Tổng quan luận án
Hóa học các hợp chất dị vòng chứa nhân 1,3,4-oxadiazol và nhóm định chức 2-thiol là một hướng nghiên cứu quan trọng trong hóa học hữu cơ hiện đại. Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ hai lý do cơ bản:
- Giá trị thực tiễn và hoạt tính sinh học: Các dẫn xuất 1,3,4-oxadiazol-2-thiol có phổ hoạt tính sinh học rộng như kháng khuẩn, sát trùng, chống nấm mốc, giảm đau, kháng viêm và ức chế sự phát triển của virus HIV-1. Trong công nghiệp, nhờ tính oxy hóa - khử thuận nghịch của nhóm thiol (-SH), các dẫn xuất này được ứng dụng làm chất phụ gia chống lão hóa polyme, ức chế quá trình oxy hóa dầu mỡ, chống ăn mòn kim loại và làm vật liệu composite chế tạo điện cực catot cho pin liti thứ cấp dung lượng cao.
- Khoảng trống và hạn chế của các phương pháp truyền thống: Phần lớn các dẫn xuất 1,3,4-oxadiazol-2-thiol trước đây được tổng hợp từ phản ứng giữa hidrazit axit cacboxylic với thiophosgen ($CSCl_2$) hoặc cacbon disunfua ($CS_2$). Các tác nhân này có độ độc cao, dễ cháy nổ, gây ô nhiễm môi trường và bị hạn chế hoặc cấm sử dụng tại nhiều quốc gia. Ngoài ra, phản ứng đóng vòng truyền thống thường diễn ra chậm, tiêu tốn năng lượng và cho hiệu suất chưa cao.
Xuất phát từ các vấn đề trên, đề tài luận án "Tổng hợp và tính chất của một số axetamidoaryl-1,3,4-oxadiazol-2-thiol" được thực hiện nhằm phát triển phương pháp tổng hợp mới thân thiện với môi trường, nghiên cứu chuyển hóa hóa học và thăm dò hoạt tính sinh học của các hợp chất tạo thành.
Mục tiêu nghiên cứu
- Hoàn thiện và ứng dụng phương pháp mới, hiệu quả cao, thân thiện hơn với môi trường để điều chế các dẫn xuất của 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol.
- Nghiên cứu một cách có hệ thống phản ứng của chúng với các dẫn xuất của $\alpha$-cloaxetanilit và tìm điều kiện thích hợp để tổng hợp các dẫn xuất 2-(N-arylcacboxamidometylthio)-5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol.
- Xác định cấu trúc và thử hoạt tính sinh học của các hợp chất tổng hợp được.
Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể
- Hoàn thiện phương pháp thiocacbamoyl hóa các axetamidobenzoyl hidrazin bằng tetrametylthiuram disunfua (TMTD) để điều chế các dẫn xuất 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol.
- Nghiên cứu phản ứng giữa các dẫn xuất 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol với các $\alpha$-cloaxetanilit thế để điều chế các hợp chất 2-(N-arylcacboxamidometylthio)-5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol.
- Xây dựng cơ chế phản ứng giữa các dẫn xuất 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol và $\alpha$-cloaxetanilit thế, tìm điều kiện tối ưu để định hướng phản ứng theo chiều mong muốn.
- Xác định cấu trúc của các sản phẩm tổng hợp bằng các phương pháp phổ học hiện đại (IR, NMR, MS).
- Thử hoạt tính sinh học của một số sản phẩm tổng hợp được.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các dẫn xuất axetamidobenzoyl hidrazin (IIIa-g), 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol (IVa-g), các tác nhân $\alpha$-cloaxetanilit thế, cùng các sản phẩm chuyển hóa 2-(N-arylcacboxamidometylthio)-5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol (V) và 2-arylamino-5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol (VI).
