Nghiên cứu và ứng dụng các hợp chất azometin, oxim và hydrazon

Lời cảm ơn Trong thời gian tháng làm thực nghiệm, đợc hớng dẫn trực tiếp nhiệt tình Thầy giáo - GS.TS Trần Mạnh Bình Cô giáo - TS Phạm Thị Minh Thuỷ Cùng bảo giúp đỡ mặt thầy cô giáo nh thầy cô kĩ thuật viên môn Hoá Hữu Cơ, đà hoàn thành khoá luận tốt nghiệp theo thời gian quy định Có đợc kết ngày hôm nay, xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo - GS.TS Trần Mạnh Bình, cô giáo - TS Phạm Thị Minh Thuỷ toàn thể thầy cô kĩ thuật viên Tôi xin chân thành cảm ơn tận tình giúp đỡ thầy giáo - TS Đỗ Ngọc Thanh ( Phòng nghiên cứu trung tâm ) cô giáo TS Chu Thị Lộc ( Tổ môn Vi nấm - Kháng sinh ) môn, phòng ban, bạn bè trờng đà tạo điều kiện cho hoàn thành khoá luận Hà Nội ngày 27/5/2002 Sinh viên Nguyễn Quyết Chiến Đặt vấn đề Hiện nay, nhu cầu thuốc phòng điều trị bệnh lớn, đặc biệt bệnh nhiễm khuẩn nên việc tìm thuốc cấp thiết Giữa cấu trúc hoá học tác dụng dợc lý thêng cã mèi quan hƯ mËt thiÕt, ®ã ngêi ta đà tìm tòi lựa chọn khung nhóm chức có tác dụng sinh học để tổng hợp, bán tổng hợp thuốc Các base azometin, oxim hydrazon đà đợc nhà khoa học giới nghiên cứu từ lâu, không ®ỵc sư dơng nh mét chÊt trung gian ®Ĩ tỉng hợp số hợp chất dị vòng chứa N hay tổng hợp aminoceton mà thân có mét sè t¸c dơng sinh häc nh kh¸ng khn, kh¸ng nấm, điều trị lao, hủi, lợi tiểu Nhiều chất số đà đợc dùng làm thuốc Tetracyclin kháng sinh họ kháng sinh Tetracyclin, dẫn chất octahydronaphtacen vòng có tác dụng nhiều loại cầu khuẩn trực khuẩn Gram(+), Gram(-) Hiện tetracyclin đợc sử dụng cho trẻ em dễ tạo phức chelat với canxi làm vàng trẻ em, có vị đắng Với định hớng kết hợp cấu trúc azometin (- CH = N - ), oxim ( = N OH ), hydrazon ( - HC = N - NH - ) víi tetracyclin nh»m hy väng tỉng hỵp số hợp chất có tác dụng sinh học ứng dụng đợc vào thực tế điều trị lâm sàng Trong khoá luận tiến hành tổng hỵp mét sè dÉn xt ngng tơ chøa N cđa tetracyclin gåm : Mét hỵp chÊt oxim, mét hỵp chÊt azometin hợp chất hydrazon sau sơ thăm dò tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm chất tổng hợp đợc Phần 1: Tổng quan 1.1 Sơ lợc lịch sử nghiên cứu ứng dụng hợp chất Azometin, Oxim Hydrazon [15] 1.1.1 Azometin Các azometin ( base Schiff ) hợp chất hữu phân tử có chứa nhóm imin ( - CH = N - ), chúng đà đợc nghiên cứu từ lâu sản phẩm trung gian để tổng hợp số hợp chất có tác dụng sinh học (aminoceton, hợp chất dị vòng chứa N nh quinolin, pyrazol, thiazol ), thân chúng có tác dụng sinh học Vào khoảng năm 1850 trộn hỗn hợp đồng phân tử benzadehyd anilin Laurent Gerhard thu đợc hợp chất có công thức C13H11N gọi benzoylanilid (Sau ngời ta tìm công thức cấu tạo C 6H5 - CH = N - C6H5 gọi tên