Khóa luận tốt nghiệp Hóa học: Góp phần tổng hợp một số chất trong dãy thế ester thơm của 2-Hyđroxybenzothiazole

- Một trong những loại hợp chất dj vòng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dược học..... R: H, alkyl, hal, ankoxyTóm lại benzothiazole và các dẫn xuất c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HỒ CHÍ MINH

KHOA HÓA

mle

LUẬN VAN TOT wewiệP

Đề tài :

GÓP PHAN TONG HOP MOT Số CHẤT

TRONG DAY THE ESTER THOM CUA

2-HYDROX YBENZOTHIAZOLE

Giáo viên hướng dẫn : HO XUAN DAU

Sinh viên thực hiện : TRƯƠNG THỊ ANH HỒNG

Niên khóa : 1996-2000

Luda vin cất s2Á‹¿j£

LOI CAM GA

Em sin chin think cám ty và bist = Thy HO XUAN DAU cha tre tip hosing dân và góp do em mới hat gian lạKiện cà loàn thù, Íhận ván ttt nghite sày

En vin chitin thank cảm on các Mấy có by min M14

HYWU CO 2e Doi Hye Se Pham da AI tb gip Áo igo

rot dâu hits Lb en loàn đành Cuties ván này,

ấn Hh cám œ cde đẩy <b pling bi sgựm MOA

MUU CO! da guy da wn trong gut rink bien thi nghiten

Em sin cảm on các Sky (2G ká bung dạ: lạc phạm di bin Bink dạy bdo vả bruyln dal bitin ác cho om 4 mam

sua

Eom sn cán en ấy có pin [go Ấy lạc tics chi Lite cớ

Xổ ca ian cts lạn la ð ds sức de che HONIG cay

vite hein lat bein văn này.

- TRƯƠNG THỊ ANH HONG

Luda van các aghiip

-Quá trình tổng hợp hiệu suất

Hướng nghiên cứu

D/TAI LIEU THAM KHAO

Trang 2

Luda «4< (47 aghiip

LỜI MỞ ĐẦU

- Trong thiên nhiên hop chất dị vòng giữ chất năng đặt biệt quan trong đối với quá trình hoạt động sống của sinh vật vì thế hóa học các hợp chất

dị vòng ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống xã hội, đồng thời là đối

tượng nghiên cứu đầy tính thuyết phục của con người

- Một trong những loại hợp chất dj vòng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dược học là benzothiazolc

và các dẫn xuất của nó, cụ thể là trong công nghiệp cao su màu và gần

đây trong nông nghiệp là ngành thuốc trừ sâu và trong được học.

- _ Nghiên cứu cấu trúc của các dẫn xuất này dựa vào hằng số vật lý, phân

tích nguyên tố, quang phổ hồng ngoại và phổ cộng hưởng từ hạt nhân Do

thời gian có hạn nên em không nghiên cứu tới phản ứng Willig là phản

ứng áp dụng để tổng hợp các dẫn xuất có dạng chung là

3-(2-R-vinyl)-2-benzothiazole.

- - Vì khả năng có hạn nên để tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót rất

mong được sự chỉ bảo của thầy cô và sự góp ý của các bạn

Trang 3

Luda «4x c4 aghitp

I MỤC DICH VÀ Ý NGHĨA CUA VIỆC THỰC HIEN ĐỀ TÀI

Benzothiazole và các dẫn xuất của nó thuộc loại hợp chất dị vòng Vòng

benzothiazole là một trong những chất quan trọng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Vòng benzothiazole với 2 di tố khi liên kết với các nguyên tố khác chúng trở thành các loại thuốc Chúng có nhiều ứng dụng trong công

nghiệp nông nghiệp, dược hoc, cụ thể như:

— Trong công nghiệp : 2- mercaptobenzothazole làm chất tăng tốc độ trong

lưu hóa cao su, tăng khả năng bảo quản cao su khi lưu hóa, làm chất chống nấm

— Trong nông nghiệp : các đẫn xuất của 2-hydroxy benzothiazole, 2-Alkyl

benzothiazole diệt và chống phá các loại nấm phá hại hạt giống

— Trong được học : Benzothiazole kết hợp với các nguyên tố khác trở thành

loại thuốc thông dụng như Penicilin là loại thuốc kháng sinh

Bằng nhiều phương pháp khác nhau người ta thấy ring khi đưa thêm các

nhóm thế hoặc kết hợp chúng có tác dụng làm tăng hoạt tính sinh lý và định hướng đến mục đích có lợi `

« 2 ~ Ankoxi , 2-Ankilhio - 6— halogen benzothiazole : là một loại

thuốc trị bệnh ngoài da.!"!

