5.3.1. Phthalic anhydride
Tính chất vật lý [1]
- Tên: 1,2-benzenedicarboxylic anhydride Isobenzofuran-1,3-dione
- Công thức phân tư: C8H4O3
- Là tinh thể trắng, tỷ trọng 1,53 g/cm3, độ tan trong nước 0,62 g/100 g nước, tan nhiều trong nước nóng nhưng dễ chuyển hóa thành phthalic acid, độ tan trong pyridine 80 g/ 100 g, tan trong cồn, benzene, ít tan trong ether.
- Khối lượng phân tử: M = 148.12 - Nhiệt độ nóng chảy 130,80C
Tính chất hóa học [37]
- Tác dụng với rượu để tạo thành hỗn hợp ester:
C6H4(CO)2O + ROH → C6H4(CO2H)CO2R Ester hóa nhóm tiếp theo đòi hỏi phải loại nước
C6H4(CO2H)CO2R + ROH C6H4(CO2R)2 + H2O
Diester quan trọng nhất là di(2-ethylhexyl) phthalate ("DEHP"), được sử dụng để sản xuất polyvinyl chloride (PVC).
- Phthalic anhydride tác dụng với ammonia tạo thành phthalic monoamide, phthalimide, phthalonitrile
- Phthalic anhydride tham gia phản ứng Friedel-Craft với benzene, rồi đóng vòng để tạo thành anthraquinone, là nguyên liệu để sản xuất thuốc nhuộm, hay làm xúc tác trong công nghiệp giấy.
Điều chế [37]
Người ta điều chế phthalic anhydride bằng cách oxy hóa o-xylene hoặc naphthalene trong không khí nóng:
5.3.2. Glutamic acid
Tính chất vật lý [1]
- Tên: L-glutamic acid, (S)-2-aminopentandioic acid; α-amino glutaric acid.
- Viết tắt: Glu
- Công thức phân tử: C5H9NO4
- Công thức cấu tạo:
- Là tinh thể tà phương (orthorrhombic), tỷ trọng 1,538 g/cm3, độ tan trong nước 8,64 g/l (250C); 21,86 g/l (500C); 55,32 g/l (750C); 140 g/l (1000C), ít tan trong methanol, ethanol, ether, acetone và các dung môi trung tính.
- Khối lượng phân tử: M = 147,13 - Nhiệt độ nóng chảy : 1600C - Nhiệt độ thăng hoa: 2000C
- Độ quay cực [α]D22,4= +31,40 (HCl 6N)
- Glutamic acid là một amino acid nên tính chất hóa học của nó chính là tính chất của các nhóm amino (-NH2) và acid carboxylic (-COOH). Trong môi trường acid, nó chủ yếu tồn tại ở dạng cation, còn trong môi trường base nó chủ yếu tồn tại ở dạng anion. Muối natri của glutamic acid dùng trong thực phẩm gọi là mỳ chính. - pKa: pk1 = 2,19; pk2 = 4,25; pk3 = 9,67 - Phản ứng N-axyl hóa - Phản ứng N-alkyl hóa - Phản ứng với aldehyde - Phản ứng ester hóa Điều chế [38]
Phương pháp điều chế glutamic acid trong công nghiệp chủ yếu là phương pháp lên men từ mật đường (sucrose), tinh bột (glucose), ammonium sulfate với các xúc tác enzyme.
5.3.3. Urea
Tính chất vật lý [1]
- Tên: carbamide, carbonyldiamide - Công thức phân tử: CO(NH2)2
- Là tinh thể trắng, không mùi, tỷ trọng d418 = 1,3 g/cm3, tan trong nước, methanol, glycerol. Không tan trong chloroform, ether.
- Khối lượng phân tử: M = 60,06 - Nhiệt độ nóng chảy: 132,70C - Nhiệt độ sôi: 2950C.
Tính chất hóa học [39]
- Urea bị phân hủy thành ammonia và isocyanic acid ở nhiệt độ cao
- Urea tác dụng với aldehyde formic dưới điều kiện acid tạo thành methylene urea, hoặc tiếp tục phản ứng với aldehyde formic để tạo thành dimethylene urea
- Urea tác dụng với aldehyde formic dưới điều kiện base tạo thành methylol urea
- Urea tác dụng với rượu tạo thành carbamide acid ester, còn gọi là urethane
- Urea tác dụng với acid malonic tạo thành barbituric acid
Điều chế [39]
Urea được sản xuất từ NH3 lỏng và khí CO2 ở nhiệt độ và áp suất cao. Cả 2 chất phản ứng đều là sản phẩm ở nhà máy tổng hợp NH3.
