Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, các hợp chất dị vòng đóng vai trò quan trọng do tính ứng dụng đa dạng trong khoa học vật liệu, phẩm nhuộm, chất xúc tác và đặc biệt là ngành hóa dược. Khung dị vòng quinoline (benzo[b]pyridine) cùng các dẫn xuất của nó là cấu trúc nền tảng trong nhiều hoạt chất sinh học tự nhiên và nhân tạo. Các nghiên cứu dược lý đã chứng minh dẫn xuất quinoline sở hữu phổ tác dụng sinh học phong phú như trị sốt rét (bắt nguồn từ alkaloid quinin trong vỏ cây Cinchona), kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus, diệt ký sinh trùng đường máu (Leishmania gây bệnh Kala-azar), chống giun sán, kháng viêm, trị lao và ức chế tế bào ung thư hoặc HIV. Trong đó, nhóm acid quinoline-4-carboxylic và các dẫn xuất chuyển hóa chức (ester, hydrazide, hydrazone, dị vòng 1,2,4-triazole) là đối tượng nghiên cứu tiềm năng nhờ khả năng gia tăng hoạt tính sinh học và mở rộng khả năng phối trí không gian.
Từ bối cảnh thực tiễn trên, đề tài khóa luận "Tổng hợp một số hợp chất chứa dị vòng quinoline, dẫn xuất của acid 2-methylquinoline-4-carboxylic" do sinh viên Đặng Thùy Trinh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tiến Công được triển khai nhằm đạt các mục tiêu cụ thể:
- Từ tiền chất isatin và acetone, tổng hợp thành công acid 2-methylquinoline-4-carboxylic thông qua phản ứng ngưng tụ đóng vòng Pfitzinger.
- Chuyển hóa acid 2-methylquinoline-4-carboxylic thành các dẫn xuất chức gồm ester, hydrazide, dẫn xuất hydrazide $N$-thế (hydrazone) và các hệ dị vòng 5 cạnh chứa dị tố nitơ - lưu huỳnh (1,2,4-triazole).
- Khảo sát tính chất vật lý, dung môi kết tinh, nhiệt độ nóng chảy và xác định cấu trúc phân tử của toàn bộ các hợp chất tổng hợp được bằng các phương pháp phổ học hiện đại (IR, $^1\text{H-NMR}$).
Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là dị vòng quinoline, acid 2-methylquinoline-4-carboxylic và các dẫn xuất chuyển hóa trung gian cùng sản phẩm đóng vòng mới. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ - Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh; các phép đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$) được thực hiện tại Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình chuyển hóa hóa học
Khóa luận xây dựng lộ trình nghiên cứu dựa trên các phản ứng tổng hợp hữu cơ kinh điển và cơ chế chuyển hóa chuyên biệt cho khung dị vòng:
- Phản ứng Pfitzinger: Phương pháp tạo khung quinoline thông qua phản ứng ngưng tụ giữa isatin (hoặc dẫn xuất) với hợp chất chứa nhóm carbonyl $-\text{CH}_2\text{CO}-$ (cụ thể là acetone) trong môi trường base mạnh ($\text{KOH}$). Cơ chế gồm 3 giai đoạn: (i) Thủy phân mở vòng isatin tạo muối của acid $o$-aminophenylglyoxylic (dạng trung gian anilinic amine); (ii) Tấn công nucleophile của nhóm amine vào carbon carbonyl của acetone tạo hợp chất trung gian base Schiff; (iii) Đóng vòng nội phân tử kiểu Claisen giữa nhóm benzylic carbonyl và nhóm $\alpha$-methylene hoạt động của imine, kèm theo sự tách nước để tạo dẫn xuất acid quinoline-4-carboxylic.
- Phản ứng ester hóa: Chuyển hóa acid carboxylic thành ester ethyl với xúc tác acid $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc theo cơ chế thế nucleophile tại nhóm carbonyl ($S_N2$, phân cắt acyl-oxy).