benzylidenanilin hay benzalanilin ) Đây chất thuộc dÃy anilin Từ năm 1864 đến nay, nhiều tác giả giới đà tiếp tục nghiên cứu cách có hệ thống phản ứng aldehyd với amin bậc 1, bậc thuộc dÃy béo, dÃy thơm dị vòng VÝ dô: Amin bËc ( mol ) R-CHO + H2N – R’ R – CH = N – R + H2O Tại Việt Nam đà có số công trình nghiên cứu vấn đề (GS-Đặng Nh Tại cộng sự) Tại Trờng Đại học Dợc Hà Nội đà có số luận án PTS nghiên cứu tổng hợp azometin từ aldehyd thơm amin thơm làm chất trung gian tổng hợp dÉn chÊt thuéc d·y -aminoceton 1.1.2 Mét sè azometin - oxim hydrazon dùng làm thuốc: Bảng Một số Azometin-Oxim-Hydrazon dùng làm thuốc ST T Tên thuốc Công thức cấu tạo Phtivazid ( - methoxy - hydroxy benzaldehyđ Isonicotinoylhydrazon CONH N CH Tác dụng OH Chèng lao OCH3 N Tibion ( p - acetamidobenzal dehyd thiosemicarbazon) Nitrofuran, furacin (5 - nitro furfuraldehyd Semicarbazon CH3 C NH O o O2N Nifuroxim (Anti - - nitro furaldoxim NH2 CH N NH C S o O2N NH2 CH N NH C O CH=N OH O Sulfacinamin S NH2 CH=CH CH=N Chèng lao Kh¸ng khuÈn Kh¸ng nÊm Kh¸ng khuÈn O Ampecloral CH2 CH CH3 N CH CCl3 OH N CH C CH3 Cl Ambuside H2N S O O N CH O Thc lỵi tiĨu S NH CH2 CH CH2 O Terizidone Điều trị chứng biếng ăn N H O O HC N O N H O Thuèc chèng lao 1.2 Sơ lợc Tetracyclin [2] Tetracyclin dẫn xuất octahydronaphtacen vòng Đây kháng sinh nhóm kháng sinh có tên tetracyclin Các tetracyclin đợc chia thành nhóm: + Các tetracyclin thiên nhiên có nguồn gốc từ Streptomyces + Các tetracyclin bán tổng hợp Các kháng sinh nhóm có khung cÊu tróc chung nh sau: R1R R6 R R4 H 5a 11 4a CH3 CH3 OH COR5 OH OH O OH O Các tetracyclin dới dạng bột kết tinh màu vàng, vị đắng Dạng base tan nớc, tan ethanol dung môi hữu phân cực Dạng muối hydroclorid tan đợc nớc Là hợp chất lỡng tính tạo muối với acid kiềm Đặc biệt tetracyclin tạo chelat bền vững với số kim loại nh Ca, Mg, Fe trẻ em bị nhuộm vàng dùng tetracylin lâu ngày ( tuần ) Theo số tác giả tetracyclin đọng lại trong giai đoạn đầu calci hoá, có lực với Ca xơng, trẻ em dới tuổi bị hỏng men răng, phụ nữ có mang dùng tetracyclin giảm phát triển xơng dài nụ thai ngời Nói chung tetracylin có hoạt phổ tác dụng rộng, bao gồm nhiều loại cầu khuẩn trực khuẩn Gram(+) Gram(-), xoắn khuẩn, Rickettsia, Trichomonas, Amip, giun kim, Chlamydia, Mycoplasma, tác dụng trực khuẩn mủ xanh, trực khuẩn lao, Proteus, Candida albicans Tuy vËy c¸c tetracyclin cã t¸c dụng mạnh yếu khác số vi khuẩn Ví dụ nh với tụ cầu, lậu cầu, màng nÃo cầu clotetracyclin có tác dụng tốt tetracylin, oxytetracyclin nhng trực khuẩn lỵ nguợc lại Các tetracyclin khác có thời hạn bán huỷ khác nhau, có mức độ liên kết với protein huyết khác có liều dùng mục đích điều trị khác Ví dụ nh doxycyclin hấp