Luận văn: Tổng hợp Thiosemicarbazon từ Aldehyd, Keton thiên nhiên - Trương Thị Thu

Luận văn trình bày quy trình tổng hợp thiosemicarbazon từ aldehyd, keton thiên nhiên, khảo sát hoạt tính sinh học và khả năng chống oxy hóa của chúng.

• Tác giả: Trương Thị Thu
• Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Đình Thành
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp một số (tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon của một số aldehyd và keton thiên nhiên
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tính chất của Thiosemicarbazon

Thiosemicarbazon là một lớp hợp chất hữu cơ quan trọng được tạo thành từ phản ứng giữa thiosemicarbazide và các aldehyd hoặc keton thiên nhiên. Đây là các dẫn xuất chứa nhóm thiosemicarbazide được kết hợp với các phân tử carbohydrate, đặc biệt là những dẫn xuất glucopyranosyl và galactopyranosyl được bảo vệ bằng nhóm acetyl. Các hợp chất này có tính chất đặc biệt nhờ sự hiện diện của các nhóm thio và imino trong cấu trúc phân tử. Thiosemicarbazon thường tồn tại dưới dạng các izomer E/Z do tính chất của liên kết C=N. Các hợp chất này đã được chứng minh có hoạt tính sinh học đa dạng, bao gồm khả năng kháng khuẩn, chống nấm và chống oxy hóa, làm cho chúng trở thành đối tượng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực hoá dược học.

1.1. Cấu trúc phân tử và đặc điểm hóa học

Thiosemicarbazon có cấu trúc chứa nhóm R-C(=N-NH-CS-NH₂) với R là các mạch carbon từ aldehyd hoặc keton thiên nhiên. Nhóm thiosemicarbazide kết hợp với dẫn xuất carbohydrate tạo ra các hợp chất hybrid độc đáo. Cấu trúc này cho phép chúng tham gia vào nhiều phản ứng hóa học và tương tác sinh học khác nhau, góp phần vào hoạt tính dược lý của chúng.

1.2. Tính chất vật lý và phương pháp phân tích

Các thiosemicarbazon thường là những chất rắn tinh thể với điểm nóng chảy xác định. Chúng có thể được phân tích bằng các phương pháp phổ NMR (¹H NMR, ¹³C NMR), phổ hồng ngoại (IR), và phổ khối lượng (MS). Các kỹ thuật như HSQC và HMBC giúp xác định cấu trúc chi tiết và sự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử thiosemicarbazon.

II. Các phương pháp tổng hợp Thiosemicarbazon từ aldehyd và keton thiên nhiên

Tổng hợp thiosemicarbazon bắt đầu từ việc chuẩn bị thiosemicarbazide dẫn xuất carbohydrate, đặc biệt là (2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl)thiosemicarbazide và (2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazide. Quá trình tiếp theo là phản ứng ngưng tụ của những dẫn xuất này với các aldehyd thiên nhiên như cinamaldehyd, citral, citronellal hoặc các keton thiên nhiên như menthone và camphor. Các dung môi khác nhau như DMF (dimethylformamid) hoặc DMSO (dimethylsulfoxide) được sử dụng để tăng hiệu suất phản ứng. Công nghệ lò vi sóng đã được ứng dụng để tối ưu hóa điều kiện phản ứng, giảm thời gian tổng hợp và cải thiện năng suất sản phẩm.

2.1. Điều chế và tinh chế aldehyd keton thiên nhiên

Các aldehyd và keton thiên nhiên được chuẩn bị từ các nguyên liệu thiên nhiên. Menthone được điều chế từ menthol bằng phương pháp oxy hóa. Citral được tinh chế từ tinh dầu sả chanh, còn citronellal được thu lấy từ tinh dầu sả hồng (sả Java). Camphor được điều chế từ borneol thông qua các phản ứng oxy hóa được kiểm soát. Các quá trình này đảm bảo độ tinh khiết cao của nguyên liệu cho bước tổng hợp thiosemicarbazon.

2.2. Ảnh hưởng của dung môi và xúc tác

Lựa chọn dung môi và xúc tác có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất phản ứng tổng hợp. Các nghiên cứu khảo sát cho thấy DMF và DMSO là những dung môi hiệu quả. Các xúc tác axit giúp tăng tốc độ phản ứng. Sử dụng lò vi sóng với các điều kiện tối ưu (nhiệt độ, thời gian, công suất) đã giúp cải thiện đáng kể năng suất tổng hợp các thiosemicarbazon từ các nguyên liệu thiên nhiên.

