NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG GẮN KẾT HỢP PHẦN NMETYLQUINOLINIUM VỚI AMIN, AMINO AXIT VÀ TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA SẢN PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Việc vận dụng 2 phản ứng nói trên và chuyển hoá sản phẩm thuđược thành các hợp chất mới không những có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn cótriển vọng tìm kiếm được những hợp chất có tính c

MỞ ĐẦU

Hóa học các hợp chất dị vòng có ý nghĩa lý thuyết cũng như ứng dụng thựctiễn vô cùng to lớn Đó cũng đang là một lĩnh vực được nghiên cứu mạnh mẽ ở nhiềunước trên thế giới Trong số lượng rất lớn các hợp chất dị vòng được biết đến, dịvòng quinolin giữ một vai trò quan trọng Nhiều hợp chất chứa khung quinolin đượcứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như mỹ phẩm, thực phẩm,chất xúc tác, thuốc nhuộm… và đặc biệt là trong ngành dược phẩm [12]

Mới đây, nhóm tổng hợp hữu cơ – trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã pháthiện một phản ứng mới lạ tổng hợp vòng quinolin qua hợp chất axi - quinon điều chế

từ axit eugenoxiaxetic và phản ứng thế nucleophin bất thường ở hợp chất metylquinolinium Việc vận dụng 2 phản ứng nói trên và chuyển hoá sản phẩm thuđược thành các hợp chất mới không những có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn cótriển vọng tìm kiếm được những hợp chất có tính chất huỳnh quang đáng chú ý có thểứng dụng trong lĩnh vực hóa sinh

N-Hiện nay các chất phát huỳnh quang được dùng nhiều để thăm dò, đánh dấu

và cảm biến trong nghiên cứu hóa sinh và công nghệ sinh học Yêu cầu cơ bản đốivới chúng là: cường độ huỳnh quang cao, bền vững và có những nhóm chức dễ tạoliên kết hóa học với các đối tượng cần phân tích Thí dụ người ta sử dụng rộng rãicác chất màu loại xianin (cyanine) như Cy3, Cy5 có các nhóm chức tạo được liênkết với ADN hoặc protein trong các nghiên cứu về gen và protein (như lai tạo gen

so sánh, chip gen hay xác định vị trí ARN) [13, 22] Các muối N-metylquinoliniumhiện đang được chú ý nghiên cứu chuyển hóa thành những hợp chất có cấu trúctương tự với chất màu loại hemixianin để tạo nhóm phát huỳnh quang gắn được vàocác phân tử ADN hoặc protein [32, 33]

Tác giả công trình [2, 3] đã chỉ ra rằng nhóm -OCH2COOH của một số muốiN-metylquinolinium dễ dàng bị thế bởi các hợp chất amino như các ankylamin hoặchiđrazin Phản ứng đó có thể làm cơ sở để gắn kết chúng với các nhóm amino củacác gốc amino axit trong phân tử peptit, protein và ADN Đồng thời, công trình [1]

đã cho thấy các chất sản phẩm thu được trong phản ứng thế vị trí số 7 của muối

N-metylquinolinium bằng các ankylamin, đều phát huỳnh quang ở λmax trong khoảng505-674 nm với cường độ mạnh khi bị kích thích bởi bước sóng thích hợp Như đãbiết các phép thử hóa sinh và sinh hóa sử dụng sensor cảm biến huỳnh quangthường tiến hành trong dung dịch Vì vậy chúng tôi nghiên cứu sự phát huỳnhquang của một số hợp chất tổng hợp được trong dung dịch nước Để mở rộngnghiên cứu về phản ứng này và tính chất của sản phẩm, chúng tôi chọn đề tài

“Nghiên cứu phản ứng gắn kết hợp phần N-metylquinolinium với amin, amino axit và tính chất huỳnh quang của sản phẩm” với mục đích là:

- Góp phần chứng tỏ rằng phản ứng thế nucleophin ở vị trí số 7 của muốiN-metylquinolinium có tính chất hệ thống

- Nghiên cứu phản ứng gắn kết hợp phần N-metylquinolinium với một sốamin và amino axit

- Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các sản phẩm thu được

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP VÀ CHUYỂN HÓA MUỐI

N-METYLQUINOLINIUM

1.1.1 Một số phản ứng tổng hợp muối N-metylquinolinium

a Một số phương pháp truyền thống tổng hợp muối dị vòng N-ankyl bậc bốn

Phương pháp truyền thống để tổng hợp muối dị vòng N-ankyl bậc bốnthường dựa trên phản ứng lực nucleophin của dị tử nitơ với cacbon dương điệntrong dẫn xuất halogen, điankyl sunfat hoặc ankyl tosylat… Ví dụ như các phản ứngtổng hợp ankylpiriđinium [8] (hình 1.1):

Hình 1.1 Tổng hợp muối N-ankylpiriđinium

Các muối dị vòng N-ankyl bậc bốn thường được tổng hợp bằng cách đun hồilưu dị vòng chứa nitơtương ứng với tác nhân ankyl hóa trong dung môi như

axetonitrin, clorofom, o-điclobenzen, DMF hoặc etanol Phản ứng được thực hiện

trong thời gian từ 6 - 48 giờ, sau đó xử lý tiếp với đietyl ete trước khi lọc lấy sảnphẩm Tuy nhiên vì hiệu suất tương đối thấp nên quá trình trên được lặp lại nhiềulần để đạt được hiệu suất tối ưu (25-78%) [16]

Đối với các ankyl halogen, khả năng phản ứng giảm theo trình tự RI > RBr >RCl, nên thường ưu tiên sử dụng các dẫn xuất iođua trong các phản ứng tổng hợpmuối dị vòng N-ankyl bậc bốn Ví dụ như nhóm nghiên cứu của A.C.Pardal khitổng hợp các muối N-ankyl-2-metylbenzothiazolium, -benzoselenazonium, -

N N

CH2COOH Cl

CH 3

I

benzoxazolium, -inđolium và -quinolinium… đã sử dụng phương pháp đun hồi lưuhỗn hợp gồm dị vòng chứa N tương ứng với lượng dư các dẫn xuất ankyl iođuatrong dung môi axetonitrin Sau đó đietyl ete được thêm vào hỗn hợp phản ứng đểthu được sản phẩm muối tách ra [11]:

a: R = CH2CH3; b: R = (CH2)4CH3; c: R = (CH2)5CH3; d: R = (CH2)9CH3

Hình 1.2 Tổng hợp một số muối dị vòng N-ankyl bậc bốn.

Một phương pháp khác có thể dùng để tổng hợp muối dị vòng N-alkyl bậcbốn là đun nóng dị vòng cùng tác nhân ở nhiệt độ 80oC với thời gian 21 giờ trongampul hàn kín, sau đó tinh chế bằng phương pháp chiết Soxhlet với dung môibenzen trong 21 giờ trước khi lọc rửa bằng ete lạnh [11, 26]

Cũng trong một nghiên cứu khác khi tổng hợp N-ankylquinolinium bằng dẫnxuất halogen, nhóm nghiên cứu [23] đã sử dụng quy trình: đun hồi lưu hỗn hợpquinolin và dẫn xuất 1-bromankan với dung môi etanol tuyệt đối trong thời gian 40giờ Sau đó hỗn hợp sản phẩm được làm lạnh về nhiệt độ phòng và chất rắn tách rađược kết tinh lại trong ete trước khi tinh chế lấy sản phẩm tinh khiết bằng phươngpháp HPLC:

Bên cạnh việc sử dụng các dẫn xuất halogen, điankyl sunfat cũng được sửdụng như tác nhân tạo muối N-ankylquinolinium [21]:

+ RBr EtOHhoi luu

MeI/MeCN 50 o C 83%

1 Me2SO4,100 o C

2 HClO484%

Tuy nhiên các phương pháp trên đều được thực hiện trong thời gian phảnứng tương đối dài (6 - 48 giờ), hiệu suất khá thấp và cần phải lặp lại nhiều lần Vìvậy hiện nay phương pháp sử dụng vi sóng trong tổng hợp hữu cơ đã được áp dụng

để tổng hợp các muối dị vòng N-ankyl bậc bốn Kết quả nghiên cứu của công trình[16] được trình bày ở bảng 1.1:

Bảng 1.1 Tổng hợp muối dị vòng N-ankyl bậc bốn bằng phương pháp vi sóng

Một phương pháp cải tiến khác để tổng hợp các tiền chất của phẩm nhuộmxianin có chứa các muối dị vòng N-ankyl bậc bốn là sử dụng phản ứng cộng 1,4 củapiriđin hoặc quinolin vào acrylamin trong dung môi axit axetic [31] Phản ứng củacác dẫn xuất piriđin hoặc quinolin đạt hiệu suất khá cao (hình 1.4)

N

H

R

NH2O

AcOH +

vi sóng

R X Z: C(CH 3 ) 2 , S

H

R

NH2O

AcOH +

N

R

O

H2N BrBr

X

R1O

R 1 : Me, Cl, Et, iPr, Ph, CH2Cl, COOH Y: Cl

N Me

SnCl 4 , ZnCl 2 , piperidin-HCl EtOH, hoi luu

35-45%

N Me

a Tác dụng với bazơ kiềm:

Ion hiđroxyl tác dụng vào vị trí 2 của muối bậc bốn N-metylquinolinium tạo

ra dẫn xuất hiđroxi, sau đó các sản phẩm sinh ra có thể được oxi hóa bằng kaliferixianua tạo thành 2-quinolon:

N I

3 [Fe(CN)6] N

Nếu ở vị trí 2 hoặc 4 của ion quinolinium bậc bốn có sẵn một nhóm thế ankylthì dưới tác dụng của bazơ kiềm các ion này sẽ bị tách proton tạo thành những phân

tử trung hòa điện gọi là anhiđro - bazơ Đây là những hợp chất bền, song dưới tácdụng của axit chúng được chuyển hóa trở lại thành các muối bậc bốn:

N

OH

N H

N

OH

N H

Các anhiđro - bazơ có thể tác dụng với tác nhân electrophin như ankyl halogenua,axyl halogenua, muối điazoni :

I

N N Ar

Hình 1.6 Một số phản ứng của anhiđro-bazơ

b Tác dụng với một số tác nhân nucleophin khác:

Các muối N-metylquinolinium có thể phản ứng với một số tác nhânnucleophin như: hợp chất cơ magie, kali xianua…

N I

c Một số phản ứng khác của muối bậc bốn N-metylquinolinium:

Phản ứng thế nucleophin bất thường của muối N-metylquinolinium

Trong một nghiên cứu mới đây, Otto van den Berg và cộng sự [29] cho thấy,trong dẫn xuất 7-flo-1-ankylquinolinium, nguyên tử flo có thể bị thế bởi các tácnhân nucleophin mạnh như amin, thiol, … cho hiệu suất cao (hình 1.8)

N R

Hình 1.7 Phản ứng thế nguyên tử Flo của muối N-ankylquinolinium

Như vậy có thể thấy rằng, khi tạo thành muối bậc bốn N-ankyl, nguyên tử H

ở vị trí 2 và 4 của quinolin có thể tham gia phản ứng thế nucleophin, đồng thờinguyên tử halogen ở các vị trí số 7 của vòng quinolin cũng bị thế bởi các tác nhânnucleophin

Mới đây, nhóm tổng hợp hữu cơ – khoa Hóa học – trường Đại học Sư phạm

Hà Nội đã công bố các hợp phần muối N-metylquinolin nhiều nhóm thế có thể bịthế nhóm –OR bằng các tác nhân thế nucleophin như amin, hiđrazin [2]:

Hình 1.8 Phản ứng thế bất thường của muối N-metylquinolinium

d Một số phản ứng của muối bậc bốn N-ankyl của các dị vòng khác:

So với dị vòng ban đầu, các muối N-ankyl- và N-arylpiriđinium có khả năngphản ứng cao hơn nhiều đối với các tác nhân nucleophin, đặc biệt là vị trí 2 và 4 Cácphản ứng đó đôi khi được nối tiếp bằng sự mở vòng [8] Hợp chất cơ kim dễ dàngcộng vào muối N-ankyl- và N-arylpiriđinium, sinh ra dẫn xuất thế ở vị trí 2 của 1,2-

đihiđropririđin, sau đó sản phẩm thường được oxi hóa thành dẫn xuất thế ở vị trí 2của muối piriđinium bậc bốn:

C 2 H 5 AgNO 3 C 2 H 5

NO 3

Các muối N-ankyl- và N-arylpiriđinium cũng có thể tham gia phản ứng cộngvới nhiều tác nhân nucleophin theo hướng cộng ưu tiên vị trí 4, vì sản phẩm sinh rabền hơn nhiệt động học [8], ví dụ:

N I

1.2.1 Sơ lược về phổ huỳnh quang

Khi hấp thụ bức xạ, phân tử chuyển từ mức năng lượng này lên mức nănglượng khác cao hơn, chẳng hạn từ trạng thái electron cơ bản lên trạng thái electronkích thích Năng lượng mà phân tử được bổ sung khi hấp thụ bức xạ được giữ trong

khoảng thời gian rất ngắn, khoảng từ 10-3 đến 10-8 s Phân tử có nhiều cách để làmbiến đổi phần năng lượng hấp thụ đó và sự va chạm giữa các phân tử dẫn tới việcphân bố lại năng lượng giữa chúng Do đó năng lượng “dư” mà phân tử có được dohấp thụ bức xạ có thể được chuyển thành năng lượng quay, năng lượng dao động vànăng lượng của chuyển động tịnh tiến của các phân tử khác theo nguyên tắc phân bốđều Từ trạng thái electron kích thích phân tử có thể trở về trạng thái electron cơbản bằng con đường phát huỳnh quang và phát lân quang Đối với một chất hóahọc, bước sóng kích thích cũng như bước sóng phát quang là đặc trưng cho chất, vìmức năng lượng chênh lệch do phân tử hấp thụ hay phát ra chính bằng hiệu các mứcnăng lượng lượng tử trong phân tử.

Để hiểu được bản chất của sự phát huỳnh quang và lân quang hãy xem xét sựthay đổi cấu hình electron của phân tử khi hấp thụ bức xạ Sự hấp thụ bức xạ tửngoại xảy ra với tốc độ vượt xa tốc độ dao động của các nguyên tử (nguyên lýFrank-Condon) vì thế phân tử ở trạng thái kích thích ngay lúc ban đầu chỉ khácphân tử ở trạng thái cơ bản về cấu hình electron Ở trạng thái cơ bản (S0) đối với cácphân tử bình thường, các electron đều cặp đôi Ở trạng thái kích thích các electron

có thể cặp đôi hoặc không cặp đôi Trạng thái kích thích với các electron không cặpđôi có spin đối song song gọi là trạng thái singlet (S1) Trạng thái kích thích với 2electron không cặp đôi có spin song song được gọi là trạng thái triplet (Hình 1.9)