Sự tạo thành carbamate ammonium, rồi tách nước thành urea xảy ra đồng thời
5.3.4. Pyridine
Tính chất vật lý [1] - Tên: Pyridine
- Công thức phân tử: C5H5N - Công thức cấu tạo:
- Là chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, dễ cháy, tỷ trọng d420 = 0,9827; độ khúc xạ nD20 = 1,50920; tạo hỗn hợp đẳng phí với nước theo tỷ lệ 1:3 ở nhiệt độ sôi là 92-930C; Tan trong cồn, nước, ether, dầu hỏa. Là dung
môi tốt cho các hợp chất hữu cơ, vô cơ. Tính base yếu, tạo muối với các acid mạnh pKA = 5,19.
- Khối lượng phân tử: M = 79,10 - Nhiệt độ nóng chảy: -41,60C - Nhiệt độ sôi: 115,20C
Tính chất hóa học [40]
- Tính thơm của pyridine kém benzene khi thể hiện phản ứng thế electrophyl và được chứng minh bằng cách nitro hóa quinoline thì nhóm NO2+
vào nhân benzene chứ không vào nhân pyridine
- Pyridine có thể tham gia phản ứng thế nucleophyl, chẳng hạn đun pyridine với NaOH ở 4000C sẽ có nhóm OH- thế vào vị trí α.
- Vì pyridine là base bậc 3 nên nó có thể dễ dàng kết hợp với các ankyl halogenua hay sulfate và các tác nhân ankyl khác. Muối pyridine bậc 4 kết tinh tốt
Do đó có khả năng hòa tan rất tốt các muối vô cơ và các chất hữu cơ nên pyridine được dùng làm dung môi rất tốt, chất giữ HX trong các phản ứng axyl hóa.
Điều chế [40]
5.3.5. Acetic anhydride
Tính chất vật lý [1] - Tên: acetic anhydride - Công thức phân tử: C4H6O3
- Công thức cấu tạo:
- Là chất lỏng, nặng mùi acetic, tỷ trọng d420 = 1,080; độ khúc xạ nD20 = 1,3904; tan trong nước tạo thành acid acetic, trong cồn tạo thành ethyl acetate
- Khối lượng phân tử: M = 102,09 - Nhiệt độ nóng chảy: -730C - Nhiệt độ sôi: 1390C
Tính chất hóa học [41]
- Tham gia phản ứng N-acetyl hóa
- Tham gia phản ứng C-acetyl hóa
Điều chế [41]
- Cho sodium acetate tác dụng với các muối vô cơ chloride
- Trong công nghiệp acetic anhydride được sản xuất bằng cách nhiệt phân acid acetic
5.4. Phương pháp khác điều chế hợp chất trung gian N-phthaloyl-DL- glutamic anhydride (2) [42]
Bước 1: Điều chế (1-chloro-1,3-dihydro-3-oxo-1-isobenzofuranyl)- phosphonic acid diethyl ester (25)
Cho 28 g phthaloyl chloride (138 mmol) vào bình cầu dung tích 250 ml có trang bị khuấy từ và phễu nhỏ giọt. Đung nóng dung dịch tới 500C và cho từ từ 22,9 g triethylphosphite (138 mmol) trong 0,5 giờ bằng phễu nhỏ giọt. Sau đó tiếp tục duy trì khuấy ở nhiệt độ này trong 0,5 giờ tiếp theo. Trong 2 giờ sau, khuấy hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ phòng tới khi ngừng thoát khí. Trong suốt quá trình phản ứng, bơm chân không được duy trì để loại bỏ lượng khí sinh ra. Sau phản ứng, thu được 41,7 g (1-chloro-1,3-dihydro-3-oxo-1-
isobenzofuranyl)-phosphonic acid diethyl ester (25) đạt độ tinh khiết 99% (xác định bằng sắc ký lớp mỏng TLC) và được sử dụng ngay cho giai đoạn sau không cần qua tinh chế.