- Phạm vi nghiên cứu: Luận án gồm 148 trang, 3 chương, 36 hình vẽ, 38 bảng số liệu và 120 tài liệu tham khảo. Thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Hóa học hữu cơ III, Bộ môn Hóa học Hữu cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Trong Chương 1, tác giả đã tổng hợp và phân loại có hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hợp chất 1,3,4-oxadiazol theo 3 nhóm phương pháp điều chế chính, các đặc tính hóa lý cơ bản và ứng dụng thực tiễn:
Các hướng nghiên cứu điều chế
- Từ dẫn xuất semicacbazit và thiosemicacbazit:
- Dẫn xuất semicacbazit được đun hồi lưu trong diclometan hoặc cacbon tetraclorua có mặt triankyl hoặc aryl amin để thu được 2,5-aryl-1,3,4-oxadiazol (thời gian 1-2 giờ).
- Oxi hóa đóng vòng thiosemicacbazit với hệ tác nhân $I_2/KI/NaOH$ trong môi trường kiềm (pH = 9), đạt hiệu suất 64-77% theo công bố của Dolman S. và các nhóm nghiên cứu khác.
- Dolman S. tổng hợp 2-amino-1,3,4-oxadiazol bằng phản ứng giữa thiosemicacbazit với toluensunfonyl clorua ($TsCl$) trong dung môi THF có mặt pyridin ở 65-70°C trong 20 giờ.
- Bancescu G. và cộng sự sử dụng $HgO/C_2H_5OH$ làm tác nhân đóng vòng thiosemicacbazit để điều chế 4-(N-4-flophenyl)-5-(4-phenylsulfonylphenyl)-2-amin-1,3,4-oxadiazol với thời gian phản ứng 8 giờ, hiệu suất đạt 77,5%.
- Đóng vòng muối kim loại của axit aroyldithiocacbazinic hoặc este trong $H_2SO_4$ đặc (98%) hoặc pyridin cho hiệu suất thấp và thời gian kéo dài.
- Từ hidrazon và các bazơ azometin:
- Đun hồi lưu hidrazon trong anhidrit axetic tạo dẫn xuất N-axetyl-1,3,4-oxadiazol, tiêu biểu như công trình của El-Saysed A. (1,5 giờ) và Dewangan D. (4 giờ). Bhardwaj S. đã ứng dụng kỹ thuật vi sóng rút ngắn thời gian phản ứng xuống còn 9-12 phút với hiệu suất 88-94%.
- Oxi hóa đóng vòng bằng dung dịch brom trong axit axetic băng được Harish Rajak và cộng sự thực hiện để tổng hợp 2,5-thế-1,3,4-oxadiazol trong 30 phút với hiệu suất 70-73%.
- Sanjeev Kumar công bố phương pháp điện hóa trên điện cực platin với chất điện li liti perclorat ($LiClO_4$) trong axetonitrin, phản ứng diễn ra trong 2-3 giờ, hiệu suất đạt 74-90%.
- Đóng vòng N'-benzyliden-benzoyl hidrazin bằng tác nhân oxi hóa Cloramin-T trong etanol đun hồi lưu 5 giờ.
- Từ hidrazit của axit cacboxylic:
- Sử dụng tác nhân $POCl_3$ đun hồi lưu từ 6-10 giờ (Dewangan D., Patel N.,...).
- Sử dụng brom xianua ($BrCN$) trong dung môi dioxan và dung dịch $NaHCO_3$ 0,1% của Vosooghi M. và cộng sự, phản ứng kết thúc sau hơn 2 giờ nhưng hiệu suất chỉ đạt 41-50%.
- Tác nhân truyền thống $CS_2$ trong môi trường kiềm ($KOH/C_2H_5OH$) đun hồi lưu 60-70°C trong 6 giờ. Young R. đã xác định cơ chế qua 2 giai đoạn: tạo trung gian dithiolat từ anion enolat, sau đó ngưng tụ nội phân tử tách loại $H_2S$.
Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án
Mặc dù phương pháp dùng $CS_2$ được nghiên cứu nhiều, nhược điểm về an toàn môi trường và tính độc hại vẫn chưa được xử lý triệt để trong các nghiên cứu trước. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách:
- Thay thế hoàn toàn $CS_2$ bằng tác nhân tetrametylthiuram disunfua (TMTD) thân thiện hơn với môi trường trong phản ứng thiocacbamoyl hóa tạo vòng 1,3,4-oxadiazol-2-thiol.
- Sử dụng kỹ thuật vi sóng để tổng hợp chất trung gian axetamidobenzoyl hidrazin nhằm rút ngắn thời gian từ nhiều giờ xuống vài phút.
- Khảo sát có hệ thống cơ chế phản ứng S-ankyl hóa và quá trình chuyển hóa thành dẫn xuất 2-arylamino khi phản ứng với $\alpha$-cloaxetanilit thế.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán
- Cấu trúc và tính thơm của vòng 1,3,4-oxadiazol: Vòng 1,3,4-oxadiazol là dị vòng 5 cạnh gồm 2 nguyên tử cacbon, 2 nguyên tử nitơ (ở trạng thái lai hóa $sp^2$) và 1 nguyên tử oxi. Bốn electron $\pi$ từ liên kết đôi cùng cặp electron tự do của nguyên tử oxi tạo thành hệ liên hợp phẳng 6 electron $\pi$, thỏa mãn quy tắc Hückel ($4n+2$). Bằng tính toán bán lượng tử sử dụng phần mềm Hyperchem 7, tác giả phân tích độ dài liên kết, góc liên kết và sự phân bố mật độ electron trong vòng.
- Cân bằng hỗ biến thiol - thion: Tính toán bán kinh nghiệm AM1 và PM3 chỉ ra rằng ở trạng thái khí, dạng thiol có mức năng lượng thấp hơn (4,44 kcal/mol) và bền hơn dạng thion. Tuy nhiên, các dữ liệu thực nghiệm phổ UV, IR và $^1H\text{-NMR}$ cho thấy trong dung dịch, hợp chất tồn tại chủ yếu ở dạng thion.
- Tính axit của nhóm 2-thiol: Điện tích âm trên nguyên tử lưu huỳnh trong anion 1,3,4-oxadiazol-2-thiolat được giải tỏa vào hệ $\pi$ của dị vòng (mật độ điện tích là -0,538), thấp hơn nhiều so với etylthiolat (-0,903). Do đó, proton nhóm -SH có độ linh động cao, dễ phân li tạo muối thiolat tan tốt trong môi trường kiềm.
- Cơ chế phản ứng cộng - tách nucleophin: Phản ứng hidrazit hóa este metyl axetamidobenzoat diễn ra qua sự tấn công nucleophin của hidrazin vào cacbon cacbonyl ($C=O$). Tốc độ phản ứng chịu ảnh hưởng mạnh bởi hiệu ứng liên hợp ($+C$) và cảm ứng ($-I$) của các nhóm thế trên nhân phenyl.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp tổng hợp:
- Tổng hợp nhiệt truyền thống: Đun hồi lưu cách thủy hoặc cách dầu có kiểm soát nhiệt độ.
- Tổng hợp bằng vi sóng: Sử dụng lò vi sóng công suất 200W ở 75°C trong bình cầu có gắn ống sinh hàn hồi lưu.
- Phương pháp tinh chế và phân lập:
- Kết tinh phân đoạn trong các hệ dung môi thích hợp ($C_2H_5OH$, DMF, hỗn hợp cồn - DMF).
- Kiểm tra độ tinh khiết và theo dõi tiến trình phản ứng bằng sắc ký bản mỏng (TLC).
- Phương pháp phân tích cấu trúc:
- Phổ hồng ngoại (IR): Ghi trên máy đo phổ dạng viên nén KBr trong dải sóng 4000 - 400 $cm^{-1}$.
- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H\text{-NMR}$, $^{13}C\text{-NMR}$ và 2D-NMR gồm HMQC, HMBC, HSQC, COSY): Đo trong dung môi $DMSO-d_6$.
- Phổ khối lượng (MS): Xác định ion phân tử $M^+$ và quy luật phân mảnh.
- Nhiệt độ nóng chảy ($T_{nc}$): Đo trên thiết bị đo điểm nóng chảy chuyên dụng.
- Phương pháp chứng minh cấu trúc và cơ chế:
- Sử dụng phương pháp tổng hợp ngược (retro-synthesis) thông qua việc điều chế phenyl isothioxianat, tạo 3-axetamidophenyl-4-bromphenylaminothiosemicacbazit và oxy hóa đóng vòng để đối chiếu sản phẩm.
- Phương pháp thử hoạt tính sinh học:
- Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm thông qua phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan hóa học các hợp chất 1,3,4-oxadiazol
Chương này trình bày chi tiết về lịch sử phát triển, phương pháp tổng hợp, đặc tính cấu trúc, các phản ứng hóa học đặc trưng, dữ liệu phổ và tiềm năng ứng dụng của dị vòng 1,3,4-oxadiazol.
Bảng 1.1: Nhiệt độ nóng chảy của một số dẫn xuất 1,3,4-oxadiazol theo tài liệu tham khảo
| Nhóm thế vị trí C-5 (R) | Nhóm thế vị trí C-2 ($R^1$) | Dạng tồn tại / Điểm nóng chảy ($T_{nc}$, °C) | Tài liệu tham khảo |
|---|---|---|---|
| -H | -H | Chất lỏng ($T_s$: 150 °C) | Ainworth C. [7] |
| -H | -SH | 89 - 91 | [41] |
| $-CH_3$ | -SH | 76 - 78 | [41] |
| $p-ClC_6H_4$ | $-CH_2Cl$ | 85 | [86] |
| $-C_6H_5$ | -SH | 160 - 162 | [28] |
| 4-pyridyl | -SH | 272 - 273 | [114] |
| Bis(5-aryl) | - | 286 | [95] |
Các đặc trưng phổ được đúc kết:
- Phổ UV-Vis: Có cực đại hấp thụ ở vùng sóng ngắn (204-209 nm) và sóng dài (300-317 nm), hằng số tắt phân tử $\varepsilon > 10^4$, đặc trưng cho chuyển dời $\pi \rightarrow \pi^*$.
- Phổ IR: Dao động hóa trị $\nu(C=N)$ ở 1640-1560 $cm^{-1}$, $\nu(C-O)$ ở 1030-1020 $cm^{-1}$, $\nu(S-H)$ ở 2550-2570 $cm^{-1}$ (dịch chuyển lên 2760 $cm^{-1}$ khi có liên hợp mạnh), $\nu(C-S)$ ở 700-730 $cm^{-1}$.
- Phổ NMR: Tín hiệu proton N-H dạng thion xuất hiện ở vùng trường rất yếu ($> 12$ ppm), proton S-H dạng thiol xuất hiện ở 1-5 ppm (pic tù); cacbon nhóm thion ($C=S$) trên phổ $^{13}C\text{-NMR}$ xuất hiện ở 171-194 ppm.
- Phổ MS: Ion phân tử $M^+$ có độ bền cao; phân mảnh ban đầu bằng việc tách nhóm thế, sau đó mở vòng dị thể.
Chương 2: Kết quả và thảo luận
Tác giả trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm tổng hợp các chất trung gian, tối ưu hóa phản ứng hidrazit hóa bằng vi sóng, đóng vòng tạo dẫn xuất 1,3,4-oxadiazol-2-thiol và nghiên cứu chuyển hóa S-ankyl hóa.
1. Tổng hợp các tác nhân và chất trung gian
- Điều chế các tác nhân $\alpha$-cloaxetanilit thế từ anilin thế và cloaxetyl clorua.