Hình 1.9 cho thấy ở trạng thái cơ bản S0, 4 eletron được cặp đôi trong hai obitanliên kết Ở trạng thái kích thích singlet S1 có hai electron cặp đôi ở obitan liên kếtcòn hai electron có spin đối song song nhưng ở hai obitan khác nhau, còn ở trạngthái triplet thì hai electron độc thân có spin giống nhau Sở dĩ gọi là trạng thái triplet

vì trong từ trường hai electron không cặp đôi này sẽ chiếm ba mức năng lượng cóthể có, còn trạng thái singlet trong từ trường chỉ chiếm một mức năng lượng

Giản đồ năng lượng ứng với các trạng thái cơ bản và kích thích được chỉ ra ởhình 1.10 Ngay sau khi phân tử hấp thụ bức xạ và chuyển lên trạng thái kích thíchS1, nó va chạm với các phân tử khác; chuyển bớt năng lượng để tụt xuống mức daođộng thấp hơn, chẳng hạn mức v’ = 0 (hình 1.10) Tiếp đó phân tử trở về trạng tháielectron cơ bản S0 kèm theo sự phát bức xạ ở tần số nhỏ hơn bức xạ mà nó hấp thụ

trước đó Hiện tượng đó gọi là sự phát huỳnh quang (fluorescence) Sự phát huỳnh

quang nếu nó thường xảy ra trong một khoảng thời gian 10-7 - 10-9 s kể từ sau khiphân tử hấp thụ bức xạ Sự phát huỳnh quang có thể được phát hiện ở hầu hết cácchất có hấp thụ lựa chọn bức xạ; nếu chọn đúng các điều kiện vật lý và hóa học thì

có thể phát hiện thấy cả ở trạng thái rắn, trạng thái lỏng và trạng thái khí Theo địnhluật Stokes, bước sóng của ánh sáng huỳnh quang luôn lớn hơn bước sóng của ánhsáng kích thích Khi dùng ánh sáng đỏ kích thích người ta thấy ở chlorophyll pháthuỳnh quang hồng ngoại Các chất với cấu trúc khác nhau sẽ cho những phổ huỳnhquang khác nhau

v' =0123

v =0123

S 1

S 0

T 1

HÊp thô Ph¸t huúnh quang Ph¸t l©n quang

Hình 1.10 Giản đồ năng lượng của sự phát huỳnh quang và phát lân quang

Trạng thái triplet ở mức năng lượng thấp hơn trạng thái singlet (hình 1.9), nóbền hơn và có đời sống dài hơn Phân tử ở trạng thái singlet có xu hướng nhườngbớt năng lượng (trong những quá trình không phát bức xạ) để chuyển sang trạngthái triplet (sự đảo spin) Tương tự như trạng thái singlet, trạng thái triplet có thể trở

về trạng thái cơ bản nhờ những quá trình không phát bức xạ Nhưng trong nhiềutrường hợp lại xảy ra sự chuyển mức T1 → So kèm theo sự phát bức xạ với tần sốnhỏ hơn bức xạ hấp thụ ban đầu và nhỏ hơn cả tần số của bức xạ huỳnh quang Sự

phát bức xạ kiểu này gọi là sự phát lân quang (phosphorescence) Bởi vì đời sống

của trạng thái triplet có thể vào cỡ hàng giây cho nên sự phát lân quang thườngđược kéo dài Chẳng hạn đối với benzen ở 200oC khi hấp thụ bức xạ 254 nm thìphát huỳnh quang với cực đại ở 290 nm và phát lân quang ở 340 nm với thời giantắt là 7s Sự phát huỳnh quang và lân quang không những được ứng dụng trongphân tích, trong y học, mà còn được ứng dụng nhiều trong công nghệ chiếu sáng vàtrong kỹ nghệ nhuộm vải, sợi

1.2.2 Sơ lược về cảm biến huỳnh quang:

“Cảm biến hóa học” (chemosensor hay chemical sensor) không phải là mộtthiết bị cảm biến thông thường Nó là các phân tử cảm biến có khả năng tương tácvới các chất cần phân tích và tạo ra các tín hiệu đầu ra có thể phát hiện và đo được.Một phân tử “cảm biến hóa học” bao gồm “phần thu tín hiệu vào” (receptor) và

“phần phát tín hiệu ra” (reporter) Về nguyên tắc, tất cả các đại lượng và tính chấtcủa phân tử có thể đo được, đều có thể sử dụng làm “cảm biến hóa học”, ví dụ nhưthế oxi hóa - khử, sự hấp thụ ánh sáng, sự phát huỳnh quang, sự phát lân quang…

“Cảm biến huỳnh quang” (fluorescent chemosensor) là một trong những dạng “cảmbiến hóa học” hiệu quả nhất dùng trong nghiên cứu các ion kim loại trong cơ thểsinh vật nhờ độ nhạy cao, chi phí thấp và thiết bị đơn giản [34]

Cơ thể con người chứa khá nhiều các ion kim loại và trong số đó nhiều ionđóng vai trò quan trọng trong các hoạt động sinh lý bình thường của cơ thể Chẳnghạn, ion Fe2+ là thành phần cấu tạo nên hemoglobin, có vai trò quan trọng trong việcvận chuyển oxi; ion Zn2+ là nguyên tố vô cùng thiết yếu trong nhiều loại enzim cótrong cơ thể con người cũng như nhiều sinh vật biển Tuy nhiên nhiều quá trình

bệnh lý như thiếu máu não, Alzheimer hay bệnh tiêu chảy ở trẻ con đều có liênquan đến nồng độ bất thường của ion Zn2+ trong cơ thể [37] Ion Cu2+ giữ vai tròđồng xúc tác trong nhiều chuyển hóa, nhưng khi nồng độ vượt mức cho phép, ion

Cu2+cũng gây ra các bệnh về thần kinh như Alzheimer, Menkes, Parkinson hayWilson [39]…Bên cạnh đó, một số ion có hại cho cơ thể con người dù tồn tại ởnồng độ rất thấp Ví dụ như tiếp xúc thời gian dài với chì và muối của nó (Pb2+) cóthể gây ảnh hưởng xấu tới sự kết nối các dây thần kinh (đặc biệt gây hại ở người trẻtuổi); đồng thời có gây rối loạn máu và các hoạt động của não bộ Thủy ngân cũng

là một trong những nguyên tố đặc biệt gây độc cho môi trường và cơ thể sinh vậtsống Cục bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đưa ra tiêu chuẩn nồng độ tối đa của thủyngân vô cơ trong nước uống là 2 ppb [37]… Ion Cd2+ có thể gây tổn hại đến mô tếbào, làm rối loạn chức năng thận hoặc thậm chí có thể gây ung thư [34] Cho đếnnay, khoa học đã có nhiều hiểu biết về tính chất của các ion trong sự trao đổi chất,tuy nhiên vẫn chưa nắm bắt đầy đủ cơ chế hoạt động của các ion Các nhà khoa họccần có công cụ hữu hiệu hơn để nghiên cứu cơ chế, cần biết được thời điểm và nơiphân bố hoặc hình thành của các ion Các phương pháp truyền thống như chuẩn độthường và chuẩn độ điện hóa; cũng như nhiều phương pháp hiện đại nhằm phân tíchcác ion kim loại như sắc kí lỏng hiệu năng cao, phổ khối lượng, phổ hấp thụ nguyêntử… rõ ràng là không phù hợp để sử dụng trong các nghiên cứu trên các cơ thể sống[37] Chính vì vậy, các nhà khoa học cần các công cụ và phương pháp mới hiệu quảhơn; trong đó việc sử dụng các cảm biến huỳnh quang là một sự lựa chọn hữu hiệu

1.2.3 Sơ lược về cảm biến huỳnh quang loại quinolin.

Đáng chú ý và được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến huỳnh quang loạiquinolin đó là việc sử dụng các dẫn xuất quinolin có vị trí cacbon số 8 liên kết trựctiếp với các nguyên tử còn cặp electron tự do như oxi hoặc nitơ Ví dụ điển hình làcác hợp chất loại 8- hiđroxiquinolin (8-HQ) và 8- aminoquinolin (8-AQ) Các dẫnxuất của 8-HQ và 8-AQ đều là những chất phát huỳnh quang rất yếu, nhưng khinguyên tử oxi hoặc nitơ ở vị trí số 8 và dị tử nitơ trong vòng quinolin cùng tạo liênkết phối trí với các ion kim loại hình thành phức chelat thì phát huỳnh quang rất

mạnh [30, 39] Dựa vào tính chất đó, các hợp chất loại này được sử dụng nhiều làmcảm biến huỳnh quang các ion kim loại.