» 2-Fanoxy- 2-pheniltrio và 2- phenil amino benzothiazole va của

2 — ankil sunfonyl— 6—nitro Í?Ì: trị bệnh ngoài da.

« Các dẫn xuất thế ở vị trí thứ 3 của benzothiazolinone!*”! có tác

dụng diéu khiển sự phát triển của thực vật.

R: H, alkyl, hal, ankoxy

Tóm lại benzothiazole và các dẫn xuất của no có nhiều ứng dụng rộng

rãi, quan trọng trong thực tế Nhận thấy được lợi ích của chúng và em mong

muốn góp một phần nhỏ trong việc nghiên cứu và tổng hợp chúng Qua đó em

hiểu rõ thêm về hợp chất dị vòng và những ứng dụng của chúng Tuy nhiên do

thời gian có hạn nên em chỉ tổng hợp 2 - hydroxy - và ester thơm của nó.

H BENZOTHIAZOLE:

1) Phương pháp điều chế benzothiazole :

Xu hướng hình thành hệ thống vòng benzothiazole rất lớn và sự đóng vòng

xảy ra nhanh chóng.

®% Một trong những phương pháp có giá trị nhất và có trước nhất để tổng hợp

benzothiazole là phan ứng của 6 - aminothiophenol với acid carboxylic hay

Auda vie cất

% Các dẫn xuất của carboxylic acid như chlorides, anhydride acid sử dung

chính nhất, mặc dù các ester và các amino ester đã từng sử dung :

~ =o << — «os

2,3 - ¬ R : aklyl, aryl, hydrogen

4 Theo sự tổng hợp của Jacpson, sự kết vòng được thực hiện trong môi trường

kiểm loãng !°!

Oh =O Ol

NHCOR = NaOH

R : alkoxyl, cacboxyl, hydrocacbon

4% Sự đóng vòng sẽ hỏng khi R là NH; vì các thioureas kết vòng nhanh theo

Trang 7

Luda vdn cất

° aN a phương pháp trên 2_ phenyl benzothiazole cũng được tổng

gp.

Trang 8

2 CẤU TẠO HOÁ HỌC:!!

Do đó tính chất hoá học quyết định của vòng là phản ứng thé Se vào

vòng thiazole xảy ra ở các vị trí 2,4,5 tượng tự như vào vòng thiaophel hay

pirol.

b Vong Benzene :

Do sự cộng hưởng của nhóm S làm tăng hoặt hóa ở vị tri 4 va 6 nên các

vị trí này dễ thực hiện phan ứng S;

Nhưng xét về hiệu ứng cảm thi Nitơ rút electron nên độ âm điện tăng

hơn Carbon va Sulfur làm can trở sự hoạt hóa vòng benzen, Chính vì thế mà

ở vòng Cs và Cs sự cộng hưởng làm tăng mật độ electron nhưng C, gần Nitd

nghèo electron Nên thực nghiệm chứng tỏ Sgưu đãi nhất ở Cy

S

Ole + RX stevens [OT )e-em

N

Nitơ còn có một đôi electron không tham gia cộng hưởng nên có tính

base mạnh như piridin: có thể tạo muối bậc bốn :

Audn uả« cất

Khi đó nhóm thiazole từ tăng hoạt của lưu huỳnh do cộng hưởng +C đã

trở thành giảm hoạt vòng benzen do sự hút electron của nitd bởi -I Do đó

phản ứng càng ưu đãi ở vị trí Cạ

Khi thực hiện phan ứng chú ý hạn chế sự tương tác của acid với vòng

thiazole Phản ứng phải thực hiện nghiêm ngặt trong điều kiện xúc tác, dung

môi, nhiệt độ, áp suất.

c Vòng benzothiazole :

GL

Về trạng thái tĩnh tương tự như thiazole mặc dù lục tử thơm được gia tăngnhưng phan ứng S¿; vẫn chủ yếu

Theo số liệu thực nghiệm mà Gebus cùng đồng nghiệp của ông do được

tại vị trí Cạ mật độ electron œ là lớn nhất nên phản ứng Sp vào Cy, là ưu đãinhất,

Mat khác xét về trung tâm nitd do còn một cặp electron p tự do không

tham gia vào liên hợp vòng thơm nên thể hiện tính base, chính vì vậy nó cóthé tao nên muối amoni tương tự piridin điều này làm can trở phan ứng S; ở

Ce vì:

+ Phan ứng Sy thường được tiến hành trong môi trường lỏng với xúc tác

acid Lewis sẽ bị hạn chế do sự tạo thành liên kết xúc tác với nitơ.