- Điều chế axit 4-amino-2-clo- và 4-amino-2-brombenzoic bằng phản ứng khử hợp chất nitro tương ứng.
- Điều chế 7 dẫn xuất metyl aminobenzoat (Ia-g) qua phản ứng este hóa với metanol dư, xúc tác $H_2SO_4$.
- Axetyl hóa tạo 7 dẫn xuất metyl axetamidobenzoat (IIa-g) bằng anhidrit axetic.
2. Nghiên cứu phản ứng hidrazit hóa tạo axetamidobenzoyl hidrazin (IIIa-g)
- Phương pháp truyền thống: Đun hồi lưu este IIa-g với hidrazin hidrat 80% (tỷ lệ 1:4) trong etanol tuyệt đối.
- Phản ứng của metyl 3-axetamidobenzoat (IIa) kết thúc sau 8 giờ.
- Phản ứng của metyl 4-axetamidobenzoat (IIb) kéo dài 12 giờ do có sự liên hợp trực tiếp giữa cặp electron của nhóm 4-$NHCOCH_3$ với nhóm $C=O$ este, làm giảm điện tích dương trên nguyên tử cacbon cacbonyl.
- Đối với dẫn xuất chứa nhóm thế 2-OH: dẫn xuất 4-axetamido (IIId) cần 12 giờ (hiệu suất 83%), trong khi dẫn xuất 5-axetamido (IIIe) kết thúc sau 6 giờ (hiệu suất 85%). Dẫn xuất thế 2-Cl (IIIf) và 2-Br (IIIg) cho hiệu suất tương ứng 72% và 65%.
- Phương pháp vi sóng: Đun trong lò vi sóng công suất 200W ở 75°C trong 15 phút, thu được 7 dẫn xuất axetamidobenzoyl hidrazin (IIIa-g) với hiệu suất 65-85%, trong đó có 6 chất mới.
Bảng 2.1: Kết quả tổng hợp, hằng số vật lý và phổ IR của các hợp chất IIIa-g
| Kí hiệu | Vị trí $-NHCOCH_3$ | Nhóm thế X | CTPT | Hiệu suất (%) | $T_{nc}$ (°C) | $\nu(NH_2)$ ($cm^{-1}$) | $\nu(N-H)$ ($cm^{-1}$) | $\nu(C=O)$ ($cm^{-1}$) | $\nu(C=C_{Ar})$ ($cm^{-1}$) | $\nu(=C-H_{Ar})$ ($cm^{-1}$) | $\nu(X)$ ($cm^{-1}$) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IIIa | $3-NHCOCH_3$ | -H | $C_9H_{11}N_3O_2$ | 80 | 216-218 | 3274-3310 | 3184 | 1691-1628 | 1607 | 3115 | 814-697 |
| IIIb | $4-NHCOCH_3$ | -H | $C_9H_{11}N_3O_2$ | 80 | 278-280 | 3349 | 3318 | 1635-1621 | 1552-1526 | 3062 | 857-735 |
| IIIc | $3-NHCOCH_3$ | $4-CH_3$ | $C_{10}H_{13}N_3O_2$ | 69 | 192-194 | 3342-3211 | 3320 | 1640-1628 | 1628-1557 | 3034 | 844-615 |
| IIId | $4-NHCOCH_3$ | 2-OH | $C_9H_{11}N_3O_3$ | 83 | 247-249 | 3364-3286 | 3325 | 1693-1689 | 1593-1545 | 3039 | 3165 ($\nu_{OH}$) |
| IIIe | $5-NHCOCH_3$ | 2-OH | $C_9H_{11}N_3O_3$ | 85 | 205-207 | 3340-3215 | 3253 | 1658-1630 | 1577 | 3073 | 3470 ($\nu_{OH}$) |
| IIIf | $4-NHCOCH_3$ | 2-Cl | $C_9H_{10}O_2N_3Cl$ | 72 | 147-148 | 3440 | 3225 | 1704-1690 | 1593 | 3002 | 1043 ($\nu_{C-Cl}$) |
