Cùng n m 2011, tác giả Nguyễn Đình Thành đã tiến hành tổng hợp một số dẫn xuất benzo-1,3-thiazole từ tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl isothiocyanate và 2- amino-(6-substituted)benzo-1,3-thiazoles, có áp dụng kỹ thuật microwave, sản phẩm hiệu suất cao [44].
Hình 1.17 Các dẫn xuất enzo-1,3-thiazole thế vị trí 6 trên vịng thơm
N m 2013, tác giả Đào Thị Kim Anh đã tổng hợp và thử hoạt tính sinh học của một số dẫn chất acid hydroxamic ức chế enzym histon deacetylase (HDAC). Các hợp chất 1(a-d), 2(a-h) có hoạt tính ức chế HDAC ở nồng độ 10 µg/mL, với hoạt tính mạnh hơn các hợp chất 2(a-c), 2(f-h) và cịn có tác dụng ức chế đối với HDAC ở nồng độ thấp hơn 10 µg/mL [45].
12
Hình 1.18 Các hợp chất có ức chế hiệu quả histon deacetylase
N m 2017, Phan Thanh Sơn Nam và các đồng nghiệp đã tiến hành phản ứng Aryl hóa, sử dụng xúc tác Fe3O(BDC)3, tổng hợp benzoazoles với aldehydes [46].
Hình 1.19 Phản ứng tổng hợp azoles sử dụng xúc tác Fe3O(BDC)3
Nhận xét: Việt Nam cũng đã có một số ít nghiên cứu về 1,3-thiazole, chủ yếu 1,3- thiazole mang nhóm thế ở vị trí 2,4. Các hợp chất sau tổng hợp có hoạt tính chủ yếu là kháng khuẩn, kháng nấm.
1.2 Hợp chất carbazole
Hình 1.20 Cấu trúc của carbazole (9H-carbazole)
1.2.1 Lịch sử carbazole
N m 1908, car azole lần đầu tiên đƣợc tổng hợp ởi tác giả W. Borsche [47]. Đến n m 1954, nhóm tác giả Ward C. Sumpter và các đồng nghiệp đã trình ày một cách triệt để và tồn diện về các phƣơng pháp tổng hợp, tính chất và phản ứng hóa học của dị vịng carbazole [48].
13
1.2.2 Đặc điểm và hoạt tính sinh học của carbazole
Carbazole có danh pháp theo IUPAC là 9H-carbazole (C12H9N). Khối lƣợng phân tử: 167.21 g/mol, là tinh thể, phiến hoặc ột màu nâu nhạt.
Các dẫn xuất car azole có hoạt tính đáng kể ức chế Kinase và thuốc ức chế Kinase (Chk1) [49], Peroxisome t ng hoạt tính kích hoạt các thụ thể (PPAR α, β và γ) [50]. Các hoạt tính sinh học quan trọng của car azole là kháng oxy hóa [51], kháng phân bào [52], kháng khuẩn [53], kháng ung thƣ [54-55], kháng lại rối loạn thần kinh và kháng co giật [56].
Ngoài ra car azole đƣợc nghiên cứu nhƣ một polymer [57], trong vật liệu quang điện [58]. Do các ứng dụng sinh học, công nghiệp, trong tổng hợp và gần đây việc sử dụng thiết ị vi sóng trong tổng hợp hữu cơ cải thiện hiệu suất phản ứng và phản ứng dễ dàng, tiết kiệm thời gian, n ng lƣợng và dung mơi do đó giảm thiểu ô nhiễm cho phản ứng [59].
1.2.3 Một số nghiên cứu về carbazole
1.2.3.1 Trên thế giới
N m 2017, Song Yang và đồng nghiệp đã tổng hợp và khảo sát hoạt tính sinh học của các dẫn xuất pyridine-carbazole [60]. Hợp chất (Hình 1.21) thể hiện hoạt tính sinh học đối với 3 nhóm vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Ralstonia solanacearum, and Xanthomonas axonopodis pv. Citri lần lƣợt có EC50 là 0.4, 0.3 và 0.3 mg/L.