- Phản ứng hydrazin phân (Hydrazinolysis): Tác dụng giữa ester và hydrazine hydrate tạo 2-methylquinoline-4-carbohydrazide theo cơ chế thế lưỡng phân tử $S_N2$.
- Phản ứng tạo hydrazide $N$-thế: Phản ứng cộng nucleophile ($A_N$) của hydrazide vào nhóm carbonyl của aldehyde thơm ($p$-methoxybenzaldehyde), tiếp nối bằng quá trình tách nước tạo hydrazone.
- Phản ứng đóng vòng tạo dị vòng 1,2,4-triazole: Tạo muối dithiocarbazate khi cho hydrazide phản ứng với $\text{CS}_2/\text{KOH}$ rồi khép vòng với hydrazine; hoặc phản ứng của hydrazide với phenylisothiocyanate tạo dẫn xuất thiosemicarbazide rồi đóng vòng trong môi trường kiềm $\text{NaOH}$.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp tổng hợp và tinh chế hữu cơ: Thực hiện phản ứng đun hồi lưu nhiệt độ từ $100-150^\circ\text{C}$ có khuấy từ; kỹ thuật kết tinh phân đoạn, lọc hút chân không, rửa loại tạp chất bằng dung môi chọn lọc (nước cất, diethyl ether, hỗn hợp ethanol - nước, ethanol - dioxane).
- Phương pháp xác định tính chất vật lý: Đo khoảng nhiệt độ nóng chảy bằng máy đo điểm nóng chảy SMP3.
- Phương pháp phân tích quang phổ xác định cấu trúc:
- Phổ hồng ngoại (FT-IR): Ghi trên máy Shimadzu FTIR 8400S, mẫu đo dạng viên nén $\text{KBr}$ trong khoảng số sóng $4000-400\text{ cm}^{-1}$.
- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$): Ghi trên thiết bị Bruker Avance 500 MHz, sử dụng dung môi DMSO-$d_6$.
Nguồn nguyên liệu và hóa chất
Nghiên cứu sử dụng các hóa chất tinh khiết phân tích: isatin, acetone, dung dịch $\text{KOH}$, $\text{NaOH}$, $\text{HCl}$, ethanol, $\text{H}_2\text{SO}_4$ 98%, hydrazine hydrate ($\text{N}_2\text{H}_4$ 80%), $p$-methoxybenzaldehyde, carbon disulfide ($\text{CS}_2$), phenylisothiocyanate ($\text{C}_6\text{H}_5\text{NCS}$), acid acetic băng ($\text{CH}_3\text{COOH}$), $\text{Na}_2\text{CO}_3$, diethyl ether và 1,4-dioxane.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cấu trúc, lịch sử, phương pháp tổng hợp và hoạt tính sinh học của quinoline và dẫn xuất acid quinoline-4-carboxylic:
- Cấu trúc quinoline: Phân tử phẳng, công thức $\text{C}_9\text{H}_7\text{N}$ ($M = 129.16$), gồm một vòng benzene ngưng tụ với vòng pyridine. Tất cả nguyên tử $\text{C}$ và $\text{N}$ ở trạng thái lai hóa $sp^2$, hệ liên hợp thơm kín $10\pi$ electron thỏa mãn quy tắc Hückel ($4n+2$). Cặp electron tự do trên orbital $sp^2$ của nguyên tử nitơ không tham gia liên hợp thơm, tạo tính base cho phân tử.
- Tổng hợp quinoline: Tổng kết các phương pháp cổ điển (Combes, Conrad-Limpach, Doebner, Friedlander, Gould-Jacobs, Pfitzinger). Phân tích chi tiết phản ứng Pfitzinger giữa isatin với các họ cetone: dialkylcetone, cetoacid (acid pyruvic), alkylarylcetone (acetophenone) và cetone vòng (cyclopentanone). Hiệu suất phản ứng phụ thuộc chặt chẽ vào cấu trúc lập phương của nhóm thế liền kề nhóm carbonyl.
