Phương pháp tổng hợp amine bậc 1 Gabriel sử dụng phthalimide làm tác nhân khởi đầu. Quy trình tổng quát của phương pháp như sau:
Hình 2.17: Quy trình tổng hợp Gabriel
Phthalimide là một imide (–CONHCO–) tương tự β-keto ester trong đó hydrogen trên nguyên tử nitrogen N–H có tính linh động do hiệu ứng cảm âm rút electron của hai nhóm carbonyl kề bên. Do đó, phthalimide có tính acid (pKa = 8,3) sẽ dễ dàng bị deproton hóa bởi một base mạnh như KOH. Anion được tạo thành rất bền vững nhờ hiệu ứng cộng hưởng và hiệu ứng cảm của hai nhóm carbonyl liền kề làm giải tỏa mật độ điện tích tập trung trên nguyên tử nitrogen.
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
16
Hình 2.18: Sự cộng hưởng bền vững của ion phthalimide
Anion này là một tác nhân thân hạch tốt khi phản ứng với alkyl halide theo cơ chế SN2 tạo ra N-alkylphthalimide. Bước cuối cùng của phương pháp này là sự thủy phân N-alkylphthalimide trong môi trường acid, base hoặc hydrazine để tạo sản phẩm cuối cùng là amine bậc 1 mong muốn. Phương pháp Gabriel tránh được sự tạo thành các amine bậc 2 và bậc 3, dễ thực hiện và hiệu suất cao. Phản ứng diễn ra theo cơ chế SN2, hiệu quả nhất đối với alkyl halide bậc 1, kém hiệu quả hơn với alkyl halide bậc 2 và không xảy ra đối với alkyl halide bậc 3, alkenyl halide, aryl halide. Sự thủy phân N-alkylphthalimide trong các môi trường xảy ra như sau:
Trong môi trường acid, N-alkylphthalimide bị thủy phân sẽ tạo thành acid phthalic và muối ammonium. Muối ammonium sau khi được trung hòa trong môi trường base sẽ trở về dạng amine bậc 1 tự do.
Hình 2.19: Sự thủy phân của N-alkylphthalimide trong môi trường acid
Trong môi trường base, N-alkylphthalimide bị thủy phân sẽ tạo thành muối phthalate và amine bậc 1.
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
17
Hình 2.20: Cơ chế phản ứng thủy phân của N-alkylphthalimide trong môi trường base
Sự thủy phân bằng tác nhân hydrazine, amine bậc 1 và 2,3- dihydrophthalazine-1,4-dione được tạo thành.
Hình 2.21: Cơ chế phản ứng thủy phân của N-alkylphthalimide dưới tác nhân hydrazine
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
18 CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Phương tiện thực nghiệm
3.1.1 Địa điểm và thời gian
Luận văn được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa sinh 2, Bộ môn Hóa học, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Cần Thơ từ tháng 8 năm 2014 đến tháng 3 năm 2015.
3.1.2 Hóa chất
Phthalimide (Merck)
4-Nitrobenzyl bromide (Merck)
Dimethylformamide (DMF) (Merck)
Silica gel (Merck)
Methanol (Trung Quốc)
Ethanol (Trung Quốc)
Petroleum ether 60-90 (Trung Quốc)
Ethyl acetate (Trung Quốc)
Potassium hydroxide (KOH) (Trung Quốc)
Sodium chloride (NaCl) (Trung Quốc)
Sodium sulfate khan (Na2SO4) (Trung Quốc)
Acetone (Việt Nam)
3.1.3 Thiết bị và dụng cụ
Hệ thống đun hoàn lưu
Máy khuấy từ gia nhiệt và bộ kiểm soát nhiệt độ IKA
Cân điện tử
Tủ sấy Memmert
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
19
Sắc ký bản mỏng silica gel 60 F254 (Merck)
Cột sắc ký
Máy cô quay Heidolph 4000
Bình cầu đáy tròn một cổ 10 mL, 25 mL, 50 mL, 100 mL
Bình cầu đáy tròn hai cổ 50 mL
Bình cầu đáy tròn một cổ 250 mL
Phễu chiết 250 mL
Phễu lọc
Cốc thủy tinh 50 mL, 100 mL, 250 mL
Ống đong 5 mL, 100 mL
Đũa thủy tinh
Ống mao quản
Giấy đo pH
Giấy lọc
Phổ 1H-NMR, 13C-NMR và phổ DEPT được đo trên máy cộng hưởng từ hạt nhân Bruker Avance 500 NMR Spectrometer (Viện Hóa học, Viện Hàn Lâm Khoa học Việt Nam – Hà Nội) ở tần số 500 MHz và 125 MHz.
