ ($\delta = 10,41\text{ ppm}$), $\text{H}9$ ($\delta = 4,34\text{ ppm}$), $\text{H}{13,17}$ ($\delta = 7,58\text{ ppm}, d, ^3J = 8,0\text{ Hz}$), $\text{H}{14,16}$ ($\delta = 7,32\text{ ppm}, dd, ^3J = 8,0\text{ Hz}, ^3J = 7,5\text{ Hz}$) và $\text{H}{15}$ ($\delta = 7,07\text{ ppm}, d, ^3J = 7,5\text{ Hz}$).
- Hợp chất 6c ($4\text{-NO}2$): Hiệu ứng hút electron mạnh của nhóm nitro làm dịch chuyển proton amide $\text{H}{11}$ xuống trường rất yếu ở $\delta = 11,02\text{ ppm}$ ($\text{C}{10} = 165,93\text{ ppm}$ trên HMBC); $\text{H}{13,17}$ ở $\delta = 7,83\text{ ppm}$ ($d, ^3J = 9,0\text{ Hz}$) và $\text{H}_{14,16}$ ở $\delta = 8,22\text{ ppm}$ ($d, ^3J = 9,0\text{ Hz}$).
- Hợp chất 6d ($4\text{-OC}2\text{H}5$): Nhóm ethoxy thể hiện rõ qua tín hiệu quartet của $\text{H}{15a}$ ($-\text{OCH}2-$) tại $\delta = 3,99\text{ ppm}$ ($^3J = 7,0\text{ Hz}$, $\text{C}{15a} = 63,08\text{ ppm}$) và triplet của $\text{H}{15b}$ ($-\text{CH}3$) tại $\delta = 1,31\text{ ppm}$ ($^3J = 7,0\text{ Hz}$, $\text{C}{15b} = 14,65\text{ ppm}$).
- Hợp chất 6e ($2\text{-CH}3$): Nhóm methyl ở vị trí ortho $\text{H}{13a}$ ở $\delta = 2,21\text{ ppm}$ ($\text{C}{13a} = 17,73\text{ ppm}$). Vùng thơm xuất hiện 4 tín hiệu riêng biệt cho nhân phenyl bất đối xứng: $\text{H}{14}$ ($\delta = 7,23\text{ ppm}, d, ^3J = 7,5\text{ Hz}$), $\text{H}{15}$ ($\delta = 7,18\text{ ppm}, dd$), $\text{H}{16}$ ($\delta = 7,11\text{ ppm}, dd$) và $\text{H}_{17}$ ($\delta = 7,41\text{ ppm}, d, ^3J = 7,5\text{ Hz}$).
Chương 4: Kết luận và đề xuất
Khóa luận tổng kết các kết quả đạt được và đề xuất định hướng phát triển nghiên cứu:
- Đã hoàn thiện quy trình tổng hợp 5 giai đoạn đi từ acid salicylic để tạo ra 5 hợp chất amide mới chứa dị vòng 1,3,4-oxadiazole.
- Đã xác định đầy đủ và chính xác cấu trúc hóa học của tất cả các hợp chất tổng hợp được thông qua việc phân tích và quy kết các tín hiệu quang phổ IR, $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, HSQC, HMBC và HR-MS.
- Đề xuất mở rộng nghiên cứu tổng hợp thêm các dẫn xuất mới với các nhóm thế đa dạng hơn trên vòng thơm và tiếp tục đẩy mạnh các thử nghiệm sàng lọc hoạt tính sinh học (kháng khuẩn, kháng nấm, kháng tế bào ung thư) nhằm định hướng ứng dụng dược phẩm.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu mang lại các kết quả thực nghiệm và đóng góp chuyên môn cụ thể:
- Kết quả tổng hợp: Đã tổng hợp thành công 4 hợp chất trung gian (methyl salicylate, methyl 2-hydroxy-5-iodobenzoate, 2-hydroxy-5-iodobenzohydrazide, 5-(2-hydroxy-5-iodophenyl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol) và 5 dẫn xuất amide mới chứa dị vòng 1,3,4-oxadiazole (6a–e) với hiệu suất tổng hợp của dãy amide đạt từ $65%$ đến $70%$.