- Ứng dụng sinh học và chuyển hóa: Nêu dẫn chứng về hoạt tính điều trị bệnh Leishmania (trùng roi gây loét da và sốt đen Kala-azar) của các dẫn xuất acid quinoline-4-carboxylic; hoạt tính hạ sốt, giảm đau của cinchophen (atophan); hoạt tính kháng khuẩn (E. coli, B. cereus, S. aureus), kháng nấm (C. albicans), kháng lao, chống viêm của các hợp chất hydrazide, hydrazone và dị vòng 1,2,4-triazole / 1,3,4-thiadiazole liên kết với khung quinoline.
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp 6 hợp chất theo sơ đồ chuyển hóa nối tiếp:
| Hợp chất | Tên hóa học | Lượng nguyên liệu ban đầu | Điều kiện phản ứng | Dung môi kết tinh lại |
|---|---|---|---|---|
| (1) | Acid 2-methylquinoline-4-carboxylic | 24 g isatin, 100 ml acetone, 150 ml kiềm-rượu 33% | Đun khuấy từ 8 giờ ($130-150^\circ\text{C}$), acid hóa bằng $\text{HCl}$ (1:1) đến $\text{pH} = 5-5.5$ | Ethanol |
| (2) | Ethyl 2-methylquinoline-4-carboxylate | 10 g chất (1), 130 ml ethanol, 13 ml $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc | Đun khuấy từ 8 giờ ($130-150^\circ\text{C}$), trung hòa bằng $\text{Na}_2\text{CO}_3$ | Ethanol : Nước (1:1) |
| (3) | 2-Methylquinoline-4-carbohydrazide | 7 g chất (2), 50 ml ethanol, 5 ml $\text{N}_2\text{H}_4$ 80% (chia 3 lần) | Đun cách thủy 8 giờ, làm lạnh kết tinh | Ethanol |
| (4) | $N$'-(4-Methoxybenzylidene)-2-methylquinoline-4-carbohydrazide | 1.00 g chất (3) (5 mmol), 0.67 g $p$-methoxybenzaldehyde (5 mmol), 20 ml ethanol | Đun hồi lưu 4 giờ | Ethanol |
| (5) | 4-Amino-5-(2-methylquinolin-4-yl)-1,2,4-triazole-3-thiol | 2.00 g chất (3), 0.56 g $\text{KOH}$, 0.50 ml $\text{CS}_2$; sau đó đun với 5 ml $\text{N}_2\text{H}_4$ 80% | Giai đoạn 1: khuấy 30 phút; Giai đoạn 2: đun 3 giờ, acid hóa bằng $\text{CH}_3\text{COOH}$ ($\text{pH}=6-7$) | Ethanol : Dioxane (1:1) |
| (6) | 3-(2-Methylquinolin-4-yl)-4-phenyl-1,2,4-triazole-5-thione | 1.00 g chất (3) (5 mmol), 0.68 g $\text{C}_6\text{H}_5\text{NCS}$ (5 mmol); sau đó đun với 20 ml $\text{NaOH}$ 2M | Giai đoạn 1: đun 2 giờ; Giai đoạn 2: đun 3 giờ, acid hóa bằng $\text{CH}_3\text{COOH}$ ($\text{pH}=6-7$) | Ethanol |
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 3 biện luận cơ chế, các yếu tố kỹ thuật chi phối hiệu suất và phân tích dữ liệu phổ học (IR, $^1\text{H-NMR}$) của từng hợp chất:
- Acid 2-methylquinoline-4-carboxylic (1): Hiệu suất đạt 63%, điểm nóng chảy $238-240^\circ\text{C}$. Tác giả làm rõ vai trò nồng độ kiềm (dung dịch kiềm-rượu $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} : \text{H}2\text{O} = 2:1$ chứa $\text{KOH}$ 33%) và lượng dư acetone (gấp 8 lần lý thuyết). Khi acid hóa bằng $\text{HCl}$, việc kiểm soát $\text{pH} = 5-5.5$ là bắt buộc để tránh tạo muối hydroperchlorate/hydrochloride tan trong nước do vòng quinoline có tính base. Phổ IR: xuất hiện vân $-\text{OH}$ rộng tại $3416\text{ cm}^{-1}$, vân $>\text{C}=\text{O}$ acid thơm tại $1670\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$, $\text{DMSO-}d_6$): $\delta = 2.71\text{ ppm}$ ($s, 3\text{H}, \text{H}{2a}$); $8.82\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, \text{H}_3$); $8.00\text{ ppm}$ ($d, 2\text{H}, \text{H}_5, \text{H}_8, ^3J = 8\text{ Hz}$); $7.63\text{ ppm}$ ($ddd, 2\text{H}, \text{H}_6, \text{H}_7, ^3J = 7\text{ Hz}$).
