Thiosemicarbazon [5, 8, 15, 27, 28] là hợp chất chứa hợp phần =N-NH-C(S)- NH2. Thiosemicarbazonlà một lớp hợp chất quan trọng có nhiều hoạt tính sinh học đa dạng, nhƣ khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virut, chống ung thƣ, chống sốt rét, ức chế ăn mòn và chống gỉ sét..Các hợp chất thiosemicarbazon đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhƣ tinh thể học, hóa học đại phân tử,10
và ngành quang electron.Ngoài ra, các hợp chất của thiosemicarbazon còn có khả năng tạo phức với nhiều kim loại. Những phức chất này cũng có hoạt tính sinh học nhƣ hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virut và chống ung thƣ v.v...Ngày nay càng nhiều các hợp chất thiosemicarbazon đã đƣợc tổng hợp và
- 20 - nghiên cứu tính chất.
Thiosemicarbazon đƣợc tổng hợp từ thiosemicarbazit bằng cách ngƣng tụ với hợp chất carbonyl. Đồng thời thiosemicarbazon cũng có thể bị khử hóa ngƣợc trở lại để tạo thành thiosemicarbazid nhờ tác nhân NaBH4.
Hiện nay thiosemicarbazon đã đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp chiếu xạ vi sóng trong thời gian rất ngắn thay vì đun hồi lƣu trong nhiều giờ. Các cấu hình có thể có của thiosemicarbazon thế: N N S N H N N S NH N N N S H N N N S H 000 00π 0π0 0ππ N N S N N N S NH H N N S N H N N S NH π00 π0π ππ0 πππ 0 và π : góc nhị diện 0o và 180o tƣơng ứng.
1.5. SỬ DỤNG LÒ VI SÓNG TRONG HOÁ HỌC CARBOHYDRATE
Sự bức xạ các tia sóng cực ngắn đang trở thành một phƣơng pháp ngày càng thông dụng để làm nóng thay thế phƣơng pháp cổ điển. Phƣơng pháp này rẻ, sạch và thuận tiện, mang lại hiệu suất cao hơn và cho ta kết quả trong một thời gian phản ứng ngắn hơn. Phƣơng pháp này đƣợc mở rộng tới hầu hết các lĩnh vực của hoá học, tuy nhiên trong hoá học carbohydrate [18] thì chậm hơn.
Tác nhân kích hoạt phản ứng hữu cơ trong lò vi sóng là sự bức xạ các tia sóng cực ngắn. Trong các phản ứng kiểu này, cần phải chú ý tới việc bảo vệ chọn lọc hoặc không chọn lọc hoặc không bảo vệ các nhóm chức hydroxyl, các phản ứng alcohol phân triglycerid và thuỷ phân glycerol. Vì điều này có thể làm các nguyên liệu tạo thành các tác nhân biến dạng, nhũ hoá và mềm hoá. Các lĩnh vực khác của
- 21 -
hoá học carbohydrate nhƣ tổng hợp monosaccaride có chứa nhân dị vòng không no hoặc các nhóm halogen cũng đƣợc đề cập đến. Việc tạo thành các chất quang hoạt, polysaccaride, methanol phân và thuỷ phân các saccaride, việc hình thành các gốc từ tƣơng tác của đƣờng với các acid amin cũng xảy ra. Trong nhiều trƣờng hợp, ngƣời ta nhận thấy rằng phƣơng pháp dùng lò vi sóng cho kết quả tốt hơn: thời gian phản ứng ngắn hơn, không cần dung môi hoặc sử dụng lƣợng dung môi ít hơn.
Năng lƣợng sóng điện từ (vi sóng) đƣợc coi là tác nhân kích hoạt trong hoá học để tổng hợp một lƣợng lớn các hợp chất trong hoá học hữu cơ. Ngƣời ta quan tâm chủ yếu đến các phản ứng acyl hoá và alkyl hoá, các phản ứng thế, trùng ngƣng, đóng vòng, các phản ứng bảo vệ và không bảo vệ, ester hoá và chuyển hoá ester, dị vòng, các phản ứng cơ kim; oxy hoá và khử hóa.
Bức xạ sóng ngắn là bức xạ điện từ với tần số nằm trong dải 0,3-300GHz. Những lò vi sóng dùng trong gia đình và những thiết bị vi sóng để tổng hợp hoá học đều có tần số 2,45 GHz (tƣơng ứng với bƣớc sóng 12,24 cm–1) để tránh gây nhiễu tín hiệu với các tần số viễn thông và mạng lƣới điện thoại. Năng lượng photon vi sóng trong vùng tần số này (0,0016 eV), quá yếu để phá vỡ liên kết hoá học và cũng thấp hơn năng lượng của chuyển động Brown. Nhƣ vậy, rõ ràng là các sóng ngắn không thể gây ra các phản ứng hoá học đƣợc.
