Synthesis of n and s containing heterocycles using elemental sulfur

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC TRẦN TRỌNG THIỆN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MỚI TỔNG HỢP DẪN XUẤT DỊ VÒNG CHỨA LƯU HUỲNH VÀ NITROGEN SỬ DỤNG LƯU HUỲNH NGUYÊN TỐ (Synthesis of N- and S-containing heterocycles using elemental sulfur) Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: GS TS Phan Thanh Sơn Nam Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày tháng năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN TRỌNG THIỆN MSHV: 1870541 Ngày, tháng, năm sinh: 29/10/1994 Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Nơi sinh: Bình Định Mã số: 8520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Nghiên cứu phương pháp tổng hợp dẫn xuất dị vòng chưa lưu huỳnh nitrogen có sử dụng lưu huỳnh nguyên tố Tên tiếng Anh: Synthesis of N- and S-containing heterocycles using elemental sulfur II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng hợp thienothiazole từ ketoxime phenylacetic acid - Khảo sát điều kiện tối ưu phản ứng, tổng hợp phân lập nhóm III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/06/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS TS Phan Thanh Sơn Nam, TS Nguyễn Thanh Tùng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA … TP HCM, ngày 20 tháng 08 năm 2020 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Giáo viên hướng dẫn, GS.TS Phan Thanh Sơn Nam, người cho em hội tuyệt vời học tập nghiên cứu phịng thí nghiệm Thầy thúc đẩy em niềm đam mê kiến thức sâu rộng Ngoài ra, Thầy cho em nhiều lời khuyên hữu ích động viên để em vượt qua khó khăn q trình học tập thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn hỗ trợ thầy Nguyễn Thanh Tùng bên cạnh hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành khóa luận Thầy thực truyền cảm hứng cho em cống hiến thầy cho công việc Làm việc với thầy trải nghiệm hữu ích khó quên em Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cán giảng dạy Bộ mơn Hóa hữu thơng tin q thầy cung cấp lĩnh vực Em xin gửi lời cảm ơn đến người bạn ln sát cánh bên tơi suốt q trình hoàn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến hai bạn Phạm Hoàng Phúc Nguyễn Xuân Khang với đồng nghiệp khác hỗ trợ giúp đỡ em vượt qua giai đoạn khó khăn hoàn thành tốt luận văn giao Cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình Sự quan tâm, động viên tình yêu thương vô bờ bến người cổ vũ tình thần vơ lơn lao giúp em vững bước gặt hái thêm nhiều thành cơng cịn đường tương lai TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 08 năm 2020 Trần Trọng Thiện i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Dẫn xuất 2-arylthieno[3,2-d]thiazole nghiên cứu tổng hợp thơng qua đường hoạt hóa trực tiếp liên kết Csp3−H dẫn xuất ketoximes arylacetic acids sử dụng lưu huỳnh nguyên tố điều kiện có mặt tác nhân base, không sử dụng kim loại chuyển tiếp Ưu điểm phương pháp bao gồm việc sử dụng tác nhân phản ứng rẻ tiền; không sử dụng kim loại chuyển tiếp; giảm thiểu việc dẫn xuất hóa nhiều giai đoạn trình tổng hợp; sử dụng lưu huỳnh nguyên tố làm tác nhân oxy hóa làm nguồn cung cấp lưu huỳnh trực tiếp; phạm vi chất rộng Phản ứng hoàn toàn bổ sung cho nghiên cứu trước để tổng hợp khung dị vòng quý giá ABSTRACT Fused thieno[3,2-d]thiazoles was synthesized via elemental sulfur-promoted direct Csp3−H bond functionalization of ketoximes and arylacetic acid derivatives in the presence of a base, under transition metal-free and