- Ethyl 2-methylquinoline-4-carboxylate (2): Hiệu suất 55%, điểm nóng chảy $76-77^\circ\text{C}$ (tinh thể hình kim màu trắng, phân hủy ở $152.9^\circ\text{C}$). Sử dụng xúc tác $\text{H}_2\text{SO}_4$ đậm đặc để proton hóa nhóm carbonyl và hút nước sinh ra; ethanol đóng vai trò kép vừa là tác chất vừa là dung môi. Phổ IR: mất hoàn toàn vân $-\text{OH}$, xuất hiện vân $>\text{C}=\text{O}$ ester tại $1720\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$: $\delta = 1.39\text{ ppm}$ ($t, 3\text{H}, -\text{CH}_3$ ester, $J=7\text{ Hz}$); $4.45\text{ ppm}$ ($q, 2\text{H}, -\text{CH}2-$ ester, $J=7\text{ Hz}$); $2.72\text{ ppm}$ ($s, 3\text{H}, \text{H}{2a}$); $8.82\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, \text{H}_3$); $8.01\text{ ppm}$ ($d, 2\text{H}, \text{H}_5, \text{H}_8, ^3J = 8\text{ Hz}$); $7.66\text{ ppm}$ ($ddd, 2\text{H}, \text{H}_6, \text{H}_7, ^3J = 8\text{ Hz}$).
- 2-Methylquinoline-4-carbohydrazide (3): Hiệu suất 31%, điểm nóng chảy $176-178^\circ\text{C}$. Phản ứng đòi hỏi môi trường kiềm yếu; tác giả chia lượng hydrazine làm 3 đợt và dùng dư gấp 3-4 lần để tránh thủy phân ester trong môi trường quá kiềm hoặc proton hóa hydrazine trong môi trường acid. Phổ IR: xuất hiện 3 mũi $-\text{NH}-, -\text{NH}_2$ tại $3364, 3198, 3042\text{ cm}^{-1}$; vân $>\text{C}=\text{O}$ dịch chuyển về tần số thấp $1624\text{ cm}^{-1}$ do hiệu ứng cộng hưởng liên hợp điện tử từ nitơ. Phổ $^1\text{H-NMR}$: $\delta = 9.75\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, -\text{NH}-$); $4.52\text{ ppm}$ ($s, 2\text{H}, -\text{NH}2$); $3.24\text{ ppm}$ ($s, 3\text{H}, \text{H}{2a}$); $7.24\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, \text{H}_3$); $7.81\text{ ppm}$ ($d, 2\text{H}, \text{H}_5, \text{H}_8, ^3J = 10\text{ Hz}$); $7.40\text{ ppm}$ ($ddd, 2\text{H}, \text{H}_6, \text{H}_7, ^3J = 10\text{ Hz}$).
