NGHIÊN cứu TỔNG hợp (2s) 2 HYDROXYDECAN 3 ONE

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Cà phê là cây công nghiệp có giá trị kinh tế cao, trong đó Việt Nam là nước xuất khẩu đứng thứ 2 thế giới sau Brasil. Sản lượng cà phê năm 2010 của Việt Nam là 1,1 triệu tấn có kim ngạch xuất khẩu đạt 1,7 tỷ đôla. Tuy nhiên bên cạnh đó cũng tồn tại không ít những hạn chế lớn đối với việc trồng cà phê đặc biệt là cà phê chè ở nước ta do tác hại của sâu bệnh như: Sâu đục thân (Xylotrechus quadripes Chevrolat) và bệnh gỉ sắt cà phê (Hemileia vastatrix) là hai đối tượng chính và nguy hiểm nhất hiện nay đối với cây cà phê làm cho năng xuất giảm, phẩm chất hạt kém và diện tích bị thu hẹp dần. Trước tác hại của sâu bệnh cây trồng thì người nông dân thường có thói quen sử dụng thuốc bảo vệ thực vật để bảo vệ cây trồng trước sự tấn công của sâu hại. Thói quen này đã làm tăng chi phí sản xuất và không đạt hiệu quả. Ngoài ra còn ảnh hưởng đến ô nhiễm môi trường và sức khỏe cộng đồng. Vì vậy, xu hướng hiện nay sản xuất nông nghiệp trên thế giới cũng như ở nước ta phát triển theo hướng bền vững gắn với bảo vệ môi trường tạo ra sản phẩm nông nghiệp sạch, với việc tăng cường sử dụng chế phẩm sinh học trong đó có pheromone trong canh tác cây trồng đang là xu hướng chung của Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung. Pheromone là một nhóm chế phẩm sinh học có tác dụng dẫn dụ, được sử dụng rộng rãi trong hệ thống bảo vệ thực vật. Xuất phát từ những nhu cầu thực tế công tác bảo vệ cây trồng trong sản xuất Nông nghiệp mà đặc biệt là sâu hại cây cà phê đã thúc đẩy chúng tôi tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one”. Năm 2006, Hall D.R.et al. Trong tạp chí J. Chem. Ecol. [13] hợp chất nghiên cứu trên là thành phần chính pheromone của sâu đục thân mình trắng (Xylotrechus quadripes Chevrolat). 1 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nghiên cứu tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one dùng làm mồi nhử để bẫy sâu đục thân mình trắng hại cây cà phê, góp phần ứng dụng vào công tác kiểm soát dịch hại mà không gây ô nhiễm môi sinh, tạo nên một nền nông nghiệp xanh. 1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one là thành phần chính pheromone của sâu đục thân mình trắng (Xylotrechus quadripes Chevrolat). - Kết hợp các phương pháp thử hoạt tính sinh học hợp chất (2S)-2-hydroxydecan-3-one trong việc kiểm soát sâu hại cà phê. 1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Phương pháp siêu âm là kỹ thuật mới ứng dụng trong tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one pheromone giới tính của sâu đục thân mình trắng hại cây cà phê (Xylotuchus quadripes Chevrolat), góp phần làm đa dạng và phong phú nguồn chế phẩm có hoạt tính sinh học phục vụ nông nghiệp trong việc phòng trừ và kiểm soát dịch hại mà không gây ô nhiễm môi trường. 1.5 ĐẶC ĐIỂM SINH THÁI HỌC Sâu đục thân mình trắng có tên khoa học: Xylotrechus quadripes Chevrolat, thuộc họ: Xén Tóc (Cerambycidae), bộ: Cánh Cứng (Coleoptera). Phân bố hầu hết ở các quốc gia trồng cà phê. Ở Việt Nam chúng phân bố ở những vùng trồng cà phê như Tây Nguyên, Tây Bắc và Miền Trung. Sâu đục thân mình trắng là sâu hại chính đối với cà phê và nhiều nhất giống cà phê chè (coffea Arabica L). 2 Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC - Năm 2006, Hall D.R.et al. Trong tạp chí J. Chem. Ecol. [13] xác định hợp chất (2S)-2-hydroxydecan-3-one là thành phần chính của pheromone sâu đục thân mình trắng (Xylotuchus quadripes Chevrolat). - Công trình về pheromone giới tính của sâu đục thân cà phê (Xylotrechus quadripes Cheverolat) đầu tiên do Jayarama, et al. (1998) công bố trên tạp chí Indian coffee [18] xác định hợp chất (2S)-2-hydroxydencan-3-one là pheromone của sâu này và công bố sơ đồ tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one đi từ etheyl S-lactate và dùng nhiều nhóm bảo vệ khác như: Ether benzyl; TBDMSCl; THP bảo vệ nhóm hydroxy theo sơ đồ 1. - Năm 2001, Marc Rhainds et al. Trong tạp chí Appl. Entomol zool. [35] đã công bố tổ hợp pheromone của sâu đục thân mình trắng hại cà phê là 2 thành phần (2S)-2-hydroxydencan-3-one và decan -2,3- dione với tỉ lệ 100:2/mồi thử và sơ đồ tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one từ 3-hydroxydecan-1,2-diene theo sơ đồ 2. H 3 C COOC 2 H 5 OH H 3 C COOC 2 H 5 RO H 3 C COOH RO H 3 C OR O H 3 C OH O a b c ethyl-(S)-(-)-lactate (2S)-2-hydroxydecan-3-one d R= C 6 H 7 or R=TBDMS or R=THP Sơ đồ 1 Tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one từ ethyl-(S)-(-)-lactate. Tác chất: a) C 6 H 7 Br/THF, NaH, rt, 0 0 C; or TBDMSCl/THF, imidazol, rt; or DHP/CH 2 Cl 2 /p-TSA. 3 b) KOH/ Ethanol; c) C 7 H 15 Li/ Dry ether, -20 đến -30 0 C. d) MeOH/p-TSA or H 2 / Pd-C OH a,b OH O OR O c d,e g,h OBn O OH O 3-hydroxydecan-1,2-diene (2S)-2-hydroxydecan-3-one R=THP Sơ đồ 2 Tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one từ 3-hydroxydecan-1,2-diene Tác chất: a) D-(-)-isopropyltartrate, Ti (isopropoxide) 4 . b) dihydropyran. c) LiAlH 4 , 0 0 C. d) NaH, BnCl. e) H 3 O. g) Jones reagent. h) 10% Pd/C, H 2 2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC - Nguyễn Công Hào, Nguyễn Cửu Thị Hương Giang (1997), Những khả năng và biện pháp phòng trừ sâu bệnh không gây ô nhiễm môi sinh, NXB Nông nghiệp. - Nguyễn Cửu Thị Hương Giang, Nguyễn Công Hào, Đặng Chí Hiền, (2005), “Nghiên cứu tổng hợp pheromone sâu đục vỏ trái Prays citri Milliire”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học và Công nghệ Hóa hữu cơ toàn quốc lần thứ III, 11/2005, 310 – 313. Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4 3.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1.1 Phương tiện nghiên cứu Cấu trúc sản phẩm được xác định bằng các phương pháp phân tích hiện đại như: IR, GC-MS, phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1 H-NMR, phổ 13 C-NMR và DEPT. Độ sạch của sản phẩm được xác định bằng GC. Khảo sát trên siêu âm, xác định thời gian mà độ chuyển hóa của phản ứng là tối ưu nhất. Qui ước và tính toán: Độ sạch: % theo GC, (đã lọc qua cột sắc ký). Hiệu suất