III. Hoạt tính sinh học của Thiosemicarbazon dẫn xuất carbohydrate

Các thiosemicarbazon dẫn xuất carbohydrate đã được chứng minh có nhiều hoạt tính sinh học quý giá. Những hợp chất này thể hiện khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ đối với các vi khuẩn Gram(+) và Gram(-), cũng như hoạt tính chống lại nấm men và nấm sợi. Sự kết hợp giữa nhóm thiosemicarbazide với dẫn xuất carbohydrate tạo ra các phân tử có khả năng tương tác với các mục tiêu sinh học khác nhau. Ngoài ra, các hợp chất này còn có tính chất chống oxy hóa đáng kể, giúp bảo vệ các tế bào khỏi tổn thương do các gốc tự do. Những khám phá này mở ra những hướng tiếp cận mới trong phát triển các thuốc kháng sinh và chất bảo vệ sức khỏe từ các nguyên liệu thiên nhiên.

3.1. Hoạt tính kháng khuẩn và chống nấm

Các thiosemicarbazon dẫn xuất từ cinamaldehyd, citral và citronellal thể hiện hoạt tính kháng khuẩn ấn tượng. Những hợp chất này có khả năng ức chế sự phát triển của các vi khuẩn Gram(+) và Gram(-) thông qua các cơ chế tương tác với protein và DNA vi khuẩn. Hoạt tính chống nấm men và nấm sợi cũng được ghi nhận, đặc biệt là các dẫn xuất từ menthone và camphor, những hợp chất có tính kháng nấm tự nhiên.

3.2. Tác dụng chống oxy hóa

Thiosemicarbazon với nhóm thio có khả năng quét gốc tự do (free radical scavenging), bảo vệ các phân tử sinh học khỏi oxy hóa. Các nghiên cứu cho thấy các dẫn xuất từ aldehyd thiên nhiên như cinamaldehyd và các dẫn xuất carbohydrate đều có tính chất chống oxy hóa tương đối mạnh, làm cho chúng trở thành những lựa chọn tiềm năng cho các sản phẩm nuôi dưỡng sức khỏe.

IV. Ứng dụng và triển vọng nghiên cứu Thiosemicarbazon

Thiosemicarbazon dẫn xuất carbohydrate từ các aldehyd và keton thiên nhiên có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực dược phẩm và hóa học sinh học. Những hợp chất này có thể được phát triển thành các thuốc chống khuẩn mới có hiệu quả cao và độ độc tính thấp. Ngoài ra, chúng còn có thể ứng dụng trong sản xuất các mỹ phẩm và thực phẩm chức năng nhờ tính chất chống oxy hóa và kháng nấm. Những nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc cải thiện quy trình tổng hợp để tăng năng suất và giảm chi phí, đồng thời khám phá thêm các hoạt tính sinh học mới của các dẫn xuất khác nhau. Sự kết hợp giữa hoá học tổng hợp và đánh giá sinh học sẽ giúp phát triển những phân tử này thành những sản phẩm hữu ích cho cộng đồng.

4.1. Ứng dụng trong phát triển dược phẩm

Thiosemicarbazon có cấu trúc phân tử lý tưởng để thiết kế các thuốc với hoạt tính sinh học mong muốn. Khả năng kháng khuẩn, chống nấm và chống oxy hóa của chúng làm cho những hợp chất này trở thành những ứng cử viên tốt cho phát triển các thuốc đa chức năng. Các dẫn xuất từ các aldehyd thiên nhiên khác nhau có thể được tối ưu hóa để tạo ra các độc tính tối thiểu và hiệu quả tối đa. Việc sử dụng dẫn xuất carbohydrate còn cải thiện khả năng hòa tan nước của các hợp chất, một yếu tố quan trọng cho dược động học.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu tương lai nên tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc phân tử để tăng hoạt tính sinh học của thiosemicarbazon. Việc khám phá các cơ chế tác dụng ở cấp độ phân tử sẽ giúp thiết kế các hợp chất có tính chuyên biệt cao. Ngoài ra, quy trình tổng hợp xanh (green synthesis) sử dụng dung môi thân thiện môi trường và năng lượng tái tạo nên được phát triển để làm cho sản xuất các thiosemicarbazon trở nên bền vững hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nói chung và hoá học nói riêng, hoá học về tổng hợp các hợp chất hữu cơ cũng ngày càng phát triển nhằm tạo ra các hợp chất phục vụ đời sống con người, đặc biệt là các chất có hoạt tính sinh học đối với cơ thể người và động thực vật. Các hợp chất này ngày càng trở nên có ý nghĩa quan trọng khi nó được áp dụng vào lĩnh vực y học chữa trị các căn bệnh hiểm nghèo, nâng cao sức đề kháng cho người và động thực vật. Ngày nay, xu thế tổng hợp các hợp chất thiosemicarbazon đã thu hút được sự quan tâm của các nhà hoá học hữu cơ. Thiosemicarbazon là một hợp chất quan trọng có nhiều hoạt tính sinh học đa dạng, như khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, kháng vi rút, chống ung thư, chống sốt rét, ức chế ăn mòn và chống gỉ sét.