peroxide-free conditions The significant points of this synthetic method are the (1) easily available feedstocks; (2) transition metal-free conditions; (3) minimized pre-functionalization of reactants; (4) avoidance of peroxide; (5) inexpensive and abundant sulfur source as oxidant and building block; and (6) broad substrate scope To the best of our knowledge, this reaction is new, and would be complementary to previous pathways to this esteemed heterocyclic skeleton ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu cá nhân tác giả, thực hướng dẫn GS TS Phan Thanh Sơn Nam TS Nguyễn Thanh Tùng, Phịng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Phân tích Cấu trúc Vật liệu (MANAR), Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM Số liệu, kết nghiên cứu kết luận luận văn hoàn tồn trung thực TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020 Tác giả Trần Trọng Thiện iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC ĐỒ THỊ viii DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ x MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài II Mục đích nghiên cứu .2 III Mục tiêu nghiên cứu IV Đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ứng dụng lưu huỳnh nguyên tố tổng hợp hữu 1.1.1 Ứng dụng lưu huỳnh nguyên tố làm tác nhân sulfur hóa .4 1.1.2 Ứng dụng lưu huỳnh nguyên tố làm tác nhân oxy hóa 1.1.3 Ứng dụng lưu huỳnh nguyên tố làm tác nhân khử 1.1.4 Ứng dụng lưu huỳnh nguyên tố làm xúc tác 1.2 Tổng quan hợp chất chứa khung thiophene thiazole .11 1.2.1 Cấu trúc hoạt tính 11 1.2.2 Tổng quan phương pháp tổng hợp dẫn xuất thiophene 12 1.2.3 Tổng quan phương pháp tổng hợp dẫn xuất thiazole 16 1.2.4 Các phương pháp tổng hợp dẫn xuất thieno[3,2-d]thiazole 17 iv 1.2.5 Phương pháp tổng hợp 2-arylthieno[3,2-d]thiazole phạm vi đề tài .20 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .21 2.1 Danh mục hóa chất 21 2.2 Phương pháp phân tích .22 2.3 Quy trình thí nghiệm 23 2.3.1 Quy trình tổng hợp dẫn xuất acetophenone ketoxime acetate .23 2.3.2 Quy trình tổng hợp dẫn xuất 2-arylthieno[3,2-d]thiazole 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .25 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất phản ứng 25 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ tác chất đến hiệu suất phản ứng 26 3.3 Ảnh hưởng lượng lưu huỳnh đến hiệu suất phản ứng 27 3.4 Ảnh hưởng tác nhân base đến hiệu suất phản ứng .28 3.5 Ảnh hưởng dung môi đến hiệu suất phản ứng 30 3.6 Ảnh hưởng có mặt số tác nhân khác đến hiệu suất phản ứng .32 3.7 Khảo sát đường động học phản ứng 33 3.8 Các thí nghiệm kiểm sốt chế phản ứng đề xuất .34 3.9 Tổng hợp dẫn xuất 2-arylthieno[3,2-d]thiazole mang nhóm khác .37 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN .39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 PHỤ LỤC 43 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Lưu huỳnh nguyên tố sử dụng tổng hợp dẫn xuất thiophene (a) từ styrene điều vi sóng; (b) từ 1,3-diyne với có mặt tBuONa Hình 1.2 Tổng hợp thiophene mang nhiều nhóm thơng qua phản ứng mở vịng dẫn xuất 1,1-dicyano-2,3-diarylcyclopropanes Hình 1.3 Tổng hợp thiophene đối xứng thông qua phản ứng cộng alkyne lưu huỳnh nguyên tố Hình 1.4 Phản ứng ngưng tụ đóng vịng-oxy hóa dẫn xuất aryl-2pyridylmethylamines aldehydes với lưu huỳnh ngun tố làm tác nhân oxy hóa Hình 1.5 Lưu huỳnh nguyên tố làm tác nhân oxy hóa phản ứng ghép đơi Csp3−Csp2 ngưng tụ đóng vòng dẫn xuất hydrazones aldehydes .7 Hình 1.6 Phản ứng đóng vịng 2-aminophenols/thiophenols