Tổng quan luận án

Công trình khoa học được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Hoàng Thanh Đức dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nguyễn Đình Thành tại Bộ môn Hóa Hữu cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, bảo vệ năm 2015. Luận án mang tiêu đề "Tổng hợp và tính chất của các hợp chất 4-acetyl- và 4-formylsydnone (per-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl) thiosemicarbazon", thuộc chuyên ngành Hóa Hữu cơ, mã số 62.14.

Về tính cấp thiết, các hợp chất thiosemicarbazon được ghi nhận có hoạt tính sinh học đa dạng như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virut, chống ung thư, chống sốt rét, đồng thời có khả năng ức chế ăn mòn kim loại và ứng dụng trong tinh thể học, quang điện tử. Bên cạnh đó, sydnone là hợp chất mesoionic điển hình chứa dị vòng 1,2,3-oxadiazoli-5-olat có tính chất phân cực lưỡng cực, thể hiện các hoạt tính kháng khuẩn, kháng viêm, chống ung thư và giảm đau. Mặt khác, các dẫn xuất carbohydrate đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học, và sự hiện diện của hợp phần đường phân cực giúp làm tăng độ tan của các phân tử hữu cơ trong dung môi phân cực như nước và ethanol. Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là việc kết hợp đồng thời dị vòng mesoionic sydnone và hợp phần monosaccharide (D-glucose, D-galactose) thông qua cầu nối thiosemicarbazid nhằm tạo ra hệ thống cấu trúc phân tử lai mới, từ đó khảo sát khả năng chuyển hóa dị vòng hóa và thăm dò hoạt tính sinh học.

Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản luận án bao gồm sáu nhiệm vụ:

  1. Tổng hợp các hợp chất 3-aryl-4-acetylsydnone và 3-aryl-4-formylsydnone;
  2. Tổng hợp các hợp chất N-(2’,3’,4’,6’-tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazid từ hợp chất isothiocyanat tương ứng của D-glucose và D-galactose;
  3. Tổng hợp các hợp chất 3-aryl-4-formylsydnone N-(2’,3’,4’,6’-tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl)thiosemicarbazon bằng phương pháp chiếu xạ vi sóng;
  4. Tổng hợp các hợp chất 2-(2’,3’,4’,6’-tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosylamino)-5-(3”-arylsydnone)-6H-1,3,4-thiadiazin của hợp chất 3-aryl-4-acetylsydnone bằng phương pháp chiếu xạ vi sóng;
  5. Nghiên cứu phản ứng của các hợp chất 3-aryl-4-formylsydnone glycopyranosyl thiosemicarbazon với ethyl bromoacetat, anhydrid acetic, và phản ứng tạo phức với ion Zn(II), chuyển hóa các hợp chất thiosemicarbazon thành các hợp chất thiazolidin-4-on, thiadiazol và phức chất bis[thiosemicarbazonato]kẽm(II);
  6. Thăm dò hoạt tính sinh học của các thiosemicarbazon và các thiadiazin đã tổng hợp được bằng cách thử hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, xác định hoạt tính bắt gốc tự do DPPH của các hợp chất này.

Đối tượng nghiên cứu là các dãy dẫn xuất 3-arylsydnone, per-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl thiosemicarbazid, thiosemicarbazon, 1,3,4-thiadiazin, thiazolidin-4-on, 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol và phức chất bis[thiosemicarbazonato]kẽm(II). Phạm vi thực nghiệm thực hiện việc tổng hợp tại phòng thí nghiệm Bộ môn Hóa Hữu cơ; các phép đo phổ cấu trúc được tiến hành tại Viện Hóa học và Viện Hóa học các Hợp chất Thiên nhiên thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật tại Khoa Vi sinh vật – Bệnh viện 198 Bộ Công an; thử nghiệm chống oxy hóa DPPH tại Phòng Hóa sinh ứng dụng và Phòng Sinh học thực nghiệm thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Thời gian hoàn thành công trình vào tháng 1 năm 2015.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại lịch sử phát hiện và các hướng phát triển hóa học của các nhóm hợp chất thành phần:

Hợp chất sydnone được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1935 bởi hai nhà hóa học Earl và Mackney tại Đại học Sydney (Australia) qua phản ứng đóng vòng dehydrat hóa N-nitrosophenyl glycin. Do đặc tính điện tích phân bố bất đối xứng, sydnone được xếp vào nhóm hợp chất mesoionic. Browne (năm 2000) đã tổng kết chi tiết cấu trúc, mô men lưỡng cực, và các phản ứng đặc trưng của sydnone, bao gồm phản ứng Friedel-Crafts nội phân tử qua trạng thái trung gian oxocarbeni của Zhang và cộng sự khi dùng xúc tác BF3.Et2O; phản ứng acyl hóa trực tiếp bằng Ac2O và HClO4 hoặc xúc tác đất sét K10 dưới tác dụng của sóng siêu âm do Turnbull khảo sát. Phản ứng formyl hóa sydnone bằng DMF và POCl3 được công bố đầu tiên bởi Tien (năm 1970, 1973), sau đó được phát triển ở dải nhiệt độ từ 0 đến 70 °C cho hiệu suất 30–76%. Azarifa và Dumitrascu đã phát triển phản ứng halogen hóa vị trí C4 của sydnone bằng halogen trong dung dịch acid acetic và natri acetat, cũng như phương pháp sử dụng dibromodimethylhydantoin (DBH) kết hợp NaNO2 để tổng hợp sydnone một giai đoạn, loại bỏ việc phân lập chất trung gian nitrosamin độc hại. Mei Fang và Shaw Lin nghiên cứu phản ứng thế electrophil và khảo sát sự loại bỏ nguyên tử brom ở vị trí C4 của C4-bromo-N-phenylsydnone bằng bột kẽm trong methanol dưới tác dụng của sóng siêu âm, hoặc bằng NaBH4, hydrazin monohydrat. Browne tiếp tục nghiên cứu phản ứng ghép chéo Suzuki-Miyaura của C4-bromo-N-phenylsydnone với các hợp chất chứa boron dưới điều kiện gia nhiệt truyền thống và vi sóng. Về phản ứng cộng đóng vòng, Tien (năm 1973) công bố phản ứng giữa sydnone với alkyn (như dimethyl acetylendicarboxylat - DMAD) theo cơ chế cộng đóng vòng [4+2] kèm tách loại phân tử CO2 tạo dẫn xuất pyrazol có nhóm chức. Shih và cộng sự đã thực hiện ngưng tụ 4-formylsydnone với glyoxal thơm và amoni acetat trong acid acetic để tạo thành nhân imidazol.

Về thiosemicarbazid và thiosemicarbazon, các công trình của các tác giả trong và ngoài nước (Nguyễn Đình Thành và cộng sự từ năm 2004 đến 2013) đã nghiên cứu tổng hợp thiosemicarbazid từ isothiocyanat và hydrazin hydrat, hoặc khử thiosemicarbazon bằng NaBH4; ngưng tụ thiosemicarbazid với hợp chất carbonyl, 1,4-naphthoquinon, 2-aminobenzophenon hoặc diketon. Các phản ứng vòng hóa thiosemicarbazon tạo khung thiazolidin-4-on, thiazol, thiadiazol và phức chất với các cation kim loại như Co(II), Ni(II), Cu(II), Pd(II), Zn(II) cũng đã được khảo cứu rộng rãi.

Đối với dị vòng 1,3,4-thiadiazin, các tài liệu điểm lại các phản ứng chuyển hóa như hiện tượng co vòng dưới tác dụng nhiệt, quang hóa hoặc sóng siêu âm tạo thành dẫn xuất pyrazolyl disulfid và pyrazol; phản ứng với anhydrid acetic, phản ứng khử lưu huỳnh (desulfur hóa) bằng PPA hoặc base mạnh tạo pyrazol. Về tổng hợp 1,3,4-thiadiazin, các phương pháp kinh điển sử dụng phản ứng giữa thiosemicarbazid với hợp chất α-halocarbonyl hoặc phản ứng giữa arylketon với iod/brom và thiosemicarbazid dưới bức xạ vi sóng.

Về việc ứng dụng lò vi sóng, luận án dẫn chứng các nghiên cứu của Baghurst và Mingos dựa trên định luật Arrhenius, giải thích hiện tượng tăng tốc độ phản ứng do hiệu ứng nhiệt điện môi vi sóng (đại lượng tan δ = ε'/ε), cho phép môi trường phản ứng đạt nhiệt độ cao trong bình kín hoặc giảm thời gian phản ứng từ nhiều giờ xuống còn vài phút trong điều kiện bình hở.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Các công bố trước đó tập trung chủ yếu vào các dẫn xuất thiosemicarbazon mạch hở đơn giản, hoặc dẫn xuất sydnone chứa các nhóm chức thơm thông thường, chưa có công trình nào kết hợp cấu trúc mesoionic của 3-aryl-4-formylsydnone và 3-aryl-4-acetylsydnone với các hợp phần per-O-acetylated của D-glucose và D-galactose để hình thành nên các khung thiosemicarbazon phân cực, cũng như chuyển hóa tiếp sang dị vòng 1,3,4-thiadiazin và các dị vòng liên quan dưới tác dụng kích hoạt của vi sóng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết hóa học hữu cơ thực nghiệm và hóa học lý thuyết:

  • Lý thuyết về hợp chất mesoionic: Phân tử sydnone chứa dị vòng 1,2,3-oxadiazoli-5-olat được mô tả bằng vòng thơm mang điện tích dương và nguyên tử oxy enolat ngoài vòng mang điện tích âm. Tính toán orbital phân tử chỉ ra mật độ điện tích âm tập trung ở oxy ngoài vòng và vị trí carbon C4 vừa có tính acid vừa có tính nucleophil. Proton liên kết trực tiếp với C4 có pKa trong khoảng 18–20; phổ hồng ngoại của hệ vòng sydnone có băng hấp thụ đặc trưng của nhóm carbonyl ở khoảng 1730 cm⁻¹. Nhờ đó, vị trí C4 có thể tham gia phản ứng thế electrophil trực tiếp (như formyl hóa Vilsmeier-Haack, acyl hóa, halogen hóa) hoặc phản ứng deproton hóa.
  • Lý thuyết nhiệt điện môi vi sóng: Năng lượng photon của bức xạ sóng ngắn ở tần số chuẩn 2,45 GHz (tương đương bước sóng 12,24 cm, năng lượng 0,0016 eV) không đủ để trực tiếp bẻ gãy liên kết hóa học. Hiệu ứng kích hoạt phản ứng sinh ra do sự chuyển hóa năng lượng điện từ thành nhiệt thông qua hiện tượng phân cực lưỡng cực của các phân tử và sự dẫn truyền ion. Khả năng phát nhiệt phụ thuộc vào thông số tổn hao điện môi tan δ = ε'/ε (với methanol là 0,659). Hiệu ứng này tạo ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ, làm tăng nhanh nhiệt độ dung môi và hỗn hợp phản ứng, giảm đáng kể thời gian phản ứng và hạn chế các sản phẩm phụ.
  • Hóa học carbohydrate: Nhóm hydroxyl của D-glucose và D-galactose được bảo vệ toàn phần dưới dạng ester acetyl (per-O-acetyl hóa) để kiểm soát khả năng phản ứng và định hướng không gian cấu hình anomer dạng β khi gắn với nhóm isothiocyanat và thiosemicarbazid.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

  1. Phương pháp tổng hợp hữu cơ: Tiến hành song song bằng phương pháp gia nhiệt truyền thống (đun hồi lưu cách dầu) và phương pháp chiếu xạ vi sóng. Thiết bị vi sóng sử dụng trong tổng hợp là lò vi sóng gia dụng Samsung MW73E hoạt động ở tần số 2,45 GHz, công suất vi sóng khảo sát ở mức 600 W. Tiến trình phản ứng và độ sạch của sản phẩm được theo dõi liên tục bằng sắc ký bản mỏng (TLC) trên bản đế nhôm tráng sẵn silica gel, sử dụng các hệ dung môi giải ly: ethyl acetat : toluen (tỷ lệ thể tích 2:1) hoặc ethyl acetat : n-hexan (tỷ lệ thể tích 2:1).
  2. Phương pháp tinh chế và đo thông số vật lý: Các sản phẩm thô được tinh chế bằng phương pháp kết tinh lại trong các dung môi hoặc hỗn hợp dung môi thích hợp như ethanol, methanol, benzen, toluen, DMF. Điểm nóng chảy (Đnc) của tất cả các chất tổng hợp được đo bằng phương pháp mao quản trên máy đo điểm nóng chảy hiển thị số SUART SMP3 (Anh).
  3. Phương pháp phổ phân tích cấu trúc:
  • Phổ hồng ngoại (FTIR): Ghi trên máy phổ NICOLET Magna 760 và NICOLET Impact 410 (Mỹ) tại Viện Hóa học, dải sóng quét từ 4000 cm⁻¹ đến 500 cm⁻¹, độ phân giải 4 cm⁻¹, đo trên mẫu bột KBr hoặc ép viên với KBr.
  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Đo trên máy BRUKER AVANCE AV500 (Đức) tại Viện Hóa học ở nhiệt độ phòng (300 K), tần số làm việc 500,13 MHz đối với hạt nhân proton (¹H NMR) và 125,76 MHz đối với hạt nhân carbon-13 (¹³C NMR). Mẫu được hòa tan trong dung môi DMSO-d6 với chất chuẩn nội tetramethylsilan (TMS). Các kỹ thuật phổ hai chiều bao gồm phổ tương quan đồng nhân COSY (¹H-¹H), phổ tương quan dị nhân một liên kết HSQC (¹³C-¹H) và phổ tương quan dị nhân qua nhiều liên kết HMBC (¹³C-¹H) được áp dụng trên các hợp chất đại diện để quy kết tín hiệu.
  • Phổ khối lượng (MS): Đo tại Khoa Hóa học (Trường ĐHKHTN) và Viện Hóa học các Hợp chất Thiên nhiên. Sử dụng máy phổ khối lượng LTQ Orbitrap XL (Thermo Scientific, Mỹ) với kỹ thuật ion hóa phun mù điện tử ESI (chế độ ESI+ và ESI-), độ phân giải R = 60.000; và máy phổ khối lượng AutoSpec Premier (Water, Mỹ) với kỹ thuật va chạm electron EI, độ phân giải cao R > 360.000.
  1. Phương pháp thử nghiệm hoạt tính sinh học:
  • Thử hoạt tính kháng vi sinh vật: Thực hiện tại Khoa Vi sinh vật – Bệnh viện 198 Bộ Công an, tiến hành trên các chủng vi khuẩn Gram âm, vi khuẩn Gram dương và nấm men ở các nồng độ thử nghiệm khác nhau.
  • Thử hoạt tính chống oxy hóa bắt gốc tự do DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl): Thực hiện tại Phòng Hóa sinh ứng dụng (Viện Hóa học) và Phòng Sinh học thực nghiệm (Viện Hóa học các Hợp chất Thiên nhiên) theo phương pháp đo quang học độ giảm mật độ quang ở các nồng độ chất thử xác định.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 (từ trang 13 đến trang 51) hệ thống hóa các tài liệu khoa học liên quan đến bốn nhóm đối tượng chính và cơ sở kỹ thuật của luận án:

  • Tổng quan về sydnone: Trình bày nguồn gốc phát hiện năm 1935 của Earl và Mackney; lý giải bản chất mesoionic thông qua cấu trúc phân bố điện tích và bậc liên kết tính theo orbital phân tử; phân tích tính chất hóa học tại tâm phản ứng C4 bao gồm phản ứng thế electrophil (acyl hóa, formyl hóa Vilsmeier-Haack sử dụng DMF và POCl3, halogen hóa với brom, clo, iod), phản ứng lithi hóa bằng n-BuLi ở -50 °C; các phản ứng chuyển hóa C4-halosydnone (khử brom bằng bột kẽm với hỗ trợ sóng siêu âm, ghép đôi Suzuki-Miyaura); phản ứng cộng đóng vòng cycloaddition [4+2] với alkyn tạo dẫn xuất pyrazol; các phương pháp tổng hợp sydnone từ amino acid qua chất trung gian N-nitroso acid nhờ tác nhân dehydrat hóa Ac2O hoặc TFA, và phương pháp một giai đoạn dùng DBH của Azarifa.
  • Tổng quan về thiosemicarbazid và glycosyl thiosemicarbazid: Trình bày năm phương pháp điều chế thiosemicarbazid; tính chất phản ứng với hợp chất carbonyl tạo thiosemicarbazon; phản ứng đóng vòng với CS2 hoặc tetramethylthiuram disulfid (TMTD) tạo nhân 1,3,4-thiadiazol; tính chất phản ứng hóa học của nhóm amino trong phân tử glycosyl thiosemicarbazid.
  • Tổng quan về thiosemicarbazon: Phân tích cấu trúc chứa nhóm liên kết (-C=N-NH-C(S)-NH-); các đồng phân hình học tạo bởi các góc nhị diện 0° và 180° quanh các liên kết; các phản ứng đóng vòng tạo dị vòng thiazolidin-4-on (khi phản ứng với ethyl cloroacetat), vòng thiazol, dị vòng pyrazol, dị vòng 1,3,4-thiadiazol (dưới tác dụng của Ac2O hoặc FeCl3), pyridazin, benzophthalazin, 1,3,4-thiazin; khả năng tạo phức bền phối trí qua nguyên tử N imin và nguyên tử S thiocarbonyl với các cation kim loại chuyển tiếp Co(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II).
  • Tổng quan về hợp chất 1,3,4-thiadiazin: Phân tích độ bền nhiệt, phản ứng co vòng quang hóa và nhiệt phân loại lưu huỳnh tạo pyrazol; các phản ứng tấn công của electrophil và nucleophil vào dị vòng; các phương pháp tổng hợp vòng 1,3,4-thiadiazin từ hợp chất mạch hở (ngưng tụ thiosemicarbazid với α-haloketon) hoặc chuyển hóa từ dị vòng 1,2,4,5-tetrazin và thiazol; hoạt tính sinh học ức chế enzym metalloproteinase, kháng lao, trợ tim và điều trị khối u của khung thiadiazin.
  • Cơ chế tác dụng của bức xạ vi sóng: Phân tích cơ chế chuyển đổi năng lượng vi sóng ở tần số 2,45 GHz thành nhiệt qua phân cực điện môi và truyền dẫn ion; ý nghĩa của đại lượng tan δ; so sánh tốc độ phản ứng theo phương trình Arrhenius giữa đun hồi lưu cách dầu và chiếu xạ vi sóng.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương 2 (từ trang 52 đến trang 95) mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp các dãy hợp chất và phương pháp kiểm tra:

  1. Tổng hợp dãy 3-arylsydnone (4a–t): Cho các dẫn xuất anilin thế (chứa các nhóm thế như H, 2-CH3, 3-CH3, 4-CH3, 4-C2H5, 4-OCH3, 4-Cl, 4-Br, 4-F, 4-I...) phản ứng với acid monocloroacetic hoặc ethyl cloroacetat để tạo N-arylglycin (2a–t); tiến hành nitroso hóa bằng NaNO2 trong dung dịch HCl ở 0–5 °C tạo N-nitroso-N-arylglycin (3a–t); sau đó đóng vòng bằng anhydrid acetic ở nhiệt độ phòng thu được 3-arylsydnone (4a–t).
  2. Tổng hợp dãy 3-aryl-4-formylsydnone (5a–r): Thực hiện phản ứng Vilsmeier-Haack bằng cách cho 4a–t phản ứng với hỗn hợp DMF và POCl3 ở nhiệt độ ban đầu 0 °C, sau đó nâng nhiệt lên 70 °C.
  3. Tổng hợp dãy 3-aryl-4-acetylsydnone (6a–l) và 3-aryl-4-bromoacetylsydnone (7a–l): Tiến hành acetyl hóa 4a–t bằng acid acetic băng với sự có mặt của P2O5 hoặc bằng hỗn hợp (CH3CO)2O/HClO4 thu được 6a–l; sau đó brom hóa C-acetyl bằng brom trong acid acetic dưới ánh sáng ở nhiệt độ phòng thu được các dẫn xuất 4-bromoacetyl (7a–l).
  4. Tổng hợp per-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl thiosemicarbazid: Acetyl hóa hoàn toàn D-glucose hoặc D-galactose bằng Ac2O với xúc tác HClO4; chuyển hóa thành dẫn xuất acetobromo qua phản ứng với Br2/P đỏ; sau đó phản ứng với chì thiocyanat Pb(SCN)2 thu được glucosyl isothiocyanat (Glc-NCS) hoặc galactosyl isothiocyanat (Gal-NCS); cuối cùng xử lý với hydrazin hydrat trong dicloromethan ở nhiệt độ dưới 20 °C thu được Glc-TSC và Gal-TSC.
  5. Tổng hợp các thiosemicarbazon (8a–q và 9a–q): Phản ứng ngưng tụ giữa 3-aryl-4-formylsydnone (5a–q) với Glc-TSC hoặc Gal-TSC trong ethanol khan có mặt xúc tác acid acetic, tiến hành trong lò vi sóng công suất 600 W trong khoảng thời gian 30 phút.
  6. Tổng hợp các 1,3,4-thiadiazin (10a–l và 11a–l): Phản ứng đóng vòng giữa 3-aryl-4-bromoacetylsydnone (7a–l) với Glc-TSC hoặc Gal-TSC trong ethanol dưới bức xạ vi sóng 600 W trong thời gian 1,5 đến 2 phút.
  7. Chuyển hóa hóa học thiosemicarbazon: Phản ứng giữa 8 hoặc 9 với ethyl bromoacetat trong ethanol có mặt natri acetat tạo dẫn xuất 2-iminothiazolidin-4-on (12a–f, 13a–f); phản ứng với anhydrid acetic đun hồi lưu tạo dẫn xuất 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol (14a–f, 15a–e); phản ứng với kẽm acetat trong methanol khan tạo phức chất bis[thiosemicarbazonato]kẽm(II) (16a–d, 17a–b).
Ký hiệu dãy chất Số lượng chất Chất đầu phản ứng Điều kiện / Tác nhân Cấu trúc sản phẩm chính
4a–t 20 Anilin thế + ClCH2COOH 1. NaNO2/HCl; 2. Ac2O 3-Arylsydnone
5a–r 18 3-Arylsydnone (4a–t) POCl3, DMF, 0–70 °C 3-Aryl-4-formylsydnone
6a–l 12 3-Arylsydnone (4a–t) CH3COOH băng, P2O5 3-Aryl-4-acetylsydnone
7a–l 12 6a–l Br2, chiếu sáng, 10–25 °C 3-Aryl-4-bromoacetylsydnone
Glc/Gal-TSC 2 D-Glucose / D-Galactose 1. Ac2O; 2. Br2/P; 3. Pb(SCN)2; 4. N2H4 Glycopyranosyl thiosemicarbazid
8a–q 17 5a–q + Glc-TSC Vi sóng, EtOH, AcOH, 30 phút Glucosyl thiosemicarbazon
9a–q 17 5a–q + Gal-TSC Vi sóng, EtOH, AcOH, 30 phút Galactosyl thiosemicarbazon
10a–l 12 7a–l + Glc-TSC Vi sóng, 600 W, 1,5–2 phút Glucosylamino-1,3,4-thiadiazin
11a–l 12 7a–l + Gal-TSC Vi sóng, 600 W, 1,5–2 phút Galactosylamino-1,3,4-thiadiazin
12a–f, 13a–f 12 8a–f, 9a–f + BrCH2COOEt CH3COONa, EtOH 2-Iminothiazolidin-4-on
14a–f, 15a–e 11 8a–f, 9a–e + Ac2O Đun hồi lưu trong Ac2O 4,5-Dihydro-1,3,4-thiadiazol
16a–d, 17a–b 6 8a–d, 9a–b + Zn(OAc)2 MeOH khan Phức chất bis[thiosemicarbazonato]Zn(II)