Hình 1.21 Dẫn xuất pyridine có hoạt tính sinh học tốt
N m 2017, Hu Mingming và đồng nghiệp đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu carbazole/quinoxaline là vật liệu lƣu trữ lƣỡng cực dựa trên cho hiệu quả ánh sáng
14
đỏ PhOLED. Tất cả chúng đƣợc ứng dụng để chế tạo PhOLED màu đỏ làm vật liệu chủ, và hợp chất 9-(4-(2,3-diphenylquinoxalin-6-yl)phenyl)-9H-carbazole (p- PQPC) có đặc điểm nổi ật về quang điện với hiệu suất dòng tối đa, hiệu suất n ng lƣợng và hiệu suất lƣợng tử lần lƣợt là 21.9 cd/A, 15.4 lm/W và 12.2%, cho thấy rằng p-PQPC là một vật liệu lƣu trữ hứa hẹn cho PhOLED màu đỏ [61].
Hình 1.22 Vật liệu car azole/quinoxaline
1.2.3.2 Ở Việt Nam
N m 2008, tác giả Nguyễn Mạnh Cƣờng và đồng nghiệp tiến hành tổng hợp một số dẫn xuất car azole và thử nghiệm hoạt tính kháng nấm Cladosporium cucumerinum. Kết quả cho thấy hai hợp chất (1) và (2) có hoạt tính ức chế ở 12.5µg [62].
Hình 1.23 Hai hợp chất kháng nấm C. cucumerinum
N m 2011, tác giả Nguyễn Hồng Minh và đồng nghiệp đã tiến hành tổng hợp phức Ruthenium mới với các ligand là dẫn xuất của car azole đƣợc ứng dụng trong thuốc nhuộm, kết quả cho thấy pin mặt trời chứa nano tinh thể ZnO có sử dụng HMP-12 cho hiệu quả chuyển đổi tốt (4.46%) [63].
15
Hình 1.24 Hợp chất HMP-12 của Nguyễn Hồng Minh
1.3 Các phƣơng pháp tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole
1.3.1 Sinh tổng hợp
N m 1999, Ranabir Sinha Roy và đồng nghiệp công ố sự sinh tổng hợp của thiazole liên quan đến sự khử của cysteine là tác chất đƣợc đóng vịng ằng enzyme tạo thành 1,3-thiazoline (c) và tiếp theo là sự oxy hóa để hình thành thiazole [64].
Hình 1.25 Sinh tổng hợp dẫn xuất 1,3-thiazole mang nhóm thế ở vị trí 2,4
1.3.2 Tổng hợp hóa học
1.3.2.1 Phản ứng Hantzsch:
N m 1889, tổng hợp dẫn xuất thiazole của tác giả Hantzsch là phƣơng pháp tổng quát quan trọng [65], ngay qua phản ứng giữa dẫn xuất α-halo carbonyl với thiourea hoặc thiamide.
16
Hình 1.26 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole ngay qua phản ứng Hantzsch
1.3.2.2 Phản ứng Robinson
N m 1909, Ro inson công ố phản ứng giữa 2-acylamino-ketone với phosphorus pentansulfide tạo thành dẫn xuất 1,3-thiazole mang nhóm thế vị trí 2,5 thiazole [66].
Hình 1.27 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole ngay qua phản ứng Robinson
1.3.2.3 Phản ứng Cook-Heilbron
N m 1949, Cook-Heilbron đã tổng hợp dẫn xuất 5-amino-2-mercapto-thiazoles ngay qua phản ứng giữa α-aminonitriles với carbon disulfide (CS2) [67].
Hình 1.28 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole ngay qua phản ứng Cook-Heilbron
1.3.2.4 Phản ứng Peter W. Sheldrake
N m 2006, Peter W. Sheldrake đã tổng hợp 5-arylthiazoles ằng phản ứng giữa N,N-diformyl-aminomethyl aryl ketones với phosphorus pentasulfide và triethylamine, trong dung môi chloroform [68].
