nghiên cứu tổng hợp một số azometin dãy 5-amino-2-metylbenzothiazol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO • • • ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ■ ■ i TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN KHOA HQÁ HỌC ___________ N G U Y Ễ N V Ă N L Ạ I NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MỘT số AZ0METIN ■ • DÃY 5-AMIN0-2-METYLBENZ0THIAZ0L LUẬN ÁN THẠC s ĩ KHOA HỌC HOÁ HỌC CHUYÊN NGÀNH : HOÁ HỮU c ơ MÃ SỐ :01-04-02 N gưòi hướng dẫn khoa học: G S.T S. Đ Ặ N G N H Ư T Ạ I PT S. N G U Y Ễ N Đ IN H T H À N H MỤC LỤC MỞ đầu 1 Phần I. Tổng quan 2 1 ■ Tổng quan về azom etin 2 1.1. Các phương pháp tổng hợp azometin 2 1.2. Cơ chế phản ứng giữa andehit và amin bậc 1 4 1.3. Phản ứng của các azometin 6 1.3.1.Phản ứng cùa azometin với các hợp chất có nguyên từ hidro linh động 7 1.3.2. Phàn ứng cùa azometin với diazom etan 8 1.3.3. Phàn ứng cùa azometin vói dihalogencacben 9 1.3.4. Phàn ứns của azometin với các dẫn xuất của axit isoxianic và iso thioxianic 9 1.3.5.Phàn ứng của azometin với các ete khõng no (phản ứng D iels-A lder) 11 1.3.6. Phàn ứng của azometin với xeten và d ix eten 12 1.3.7. Phản ứng cùa azometin với các dẫn xuất của axit cacboxylic n o 13 1.3.8. Phàn ứng của azometin với axetilen và các dẫn xuất của n ó 14 1.3.9. Phản ứng cùa azometin với các axit a-thiolcacboxylic 15 1.3.10. Phản ứng của azom etin với hợp chất cơ k im 15 1.3.11. Phản ứng của azometin với nitroankan 16 1.4. Cấu trúc điện tử, tính bazơ và phổ của các azometin 17 1.4.1. Cấu trúc điện tử, hình học và tính bazơcủa azom etin 17 1.4.2. Phổ hổng ngoại của azom e tin 18 1.4.3. Phổ từ ngoại của a zom etin 19 1.5. Hoạt tính sinh học của azometin 20 1.6. Vài nét về lí thuyết phổ điện tử 20 Phần II. Kết quả và thảo luận 24 2.1. Về tổng hợp 5-amino-2-metylbenzothiazol 24 2.1.Tổng hợp 4-nitro-2-aminothiophenolat natri 24 2.2. Tổng hợp 2-metyl-5-nitrobenzothiazol 25 2.3. Tổng hợp 5-am ino-2-m etylbenzothiazol 25 2.2. Về tổng hợp các azometin dãy 2-metyl-5-amỉnobenzothiazol .26 2.3. Về cấu trúc và phổ điện tử của các azometin dãy 5-amino-2-metylbenzothiazol 29 2.3.1. Câu trúc và khả năng phản ứna của amin và andehit trong phản ứng ngưng tụ loại nước thành azom etin 29 2.3.2. Câu trúc của các azometin dãy 5-am ino-2-m etylbenzothiazol 32 2.3.3. Tính toán phổ tử ngoại cùa các azometin dãy 5-am ino-2-m etylbenzothiazol 43 Phần III. Thực nghiệm 45 3.1.Tổng hợp 5-amino-2-metylbenzothiazol 45 3-1.1. Tổng họp natri 4-nitro-2-aminothiophenolat 45 3.1.2. Tổng hợp 5-nitro-2-m etylbenzothiazol 46 3.1.3. Tổng hợp 5-amino-2-m etylbenzothiazol 46 3.2. Tổng hợp azometin dãy 5-amino-2-metyl-benzo-thiazol 47 3.2.1. N-(/;-N itrobenzyliden)-5-amino-2-metylbenzothiazol 47 3.2.2. N-( /?