Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực hóa học hữu cơ và hóa dược, các hợp chất chứa khung dị vòng oxazolone (đặc biệt là các dẫn xuất 5(4H)-oxazolone, hay còn gọi là azlactone) điều chế từ aldehyde thơm và acid N-alkanoylglycine dưới sự hiện diện của anhydride acetic và xúc tác base đóng vai trò là tiền chất quan trọng để tổng hợp nhiều hoạt chất sinh học, chất bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu, trừ nấm và trừ cỏ. Song song đó, các dẫn xuất hydrazide ($R-CONHNH_2$) và hydrazide $N$-thế (hydrazone, $R-CONHN=CH-R'$) thu hút sự quan tâm lớn từ giới nghiên cứu nhờ phổ hoạt tính sinh học đa dạng như kháng khuẩn, kháng viêm, giảm đau, chống co giật, chống đông máu, ức chế tế bào ung thư và kháng trực khuẩn lao. Đồng thời, hydrazide là chất trung gian then chốt để chuyển hóa khép vòng tạo thành các hệ dị vòng 5 hoặc 6 cạnh như 1,2,4-triazole, 1,3,4-oxadiazole, 1,3,4-thiadiazole, pyrazole hoặc thiazolidinone.

Mặc dù phản ứng chuyển hóa mở vòng oxazolone thành hydrazide đã được một số nhóm tác giả thực hiện để tạo ra các hợp chất có hoạt tính kháng khuẩn, kháng viêm và chống oxy hóa, việc sử dụng tiền chất cụ thể là 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5(4H)-one để chuyển hóa thành các dẫn xuất acrylohydrazide và arylidene hydrazone tương ứng vẫn chưa được công bố đầy đủ trong y văn. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài khóa luận "Tổng hợp và chuyển hóa 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide" được thực hiện nhằm khai thác hướng chuyển hóa này để tổng hợp một chuỗi các dẫn xuất mới, cung cấp dữ liệu cấu trúc phục vụ cho các nghiên cứu hóa dược tiếp theo.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể như sau:

  1. Tổng hợp hợp chất trung gian 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5-one từ glycine, anhydride acetic và 4-chlorobenzaldehyde.
  2. Thực hiện phản ứng mở vòng oxazolone bằng hydrazine hydrate để điều chế 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide.
  3. Chuyển hóa 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide với 4 aldehyde thơm mang các nhóm thế có bản chất điện tử khác nhau (4-nitrobenzaldehyde, 3-nitrobenzaldehyde, 4-fluorobenzaldehyde, 4-methoxybenzaldehyde) để tạo thành dãy 4 dẫn xuất arylidene tương ứng.
  4. Tinh chế sản phẩm, xác định các hằng số vật lý (nhiệt độ nóng chảy) và phân tích cấu trúc phân tử của toàn bộ các hợp chất tổng hợp được bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại: phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$) và sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC/MS).
  5. Bước đầu gửi mẫu để thử nghiệm thăm dò hoạt tính kháng oxy hóa của các sản phẩm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình tổng hợp, phương pháp tinh chế, cơ chế phản ứng và việc xác lập cấu trúc hóa học của 6 hợp chất hữu cơ (bao gồm 1 oxazolone trung gian, 1 acrylohydrazide mạch hở và 4 dẫn xuất arylidene hydrazone).
  • Khách thể nghiên cứu: Hợp chất 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide và các dẫn xuất thế của nó.
  • Phạm vi và địa điểm thực hiện: Toàn bộ quá trình thực nghiệm tổng hợp, đo nhiệt độ nóng chảy và đo phổ hồng ngoại được tiến hành tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 5 năm 2014); phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H-NMR}$ được đo tại Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội); phổ khối lượng LC/MS được phân tích tại Trung tâm Pháp y thuộc Sở Y tế Thành phố Hồ Chí Minh; thử nghiệm thăm dò hoạt tính kháng oxy hóa được thực hiện tại Phòng Sinh học thực nghiệm thuộc 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 thực nghiệm

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết phản ứng tổng hợp hữu cơ cổ điển kết hợp các hướng tiếp cận tổng hợp dị vòng hiện đại:

  • Phản ứng tổng hợp vòng oxazolone (phương pháp Erlenmeyer-Plöchl): Quá trình ngưng tụ giữa amino acid (glycine) và aldehyde thơm (4-chlorobenzaldehyde) có sự tham gia của anhydride acetic đóng vai trò vừa là tác nhân acyl hóa nhóm amin, vừa là tác nhân tách nước khép vòng với xúc tác base yếu (sodium acetate khan).
  • Phản ứng mở vòng dị vòng oxazolone bằng tác nhân nucleophile: Dưới tác dụng của hydrazine hydrate—một tác nhân nucleophile hai tâm có ái lực mạnh—vòng lactone 5 cạnh bị tấn công vào vị trí carbonyl $C_5$, diễn ra theo cơ chế cộng - tách ($Ac_{B}2$), mở vòng tạo thành liên kết hydrazide mạch hở nhưng vẫn giữ nguyên cấu trúc nhánh acrylamide.
  • Phản ứng ngưng tụ carbonyl - amin tạo liên kết azomethine: Phản ứng giữa nhóm thế nucleophile $-NH_2$ của hydrazide với nhóm carbonyl của các aldehyde thơm khác nhau, tạo liên kết hydrazone ($-CONHN=CH-Ar$), giải phóng một phân tử nước. Cơ chế phản ứng gồm hai giai đoạn nối tiếp: giai đoạn cộng nucleophile tạo hợp chất trung gian carbinolamine và giai đoạn tách nước (có thể xúc tác acid hoặc base) để hoàn tất liên kết đôi $C=N$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị sử dụng:

  • Phương pháp tổng hợp hồi lưu: Các phản ứng tổng hợp hóa học được tiến hành bằng phương pháp đun hồi lưu cách thủy trong hệ bình cầu thủy tinh cổ mài với các dung môi chọn lọc (ethanol, 1,4-dioxane, $N,N$-dimethylformamide).
  • Kỹ thuật tách và tinh chế: Sử dụng phương pháp kết tinh lại trong các hệ dung môi thích hợp (ethanol tuyệt đối, dioxane khan hoặc hệ hỗn hợp DMF : ethanol tỉ lệ thể tích 1:5) nhằm loại bỏ tạp chất và nguyên liệu dư, thu hồi tinh thể có độ tinh khiết cao.
  • Phương pháp xác định nhiệt độ nóng chảy: Điểm nóng chảy của các sản phẩm rắn được xác định trên máy đo điểm nóng chảy Stuart SMP3 tại Phòng thí nghiệm Hóa đại cương, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM.
  • Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Ghi phổ trên thiết bị Shimadzu 8400S bằng kỹ thuật ép viên nén KBr trong dải đo $4000 - 400 \text{ cm}^{-1}$ nhằm nhận diện các nhóm chức dao động hóa trị đặc trưng: $N-H$, $C=O$ amide/hydrazide/lactone, liên kết liên hợp $C=C$, $C=N$ và $C_{sp^2}-H$.
  • Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$): Thực hiện trên máy Bruker NMR Avance 500 MHz, sử dụng dung môi DMSO-$d_6$ với chất chuẩn nội tetramethylsilane (TMS). Phân tích độ dịch chuyển hóa học ($\delta$, ppm), hình dạng vạch phổ (singlet, doublet, doublet of doublets) và hằng số tương tác spin - spin ($J$, Hz) để chứng minh trật tự liên kết và cấu hình phân tử.
  • Phương pháp sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC/MS): Đo trên hệ thống Agilent 6490 Triple Quadrupole LC/MS để xác định phân tử khối chính xác và các mảnh phân mảnh đặc trưng của sản phẩm tổng hợp.
  • Hỗ trợ tính toán và mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng ChemBioDraw Ultra để hỗ trợ phân tích hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp và dự đoán độ dịch chuyển hóa học của các proton trên khung thơm.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Tác giả nêu bật tầm quan trọng của các dẫn xuất oxazolone và hydrazide trong hóa học dược phẩm và nông nghiệp; chỉ rõ khoảng trống nghiên cứu đối với dẫn xuất chuyển hóa từ 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5(4H)-one; xác định mục tiêu, đối tượng, khách thể, giả thuyết khoa học và phạm vi thực nghiệm của đề tài khóa luận.