thụ nhanh gần nh trọn vẹn, xuất lại chậm nên trì nồng độ máu khoảng 24 (h), 10 12 tetracyclin lại xuất nhanh nớc tiểu, dùng doxycyclin nên dùng ngày lần với liều lợng thấp không nên dùng trờng hợp nhiễm khuẩn đờng niệu bệnh nhân bị thiểu thận Hai trờng hợp nên dùng tetracyclin có tác dụng ngắn hạn xuất nhanh 1.3 Tính chÊt chung cđa c¸c Oxim - Hydrazon Azometin 1.3.1 TÝnh chất vật lí [15] * Oxim Đợc hình thành kết hợp hydroxylamin với aldehyd ceton Oxim thờng chất rắn kết tinh, có điểm chảy xác định, tan nớc( Trừ acetoxim ), tan alcolethylic, ether, DMF Oxim aldehyd thơm ceton không đối xứng RCOR tồn dới dạng đồng phân syn anti Dạng syn ( cấu hình cis ) dạng có nhóm OH phía C=N với gốc R Ar liên kết với Cacbon nhóm dạng anti có cấu hình đối lập Điểm nóng chảy oxim dạng anti cao dạng syn * Azometin Là chất có cấu trúc imin ( - CH = N - ) thêng kh«ng bền khuynh hớng polyme hoá, ngng tụ thuỷ phân Dạng mạch hở thờng không bền, tách thành dạng tự Các azometin có cấu trúc bền vững azometin có cấu trúc không thÕ Víi c¸c azometin thÕ ë N ( d·y N - alkyl hoá N - aryl hoá ) cấu tróc R - CH = N - R’ th× gèc R mạch hở thờng chất lỏng bỊn, ®ã cÊu tróc CH2 = N - R’ tồn trạng thái trimer hoá song cấu trúc dị vòng, chất khác nhanh chóng bị trùng hợp hoá Với gốc R thơm azometin chất rắn kết tinh, tồn dới dạng đơn phân tử, có tính kiềm, tan níc, tan alcol, cloroform, benzen, DMF , kh«ng tan ether *Hydrazon Phần lớn hydrazon thơm chất kết tinh Các hydrazon vừa điều chế thờng có mầu vàng nhạt không mầu Xác định điểm nóng chảy cách để định tính hợp chất carbonyl, nhiên việc xác định điểm nóng chảy hydrazon có khó khăn dễ bị phân huỷ nhiệt 1.3.2 Tính chất hoá học * Oxim + Phản ứng thuỷ phân Khi đun nóng oxim với dung dịch acid vô nớc bị thuỷ phân trở thành hợp chất carbonyl ban đầu vµ hydroxylamin R C N OH R + H2O C O + H2N – OH ⃗ R H R + Phản ứng khử hoá oxim bị khử hoá tạo sản phẩm amin bậc tác nhân khử thêng dïng nh LiAlH4, ZnCl2, Natri alcol, , kh«ng nên dùng chất khử acid để tránh thuỷ phân R + R CH NH2 + H2O R ⃗ C N OH + [H] R Oxim cđa cyclohexanon hydro ho¸ với xúc tác đen platin dung dịch alcol - nớc hydrocloric tạo cyclohexyl hydroxylamin N OH NH OH + H2 Các aldoxim bị khử hoá tạo thành hydroxylamin amoniac RCH2 NOH + H2O + NH3 2RCH = N-OH + H2 RCH2 + Các phản ứng alkyl hoá acyl hoá Oxim tác dụng với methyl iodua môi trờng trung tÝnh sÏ t¹o dÉn xuÊt N-methyl C C R R' R C N OH + CH3I R' C + C N CH3 CH3 R - I C   CH I   -3 7       -HI R' C N CH3 O Trong môi trờng kiềm phản ứng methyl hoá xảy nguyªn tư Oxy R R R OH C N C N C N R' OCH3 R' O R' OH + Ngoài phản ứng oxim tham gia phản ứng quan trọng nữa, chuyển vị Beckmann Khi cho anhydrid acetic