Nghiên cứu điều chế dendritic porphyrin dựa vào phản ứng click công bố việc điều chế dendrimer có nhân porphyrin dựa vào phản ứng click giữa azido porphyrin và carbozole chứa nhóm alkyne1 khi có xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6].
Nguyễn Trần Nguyên 130 NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ DENDRITIC PORPHYRIN DỰA VÀO PHẢN ỨNG CLICK SYNTHESIS OF DENDRITIC PORPHYRIN BASED ON CLICK REACTION Nguyễn Trần Nguyên Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng; ntnguyen@ued.udn.vn Tóm tắt - Dendritic zinc(II)-porphyrin có chứa đơn vị carbazole bên điều chế dựa vào phản ứng click Zn-porphyrin có chứa nhóm azide (−N3), carbazole có chứa nhóm alkyne-1 chất xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6] 5,10,15,20Tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin tổng hợp dựa vào phản ứng Lindsey 3,5-bis(azidomethyl)2,4,6-trimethylbenzaldehyde pyrrole dung môi CH2Cl2 chất xúc tác BF3.OEt2 Carbazole có chứa nhóm alkyne-1 điều chế dựa vào phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts, phản ứng Ullmann phản ứng Sonogashira Cấu trúc sản phẩm hình thành chứng minh phương pháp phổ MS, 1H NMR, 13 C NMR Phổ khối MALDI – TOF xuất peak tương ứng với khối lượng phân tử dendrimer có nhân Zn(II)-porphyrin Phổ 1H NMR xuất peak tương ứng với proton nhóm CH2 (methylene) liên kết trực tiếp với nguyên tử N vòng triazole Abstract - Dendritic zinc(II)-porphyrin bearing carbazole units at the terminals has been prepared via click reaction of azidesubstituted Zn-porphyrin precursors and carbazole-based terminal alkyne under [Cu(NCCH3)4][PF6] catalysis 5,10,15,20Tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin is synthesized from Lindsey reaction between 3,5-bis(azidomethyl)2,4,6-trimethylbenzaldehyde and pyrrole in CH2Cl2 and BF3.OEt2 catalyst Carbazole-based terminal alkyne is made from Friedel – Crafts alkylation, Ullmann coupling and Sonogashira coupling The structure of products is confirmed by mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H NMR, 13C NMR) The MALDI – TOF spectrum shows the peak that corresponds with molecular weight of target dendritic porphyrin Then there appears a new methylene peak diagnostic for the formation of triazole groups in dendrimer Từ khóa - dendritic porphyrin; porphyrin; carbazole; phản ứng click; azido porphyrin Key words - dendritic porphyrin; porphyrin; carbazole; click reaction; azido porphyrin Đặt vấn đề Vật liệu chứa porphyrin nhận quan tâm nhà khoa học chúng có ứng dụng hứa hẹn ngành khoa học vật liệu [1], xúc tác [2], thiết kế sensor [3], quang trị liệu điều trị ung thư (photodynamic therapy – PDT) [4] điện tử hữu [5] Vì thế, việc thiết kế điều chế dendritic porphyrin (còn gọi dendrimer có nhân porphyrin) có cấu trúc tính chất đặc biệt hướng nghiên cứu thú vị để mở rộng ứng dụng tiềm porphyrin [6] Ngồi ra, việc lựa chọn dendron có ảnh hưởng đến cấu trúc tính chất phân tử dendrimer thiết kế Các dẫn xuất carbazole xem phân tử dendron tiềm cho dendrimer có nhân porphyrin [7] Carbazole hợp chất chứa hệ liên hợp giàu electron, vị trí 3, vị trí dễ tham gia phản ứng electrophile [8] Khi thay nguyên tử hydro vị trí số carbazole vòng thơm làm giảm lượng HOMO [9] vậy, dẫn xuất carbazole sử dụng để chế tạo vật liệu phát quang (light – emitting device) [10] Các nhà khoa học tìm nhiều phương pháp để điều chế dendrimer hệ phản ứng click xem công cụ đơn giản hữu hiệu để đạt mục tiêu Phản ứng đóng vịng azide (−N3) alkyne-1 sử dụng xúc tác Cu(I) có tính chọn lọc lập thể cho việc hình thành sản phẩm 1,2,3-triazole vị trí 1,4 với hiệu suất cao [11] Trong lĩnh vực hóa học porphyrin, số Zn(II)porphyrin kết nối với fullerene qua cầu triazole tính chất quang lí chúng công bố [11b,12] Một số dendrimer chứa nhiểu porphyrin điều chế dựa vào phản ứng click chúng dùng để chế tạo pin lượng mặt trời [13] Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu việc kết nối porphyrin carbazole dựa vào phản ứng click Trong báo công bố việc điều chế dendrimer có nhân porphyrin dựa vào phản ứng click azido porphyrin carbozole chứa nhóm alkyne1 có xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6] Phương pháp nghiên cứu Azido porphyrin, 5,10,15,20-tetrakis(3,5bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin, điều chế dựa vào phản ứng Lindsey 3,5-bis (azidomethyl)2,4,6-trimethylbenzaldehyde pyrrole dung môi CH2Cl2, chất xúc tác BF3.OEt2 Zn(II)porphyrin điều chế từ phản ứng 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin (CH3COO)2Zn dung môi CHCl3 3,6-Di-tert-butyl-9-(4-ethynylphenyl)-9Hcarbazole điều chế từ carbazole dựa vào phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts, phản ứng Ullmann phản ứng Sonogashira Dendrimer có nhân porphyrin điều chế dựa vào phản ứng click Zn(II)porphyrin 3,6-di-tert-butyl9-(4-ethynylphenyl)-9H-carbazole dung môi THF chất xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6] Các sản phẩm điều chế chứng minh cấu trúc phương pháp phổ 1H NMR, 13C NMR, MS Phổ 1H NMR, 13C NMR đo máy Bruker Avance 300 MHz, Bruker AMX 400 MHz Bruker Avance II+ 600 MHz Phổ MS đo máy HP5989A apparatus (CI EI, lượng ion hóa 70 eV) Phổ khối MALDI-TOF dendrimer đo máy Bruker Daltonics – ultraflex II & ultraflex II TOF/TOF matrix axit 2,5-dihydroxylbenzoic Kết nghiên cứu bình luận 3.1 Điều chế 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylbenzaldehyde Phản ứng điều chế 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6- ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 trimethylbenzaldehyde (4) tiến hành tương tự phản ứng điều chế mesitaldehyde cho 1,3,5-trimethylbenzene phản ứng với dichloromethyl methyl ether có mặt xúc tác axit Lewis TiCl4 [14] Dichloromethyl methyl ether phản ứng với hợp chất thơm theo chế phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts, phản ứng thủy phân để tạo aldehyde thơm Tuy nhiên, phản ứng 1,3-bis(bromomethyl)-2,4,6trimethylbenzene (1) dichloromethyl methyl ether (Cl2CHOCH3) tạo hỗn hợp hai sản phẩm 3,5-bis(bromomethyl)-2,4,6-trimethylbenzaldehyde (2) 3-bromomethyl-5-chloromethyl-2,4,6trimethylbenzaldehyde (3) Hai aldehyde tách khỏi qua sắc kí cột Hỗn hợp hai aldehyde thơm cho phản ứng với NaN3 dung môi acetone/H2O sản phẩm 3,5-bis(azidomethyl)2,4,6-trimethylbenzaldehyde (4) (Hình 1) thu dạng tinh khiết sau tinh chế sắc kí cột N3 1.2576 2.5474 2.4966 4.5045 10.6204 Hình Điều chế 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6trimethylbenzaldehyde N3 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 3.1789 6.4021 4.2352 Integral 1.0000 CHO 2.0 1.0 0.0 (ppm) Hình Phổ 1H NMR 3,5-bis(azidomethyl)2,4,6-trimethylbenzaldehyde Phổ 1H NMR 3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6trimethylbenzaldehyde cho thấy xuất peak tương ứng với nguyên tử H nhóm –CHO 10.62 ppm, peak tương ứng với nguyên tử H hai nhóm −CH2− liên kết trực tiếp với hai nhóm –N3 4.5 ppm hai peak tương ứng với chín nguyên tử H ba nhóm −CH3 2.54 ppm 2.49 ppm (Hình 2) 3.2 Điều chế 3,6-di-tert-butyl-9-(4-ethynylphenyl)9H-carbazole Nhóm tert-butyl gắn vào vị trí carbazole thơng qua phản ứng alkyl hóa Friedel – Crafts carbazole (5) tert-butyl chloride dung môi CH2Cl2 để thu sản phẩm 3,6-di-tert-butyl-9Hcarbazole (6) [15] Sau đó, phản ứng Ullmann hợp chất 1,4-diiodobenzene có mặt chất xúc tác CuI K2CO3, sản phẩm phản ứng 3,6-di-tert-butyl9-(4-iodophenyl)-9H-carbazole (7) Hợp chất tổng hợp với hiệu suất 85% dựa vào phản ứng Sonogashira 131 hợp chất (trimethylsilyl)acetylene hỗn hợp dung môi THF Et3N (tỉ lệ 1:1), hỗn hợp xúc tác CuI [PPh3]2PdCl2 Sau hợp chất đưa dạng alkyne1 (9) với hiệu suất 98% [16] (Hình 3) Hình (a) AlCl3, CH2Cl2, nhiệt độ phòng, 3-4 giờ; (b) CuI, K2CO3, DMF, 170oC, để qua đêm; (c) [PPh3]2PdCl2, CuI, THF, Et3N, 60oC, giờ; (d) TBAF (1 M in THF), THF, nhiệt độ phòng, 10 phút 3.3 Tổng hợp 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin Điều kiện phản ứng điều chế porphyrin theo phương pháp Lindsey tối ưu hóa Hiệu suất sản phẩm porphyrin thu phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia phản ứng dung môi CH2Cl2 khan lượng xúc tác BF3.OEt2 sử dụng Ở nồng độ 10 mM chất tham gia phản ứng (aldehyde thơm pyrrole theo tỉ lệ mmol/1 mmol) dung môi CH2Cl2 0,3 mmol BF3.OEt2, hiệu suất sản phẩm porphyrin thu khoảng từ 30 đến 40% [17] Áp dụng điều kiện tối ưu hóa vào phản ứng điều chế 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6trimethylphenyl)porphyrin, nhiên sản phẩm phản ứng không xuất Khi tăng thời gian phản ứng tăng lượng xúc tác BF3.OEt2 không thu sản phẩm mong muốn Ngoài ra, axit trifluoroacetic (TFA) sử dụng thay cho BF3.OEt2, nhiên porphyrin mong muốn không hình thành Năm 1989, Lindsey Wagner cơng bố phản ứng điều chế tetramesitylporphyrin (12) Phản ứng mesitaldehyde (11) pyrrole (10) dung môi CH2Cl2, chất xúc tác BF3.OEt2 TFA không thu sản phẩm tetramesitylporphyrin Tuy nhiên, tetramesitylporphyrin thu với hiệu suất từ 29 đến 32% thêm 0,75% ethanol tuyệt đối vào dung mơi CH2Cl2 khan [18] (Hình 4) Hình (1) BF3.OEt2 (0,3 mmol), 0,75% C2H5OH CH2Cl2, nhiệt độ phòng, giờ; (2) p-chloranil, 40oC, Khi dùng 0,3 mmol BF3.OEt2 nồng độ chất phản ứng 10 10 mM dung môi CH2Cl2 chứa 0,75% ethanol tinh khiết, sản phẩm thu 5,10,15tris(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)corrole Nguyễn Trần Nguyên 132 (13) với hiệu suất 10% khơng có porphyrin xuất (Hình 5) Hình (1) BF3.OEt2 (0.3 mmol), 0.75% C2H5OH CH2Cl2, nhiệt độ phòng, giờ; (2) p-chloranil, 40oC, Khi tăng lượng chất xúc tác BF3.OEt2 lên 0,8 mmol thu sản phẩm 5,10,15,20-tetrakis(3,5bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin (14) với hiệu suất thấp 9% (Hình 6) khác nguồn xúc tác Cu(I) khác Phản ứng 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)-2,4,6trimethylphenyl)porphyrin (14) 3,6-di-tert-butyl-9-(4ethynylphenyl)-carbazole (9) tiến hành dung môi THF xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6] Tuy nhiên, sản phẩm phản ứng dendrimer có nhân Cu(II)porphyrin, hợp chất khơng phát huỳnh quang Để tránh việc hình thành Cu(II)porphyrin, porphyrin 14 cho phản ứng với (CH3COO)2Zn dung môi CHCl3 để tạo Zn(II)porphyrin 15 porphyrin cho phản ứng với carbazole để tạo sản phẩm dendrimer có nhân Zn(II)porphyrin 16 với hiệu suất 30% (Hình 8) Hình (1) BF3.OEt2 (0.8 