„ Khi nitd tạo muối làm cho nitơ thiếu hụt electron gây can trở cho phản

ứng S; vào Benzothiazok ˆ

3 TÍNH CHẤT HÓA HỌC :

Benzothiazole là trường hợp đặc biệt của hệ thống dị vòng Những tính

chất hóa học và hóa lý chứng tỏ vòng thiazole vé bản chất không có đặt tính

thơm Thực nghiệm cho biết phản ứng thế electrophin đều xảy ra ở nhân

benzen trước hết là ở vị trí thứ 6 “Ì ngay cả 2 phenylbenzothiazole phản ứng

cũng xảy ra ở vị trí thứ 6 của vòng benzen 15.61

““đuậx uằ« cất

% Các dan xuất kim loại thu được do phan ứng với Sodium amide, phenyl

litium hoặc với cd manhe :;P"!

% 2- Mctylbenzothiazole phản ứng dé dàng với ethyl oxalate theo dang dic

Claisen Khi bị đốt với phthalic alhyderide có mặt ZnCl, cho sản phẩm

tương tự với khi phan ứng của 2- Metylpyridin và 2-Metylquinoline '

Trang 12

N O

phthalic a nye ZaCl2, 200 C

Il, 2- MERCAPTOBENZOTHAZOLE :

2- mercaptobenzothiazole cé tên thương mại là Kaptax, Vulkaxit, Thiotax,

là chất bột mịn màu vàng sáng, có vị cay, mùi đặc trưng

Điểm nóng chảy của 2-mercaptobenzothiazole kỹ thuật là 165°C _ 170°C

và của 2-mercaptobenzothiazole tỉnh khiết là 183°C _184°C.

Khối lượng phân tử : 167,25

2-mercapto benzothiazole tan trong acetone, ethanol, benzen, chloroform,

acetic acide, nhưng thực tế không tan trong nước,

1 Các phương pháp tổng hợp:

4$ 2-mcrcaptob enzothiazole cố thể tổng hợp thông qua các phương pháp

đóng vòng và kết quả khả quan nhất là tổng hợp từ Anilin,

«Ổ Tỷ lỆ: Anilin: CS;:§S = 1:l1,1: | : với nhiệt độ lên với 330)”

C thì hiệu suất đạt 93,1% 2-mercaptobenzothiazole 93,5% nguyên

chat!!!

Trang 13

Oe: + NaHS———> Ole + NaCl

* Dit 0,0- diaminodiphenylsulfide với carbobisulfide :

$ Phản ứng của 0- nitroaryl halide với hỗn hợp NaHS hoặc Na;S, va CS; :

theo cách này thì 0- aminothiophenol được sinh ra, có mặt CS; qaI

benzothiazole và dẫn xuất 2-metyl- của nó cho thấy rằng trong một số dung

môi hữu cơ , hợp chất 2-mercapto- hoàn toàn tổn tại ở dạng thiazolone '"!

Audn uăx tét

a Các phan thế S- thế :

® Phản tng alkyl hóa : :

% 2-mercaptobenzothiazole phản ứng nhanh với nhiều chất xúc tác để cho

ra các dẫn suất S- thế, alkyl hóa xảy ra có hoặc không có mặt kiểm !*"!

(CH)SQ, ' Xổ

eos “NaOH” Pe-s-cny ví 7

CH,

63% 15%

2-mercaptobenzothiazole rất bén ở nhiệt độ cao đến 220°C, khi bị xúc tác

bởi lạ, Br; thì tái sắp xếp đồng phân N-alkyl.

Khi phan ứng với các alkyli thì alkylmercaptobenzothiazole cho muối

alkylmercaptobenzothiazolium (4) Trong việc hình thành các muối

2-alkylmercaptobenzothiazolium (4), sự trao đổi alky] có thể xảy ra nếu nhóm

alkyl của tác nhân xúc tác alkyl hóa khác với nhóm alkylmercapto Sự trao

đổi của các nhóm alkyl này dường như dễ dàng xảy ra với alkyl iodides hơn

Audn uă« cất

* 2-mercaptobenzothiazole với một halogen trong dung môi trơ như C,H,

CCI sẽ cho benzothiazole_2_sulfunyl-halides kém bên.!*?