cô lập của các chất tổng hợp được tính theo công thức: GCx m m H lt tt %% = Trong đó: H (%): hiệu suất của sản phẩm tổng hợp được (%) m tt : khối lượng sản phẩm cô lập được thực tế (g) m lt : khối lượng sản phẩm tính toán theo lý thuyết (g) 3.1.2 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 3.2.2.1 Thiết bị và dụng cụ Các thiết bị sử dụng trong quá trình tổng hợp gồm có : + Cân điện tử. + Bồn siêu âm Đài Loan. + Thanh siêu âm HP50H - Đức. + Cột sắc kí sử dụng silica gel 60 (20-400 mesh, E Merck, Darmstadt, Đức). + Sắc kí lớp mỏng (TLC) trên bản nhôm, lớp hấp phụ bằng silicagel, chạy trên hệ dung môi petroleum ether:diethyl ether, hiện hình bằng hơi iodine, dung dịch Sulfuric acid 10% (trong ethanol). 3.2.2.1 Hóa chất + DiBALH (diisobutylaluminhydride) 5 + Methyl (S)-(-)-lactate, 97%. + t-butoxide kali, 98%. + Petroleum ether. + Heptan-1-ol, 98% + DHP 99% + THP + p-TSA + MeOH. + NaHCO 3 + CaCl 2 3.2 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP Phương pháp tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one đã có nhiều công trình nghiên cứu ngoài nước theo Jayarama, et al. (1998) tổng hợp từ ethyl-(S)-(-)-lactate qua 4 phản ứng theo sơ đồ 1. Tổng hợp M. Rhainds, et al (2001) công bố tạp chí Appl. Entomol. Zool. 36 (3): 299-309 tổng hợp từ 3-hydroxydecan-1,2-diene qua 4 phản ứng, dùng THP nhóm bảo vệ theo phương pháp Mori and Otsuka (1985) hiệu suất đạt 90-92% theo sơ đồ 2. Theo những công trình nghiên cứu tổng hợp pheromone sâu đục thân mình trắng (Xylotuchus quadripes Chevrolat) pheromone (2S)-2-hydroxydecan-3-one được tổng hợp từ nhiều hóa chất khác nhau như từ ethyl-(S)-(-)-lactate, 3-hydroxydecan-1,2- diene, 2-decene… Do đó, lựa chọn hóa chất ban đầu thích hợp không kém phần quan trọng, giữ vai trò quyết định thành công cho cả sơ đồ tổng hợp ra hợp chất pheromone. Chúng tôi áp dụng phương pháp phân tích tổng hợp ngược cho sơ đồ tổng hợp hợp chất (2S)-2-hydroxydecan-3-one, với mục tiêu là truy tìm ra những chất nền khác nhau có thể mua hoặc tổng hợp được trong điều kiện của Việt Nam. Hiện nay tổng hợp pheromone sâu đục thân mình trắng chưa có công trình nào công bố, tổng hợp từ methyl (S)-(-)-lactate, hơn nữa hóa chất này dễ mua và giá thành hợp lý cho việc tổng hợp pheromone trên. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn sơ đồ 4 để tổng hợp pheromone trên đi từ methyl (S)-(-)-lactate. Sơ đồ tổng hợp gồm 3 giai đoạn phản ứng, sơ đồ này tương đối ngắn gọn so với những con đường tổng hợp trước đây như: 6 Phản ứng 1: Bảo vệ nhóm hydroxyl dùng DHP/CH 2 Cl 2 /p-TSA theo phương pháp Mori and Otsuka (1985) Phản ứng 2: Phản ứng quan trọng nhất của cả sơ đồ theo các bước sau. • Bước 1: Chuyển hợp chất ester về dạng aldehyl dùng xúc tác PDBBA, theo phương pháp Jung In Song and Duk Keun An in tạp chí Chemistry Letters Vol.36, 2007. • Bước 2: Thực hiện phản ứng ghép cặp với cơ magie C 7 H 15 MgBr/THP, 0 0 C. • Bước 3: Chuyển dạng hợp dạng ancol về dạng xetone bằng phản ứng khử Jones reagent. Phản ứng 3: Tách nhóm bảo vệ dùng MeOH/p-TSA. Ứng