Bước 2: Điều chế N-phthaloyl-L-glutamic acid
Cho 36,5 g Na2CO3 (0,17 mol) vào 170 ml nước, khuấy đều trong bình cầu dung tích 500 ml. Hòa tan 25 g L-glutamic acid (0,17 mol) vào dung dịch trên, khuấy ở nhiệt độ phòng. Sau 15 phút, cho 51,8 g (25) (0,17 mol) (thu được ở bước 1) vào và khuấy trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng. Hỗn hợp sau phản ứng được lọc loại kết tủa. pH của dung dịch duy trì ở 1-2 bằng HCl 6N. Hỗn hợp phản ứng tiếp tục được duy trì khuấy trong 2 giờ tiếp theo. Lọc, thu phần rắn, rửa với nước và sấy trong chân không và kết tinh lại trong ethyl acetate/hexane (nếu cần). Sản phẩm (N-phthaloyl-L-glutamic acid) thu được 32,6 g, hiệu suất 70%, có điểm chảy 159-1610C. Đánh giá độ tinh khiết bằng sắc ký lớp mỏng TLC (Silica gel), hệ dung môi Butan-1-ol:nước:acetic acid = 3:1:1.
Bước 3: Điều chế N-phthaloyl-L-glutamic anhydride
Cho 10 g (2) (36,1 mol) thu được ở bước 2 vào 40 ml acetic anhydride trong bình cầu dung tích 250 ml có trang bị khuấy từ và ống CaCl2 để làm khô. Dung dịch được đun nóng tới 650C trong 15 phút. Thêm nhanh một lượng nhỏ acid sulfuric đặc (300 μl) vào hỗn hợp. Khuấy đều hỗn hợp phản ứng trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng. Phần kết tủa màu trắng được làm lạnh và lọc. Chất rắn thu được rửa với diethyl ether để loại acetic acid/acetic anhydride dư. Cuối cùng, thu được 7,1 g N-phthaloyl-L-glutamic anhydride (hiệu suất 76%), có điểm chảy 196-1980C.
PHẦN 2. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 1. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ DỤNG CỤ
1.1. Nguyên vật liệu
Phthalic anhydride loại P. của Trung Quốc.
L-glutamic acid loại P. của Hungary.
Urea loại P. của Trung Quốc.
Acetic anhydride loại P. của Đức.
Dung môi pyridine, acetone, diethyl ether, formic acid, isopropanol, chloroform, methanol tất cả được cất lại trước khi sử dụng.
1.2. Dụng cụ
Bản mỏng sắc ký silica gel đế nhôm Art 5562 DC – Alurolle Kieselgel 60 F254 (Merck).
Bình cầu 1 cổ dung tích 100 ml, bình cầu 3 cổ dung tích 100 ml, bình cầu 200 ml, nhiệt kế, cốc thủy tinh, ống đong, hệ thống phễu lọc, máy khuấy từ gia nhiệt, hệ thống sinh hàn xoắn, cân điện tử độ chính xác 1%.
Đèn tử ngoại bước sóng 254 nm, đèn hồng ngoại.
Máy đo điểm chảy BOETIUS-MK (Đức) tại Phòng thí nghiệm bộ môn CN Hóa Dược & Hóa chất BVTV – Khoa Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Phổ 1H-NMR ,13C-NMR và DEPT đo trên máy Brucker AC 500 (500MHz, DMSO) tại Viện Hóa học – Viện Khoa học tự nhiên và Công nghệ Việt Nam.
Phổ IR đo trên máy FT-IR 1000 của hãng Varian (Mỹ) tại phòng Dược học và các hợp chất tự nhiên - Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng Sinh - Y – Dược học – Học viện Quân Y.
Phổ MS đo trên máy phổ khối 5989 B MS thuộc Viện Hóa học – Viện Khoa học tự nhiên và Công nghệ Việt Nam.
1.3. Dung môi chạy sắc ký
Chloroform : isopropanol : formic acid = 75 : 20 : 5
2. TỔNG HỢP THALIDOMIDE
2.1. Điều chế N-phthaloyl-DL-glutamic anhydride (2) [26]
Phương trình phản ứng:
Cách tiến hành:
Đun hồi lưu trong 2 giờ hỗn hợp L-glutamic acid (4) (8,2 g; 0,055 mol) và phthalic anhydride (5) (8,2 g; 0,055 mol) trong 30 ml pyridine. Sau khi cất kiệt pyridine (1 giờ) dưới áp suất chân không, thu được phần dịch đặc, màu vàng sẫm. Để nguội dịch này tới nhiệt độ phòng, sau đó thêm vào 23 ml acetic anhydride. Trong quá trình đun nóng hỗn hợp, tại thời điểm bắt đầu hồi lưu, xảy ra sự sôi mãnh liệt. Sau khoảng 1 phút hiện tượng này dừng, tiếp tục đun hồi lưu hỗn hợp trong 30 phút. Sau đó tiến hành cất loại 12 ml dung môi Ac2O (1/2(*) lượng dung môi sử dụng ban đầu, quá trình cất loại diễn ra trong 40 phút, dưới điều kiện áp suất chân không). Phần dịch còn lại được kết tinh ở nhiệt độ phòng, để qua đêm.