3.2 Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu và nội dung nghiên cứu đặt ra, đề tài đã sử dụng các phương pháp sau:
Các phản ứng được thực hiện bằng phương pháp đun hoàn lưu, gia nhiệt cổ điển kết hợp với khuấy từ trong môi trường khí trơ (khí nitrogen).
Tiến trình phản ứng được theo dõi bằng sắc ký bản mỏng silica gel F254, các vết được hiển thị dưới đèn UV ở bước sóng 254 nm.
Tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại, sắc ký cột silica gel.
Cấu trúc sản phẩm được xác định bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân: 1H-NMR, 13C-NMR, DEPT.
Các yếu tố khảo sát phản ứng tổng hợp gồm:
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
20
Nhiệt độ phản ứng
Tỷ lệ mol tác chất
Hiệu suất của phản ứng tổng hợp được tính theo công thức:
(%) tt .100% lt m H m Trong đó:
H%: hiệu suất của phản ứng tổng hợp; mtt: khối lượng sản phẩm cô lập thực tế;
mlt: khối lượng sản phẩm tính toán theo lý thuyết.
3.3 Nghiên cứu tổng hợp các chất
3.3.1 Nghiên cứu tổng hợp muối potassium phthalimide (15)
Hòa tan hoàn toàn potassium hydroxide (2,8 g – 0,05 mol) trong ethanol (40 mL) để thu được dung dịch KOH 8% trong ethanol. Phthalimide (7,35 g – 0,05 mol) được thêm vào và khuấy liên tục ở nhiệt độ 65ºC trong 5h. Sau khi phản ứng kết thúc, lọc thu sản phẩm bằng giấy lọc. Rửa chất rắn nhiều lần bằng ethanol để loại bỏ hoàn toàn KOH dư thu được 8,49 g sản phẩm thô potassium phthalimide và sử dụng cho phản ứng tiếp theo.
3.3.2 Nghiên cứu tổng hợp 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17)
Hòa tan hoàn toàn 4-nitrobenzyl bromide (16) (0,216 g – 0,001 mol) trong bình cầu có chứa 2 mL DMF. Sau đó, hỗn hợp potassium phthalimide (15) (0,37 g – 0,002 mol) và potassium carbonate K2CO3 (0,138 g – 0,001 mol) được thêm vào bình cầu. Đun hoàn lưu trong 2 giờ ở 80ºC. Hỗn hợp sau phản ứng được chiết rửa với ethyl acetate để loại bỏ hoàn toàn DMF. Rửa nhiều lần với nước và dung dịch NaCl bão hòa. Làm khan bằng Na2SO4, lọc và cô đuổi dung môi dưới áp suất kém, thu được sản phẩm thô. Sản phẩm thô được tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột, giải ly bằng hệ EtOAc:PE tỉ lệ 1:2, thu được 0,221 g sản phẩm tinh khiết (hiệu suất đạt 78,37%), Rf = 0,68 (EtOAc:PE = 1:1).
Xác định cấu trúc sản phẩm (Phụ lục 1):
Phổ 1H-NMR (500MHz, DMSO, δppm): 8,19 (d, J = 8,5 Hz, 2H, =CH–); 7,92 (dd, J = 3,0 Hz, J = 5,5 Hz, 2H, =CH–); 7,87 (dd, J = 3,0 Hz, J = 5,5 Hz, 2H, =CH–); 7,60 (d, J = 8,5 Hz, 2H, =CH–); 4,92 (s, 2H, –CH2–).
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
21
3.3.3 Nghiên cứu tổng hợp 4-nitrobenzylamine (18)
Hợp chất 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) (0,282 g – 0,001 mol) được cho vào bình cầu 100 mL. Thêm hydrazine (0,5 g – 0,01 mol) và 10 mL ethanol và đun hoàn lưu ở 100ºC, tốc độ khuấy 900 vòng/phút trong 2 giờ. Sau phản ứng kết thúc, để nguội. Hỗn hợp sau khi phản ứng được cô đuổi dung môi dưới áp suất kém để loại bỏ hoàn toàn ethanol. Tiến hành chiết lỏng – lỏng hỗn hợp thu được với dung môi diethyl ether. Lớp dung môi diethyl ether thu được sau chiết được cô đuổi dung môi, thêm 20 mL ethanol, thêm tiếp 4 mL acid hydrochloride đặc. Bình cầu chứa hỗn hợp được thêm acid được khuấy trên bếp từ, tốc độ khuấy 500 vòng/phút trong 4h. Tiến hành cô quay loại bỏ dung môi ethanol thu được phần rắn, tiếp tục rửa hỗn hợp rắn này với hệ dung môi EtOAc:PE = 1:1 để loại bỏ tạp chất hữu cơ. Tiến hành làm khô dung môi thu được 0,082 g tinh thể muối 4-nitrobenzylamine hydrochloride (19) màu vàng (hiệu suất đạt 43,5%).