dụng mới được dùng trong tổng hợp này là sử dụng thiết bị siêu âm cho toàn sơ đồ là kỹ thuật mới trong tổng hợp hữu cơ hiện nay và dùng xúc tác PDBBA trong phản ứng ghép cặp grignard giúp cho sơ đồ tổng hợp ngắn gọn so với trước đây. OH O H Br MgBr HO O OCH 3 HO O Sơ đồ 3 Phân tích tổng hợp ngược (2S)-2-hydroxydecan-3-one 7 OCH 3 OH O a OCH 3 OR O b C OH O (2S)-2-hydroxydecan-3-one methyl-(S)-(-)-lactate R=THP OR O Sơ đồ 4 Tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one từ methyl-(S)-(-)-lactate Tác chất: a) DHP/CH 2 Cl 2 /p-TSA, rt, ultrasuond b) i. PDBBA, 0 0 C; ii. C 7 H 15 MgBr/THP, 0 0 C, ultrasound. iii. Jones reagent c) MeOH/p-TSA, rt, ultrasound 3.2.1 Tổng hợp methyl-(2S)-(2-tetrahydropyranoate)propanoate. Cho lượng vừa đủ methyl-(S)-(-)-lactate, CH 2 Cl 2 (20ml); vài tinh thể p-TSA và DHP lượng vừa đủ tất cả cho vào bình cầu hai nhánh và thiết lập bình vào thiết bị bồn siêu âm chỉnh ở 0 0 C, sục khí N 2 vào bình. Hỗn hợp phản ứng được khuấy ở 4 giờ. Sau phản ứng thêm 10ml ether vào hỗn hợp trên, rửa với muối bão hòa NaHCO 3 và làm khan bằng CaCl 2 . Sản phẩm thu được bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. Độ chuyển hóa của phản ứng được kiểm tra bằng sắc ký bản mỏng TLC. Sản phẩm thô được lọc qua cột silica gel để thu chất sạch dung dịch màu vàng. 3.2.2 Tổng hợp (2S)-(2-tetrahydropyranoate)decan-3-one Cho lượng vừa đủ methyl-(2S)-(2-tetrahydropyranoate) propanoate và MeOH 10ml vào bình hai nhánh hòa tan chất trên. Hòa tan xúc tác PBBDA trong THP sau đó cho từng giọt xúc tác vào bình trên, sục khí N 2 vào bình. Lấp đặt thí nghiệm trong bình bồn siêu âm 0 0 C, khuấy hỗn hợp trên sau 2 giờ. Tác chất Grignard được điều chế từ heptanbromua và magnesium trong dung môi THF trên bồn siêu âm chỉnh ở 0 0 C thu được hợp chất grignard. Hòa tan hợp chất 8 grignard trong dung dịch THP, sau đó cho từng giọt hợp chất grignard vào hỗn hợp trên. Hỗn hợp được khuấy 3giờ. Từ hỗn hợp trên tiếp tục thực hiện phản ứng Jones reagent, sau khi phản ứng kết thúc thêm 10ml ether vào, rửa với muối bão hòa NaHCO 3 và làm khan bằng CaCl 2 . Sản phẩm thu được bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. Độ chuyển hóa của phản ứng được kiểm tra bằng sắc ký bản mỏng TLC. Sản phẩm thô được lọc qua cột silica gel để thu chất sạch . 3.2.3 Tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one Cho lượng vừa đủ (2S)-(2-tetrahydropyranoate)decan-3-one hòa tan trong dung dịch MeOH (10ml) cho vào bình cầu hai nhánh và thêm tiếp vài tinh thể p-TSA. Sau đó thiết lập thí nghiệm vào bồn siêu âm chỉnh ở 0 0 C, sục khí N 2 bình, phản được khuấy sau 5giờ. Sau phản ứng thêm 10ml ether vào, rửa với muối bão hòa NaHCO 3 thu được dung dịch dạng cao và làm khan bằng CaCl 2 . Sản phẩm thu được bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. Độ chuyển hóa của phản ứng được kiểm tra bằng sắc ký bản mỏng TLC. Sản phẩm thô được lọc qua cột silica gel để thu chất sạch. Các sản phẩm đều được kiểm tra độ sạch bằng GC, xác định cấu trúc bằng phương pháp phổ như