- Cải tiến kỹ thuật thực nghiệm:
- Áp dụng thành công tác nhân TMTD để đóng dị vòng 1,3,4-oxadiazol-2-thiol thay thế cho tác nhân $\text{CS}_2$ truyền thống, giúp hạn chế rủi ro cháy nổ và độc hại trong phòng thí nghiệm.
- Thiết lập quy trình iod hóa chọn lọc vị trí số 5 (para so với nhóm $-\text{OH}$) trên khung methyl salicylate bằng hệ tác nhân $\text{KI} + \text{NaClO}$ ở $0^\circ\text{C}$ với hiệu suất thu hồi sản phẩm rắn đạt $11,02\text{ g}$.
- Đóng góp dữ liệu cấu trúc: Cung cấp bộ thông số phổ học chuẩn xác ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, HMBC, HSQC, FTIR, HR-MS) của 5 hợp chất dị vòng amide mới, chứng minh phản ứng alkyl hóa xảy ra chọn lọc trên nguyên tử lưu huỳnh ($-\text{S}-$) mà không ảnh hưởng đến nhóm phenolic ($-\text{OH}$).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Nghiên cứu mới dừng lại ở việc tổng hợp một dãy hẹp gồm 5 dẫn xuất amide với các nhóm thế đơn giản ($4\text{-CH}_3$, $4\text{-H}$, $4\text{-NO}_2$, $4\text{-OC}_2\text{H}_5$, $2\text{-CH}_3$); phần đánh giá hoạt tính sinh học mới triển khai ở bước thăm dò kháng khuẩn ban đầu, chưa có phổ sàng lọc mở rộng trên nhiều dòng tế bào và chủng vi sinh vật khác nhau.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng thư viện cấu trúc bằng cách gắn các nhóm thế dị vòng hoặc các gốc thế có tính chất điện tử khác nhau lên khung $N$-aryl.
- Thực hiện các thử nghiệm định lượng sinh học chi tiết (xác định nồng độ ức chế tối thiểu MIC đối với vi khuẩn Gram âm, Gram dương, vi nấm và thử nghiệm độc tính tế bào).
Giá trị tham khảo
Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dược và Công nghệ Hóa học. Tài liệu có giá trị ứng dụng cao trong các nội dung:
- Quy trình thực nghiệm iod hóa chọn lọc nhân thơm của các hợp chất phenolic bằng cặp tác nhân $\text{KI}/\text{NaClO}$.
- Quy trình an toàn tổng hợp dị vòng aryl-1,3,4-oxadiazol-2-thiol bằng phản ứng thiocarbamoyl hóa với TMTD.
- Phương pháp biện luận phổ cộng hưởng từ hạt nhân 2D (HSQC, HMBC) để phân biệt các vị trí thế đồng phân nhân thơm và xác định sự hình thành liên kết $-\text{S-CH}_2\text{-CONH}-$.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao phản ứng iod hóa methyl salicylate cần sử dụng tác nhân $\text{NaClO}$ và phải duy trì nhiệt độ ở $0^\circ\text{C}$?
Do $\text{I}_2$ có hoạt tính electrophile yếu và phản ứng sinh ra acid $\text{HI}$ dễ làm cân bằng chuyển dịch ngược lại. $\text{NaClO}$ đóng vai trò chất oxy hóa chuyển hóa ion $\text{I}^-$ thành $\text{I}_2$ hoạt hóa tại chỗ và loại bỏ $\text{HI}$. Nhiệt độ phản ứng cần giữ ở $0^\circ\text{C}$ để tránh $\text{NaClO}$ bị phân hủy thành oxy nguyên tử và hạn chế tối đa phản ứng thế iod lần thứ hai vào nhân thơm.
2. Ưu điểm nổi bật của việc dùng Tetramethylthiuram disulfide (TMTD) thay thế carbon disulfide ($\text{CS}_2$) trong phản ứng đóng dị vòng oxadiazole là gì?