Phản ứng hoá học sử dụng vi sóng dựa trên hiệu ứng nhiệt của các vật liệu nhờ hiệu ứng nhiệt điện môi vi sóng. Hiện tƣợng này phụ thuộc vào khả năng hấp thụ năng lƣợng vi sóng và chuyển hoá nó thành nhiệt (dung môi hoặc tác nhân). Thành phần điện của trƣờng điện từ gây ra nhiệt bởi 2 hiện tƣợng cơ học chính: sự làm phân cực và sự truyền ion. Bức xạ ở các tần số vi sóng gây ra hiện tƣợng phân cực và sự sắp xếp các ion. Trong quá trình này năng lƣợng bị mất để tạo thành nhiệt từ quá trình ma sát phân tử và mất điện môi. [11]
Tính nhiệt của một vật liệu cụ thể (ví dụ một dung môi) dƣới điều kiện bức xạ vi sóng phụ thuộc vào đặc tính điện môi của chúng. Khả năng một chất chuyển hoá năng lƣợng điện từ thành nhiệt ở một tần số và nhiệt độ đƣợc xác định bằng phần tử bị mất gọi là tan δ. Đại lƣợng này đƣợc diễn tả bằng thƣơng số sau:
- 22 -
tan δ = ε’/ε
trong đó: ε’ là đại lƣợng điện môi mất đi, đại diện cho hiệu suất bức xạ chuyển thành nhiệt; ε là hằng số điện môi miêu tả khả năng các phân tử bị phân cực trong trƣờng điện.
Ngày nay, hầu hết các nhà khoa học nhất trí rằng trong đa số các trƣờng hợp, lý do thúc đẩy tốc độ phản ứng là ảnh hƣởng của động năng đến nhiệt độ. Nhiệt độ này có thể đạt đƣợc khá nhanh khi vật liệu phân cực bức xạ trong trƣờng sóng ngắn. Ví dụ, một dung môi hấp thụ bƣớc sóng cao nhƣ methanol (tan δ = 0,659) có thể nhanh chóng bị đun quá nhiệt tới nhiệt độ trên 100°C, cao hơn điểm sôi của nó ở áp suấtkhí quyển, khi bị bức xạ bởi các sóng ngắn trong bình kín. Việc tăng nhanh nhiệt độ có thể xảy ra với các yếu tố nhƣ dung dịch ion, khi nhiệt độ tăng đến 200°C trong một vài giây nhƣng không phổ biến nhất. Bình thƣờng để đạt đến nhiệt độ này rất khó, do vậy so sánh các quá trình nhiệt này rất phức tạp.
Việc tốc độ phản ứng đƣợc đẩy mạnh khi thực hiện ở nhiệt độ phòng với nhiệt độ đun hồi lƣu cách dầu và quá trình nhiệt trong lò vi sóng đã đƣợc nghiên cứu. Baghurst và Mingos đã dựa vào định luật Arrenius: k=A.exp(-Ea/RT). Ta thấy rằng cần 68 ngày để đạt 90% chuyển hoá ở nhiệt độ 27°C nhƣng để đạt độ chuyển hoá tƣơng đƣơng trong 1,61 giây thì phải thực hiện ở nhiệt độ 227°C.
Việc nhiệt độ tăng nhanh trong lò vi sóng đồng nghĩa với việc tốc độ phản ứng đƣợc thúc đẩy có thể đƣợc lý giải bằng sự ảnh hƣởng động năng. Ngoài ảnh hƣởng động năng đƣợc nói đến ở trên, những ảnh hƣởng vi sóng còn do cấu trúc nhiệt điện môi. Những tác động này đƣợc gọi bằng thuật ngữ “hiệu ứng vi sóng đặc biệt” và đƣợc coi là tác nhân thúc đẩy phản ứng. Ví dụ:
- Hiệu ứng quá nhiệt của dung môi ở áp suất khí quyển.
- Sự nhạy cảm với nhiệt nhƣ các chất xúc tác hoặc thuốc thử hấp thụ các bƣớc sóng mạnh trong môi trƣờng phản ứng kém phân cực.