| IIIg | $4-NHCOCH_3$ | 2-Br | $C_9H_{10}O_2N_3Br$ | 65 | 201-203 | 3340 | 3254 | 1695-1641 | 1588 | 3081 | 1039 ($\nu_{C-Br}$) |
Bảng 2.2: Dữ liệu phổ $^1H\text{-NMR}$ của các hợp chất axetamidobenzoyl hidrazin IIIa-g ($DMSO-d_6$, $\delta$ ppm, $J$ Hz)
| Ký hiệu | H-9 ($-CH_3$) | H-2 | H-3 | H-4 | H-5 | H-6 | H-7 ($-NH-$) | H-11 ($-NH-$) | H-12 ($-NH_2$) | Nhóm thế X |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IIIa | 2,07 (s) | 8,25 (d, $J=2,6$) | - | 7,54 (m) | 7,54 (m) | 7,71 (m) | 9,61 (s) | 10,11 (s) | 4,41 (s) | - |
| IIIb | 2,06 (s) | 7,77 (d, $J=8,0$) | 7,63 (d, $J=8,0$) | - | 7,63 (d, $J=8,0$) | 7,77 (d, $J=8,0$) | 9,61 (s) | 10,11 (s) | 4,41 (s) | - |
| IIIc | 2,06 (s) | 7,86 (d, $J=7,8$) | - | - | 7,25 (d, $J=7,8$) | 7,52 (d, $J=7,8$) | 9,37 (s) | 9,66 (s) | 4,44 (s) | 2,11 (s, $4-CH_3$) |
| IIId | 2,04 (s) | - | 7,27 (d, $J=2,0$) | - | 6,95 (dd, $J=8,7; 2,0$) | 7,71 (d, $J=8,7$) | 9,85 (s) | 10,06 (s) | 4,55 (s) | 12,59 (s, 2-OH) |
| IIIe | 2,00 (s) | - | 6,85 (d, $J=8,8$) | 7,50 (dd, $J=8,8; 2,5$) | - | 7,89 (d, $J=2,5$) | 9,80 (d) | 9,80 (d) | 4,65 (s) | 11,55 (s, 2-OH) |
| IIIf | 2,06 (s) | - | 7,80 (d, $J=2,0$) | - | 7,44 (dd, $J=8,3; 2,0$) | 7,34 (d, $J=8,3$) | 9,45 (s) | 10,20 (s) | 4,45 (s) | - |
| IIIg | 2,06 (s) | - | 7,97 (d, $J=2,0$) | - | 7,50 (dd, $J=8,8; 2,0$) | 7,29 (d, $J=8,8$) | 9,45 (s) | 10,18 (s) | 4,43 (s) | - |
3. Tổng hợp 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol (IVa-g) và chuyển hóa
- Các hidrazit IIIa-g được thiocacbamoyl hóa đóng vòng bằng tetrametylthiuram disunfua (TMTD) tạo ra dãy 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol (IVa-g).
- Phản ứng giữa muối thiolat của IVa-g với các tác nhân $\alpha$-cloaxetanilit thế được nghiên cứu chi tiết:
- Khảo sát các điều kiện phản ứng: nồng độ dung dịch kiềm, nhiệt độ phản ứng, thời gian tiếp xúc và tỷ lệ mol giữa các chất phản ứng.
- Phản ứng tạo ra sản phẩm chính là các dẫn xuất 2-(N-arylcacboxamidometylthio)-5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol (dãy V).
- Phản ứng phụ tạo thành dẫn xuất 2-arylamino-5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol (dãy VI) được làm sáng tỏ về mặt cơ chế và được kiểm chứng độc lập bằng phương pháp tổng hợp ngược.
- Dãy chất V được xác định cấu trúc toàn diện qua hệ thống phổ IR, $^1H\text{-NMR}$, $^{13}C\text{-NMR}$, HMQC, HMBC và MS.