Xử lý, tách loại: Lọc hút kiệt dịch, thu được tinh thể màu trắng. Ngâm tinh thể này với 20 ml ether khan (diethyl ether Et2O) trong 15 phút để loại acetic acid/acetic anhydride và pyridine còn dư. Sản phẩm cuối cùng được lọc, rửa với ether khan, sấy khô tới khối lượng không đổi.
Kết quả:
Thu được 10,93 g, hiệu suất 76,16%.
Tinh thể màu trắng tinh.
Nhiệt độ nóng chảy: (190 ÷ 192) – (196 ÷ 197).
Rf = 0,2 với hệ dung môi chạy sắc ký chloroform : isopropanol : formic acid = 75 : 20 : 5.
Thực hiện một số mẻ phản ứng khác để làm nguyên liệu cho giai đoạn điều chế thalidomide: TT (5) (4) VP. (ml) VA. (ml) VE. (ml) Sản phẩm Hiệu suất (g) (mol) (g) (mol) (g) (%) 1 16,3 0,11 16,3 0,11 60 45 40 21,6 75.8 2 32,6 0,22 32,6 0,22 120 90 50 44,02 77,2 3 32,6 0,22 32,6 0,22 120 90 50 44,04 77,2 4 32,6 0,22 32,6 0,22 120 90 50 42,92 75,3 5 32,6 0,22 32,6 0,22 120 90 40 38,68 67,7 Chú thích:
- VP. : Thể tích dung môi pyridine sử dụng.
- VA. : Thể tích dung môi acetic anhydride sử dụng. - VE. : Thể tích diethyl ether sử dụng.
Tinh chế:
Nghiền nhỏ, mịn 10 g N-phthaloyl-DL-glutamic anhydride (2) thô, cho vào bình cầu 1 cổ dung tích 100 ml có chứa 40 ml dung môi acetone. Đun sôi, hồi lưu trong thời gian 30 phút dưới điều kiện khuấy trộn (máy khuấy từ). Sau đó gạn bỏ cặn, thu lấy dịch. Dịch này được kết tinh tự nhiên ở nhiệt độ phòng.
Sau khi bay hơi tự nhiên 10 ml (trong quá trình kết tinh), làm lạnh hỗn hợp bằng nước đá trong 15 phút rồi lọc, rửa. Tinh thể hình kim thu được có màu trắng tinh, nhiệt độ nóng chảy (195 ÷ 196) – (200 ÷ 201). Hiệu suất 85% (khối lượng: 8,5 g).
Tiến hành kết tinh lại tương tự với lượng N-phthaloyl-DL-glutamic anhydride trên, hiệu suất trung bình 78%.
Lưu ý: (*): Lượng dung môi Ac2O cất ra có ảnh hưởng tới hiệu suất phản ứng. Nếu cất ít quá, hiệu suất sẽ thấp do sản phẩm hòa tan một lượng trong phần dịch còn lại. Nếu cất nhiều quá, dịch còn lại có độ nhớt cao, gây khó khăn cho quá trình tách sản phẩm (vì ở các tạp chất ở nồng độ cao cũng kết tinh cùng với sản phẩm), làm giảm hiệu suất.
Cấu trúc của hợp chất N-phthaloyl-DL-glutamic anhydride điều chế ra được xác định qua các dữ liệu phổ IR, 1H-NMR, 13C-NMR và MS:
• IR υmax (KBr, cm-1): 3469,20 (υip(C=O)2 + υop(C=O)2); 3067,52 và 2924,06 (υC-H no (CH và CH2), dao động hóa trị (stretching vibration); 1817,21 (υC=O anhydride vòng no (symmetric)); 1775,97 và 1715, 70 (υphthalimide (symmetric và asymmetric)); 1474,60 (υC-H no (CH và CH2), dao động biến dạng (bending vibration)); 1230,34 và 973,38 (υC-O vòng anhydride); 719,59 (υC-H thơm).