acetylclorid tác dụng với cetoxim thu đợc dẫn xuất acetyl oxim Beckmann(1886) lại thu đợc amid Những amid đồng phân oxim ban đầu đợc tạo thành cách chuyển vị nội phân tử gọi chuyển vị Beckmann C6H5 C N C HO C6H5 OH C6H5 C N C C6H5 C O C6H5 C C C C N C C6H5 H C * C¸c azometin Tính chất azometin liên kết đôi (-HC=N-) không tơng tự nh liên kết đôi ethylenic(C=C) Các hợp chất đợc phân biệt tính chất sau - Tính base - Phản ứng cộng hợp - Sự dễ dàng cắt mạch mà điển hình phản ứng thuỷ phân a Tính base Do nguyên tử N có cặp điện tử không chia sẻ nên N trung tâm base Lewis Liên hợp (n,) có ảnh hởng định đến tính chất base hợp chất azometin.Ngoài ra,các nhóm nhân thơm phần amin ảnh hởng rõ rệt đến tính base Kết hợp với acid t¹o muèi C R - CH = N - R’ + HCl C (+) R CH N ⃗ Cl H b Phản ứng cộng - Cộng hợp hydro C (-) C R-CH=N-R’ +H2 ⃗ R - CH2 - NH - R - Cộng hợp halogen Sản phẩm cộng hợp halogen vào azometin làm bÃo hoà dây nối đôi R-CH=N-R + Br2 ⃗ R - CHBr - NBr - R’ - Cộng hợp acid sulfurơ sulfit kiềm ⃗ C6H5 - CH = N - C6H5 + H2SO3 C6H5 - CH - N - C6H5 H SO3H - Cộng hợp với acid cyanhydric : cho sản phẩm nitril R - CH = N - R’ + HCN ⃗ R - CH - NH - R’ CN - Cộng hợp với hợp chất magie Theo Busch cộng sự, hợp chất magie tham gia phản ứng cộng với azometin dẫn chất aldehyd thơm với amin thơm Ar - CH = N - Ar + RMgX ⃗ +H2 O ⃗ Ar - CH - N - Ar R MgX Ar - CH - NHAr + MgX(OH) R - Céng hợp với ceton Các ceton có hydro linh động vị trí cộng hợp đợc với azometin tạo thành hợp chất -aminoceton, phản ứng thờng cần xóc t¸c acid R - CH = N - R’ + H3C - CO - C6H5 ⃗ R - CH - NH - R’ CH2 – CO – C6H5 c.Ph¶n ứng cắt mạch - Phản ứng thuỷ phân azometin Các azometin N-alkyl bị thuỷ phân dung dịch NaOH 30%, base azometin N-aryl bền vững kiềm bị thuỷ phân dễ dàng nhiệt độ lạnh với có mặt acid vô tạo aldehyd amin tơng ứng R - CH = N - R’ + H2O ⃗ RCHO + H2N - R d Độ bền vững azometin Các azometin đợc tạo thành từ aldehyd thơm amin thơm bền vững, tạo thành từ aldehyd mạch hở amin mạch hở thờng không bền, dễ bị trùng hợp ( đặc biệt nhiều chất dễ bị trimer hoá ) tạo hợp chất dị vòng CH3 N 3H2C N CH3 CH3 N N CH3 * Hydrazon + Phản ứng thuỷ phân Đun nóng với acid vô loÃng bị thuỷ phân thành hydrazin hợp chất carbonyl C6H5-CH2-NH = N = CH - R + H2O ⃗ RCHO + C6H5 - CH2 - N = NH + Víi sù cã mỈt cđa ZnCl2, arylhydrazon cđa mét số lớn hợp chất carbonyl bị chuyển thành indol amoniac Phản ứng đợc tiến hành cách nung chảy 180oC bình cách dầu NH3 C6H5 NH N CH CH2 CH3 ( propanal hydrazon ) + CH3 NH - metyl Indol ( Scatol ) + Ph¶n ứng oxy hoá Một số hydrazon thơm tạo hợp chất azoic có màu không bền R R C N NH C 6H5 R' CH2 R'CH C NH NH C 6H5 O R R'CH C N N C 6H5 ( azoic có màu ) + Phản ứng khử hoá Các hydrazon bị khử hoá tạo amin bậc R1 R2 R1 R NH2 + CH NH2 R2 C N NH R + 2H2 CH3 CH3 H N CH OH HO O OH OH O HO CH3 + 2H2N NH C NH2 -2H2O S CONH2 N HN S C NH2 ( M = 91 ) ( M = 481 ) H N CH3 CH3 OH CONH2 OH OH N HN C NH2 S ( M = 627 ) * Tiến hành: Trong bình cầu cổ 100ml có lắp sinh hoµn håi lu hoµ tan hoµn toµn 2,2g tetracyclin base ( 0,005 mol ) 10ml ethanol tut ®èi nóng Thêm từ từ vào bình phản ứng hỗn hợp gồm 0,92g thiosemicarbazid (0,01 mol ), 3g natriacetat đà hoà tan 5ml nớc cất nóng Lắc hỗn hợp phản ứng, đun hồi lu cách thuỷ có khuấy 60 phút, theo dõi phản ứng SKLM Làm lạnh hỗn hợp nớc đá, xuất kết tủa đặc, läc lÊy tđa b»ng phƠu Buchner Tinh chÕ l¹i ethanol tuyệt đối Sản phẩm mang sấy khô nhịêt độ 400C tủ sấy chân không *Kết Sản phẩm dạng bột màu vàng xanh, có khối lợng 1,25g Hiệu suất: 40% Nhiệt độ nóng chảy 182 - 1840C 2.3.3.Tỉng hỵp semicarbazon tetracyclin (III) CH3 CH3 H N CH OH HO O OH OH O ( M = 481 ) HO + 2H2N NH C NH2 - H O 2 O CONH2 ( M = 91 ) CH3 H N CH3 CH3 OH CONH2 OH N OH N HN C NH2 O HN O C NH2 ( M = 627 ) * Tiến hành: Trong bình cầu cổ 100ml có lắp sinh hoàn hồi lu hoà tan hoµn toµn 2,2g tetracyclin base ( 0,005 mol ) 10ml ethanol tuyệt đối nóng Thêm từ từ vào bình phản ứng hỗn hợp gồm 1,12g semicarbazid ( 0,01 mol ), 3g natriacetat đà hoà tan 5ml nớc cất nóng Lắc hỗn hợp phản ứng, ®un håi lu c¸ch thủ cã khy 60 phót, theo dõi phản ứng SKLM Làm lạnh hỗn hợp nớc đá Kết tinh semicarbazon cách cọ đũa thuỷ tinh vào thành bình, lọc lấy tủa phễu Buchner Tinh chế lại ethanol tuyệt đối Sản phẩm mang sấy khô nhịêt độ 40 0C tủ sấy chân không *Kết Sản phẩm dạng bột màu đỏ nâu, có khối lợng 1,4g Hiệu suất: 45% Nhiệt độ nóng chảy 190 - 1940C 2.3.4 Tổng hợp 2,4 - dinitrophenylhydrazon tetracyclin ( IV) CH3 CH3 H N CH OH HO O OH OH O HO + H2N NH CONH2 NO O 2N ( M = 481 ) H+ -2H2O CH3 H N CH3 CH3 OH CONH2 OH N OH N NH NH NO NO NO NO ( M = 870 ) * Tiến hành: Trong bình cầu cổ 100ml có lắp sinh hoàn hồi lu hoà tan hoàn toàn 2g 2,4 - dinitrophenylhydrazin ( 0,01mol ) 10ml ethanol tuyÖt đối nóng, thêm từ từ vào bình phản ứng 5ml acid sulfuric đặc Sau thêm từ từ vào bình phản ứng dung dịch 2,2 g tetracyclin base( 0,005 mol ) đà hoà tan 10ml ethanol tuyệt đối nóng Lắc hỗn hợp phản ứng, đun hồi lu cách thuỷ có khuấy 60 phút, theo dõi phản ứng SKLM Làm lạnh hỗn hợp nớc đá Kết tinh 2,4 - dinitrophenylhydrazon tetracyclin cách cọ đũa thuỷ tinh vào thành bình, rửa tủa nớc cất ®Õn hÕt acid, läc lÊy tđa b»ng phƠu Buchner Tinh chế lại ethanol tuyệt đối Sản phẩm mang sấy khô nhịêt độ 400C tủ sấy chân không *Kết Sản phẩm dạng bột kết tinh màu đỏ nâu, có khối lợng 2g Hiệu suất: 46,2% Nhiệt độ nãng ch¶y 203 - 2050C