mmol), 0.75% C2H5OH CH2Cl2, nhiệt độ phịng, giờ; (2) p-chloranil, 40oC, Hình (1) mmol Zn(II)porphyrin, mmol carbazole, giọt Et3N 0,2 mmol [Cu(NCCH3)4][PF6], 60oC, 2.7862 1.9332 -2.3839 24.208 1.9775 N3 NH N N HN N3 N3 N3 1.4286 1.9097 2.5012 5.6997 7.7208 7.5722 7.5516 7.3981 7.3805 7.3228 7.3013 7.2407 7.3981 7.3805 7.3228 7.3013 7.2407 N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N Zn N N N N N N N 8.2 8.0 7.8 7.6 15.689 16.207 16.113 16.222 Integral N 7.4 N N N 7.2 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 143.93 24.157 12.051 16.240 15.689 16.207 (ppm) Integral Phổ H NMR 5,10,15,20-tetrakis(3,5bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin cho thấy xuất peak: peak 8.56 ppm tương ứng với tám nguyên tử H bốn vòng pyrrole porphyrin, peak 4.72 ppm tương ứng với 16 nguyên tử H tám nhóm −CH2− (nhóm methylene) liên kết với nhóm –N3, peak 2.78 ppm tương ứng với mười hai nguyên tử H bốn nhóm CH3 tương đương, peak 1.93 ppm tương ứng với hai bốn nguyên tử H tám nhóm CH3 tương đương Ngồi cịn xuất peak - 2.38 ppm tương ứng với hai nguyên tử H liên kết với N vòng pyrrole (Hình 7) 3.4 Điều chế dendrimer có nhân porphyrin Phản ứng đóng vịng azide (−N3) alkyne-1 sử dụng xúc tác Cu(I), gọi phản ứng CuAAC hay phản ứng click, tiến hành nhiều loại dung mơi 8.1364 Hình Phổ 1H NMR 5,10,15,20-tetrakis(3,5bis(azidomethyl)-2,4,6-trimethylphenyl)porphyrin 8.1364 8.0288 8.0112 -2.5 7.5722 7.5516 -1.5 7.7208 -0.5 8.1630 0.5 16.113 1.5 8.1630 2.5 (ppm) 16.083 3.5 8.7015 4.5 8.0288 8.0112 5.5 16.222 6.5 16.083 7.5 Hình Phổ khối MALDI – TOF dendrimer 16 DENDRIMER C 8.0000 8.0000 N3 Integral 12.139 N3 N3 8.5 4.7244 N3 16.125 8.5695 Ng28-p 1.5 1.0 0.5 0.0 (ppm) Hình 10 Phổ 1H NMR dendrimer có nhân Zn(II)porphyrin Sự hình thành dendrimer có nhân Zn(II)porphyrin 16 chứng minh phổ khối MALDI – TOF (Hình 9) phổ 1H NMR Phổ 1H NMR (Hình 10) dendrimer 16 cho thấy peak tương ứng với proton nhóm −CH2N3 Zn(II)porphyrin 15 4.7 ppm biến hoàn toàn xuất peak 5,8 ppm proton nhóm methylene (CH2) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 tương ứng với hình thành vịng triazole sản phẩm dendrimer Kết luận Đã điều chế dendrimer có nhân Zn(II)porphyrin dựa vào phản ứng đóng vịng click Zn(II)porphyrin có nhóm azide (−N3) carbazole có nhóm alkyne-1 Phản ứng tiến hành dung môi THF, chất xúc tác [Cu(NCCH3)4][PF6] hiệu suất phản ứng đạt 30% Phổ khối MALDI – TOF xuất peak có tỉ số khối lượng điện tích m/z = 1628,632 [M+], khối lượng phân tử dendrimer sản phẩm Ngoài ra, phổ 1H NMR sản phẩm dendrimer cho thấy biến peak tương ứng với proton nhóm methylene (CH2) liên kết với nhóm azide (−N 3) porphyrin 15 xuất peak tương ứng với proton nhóm methylene (CH2) liên kết với vòng triazole sản phẩm dendrimer tổng hợp [8] TÀI LIỆU THAM KHẢO [13] [1] J H Chou, H S Nalwa, M E Kosal, N A Rakow, K S Suslick, The Porphyrin Handbook (Eds.: K M Kadish, K M Smith, R Guilard), Academic Press, San Diego, 2000, vol 6, pp 41-121 [2] T Aida, S Inoue, K S Suslick, The Porphyrin Handbook (Eds.: K M Kadish, K M Smith, R Guilard), Academic Press, San Diego, 2000, vol 6, pp 133-153 [3] T Malinski, The Porphyrin Handbook (Eds.: K M Kadish, K M Smith, R Guilard), Academic Press, San Diego, 2000, vol 6, pp 240-250 [4] R K Pandey, G Zheng, The Porphyrin Handbook (Eds.: K M Kadish, K M Smith, R Guilard), Academic Press, San Diego, 2000, vol 6, pp 157-224 [5] M G Walter, A B Rudine, C C