- Sự hình thành các bức xạ phân tử nhờ sự kết hợp trực tiếp của năng lƣợng sóng với thuốc thử, đặc biệt là trong dung dịch dị thể.
- 23 -
- Sự loại bỏ các ảnh hƣởng của gradien nhiệt.
Một vài tác giả dự đoán khả năng có những ảnh hƣởng khác ngoài nhiệt độ. Các tác động ngoài nhiệt là kết quả của việc tƣơng tác trực tiếp của trƣờng điện với các phân tử đặc biệt trong môi trƣờng phản ứng. Ngƣời ta chứng minh đƣợc rằng sự có mặt của trƣờng điện gây ra ảnh hƣởng định hƣớng của các phân tử lƣỡng cực và do đó thay đổi năng lƣợng hoạt hoá (đại lƣợng entropy) trong phƣơng trình Arrenius. Một tác động tƣơng tự đƣợc nhận thấy với cơ chế phản ứng phân cực, mà sự phân cực càng tăng từ trạng thái ban đầu tới trạng thái chuyển tiếp. Kết quả là thúc đẩy hoạt hóa nhờ việc giảm năng lƣợng hoạt hoá.
Những kỹ thuật tiến hành hay dùng đƣợc ứng dụng vào tổng hợp hữu cơ bao gồm: kỹ thuật tiến hành phản ứng không dung môi mà các thuốc thử có thể chuyển hoá nhiều hay ít (silica gel, nhôm oxide hoặc đất sét) hay hấp thụ mạnh (graphit) lớp nền vô cơ làm kích thích xúc tác hoặc thuốc thử.
Ngày nay, công nghệ không dùng dung môi rất phổ biến trong các phản ứng tổng hợp hữu cơ thực hiện trong lò vi sóng do có độ an toàn khi tiến hành phản ứng trong bình mở. Mặc dù có nhiều phản ứng “dry-media” nhƣng ta vẫn gặp khó khăn liên quan tới nhiệt không đều, đảo trộn không đều và xác định chính xác Điểm của phản ứng. Ngoài ra, xúc tác chuyển pha cũng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật tiến hành phản ứng trong lò vi sóng.
- 24 -
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM
Điểm nóng chảy của các hợp chất đƣợc đo bằng phƣơng pháp mao quản trên máy đo điểm nóng chảy STUART SMP3 (BIBBY STERILIN-Anh). Phổ hồng ngoại của các chất ghi ở dạng ép viên với KBr trên máy Impact 410-Nicolet và trên máy GX-Perkin Elmer- Mỹ tại Viện Hoá học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phổ 1H NMR và 13C NMR đƣợc ghi trên máy phổ AVANCE AV500 Spectrometer (BRUKER, Đức) ở tần số 500 MHz, dung môi DMSO-d6, chất so sánh nội TMS tại Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phổ khối lƣợng của các hợp chất đƣợc đo trên máy LC-MS (OBBITRAP-XL-Mỹ), theo phƣơng pháp ion hoá ESI, tại Khoa Hoá học trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội.
Trong luận văn này, chúng tôi đã tiến hành tổng hợp các hợp chất 3-aryl-4- formylsydnone (tetra-O-acetyl-β-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazon với một số công việc sau:
+ Tổng hợp các hợp chất 3-aryl-4-formylsydnone.
+ Tổng hợp tetra-O-acetyl-β-D-galactopyranosyl thiosemicarbazide.
+ Tổng hợp các (tetra-O-acetyl-β-D-galactopyranosyl)thiosemicarbazon của 4-formylsydnone thế.