Hình 1.29 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole ngay qua phản ứng P. W. Sheldrake
1.3.2.5 Phản ứng K. Rama Rao
N m 2007, K. Rama Rao tổng hợp 2-Amino-4-alkyl- và 2-amino-4-arylthiazole-5- car-boxylates ngay qua phản ứng α-halogen hóa của β-keto esters với N-
17
bromosuccinimide và đóng vịng với thiourea, trong sự hiện diện của β-cyclodextrin ở 50°C [69].
Hình 1.30 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole ngay qua phản ứng Rama Rao
1.3.2.6 Phản ứng Daniele Castagnolo
N m 2009, Daniele Castagnolo đã tổng hợp 2-aminothiazoles ngay qua phản ứng đóng vịng của propargyl bromides với thioureas. Phản ứng này đƣợc thực hiện dƣới ức xạ vi sóng trong một vài phút có hiệu suất cao [70].
Hình 1.31 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole ngay qua phản ứng Castagnolo trong điều kiện vi sóng
1.3.2.7 Phản ứng Juan F. Sanz-Cervera
Cùng n m 2009, nhóm tác giả Sanz-Carvera đã tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazoles ngay qua phản ứng của α-amido-β-ketoesters với tác chất Lawesson‟s [71].
Hình 1.32 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole ngay qua phản ứng Sanz-Carvera
1.3.2.8 Phản ứng K. S. Rangappa
N m 2012, Rangappa và đồng nghiệp đã tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole mang nhóm thế ở vị trí 4,5 ngay qua phản ứng đóng vịng lần lƣợt của tosylmethyl
giờ
18
isocyanide, ethyl isocyanoacetate, arylmethyl isocyanides với methyl arene- và hetarenecarbodithioates [72].
Hình 1.33 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole mang nhóm thế ở vị trí 4,5
1.3.2.9 Phản ứng Hui Zheng
N m 2013, Hui Zheng và đồng nghiệp đã tổng hợp dẫn xuất của thiazole, hiệu suất lớn hơn 94% trong điều kiện có xúc tác enzyme. Phản ứng đƣợc xúc tác với enzyme này cung cấp một chiến lƣợc mới để tổng hợp dẫn xuất thiazol và mở rộng việc ứng dụng của các enzyme trong tổng hợp hữu cơ [73].
Hình 1.34 Tổng hợp các dẫn xuất 1,3-thiazole với xúc tác enzyme
1.3.2.10 Phản ứng N. O. Mahmoodi
N m 2013, N. O. Mahmoodi và đồng nghiệp đã tổng hợp các dẫn xuất 2-(thiazol-2- yl)-4,5-dihydropyridazin-3(2H)-one ngay qua phản ứng của ketoacid, thiosemicarbazide và phenacyl bromide sử dụng xúc tác KSF trong dung mơi EtOH, có khuấy và hồi lƣu [74].
19
1.3.2.11 Phản ứng tổng hợp 1,3-thiazole của nhóm tác giả Minh Ân
N m 2014, tác giả Minh Ân và các đồng nghiệp ngay qua phản ứng Hantzsh đã tổng hợp đƣợc một số dẫn xuất của car azole và phenothiazine dựa trên dị vịng 1,3-thiazole mang nhóm thế ở vị trí 2, 4 và thử nghiệm hoạt tính sinh học [75-78].
Hình 1.36 Các dị vịng 1,3-thiazole mang nhóm thế vị trí 2,4
Sau khi tổng hợp 10 chất 3(a-j), tác giả đã thử nghiệm hoạt tính trên các dịng tế ào A549 (tế ào ung thƣ phổi ngƣời), MCF-7 (tế ào ung thƣ vú ở ngƣời), HT29 (tế ào ung thƣ ruột kết). Kết quả cho thấy hợp chất 3 (IC50 = 7.8 µM) và 3e (IC50 = 23.9 µM) đối với HT29, các hợp chất 3f (IC50 = 19.1 µM), 3g (IC50 = 44.7 µM) và 3i (IC50 = 24.5 µM) ức chế tốt với MCF-7, hợp chất 3h (IC50= 9.7 µM) và 3i (IC50 = 8.5 µM) ức chế tốt đối với A549 và 3 (IC50 = 86.33 µM) kháng oxy hóa hiệu quả.