Vào những năm 1960, các nhà khoa học Nga lần đầu tiên giới thiệu cáchợp chất quinolin sunfoamit như một loại cảm biến huỳnh quang các ion Zn2+ và

Cd2+ Tuy nhiên, phải đến tận năm 1987, một trong những hợp chất sunfoamit là

6-metoxi-8-p-toluensunfoamido - quinolin (TSQ), lần đầu tiên được ứng dụng trong

việc cảm biến và chụp ảnh sinh học phát hiện ion Zn2+[40] Đây là bước khởi đầuđặt nền móng cho những nghiên cứu tiếp theo, phát triển các đầu dò huỳnh quangphát hiện ion Zn2+ trong cơ thể sinh vật Huỳnh quang của TSQ rất yếu, tuy nhiênkhi tạo liên kết phối trí với ion kim loại thì phức chelat tạo thành phát huỳnh quangmạnh ở bước sóng 495 nm (kích thích bằng bước sóng tử ngoại; pH=7,4) Nhờnhững ưu điểm như huỳnh quang không phụ thuộc vào pH và không gây độc, cảmbiến huỳnh quang TSQ đã và đang được ứng dụng nhiều nhất trong việc xác địnhion Zn2+ Các nhà khoa học đã tiếp tục mở rộng các nghiên cứu nhằm cải tiến nhữngtính chất về độ tan, độ nhạy của các hợp chất loại này để tìm ra các loại cảm biếnhuỳnh quang hiệu quả hơn trong lĩnh vực hóa sinh

a Cảm biến huỳnh quang dựa trên các dẫn xuất của 8-HQ

Hợp chất 8-hiđroxiquinolin (8-HQ) là một trong những phối tử quan trọng

có nhiều ứng dụng rộng rãi trong việc phát hiện và định lượng các ion kim loại.Chính nhờ sự thay đổi đáng kể tính chất huỳnh quang khi liên kết phối trí với ionkim loại, các hợp chất loại 8-HQ ngày càng được chú ý nghiên cứu để tạo nên cáccảm biến huỳnh quang có độ nhạy cao nhằm phát hiện và chụp ảnh sinh học cácion kim loại trong các cơ thể sống

Các dẫn xuất dựa trên khung 8-HQ cũng được mở rộng nghiên cứu về khảnăng cảm biến huỳnh quang các ion kim loại Chẳng hạn, công trình [20] của tácgiả Han Zhang đã nghiên cứu và phát triển các dẫn xuất của 8-HQ benzoat (hình1.11) như là một loại cảm biến huỳnh quang mới có thể phát hiện các ion kim loạinhư Hg2+và Cu2+

N OH

1 2 3

4 9 5

6 7 8

O

1 2 3

4 9 5

6 7 8

O

2 3

4 9 5

6 7 8 10

O

X X: OEt, Me, H, Cl, NO2

Hình 1.11 8-HQ và một số dẫn xuất của 8-HQ benzoat

Cảm biến huỳnh quang loại 8-HQ khi kết hợp với các khung cumarin hayphenanthroxazol cũng đem lại những hiệu quả tốt trong việc nhận biết và cảm biếncác ion kim loại Công trình [39] nghiên cứu tính chất cảm biến huỳnh quang củahợp chất chứa khung 8-hiđroxiquinolin (8-HQ) kết hợp cùng khung cumarin:

Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng, trong dung môi axetonitrin vàđược khảo sát với nhiều ion kim loại như Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Ag+, Al3+, Fe3+, Co2+,

Ni2+, Cd2+, Cu2+, Zn2+ và Hg2+ Kết quả cho thấy hợp chất trên có thể sử dụng để pháthiện chọn lọc ion Cu2+ với sự tăng cường độ phát huỳnh quang lên đến 13 lần và sựthay đổi màu sắc huỳnh quang có thể quan sát dễ dàng bằng mắt thường ở bướcsóng kích thích 365 nm khi liên kết phối trí với ion Cu2+ [39]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự có mặt của ion Cd2+ gây trở ngại choviệc xác định ion Zn2+ và ngược lại [34, 38] Năm 2009 và 2011, nhóm nghiên cứucủa Xue đã công bố một số cảm biến huỳnh quang loại 8-HQ, có ái lực với in Cd2+tốt hơn với ion Zn2+, nhờ đó có thể hạn chế sự ảnh hưởng của ion Zn2+[35, 36]:

b Cảm biến huỳnh quang dựa trên các dẫn xuất của 8-AQ

Dẫn xuất 8-aminoquinolin (8-AQ) với aryl sunfonamit là một trong nhữngcảm biến huỳnh quang đầu tiên dùng để nhận ra sự có mặt của ion Zn2+ trong cơ thểsinh vật sống [34] Tuy nhiên những hợp chất loại này lại kém tan trong nước nênứng dụng còn hạn chế Để khắc phục điều này, Zalewski (1994) đã đưa thêm nhómtan tốt trong nước vào vị trí số 6 của vòng quinolin (hình 1.12) Các kết quả nghiêncứu cũng chỉ ra rằng sự cải tiến đó đã làm tăng đáng kể độ tan trong nước của cáccảm biến và huỳnh quang cũng tăng mạnh khi liên kết phối trí với ion Zn2+; đồngthời vẫn giữ được độ chọn lọc ion Zn2+so với các ion kim loại khác [19, 25].

Hình 1.12 Một số cảm biến huỳnh quang là dẫn xuất 8-AQ với aryl sunfonamit

Trong một nghiên cứu của Yu Zhang và các cộng sự, cảm biến huỳnhquang đã sử dụng dẫn xuất cacboxamidoquinolin với nhánh ankoxietylamino đóngvai trò như nhóm receptor Khi cảm biến huỳnh quang này tạo phức với ion Zn2+,hiệu suất lượng từ tăng lên 8 lần và bước sóng phát huỳnh quang tăng 75 nm [38]

Hình 1.13 Sự tạo phức của dẫn xuất cacboxamidoquinolin với ion Zn2+

Mặc dù đạt kết quả tốt trong nghiên cứu phát hiện ion Zn2+ nhưng cảm biếnhuỳnh quang chứa các hợp chất quinolin có huỳnh quang ở bước sóng ngắn (thườngkhoảng 500 nm) và thường ít nhiều bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của ion Cd2+ [34]

Vì vậy nghiên cứu về các cảm biến dựa trên tính chất huỳnh quang của các hợp chấtquinolin vẫn không ngừng thu hút sự chú ý của các nhà khoa học

Phần lớn các cảm biến huỳnh quang phát hiện ion Al3+ có cấu trúc chứa cácnguyên tử oxi- nitơ đóng vai trò là bazơ cứng trong quá trình tương tác với axitcứng Al3+ Ví dụ như 2-hiđroxinaphtyliden- (8’-aminoquinolin) (HNAQ), một bazơSchiff thơm có cấu trúc như hình, đã được sử dụng trong nghiên cứu để phát hiện ra