Bên cạnh đó, các hợp chất thiosemicarbazon còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác như tinh thể học, hoá học đại phân tử và ngành quang điện. Ngoài ra, các hợp chất của nó còn có khả năng tạo phức với nhiều kim loại. Những phức chất này cũng có hoạt tính sinh học như hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, kháng vi rút và chống ung thư v. Vì vậy, ngày càng nhiều hợp chất thiosemicarbazon được tổng hợp và nghiên cứu tính chất.

Bên cạnh đó, các dẫn xuất của monosaccaride cũng có nhiều hoạt tính sinh học đáng chú ý, đặc biệt khi trong phân tử của chúng có hệ liên hợp. Các thiosemicarbazon có hoạt sinh học cao và nhờ sự có mặt hợp phần phân cực của monosaccaride làm các hợp chất này dễ hoà tan trong dung môi phân cực như nước, ethanol.Mặt khác, các dẫn xuất của carbohydrate là các hợp chất quan trọng có mặt trong nhiều phân tử sinh học như acid nucleic, coenzym, trong thành phần cấu tạo của một số virus, một số vitamin nhóm B. Do đó, các hợp chất này không những chiếm vị trí đáng kể trong y dược học mà còn đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp nhờ khả năng kích thích sinh trưởng, phát triển của cây trồng, ức chế sự phát triển hoặc diệt trừ cỏ dại, sâu bệnh [16]. Như người ta đã biết phương pháp cổ điển để tổng hợp các thiosemicarbazon là đun sôi hồi lưu hỗn hợp của hợp chất carbonyl và các thiosemicarbazide tương ứng, phương pháp này cần thời gian phản ứng khoảng 2-3 giờ và hiệu suất phản ứng không cao.

Gần đây, một số hợp chất thiosemicarbazon đã được tổng hợp bằng phương pháp lò Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà 7 Luận văn thạc sĩ khoa Trương Thị vi sóng. Phản ứng được tiến hành trong thời gian chỉ khoảng 5-8 phút, hiệu suất phản ứng khá cao (từ 50‒ 90%). Các hợp chất carbonyl trong thiên nhiên là nguồn hương liệu quí, có nhiều hoạt tính sinh học đáng chú ý như kháng khuẩn, kháng nấm, diệt côn trùng, chống ung thư. Ngoài ra nó còn có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, làm hương liệu cho bánh kẹo, nước hoa [23].

Nhằm góp phần vào việc nghiên cứu trong lĩnh vực hoá học của các monosaccaride, trong luận văn thạc sĩ khoa học này em đã thực hiện việc nghiên cứu tổng hợp một số thiosemicarbazon có chứa đồng thời hợp phần monosaccaride và một vài hợp chất carbonyl thiên nhiên. Để thực hiện mục đích này, em đã tiến hành một số nhiệm vụ sau: 1. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glucopyranosyl)thiosemicarbazide từ (2,3,4,6- tetra-O-acetyl- -D-glucopyranosyl)isothiocyanat. Tổng hợp (2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-galactopyranosyl)thiosemicarbazide từ (2,3,4,6- tetra-O-acetyl- -D-galactopyranosyl)isothiocyanat.

Điều chế, tinh chế một số aldehyd, keton thiên nhiên. Tổng hợp 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon của các aldehyd, keton thiên nhiên. Nghiên cứu cấu trúc của các dẫn xuất thiosemicarbazon bằng các phương pháp vật lí hiện đại như phổ hồng ngoại ( IR ), phổ cộng hưởng từ hạt nhân ( 1H NMR,13C NMR), phổ 2D NMR (COSY, HSQC, HMBC), phổ khối lượng ESI-MS. Thử hoạt tính kháng khuẩn của 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D- glycopyranosyl)thiosemicarbazon của các aldehyd, keton thiên nhiên.