Chương 3: Thực nghiệm
Chương 3 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, thông số máy móc và phương pháp tổng hợp hóa học:
- Quy trình tổng hợp các tác nhân $\alpha$-cloaxetanilit thế, axit 4-amino-2-halogenobenzoic, các este aminobenzoat (Ia-g) và este axetamidobenzoat (IIa-g).
- Quy trình tổng hợp dãy axetamidobenzoyl hidrazin (IIIa-g) bằng phương pháp nhiệt và vi sóng.
- Quy trình thiocacbamoyl hóa tạo 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol (IVa-g).
- Quy trình phản ứng của IVa-g với $\alpha$-cloaxetanilit trong môi trường kiềm để tổng hợp dãy V.
- Thực nghiệm tổng hợp ngược: Điều chế phenyl isothioxianat, tạo dẫn xuất thiosemicacbazit và oxi hóa đóng vòng để xác minh cấu trúc dẫn xuất arylamino (dãy VI).
- Phương pháp và kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng (nồng độ kiềm, nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ mol) và quy trình thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro.
Kết quả và những đóng góp mới
Dựa trên nội dung nghiên cứu, luận án đã đạt được các kết quả và đóng góp mới sau:
- Cải tiến phương pháp tổng hợp hidrazit: Ứng dụng thành công kỹ thuật vi sóng (200W, 75°C, 15 phút) để tổng hợp dãy axetamidobenzoyl hidrazin (IIIa-g), rút ngắn thời gian phản ứng từ 6-12 giờ xuống 15 phút, nâng cao hiệu suất (65-85%) và tổng hợp được 6 dẫn xuất mới chưa từng công bố trong tài liệu tham khảo.
- Phương pháp đóng vòng thân thiện môi trường: Hoàn thiện và ứng dụng quy trình thiocacbamoyl hóa các axetamidobenzoyl hidrazin bằng tetrametylthiuram disunfua (TMTD) để điều chế các 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol (IVa-g), thay thế các tác nhân độc hại và dễ cháy nổ ($CS_2$, $CSCl_2$).
- Phát triển dãy chất mới và xác định cơ chế: Tổng hợp thành công dãy dẫn xuất 2-(N-arylcacboxamidometylthio)-5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol (dãy V); phát hiện và giải thích cơ chế hình thành dẫn xuất phụ 2-arylamino-5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol (dãy VI), được kiểm chứng chính xác bằng phương pháp tổng hợp ngược.
- Hệ thống dữ liệu phổ học hoàn chỉnh: Xác định đầy đủ cấu trúc hóa học và quy luật phổ (IR, $^1H\text{-NMR}$, $^{13}C\text{-NMR}$, 2D-NMR, MS) của các hợp chất mới tổng hợp.
- Dữ liệu hoạt tính sinh học: Cung cấp số liệu thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro của các dẫn xuất dãy V, tạo cơ sở thực nghiệm cho hướng nghiên cứu dược chất kháng khuẩn và kháng nấm.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Luận án tập trung vào các dẫn xuất axetamidoaryl gắn trên khung 1,3,4-oxadiazol-2-thiol trong điều kiện phòng thí nghiệm; các thử nghiệm sinh học mới dừng lại ở mức sàng lọc in vitro trên một số chủng vi sinh vật chuẩn.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng phạm vi khảo sát hoạt tính sinh học trên các dòng tế bào ung thư, virus (đặc biệt là HIV-1, viêm gan C) và thử nghiệm in vivo.
- Nghiên cứu ứng dụng các dẫn xuất tổng hợp được trong lĩnh vực vật liệu ức chế ăn mòn kim loại hoặc phụ gia chống oxy hóa polyme.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Hóa Hữu cơ, Hóa Dược: Luận án là tài liệu tham khảo về phương pháp tổng hợp dị vòng 1,3,4-oxadiazol không dùng $CS_2$, ứng dụng vi sóng trong phản ứng hidrazit hóa và phương pháp luận biện giải phổ cộng hưởng từ hạt nhân 2D (HMQC, HMBC, COSY).