Al3+ Dung dịch của HNAQ trong DMF không phát huỳnh quang ở bước sóng kíchthích 320 nm, nhưng khi có mặt ion Al3+ dung dịch đã xuất hiện huỳnh quang mạnh

ở bước sóng 510 nm Các ion kim loại khác được thêm vào dung dịch của HNAQnhư Li+, Na+, K+, Pd2+, Hg2+, Pb2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+,Cd2+, In3+ đều không cho huỳnhquang như khi thêm ion Al3+:

Hình 1.14 Sự tạo phức của HNAQ với ion Al3+

c Một số loại cảm biến huỳnh quang quinolin khác

Bên cạnh các hợp chất loại 8-HQ và 8-AQ, nhiều hợp chất khác chứakhung quinolin cũng được sử dụng như cảm biến huỳnh quang Dựa vào tính chấthuỳnh quang, một số hợp chất loại 2-(2'-hiđroxiphenyl)-quinolin được dùng đểcảm biến các ion kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và kim loại chuyển tiếp [14]:

Gần đây, một số bazơ Shiff dựa trên khung quinolin đang được chú ýnghiên cứu về tính chất huỳnh quang ứng dụng trong cảm biến các ion kim loại,đặc biệt là ion Al3+ Công trình [24] của tác giả Ke Zhang công bố năm 2014 chothấy cảm biến huỳnh quang loại bazơ Shiff dựa trên các dẫn xuất của 2-oxoquinolin-3-cacbanđehit và nicotinic hiđrazit, có cảm biến huỳnh quang tốt vớiion Al3+ với độ nhạy cao (giới hạn nhận biết ion Al3+ đến nồng độ ppb) Đồng thờinghiên cứu trên cũng bước đầu được mở rộng để phát hiện và cảm biến Al3+ trong

tế bào ung thư HeLa:

Hình 1.15 Bazơ Shiff chứa khung quinolin dùng cảm biến ion Al3+

 Tổng hợp axit 2-hiđroxi-5-nitro-4-(3-nitro-2-nitrooxipropyl)phenoxiaxetic (A0)

Hòa tan axit eugenoxiaxetic (0,1 mol; 22,2 g) trong 100 ml axit axeitc băng.Ngâm hỗn hợp trong bình muối đá khoảng 30 phút rồi cho từ từ 20 ml axit HNO363% qua phễu nhỏ giọt Sau khi cho hết axit, hỗn hợp phản ứng tiếp tục được khuấy

và làm lạnh trong 4 giờ Sau quá trình làm lạnh thấy tách ra khá nhiều sản phẩmdạng hạt màu vàng Lọc lấy chất rắn rửa nhiều bằng etyl axetat, để khô tự nhiêntrong không khí, tránh ánh sáng trực tiếp, thu được sản phẩm màu vàng tươi Kí

hiệu A0 Hiệu suất phản ứng đạt 45%.

 Tổng hợp 7-cacboximetoxi-6-hiđroxi-3-sunfoquinolin (Q)

Hòa tan Na2S2O4 (0,125 mol; 19 g) và 120 ml dung dịch NH3 1 : 2 trong bìnhcầu 500 ml Bình phản ứng được ngâm trong chậu nước đá khoảng 10 phút, cho từ

từ A0 (0,02 mol; 7,22 g) vào trong khoảng 30 phút Sau đó, hỗn hợp phản ứng được

tiếp tục khuấy thêm 24 giờ ở nhiệt độ 25-30oC

Axit hóa hỗn hợp phản ứng bằng cách nhỏ từ từ H2SO4 đặc, trong quá trìnhkhuấy hỗn hợp tỏa nhiệt mạnh nên cần làm lạnh bằng nước đá, đến khi không thấykhí SO2 thoát ra thì dừng lại, lúc đó pH~1 Khuấy tiếp khoảng 1 giờ thấy trong dungdịch xuất hiện chất rắn màu vàng

Đun cách thủy hỗn hợp ở 70-80oC trong 1 giờ, sau đó lọc lấy chất rắn, rửanhiều lần bằng nước, rồi đem kết tinh lại trong rượu : nước = 1:1, lọc hút thu lấychất rắn, để khô thì thu được sản phẩm dạng bột màu vàng nhạt, phân huỷ ở nhiệt

độ > 2550C, kí hiệu là Q Hiệu suất đạt 60%.

Hoà tan Q (1 mmol; 0,299 g) vào 10 ml dung dịch NaOH (6 mmol; 0,24g),

ngâm vào bình nước đá 10 phút, thêm từ từ vào 0,5 ml (CH3)2SO4 và khuấy đều ởlạnh Sau phản ứng, trung hoà bằng axit axetic, thấy tách ra nhiều chất rắn màuvàng nhạt Lọc lấy sản phẩm rắn, kết tinh lại trong đioxan : nước = 1:1 thu được

gam tinh thể hình trụ màu vàng nâu Kí hiệu sản phẩm là MeQ Hiệu suất 60%.

OH

O OH

Hoà tan Q (1 mmol, 0,299 g) vào 3 ml DMSO trong bình cầu 25 ml, ngâm

bình trong chậu nước đá Nhỏ từ từ vào dung dịch 0,2 ml brom lỏng Khuấy đều hỗnhợp 5 giờ Thêm vào hỗn hợp 5ml nước, đun nóng hỗn hợp phản ứng đến 700C, để

nguội, sản phẩm tách ra ở dạng rắn có lẫn tinh thể hình kim nhỏ Lọc lấy phần rắn,kết tinh lại bằng nước thu được tinh thể hình kim, màu trắng hơi vàng, phân hủy ởnhiệt độ >2400C Kí hiệu sản phẩm là QBr Hiệu suất đạt 60%.

 Tổng hợp 5-brom-7-cacboximetoxi-6-hiđroxi-1-metylquinolinium-3-sunfonat (MeBrQ)

Hoà tan QBr (1 mmol; 0,378 g) vào 10 ml dung dịch NaOH (6 mmol;

0,24g), ngâm vào bình đá muối trong 10 phút, thêm từ từ vào 1ml (CH3)2SO4, tiếptục khuấy đều và làm lạnh hỗn hợp bằng đá muối Sau phản ứng, thấy tách ra nhiềuchất rắn màu vàng cam Lọc lấy sản phẩm rắn, kết tinh lại trong đioxan : H2O = 1:1

thu được tinh thể hình kim màu đỏ da cam Kí hiệu sản phẩm là MeBrQ Hiệu suất

- O3S OH

OH

(MeQ)

Hoà tan MeQ (1 mmol; 0,314 g) vào 10 ml dung dịch chứa K2CO3, ngâm

vào bình nước đá 10 phút, thêm từ từ vào 0,5 ml (CH3)2SO4, tiếp tục khuấy đều vàlàm lạnh hỗn hợp bằng đá muối Sau phản ứng, axit hóa hỗn hợp bằng axit axeticđến pH=5 thấy tách ra nhiều rắn màu vàng nhạt Lọc lấy sản phẩm rắn, kết tinh lạitrong đioxan : nước = 1:1 thu được tinh thể hình kim màu vàng nâu Kí hiệu sản

RNH2/H2O håi l u

MeQ: X=OH

Me 2 Q: X=OCH3

a Phản ứng của MeQ với propylamin

Cho MeQ (1 mmol; 0,313g) vào bình cầu cổ nhám, thêm 1 ml C3H7NH2

(Merck 99%) và 2 ml nước cất Lắp sinh hàn và đun hồi lưu trong 5h thu đượcdung dịch đồng nhất màu nâu đen, pH =10 Axit hóa dd bằng HCl đặc đến pH=1,thêm etanol và để yên sau 5h thấy tách ra chất rắn màu vàng nhạt Làm lạnh và lọclấy sản phẩm màu vàng, kết tinh trong HCl 1M thu được tinh thể hình kim nhỏ Kí

hiệu là MeQPr Hiệu suất đạt 60%.