-Clobenzyliden)-5-amino-2-m etylbenzothiazol 48 3.2.3. N-( />Đim etylam inobenzyliden)-5-am ino-2-m etylbenzothiazol 48 3.2.4. N-(2,4-Đihidroxibenzyliden)-5-am ino-2-m etylbenzothiazol 49 3.2.5. N-(5-Clo-2-hidroxibenzyliden)-5-am ino-2-m etylbenzothiazol 49 3.2.6. N-(5-Brom -2-hidroxibenzyliden)-5-am ino-2-m etylbenzothiazol 49 3.2.7. N -Benzyliden-5-am ino-2-m etylbenzothiazol 50 Kết luận 51 Tài liêu tham khảo 52 1 Mỏ đẩu Azom etin (hay bazơ Schiff) là những hợp chất có chứa trong phân tử nhóm liên kết azometin -CH=N Người ta đã biết nhóm hợp chất này từ lâu [104], song chỉ từ những năm nãm mươi trờ lại đây, chúng mới được chú ý nghiên cứu nhiều,nhất là từ khi phát hiện chúng có vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh hoá và hoá học khác nhau. D o có mặt trong phân tử nhóm liên kết azometin, là một nhóm có khá năng phản ứng cao, các azometin có thể tham gia vào nhiều loại phản ứng chuyển hoá quan trọng. Mặt khác, bản thân azometin cũng có những hoạt tính sinh học đáng chú ý như hoạt tính kháng khuẩn,chống viêm , chữa bệnh thương hàn Một sô' azometin có khả năng tạo phức với các ion kim loại và được ứng dụng trong hoá học phàn tích Nhiều azometin thơm, béo-thơm với các nhóm thế ankyl, aryl hay dị vòng khác nhau đã được tổng hợp và nghiên cứu. Các nhàn dị vòng được nối với nhau bằng liên kết azometin đã đem lại cho phàn tử azometin những tính chất mới đáng chú ý. 5-Amino-2-metylbenzothiazol là một amin dị vòng tương tự như p-naphtylamin nên nó có khả năng tham gia vào phản ứng ngưng tụ vòng hoá với các hợp chất có nguyên từ hidro linh động. Vì vậy trong bản luận văn này chúng tôi đã nghiên cứu tổng hơp một số azometin dãy 5-amino-2-m etyl- benzothiazol, kháo sát cấu dạng và tính toán một số chỉ số hoá lượng từ quan trọng của chúng. Phẩn I Tổng quan Ọ 1. Tông quan về azometin 1.1. Các phương pháp tổng hợp azometin Các azom etin có thể được tổng hợp theo nhiều phương pháp khác nhau. Sau đây là một số phương pháp chính : 1. Bằng việc khừ hoá các amit thế [37]: c h 3 ọ h 3 Q ^ C° -NH-C6H5 PCI5 x Ì ^ Ỹ =N'C6h5 SnCI2 CH3 A x h =n -c 6h 5 (62-70%) 2. Đi từ hợp chất azo và các m etylaren [57]: C6H5-N=N-C6H5 + C6H5CH3 1 Cao » C6H5-CH=N-C6H5 - c 6h5n h 2 3. Đi từ hợp chất thơm có nhóm m etylen hoat động và hợp chất nitrozo [ 12]: Na2C03, t° -H20 3 4. Bằng phán ứng giữa andehit và amin bậc một ờ đây Ar và A r ’ có thể là gốc ankyl, aryl hay dị vòng. Các azometin béo điều chế từ andehit béo và amin béo thì không bền, song các azometin béo -thơm thì bền vững, nhất là azometin thơm. Đây là phương pháp thuận tiện nhất, đi từ hợp chất rẻ tiền, dễ kiếm và cho hiệu suất cao: Ar-CH=0 + Ar’NHz ► Ar-CH=N-Ar’+ H20 5. Bằng phản ứng của andehit thơm và hợp chất ni tro thơm trong co với sự có mặt hợp chất của paladi và các hợp chất có chứa nitơ, photpho và F eiM o70i4. V í dụ hỗn hợp của benzandehit, nitrobenzen, phức PdCl->- pyridin và pyridin trong benzen ở áp suất 150atm trong c o ở 2 30°c, trong 5 giờ cho 71% benzyliden-anilin[ 18, 55]: CO xt c 6h 5c h o + c 6h 5n o 2 c 6H5-CH=N-C6 H5 150 atm, 5h 6. Ngưng tụ các hợp chất nitro béo hay thơm -béo có nhóm a-m etylen với nittozoaren có mặt natri hidroxyt hay natri xianua [47]: C6H5CH2N02 + 0 = N H ^ ^ N ( C H 3)2 J Ìẵ £ ! Ì .c 6H5C H = N ^ O ^ N (C H 3)2 70 CN 7. Bằng phán ứng giữa nitrozoaren và các a-hetarylaxetonitiin khi có mặt của kiềm, hiệu suất của phản