ÔY>-a-Ol="“Of-==N

* Trong dung dịch kiểm loãng có mặt amine hoặc amoniac thường cho ra các

benzothiazole_sulfenamides là các chất không bén lắm, nhưng nhiều chất đủ

hén để tách rời ra được.!””!

S

Oi esis 96%

* Phản ứng với formaldehyde hoặc có mặt xúc tác amines, phổ hồng ngoại

thường cho thấy phản ứng xảy ra ở nitrogen:!”!

OL >-see hoặc "Yess

; hoặc i

H;NC.H,„

Trang 17

-““đxáx vdn tất

* Tác dụng của p- dibromomethelbenzcn lên 2-mercaptobenzothiazole

hoặc 3-mcthyl 2-benzothiazolinthione tạo thành dẫn xuất p của muối bậc 4 :

% 2-Hydroxy benzothiazole tổng hợp một cách huuận lợi do thủy phân acide

của các dẫn xuất 2-alkoxy! đã thu được nhanh chónh do sự đóng vòng của

N-arylthiourethans,?”!

C,H,-C—-NH H35 1 roe a CD vaat OGH:- (OL eo

Trang 18

Ludn vain tất nghiip

“ Bằng phương pháp V.F Kucherov : oxy hóa các sulfide trong acetic acide :

$ Phương pháp có ý nghĩa nhất là oxy hóa 2-mercapto benzothiazole bằng

hydrogen peroxide trong môi trường kiểm Í°Ì hoặc bằng Kalipermanganat

(KMnO,)'''Ì sẽ xuất hiện muối kali của sulfoacide tương ứng và sau đó

thủy phân trong môi trường acide.!*?

Ol 7 oes Oe ion

2.Tinh chất hóa hoc

2-Hydroxybenzothiazole có thể tổn tại ở hai dang tautomer;

Or>-+— Ol

enol ketone

Trang 19

4x vdn các «eÁ¿¿£@

Moment lưỡng cực tính được đối với 2-Hydroxy - benzothiazole là 24D ,

với 2-benzothiazolinone là 3,8D Bằng thực nghiệm nhận được là 3,66D!"*! điều đó chứng tỏ trong các phan ứng nó tham gia ở dạng cetone '?°!', Kết quả

nhận được phù hợp với các quá trình xảy ra trong các phản ứng alkyl hóa ,

acyl hóa hoặc hydroxymethyl hóa Trong tất cả các phản ứng người ta đều

thu được dẫn xuất thế ở vị trí số 3 của 2-benzothiazolinone 9Ì

Bằng thực nghiệm cho thấy khi metyl hóa bằng diazomethane trong cther

đã xuất hiện 3 - methyl 2 - benzothiazolinone cùng với

2-metoxy-benzothiazolinone, H.Zinner và W.Nimmich !”Ì đã giải thích quá trình phản

ứng này như sau:

Sản phẩm chủ yếu là 3-metyl 2- benzothiazolnone.

Phản ứng methyl hóa không xảy ra khi đốt nóng dimethyl sulfate mà thiếu

base,

Trang 20

Ludn van cất

% Các phản ứng brome hóa xảy ra nhanh ở 0°C - 3°C tong CHCh và

nitrotc hóa đều cho ra dẫn xuất ở vị trí thứ 6.5%!

Đây là chất đầu thuận lợi cho việc điểu chế các dẫn xuất tiếp theo như:

‹ Tác dụng của thionylchloride thu được 3-chloro - methyl

2-benzothiazolinone

- _ Với acetc alhyderide thu được 3-acetometyl 2-benzothiazolinone

+ VỚi benzoyl chloride thu được 3-benzoyloxymetyl

2-benzothiazolinone

On @s am Ol (Q) Yeo

Tuy nhiên nếu 3-chioromethyl benzothiazolinon tác dụng với

2-mercaptobenzothiazole sẽ thu được hợp chất sau :

>~=

Ludn van cất

Diéu này chứng tỏ 2-mercaptobenzothiazole bị alkyl hóa ở vị trí thứ 21”!

4 Khi xử lý 2-mercaptobenzothiazole với ethylene oxide dư có mặt acetic

acide xảy ra phản ứng N-hydroxyethyl hóa và có sự biến đổi thiono-oxo

tạo thành 3-(2hydrozycthyl) 2-benzothiazolinone

Oly — o

2-benzothiazolinthione (I) thông thường bị alkyl hóa ở nguyên tử lưu

huỳnh, trừ phản ứng Mannich””Ì Ethylene oxide được dùng để thực hiện

phản ứng S-hydroxyethyl hóa của (I) trong dioxane

Phản ứng N-hydroxycthyl hóa của 2-benzothiazolithinone (I) bằng

ethylene oxide trong acetic acide kèm theo sự thay thế nguyên tử lưu huỳnh

bằng nguyên tử oxi để tạo thành 3-(2-hydroxyethyl ) 2-benzothiazolinone

(II) Phản ứng này được thực hiện bằng cách sử dụng lượng dư 10 lẳn theo

số mole của ethylene oxide trong dung dịch acatic acide ở nhiệt độ phòng

trong 24h.