- Đối với các phòng thí nghiệm tổng hợp dược dụng: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết, thông số hóa lý ($T_{nc}$, $R_f$) và các điều kiện tối ưu hóa phản ứng alkyl hóa nguyên tử lưu huỳnh dị vòng.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao phản ứng hidrazit hóa của metyl 4-axetamidobenzoat (IIb) lại chậm hơn nhiều so với metyl 3-axetamidobenzoat (IIa)?
Ở dẫn xuất 4-axetamido (IIb), có sự liên hợp trực tiếp ($+C$) giữa đôi electron không chia của nguyên tử nitơ nhóm $-NHCOCH_3$ qua hệ vòng benzen tới nhóm cacbonyl este ($C=O$). Hiệu ứng này làm giải tỏa và suy giảm điện tích dương trên nguyên tử cacbon cacbonyl, làm giảm khả năng tấn công nucleophin của hidrazin, khiến phản ứng kéo dài 12 giờ (so với 8 giờ ở dẫn xuất 3-axetamido IIa vốn không có liên hợp trực tiếp).
2. Kỹ thuật vi sóng mang lại ưu thế gì trong quá trình tổng hợp axetamidobenzoyl hidrazin (IIIa-g)?
Kỹ thuật vi sóng ở công suất 200W và nhiệt độ 75°C đã rút ngắn thời gian phản ứng từ 6-12 giờ (ở phương pháp đun hồi lưu truyền thống) xuống còn 15 phút, đồng thời duy trì hiệu suất sản phẩm cao từ 65% đến 85%, tiết kiệm năng lượng và dung môi.
3. Tetrametylthiuram disunfua (TMTD) đóng vai trò gì trong luận án?
TMTD được sử dụng làm tác nhân thiocacbamoyl hóa thân thiện với môi trường để đóng vòng các axetamidobenzoyl hidrazin thành 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol, thay thế hoàn toàn các hóa chất độc hại, dễ cháy nổ và gây ô nhiễm là cacbon disunfua ($CS_2$) và thiophosgen ($CSCl_2$).
4. Dạng tồn tại của 1,3,4-oxadiazol-2-thiol trong dung dịch được xác định như thế nào qua phổ nghiệm?
Mặc dù tính toán bán kinh nghiệm (AM1, PM3) chỉ ra dạng thiol bền hơn trong pha khí, các dữ liệu phổ nghiệm ($UV$, $IR$, $^1H\text{-NMR}$) chứng minh trong dung dịch phân tử tồn tại chủ yếu ở dạng thion ($=S$). Tín hiệu proton $N-H$ của dạng thion xuất hiện ở vùng trường rất yếu ($> 12$ ppm) trên phổ $^1H\text{-NMR}$, và dao động nhóm $C=S$ xuất hiện ở 171-194 ppm trên phổ $^{13}C\text{-NMR}$.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Sơn đã nghiên cứu thành công quy trình tổng hợp xanh các dẫn xuất 5-(axetamidoaryl)-1,3,4-oxadiazol-2-thiol bằng tác nhân TMTD kết hợp kỹ thuật vi sóng. Công trình đã tổng hợp và xác định cấu trúc đầy đủ của nhiều hợp chất mới thuộc dãy axetamidobenzoyl hidrazin, oxadiazol-2-thiol và các sản phẩm chuyển hóa S-ankyl hóa với $\alpha$-cloaxetanilit. Cơ chế phản ứng và điều kiện tối ưu hóa đã được làm sáng tỏ bằng thực nghiệm phổ học hiện đại và phương pháp tổng hợp ngược, đóng góp dữ liệu thực nghiệm có giá trị cho chuyên ngành Hóa Hữu cơ và Hóa Dược.