ứng đạt từ 50-80% [41]: 4 8. Từ các dị vòng chứa nitơ có nhóm m etyl hoạt động và các nitrozoaren [42], hiệu suất đạt từ 50-70%: C2 H5 OH, t N(CH2CH2OH) 2 Trong tất cả các phương pháp tổng hơp azometin đã nêu ở trên, phương pháp đi từ andehit và amin bậc m ột là thuận lợi và phổ biến nhất. C ơ chế phản ứng của phương pháp này đã được nghiên cứu tỉ mí. 1.2.CƠ chế phản ứng giữa andehit và amỉn bậc 1 Cơ chế phản ứng giữa andehit và amin bậc nhất được biểu diễn bằng sơ đó tổng quát sau [ 1]: ^ ( 1) ____ © R-CH-0 + R'-NH2 — R-ỌH-NH-R' IqCJ 0^ H -► R-CH-NH-R' I ÒH (2) > R-CH=N-R'+H20 trong đó R, R ’ là gốc ankyl, arankyl, aryl hay dị vòng. 5 Phản ứng này được xúc tác bằng axit hay bazơ (cả giai đoạn tấn công nucleophin của amin vào nhóm cacbonyl ( 1) và giai đoạn tách nước để tạo thành azom etin(2). Người ta nhận thấy rằng tuỳ theo R và R ’ của dãy phản ứng, tốc độ phán ứng trên sẽ đat cực đại ờ một trị sò pH xác định [2, 74]. Tốc độ này cũng phụ thuộc vào hiệu ứng không gian và bản chất cùa các nhóm thế nối với nhóm cacbonyl [2, 74], Khi dùng xúc tác axit,cơ chế của phản ứng như sau: © © R'-NH2 _ _ © R-CH=0 + h V R-CH— OH — — ► R-CH-NH2- R ' ^ I _|-p +rf- r , . ° H . -♦ R-CH-NH-R’ í= = ± R-CH—NH-R’ ———► R -CH^-^NH-R' — ► ỔH $h 2 * R-CH=N-R' Còn khi dùng xúc tác bazơ cơ ch ế phản ứng như sau: R’-NH2 + # ^ R'-N H +B H 0 ô+ /\ô ~ BH R'-NH + R-C— 0 R'-NH-ỌH-R R’-NH-ỌH-R ^ I ■ “ I 0© ÓH 0 /"S R'-N-CH-R 5 * R-CH=N-R' Ố h - 0 H Tuy lửiién hai giai đoạn tấn công nucleophin và tách nước ở trên phụ thuộc vào bản chất cùa các nhóm thế theo hai qui luật khác nhau. Trong dung dịch trung tính tốc độ cộng nucleophin tăng lên khi có nhóm thế hút điện tử ( N 0 2, Cl, Br) và giảm đi khi có mặt của nhóm thế đẩy điện từ (C H3, O CH3, O H ) ớ trong nhân thơm andehit, còn tốc độ đềhidrat hoá thì lại phụ thuộc vào bàn chất của các nhóm thế theo chiều ngược lại và vì thế tốc độ chung của toàn bộ phản ứng trong mỏi trường trung tính ít phụ thuộc vào bản chất của nhóm thế (p=0,07). 6 Trong m ôi trường axit, tốc độ phản ứng lại tăng lên khi trong nhân thơm có nhóm thế hút điện tử (p=0,91) vì khi đó giai đoạn cộng nucleophin chậm hơn giai đoạn dehidrat hoá [2, 74], Nếu tốc đ ộ cộn g hợp nucleophin và dehidrat hoá bằng nhau thì khi đưa các nhóm thế đẩy điện từ vào nhân thơm andehit sẽ làm tăng tốc độ dehidrat hoá và làm giảm tốc độ cộng hợp, khi đó giai đoạn ( 1) là giai đoạn chậm quyết định tốc độ phản ứng và bị ảnh hưởng nhiều bởi các nhóm thế (p lón). Khi đưa nhóm thế hút điện từ vào nhàn thơm andehit, tốc độ giai đoạn cộng hợp tăng lên, còn tốc độ dehiđrat hoá lại giảm đi và ư ờ thành giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng, khi đó ảnh hưởng của các nhóm thế đến tốc độ chung của phản ứng là không đáng kể (p nhỏ) [74]. Chẳng hạn khi nghiên cứu phản ứng của các benzandehit thế với anilin [74] người ta thấy với các nhóm thế hút điện từ thì p=-0,5; còn các nhóm thế đẩy điện từ thì p = + l,5 . 