Thử hoạt tính chống oxy hoá của 4-(2,3,4,6-tetra-O-acetyl- -D- glycopyranosyl)thiosemicarbazon của các aldehyd, keton thiên nhiên đã tổng hợp. Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà 8 Luận văn thạc sĩ khoa Trương Thị PHẦN I: TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ ISOTHIOCYANAT Isothiocyanat là nhóm chức có dạng R-N=C=S. Phản ứng của nhóm isothiocyanat với các tác nhân nucleophil tỏ ra khá mạnh do đặc tính electrophil của nhóm –NCS.

Đặc tính này có được là do trong nhóm –NCS nguyên tử nitrogen có độ âm điện cao và sẽ mang điện tích âm còn nguyên tử carbon sẽ mang điện tích dương. - + R N C S Khi tác nhân nucleophil có nguyên tử hydro linh động tấn công vào phân tử isothiocyanat, nó sẽ proton hóa nguyên tử nitrogen trong khi đó phần điện âm cũng lại sẽ liên kết với nguyên tử carbon trong nhóm –NCS. + HX R NH C X :S: Ngược lại, sự cộng hợp vòng của isothiocyanat trong phản ứng với một tác nhân thích hợp sẽ tạo thành các vòng 1,2-, 1,3-, 1,4-. Do cấu trúc cộng hưởng của nhóm -NCS nên sự ghép vòng bị ảnh hưởng lớn và chúng có thể phản ứng ở liên kết C=S hoặc C=N.

- + + - R N C S R N C S R N C S Chính nhờ khả năng đó của nhóm isothiocyanat mà đã mở ra một hướng nghiên cứu về loại hợp chất chứa nhóm aldehyd có nhân thơm. Để tổng hợp được những hợp chất đó, các glycosyl isothiocyanat được sử dụng như là chất khởi đầu và bằng hàng loạt các phản ứng khác nhau, người ta đã tổng hợp được một số dẫn xuất thiosemicarbazon có chứa hợp phần monosaccaride. Bên cạnh đó, người ta cũng nghiên cứu được sự chuyển hóa qua lại giữa isothiocyanat và thiocyanat [34]. - - S C N S C N Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà 9 Luận văn thạc sĩ khoa Trương Thị Cơ chế phản ứng của anion thiocyanat với một hợp chất hữu cơ đã chỉ ra rằng sự tấn công nucleophil của thiocyanat là bởi nguyên tử lưu huỳnh còn của isothiocyanat là bởi nguyên tử nitrogen.

Không chỉ vậy, người ta cũng rút ra nhận xét là isomer isothiocyanat được ổn định về mặt nhiệt động hơn là isomer thiocyanat [9], tất nhiên điều đó còn tùy thuộc vào các điều kiện môi trường ngoài mà cân bằng dịch chuyển theo hướng nào. TỔNG QUAN VỀ THIOSEMICARBAZIDE VÀ CÁC GLYCOSYL THIOSEMICARBAZIDE Thiosemicarbazide là hydrat của acid carbamic. Nó tồn tại ở dạng tinh thể màu trắng, có nhiệt độ nóng chảy khoảng 183°C và độ tan trong nước khoảng 10%. Thiosemicarbazide là một hợp chất đầu quan trọng để tổng hợp các hợp chất dị vòng 5 cạnh.

Bên cạnh đó, các dẫn xuất của chúng còn có nhiều hoạt tính sinh học quan trọng. Các phương pháp tổng hợp thiosemicarbazide 2. Phản ứng của isothiocyanat và hydrazin R4 R3 R5 S R1 N C S + N N N R1 R5 R2 R4 N N R3 R2 Đây là phương pháp thông dụng nhất để tổng hợp các thiosemicarbazide, nhưng hợp chất isothiocyanat lại dễ bị thuỷ phân do vậy rất khó bảo quản [12]. Phản ứng khử thiosemicarbazon bằng NaBH4 S N H NaBH4 S R1 R4 N NH N R3 R1 R4 N N R3 H Phản ứng này chỉ dùng để tổng hợp các dẫn xuất mono-, di- hoặc tri- của thiosemicarbazide [11].

Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà 1 Luận văn thạc sĩ khoa Trương Thị 2. Phản ứng của hydrazin với các dẫn xuất của acid thiocarbamic Các hydrazin thế phản ứng với các dẫn xuất của acid thiocarbamic cho các thiosemicarbazide tương ứng. Hiệu suất của phản ứng này dao động từ 66-73% phụ thuộc vào ảnh hưởng của các phản ứng phụ [35]: S R5 R3 N NH + N R R5 S 1 X N R1 R4 N N R4 R2 R3 R2 X= Cl, alkyl, Oalkyl 2. Phản ứng của cyanohydrazin với hydro sulfide R5 R3 R5 N N H2S S N H R4 CN R4 N N R3 H Phản ứng này cho ta dẫn xuất mono- hoặc dithiosemicarbazide [25].

Phản ứng tổng hợp dẫn xuất di- và trithiosemicarbazide từ các amin Phản ứng đi qua hai bước: Bước đầu ta thực hiện phản ứng của amin với 1,2,4- triazolyl hoặc bis(imidazoyl)methylthion trong dung môi dicloromethan ở nhiệt độ phòng. Bước 2 ta cho sản phẩm này tác dụng với dẫn xuất của hydrazin trong dung môi dicloromethan, khi đó thiosemicarbazide sẽ được tạo thành [36]. S R1 R5 R5 S R3 + NH + N NH N R1 X X R2 R4 R4 N N R3 R2 X= Cl, NH 2, alkyl, Oalkyl 2. Tính chất của thiosemicarbazide 2.

Phản ứng với các aldehyd Thiosemicarbazide có thể dễ dàng ngưng tụ với hợp chất carbonyl. Sản phẩm ngưng tụ sinh ra được gọi là thiosemicarbazon. R1 R H2N-CS-NH-NH 2+ O=C 2 Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà 1 Luận văn thạc sĩ khoa Trương Thị R1 H2N-CS-NH-N=C R2 Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà 1 Luận văn thạc sĩ khoa Trương Thị CHOCl C H OH 2 5 H2N C NH NH CH N NH C NH H O 2 CH3 COOH 2 + 2 S Cl S 2. Phản ứng đóng vòng của thiosemicarbazide tạo thiadiazol Hai tác nhân hay được dùng trong phản ứng đóng vòng của thiosemicarbazide và dẫn xuất của chúng để tạo vòng thiadiazol là CS 2 và TMTD (Tetramethylthiuram disulfide).

Với CS2, phản ứng này đã được nghiên cứu vào năm 1956. Đây là phương pháp cổ điển nhất để tổng hợp dẫn xuất 2-mercapto-1,3,4-thidiazol. Phản ứng được thực hiện trong 17 giờ ở nhiệt độ 70-800C, hiệu suất đạt 93%. Nếu phản ứng diễn ra trong môi trường kiềm yếu thì chỉ 50% tạo sản phẩm mong muốn.

Sản phẩm trung gian được tạo thành là (H2N-NH-CS)2S cần có acid mạnh mới chuyển hoá tạo thành dẫn xuất thiadiazol. Còn nếu trong môi trường kiềm mạnh, phản ứng sẽ xảy ra qua một bước. Phương trình phản ứng như sau [31]: N N R NH C NH + CS2+ NaOH + NaHS + H2O NH2 R NH S SNa S H+ N N R NH SH S Tetramethylthiuram disulfide (TMTD) hay thiram, là chất xúc tiến lưu hoá cao su, có giá thành rẻ, khó bay hơi, ít gây ô nhiễm môi trường, là tác nhân rất tốt để tổng hợp các dẫn xuất 2-mercapto-1,3,4-thiđiazol. TMTD được điều chế bằng cách oxy hoá muối natri của acid N-alkyl dithiocarbamic với các chất oxy hoá như hydro peoxide, natri nitrit.

Sơ đồ phản ứng như sau: oxy hóa R NH C SNa R NH C S S C R S S S Phản ứng của các thiosemicarbazide và TMTD xảy ra theo phương trình sau: Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà 1 Luận văn thạc sĩ khoa Trương Thị N N R NH C NH NH2+ TMTD + S + H2S S R NH S SH Phản ứng tiến hành trong dung môi phân cực hoặc không proton như DMF, dioxan…. Tính chất của các glycosyl thiosemicarbazide Các glycosyl thiosemicarbazide có tính chất hóa học tương tự như thiosemicarbazide.