- Các chất tổng hợp được xác định cấu trúc bằng các phổ: Phổ hồng ngoại (IR), phổ khối (MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H-NMR).
Phổ hồng ngoại (IR): Được ghi tại Viện Hóa học- Viện Hàn lâm và Khoa học Công nghệ Việt Nam, trên máy Impact- 410 Micolet với kỹ thuật nén KBr trong vùng 4000- 400cm-1. Các mẫu rắn được phân tán trong KBr đã sấy khô với tỷ lệ khoảng 1: 2000 rồi ép dưới dạng film mỏng dưới áp lực cao có hút chân không
Phổ khối lượng (MS): Phổ khối lượng của các chất được ghị trên máy đo khối phổ 1100 series LC/MSD Trap Agilent tại Viện Hóa học- Viện Hàn lâm và Khoa học Công nghệ Việt Nam với chế độ đo LC-MS.
Phổ cộng hưởng từ proton (1H-NMR): Được ghi trên máy đo phổ cộng hưởng từ Bruker AV- 500MHz tại Viện Hóa học- Viện Hàn lâm và Khoa học Công nghệ Việt Nam dùng DMSO làm dung môi, với chất đối chiếu trimethylsilan (TMS) [3].
CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Kết quả và thực nghiệm
3.1.1. Giai đoạn 1
Tổng hợp tác nhân acyl hóa: anhydrid acid hỗn tạp.
- Sơ đồ:
Sơ đồ 3.1. Tổng hợp tác nhân acyl hóa anhydrid acid hỗn tạp
- Tiến hành:
Đun hồi lưu hỗn hợp gồm 10,0g acid monocloroacetic (0,11mol) và 12,0ml anhydrid acetic (0,13mol) tỷ lệ mol acid monoloroacetic: anhydrid acetic= 1:1,2 ở 138-140oC trong 3-4h. Sau khi phản ứng xong để nguội và cất hỗn hợp ở 80oC dưới áp suất giảm cho tới khi thể tích còn khoảng 20ml.
Kết quả:
- Thu được dung dịch màu vàng nhạt của acetic monocloroacetic anhydrid.
3.1.2. Giai đoạn 2
Tổng hợp p-acetamidophenyl monocloroacetat và khảo sát với xúc tác, dung môi khác nhau.
- Phương trình phản ứng.
Sơ đồ 3.2. Tổng hợp p-acetamidophenyl monocloroacetat
- Tiến hành:
Hòa tan 6,0g paracetamol (0,04mol) trong 10ml THF, thêm 4,8ml pyridin (0,06 mol), khuấy cho hỗn hợp tan hoàn toàn. Sau đó nhỏ tử từ 20ml acetic
monocloroacetic anhydrid đã điều chế ở trên vào dung dịch, đồng thời làm lạnh ở 0-5oC, kết hợp khuấy trong 4-5h. Hỗn hợp khi phản ứng xong được cất ở 80oC để loại bớt THF, sau đó rót từ từ hỗn hợp vào nước. Lọc tủa tạo thành, rửa tủa bằng ethanol 96%. Sấy ở 40-50oC.
Kết quả:
- Thu được 5,0g PAPC.
- Cảm quan: Màu trắng, tủa bông, xốp. - tonc: 183-185oC.
- Hiệu suất: 55,3%.
- Rf = 0,56 (Hệ dung môi khai triển diclomethan: methanol= 20: 1).
Hình 3.1. Sắc ký lớp mỏng paracetamol (trái) và PAPC (phải) Nhận xét:
- PAPC thu được sạch, vết nhỏ gọn không xuất hiện vết của paracetamol, chứng tỏ phản ứng xảy ra hoàn toàn.
* Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ số mol giữa paracetamol và monocloroacetic.
Bảng 3.1: Khảo sát tỷ lệ mol giữa paracetamol: acid monocloroacetic đến hiệu
suất
Tỷ lệ mol
paracetamol: monocloroacetic Nhiệt độ Hiệu suất
1:2 0-5oC 40,20%
1:2,5 0-5oC 55,34%
1:3 0-5oC 55,06%
1:3,5 0-5oC 54,87%
Hình 3.2. Biểu đồ khảo sát tỷ lệ mol pracetamol/acid monocloroacetic Nhận xét:
Dựa vào biểu đồ ta nhận thấy khi tăng tỷ lệ mol paracetamol/acid monocloroacetic lên 1/2,5 thì hiệu suất tăng lên rõ rệt nhưng khi tăng lên 1/3 và 1/3,5 thì hiệu suất không tăng nữa thậm chí còn giảm. Vì vậy lệ mol paracetamol: acid monocloroacetic =1: 2,5 cho hiệu suất thu được cao nhất.