20
1.4 Cơ sở lựa chọn các nhóm chức của các hợp chất trung gian và các nhóm thế của các sản phẩm chính thế của các sản phẩm chính
Hình 1.37 Các sản phẩm trung gian và sản phẩm chính (5a-e)
1.4.1 Cơ sở lựa chọn các nhóm chức của hợp chất trung gian (1-4)
Hợp chất (1) có chứa nhóm Ethyl (C2H5) với N, đây là nhóm đẩy điện tử sẽ định
hƣớng liên kết CHO vào nhân vòng thơm - hợp chất trung gian (2). Với mục đích sau đó nhóm CHO này sẽ tạo liên kết với thiosemicar azide tạo hợp chất trung gian
(4). Cuối cùng sẽ đƣợc đóng vịng với α-bromo ketone tạo các sản phẩm (5a-e).
Hợp chất trung gian (3) có chứa liên kết C-Br, nhằm ảo vệ nhóm chức CHO trong quá trình phản ứng tạo hợp chất trung gian (4).
1.4.2 Cơ sở lựa chọn các nhóm thế của các sản phẩm chính (5a-e)
Các sản phẩm chính (5a-e) đƣợc đóng vịng tuần tự qua phản ứng giữa hợp chất
trung gian (4) và các α-bromo ketone. Các sản phẩm chính vừa chứa dị vịng
carbazole và 1,3-thiazole mang nhóm thế ở vị trí 2,4.
Các α-bromo ketone đƣợc lựa chọn để cho sản phẩm cuối cùng là những hợp chất hoàn toàn mới. Các sản phẩm cuối cùng (5a)-N(CH3)2, (5b)-N3, (5d)-N(CH2)4 có chứa nhóm thế đẩy điện tử. Trong khi đó các sản phẩm (5c)-SO2F và (5e)-OCHF2
chứa nhóm hút điện tử. Các sản phẩm (5a-e) sau khi tổng hợp sẽ đƣợc khảo sát các hoạt tính sinh học (kháng ung thƣ, kháng khuẩn, kháng nấm), đƣợc so sánh các hoạt tính dựa trên các cấu trúc.
21
THỰC NGHIỆM CHƢƠNG 2
Quy trình thực nghiệm tổng hợp 1,3-thiazole trải qua 5 ƣớc chính [75-78]: - Ethyl hóa carbazole (N-alkyl hóa).
- Car onyl hóa ethylcar azole (Car onyl hóa dị vịng thơm). - Brom hóa ethyl carbazole carbonyl.
- Cộng với thiosemicar azide của romoethyl car azole car onyl hình thành thiosemicarbazone.