Khi rút ngắn thời gian th và giữ tỷ lệ số mole (1:1) đã xảy ra phản ứng

S-hydroxycthyl hóa tạo thành 2-(2-hydroxyethylthio) benzothiazole (II) '*"'

đã sử dụng methanol như một dung môi

Để chứng minh cấu trúc của (II), 2-benzothiazolinone (VII) được thay

đổi với 2-bromocthylnol có mặt dung dịch NaOH, thu được sản phẩm 21%

đồng nhất với hợp chất (111).

Trang 22

Luda udn tát nghitp

Trong quá trình chuyển hóa trên , ethylene oxide là chất được dùng đểđồng phân hóa các dẫn xuất lưu huỳnh và nitơ - methyl (IV) (V) Cũng bằng

cách này hợp chất lưu huỳnh -methyl (IV) đã chuyển thành hợp chất (III) với hiệu suất 29% Hợp chất (V) tạo thành hợp chất oxo tương ứng hợp chất (VI)

với hiệu suất 88%.

Một minh acetic acide không có tác dụng lên (I),(1V),.(VIHI) Diéu này

chứng minh khả năng của ethylene oxide thực hiện chức năng như mot tác

nhân thay thế nguyên tử lưu huỳnh bằng oxi trong dãy benzothiazolithione

Trong các tài liệu không đưa ra cơ chế phản ứng, nhưng ở đây có thể cho rằng

acetic acide cũng tham gia vào phản ứng ở giai đoạn dau để tạo ra benzothiazolinone.

2-s S

OL >¬eesen + CH,COOH ————> 2-§~CH;CH;OH

+

: S

Cơ chế này áp dụng cho cả phản ứng của ethylene oxide vào 2-mercapto

benzothiazole trong acetic acide tạo thành 2-Hydroxy benzothiazole.

Chất này tiết tục phan ứng với tác nhân ethylene oxide để tạo thành sản

phẩm(III).

Hóa học của benzothiazole đang phát triển rộng rãi, đặc biệt là việc sử

dụng các dẩn xuất của nó trong ngành công nghiệp cao su, công nghiệp

nhuộm và trong những năm gần đây cả trong ngành nông nghiệp và dược học

2-Mercaptobenzothiazole được dùng trong ngành cao su vừa có tác dụng

làm tăng tốc độ lưu hóa cao su vừa là chất chống nấm bảo vệ cao su trongquá trình sản xuất 2-Mercaptobenzothiazole cũng được làm chất chống nấm

cho các loại dệt bông, vải, sợi.

Hợp chất 3-Acetonitrit 2-benzothiazolinone có tác dụng lên cây họ đậu

như làm dày phiến lá, làm hẹp phiến lá, kiểm ham sự phát triển bể mặt Tuy

nhiên nó lại có tác dụng tốt với cây củ cai đường, khi bón với hàm lượng

(),1-0,2 kg.ha Ì sẽ làm tăng hàm lượng đường là 11%

Trang 23

Ludn van cất

alkoxy-, alkylthio 6-halogen benzothiazole , phenoxy-,

2-phenylthio-, và 2-phenylamino-: có tác dụng chữa bệnh ngoài da.

Các dẫn xuất thế ở vị trí thứ 3 chứa lưu huỳnh của

2-benzothiazolinone cũng có tác dụng điểu khiển sự phát triển của thực vật

như : alky] thioalkyl ester”! , thioesterl??l, và đithiocarbonat*"!

Các hợp chất này có tác dụng làm giảm sự phát triển của dau, làm ngắn

thân cây, nếu ở nồng độ cao chúng có tác dụng diệt cỏ.

Nhóm với nité ở mạch nhánh như :Amid, hydrazide, imidoester,

imidoamide, imidoalkhydride và cả các muối bậc 4 cũng có tác dụng lên sự

phát triển của thực vật,

R :H,CF, halogen,

JOL > ae 8 ¡ J-4

R NRẺ RỶ: alkyl, alkenyl, alkynyl,

(CH),CONR R pyridinyl, hal- pyridinyl