- $N$'-(4-Methoxybenzylidene)-2-methylquinoline-4-carbohydrazide (4): Điểm nóng chảy $222-223^\circ\text{C}$. Phổ IR: vân $-\text{NH}-$ đơn tại $3209\text{ cm}^{-1}$ (không còn tách đôi của $-\text{NH}_2$), vân $>\text{C}=\text{O}$ tại $1649\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ ghi nhận hiện tượng đặc biệt: xuất hiện hai bộ tín hiệu đồng thời với tỷ lệ cường độ $1:3$, được giải thích do sự tồn tại cân bằng hỗ biến của hai cấu trạng syn và anti quay quanh liên kết $-\text{C(O)}-\text{NH}-$.
- 4-Amino-5-(2-methylquinolin-4-yl)-1,2,4-triazole-3-thiol (5): Điểm nóng chảy $240-242^\circ\text{C}$ (bột màu vàng). Hợp chất mới chưa có trong tài liệu tham khảo. Phổ IR: mất hoàn toàn vân $>\text{C}=\text{O}$, xuất hiện đám hấp thụ tù rộng của dao động hóa trị $-\text{SH}$ ở vùng $2500-2800\text{ cm}^{-1}$, vân $-\text{NH}_2$ tại $3283\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$: xuất hiện mũi singlet đặc trưng tại $\delta = 14.22\text{ ppm}$ ($1\text{H}, -\text{SH}$) và $\delta = 5.68\text{ ppm}$ ($2\text{H}, -\text{NH}_2$); proton vòng quinoline gồm $\delta = 7.80\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, \text{H}_3$), $8.02\text{ ppm}$ ($d, 2\text{H}, \text{H}_5, \text{H}_8, ^3J = 8\text{ Hz}$), $7.58\text{ ppm}$ ($ddd, 2\text{H}, \text{H}_6, \text{H}_7, ^3J = 7\text{ Hz}$).
- 3-(2-Methylquinolin-4-yl)-4-phenyl-1,2,4-triazole-5-thione (6): Điểm nóng chảy $248-250^\circ\text{C}$ (bột màu vàng nhạt). Hợp chất mới chưa có trong tài liệu tham khảo. Phổ IR: xuất hiện vân dao động $>\text{C}=\text{S}$ tại $1203\text{ cm}^{-1}$, vân $-\text{NH}-$ tại $2853\text{ cm}^{-1}$. Phổ $^1\text{H-NMR}$: tín hiệu tù tại $\delta = 14.42\text{ ppm}$ ($1\text{H}, -\text{NH}-$); proton nhóm methyl $\delta = 2.55\text{ ppm}$ ($s, 3\text{H}, \text{H}_{2a}$); 5 proton vòng phenyl tại $\delta = 7.31\text{ ppm}$; $\delta = 7.46\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, \text{H}_3$); $\delta = 7.93\text{ ppm}$ ($d, 1\text{H}, \text{H}_5, ^3J = 8.5\text{ Hz}$); $\delta = 7.92\text{ ppm}$ ($d, 1\text{H}, \text{H}_8, ^3J = 9.0\text{ Hz}$); $\delta = 7.52\text{ ppm}$ ($dd, 1\text{H}, \text{H}_6, ^3J = 7.5\text{ Hz}$); $\delta = 7.72\text{ ppm}$ ($dd, 1\text{H}, \text{H}_7, ^3J = 7.5\text{ Hz}$).
Chương 4: Kết luận và đề xuất
Tổng kết toàn bộ các chất đã tổng hợp thành công, khẳng định tính nhất quán giữa dữ liệu thực nghiệm và lý thuyết cấu trúc; đề xuất 3 định hướng nghiên cứu tiếp theo về phổ học mở rộng, thử nghiệm hoạt tính sinh học và tổng hợp các dị vòng mới.