Để thực hiện nội dung công việc trên, chúng tôi đã đƣa ra sơ đồ chung nhƣ sau:
- 25 - NH2 R ClCH2COOH, NaOH, H2O, hay 1. ClCH2COOEt, CH3COONa, EtOH, 2. NaOH; 3. HCl NHCH2COOH R NaNO2, HCl 5°C N R CH2COOH NO
1a-h 2a-h 3a-h
Ac2O 25°C O N N O R O N N O CH N H O OAc AcO H OAc N H S N R AcO O N N O R CHO N=C=S O OAc AcO H OAc OAc N H O OAc AcO H OAc N H S NH2 OAc NH2NH2.H2O CH2Cl2, <20°C 4a-h 5a-h 6 7 8a-h 5a-h + 7 DMF, POCl3 0 - 70 oC EtOH khan lò vi sóng ~30 phút 2.1. TỔNG HỢP CÁC HỢP CHẤT 3-ARYL-4-FORMYLSYDNONE 2.1.1. Tổng hợp các chất 3-arylsydnone 2.1.1.1. Tổng hợp 3-phenylsydnone (4a) NH2 CH3COONa 1) ClCH2COOC2H5 2) NaOH 3) HCl , EtOH khan NHCH2COOH NaNO2 , HCl -5 - 50C NCH2COOH NO (CH3CO)2O 1a 2a 3a N N O O 4a a. Tổng hợp 3-phenylglycine
- 26 -
Cho vào bình cầu dung tích 250 ml, hỗn hợp gồm anilin (1a, 0,2 mol, 18,6g, 18,24ml), ethyl cloroacetat (0,2 mol, 24,5g, 21,3 ml), natri acetat (0,2 mol, 16,4 gam) khan và 70ml ethanol tuyệt đối. Lắp sinh hàn hồi lƣu, máy khuấy từ và đun hồi lƣu hỗn hợp phản ứng trong thời gian 6 giờ. Sau đó để nguội hỗn hợp phản ứng tới nhiệt độ phòng và đổ hỗn hợp phản ứng vào cốc chứa 150 gam nƣớc đá, thu đƣợc kết tủa dạng chất rắn màu xám trắng, lọc và rửa kết tủa bằng nƣớc lạnh, để khô ngoài không khí, thu đƣợc 28,8g ethyl ester của N-phenylglycine, hiệu suất 80.4%.
Cho ethyl ester của N-phenylglycine (0,161 mol, 28,8g) thu đƣợc vào bình cầu dung tích 500 ml có chứa dung dịch gồm NaOH (0,18 mol, 7,2 gam) và 180 ml nƣớc. Lắp sinh hàn đun hồi lƣu hỗn hợp phản ứng trong 2 giờ cho đến khi hỗn hợp phản ứng trở nên dung dịch trong suốt. Sau đó để nguội phản ứng rồi lọc bỏ phần cặn không tan thu lấy dung dịch, làm lạnh và acid hoá bằng acid HCl (1:1) đến khi không có hiện tƣợng tạo kết tủa nữa. Lọc lấy kết tủa và rửa bằng nƣớc lạnh, thu đƣợc 12,82g sản phẩm N-phenylglycine (2a) là chất rắn có màu xám trắng có Đnc= 126−128oC, hiệu suất 53%.
b. Tổng hợp 3-phenylnitrosoglycine
Cho vào cốc thuỷ tinh dung tích 500 ml N-phenylglycine (2a, 0,085 mol, 12,82g) và 200ml nƣớc, khuấy cốc phản ứng lên trên máy khuấy từ và làm lạnh cốc bằng hỗn hợp đá muối đá cho đến khi dung dịch phản ứng đạt 0oC. Trong một cốc khác hoà tan NaNO2 (0,09 mol 6,21 g) bằng 10 ml nƣớc, làm lạnh cốc bằng nƣớc đá cho nhiệt độ của dung dịch NaNO2 bằng 0-2oC. Nhỏ từ từ từng giọt dung dịch NaNO2 vào dung dịch N-phenylglycine, đảm bảo nhiệt độ của phản ứng không vƣợt quá 5oC, sau khi nhỏ hết dung dịch NaNO2 khoảng 30 phút thì khuấy tiếp 2 giờ, sau đó acid hoá bằng dung dịch HCl (1:1) tới pH =2 thì thu đƣợc kết tủa, chú ý giữ cho nhiệt độ phản ứng dƣới 5oC. Lọc kết tủa, rửa bằng nƣớc lạnh, sau đó làm khô sản phẩm ngoài không khí. Thu đƣợc sản phẩm (3a) màu trắng xám, Đnc= 104−106o
C, hiệu suất 67%.