- Bromoethyl thiosemicar azone thực hiện phản ứng đóng vịng lần lƣợt với 5 dẫn xuất tuần tự của 2- romoketone để hình thành 5 dẫn xuất 1,3-thiazole mới mang nhóm thế ở vị trí 2,4. Carbazole Hợp chất trung gian (1) Hợp chất trung gian (2) Hợp chất trung gian (3) Hợp chất trung gian (4) Sản phẩm (5a-e) Q trình ethyl hóa Q trình carbonyl hóa Q trình brom hóa Q trình cộng Thiosemicarbazide Đóng vịng với α-bromoketone
22
Hình 2.2 Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp dẫn xuất 1,3-thiazole (5a-e) và các hợp chất trung gian (1-4)
23
2.1 Tổng hợp hợp chất trung gian (1)
2.1.1 Phương trình phản ứng
Hình 2.3 Phƣơng trình phản ứng tổng hợp hợp chất trung gian (1)
2.1.2 Hóa chất
Carbazole, C2H5Br, KOH, DMSO, TBAHS
Bảng 2.1 Bảng hóa chất sử dụng tổng hợp hợp chất trung gian (1)
Hóa chất
Độ tinh khiết Danh pháp Công thức cấu tạo
Phân tử gam (g/mol) Nhà sản xuất C12H9N ≥ 95.0 % Carbazole 167.21 Sigma Aldrich C2H5Br ≥ 98.0 % Bromo ethane 108.97 Sigma aldrich KOH ≥ 85.0 % Potassium hydroxide - 56.11 Trung Quốc DMSO ≥ 99.5 % Dimethyl sulfoxide 78.13 Sigma aldrich TBAHS ≥ 97.0 % Tetrabutyl ammonium hydrogen sulfate 339.53 Sigma aldrich
24
Bảng 2.2 Bảng tính hóa chất tổng hợp hợp chất trung gian (1)
Thông số Carbazole C2H5Br KOH DMSO TBAHS
M (g/mol) 167.21 108.97 56 78.13 339.53 Tỷ lệ mol 1 1.5 2.5 42.2 0.05 n (mol) 0.0900 0.1350 0.2250 3.7980 0.0050 m (g) 15.00 14.710 12.60 296.73 1.53 V (mL) - 10.08 - 260.00 - d (g/mL) - 1.46 - 1.100 - 2.1.3 Dụng cụ thí nghiệm
Bình cầu 3 cổ 500 mL, máy khuấy từ gia nhiệt, ống sinh hàn, nhiệt kế, chậu thủy tinh gia nhiệt và dầu máy gia nhiệt.
Hình 2.4 Lắp đặt thiết ị phản ứng tổng hợp HCTG (1)
2.1.4 Quy trình thực nghiệm
Cho KOH (225 mmol) và DMSO (260 mL) vào ình cầu, khuấy ở nhiệt độ 60oC trong 1.5 giờ. Cho carbazole (90 mmol) vào ình cầu, tiếp theo thêm tiếp TBAHS (5 mmol), cuối cùng cho thêm C2H5Br (135 mmol). Duy trì phản ứng ở nhiệt độ 60- 70oC trong 20 giờ. Tiến hành kiểm tra sắc ký ảng mỏng sau mỗi 2 giờ. Khi phản ứng kết thúc, để nguội trong khoảng 1-2 giờ, tiến hành thêm nƣớc và chờ kết tinh
25
trong khoảng 3-4 giờ. Tiến hành lọc qua giấy lọc để thu chất rắn. Quy trình tổng hợp hợp chất trung gian (1) đƣợc tóm tắt trong (Hình 2.5).
Sau khi thu hồi tiến hành rửa qua MeOH để làm sạch sản phẩm và thu đƣợc 13.80 g hợp chất trung gian (1). KOH (225 mmol) DMSO (260 mL) Khuấy 1.5 giờ 60 oC Phản ứng 20 giờ 60-70 oC Để nguội (1-2 giờ) Chờ kết tinh Lọc lấy chất rắn Thêm nƣớc Carbazole (90 mmol) TBAHS (5 mmol) C2H5Br (135 mmol) Hợp chất trung gian (1)
Hình 2.5 Sơ đồ quy trình tổng hợp hợp chất trung gian (1)
2.1.5 Kiểm tra phản ứng và xử lý sản phẩm
Phƣơng pháp sắc ký ảng mỏng sử dụng trong luận v n này dùng để nhận iết vết hợp chất trung gian (1) và thời gian kết thúc phản ứng. Pha t nh là ảng sắc ký một mặt phủ silicagel, mặt cịn lại tráng nhơm. Pha động là hệ dung mơi giải ly EA/n- hexan. Chất trung gian (1) đƣợc hút ằng mao quản pasterpipet và chấm ở đƣờng kẻ bút chì (Hình 2.7) đƣợc đặt trong ình thủy tinh để pha động di chuyển từ điểm xuất phát đến điểm kết thúc, ảng mỏng sau khi đƣợc giải ly đƣợc phát hiện dƣới đèn UV (sử dụng đèn UV philip 8W có ƣớc sóng 254 nm-Hình 2.6) sẽ hiển thị kết quả.