Kết quả và đóng góp
Tổng hợp kết quả thực nghiệm và thông số phổ học
| Ký hiệu | Tên hợp chất | Trạng thái, màu sắc | Hiệu suất (%) | Điểm nóng chảy thực nghiệm ($^\circ\text{C}$) | Điểm nóng chảy tài liệu ($^\circ\text{C}$) | Tín hiệu phổ đặc trưng chính |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (1) | Acid 2-methylquinoline-4-carboxylic | Bột trắng | 63 | $238 - 240$ | $238 - 240$ | IR: $3416\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{OH}$), $1670\text{ cm}^{-1}$ ($>\text{C}=\text{O}$); $^1\text{H-NMR}$: $\delta = 2.71\text{ ppm}$ ($s, 3\text{H}$) |
| (2) | Ethyl 2-methylquinoline-4-carboxylate | Tinh thể kim trắng | 55 | $76 - 77$ | 77 | IR: $1720\text{ cm}^{-1}$ ($>\text{C}=\text{O}$ ester); $^1\text{H-NMR}$: $\delta = 1.39\text{ ppm}$ ($t, 3\text{H}$), $4.45\text{ ppm}$ ($q, 2\text{H}$) |
| (3) | 2-Methylquinoline-4-carbohydrazide | Bột trắng | 31 | $176 - 178$ | 178 | IR: $3364, 3198\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{NH}-, -\text{NH}_2$), $1624\text{ cm}^{-1}$ ($>\text{C}=\text{O}$); $^1\text{H-NMR}$: $\delta = 9.75\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}$), $4.52\text{ ppm}$ ($s, 2\text{H}$) |
| (4) | $N$'-(4-Methoxybenzylidene)-2-methylquinoline-4-carbohydrazide | Bột trắng | — | $222 - 223$ | $225.2 - 228.5$ | IR: $3209\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{NH}-$), $1649\text{ cm}^{-1}$ ($>\text{C}=\text{O}$); $^1\text{H-NMR}$: 2 bộ tín hiệu cân bằng syn/anti ($1:3$) |
| (5) | 4-Amino-5-(2-methylquinolin-4-yl)-1,2,4-triazole-3-thiol | Bột vàng | — | $240 - 242$ | Chất mới | IR: $2500-2800\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{SH}$), $3283\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{NH}_2$); $^1\text{H-NMR}$: $\delta = 14.22\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, -\text{SH}$), $5.68\text{ ppm}$ ($s, 2\text{H}, -\text{NH}_2$) |
| (6) | 3-(2-Methylquinolin-4-yl)-4-phenyl-1,2,4-triazole-5-thione | Bột vàng nhạt | — | $248 - 250$ | Chất mới | IR: $1203\text{ cm}^{-1}$ ($>\text{C}=\text{S}$); $^1\text{H-NMR}$: $\delta = 14.42\text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, -\text{NH}-$), $7.31\text{ ppm}$ ($5\text{H}, \text{Ar-H}$) |
Đóng góp khoa học của công trình
- Đóng góp về mặt tổng hợp: Xây dựng thành công quy trình thực nghiệm đa bước từ nguyên liệu ban đầu dễ tìm (isatin, acetone) để tạo chuỗi dẫn xuất mang khung 2-methylquinoline-4-carboxylic; làm rõ các điều kiện tối ưu về tỷ lệ tác chất, nhiệt độ, dung môi và kỹ thuật điều chỉnh pH để tách cô lập sản phẩm đạt độ tinh khiết cao.
- Phát hiện hợp chất mới: Đã tổng hợp thành công 02 hợp chất chứa dị vòng 1,2,4-triazole chưa từng được công bố trong các tài liệu tham khảo của đề tài là 4-amino-5-(2-methylquinolin-4-yl)-1,2,4-triazole-3-thiol (5) và 3-(2-methylquinolin-4-yl)-4-phenyl-1,2,4-triazole-5-thione (6).
- Đóng góp về mặt phổ học cấu trúc: Cung cấp bộ dữ liệu phổ FT-IR và $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$) chi tiết, quy kết đầy đủ các vạch hấp thụ, độ dịch chuyển hóa học ($\delta$), hình dạng vân phổ và hằng số tách spin-spin ($J$). Đồng thời, nghiên cứu đã phát hiện và giải thích thỏa đáng sự xuất hiện của hai bộ tín hiệu trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của dẫn xuất hydrazone (4) bắt nguồn từ cân bằng đồng phân cấu trạng syn/anti ở liên kết amide.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Nghiên cứu chưa thực hiện các phép phân tích phổ nâng cao gồm phổ cộng hưởng từ hạt nhân carbon ($^{13}\text{C-NMR}$), phổ tương quan hai chiều (HSQC, HMBC) và phổ khối lượng (MS) để khẳng định khối lượng phân tử và tương tác dị nhân.