Thử độ tinh sạch của sản phẩm:
Lấy một ít tinh thể muối cho vào lọ thủy tinh có chứa dung dịch NaOH, lắc nhẹ để hòa tan tinh thể. Thêm vào một ít dung môi EtOAc, lắc nhẹ. Tiến hành chấm sắc ký bản mỏng lớp dung môi EtOAc sau khi lắc, giải ly trong hệ EtOAc và hệ EtOAc:MeOH = 1:1. Kết quả thu được một vết sản phẩm tinh sạch duy nhất của 4-nitrobenzylamine, Rf = 0,07 (EtOAc) và Rf = 0,27 (EtOAc:MeOH = 1:1).
Xác định cấu trúc sản phẩm (Phụ lục 2): Phổ 1H-NMR (500MHz, DMSO, δppm): 8,77 (s, 3H, -NH3-); 8,26 (d, J = 9,0 Hz, 2H, =CH–); 7,80 (d, J = 8,5 Hz, 2H, =CH–); 4,17 (s, 2H, –CH2–). Phổ 13C-NMR và DEPT (125MHz, DMSO, δppm): 147,5 (=C=); 141,6 (=C=); 130,3 (=CH–); 123,6 (=CH–); 41,5 (–CH2–). +
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
22 CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Tổng hợp muối potassium phthalimide (15)
Hợp chất potassium phthalimide (15) được tổng hợp từ phthalimide (14) và dung dịch potassium hydroxide KOH 8% trong ethanol. Phương trình phản ứng như sau:
Hình 4.1: Phương trình tổng hợp muối potassium phthalimide (15) Điều kiện tổng hợp potassium phthalimide được tóm tắt trong Bảng 4.1. Bảng 4.1: Bảng tóm tắt điều kiện tổng hợp potassium phthalimide (15)
Các yếu tố Giá trị Tỉ lệ mol phthalimide:KOH Thời gian phản ứng Nhiệt độ phản ứng Thể tích ethanol Tốc độ khấy Hiệu suất 1:1 5 giờ 65ºC 40 mL 1000 vòng/phút 91,78%
Sản phẩm thu được là tinh thể màu vàng nhạt, tan hoàn toàn trong nước. Phản ứng xảy ra theo kiểu trao đổi giữa một acid và một base. Vì phthalimide là một imide vòng có tính acid yếu do hiệu ứng cộng hưởng và hiệu ứng cảm của hai nhóm carbonyl liền kề nên dễ dàng bị base mạnh KOH lấy proton tạo ra muối potassium phthalimide. Xét về độ tan, phthalimide hầu như không tan trong nước (< 0,1 g phthalimide/100 mL nước). Trong khi đó, potassium phthalimide tan hoàn toàn trong nước. Do đó, có thể dựa vào độ tan của sản phẩm tạo thành để đánh giá mức độ chuyển hóa của phản ứng. Sản phẩm thô sau phản ứng tan hoàn toàn trong nước nên có thể kết luận phthalimide đã chuyển hoàn toàn thành
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
23
potassium phthalimide. Vì vậy có thể sử dụng sản phẩm potassium phthalimide thô cho các phản ứng tiếp theo.
Hình 4.2: Tinh thể muối potassium phthalimide
Hình 4.3: Độ tan của muối potassium phthalimide trong nước
Về cơ chế phản ứng, phthalimide là một imide (–CONHCO–) tương tự β- keto ester trong đó nguyên tử hydrogen trên nguyên tử nitrogen N–H có tính linh động do hiệu ứng cảm âm rút electron của hai nhóm carbonyl liền kề. Do đó, phthalimide có tính acid (pKa = 8,3) sẽ dễ dàng bị deproton hóa bởi một base mạnh như KOH. Anion được tạo thành rất bền vững nhờ hiệu ứng cộng hưởng và
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
24
hiệu ứng cảm của hai nhóm carbonyl liền kề làm giải tỏa mật độ điện tích tập trung trên nguyên tử nitrogen.