26
Hình 2.6 Đèn UV Philip sử dụng để kiểm tra ảng mỏng
Hình 2.7 Bình và ảng mỏng thực hiện sắc ký ảng mỏng
Hình 2.8 Sắc ký ảng mỏng của HCTG (1) sau 20 giờ phản ứng Trong đó: 1: Vết carbazole
2: Vết hợp chất trung gian (1)
Car azole đƣợc hòa tan trong CHCl3 với lƣợng đủ chấm để kiểm tra ằng mao quản. Sau khi chấm thì ảng mỏng đƣợc giải ly trong dung môi Ethyl acetat và n- hexan, với tỷ lệ thể tích là 20% EA/n-hexan.
27 Nhận xét:
Sau 20 giờ phản ứng, trên sắc ký ảng mỏng hợp chất carbazole đã hết, ên dung dịch phản ứng (2) chỉ có sản phẩm đƣợc sinh ra, lúc này có thể dừng phản ứng (Hình 2.8).
Sau khi lọc thu hồi đƣợc chất, kiểm tra ằng sắc ký ảng mỏng một lần nữa, sản phẩm (2) có tạp chất tuyến trên và tuyến dƣới ảng, tiến hành rửa qua MeOH (40oC). Sau khi rửa xong, tiến hành lọc để thu hồi chất rắn. So sánh sắc ký ảng mỏng giữa chất rắn và nƣớc lọc, nhận thấy nƣớc lọc đã hòa tan đƣợc chất ẩn, phần chất rắn thu đƣợc chỉ có một vệt duy nhất (Hình 2.9).
a) b)
Hình 2.9 Sản phẩm (1) trƣớc (a) và sau (b) khi rửa ằng MeOH
Trong đó: a) b)
1: Vết car azole 1: Vết HCTG (1) tinh khiết 2: Vết HCTG (1) - trƣớc rửa 2: Vết HCTG (1) - nƣớc rửa
28
2.2 Tổng hợp hợp chất trung gian (2)
2.2.1 Phương trình phản ứng
Hình 2.11 Phƣơng trình phản ứng tổng hợp hợp chất trung gian (2)
2.2.2 Hóa chất
Hợp chất (1), Dimethyl formamide, phosphorus trichloride oxide, Chloroform,
sodium sulfate anhydrous, sodium hydroxide. Ngồi ra cịn sử dụng thêm silicagel, n-hexan và ethyl acetate để thực hiện quá trình làm sạch hợp chất trung gian (2)
ằng sắc ký cột cổ điển.
Bảng 2.3 Bảng hóa chất sử dụng tổng hợp hợp chất trung gian (2)
Hóa chất
Độ tinh khiết Danh pháp Công thức cấu tạo
Phân tử gam (g/mol) Nhà sản xuất C14H13N Hợp chất (1) 195.26 Tổng hợp DMF ≥ 99.9 % Dimethyl formamide 73.09 Pháp POCl3 ≥ 98 % Phosphorus trichloride oxide 153.33 Trung Quốc CHCl3 ≥ 99.0 % Chloroform 119.38 Sigma aldrich Na2SO4 ≥ 99.0 % Sodium sulfate anhydrous - 142.04 Trung Quốc Silicagel Silicagel 230-400 mesh - - Ấn Độ
NaOH Sodium hydroxide - - Trung
29
Bảng 2.4 Bảng tính hóa chất tổng hợp hợp chất trung gian (2)
Thông số Hợp chất (1) DMF POCl3 CHCl3 M (g/mol) 195.26 73.09 155.33 119.38 Tỷ lệ mol 1 2 2 20 n (mol) 0.0660 0.1320 0.1320 1.320 m (g) 13.00 9.65 20.50 157.58 V (mL) - 10.17 12.24 160 d (g/mL) - 0.949 1.675 - 2.2.3 Dụng cụ thí nghiệm
Bình cầu 3 cổ 500 mL, máy khuấy từ gia nhiệt, ống sinh hàn, nhiệt kế, chậu thủy