- Nghiên cứu dừng lại ở mức độ tổng hợp hóa học và xác định cấu trúc; chưa trực tiếp tiến hành thử nghiệm sàng lọc hoạt tính sinh học (in vitro hoặc in vivo) như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng lao hay độc tế bào ung thư đối với các hợp chất tổng hợp được.
- Hiệu suất tổng hợp hợp chất trung gian carbohydrazide (3) còn ở mức tương đối thấp ($31%$).
Hướng nghiên cứu tiếp
- Tiếp tục đo và giải thích chi tiết phổ $^{13}\text{C-NMR}$, HSQC, HMBC và phổ khối lượng MS cho toàn bộ dãy hợp chất đã tổng hợp.
- Tiến hành thử nghiệm thăm dò hoạt tính kháng sinh học (kháng khuẩn, kháng nấm trên các chủng chuẩn E. coli, S. aureus, C. albicans, kháng ký sinh trùng Leishmania) của các hợp chất, đặc biệt là hai dị vòng triazole mới (5) và (6).
- Mở rộng tổng hợp dãy các dẫn xuất hydrazide $N$-thế với nhiều loại aldehyde thơm đa dạng; thực hiện phản ứng chuyển hóa tiếp theo từ carbohydrazide để tạo các hệ dị vòng 1,3,4-oxadiazole và khảo sát hoạt tính của chúng.
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và nội dung sau:
- Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa dược, Sư phạm Hóa học và Công nghệ Kỹ thuật Hóa học đang thực hiện các đề tài liên quan đến tổng hợp dị vòng hoặc hợp chất có hoạt tính sinh học.
- Nội dung tham khảo trọng tâm:
- Quy trình thực nghiệm phản ứng Pfitzinger: Các thông số kỹ thuật thực tế về việc dùng kiềm-rượu, tỷ lệ dư acetone, và phương pháp kiểm soát pH trong giai đoạn acid hóa để thu hồi acid carboxylic thơm có tính base mà không bị tan ngược lại trong môi trường dư acid.
- Phương pháp chuyển hóa chức hydrazide thành dị vòng 5 cạnh: Quy trình chi tiết hai giai đoạn để tổng hợp dẫn xuất 1,2,4-triazole-3-thiol và 1,2,4-triazole-5-thione.
- Kỹ thuật biện luận phổ $^1\text{H-NMR}$: Phương pháp phân tích độ tách spin-spin phức tạp ($ddd, dd$) trên vòng quinoline và cách tiếp cận giải thích hiện tượng đồng phân cấu trạng syn-anti ở liên kết amide trong dãy hydrazone.
Câu hỏi thường gặp
1. Phản ứng Pfitzinger trong khóa luận được tiến hành trong điều kiện dung môi và tác nhân kiềm nào để đạt hiệu suất cao?
Phản ứng Pfitzinger được thực hiện giữa isatin và acetone trong dung dịch kiềm-rượu $33%$ (tỷ lệ thể tích $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} : \text{H}_2\text{O} = 2:1$) chứa $\text{KOH}$, đun hồi lưu kết hợp khuấy từ ở nhiệt độ khoảng $130-150^\circ\text{C}$ trong thời gian 8 đến 10 giờ. Lượng acetone được dùng dư gấp khoảng 8 lần lượng lý thuyết để bù đắp sự bay hơi ở nhiệt độ cao.