IR, GC-MS, 1 H NMR, 13 C NMR và DEPT 3.3 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TT Công việc thực hiện Thời gian thực hiện 1 Thu thập tài liệu và viết đề cương 01/7/2011 - 01/8/2011 2 Điều chế chất xúc tác và chưng cất dung môi 01/09/2011 - 29/10/2011 3 Thực hiện tổng hợp theo sơ đồ và thử hoạt tính 01/11/2012 – 01/03/2012 4 Viết và hoàn chỉnh luận văn 01/04/2012 – 01/05/2012 Nơi thực hiện đề tài: Viện Công Nghệ Hoá Học – Số 1, Mạc Đĩnh Chi , Quận 1, TP HCM. Chương 4 KẾT LUẬN 9 Nghiên cứu tổng hợp thành công (2S)-2-hydroxydecan-3-one là tiền đề kết hợp với các chế phẩm sinh học khác giúp phòng trừ sâu hại cây cà phê, nhằm đảm bảo sức khỏe của người sử dụng và giảm thiểu tác hại đối với môi trường xung quanh. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 10 [...]... Xylotrechus quadripes Chevrolat, 20 06, vol. 13, pp 886., [6] Jayarama, et al, Syntheshis of (2S)- 2- hydroxyl -3- decanone, the male sex pheromone of the coffee white stemborer xylotrechus quadripes Chevrolat, 18, 1998, pp 22 6 - 23 2., [7] Marc Rhainds, et al, Pheromone communication and mating behaviour of coffee white stem borer Xylotrechus quadripes Chevrolat, 36 , 20 01, pp 29 9 -30 9., [8] M Steven, R Robert,...[1] Bùi Công Hiển (20 02) , Pheromon của côn trùng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội [2] Đặng Chí Hiền, Nguyễn Công Hào, Nguyễn Cửu Thị Hương Giang (20 05), Ứng dụng siêu âm trong tổng hợp một số hợp chất dẫn dụ côn trùng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, T. 43 (số 6A), tr 160-168 [3] Đặng Chí Hiền, Nguyễn Công Hào, Nguyễn Cửu Thị Hương Giang (20 06), Nghiên cứu tổng hợp pheromon giới tính của... Công nghệ Việt Nam, tr 23 3 - 23 9 Tài liệu tiếng Anh [4] Dang Chi Hien, Nguyen Cong Hao, Nguyen Cuu Thi Huong Giang, The Aggregation Pheromone of Rhinoceros Beetles (Oryctes rhinoceros L.), Synthesis and Application in Vietnam, Journal of Science and Technology, 46, 20 08, pp 121 - 129 [5] Hall, D R., A Cork, S Phytian, C Sumathi, J M G Venkatesha, Naidu Studies on the male sex pheromone of the coffee white... Pheromone communication and mating behaviour of coffee white stem borer Xylotrechus quadripes Chevrolat, 36 , 20 01, pp 29 9 -30 9., [8] M Steven, R Robert, Capinera, L John, Production and Release of Sex Pheromone by Diaphania nitidalis (Lepidoptera: Pyralidae): Periodicity., 11 . chúng tôi tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài: Nghiên cứu tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one . Năm 2006, Hall D.R.et al. Trong tạp chí J. Chem. Ecol. [13] hợp chất nghiên cứu trên là thành. NaHCO 3 + CaCl 2 3.2 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP Phương pháp tổng hợp (2S)-2-hydroxydecan-3-one đã có nhiều công trình nghiên cứu ngoài nước theo Jayarama, et al. (1998) tổng hợp từ ethyl-(S)-(-)-lactate. thích hợp không kém phần quan trọng, giữ vai trò quyết định thành công cho cả sơ đồ tổng hợp ra hợp chất pheromone. Chúng tôi áp dụng phương pháp phân tích tổng hợp ngược cho sơ đồ tổng hợp hợp