Hình 4.4: Cơ chế phản ứng giữa phthalimide và base và sự cộng hưởng bền vững của ion phthalimide
4.2 Tổng hợp 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17)
Hợp chất 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) được tổng hợp từ potassium phthalimide (15) và 4-nitrobenzyl bromide (16) trong môi trường DMF, dưới sự xúc tác của K2CO3. Phương trình phản ứng như sau:
Hình 4.5: Phương trình tổng hợp 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) Điều kiện tổng hợp 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) được tóm tắt trong Bảng 4.2.
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
25
Bảng 4.2: Bảng tóm tắt điều kiện tổng hợp 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione
Các yếu tố Giá trị
Tỉ lệ mol 4-nitrobenzyl bromide:potassium phthalimide:K2CO3 Thời gian phản ứng Nhiệt độ phản ứng Thể tích DMF Tốc độ khấy Hiệu suất 1:2:1 2 giờ 80ºC 2 mL 500 vòng/phút 78,37% Tiến hành theo dõi phản ứng bằng cách sắc ký bản mỏng thu được kết quả sau:
Hình 4.6: Kết quả sắc ký bản mỏng theo dõi phản ứng giữa 4-nitrobenzyl bromide (16) và hỗn hợp phản ứng tổng hợp 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17),
giải ly trong hệ EtOAc:PE = 1:1
Dựa trên bản mỏng có thể kết luận rằng 4-nitrobenzyl bromide đã phản ứng hoàn toàn sau 2 giờ. Vết sắc ký của hỗn hợp phản ứng cho thấy vết có giá trị Rf = 0,68 (EtOAc:PE = 1:1) rất rõ. Từ cấu trúc của 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3- dione có thể suy đoán về độ phân cực của hợp chất là trung bình do đó sẽ có giá trị Rf cao. Hơn nữa, phản ứng thế thân hạch SN2 của anion phthalimide có tính thân hạch tốt tác kích vào vị trí benzyl có tính thân điện tử mạnh, ít bị che chắn lập thể nên dễ dàng xảy ra, sản phẩm thu được sẽ có hiệu suất cao. Tiến hành cô lập vết có giá trị Rf = 0,68 bằng phương pháp sắc ký cột, giải ly bằng EtOAc:PE tỉ lệ 1:2 thu sản phẩm dạng tinh thể màu trắng, hình kim.
Rf = 0,68 Rf = 0,78
1h 2h 2h
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
26
Hình 4.7: Hình dạng tinh thể và bản mỏng sắc ký của 4-nitrobenzyl bromide (16) và 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) sau khi kết tinh, EtOAc:PE = 1:1
Về cơ chế phản ứng, phản ứng dễ dàng xảy ra theo cơ chế thế thân hạch SN2 do anionphthalimidecó tính thân hạch mạnh dễ dàng tác kích vào vị trí benzyl có tính thân điện tử mạnh, không bị che chắn về mặt lập thể. Hơn nữa, tiến trình phản ứng tạo được một trạng thái chuyển tiếp bền vững nhờ sự liên hợp với vòng benzene. Sự bền vững này thúc đẩy phản ứng xảy ra nhanh chóng và dễ dàng hơn. DMF được sử dụng làm môi trường thuận lợi cho phản ứng SN2 vì đây là dung môi phân cực không chứa proton, vừa hòa tan được muối potassium phthalimide, vừa hòa tan được 4-nitrobenzyl bromide, solvate hóa tốt các cation kim loại và solvate hóa rất kém các anion.
Hình 4.8: Cơ chế phản ứng thế thân hạch SN2 giữa anion phthalimide và 4-nitrobenzyl bromide (16)
16 17
Rf = 0,68 Rf = 0,78
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
27
Cấu trúc sản phẩm được xác định bằng phổ 1H-NMR (500 MHz, DMSO, δppm). Kết quả cho thấy:
Có tín hiệu của các proton =CH– hiện diện trên vòng C8H4O2N ở 7,92 ppm (dd, J = 3,0 Hz, J = 5,5 Hz, 2H); 7,87 ppm (dd, J = 3,0 Hz, J = 5,5 Hz, 2H).
Có tín hiệu của các proton =CH– hiện diện trên vòng C6H4NO2 ở 8,19 ppm (d, J = 8,5 Hz, 2H); 7,60 ppm (d, J = 8,5 Hz, 2H).