Wamser, “Porphyrins and phthalocyanines in solar photovoltaic cells”, J Porphyrins Phthalocyanines, 14, 2010, 759-792 [6] W Maes, W Dehaen, “Synthetic aspects of porphyrin dendrimers”, Eur J Org Chem, 2009, 4719-4752 [7] F Loiseau, S Campagna, A Hameurlaine, W Dehaen, “Dendrimers [9] [10] [11] [12] [14] [15] [16] [17] [18] 133 made of porphyrin cores and carbazole chromophores as peripheral units Absorption spectra, luminescence properties, and oxidation behavior”, J Am Chem Soc, 127, 2005 11352-11363 A V Dijken, K Brunner, H Borner, B M W Langeveld, High Efficient OLEDs with Phosphorescent Materials (Eds.: H Yersin), VCH, Weinheim, 2008, pp 326-322 H Zhang, X Wan, X Xue, Y Li, A Yu, Y Chen, “Selective tuning of the HOMO–LUMO gap of carbazole-based donor–acceptor– donor compounds toward different emission colors”, Eur J Org Chem., 2010, 1681-1687 G Bubniene, T Malinauskas, M Daskeviciene, V Jankauskas, V Getautis, “Easily functionalizable carbazole based building blocks with extended conjugated systems for optoelectronic applications”, Tetrahedron, 66, 2010, 3199-3206 V V Rostovtsev, L G Green, V V Fokin, K B Sharpless, “A stepwise huisgen cycloaddition process: copper(I)-catalyzed regioselective "ligation" of azides and terminal alkynes”, Angew Chem Int Ed., 41, 2002, 2596-2599 Y Hizume, K Tashiro, R Charvet, Y Yamamoto, A Saeki, S Seki, T Aida, “Chiroselective assembly of a chiral porphyrin−fullerene dyad: Photoconductive nanofiber with a top-class ambipolar chargecarrier mobility”, J Am Chem Soc., 132, 2010, 6628-6629 A Takai, M Chkounda, A Eggenspiller, C P Gros, M Lachkar, J M Barbe, S Fukuzumi, “Efficient photoinduced electron transfer in a porphyrin tripod−fullerene supramolecular complex via π−π interactions in nonpolar media”, J Am Chem Soc., 132, 2010, 4477-4489 A P Yakubov, M V Tsyganov, L I Belen’kii, M M Krayushkin, “Formylation and dichloromethylation as alternative directions of rieche reaction A novel to the synthesis of sterically hindered aromatic dialdhydes”, Tetrahedron, 49, 1993, 3397-3404 V C Gibson, S K Spitzmesser, A J P White and D J Williams, “Synthesis and reactivity of 1,8-bis(imino)carbazolide complexes of iron, cobalt and manganese”, Dalton Trans., 13, 2003, 2718-2727 Z Zhu, J S More, “Synthesis and characterization of monodendrons based on 9-phenylcarbazole”, J Org Chem., 65, 2000, 116-123 J Zhang, Y Li, W Yang, S.-W Lai, C Zhou, H Liu, C -M Che, Y Li, “A smart porphyrin cage for recognizing azide anions”, Chem Commun., 48, 2012, 3602-3604 J S Lindsey, R W Wagner, “Investigation of the synthesis of orthosubstituted tetraphenylporphyrins”, J Org Chem., 54, 1989, 828-836 (BBT nhận bài: 31/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/06/2017) ... 5,10,15,20-tetrakis(3,5-bis(azidomethyl)2,4,6-trimethylphenyl )porphyrin Điều kiện phản ứng điều chế porphyrin theo phương pháp Lindsey tối ưu hóa Hiệu suất sản phẩm porphyrin thu phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia phản ứng dung môi CH2Cl2... phẩm dendrimer Kết luận Đã điều chế dendrimer có nhân Zn(II )porphyrin dựa vào phản ứng đóng vịng click Zn(II )porphyrin có nhóm azide (−N3) carbazole có nhóm alkyne-1 Phản ứng tiến hành dung môi THF,... với N vịng pyrrole (Hình 7) 3.4 Điều chế dendrimer có nhân porphyrin Phản ứng đóng vòng azide (−N3) alkyne-1 sử dụng xúc tác Cu(I), gọi phản ứng CuAAC hay phản ứng click, tiến hành nhiều loại dung