- 27 -
Cho N-phenylnitrosoglycine (3a, 0,057 mol, 10,2g) vào cốc dung tích 100ml đƣợc làm khô, sau đó thêm anhydrid acetic (0,28 mol, 26,8 ml), khuấy đều ở nhiệt độ phòng tới khi dung dịch trở nên trong suốt. Đậy kín dung dịch và để yên ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Sau đó đổ ra cốc đựng 100g nƣớc đá thì thu đƣợc kết tủa, lọc và rửa kết tủa bằng nƣớc lạnh. Thu đƣợc chất rắn sau đó kết tinh bằng ethanol 96% thu đƣợc 4,86g tinh thể (4a), có màu xám nhạt, Đnc=136−137oC, hiệu suất 53%. 2.1.1.2. Tổng hợp 3-(4-methylphenyl)sydnone (4b) Tổng hợp 3-(4-methylphenyl)sydnone theo phản ứng: NH2 C H3 H3C NHCH2COOH NCH2 N O COOH C H3 N+ N O O- C H3 1, ClCH2COOC2H5 CH3COONa , EtOH khan
2, NaOH 3, HCl 1b 2b 3b 4b (CH3CO)2O NaNO2 , HCl ( 1 : 1 ) -5 - 5 oC a. Tổng hợp N-(4-methylphenyl)glycine
Hỗn hợp gồm p-toludin (1b, 0,2 mol, 21,4g), ethyl cloacetat (0,2 mol, 24,5g, 21,3 ml), natri acetat khan (0,2 mol, 16,4 gam) và 65ml ethanol tuyệt đối . Quy trình nhƣ trên, đun hồi lƣu 6 giờ, thu đƣợc 34,7g ethyl ester của N-(4- methylphenyl)glycine, hiệu suất 90%.
Hỗn hợp gồm ethyl ester của N-(4-methylphenyl)glycine (34,7g, 0,18 mol, NaOH (0,19 mol, 7,6 gam) và 180 ml nƣớc. Lắp sinh hàn đun hồi lƣu hỗn hợp phản ứng trong 1.5 giờ. Sau đó làm lạnh và acid hoá bằng acid HCl (1:1) đến khi không có hiện tƣợng tạo kết tủa nữa. Thu đƣợc 18,02g sản phẩm N-(4- methylphenyl)glycine (2b) là chất rắn có màu xám trắng có Đnc= 120−122oC, hiệu suất 60%.
- 28 -
b. Tổng hợp N-(4-methylphenyl)nitrosoglycine
Cho vào cốc thuỷ tinh dung tích 500 ml N-(4-methylphenyl)glycine (2b, 0,1 1mol, 18,02g ) và 200ml nƣớc, khuấy cốc phản ứng lên trên máy khuấy từ và làm lạnh cốc bằng hỗn hợp đá muối đá cho đến khi dung dịch phản ứng đạt 0oC. Trong một cốc khác hoà tan NaNO2 (0,12 mol, 8,28g) bằng 10 ml nƣớc, làm lạnh cốc bằng nƣớc đá cho nhiệt độ của dung dịch NaNO2 bằng 0-2oC. Nhỏ từ từ từng giọt dung dịch NaNO2 vào dung dịch N-(4-methylphenyl)glycine, đảm bảo nhiệt độ của phản ứng không vƣợt quá 5oC, sau khi nhỏ hết dung dịch NaNO2 khoảng 30 phút thì khuấy tiếp 2.5 giờ, sau đó acid hoá bằng dung dịch HCl (1:1) đến pH= 5 thì lọc bỏ phần không tan và tiếp tục đã đƣợc làm lạnh và acid hoá tới pH = 2, chú ý giữ cho nhiệt độ phản ứng dƣới 5oC. Lọc kết tủa, rửa bằng nƣớc lạnh, để khô sản phẩm ngoài không khí. Thu đƣợc 12,4g sản phẩm 3b màu trắng hồng, Đnc= 112−113oC, hiệu suất 59%.
c. Tổng hợp 3-(4-methylphenyl)sydnone
Cho N-(4-methylphenyl)nitrosoglycine (3b, 0,064 mol, 12,4g) vào cốc dung tích 100ml đƣợc làm khô, sau đó thêm anhydrid acetic (0,32 mol, 30,2 ml), khuấy đều ở nhiệt độ phòng tới khi dung dịch trong suốt. Đậy kín dung dịch trong 24 giờ. Sau đó đổ ra cốc đựng 100g nƣớc đá thì xuất hiện kết tủa, lọc và rửa kết tủa bằng nƣớc lạnh. Kết tinh lại bằng ethanol 96% thu đƣợc 9,61g sản phẩm (4b) màu vàng nhạt có Đnc=143−144oC, hiệu suất 85%.
2.1.1.3. Tổng hợp 3-(3-methylphenyl)sydnone (4c)
- 29 - C H3 NH2 C H3 NHCH2COOH C H3 NCH2 N O COOH C H3 N+ N O O- 1, ClCH2COOC2H5 CH3COONa , EtOH khan
2, NaOH 3, HCl 1c 2c 3c 4c NaNO2, HCl ( 1 : 1 ) -5 - 5 oC (CH3CO)2O a. Tổng hợp N-(3-methylphenyl)glycine