Chương 1. Tổng quan

Chương này hệ thống hóa các tài liệu khoa học liên quan đến cấu trúc, phản ứng và hoạt tính của hydrazide:

  • Đặc điểm cấu tạo và tổng hợp hydrazide: Trình bày công thức chung ($RCONHNH_2$), khả năng tạo liên kết hydrogen liên phân tử khiến hydrazide thường tồn tại ở trạng thái rắn. Phân tích hai con đường tổng hợp chính: phản ứng giữa ester carboxylic với hydrazine hydrate (cơ chế $Ac_{B}2$) và phản ứng mở vòng azlactone.
  • Một số phản ứng chuyển hóa hydrazide: Tổng thuật sâu sắc khả năng dị vòng hóa của hydrazide thành các hệ vòng 5 và 6 cạnh dưới tác dụng của các tác nhân đóng vòng khác nhau:
    • Tác dụng với carbon disulfide ($CS_2$) trong môi trường $KOH/C_2H_5OH$ tạo muối dithiocarbazate, khi gia nhiệt đóng vòng thành 1,3,4-oxadiazole hoặc phản ứng tiếp với hydrazine tạo 4-amino-1,2,4-triazole.
    • Phản ứng với phenyl isothiocyanate ($C_6H_5NCS$) tạo thiosemicarbazide, sau đó đóng vòng tạo 1,2,4-triazole, 1,3,4-thiadiazole hoặc 1,3,4-oxadiazole.
    • Tác dụng với acid carboxylic dưới xúc tác $POCl_3$ hoặc xúc tác iodobenzene diacetate (IBD) để khép vòng 1,3,4-oxadiazole.
    • Đun hồi lưu với acid formic dưới chiếu xạ vi sóng hoặc ngưng tụ với acetylacetone tạo vòng pyrazole.
    • Phản ứng ngưng tụ giữa hydrazide với các acid mercapto (acid thioglycolic, acid thiomalic, acid thiolactic) tạo dị vòng 4-thiazolidinone; phản ứng với chloroacetyl chloride tạo vòng 2-azetidinone.
    • Tác dụng với phenacyl bromide hoặc alkyl/aryl isothiocyanate kết hợp chloroacetate tạo các dẫn xuất thiazole và thiazolidine.
  • Hoạt tính sinh học của một số hydrazide N-thế (hydrazone): Dẫn chứng 20 cấu trúc cụ thể đã được chứng minh có hoạt tính dược lý thực tế: nifuroxazide (khử trùng đường ruột), các acetylhydrazone và oxamoylhydrazone (chống co giật), hydrazone chứa khung 2-oxobenzoxazoline và 2-oxobenzothiazoline (chống động kinh), dẫn xuất GABA-hydrazone (kìm chế thần kinh), các arylidene hydrazide chống suy nhược (liều 100 mg/kg), dẫn xuất pyridyl hydrazone ức chế 79% chứng viêm màng phổi (liều 80,1 $\mu\text{mol/kg}$), các $N$-acylarylhydrazone giảm đau mạnh hơn morphin và aspirin, dẫn xuất kháng sốt rét, kháng trực khuẩn lao M. tuberculosis H37Rv ở nồng độ 31,2 $\mu\text{g/mL}$, kháng khuẩn S. aureus ở dải 0,16 - 63,00 $\mu\text{g/mL}$, kháng E. faecalis và S. epidermidis ở nồng độ 3,9 $\mu\text{g/mL}$, cũng như các dẫn xuất 5-oxo-1,2,4-triazole kháng ung thư vú và ung thư tuyến tiền liệt.

Chương 2: Thực nghiệm

Trình bày chi tiết quy trình thao tác, định lượng hóa chất, điều kiện phản ứng và phương pháp tinh chế 6 hợp chất:

  1. Tổng hợp 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5-one (A):
    • Giai đoạn 1: Hòa tan hoàn toàn 5,0 g glycine (0,06 mol) trong 75 mL nước cất, thêm 14,5 g anhydride acetic (0,14 mol), khuấy 20 phút ở nhiệt độ phòng rồi làm lạnh 24 giờ. Lọc kết tủa trắng, rửa nước lạnh, thu được 5,53 g acetylglycine dùng trực tiếp không cần tinh chế.
    • Giai đoạn 2: Cho vào bình cầu 100 mL hỗn hợp gồm acetylglycine, 4-chlorobenzaldehyde và 4,1 g (0,05 mol) sodium acetate khan cùng 35 g (0,34 mol) anhydride acetic. Đun hồi lưu cách thủy trong 3 giờ, để nguội qua đêm trong tủ lạnh. Lọc chất rắn, rửa nước và kết tinh lại bằng ethanol. Thu được 6,62 g chất bột màu vàng, nhiệt độ nóng chảy 158 - 160°C, hiệu suất 59,8%.
  2. Tổng hợp 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide (B):
    • Cho vào bình cầu 250 mL gồm 2,22 g (0,01 mol) hợp chất (A) và 50 mL ethanol. Vừa khuấy vừa nhỏ từ từ 10 mL (0,1 mol) hydrazine hydrate 50% (dung dịch chuyển tức thì từ vàng đậm sang vàng nhạt). Tiếp tục khuấy 30 phút, lọc chất rắn, kết tinh lại bằng ethanol. Thu được 1,40 g chất rắn màu trắng, nhiệt độ nóng chảy 156 - 158°C, hiệu suất 55,3%.
  3. Tổng hợp dãy dẫn xuất arylidene hydrazide (C1 - C4):
    • Quy trình chung: Cho 0,76 g (3,0 mmol) hợp chất (B) vào bình cầu 100 mL, hòa tan trong ethanol nóng nhẹ, sau đó bổ sung 3,0 mmol aldehyde thơm tương ứng, đun hồi lưu cách thủy trong 1 giờ. Làm nguội, lọc chất rắn và kết tinh lại:
    • Hợp chất (C1) (với 0,45 g 4-nitrobenzaldehyde): Kết tinh lại bằng dioxane; thu được 0,69 g chất rắn màu vàng nhạt; nhiệt độ nóng chảy 273 - 274°C; hiệu suất 59,5%.
    • Hợp chất (C2) (với 0,45 g 3-nitrobenzaldehyde): Kết tinh lại bằng hỗn hợp DMF : ethanol (tỉ lệ 1:5); thu được 0,55 g chất rắn màu trắng; nhiệt độ nóng chảy 270 - 272°C; hiệu suất 47,43%.
    • Hợp chất (C3) (với 0,45 g 4-fluorobenzaldehyde): Kết tinh lại bằng ethanol; thu được 0,49 g tinh thể hình kim màu trắng; nhiệt độ nóng chảy 231 - 233°C; hiệu suất 45,4%.
    • Hợp chất (C4) (với 0,45 g 4-methoxybenzaldehyde): Kết tinh lại bằng ethanol; thu được 0,64 g chất rắn màu vàng nhạt; nhiệt độ nóng chảy 207 - 209°C; hiệu suất 57,4%.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương này đi sâu vào việc giải thích cơ chế phản ứng và quy kết tường minh toàn bộ tín hiệu phổ nghiệm:

  • Phân tích tổng hợp và cơ chế phản ứng: Làm rõ cơ chế tạo vòng oxazolone (A) qua các giai đoạn enol hóa, đóng vòng tạo trung gian oxazolone không thế rồi ngưng tụ với aldehyde thơm loại nước. Phân tích cơ chế cộng nucleophile của hydrazine vào nhóm carbonyl vòng lactone của (A) dẫn đến đứt liên kết $C-O$ để tạo hydrazide (B). Phân tích hai giai đoạn ngưng tụ tạo liên kết azomethine của dãy (C1 - C4).
  • Dữ liệu tính chất vật lý: Khóa luận thống kê đầy đủ đặc trưng ngoại quan, độ nóng chảy và hiệu suất của từng chất qua bảng tổng hợp số liệu.
Hợp chất Nhóm thế (Ar) Dạng tồn tại / Màu sắc Nhiệt độ nóng chảy (°C) Khối lượng thu được (g) Hiệu suất tổng hợp (%)
(A) - Bột màu vàng 158 - 160 6,62 59,8%
(B) - Chất rắn màu trắng 156 - 158 1,40 55,3%
(C1) $4-\text{NO}_2-\text{C}_6\text{H}_4$ Chất rắn màu vàng nhạt 273 - 274 0,69 59,5%
(C2) $3-\text{NO}_2-\text{C}_6\text{H}_4$ Chất rắn màu trắng 270 - 272 0,55 47,43%
(C3) $4-\text{F}-\text{C}_6\text{H}_4$ Tinh thể hình kim màu trắng 231 - 233 0,49 45,4%
(C4) $4-\text{OCH}_3-\text{C}_6\text{H}_4$ Chất rắn màu vàng nhạt 207 - 209 0,64 57,4%
  • Biện luận cấu trúc bằng phổ hồng ngoại (IR):
    • Hợp chất (A): Xuất hiện hai dải hấp thụ đặc trưng của liên kết carbonyl lactone vòng 5 cạnh tại $1800 \text{ cm}^{-1}$ và $1773 \text{ cm}^{-1}$; các dải tại $1661, 1605, 1584 \text{ cm}^{-1}$ tương ứng với dao động hóa trị của liên kết $C=C$ và $C=N$.
    • Hợp chất (B): Xuất hiện vạch chẻ đôi của liên kết $N-H$ tại $3374 \text{ cm}^{-1}$ và $3217 \text{ cm}^{-1}$; dao động hóa trị $C-H$ béo tại $2990 \text{ cm}^{-1}$; dải hấp thụ carbonyl của nhóm amide và hydrazide ở $1672 \text{ cm}^{-1}$ và $1653 \text{ cm}^{-1}$; dải $C=C$ liên hợp ở $1624 \text{ cm}^{-1}$.
    • Dãy dẫn xuất (C1 - C4): Đều xuất hiện hấp thụ liên kết $N-H$ trên $3148 - 3271 \text{ cm}^{-1}$; hai dải $C=O$ amide và hydrazide trong vùng $1650 - 1695 \text{ cm}^{-1}$; hấp thụ liên kết $C=C$ thơm và $C=N$ azomethine trong dải $1595 - 1638 \text{ cm}^{-1}$; liên kết $C_{sp^2}-H$ ở $2994 - 3048 \text{ cm}^{-1}$.
Nhóm hấp thụ đặc trưng Dải tần số quan sát trên các hợp chất C1 - C4 ($\text{cm}^{-1}$)
Dao động hóa trị $\nu_{N-H}$ 3148 - 3271 (hai dải hoặc dải rộng đặc trưng cho NH amide và hydrazone)
Dao động hóa trị $\nu_{C=O}$ 1650 - 1695 (hai peak rõ rệt ứng với amide $CH_3CONH-$ và hydrazide $-CONH-$)
Dao động hóa trị $\nu_{C=N}$ và $\nu_{C=C}$ 1595 - 1638
Dao động hóa trị $\nu_{C_{sp^2}-H}$ 2994 - 3048
  • Biện luận cấu trúc bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton ($^1\text{H-NMR}$):
    • Hợp chất (A): Singlet tại $\delta = 2,382 \text{ ppm}$ ($3\text{H}$) của nhóm methyl vòng oxazole; singlet tại $\delta = 7,231 \text{ ppm}$ ($1\text{H}$) của proton olefinic ($=CH-$); hai tín hiệu doublet cường độ $2\text{H}$ tại $\delta = 8,184 \text{ ppm}$ ($J = 8,0 \text{ Hz}$) và $\delta = 7,567 \text{ ppm}$ ($J = 8,0 \text{ Hz}$) của các proton vòng thơm liên hợp.
    • Hợp chất (B): Tích phân 12 proton với tỉ lệ cường độ 3:2:1:2:2:1:1. Tín hiệu nhóm methyl tại $\delta = 1,973 \text{ ppm}$ ($s, 3\text{H}$); proton tự do $-NH_2$ tại $\delta = 4,355 \text{ ppm}$ ($s, 2\text{H}$); hai proton vòng thơm tại $\delta = 7,524 \text{ ppm}$ ($d, 2\text{H}, J = 8,0 \text{ Hz}$) và trường đối xứng; hai singlet proton linh động ở vùng trường yếu tại $\delta = 9,332 \text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, H^5$) và $\delta = 9,396 \text{ ppm}$ ($s, 1\text{H}, H^4$).
    • Dãy dẫn xuất (C1 - C4): Giữ nguyên các tín hiệu của khung phân tử chung gồm nhóm methyl acetyl ($\delta = 2,028 - 2,034 \text{ ppm}$, $s, 3\text{H}$); proton olefinic $H^3$ ($\delta = 6,911 - 6,920 \text{ ppm}$, $s, 1\text{H}$); proton $H^4$ nhóm amide ($\delta = 9,604 - 9,682 \text{ ppm}$, $s, 1\text{H}$); proton linh động $H^5$ của liên kết hydrazino xuất hiện ở trường rất yếu ($\delta = 11,440 - 11,887 \text{ ppm}$, $s, 1\text{H}$). Tín hiệu proton nhóm azomethine $-N=CH-$ ($H^8$) xuất hiện dạng singlet tại vùng $\delta = 8,339 - 8,508 \text{ ppm}$.
    • Hiệu ứng nhóm thế trên vòng benzylidene:
      • Hợp chất (C1) (nhóm $4-\text{NO}_2$ rút electron mạnh): Các proton vòng thơm bị dịch chuyển mạnh về phía trường yếu với hai doublet tại $\delta = 7,968 \text{ ppm}$ ($d, 2\text{H}, J = 8,0 \text{ Hz}$) và $\delta = 8,302 \text{ ppm}$ ($d, 2\text{H}, J = 8,0 \text{ Hz}$).
      • Hợp chất (C2) (nhóm $3-\text{NO}_2$): Tín hiệu proton $H^8$ và $H^{10}$ trùng nhau ở $\delta = 8,508 \text{ ppm}$ ($s, 2\text{H}$); hai doublet tại $\delta = 8,245 \text{ ppm}$ ($1\text{H}, J = 8,0 \text{ Hz}$) và $\delta = 8,117 \text{ ppm}$ ($1\text{H}, J = 8,0 \text{ Hz}$); một doublet of doublets tại $\delta = 7,749 \text{ ppm}$ ($1\text{H}, J_1 = J_2 = 8,0 \text{ Hz}$).
      • Hợp chất (C3) (nhóm $4-\text{F}$ có tương tác spin - spin hạt nhân $^{1}\text{H}-^{19}\text{F}$): Xuất hiện hai hệ tín hiệu doublet of doublets tách đôi phức tạp do tương tác đồng thời với proton kế cận và hạt nhân fluor: $\delta = 7,286 \text{ ppm}$ ($dd, 2\text{H}, ^3J_{H-H} = ^3J_{H-F} = 8,0 \text{ Hz}$) và $\delta = 7,760 \text{ ppm}$ ($dd, 2\text{H}, ^3J_{H-H} = 8,0 \text{ Hz}, ^4J_{H-F} = 6,0 \text{ Hz}$).
      • Hợp chất (C4) (nhóm $4-\text{OCH}_3$ đẩy electron): Xuất hiện singlet mới tại $\delta = 3,802 \text{ ppm}$ ($s, 3\text{H}$) của nhóm methoxy; mật độ electron tăng khiến tín hiệu hai proton $H^{11}, H^{13}$ dịch chuyển rõ rệt về vùng trường mạnh tại $\delta = 7,019 \text{ ppm}$ ($d, 2\text{H}, J = 8,0 \text{ Hz}$).
  • Phân tích sắc ký đồ và phổ khối lượng (LC/MS): Trình bày sắc ký đồ và phổ MS của hợp chất đại diện (C1), xác nhận pic ion phân tử phù hợp hoàn toàn với công thức phân tử dự kiến.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã đạt được các kết quả thực nghiệm định lượng rõ ràng:

  • Đã xây dựng và thực hiện thành công quy trình tổng hợp 6 hợp chất hữu cơ thuộc các nhóm oxazolone, acrylohydrazide và hydrazone, đạt hiệu suất thu hồi sản phẩm tinh khiết từ 45,4% đến 59,8%:
    1. 4-(4-Chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5-one (A): hiệu suất 59,8%, nhiệt độ nóng chảy 158 - 160°C.
    2. 2-(Acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide (B): hiệu suất 55,3%, nhiệt độ nóng chảy 156 - 158°C.
    3. 4-Nitrobenzyliden-2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide (C1): hiệu suất 59,5%, nhiệt độ nóng chảy 273 - 274°C.
    4. 3-Nitrobenzyliden-2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide (C2): hiệu suất 47,43%, nhiệt độ nóng chảy 270 - 272°C.
    5. 4-Fluorobenzyliden-2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide (C3): hiệu suất 45,4%, nhiệt độ nóng chảy 231 - 233°C.
    6. 4-Methoxybenzyliden-2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide (C4): hiệu suất 57,4%, nhiệt độ nóng chảy 207 - 209°C.
  • Thiết lập đầy đủ bộ dữ liệu phổ học đồng bộ (IR, $^1\text{H-NMR}$ độ phân giải cao 500 MHz, LC/MS) cho toàn bộ các chất tổng hợp được. Tác giả đã giải thích tường minh quy luật dịch chuyển hóa học, ảnh hưởng của các nhóm thế rút/đẩy electron đối với độ chắn từ của hạt nhân proton và phân tích chi tiết hiệu ứng ghép spin qua 3 và 4 liên kết giữa hạt nhân $^1\text{H}$ và $^{19}\text{F}$ trong hợp chất (C3).
  • Về mặt học thuật, công trình đóng góp quy trình chuyển hóa mới từ khung 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5(4H)-one thành các hydrazide $N$-thế chưa từng được công bố trong các nghiên cứu trước đây, mở rộng ngân hàng dữ liệu các hợp chất trung gian tiềm năng cho ngành hóa dược.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận phản ánh một số điểm hạn chế dựa trên phạm vi và nội dung thực tế được trình bày trong văn bản:

  • Đề tài tập trung chủ yếu vào khâu tổng hợp hữu cơ, tinh chế và xác lập cấu trúc phổ học; nội dung thử nghiệm hoạt tính sinh học (kháng oxy hóa) mới dừng ở mức chuẩn bị và gửi mẫu thăm dò tại Phòng Sinh học thực nghiệm (Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên), chưa kịp tích hợp số liệu thử nghiệm sinh học định lượng (như nồng độ ức chế tối thiểu hay chỉ số $IC_{50}$) vào bản khóa luận.
  • Hiệu suất tổng hợp của một số dẫn xuất còn ở mức trung bình (hợp chất C3 đạt 45,4%, C2 đạt 47,43%), chưa tiến hành khảo sát tối ưu hóa các điều kiện phản ứng như tỷ lệ mol, nhiệt độ, loại dung môi hoặc ứng dụng các phương pháp hỗ trợ hiện đại (như chiếu xạ vi sóng hoặc siêu âm).

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất:

  • Tiếp tục thu thập và đánh giá đầy đủ kết quả thử nghiệm hoạt tính kháng oxy hóa, đồng thời mở rộng sàng lọc các hoạt tính sinh học tiềm năng khác đã được tổng quan gợi ý như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng viêm và độc tính tế bào ung thư.
  • Tận dụng nhóm chức hydrazide mạch hở của hợp chất (B) và các dẫn xuất (C1 - C4) để thực hiện tiếp các phản ứng đóng vòng tạo dị vòng phức hợp (1,3,4-oxadiazole, 1,2,4-triazole, thiazolidinone).
  • Tối ưu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tư liệu học thuật có giá trị thiết thực đối với:

  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên đại học chuyên ngành Hóa học (đặc biệt là Hóa Hữu cơ, Sư phạm Hóa học và Hóa Dược) trong việc tra cứu phương pháp tổng hợp vòng azlactone và kỹ thuật mở vòng bằng hydrazine hydrate.
  • Các nhà nghiên cứu đang làm việc trên hệ khung hydrazide và hydrazone: Khóa luận cung cấp chi tiết điều kiện thực nghiệm, dung môi kết tinh và phương pháp tinh chế đối với các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao (trên 200°C).
  • Phần phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H-NMR}$ (500 MHz) trong Chương 3 là tài liệu tham khảo mẫu mực về kỹ thuật quy kết tín hiệu proton cho các hệ phân tử hữu cơ liên hợp chứa nhiều dị nguyên tử ($N, O, Cl, F$), đặc biệt là cách tính toán và phân biệt hằng số tách spin $^{3}J_{H-F}$ và $^{4}J_{H-F}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Hợp chất trung gian 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5-one (A) được tổng hợp qua những giai đoạn nào và hiệu suất đạt được là bao nhiêu?
Hợp chất (A) được tổng hợp qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 tổng hợp acetylglycine từ glycine (5,0 g) và anhydride acetic (14,5 g) trong môi trường nước cất, thu được 5,53 g sản phẩm rắn màu trắng. Giai đoạn 2 cho acetylglycine phản ứng với 4-chlorobenzaldehyde và sodium acetate khan (4,1 g) trong anhydride acetic (35 g), đun hồi lưu cách thủy trong 3 giờ. Sản phẩm (A) thu được là chất bột màu vàng với khối lượng 6,62 g, nhiệt độ nóng chảy 158 - 160°C, đạt hiệu suất 59,8%.