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 (từ trang 96 đến trang 190) thảo luận chi tiết về số liệu thực nghiệm, phổ cấu trúc và kết quả thử hoạt tính sinh học:

  • Tổng hợp và cấu trúc các hợp chất trung gian: Xác nhận cấu tạo của 3-arylsydnone (4a–t) qua phổ IR với pic C=O sydnone đặc trưng ở 1730–1755 cm⁻¹. Dãy 4-formyl (5a–r) xuất hiện thêm pic hấp thụ C=O aldehyde ở 1660–1680 cm⁻¹; trong phổ ¹H NMR có tín hiệu singlet của proton CHO ở vùng δ 9,80–9,95 ppm. Dãy 4-bromoacetyl (7a–l) có tín hiệu proton nhóm -CH2Br ở vùng δ 4,60–4,80 ppm.
  • Dãy hợp chất thiosemicarbazon (8a–q và 9a–q): Phản ứng chiếu xạ vi sóng trong 30 phút cho hiệu suất đạt từ 65% đến 88%. Phổ IR xác nhận sự biến mất của nhóm C=O aldehyde và xuất hiện các dải hấp thụ của nhóm C=N (1610–1620 cm⁻¹), C=S (1220–1235 cm⁻¹) và các dải liên kết N-H (3300–3400 cm⁻¹). Phổ ¹H NMR chỉ ra proton liên kết azomethin (-CH=N-) cộng hưởng dạng singlet ở vùng δ 7,90–8,25 ppm; proton anomer H-1' của vòng đường cộng hưởng ở vùng δ 5,80–6,10 ppm dưới dạng mũi đôi (doublet) với hằng số tương tác spin-spin lớn J(1',2') = 9,0–9,5 Hz, chứng minh cấu hình không gian trans-diaxial đặc trưng của dạng đồng phân β-anomer. Các phổ 2D NMR (COSY, HSQC, HMBC) của các hợp chất đại diện như 8h và 9b đã quy kết đầy đủ các tương tác tầm xa giữa proton azomethin với C4 của vòng sydnone và nhóm C=S thioure. Phổ khối lượng ESI-MS ghi nhận các pic ion phân tử dạng [M+H]⁺, [M+Na]⁺ và các mảnh phân cắt đặc trưng.
  • Dãy hợp chất 6H-1,3,4-thiadiazin (10a–l và 11a–l): Phản ứng ngưng tụ đóng vòng giữa 7a–l với Glc-TSC và Gal-TSC dưới vi sóng kết thúc chỉ sau 1,5 đến 2 phút. Phổ IR thể hiện các dải dao động hóa trị của liên kết C=N vòng thiadiazin ở 1600–1615 cm⁻¹, dải C-S-C ở 680–700 cm⁻¹. Trong phổ ¹H NMR, proton nhóm methylen (-S-CH2-) tại vị trí C6 của dị vòng thiadiazin xuất hiện dạng mũi đôi đôi hoặc hệ AB ở vùng δ 3,90–4,30 ppm với hằng số tương tác gióng đôi J ≈ 14–16 Hz; phổ ¹³C NMR ghi nhận tín hiệu carbon C6 ở vùng δ 24,0–26,0 ppm, C2 ở vùng δ 155–160 ppm và C5 ở vùng δ 145–150 ppm. Phổ HSQC và HMBC của hợp chất 10a và 11d khẳng định sự tạo vòng 1,3,4-thiadiazin thay vì tạo đồng phân vòng 1,3-thiazol.
  • Dãy thiazolidin-4-on (12a–f, 13a–f), thiadiazol (14a–f, 15a–e) và phức kẽm(II) (16a–d, 17a–b): Phổ IR của thiazolidin-4-on xuất hiện pic C=O mới của vòng lactam 5 cạnh ở vùng 1715–1725 cm⁻¹ cùng tín hiệu -S-CH2- của vòng ở δ 3,85–4,10 ppm trên phổ ¹H NMR. Dãy thiadiazol được chứng minh qua sự mất nhóm C=S và đóng vòng tạo liên kết C-S-C nội phân tử. Dãy phức chất kẽm (16a–d, 17a–b) được xác nhận qua sự dịch chuyển dải hấp thụ C=N và C=S trong phổ IR về phía số sóng thấp hơn và sự biến mất tín hiệu proton NH-thioure trong phổ ¹H NMR, cho thấy phối tử thiosemicarbazon liên kết phối trí với ion Zn(II) ở dạng deproton hóa enol-thiolat qua hai nguyên tử dị tố N và S.
  • Hoạt tính sinh học:
    • Thử nghiệm kháng vi sinh vật của dãy 8a–q, 10a–l, 11a–l và các phức chất 16, 17 cho thấy nhiều chất có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn Gram dương (Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis), vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa) và nấm men (Candida albicans). Một số dẫn xuất chứa nhóm thế halogen (như 4-Br, 4-Cl) trên vòng phenyl thể hiện đường kính vòng kháng khuẩn rõ rệt hơn so với các dẫn xuất chứa nhóm đẩy electron.
    • Thử nghiệm khả năng chống oxy hóa dập tắt gốc tự do DPPH của dãy galactopyranosyl thiosemicarbazon (9a–q) cho thấy các hợp chất này có khả năng quét gốc tự do ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào bản chất nhóm thế R gắn trên nhân 3-aryl của vòng sydnone.