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 1/2 1/2,5 1/3 1/3,5 Hiệ u suấ t Tỷ lệ mol
* Tiến hành khảo sát tổng hợp PAPC với xúc tác là K2CO3 và dung môi aceton
- Phương trình phản ứng.
Sơ đồ 3.3. Quy trình tổng hợp PAPC trong K2CO3/aceton
- Tiến hành:
Hòa tan hoàn toàn 6,0g paracetamol (0,04mol) trong 60ml aceton sau đó thêm 18g K2CO3, cho từ từ 20ml acetic monocloroacetic anhydrid đã điều chế ở trên vào hỗn hợp, làm lạnh ở 0-5oC, khuấy trong 4-5h. Kết thúc phản ứng, chấm sắc ký không còn vết paracetamol, sau đó cho hỗn hợp vào nước khuấy đều đến khi K2CO3 tan hết, lọc rửa tủa và tinh chế bằng ethanol 96%.
Kết quả:
- Thu được 3,18g PAPC thô. Kết tinh lại trong ethanol 96%. - tonc= 183-185oC.
- Hiệu suất: 35,2%. - Rf = 0,56.
Nhận xét: Với xúc tác K2CO3/aceton quy trình phản ứng dễ dàng hơn nhưng thu được hiệu suất thấp, tạo nhiều tạp ester của acid acetic.
*Tiến hành khảo sát tổng hợp PAPC với xúc tác dung dịch NaOH 10%
- Phương trình phản ứng.
Sơ đồ 3.4. Quy trình tổng hợp PAPC trong NaOH 10%
Hòa tan 6,0g paracetamol (0,04mol) bằng dung dịch 16ml NaOH 10%, làm lạnh 5-10oC, sau đó nhỏ từ từ 20ml acetic monocloroacetic anhydrid đã điều chế ở trên vào hỗn hợp, khuấy đều luôn duy trì điều kiện lạnh. Dùng dung dịch NaOH 10% để điều chỉnh pH từ 7-8, khuấy liên tục trong 4-5h. Lọc, rửa tủa bằng nước lạnh đến pH trung tính, sấy khô, tinh chế bằng ethanol 96%.
Kết quả:
- Thu được 2,11g PAPC thô,
- tonc= 183-185oC.
- Hiệu suất: 23,3%.
- Rf = 0,56.
Nhận xét:
Phản ứng thu được với hiệu suất thấp có thể do:
- Paracetamol đã thủy phân một phần tạo ra 4-aminophenol.
- Môi trường kiềm làm anhydrid đã bị thủy phân nhanh chóng gây tốn tác nhân và phản ứng không hoàn toàn.
Quy trình tổng hợp PAPC được sơ đồ hóa như sau:
Sơ đồ 3.5. Quy trình tổng hợp PAPC
Tinh chế Ethanol 96%
PAPC
Rửa tủa Ethanol 96%
Nước rửa Hồi lưu 138-140oC 3-4h Khuấy 4-5h Rót từ từ vào nước Lọc Nước cái Anhydrid acetic Acid monocloroacetat Hòa tan Làm lạnh 0-5oC Cất loại acid acetic Acyl hóa Pyridin THF Paracetamol
3.1.3. Giai đoạn 3
Tổng hợp propacetamol base.
- Phương trình phản ứng
Sơ đồ 3.6. Tổng hợp propacetamol base
- Tiến hành:
Hòa tan 10,0g PAPC (0,044mol) vào 100ml aceton đun hồi lưu ở nhiệt độ 45- 50oC, sau đó thêm 15,1g K2CO3 khuấy liên tục để K2CO3 phân tán đều, thêm tiếp 0,5g KI, khuấy trong 30 phút. Sau đó nhỏ từ từ 11,75ml DEA (0,11mol) tỷ lệ PAPC: DEA= 1: 2,5 vào hỗn hợp, sau khi nhỏ xong tiếp tục khuấy thêm 2h ở nhiệt độ 50oC. Khi kết thúc phản ứng, để nguội, lọc thu lấy dịch, sau đó cất quay dịch ở 60oC đến kiệt để loại aceton và DEA dư, thu được propacetamol dạng dầu màu nâu đỏ.
Kết quả:
- Thu được 7,83g propacetamol thô dạng dầu. - Hiệu suất: 67,5% (theo lượng PAPC).
* Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ số mol giữa PAPC và DEA.
Bảng 3.2. Khảo sát tỷ lệ mol giữa PAPC: DEA đến hiệu suất phản ứng
Tỷ lệ mol PAPC: DEA Nhiệt độ Hiệu suất
1:2 45-50oC 60,20%
1:2,5 40-50oC 67,5%
1:3 45-50oC 67,34%
Hình 3.3.Biểu đồ khảo sát tỷ lệ mol PAPC/DEA
Nhận xét:
Dựa vào biểu đồ ta nhận thấy khi tăng tỷ lệ mol PAPC/DEA lên 1/2,5 thì hiệu suất tăng lên rõ rệt nhưng khi tăng lên 1/3 và 1/3,5 thì hiệu suất không tăng nữa thậm chí còn giảm. Vì vậy lệ mol PAPC: DEA =1: 2,5 cho hiệu suất thu được cao nhất.
3.1.4. Giai đoạn 4
Chuyển thành dạng muối propacetamol hydroclorid.
- Sơ đồ:
Sơ đồ 3.7. Tổng hợp paracetamol hydroclorid
- Bước một: Tạo HCl khí bằng NaCl khan và H2SO4 đặc sau đó dẫn khí HCl hòa tan trong aceton lạnh.
2NaCl(rắn) + H2SO4(đặc) Na2SO4 + 2HCl
Quy trình: Nhỏ từ từ 26,5ml H2SO4 (0,5mol) đặc vào 58,5g NaCl (1mol), khí HCl sinh ra được dẫn vào một bình cầu chứa khoảng 150ml aceton được làm lạnh. - Bước hai: Tạo muối propacetamol hydroclorid.
56% 58% 60% 62% 64% 66% 68% 70% 1/2 1/2,5 1/3 1/3,5 Hiệ u suấ t Tỷ lệ mol
Tiến hành: Hoàn tan hoàn toàn 10g propacetamol base (đã được tổng hợp ở giai đoạn 3) trong aceton, thêm từ từ HCl/aceton vào khuấy liên tục đến khi pH=2 thì dừng lại tiếp tục khuấy trong 30 phút cho phản ứng hoàn toàn, rửa tủa bằng aceton, sấy khô ở 45-50oC.
Kết quả:
- Thu được 8,26g propacetamol hydroclorid.
- Cảm quan: Màu vàng nhạt.
- tonc: 223-225oC,
- Hiệu suất: 72,4% (theo lượng propacetamol base).
- Rf= 0,22 (Hệ dung môi khai triển diclomethan: methanol= 20:1).
Hình 3.4. Sắc ký lớp mỏng sản phẩm paracetamol (trái), PAPC (giữa),
propacetamol hydroclorid (phải)
Quy trình tổng hợp propacetamol hydroclorid từ PAPC đƣợc sơ đồ hóa nhƣ sau:
Hòa tan 40oC PAPC Aceton K2CO3 KI Khuấy đều 30 phút Nhỏ từ từ DEA Khuấy đều 2-3h
Cất loại dung môi
Propacetamol dạng base
Hòa tan trongaceton
HCl/aceton Acid hóa tạo
muối Lọc, rửa tủa Tinh chế Methanol Sản phẩm DEA Aceton
3.2. Kiểm tra độ tinh khiết
Chúng tôi đã kiểm tra độ tinh khiết của các chất tổng hợp được bằng sắc ký lớp mỏng và nhiệt độ nóng chảy như sau:
- TLC được tiến hành trên bản mỏng tráng sẵn silicagel GF254 70-230 mesh, quan sát dưới đèn tử ngoại ở bước sóng 254nm.
- Dung môi hòa tan: ethanol 96%.
- Hệ dung môi khai triển: diclomethan: methanol (20: 1).
- Đo nhiệt độ nóng chảy bằng máy đo nhiệt độ nóng chảy EZ-Melt.
Giá trị Rf và nhiệt độ nóng chảy (tonc) của các chất được tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 3.3.Rf và tonc của paracetamol và các chất tổng hợp được
Chất Rf tonc (oC) Paracetamol 0,1 167-169oC PAPC 0,56 183-185oC Propaceamol hydroclorid 0,22 223-225 oC Nhận xét:
- Kết quả TLC trên cả 2 hệ dung môi thu được 1 vết sản phẩm, gọn, rõ dưới ánh sáng đèn tử ngoại ở bước sóng 254nm, không có vết lạ. Riêng propacetamol là tiền chất nên khi hòa tan trong dung môi ethanol 96% đã bị thủy phân một phần tạo propacetamol nên sắc ký có xuất hiện vết của paracetamol.