$\text{CS}_2$ là dung môi/tác nhân rất độc hại, có độ bay hơi cao và cực kỳ dễ cháy nổ. Việc sử dụng TMTD làm tác nhân thiocarbamoyl hóa trong dung môi DMF giúp phản ứng diễn ra an toàn, kiểm soát được lượng khí $\text{H}_2\text{S}$ thoát ra (bằng giấy tẩm chì acetate), đồng thời cho hiệu suất đóng vòng ổn định.
3. Dữ liệu phổ nào chứng minh nguyên tử iod nằm ở vị trí số 5 (para so với nhóm -OH) trên hợp chất (5)?
Trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của hợp chất (5), 3 proton còn lại trên nhân benzen phân tách thành 3 tín hiệu đặc trưng: proton $\text{H}_3$ ở $\delta = 6,88\text{ ppm}$ ($d, ^3J = 8,5\text{ Hz}$ do tương tác ortho với $\text{H}_4$), proton $\text{H}_4$ ở $\delta = 7,71\text{ ppm}$ ($dd, ^3J = 8,5\text{ Hz}, ^4J = 2,5\text{ Hz}$ do tương tác đồng thời với $\text{H}_3$ và $\text{H}_6$), và proton $\text{H}_6$ ở $\delta = 7,87\text{ ppm}$ ($d, ^4J = 2,5\text{ Hz}$ do tương tác meta với $\text{H}_4$). Hệ vân này chứng minh chỉ có 1 nguyên tử iod thế vào vị trí $\text{C}_5$.
4. Dựa trên cơ sở nào để khẳng định phản ứng giữa chất (5) và chloroacetamide ưu tiên xảy ra tại nhóm -SH thay vì nhóm -OH?
Nhóm thiol ($-\text{SH}$) có độ phân cực lớn hơn, tính acid cao hơn và tính nucleophile mạnh hơn đáng kể so với nhóm phenolic ($-\text{OH}$). Do đó, trong môi trường kiềm loãng ($\text{NaOH } 5%$), nhóm $-\text{SH}$ bị khử proton trước tạo ion thiolate ($\text{Ar-S}^-$) tấn công thế $\text{S}_\text{N}2$ lên nguyên tử carbon mang clo của chloroacetamide. Phổ IR của sản phẩm mất hoàn toàn đỉnh $-\text{SH}$ ($2774\text{ cm}^{-1}$) nhưng vẫn bảo toàn tín hiệu nhóm $-\text{OH}$ và xuất hiện đỉnh $\text{C=O}$ amide mới.
5. Hiệu suất và nhiệt độ nóng chảy của 5 dẫn xuất amide (6a–e) biến thiên như thế nào theo nhóm thế Y?
Các dẫn xuất thu được đều ở dạng tinh thể hình kim với hiệu suất từ $65%$ đến $70%$: dẫn xuất 6a ($4\text{-CH}3$) đạt $65%$ ($t\text{nc} = 204^\circ\text{C}$), 6b ($4\text{-H}$) đạt $68%$ ($t_\text{nc} = 183^\circ\text{C}$), 6c ($4\text{-NO}2$) đạt $70%$ ($t\text{nc} = 211^\circ\text{C}$), 6d ($4\text{-OC}_2\text{H}5$) đạt $68%$ ($t\text{nc} = 234^\circ\text{C}$), và 6e ($2\text{-CH}3$) đạt $67%$ ($t\text{nc} = 210^\circ\text{C}$).
Kết luận
Khóa luận của tác giả Nguyễn Thị Thúy Hiền đã xây dựng thành công quy trình thực nghiệm gồm 5 giai đoạn điều chế các dẫn xuất amide chứa dị vòng 1,3,4-oxadiazole từ nguyên liệu ban đầu là acid salicylic. Các phương pháp phổ nghiệm hiện đại ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, HSQC, HMBC, FTIR, HR-MS) đã làm sáng tỏ cấu trúc hóa học, vị trí gắn thế chọn lọc và cơ chế phản ứng của các chất trung gian cũng như 5 sản phẩm amide mới. Công trình đóng góp quy trình thực nghiệm an toàn, hiệu quả trong tổng hợp hóa dược và cung cấp hệ thống dữ liệu phổ có giá trị tham khảo cho lĩnh vực tổng hợp các hợp chất dị vòng hoạt tính sinh học.