Kết quả và những đóng góp mới

Công trình luận án đưa ra các đóng góp cụ thể về mặt khoa học lý thuyết và thực tiễn tổng hợp hóa học hữu cơ:

  1. Đã xây dựng và thiết lập quy trình tổng hợp một giai đoạn bằng phương pháp chiếu xạ vi sóng để điều chế hai dãy hợp chất thiosemicarbazon mới chứa đồng thời dị vòng mesoionic sydnone và hợp phần per-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl (8a–q gồm 17 chất và 9a–q gồm 17 chất), rút ngắn thời gian phản ứng từ nhiều giờ (theo phương pháp hồi lưu cổ điển) xuống còn 30 phút với hiệu suất tổng hợp cao (65–88%).
  2. Đã tổng hợp thành công hai dãy dẫn xuất mới 2-(per-O-acetyl-β-D-glycopyranosylamino)-5-(3”-arylsydnone-4-yl)-6H-1,3,4-thiadiazin (10a–l gồm 12 chất và 11a–l gồm 12 chất) thông qua phản ứng đóng vòng giữa 3-aryl-4-bromoacetylsydnone với glycosyl thiosemicarbazid dưới bức xạ vi sóng trong thời gian ngắn (1,5–2 phút).
  3. Đã nghiên cứu khả năng chuyển hóa của các thiosemicarbazon tổng hợp được thành 12 hợp chất 2-iminothiazolidin-4-on (12a–f, 13a–f), 11 hợp chất 4,5-dihydro-1,3,4-thiadiazol (14a–f, 15a–e) và 6 phức chất kim loại bis[thiosemicarbazonato]kẽm(II) (16a–d, 17a–b).
  4. Đã xác định đầy đủ cấu trúc hóa học và cấu hình lập thể anomer β của các dãy chất mới điều chế bằng hệ thống các phương pháp phổ hiện đại (FTIR, ¹H NMR, ¹³C NMR, 2D NMR gồm COSY, HSQC, HMBC và phổ khối lượng phân giải cao ESI-MS, EI-MS).
  5. Đã cung cấp dữ liệu thực nghiệm về hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và hoạt tính dập tắt gốc tự do DPPH của các dãy thiosemicarbazon, 1,3,4-thiadiazin và phức chất kẽm(II), xác lập mối liên hệ sơ bộ giữa cấu trúc nhóm thế trên vòng thơm của sydnone với hoạt tính sinh học của các chất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu các nội dung kiến nghị và định hướng nghiên cứu tiếp theo tại trang 191:

  • Nghiên cứu phản ứng de-O-acetyl hóa (loại bỏ nhóm bảo vệ acetyl trên khung đường) để điều chế các dẫn xuất thiosemicarbazon và thiadiazin chứa gốc glycopyranosyl tự do mang các nhóm hydroxyl phân cực (-OH), nhằm khảo sát ảnh hưởng của độ tan trong nước đến hoạt tính sinh học.
  • Mở rộng nghiên cứu khả năng tạo phức chất của các phối tử thiosemicarbazon với các cation kim loại chuyển tiếp khác như Cu(II), Ni(II), Co(II), Pd(II), Pt(II) và khảo sát cấu trúc không gian cũng như hoạt tính sinh học của các phức chất này.
  • Mở rộng phạm vi thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro và in vivo trên các dòng tế bào ung thư người và nghiên cứu cơ chế ức chế enzym chuyên biệt của các hợp chất 1,3,4-thiadiazin và sydnone tổng hợp được.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Hóa Hữu cơ, Hóa Dược và Hóa học các Hợp chất Thiên nhiên: Tham khảo phương pháp thiết kế và tổng hợp các phân tử lai (hybrid molecules) giữa dị vòng mesoionic và dẫn xuất carbohydrate.
  • Các nhà nghiên cứu tổng hợp hữu cơ thực nghiệm: Cung cấp quy trình chi tiết về việc ứng dụng lò vi sóng gia dụng để hoạt hóa phản ứng ngưng tụ tạo thiosemicarbazon và phản ứng đóng vòng tạo dị vòng 1,3,4-thiadiazin với thời gian ngắn (1,5–30 phút) và hiệu suất cao.
  • Cán bộ phân tích cấu trúc phổ: Cung cấp tập dữ liệu phổ thực nghiệm chi tiết (vị trí pic IR, độ dịch chuyển hóa học δ, hằng số tương tác spin-spin J, tương tác 2D HMBC/HSQC/COSY, các pic ion cộng kết ESI-MS và mảnh ion phân cắt đặc trưng) của các hệ dị vòng phức tạp gắn đường.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp chiếu xạ vi sóng mang lại ưu điểm gì so với phương pháp đun hồi lưu truyền thống trong luận án?
Phương pháp chiếu xạ vi sóng (sử dụng lò Samsung MW73E ở công suất 600 W) giúp rút ngắn thời gian phản ứng tạo thiosemicarbazon từ nhiều giờ xuống còn 30 phút, và phản ứng tạo vòng 1,3,4-thiadiazin từ nhiều giờ xuống chỉ còn 1,5 đến 2 phút. Đồng thời, phương pháp này giảm lượng dung môi sử dụng, hạn chế phản ứng phụ phân hủy nhiệt của nhân sydnone và cho hiệu suất sản phẩm cao (từ 65% đến 88%).