- Nhiệt độ nóng chảy của các chất dao động ở khoảng hẹp từ 2-4oC. Sơ bộ kết luận các chất tổng hợp được là tinh khiết.
Tiến hành đo phổ để xác định cấu trúc các chất tổng hợp được.
3.3. Xác định cấu trúc các chất tổng hợp
3.3.1. Kết quả phân tích phổ của PAPC
a. Phổ hồng ngoại IR
Phân tích phổ đồ của các chất tổng hợp được, cho phép chúng tôi nhận biết các dải hấp thụ đặc trưng của dao động hóa trị, dao động biến dạng của các nhóm chức
và các liên kết điển hình có trong cấu trúc phân tử các chất mà chúng tôi tổng hợp được như: -CONH-; >CO; -CCl…[3].
Bảng 3.4.Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của PAPC
Chất Công thức νmax(cm-1) Nhóm PAPC 3272 và 3215 3060 2961 2812 1765 1665 1554 và 1517 1208 717 N-H (-CONH-) C=C (vòng thơm) C-H (-CH3) C-H (-CH2-) C=O (-COO-) C=O (-CONH-) C-H (vòng thơm) C-O-C (ester) C-Cl
Nhận xét: Từ kết quả trên cho thấy số sóng phù hợp với các dao động của các nhóm liên kết. Trong đó dao động của nhóm NH là dao động mạnh.
b. Phổ khối lượng (MS)
Bảng 3.5.Kết quả phân tích phổ khối lượng của PAPC
Chất Công thức cấu tạo m/z
PAPC
M=227,64 225,9 [M-H]
-
Nhận xét: Từ các dữ liệu liệu phân tích phổ bảng trên và phổ đồ (phụ lục 2) đều thấy trong phổ có pic phân tử với số khối đúng bằng khối lượng phân tử dự kiến.
c. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR)
Bảng 3.6.Kết quả phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân của PAPC
Chất Công thức cấu tạo Số liệu phân tích 1H-NMR
PAPC 1 H-NMR (DMSO): δ(ppm) 2,04 (3H; s; CH3-CO-); 4,66 (2H; s; -CH2CO-); 7,1 (2H; d; J=9; H2’; H6’); 7,66 (2H; d; J=9; H3’; H5’); 10,02 (1H; s; -NHCO-)
Ghi chú: δ: Độ dịch chuyển hóa học (ppm), s: singlet, d: doudlet, t: triplet, m: multiplet, J: hằng số tương tác spin- spin.
Nhận xét: Dựa vào kết quả phân tích phổ bảng 3.6 và căn cứ vào phổ đồ (phụ lục 1-4) chúng tôi nhận thấy:
- Số lượng proton, độ dịch chuyển, độ bội của tín hiệu là phù hợp với công thức cấu tạo của PAPC.
- Kết hợp với kết quả phổ IR, phổ MS có thể khẳng định chất chúng tôi tổng hợp được có công thức cấu tạo như dự kiến.
3.3.2. Kết quả phân tích phổ của propacetamol
a. Phổ hồng ngoại IR
Bảng 3.7. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại của propacetamol hydroclorid
Chất Công thức cấu tạo νmax
(cm-1) Nhóm Propacetamol hydroclorid 3235 3130 2947 2576 1767 1682 1503 1196 N-H (-CONH-) C-H (vòng thơm) C-H (-CH3) C-H (-CH2-) C=O (-COO-) C=O (-CONH-) C=C (vòng thơm) C-O-C (ester)
Nhận xét: Dựa vào các dữ liệu liệu phân tích phổ bảng trên và phổ đồ (phụ lục 5) số sóng ứng với các dao động của cá nhóm liên kết là phù hợp.
b. Phổ khối lượng (MS) của propacetamol base
Bảng 3.8. Kết quả phân tích phổ khối lượng của propacetamol base
Chất Công thức cấu tạo m/z
Propacetamol base M=264,34
263 [M-H]-
Nhận xét: Từ dữ liệu ở bảng trên có thể nhận thấy phổ có pic phân tử với số khối đúng bằng khối lượng phân tử tính theo công thức dự kiến.