1.3. Phản ứng của các azometin Do độ âm điện khác nhau của các nguyên từ cacbon và nitơ trong liên kết azometin (độ âm điện của chúng lần lượt là Xo=2,5 ; Xn =3,0) nên liên kết azometin luòn luôn có xu hướng phàn cực vé phía nguyên từ nitơ làm cho mật độ điện từ ở nguyên tử Iiitơ cao hơn mật độ điện tử ở nguyên từ cacbon: Các tính toán lượng tử cho thấy điện tích hiẹu dụng trên các nguyên tử cacbon và nitơ của liên kết azometin là khác nhau [102, 103]: nguyên từ nitơ mang điện tích âm, còn nguyên từ cacbon m ang điện tích dương: -0.1446 N— C6H5 -0.1977 N C4H9-n -0.2785 N C3H7-n C6H5— CH +0-0258 C6H5— CH +0.1703 c 6h5— ch +0.1192 7 Như vậy, trong phùn tử azometin xuất hiện hai trung tâm phản ứng khác nhau: Trung tâm nucleophin ờ trẽn nguyên từ nitơ và trung tâm electrophin ở trên nguyên từ cacbon. Vì vậy các azom etin có khả năng tham gia vào nhiều phản ứng khác nhau. 1.3.1. Phản ứng của azometin với các hợp chất có nguyên tửhidro linh động Azom etin tham gia vào phàn ứng với các hợp chất có nguyên từ hidro linh động ờ nguyên từ cacb on -a trong các hợp chất cacbonyl [81] khi có mặt cùa xúc tác axít clohidric đặc như vói các andehit (axetandehit, andehit propionic), các metylxeton (axeton, các axetophenon), các metylxeton của dị vòng (axetylfuran, axetylthiophen, axetylpyridin, axetyl-cumarin ), các dixeton (dim edon, indandion, ), các xetoaxit, este cùa axit m alonic, antipyrin [79, 81, 89, 92, 94-96, 99]. Tuỳ theo cấu phần amin của azometin là nhân benzen hay các nhân ngưng tụ mà tiến trình của phản ứng xảy ra khác nhau: với các azom etin của anilin thì chỉ tạo thành các sản phẩm cộng hợp kiểu P- am inoxeton, trong khi đó các azom etin của naphtylamin và các amin thơm có vòng ngưng tụ cacbo hay dị vòng tương tự thì phàn ứng trèn dẫn đến sự tạo thành các dần xuất của dihidrobenzoquinolin, khi có mãt của chất oxy hoá nhẹ nhàng thì dẫn xuất này bị oxy hoá ch o các benzoquinolin tương ứng [81]: R £ > C H = N ^ R1 + C H 3COR" ^ . r £ V c h - n h ^ ri CH2COR" R' [...]... hệ liên hợp: sự liên hợp nhờ các điện từ ĨI (liên hợp 7 , 7t) và Sự liên hợp giữa cặp điện tử không chia sẻ của nguyên rử nitơ của liên T kết azometin và hệ thống điện từ 7 của nhàn thơm amin (liên hợp n,7i), chính sự 1 liên hợp n,7i này làm cho nhân thơm amin quay một góc nào đó ra khòi mặt phẳng của phân tử azometin: V.I.Minkin và những người cộng tác đã có một loạt các công trình nghiên cứu về tính... hơn một electron 23 Trong phổ thực nghiệm các bưóe chuyén xuất hiện trong phổ ở dạng vạch với cường độ nhỏ (/' . thảo luận 24 2.1. Về tổng hợp 5-amino-2-metylbenzothiazol 24 2.1 .Tổng hợp 4-nitro-2-aminothiophenolat natri 24 2.2. Tổng hợp 2-metyl-5-nitrobenzothiazol 25 2.3. Tổng hợp 5-am ino-2-m etylbenzothiazol. 5-amino-2-metylbenzothiazol 45 3-1.1. Tổng họp natri 4-nitro-2-aminothiophenolat 45 3.1.2. Tổng hợp 5-nitro-2-m etylbenzothiazol 46 3.1.3. Tổng hợp 5-amino-2-m etylbenzothiazol 46 3.2. Tổng hợp azometin dãy 5-amino-2-metyl-benzo-thiazol . các hợp chất có nguyên từ hidro linh động. Vì vậy trong bản luận văn này chúng tôi đã nghiên cứu tổng hơp một số azometin dãy 5-amino-2-m etyl- benzothiazol, kháo sát cấu dạng và tính toán một