arylmethyl chlride sử dụng lưu huỳnh nguyên tố Hình 1.7 Sử dụng lưu huỳnh/base làm tác nhân khử nitroarenes Hình 1.8 Lưu huỳnh làm tác nhân khử chọn lọc benzofuroxans tổng hợp benzofurazans .8 Hình 1.9 Khử hóa đóng vịng dẫn xuất 4-nitro-1,3-diarylbutan-1-ones ammonium acetate với có mặt morpholine lưu huỳnh nguyên tố Hình 1.10 Mơ tả q trình oxy hóa-khử chuyển electron tổ hợp xúc tác Fe/S [28] .9 Hình 1.11 Phản ứng ngưng tụ oxy hóa-khử tổng hợp dẫn xuất quinoxaline sử dụng hệ xúc tác Fe/S 10 Hình 1.12 Phản ứng ngưng tụ oxy hóa-khử tổng hợp dẫn xuất benzimidazole từ arylacetic acid sử dụng hệ xúc tác Fe/S 11 Hình 1.13 Một số dẫn xuất thiophene, thiazole ứng dụng 11 Hình 1.14 Phản ứng tạo dẫn xuất thiophene thơng qua q trình đóng vịng-đồng phân hóa dẫn xuất (Z)-2-en-4-yne-1-thiols xúc tác palladium 12 Hình 1.15 Phản ứng tạo dẫn xuất 2,4-substituted thiophene thơng qua phản ứng đóng vịng dẫn xuất thiolate môi trường base 13 vi Hình 1.16 Phản ứng tạo dẫn xuất thiophene từ dẫn xuất bromoenyne HSTIPS điều kiện xúc tác palladium 14 Hình 1.17 Tổng hợp dẫn xuất benzo[b]thiophene thông qua phản ứng nhân từ dẫn xuất 5-nitroacetophenone 14 Hình 1.18 Tổng hợp dẫn xuất thiophene từ dẫn xuất 1-chloro-2-(hexyn-1-yl)-9,10anthraquinone với lưu huỳnh nguyên tố 15 Hình 1.19 Tổng hợp dẫn xuất thiophene theo đường hoạt hóa trực tiếp liên kết C−H arene giàu điện tử 16 Hình 1.20 Tổng hợp dẫn xuất thiophene từ diaryliodonium salt .16 Hình 1.21 Tổng hợp dẫn xuất thiazole trực tiếp từ nitroarene lưu huỳnh nguyên tố .17 Hình 1.22 Tổng hợp dẫn xuất thiazole trực tiếp từ 2-methylhetarene lưu huỳnh nguyên tố 17 Hình 1.23 Phản ứng đóng vịng liên tiếp ketoxime acetate benzaldehyde.18 Hình 1.24 CuOTf làm xúc tác cho phản ứng ghép ketoxime acetates với phenylacetylene tổng hợp dẫn xuất thienothiazole 18 Hình 1.25 Phản ứng tổng hợp 2-heteroarylthienothiazole điều kiện không sử dụng kim loại chuyển tiếp 19 Hình 3.1 Các yếu tố khảo sát phản ứng acetophenone ketoxime acetate (1a) phenylacetic acid (2a) tổng hợp 2-phenylthieno[3,2-d]thiazole (3aa) 25 Hình 3.2 Các thí nghiệm chứng minh chế phản ứng 34 Hình 3.3 Cơ chế phản ứng đề xuất .36 vii Phổ 1H NMR 13C NMR 3ea 73 Phổ 1H NMR 13C NMR 3fa 74 Phổ 1H NMR 13C NMR 3ga 75 Phổ 1H NMR 13C NMR 3ha 76 Phổ 1H NMR 13C NMR 7-4F 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC - Họ tên: Trần Trọng Thiện - Giới tính: Nam - Ngày sinh: 29/10/1994 - Địa liên lạc: 183L1 Phùng Hưng, Phường 14, Quận 5, TP Hồ Chí Minh - Số điện thoại: 0372564667 - Email: thientt2910@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ năm 2012 – 2018: Sinh viên ngành Kỹ thuật hóa học, trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh - Từ năm 2018 – 2020: Học viên cao học ngành Kỹ thuật hóa học, trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh III Q TRÌNH CƠNG TÁC - Từ tháng 05/2020 – nay: Công ty TNHH MTV Unicoh 87 ... chưa lưu huỳnh nitrogen có sử dụng lưu huỳnh nguyên tố Tên tiếng Anh: Synthesis of N- and S-containing heterocycles using elemental sulfur II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng hợp thienothiazole từ... synthesized via elemental sulfur-promoted direct Csp3−H bond functionalization of ketoximes and arylacetic acid derivatives in the presence of a base, under transition metal-free and peroxide-free... peroxide; (5) inexpensive and abundant sulfur source as oxidant and building block; and (6) broad substrate scope To the best of our knowledge, this reaction is new, and would be complementary