Tín hiệu proton mũi đơn của nhóm –CH2– ở 4,92 ppm (s, 2H).
Các dữ liệu phổ 1H-NMR của 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) được trình bày chi tiết trong Bảng 4.3.
Bảng 4.3: Dữ liệu phổ 1H-NMR của 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) TT Số và loại proton δ (ppm) Mũi, J (Hz)
1 2H, =CH– 8,19 d, J = 8,5 Hz
2 2H, =CH– 7,92 dd, J = 3,0 Hz, J = 5,5 Hz
3 2H, =CH– 7,87 dd, J = 3,0 Hz, J = 5,5 Hz
4 2H, =CH– 7,60 d, J = 8,5 Hz
5 2H, –CH2– 4,92 s
Từ dữ liệu phổ 1H-NMR cho thấy, vết có giá trị Rf = 0,68 (EtOAc:PE = 1:1) là sản phẩm 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17). Cấu trúc sản phẩm như sau:
4.3 Tổng hợp 4-nitrobenzylamine (18)
Hợp chất 4-nitrobenzylamine (18) được tổng hợp dựa trên phản ứng thủy phân 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) dưới tác nhân hydrazine trong môi trường ethanol. Phương trình phản ứng được trình bày như Hình 4.9.
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
28
Hình 4.9: Phản ứng thủy phân 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) dưới tác nhân hydrazine trong ethanol
Điều kiện tổng hợp 4-nitrobenzylamine (18) được tóm tắt trong Bảng 4.4. Bảng 4.4: Bảng tóm tắt điều kiện tổng hợp 4-nitrobenzylamine (18)
Các yếu tố Giá trị Tỉ lệ mol 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione:hydrazine Thời gian phản ứng Nhiệt độ phản ứng Tốc độ khấy 1:10 2 giờ 100ºC 900 vòng/phút Tiến hành theo dõi phản ứng bằng cách sắc ký bản mỏng thu được kết quả sau:
Hình 4.10: Kết quả sắc ký bản mỏng theo dõi phản ứng tổng hợp 4-nitrobenzylamine (18) khi thủy phân 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione
(17) bằng tác nhân hydrazine, giải ly trong hệ EtOAc
17 18 17 18
1h 2h
Rf = 0,07 Rf = 0,75
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC HUỲNH Ý MƠ
29
Kết quả phản ứng được theo dõi bằng sắc ký bản mỏng trong hệ dung môi giải ly EtOAc cho thấy sự xuất hiện vết mới duy nhất có giá trị Rf = 0,07. Đây là tín hiệu khả quan vì nếu việc thủy phân tạo thành amine thành công thì sản phẩm là amine bậc 1 rất phân cực nên giá trị Rf nhỏ, vết kéo dài. Tiến hành cô lập vết có giá trị Rf = 0,07 bằng phương pháp sắc ký cột với hệ giải ly EtOAc thu chất rắn màu đỏ. Tuy nhiên, sản phẩm thu được có tính chất kém bền, dễ phân hủy ở điều kiện thường và do điều kiện phòng thí nghiệm còn hạn chế nên chưa thể tiến hành đo phổ xác định cấu trúc của hợp chất này.
Hình 4.11: Bản mỏng sắc ký của 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) và 4-nitrobenzylamine (18) giải ly trong hệ EtOAc (4.11a) và hệ EtOAc:MeOH =
1:1 (4.11b)
Về cơ chế phản ứng, sự tương tác giữa các cặp electron tự do của hai nguyên tử nitrogen liền kề dẫn đến sự hình thành hiệu ứng alpha trên hydrazine làm hợp chất này có tính thân hạch mạnh hơn ammonia và đồng thời với hiệu ứng cảm rút electron của nguyên tử nitrogen thứ hai nên tính base của hydrazine yếu hơn ammonia. Trong khi đó 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline-1,3-dione (17) là hợp chất dạng 1,4-dicarbonyl có tính thân điện tử, có khả năng đóng vòng với các hợp chất thân hạch chứa nitrogen. Phản ứng thủy phân 2-(4-nitrobenzyl)isoindoline- 1,3-dione (17) xảy ra theo kiểu thế nucleophilic acyl của hydrazine vào một imide. Kết quả của phản ứng là sự mở vòng giải phóng sức căng vòng, tạo thành hợp chất 2,3-dihydrophthalazine-1,4-dione (20) vòng sáu cạnh bền vững hơn về