2. Phản ứng mở vòng oxazolone (A) để tạo thành acrylohydrazide (B) diễn ra trong điều kiện nào?
Phản ứng sử dụng 2,22 g (0,01 mol) hợp chất (A) phân tán trong 50 mL ethanol, sau đó nhỏ từ từ 10 mL (0,1 mol) dung dịch hydrazine hydrate 50% ở nhiệt độ thường. Màu vàng đậm của oxazolone lập tức chuyển sang vàng nhạt. Hỗn hợp được khuấy thêm 30 phút, lọc kết tủa và kết tinh lại trong ethanol, thu được 1,40 g hợp chất (B) dạng chất rắn màu trắng, điểm nóng chảy 156 - 158°C, đạt hiệu suất 55,3%.

3. Trên phổ $^1\text{H-NMR}$, tín hiệu của proton liên kết hydrazino ($-CONH-N=$) ở các dẫn xuất (C1 - C4) xuất hiện ở vùng nào và tại sao lại có sự dịch chuyển này?
Tín hiệu proton linh động này ($H^5$) xuất hiện dạng singlet ở vùng trường rất yếu, dao động trong khoảng $\delta = 11,440 - 11,887 \text{ ppm}$. Nguyên nhân do proton này chịu ảnh hưởng giảm chắn mạnh mẽ đồng thời từ nhóm carbonyl liên hợp bên cạnh và nguyên tử nitơ có độ âm điện lớn của liên kết azomethine, khiến mật độ electron xung quanh hạt nhân hydro giảm đáng kể.

4. Khóa luận phân biệt tương tác spin - spin của các proton trên vòng thơm với hạt nhân fluor trong hợp chất (C3) như thế nào?
Do tương tác spin giữa hạt nhân hydro ($^1\text{H}$) và hạt nhân fluor ($^{19}\text{F}$ có spin $I = 1/2$), các proton trên vòng gắn nhóm fluor đều tách thành dạng doublet of doublets ($dd$). Proton ở vị trí 10,14 tương tác với fluor qua 4 liên kết nên có hằng số tương tác nhỏ hơn ($^4J_{H-F} = 6,0 \text{ Hz}$, $^3J_{H-H} = 8,0 \text{ Hz}$ tại $\delta = 7,760 \text{ ppm}$); trong khi proton ở vị trí 11,13 tương tác qua 3 liên kết có hằng số tương tác lớn hơn ($^3J_{H-F} = ^3J_{H-H} = 8,0 \text{ Hz}$ tại $\delta = 7,286 \text{ ppm}$).

5. Các phương pháp phổ nghiệm nào đã được sử dụng để chứng minh cấu trúc của các chất tổng hợp và thực hiện ở đâu?
Cấu trúc các chất được xác định bằng 3 phương pháp phổ nghiệm chính: Phổ hồng ngoại FT-IR ghi trên máy Shimadzu 8400S (tại Khoa Hóa học, ĐH Sư phạm TP.HCM); phổ cộng hưởng từ proton $^1\text{H-NMR}$ 500 MHz đo trên máy Bruker Avance trong dung môi DMSO-$d_6$ (tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội); và sắc ký lỏng ghép khối phổ LC/MS trên máy Agilent 6490 Triple Quadrupole (tại Trung tâm Pháp y TP.HCM).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Tạ Thị Thanh Hoa đã thực hiện thành công quy trình tổng hợp, tinh chế và xác lập cấu trúc hoàn chỉnh cho 6 hợp chất hữu cơ, bao gồm 4-(4-chlorobenzylidene)-2-methyloxazol-5-one, 2-(acetamido)-3-(4-chlorophenyl)acrylohydrazide cùng 4 dẫn xuất arylidene hydrazone mới. Các sản phẩm đều được kiểm soát độ tinh khiết qua điểm nóng chảy ổn định và được khẳng định cấu trúc tường minh thông qua hệ thống dữ liệu phổ nghiệm IR, $^1\text{H-NMR}$ và LC/MS. Công trình là tài liệu thực nghiệm hóa hữu cơ nghiêm túc, cung cấp đầy đủ thông số tổng hợp và phân tích phổ có giá trị tham khảo chuyên môn cao cho các nghiên cứu tiếp nối trong lĩnh vực tổng hợp dẫn xuất dị vòng và hóa dược.