b Phản ứng của Me 2 Q với metylamin

Cho Me 2 Q (1 mmol; 0,313g) vào bình cầu nhám dung tích 25ml, thêm 1ml

dung dịch CH3NH2 40% và 2ml nước cất Đun hồi lưu hỗn hợp, sau khoảng 20 phútthấy tách ra chất rắn màu vàng, tiếp tục đun trong 2 giờ Sau khi phản ứng kết thúc,

để nguội, lọc lấy chất rắn, rửa nhiều lần bằng etanol sau đó kết tinh trong dung dịch

axit HCl 1M thu được tinh thể hình kim màu vàng tươi Kí hiệu là Me 2 QMe Hiệu

suất đạt 65%

c Phản ứng của Me 2 Q với propylamin

Cho Me 2 Q (1 mmol; 0,327g) vào bình cầu nhám dung tích 25ml, thêm 0,5ml

C3H7NH2 (Merck 99%) và 2ml nước cất Đun hồi lưu hỗn hợp trong 2 giờ, ngừngđun, để nguội và axit hóa bằng HCl đặc đến pH=1 thấy tách ra chất rắn Lọc lấychất rắn màu vàng, rửa nhiều lần bằng etanol sau đó kết tinh trong dung dịch axit

HCl 1M thu được tinh thể hình kim màu vàng tươi Kí hiệu là Me 2 QPr Hiệu suất

đạt 60%

d Phản ứng của Me 2 Q với benzylamin

Cho Me 2 Q (1 mmol; 0,327g) vào bình cầu nhám dung tích 25ml, thêm 0,5

ml C6H5CH2NH2 (Merck 99%) và 2ml nước cất Đun hồi lưu hỗn hợp trong 2 giờ.Sau khi phản ứng kết thúc, để nguội, lọc lấy chất rắn màu vàng, rửa nhiều lần bằngetanol sau đó kết tinh trong dung dịch axit HCl 1M thu được tinh thể hình kim màu

vàng tươi Kí hiệu là Me 2 QBz Hiệu suất đạt 60%.

2.2.2 Nghiên cứu phản ứng của hợp phần N-metylquinolinium với một số amino axit và tác nhân nucleophin khác.

Sơ đồ chung:

N

OCH2COOH X

CH3

+

håi l u

MeQ: X=H, Y=OH MeBrQ: X=Br, Y=OH

CH3

OH Br

CH3

+ håi l u

Glyxin/NaOH

Cho glyxin (3 mmol; 0,225g) và NaOH (10 mmol; 0,4 g) vào bình cổ nhám

dung tích 25ml, thêm 3ml nước cất Thêm từ từ MeBrQ (1 mmol; 0,392 gam) vào

bình phản ứng và lắp sinh hàn đun hồi lưu sau 20 phút thấy tách ra chất rắn màu đỏcam, tiếp tục đun thêm 2h thì lọc thu được chất rắn màu đỏ cam, rửa nhiều lần bằngetanol và axeton Kiểm tra bằng sắc kí bản mỏng với hệ dung môi chạy metanol :clorofom = 1:1 thấy Rf của MeBrQ và chất rắn tách ra lần lượt là 0,7 và 0,3 Các

phương pháp phổ xác định sản phầm là MeBrQOH (xem mục 3.2.2)

Thí nghiệm 2:

N

OCH2COOH Br

CH3

+ håi l u

H2NCH2COO/ Na2CO3

Cho glyxin (6 mmol; 0,45g) vào bình cổ nhám dung tích 25ml, thêm 3mlnước cất, sau đó thêm từ từ Na2CO3 (4 mmol; 0,4 g) đến khi ngừng thoát khí (pH =

9) Thêm từ từ MeBrQ (1 mmol; 0,392 gam) vào bình phản ứng và lắp sinh hàn

đun hồi lưu sau 5h thấy tách ra chất rắn màu vàng cam, lọc thu được chất rắn màucam (nước lọc màu xanh lục), rửa nhiều lần bằng etanol và axeton Kí hiệu là

MeBrQGly.

b Phản ứng của MeQ với Glyxin

H2NCH2COO/ Na2CO3

Cho glyxin (10 mmol; 0,75g) vào bình cổ nhám dung tích 25ml, thêm 5mlnước cất, sau đó thêm từ từ Na2CO3 đến khi ngừng thoát khí (pH = 9) Thêm từ từ

MeQ (1 mmol; 0,313 gam) vào bình phản ứng và lắp sinh hàn đun hồi lưu sau 7h,

thêm etanol thấy tách ra chất rắn màu cam, lọc lấy chất rắn và kết tinh trong dung

dịch HCl 1M thu được tinh thể màu vàng Kí hiệu là MeQGly.

c Phản ứng của Me 2 Q với Glyxin

H2NCH2COO/ Na2CO3

Cho glyxin (10 mmol; 0,75g) vào bình cổ nhám dung tích 25ml, thêm 5mlnước cất, sau đó thêm từ từ Na2CO3 đến khi ngừng thoát khí (pH = 9) Thêm từ từ

Me 2 Q (1 mmol; 0,327 gam) vào bình phản ứng và lắp sinh hàn đun hồi lưu sau 5h,

thêm etanol thấy tách ra chất rắn màu cam, lọc lấy chất rắn và kết tinh trong dung

dịch HCl 1M thu được tinh thể màu vàng Kí hiệu là Me 2 QGly.

d Phản ứng của MeBrQ với Lysin

Cho Lysin (2 mmol; 0,365 g), NaOH (2 mmol; 0,2 g) và 3ml nước cất vào

bình cầu cổ nhám dung tích 25 ml Thêm từ từ MeBrQ (1 mmol; 0,392 gam) vào

bình phản ứng và lắp sinh hàn đun hồi lưu sau 7h, ngừng đun và để nguội Thêmetanol thấy tách ra chất rắn màu vàng cam, lọc và rửa nhiều lần bằng etanol vàaxeton Sau đó kết tinh trong dung dịch HCl 1M thu được chất rắn màu vàng tươi

Kí hiệu là MeBrQLys

e Phản ứng của MeQ với NaOH

NaOH

Cho MeQ (1 mmol; 0,313 gam) và NaOH (10 mmol; 0,4 g) vào bình cổ

nhám dung tích 25ml, thêm 3ml nước cất Lắp sinh hàn đun hồi lưu sau 2h thì dừngđun Để yên bình phản ứng sau 5 ngày ở nhiệt độ thường, thấy tách ra tinh thể màuvàng nâu, lọc thu được chất rắn màu vàng, rửa nhiều lần bằng etanol và axeton Các

2.3.2 Nghiên cứu tính chất huỳnh quang các chất thu được

Phổ phát xạ huỳnh quang được đo trên Phổ kế huỳnh quang FluoroMax®-4,tại Khoa Vật lý kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học Khoa học Công nghệ

Hà Nội

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

CH2-CH=CH2

OCH2COOH OH

OCH 2 COOH N

H

OCH 2 COOH Br

(Q) (QBr)

Sơ đồ 3.1 Tổng hợp các chất đầu và các chất chìa khóa

Axit eugenoxiaxetic được tổng hợp theo tài liệu [9] với sự thay đổi là dùngtrực tiếp tinh dầu hương nhu loại chứa 70% eugenol nên không cần giai đoạn tác lấyeugenol từ tinh dầu (xem mục 2.1.1) Axit eugenoxiaxetic thu được ở dạng tinh thểhình kim dài, mảnh và nhẹ Các tác giả công trình [20] lần đầu tiên đã chứng minhrằng axit eugenoxiaxetic kết tinh từ dung dịch nước như chúng tôi thu được và sửdụng trong tổng hợp là dạng ngậm một phân tử nước, dạng khan thu được khi kết tinhlại dạng monohidrat trong benzen Chúng tôi cũng như các tác giả khác [1, 4] đều sửdụng axit eugenoxiaxetic monohiđrat cho nhiều phản ứng khác nhau mà vẫn thu được

kết quả bình thường Hợp chất A0 được tổng hợp theo tài liệu [28] như mô tả ở mục

2.1, sản phẩm không kết tinh lại mà chỉ rửa nhiều lần bằng etyl axetat Việc chuyển

hóa A0 thành Q (một hợp chất mới loại quinolin) là một phản ứng tạo vòng quinolin

kiểu mới lần đầu tiên được Nhóm tổng hợp hữu cơ Khoa Hóa học ĐHSP Hà Nội phát

như mô tả các ở mục 2.1.1 và được nhận dạng bằng cảm quan, sắc kí bản mỏng vàphổ hồng ngoại của sản phẩm của hợp chất tương ứng trong công trình [1].