2. Tại sao khi acid hóa hỗn hợp sau phản ứng Pfitzinger không được dùng acid $\text{HCl}$ quá dư?
Do khung dị vòng quinoline chứa nguyên tử nitơ $sp^2$ có đôi electron tự do thể hiện tính base, nếu cho quá dư acid $\text{HCl}$, vòng quinoline sẽ bị proton hóa tạo muối hydrochloride tan trong dung dịch, làm giảm lượng kết tủa tách ra. Vì vậy, thực nghiệm bắt buộc phải khống chế điểm dừng acid hóa ở khoảng $\text{pH} = 5 - 5.5$.
3. Nguyên nhân nào dẫn đến sự xuất hiện của hai bộ tín hiệu có tỷ lệ cường độ 1:3 trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của hợp chất (4)?
Sự xuất hiện đồng thời hai bộ tín hiệu trên phổ $^1\text{H-NMR}$ của hợp chất $N$'-(4-methoxybenzylidene)-2-methylquinoline-4-carbohydrazide (4) là do sự tồn tại cân bằng giữa hai cấu trạng syn và anti quay quanh liên kết $-\text{C(O)}-\text{NH}-$, một hiện tượng đã được ghi nhận trong cấu trúc của một số dãy dẫn xuất hydrazide-hydrazone.
4. Hai hợp chất mới được tổng hợp lần đầu trong khóa luận là những chất nào và có đặc trưng nhiệt độ nóng chảy ra sao?
Hai hợp chất mới chưa có trong các tài liệu tham khảo của tác giả là:
- 4-Amino-5-(2-methylquinolin-4-yl)-1,2,4-triazole-3-thiol (5): chất rắn dạng bột màu vàng, nhiệt độ nóng chảy $240 - 242^\circ\text{C}$.
- 3-(2-Methylquinolin-4-yl)-4-phenyl-1,2,4-triazole-5-thione (6): chất rắn dạng bột màu vàng nhạt, nhiệt độ nóng chảy $248 - 250^\circ\text{C}$.
5. Dấu hiệu quang phổ then chốt nào chứng minh hợp chất (3) đã đóng vòng thành công tạo dị vòng 1,2,4-triazole (5)?
Trên phổ IR của chất (5), vân hấp thụ đặc trưng của liên kết carbonyl ($>\text{C}=\text{O}$) ở $1624\text{ cm}^{-1}$ biến mất hoàn toàn, đồng thời xuất hiện đám hấp thụ tù rộng của nhóm $-\text{SH}$ tại vùng $2500-2800\text{ cm}^{-1}$. Trên phổ $^1\text{H-NMR}$, sự đóng vòng được khẳng định qua sự xuất hiện của hai mũi tín hiệu singlet gồm proton $-\text{SH}$ ở vùng trường rất yếu ($\delta = 14.22\text{ ppm}$) và hai proton nhóm $-\text{NH}_2$ gắn trên dị vòng ($\delta = 5.68\text{ ppm}$).
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đặng Thùy Trinh đã hoàn thành toàn diện mục tiêu tổng hợp hóa học và xác định cấu trúc 6 hợp chất hữu cơ dẫn xuất từ acid 2-methylquinoline-4-carboxylic qua chuỗi chuyển hóa từ tiền chất isatin và acetone. Công trình đã chứng minh thành công cấu trúc phân tử của các sản phẩm thông qua việc phân tích chi tiết dữ liệu phổ IR và $^1\text{H-NMR}$ ($500\text{ MHz}$), đồng thời làm rõ hiện tượng cân bằng cấu trạng syn/anti ở dẫn xuất hydrazone. Đặc biệt, nghiên cứu đã tổng hợp thành công 2 dẫn xuất dị vòng mới thuộc hệ 1,2,4-triazole là 4-amino-5-(2-methylquinolin-4-yl)-1,2,4-triazole-3-thiol và 3-(2-methylquinolin-4-yl)-4-phenyl-1,2,4-triazole-5-thione, tạo tiền đề khoa học thực nghiệm cho các hướng nghiên cứu sâu hơn về phổ học nâng cao và thử nghiệm hoạt tính sinh học.