• 1H-NMR (DMSO) δ (ppm): 7,855 – 7,907 (m, 4H, H-5,6,7,8); 4,794 – 4,823 (m, 1H, H-13); 2,339 – 2,313 (m, 4H, H-17 và H-12). • 13C-NMR (DMSO) δ (ppm): 173,666 (C-16); 170,283 (C-14); 167,470 (C-1 và C-3); 134,776 (C-6 và C-7); 131,288 (C-4 và C-9); 123,366 (C-5 và C-8); 51,142 (C-13); 30,428 (C-17); 23,746 (C-12). • MS: m/z = 259(M+, 37), 214(15), 186(100), 173(88), 148(14), 130(34),
2.2. Điều chế thalidomide 2.2.1.Phương trình phản ứng
2.2.2. Cách tiến hành
2.2.2.1. Quy hoạch thực nghiệm [43]
Tiến hành quy hoạch thực nghiệm với sự trợ giúp của phần mềm MODDE 5.0 (Umetrics Inc.). Quá trình thao tác trên MODDE 5.0 được mô tả bằng hình vẽ bên dưới:
Khởi động chương trình MODDE 5.0:
Mở một trình làm việc mới bằng việc chọn Menu File New
Chọn tên trình làm việc mới là Thalidomide
Khai báo biến đầu vào
Thực hiện khai báo các biến đầu vào là các thông số cần khảo sát của giai đoạn 2 quy trình tổng hợp thalidomide:
1. Biến nhiệt độ:
a. Tên biến: Temperature (viết tắt là temp). b. Đơn vị đo: độ C (oC).
c. Thuộc tính của biến: Là biến có thể kiểm soát thông số (controlled), biến định lượng nhiều mức (Quantitative multilevel): 165, 175, 185.
2. Biến thời gian:
a. Tên biến: Time (viết tắt là time). b. Đơn vị đo: phút (minute).
c. Thuộc tính của biến: có thể kiểm soát thông số (controlled), biến định lượng nhiều mức (Quantitative multilevel): 15, 20, 25.
3. Biến tỷ lệ mol:
a. Tên biến: Ratio (U/A) (viết tắt là ratio). Định nghĩa: là tỷ lệ mol giữa urea và N-phthaloyl-DL-glutamic anhydride tham gia phản ứng.
b. Thuộc tính của biến: có thể kiểm soát thông số (controlled), biến định lượng nhiều mức (Quantitative multilevel): 1:1; 2:1; 3:1.
Khai báo biến đầu ra
Đối với trường hợp quy hoạch thực nghiệm cho giai đoạn điều chế
thalidomide, chỉ có một biến đầu ra duy nhất là hiệu suất (Field) a. Tên biến: Field (field).
b. Đơn vị: %.
Lựa chọn mô hình Screening (phát hiện các nhân tố quan trọng tại giai đoạn đầu của phương pháp, sử dụng mô hình đường – mô hình bậc 2, và mô hình tương tác bên trong). Chọn Screening Ojective khi :
Chúng ta bắt đầu xem xét và biết được một ít những ảnh hưởng qua lại của một vài biến đầu vào trên biến đầu ra, hoặc biết về những hoạt động của biến đầu ra trong một giới hạn thực nghiệm hay biết về kích thước thực tế của vùng thực nghiệm đó.
Mục đích của chúng ta là làm giảm số lượng những factor (yếu tố), chỉ giữ lại những yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất trong biến đầu ra. Lựa chọn này phù hợp cho tất cả các loại factor.
Trong trường hợp cụ thể quy hoạch thực nghiệm cho giai đoạn tổng hợp
thalidomide, chúng ta chọn mô hình Screening Objective là hoàn toàn phù hợp
Chọn mô hình bậc 2 L9 ba mức (3 mức cho mỗi yếu tố, số thực nghiệm phải tiến hành là 9). Cuối cùng, ta thu được bảng số liệu định hướng thực nghiệm với yêu cầu: số lượng thực nghiệm là nhỏ nhất nhưng thu được lượng thông tin lớn nhất..
2.2.2.2. Tiến hành thực nghiệm
Thực hiện phản ứng:
Nghiền nhỏ, trộn đều x (g) N-phthaloyl-DL-glutamic anhydride với y (g) urea. Gia nhiệt cách cát trên bếp khuấy từ gia nhiệt. Hỗn hợp phản ứng nóng chảy ở > 1000C. Duy trì nhiệt độ hỗn hợp phản ứng tại T0C trong thời gian t (phút) (trong suốt thời gian phản ứng, NH3 và CO2 thoát ra mãnh liệt, khí thoát