3.2 TỔNG HỢP VÀ PHẢN ỨNG CỦA MeBrQ VỚI CÁC TÁC NHÂN NUCLEOPHIN

3.2.1 Tổng hợp và cấu trúc của MeBrQ

Chất chìa khóa MeBrQ được tổng hợp theo quy trình ở tài liệu [1] và được

mô tả ở mục 2.1.3 Cấu tạo hóa học của MeBrQ đã được xác định bằng các phương

pháp phổ IR, 1HNMR, 13C NMR, HMBC và MS [1] Chúng tôi đã kết tinh lại

MeBrQ trong dung dịch HCl 1M để thu được đơn tinh thể phù hợp với phép đo xác

định cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X Cấu trúc và các dữ liệu về tinh thể đượcchỉ ra ở bảng 3.1 và hình 3.1:

Bảng 3.1 Dữ liệu từ phổ XRD đơn tinh thể của MeBrQ

Kich thước ô mạng (Å): a; b; c 13.7633(4); 16.8960(4); 13.7096(4)Góc (o): α; β; γ 90; 103.696(3); 90

Thể tích ô mạng cơ sở (Å3) 3097.46(16)

Kích thước tinh thể (mm) 0.2 × 0.06 × 0.04

Hình 3.1 Cấu trúc của MeBrQ xác định bằng phương pháp XRD đơn tinh thể

Trên hình 3.1 ta thấy phân tử MeBrQ kết tinh cùng với 2 phân tử nước tạo thành

đơn vị bất đối xứng (asymmetric unit) nhỏ nhất trong hệ tinh thể đơn tà Liên kết

hiđro giữa các phân tử nước và phân tử MeBrQ cùng với tương tác π – π giữa các

nhân thơm giúp cho các lớp phân tử định hướng song song, sắp xếp đều đặn trong ômạng tinh thể (hình 3.2).

Hình 3.2 Sự sắp xếp MeBrQ trong ô mạng tinh thể 3.2.2 Nghiên cứu phản ứng của MeBrQ với một số amino axit:

Phần tổng quan của tài liệu đã cho thấy việc thế nucleophin ở vị trí số 7 củavòng quinolin là tương đối khó khăn Theo tra cứu các tài liệu, hiện chỉ có duy nhấtphản ứng thế nucleophin nguyên tử halogen ở vị trí số 7 của vòng quinolin [29], cònphản ứng thế được nhóm -OR (ete) đính với vòng quinolin nói riêng và nhân thơmnói chung thì chưa thấy Thực tế là các ankyl aryl ete R-O-Ar rất trơ đối với các tácnhân nucleophin như Cl-, OH-, amin Vì ở -O-Ar, do hiệu ứng liên hợp p- nhóm-OR liên kết bền vững với nhân thơm nên rất khó bị thế (khó ra đi) Khi phân cắt liênkết R-O-Ar bằng HI thì nhóm -OR không bị thế (không ra đi) mà nhóm -OAr ra đidưới dạng HO-Ar Ta có sơ đồ minh hoạ như sau:

O CH3

Nu-(HO-; CN-; RNH2; RS-; RO-)

O CH3H

O CH3H

+ Cl

-(3)(HI)

không phản ứng

Sơ đồ 3.2 Phản ứng thế nucleophin của R-O-Ar

Phản ứng (3) thực chất là phản ứng SN2 ở nguyên tử cacbon no (Csp3 )chứ không phải là phản ứng thế nucleophin ở hợp chất thơm (SNAr) Như vậy rõràng phản ứng thế nhóm -OCH2COOH bằng ankylamin như trình bày trong côngtrình [2] là một phản ứng bất thường chưa có tiền lệ

Phản ứng thế nhóm -OCH2COOH bằng ankylamin như trình bày ở trên làmột phản ứng thế nucleophin bất thường trong đó cặp electron tự do trong phân tửankylamin đóng vai trò tác nhân nucleophin Tuy nhiên, các amino axit tồn tại ởtrạng thái muối ion lưỡng cực, tức là +H3N-(CH)R-COO- Như vậy, muốn thế nhóm

-OCH2COOH, phản ứng cần được thực hiện trong môi trường kiềm để chuyển nhómamino trong amino axit từ dạng muối amoni về dạng amin –NH2

a Phản ứng của MeBrQ với NaOH và sự tạo thành sản phẩm MeBrQOH:

Khi nghiên cứu phản ứng của MeBrQ với các amino axit, nhằm chuyển amino

axit có nhóm amin ở muối amoni thành dạng amin tự do, chúng tôi đã sử dụng NaOH

để tạo môi trường kiềm cho phản ứng (xem mục 2.2.2) Sản phẩm kết tinh ngaytừ hỗnhợp phản ứng ở pH =11, sau đó được rửa nhiều lần bằng etanol và axeton, sau đó sosánh với chất ban đầu bằng sắc kí bản mỏng (hệ giải hấp metanol : clorofom = 1:1).Sản phẩm thu được ở dạng tinh thể màu đỏ cam, tan tốt trong dung môi nước, kémtan trong etanol và axeton; khi đun nóng đỏ trên dây đồng cho ngọn lửa màu xanhlam và thử màu ngọn lửa natri trên đũa thủy tinh cho màu vàng Từ những thínghiệm trên, chúng tôi bước đầu cho rằng sản phẩm thu được tồn tại ở dạng muối

natri Cấu trúc của MeBrQOH được xác định bằng các phương pháp phổ IR, NMR

và MS

Phổ hồng ngoại củaMeBrQOH được trình bày trên hình 3.3, một số vân hấp thụ chính được liệt kê trong bảng 3.2 Trên các phổ IR của MeBrQOH không còn vân hấp thụ đặc trưng của liên kết C=O axit của MeBrQ ở 1754 cm-1 [1], chỉ còn lạivân hấp thụ của liên kết C=C, C=N vòng quinolin ở vùng 1540-1610 cm-1; vân hấpthụ ở 1647 cm-1 có thể là nhóm C=O quinon [5] (xem tiếp phần sau)

Hình 3.3 Phổ IR của MeBrQOH

Phổ 1H NMR củaMeBrQOH được trình bày trên hình 3.4 và phổ 13C NMRđược đưa vào phần phụ lục

Hình 3.4 Phổ 1H NMR của MeBrQ-ONa (dạng muối natri của MeBrQOH)