Bảng 3.9. Kết quả phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton của propacetamol
hydroclorid
Chất Công thức cấu tạo Số liệu phân tích 1H-NMR
Propacetamol hydroclorid 1 H-NMR (DMSO): δ(ppm) 1,26 (6H; t; J= 7; 2CH3-CH2-); 2,05 (3H; s; CH3CO-); 3,26 (4H; m; J=5; 2-CH2-CH3); 4,45 (2H; s; -CH2-CO-); 7,16 (2H; d; J=9; H3’; H5’); 7,66 (2H; d; J=9; H2’; H6’); 10,2 (1H; s; -NH); 10,35 (1H; s; -NH+-);
Ghi chú: δ: Độ dịch chuyển hóa học (ppm), s: singlet, d: doudlet, t: triplet, m: multiplet, J: hằng số tương tác spin- spin.
Nhận xét: Dựa vào kết quả phân tích phổ bảng 3.9 và căn cứ vào phổ đồ (phụ lục 5-8) chúng tôi nhận thấy:
Số lượng proton, độ dịch chuyển, độ bội của tín hiệu là phù hợp với công thức cấu tạo của propacetamol hydroclorid. Trong đó do Cl- của PAPC đã bị thế bằng diethylamin và tạo muối với HCl nên phổ xuất hiện thêm pic: δ 1,26 (6H; t; J= 7; 2CH3-CH2-); δ 3,26 (4H; m; J=5; 2-CH2-CH3) và δ 10,35 (1H; s; -NH+-).
- Kết hợp với kết quả phổ IR, phổ MS có thể khẳng định chất chúng tôi tổng hợp được có công thức cấu tạo như dự kiến.
3.4. Bàn luận
- Phản ứng acyl hóa tạo PAPC với tác nhân anhydrid acid hỗn tạp
Với tác nhân là anhydrid hỗn tạp thì nhóm acyl nào hoạt hóa mạnh hơn sẽ thế vào phân tử cần acyl hóa.
Phản ứng giữa anhydrid acid hỗn tạp và paracetamol, cơ chế phản ứng xảy ra như sau:
Sơ đồ 3.9. Cơ chế phản ứng acyl hóa
Phản ứng acyl hóa xảy ra thường theo cơ chế ái điện tử. Nguyên tử C của nhóm acyl mang điện tích dương nên là tác nhân ái điện tử.
Là hỗn hợp của anhydrid acetic và acid monocloroacetic nên phản ứng sẽ tạo ra cả tạp ester của acid acetic với paracetamol vì vậy để phản ứng cho hiệu suất tốt và tạo ít tạp nhất thì qua thực nghiệm chúng tôi nhân thấy tỷ lệ monocloroacetic: anhydrid acetic là 1: 1,2 là tốt nhất.
Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất:
Xúc tác cho phản ứng acyl hóa thường là các base yếu hoặc có thể là acid, qua khảo sát chúng tôi nhân thấy xúc tác bằng pyridin cho hiệu suất tốt. Nếu dùng các base mạnh quá có thể làm thủy phân tác nhân acyl hóa, nếu dùng tác nhân base yếu quá thì phản ứng xảy ra có thể sẽ chậm hiệu suất không được cao.
Quá trình acyl hóa bằng tác nhân anhydrid acid yếu hơn so với tác nhân halogenid acid vì vậy khi nhỏ xong tác nhân ta cần phải đun nóng nhẹ, khuấy
Cần phải hòa tan hết paracetamol trong THF và pyridin thì sẽ thu được hiệu suất cao hơn.
Sản phẩm thường có lẫn tạp ester của acid acetic qua thự nghiệm chúng tôi nhận thấy tinh chế bằng ethanol 96% sẽ loại được tạp này.
Hỗn hợp sau phản ứng xuất hiện kết tủa thì có thể lọc tủa sau đó tinh chế lại trong ethanol 96%, còn dịch sau khi lọc có thể cất dưới áp suất giảm loại bớt THF sau đó rót từ từ vào nước, lọc tủa và tinh chế.
- Phản ứng alkyl hóa tạo propacetamol dạng base
- Sơ đồ phản ứng:
Sơ đồ 3.10. Các phản ứng N-alkyl hóa
Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất:
Xúc tác bằng K2CO3 và KI trong aceton qua khảo sát cho cho hiệu suất cao, cần dùng ít DEA và quá trình thực hiện phản ứng đơn giản.
Cơ chế của xúc tác KI như sau:
Sơ đồ 3.11.Cơ chế xúc tác của KI
Với dung môi là aceton thì cần phải hòa tan hòa toàn PAPC ở 40-45oC do PAPC ít tan và tránh thủy phân PAPC, sau đó mới cho thêm K2CO3 và KI vào, khuấy 30