2. Làm thế nào tác giả chứng minh được cấu hình lập thể của hợp phần đường trong các thiosemicarbazon là anomer β?
Cấu hình β của gốc glucopyranosyl và galactopyranosyl được khẳng định qua phổ ¹H NMR nhờ tín hiệu của proton anomer H-1'. Proton này cộng hưởng ở vùng δ 5,80–6,10 ppm dưới dạng mũi đôi (doublet) với hằng số tương tác spin-spin lớn J(1',2') nằm trong khoảng 9,0–9,5 Hz. Giá trị J lớn này là đặc trưng quang phổ của tương tác trans-diaxial giữa hai proton ở vị trí trục (axial), chứng minh liên kết glycosid ở dạng cấu hình β.

3. Phản ứng đóng vòng giữa 3-aryl-4-bromoacetylsydnone và glycosyl thiosemicarbazid tạo thành dị vòng nào?
Phản ứng ngưng tụ đóng vòng diễn ra có tính chọn lọc cao tạo thành dị vòng sáu cạnh 2-(tetra-O-acetyl-β-D-glycopyranosylamino)-5-(3”-arylsydnone-4-yl)-6H-1,3,4-thiadiazin (các dãy 10a–l và 11a–l), thay vì tạo thành các đồng phân vòng năm cạnh thiazol hay thiazolin. Cấu trúc này được chứng minh bằng phổ ¹H NMR với tín hiệu của nhóm -S-CH2- tại vị trí số 6 của vòng thiadiazin ở δ 3,90–4,30 ppm và tín hiệu carbon C6 ở δ 24,0–26,0 ppm trên phổ ¹³C NMR.

4. Dạng phối trí của phối tử thiosemicarbazon trong phức chất bis[thiosemicarbazonato]kẽm(II) được xác định như thế nào?
Trong các phức chất kẽm (16a–d, 17a–b), phối tử thiosemicarbazon đóng vai trò là phối tử hai càng mang điện tích âm đơn (-1). Phối tử phối trí với ion Zn(II) qua nguyên tử nitơ azomethin (-C=N-) và nguyên tử lưu huỳnh ở dạng enol-thiolat (-C-S⁻) sau khi deproton hóa nhóm NH-thioure, được minh chứng bằng sự dịch chuyển số sóng dao động trên phổ IR và sự biến mất của tín hiệu proton NH trên phổ ¹H NMR.

5. Các hợp chất tổng hợp được thể hiện hoạt tính sinh học nào trong các phép thử nghiệm?
Các hợp chất thuộc dãy thiosemicarbazon (8a–q), 1,3,4-thiadiazin (10a–l, 11a–l) và các phức kẽm thể hiện hoạt tính ức chế vi sinh vật đối với cả vi khuẩn Gram dương (S. aureus, B. subtilis), vi khuẩn Gram âm (E. coli, P. aeruginosa) và nấm men (C. albicans). Ngoài ra, các dẫn xuất galactopyranosyl thiosemicarbazon (9a–q) thể hiện khả năng chống oxy hóa thông qua phản ứng dập tắt gốc tự do DPPH.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Hoàng Thanh Đức đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu tổng hợp và xác định cấu trúc của các dãy hợp chất lai mới giữa hợp phần mesoionic sydnone và dẫn xuất per-O-acetyl-β-D-glycopyranosyl thông qua cầu nối thiosemicarbazon và dị vòng 1,3,4-thiadiazin. Việc áp dụng thành công kỹ thuật chiếu xạ vi sóng đã rút ngắn thời gian phản ứng và nâng cao hiệu suất tổng hợp các hệ dị vòng. Hệ thống dữ liệu phổ hiện đại (IR, NMR đa chiều, MS phân giải cao) đã xác lập đầy đủ cấu trúc hóa học và cấu hình lập thể anomer β của các sản phẩm. Các kết quả thử nghiệm sinh học ban đầu cung cấp các bằng chứng thực nghiệm về hoạt tính kháng vi sinh vật và khả năng chống oxy hóa của các hợp chất tổng hợp được.