Trên phổ 1H NMR của MeBrQ-ONa ta thấy ngoài các tín hiệu của các H2, H4 và H8 thì điều khác biệt lớn nhất so với MeBrQ – đó là không còn tín hiệu

proton H7a của nhóm –OCH2COOH Độ chuyển dịch hóa học của H2 và H4 của

MeBrQ-ONa lần lượt là 7,91 và 9,85 ppm, nhỏ hơn nhiều so với độ chuyển dịch

hóa học của H2 và H4 của MeBrQ (9,44 và 9,05 ppm) Điều đó phù hợp với cấu tạo cộng hưởng của MeBrQ-ONa được chỉ ra ở phần giải thích các dạng tồn tại của

sản phẩm (sơ đồ 3.3) Như vậy, từ phổ 1H NMR, chúng tôi cho rằng khi đun hồi lưu

MeBrQvới Glyxin/NaOH (kiềm mạnh), nhóm –OCH2COOH của MeBrQ đã bị thếbởi OH-, trong đó –OH đóng vai trò tác nhân nucleophin tương tự như ở phản ứngthế với ankylamin đã được công bố ở công trình [2] Điều này càng được khẳngđịnh khi chúng tôi thực hiện lại phản ứng tương tự thí nghiệm 1 ở mục 2.2.2, nhưng

sử dụng trực tiếp NaOH mà không có glyxin Sản phẩm cũng kết tinh ngay từ hỗnhợp sau phản ứng và được đối chiếu bằng sắc kí bàn mỏng và phổ IR cho thấy vẫn

là MeBrQ-ONa.

Dữ kiện trên phổ 13C NMR của MeBrQO-Na (phụ lục P5) cho thấy có 10 tín

hiệu ứng với 10 nguyên tử cacbon và ít hơn chất ban đầu 2 nguyên tử cacbon Điều

này càng khẳng định nhận định về phản ứng thế nhóm –OCH2COOH của MeBrQbởi OH- là hoàn toàn có cơ sở Tuy nhiên, trên phổ 13C NMR chúng tôi lại quan sátthấy sự xuất hiện vân phổ ở 178,15 ppm - là tín hiệu của nhóm cacbonyl C=O

Phổ -MS của MeBrQ-ONa được trình bày ở hình 3.5

Hình 3.5 Phổ -MS của MeBrQ-ONa

Công thức phân tử dự kiến của MeBrQOH là C10H8NO5BrS, ở dạng muối

natri tương ứng là C10H7NO5BrS-Na+ Các pic ở cụm pic ion giả phân tử MeBrQO

-được quy kết như ở bảng 3.2, ở đó giá trị m/z đã -được làm tròn:

Bảng 3.2 Phân tích cụm pic ion giả phân tử của MeBrQ-ONa

12C,79Br,34 S

13 C, 81 Br,32Shoặc

13 C,79Br,34 S

12C,81 Br, 34 S

Bảng 3.2 cho thấy, cường độ của pic ion giả phân tử m/z=334 lớn hơn pic m/z=332 mà không tương đương như tỉ lệ của 2 đồng vị 81Br : 79Br = 50,5:49,5 Điềunày là do sự đóng góp của đồng vị 34S ứng với 1 nguyên tử S trong ion giả phân tử

MeBrQO - Phổ MS- cho thấy MeBrQOH có công thức đúng như dự kiến, tức là

nhóm -OCH2COOH ở MeBrQ đã bị thế bởi OH

Từ các dữ kiện phổ đã phân tích ở trên, cấu tạo hóa học của MeBrQOH còn

2 điểm cần được làm sáng tỏ, đó là sự xuất hiện của vân hấp thụ hồng ngoại ở 1647

cm-1 và sự xuất hiện của tín hiệu 13C NMR của cacbon cacbonyl ở 178,15 ppm (phụ

lục P5) Chúng tôi cho rằng sản phẩm tạo thành từ phản ứng thế trên là MeBrQOH tồn tại ở dạng muối MeBrQO - Na + (A) như sơ đồ 3.3 Hiệu ứng liên hợp +C của cặp

electron tự do trên O-đã làm xuất hiện cấu tạo cộng hưởng (B) khá bền trong đó C7

trở thành cacbon cacbonyl, và độ chuyển dịch hóa học của H2 và H4 trên phổ 1H

NMR giảm đáng kể so với ở MeBrQ.

N

OCH2COOH Br

CH3

Na

B A

7

4

2

MeBrQO Na

Sơ đồ 3.3 Giải thích các dạng tồn tại MeBrQO- Na +

Các dữ liệu phổ IR và NMR của MeBrQOH được quy kết dựa vào sự so sánh với chất ban đầu MeQBr [1] và được chỉ ra ở bảng 3.3.

Bảng 3.3.Dữ liệu phổ IR, NMR, MS của MeBrQOH

CH3

O Br

CH3

B A

C7 178,15

C8 95,52C9 125,23CTPT: C10H7NO5BrSNa (dạng muối) C10 123,20

b Phản ứng của MeBrQ với Glyxin và sự tạo thành sản phẩm MeBrQGly

Nhận thấy việc tạo môi trường kiềm bằng NaOH sẽ dẫn đến phản ứng thếnhóm –OCH2COOH bằng tác nhân nucleophin OH-, chúng tôi quyết định thay thếbằng Na2CO3 để đưa hỗn hợp phản ứng về môi trường kiềm yếu pH=9 Khi đónhóm amino ở amino axit tồn tại dạng tự do có thể tham gia phản ứng thếnuclephin; đồng thời hạn chế sự tồn tại và cạnh tranh của ion OH-trong phản ứng

thế Cách tiến hành phản ứng của MeBrQ với glyxin được mô tả ở mục 2.2.2 Sản

phẩm tách ra từ hỗn hợp phản ứng được rửa nhiều lần bằng etanol và axeton, sau đóđược so sánh với chất đầu bằng sắc kí bản mỏng và xác định cấu trúc bằng cácphương pháp phổ Các dữ kiện trên phổ khẳng định đã thực hiện thành công phảnứng thế nhóm –OCH2COOH của MeBrQ bằng –NHCH2COOH của glyxin Sản

phẩm được kí hiệu là MeBrQGly là chất rắn dạng bột màu cam, khi kết tinh trong

dung dịch HCl 1M cho tinh thể hình kim nhỏ màu vàng tươi

Hình 3.6 Phổ IR của MeBrQGly

Trên phổ IR của MeBrQGly, ta thấy xuất hiện các vân hấp thụ đặc trưng của

các liên kết C-H thơm, C=C, C=N và C-Br được liệt kê ở bảng 3.3 Vân hấp thụmạnh ở vị trí 1594 cm-1 là do dao động hóa trị không đối xứng của ion COO-, phù

hợp với sự tồn tại dạng muối của MeBrQGly.

Phổ 1H NMR của MeBrQGly được đưa vào phần phụ lục và phần phổ giãn

được trình bảy ở hình 3.7:

Hình 3.7 Phổ giãn 1H NMR của MeBrQGly

Trên phổ 1H NMR của MeBrQGly ở hình 3.7, ta thấy điểm khác biệt lớn nhất so

với phổ 1H NMR của MeBrQ [1] đó là sự xuất hiện của vân ba ở vị trí 7,6 ppm,

cường độ 1H, J = 4; đó chính là tín hiệu của –NH bị proton của -CH2 tách thành vân

ba Vân đôi ở vị trí 3,56 ppm, cường độ 2H, J = 4; là tín hiệu của proton trong nhóm-CH2 Tuy nhiên, vân phổ này khác biệt với nhóm –CH2 (H7a trong MeBrQ) cả vềhình dạng và cường độ Cụ thể là độ chuyển dịch của proton trong –CH2 (khi thếthành công -OCH2COOH bằng -NHCH2COOH) có sự thay đổi về phía trường

mạnh Trong MeBrQ, proton H7a (-OCH2COOH) có δ(H7a) > δ(H1), tuy nhiên ở