Tổng quan hoàn nguyên phi đối xứng một số Ceton

Tổng quan hoàn nguyên phi đối xứng một số Ceton

IG QUAN

1.1 PHAN UNG HOAN NGUYEN HOP CHAT CARBONIL

1.1.1 ĐỊNH NGHĨA

Phần ứng hoàn nguyên là một quá trình cho nhận điện tử lam giảm trạng thái oxid hóa Trong đó hóa học hữu cơ thi phan ứng hoàn nguyên thường là phần ứng cộng

: ^ a Ay{2

hidrogen vào một chất”

—————-

Phan ứng hoàn nguyên giữ vai trỏ rất quan trọng trong hóa học hữu cơ, nó có thê

xây ra với nhiều loại hợp chải khác nhau, ở đây chúng tôi chỉ quan tâm đến phản

ứng hoàn nguyên hợp chật carbonil thành alcol tương ứng

112 MỘT SỐ TÁC NHÂN HOÀN NGUYÊN HỢP CHAT CARBONIL THƯỜNG ĐÙNG

1.1.2.1 Hỗn hẳng Hg-Na

Tác chất này có thê hoàn nguyên aldehid và ceton thánh alcol Khả năng hoàn nguyên của hôn hông phụ thuộc vào độ tỉnh khiết của nó

OH

H 1.1.2.2 Na trong aicol

Phương pháp này rất tết để hoàn nguyên ester Tuy nhiên với aldehid và ceton phản ứng cho hiệu suất thập

OH

Oo

A

1.1.2.3 Phan dng Meerwein — Pondorf — Veriey

Nguồn cấp H là các alkoxid, thường dùng isopropoxid nhôm Al(Oi-Pr)s, cả aldehid ;?^

và ceton đều cho phản ứng nhất là aldehid

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Trang 2

TONG QUAN

O

J Al(O¿-Pr); RCH;OH

i-PrOH

1.1.2.4 Cac hidrur kim loai LiAIH,, NaBH, KBH4

Đây là tác nhân hoàn nguyên rất tốt cho hợp chất carbonil Độ phán ứng theo thứ tự LiAIH¿ > KBH¿ > NaBH¡ LiAIH¿ có hoạt tính mạnh nhất, có thể hoàn nguyên acid,

dẫn xuất của acid, nitril, carbonil, NaBH¿ có hoạt tính yếu hơn nên chỉ hoàn nguyên aldehid và ceton

ye LIAIH¿ hoặc NaBH¿

HạO”

1.1.2.5 Hidrogen hóa xúc tác Ni Raney

Phản ứng xảy ra khó khăn hơn sự hoàn nguyên nối đôi C=C nên phải thực hiện ở nhiệt độ cao và áp suât cao Phản ứng không có tính chọn loc vi nêu phân tử carbonil

có nôi đôi C=C thì nó cũng sẽ bị hoàn nguyên

Ni, p, A

Các tác chất này có ưu điểm là cho hiệu suất cao trong một thời gian ngắn, có thé thực hiện với nhiều loại chất nénl® 922) Tuy nhiên phản ứng không có độ chọn lọc

đôi phân (chỉ thu được một hôn hộp tiêu triển)

Trong khi đó nhu cầu các hợp chất thủ tính ngày càng tăng, nên nhiều phương pháp hoàn nguyên phi đối xứng hợp chất carbonil đã được đề nghị, nhất là trong những năm gân đây

1.1.3 MỘT SÓ PHƯƠNG PHÁP HOÀN NGUYÊN PHI ĐÓI XỨNG CETON

1.1.3.1 Dùng tác chất phi đối xứng

Tác chất hidrur: chủ yếu là các dẫn xuất của LiAIH¿, NaBHy LiAlHy phan ứng với một số alcol phi đối xứng để tạo thành các dẫn xuất LiA1H (OR’), phi đối xứng

————m—m——————>ờỪừ>>>>>2azaz2?ïrsa2anananannnam

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Trang 3

TÔNG QUAN

được sử dụng để hoàn nguyên phi đối xứng ceton Các alcol thường dùng là: (+)- borneol, (-)-mentol, (-)-quinin, (-)-ephedrin!"* ??,

Jk LiAIHOR* Ae

— Ph R + OH

R'OH ee%

(-)-Ephedrin 25

1.1.3.2 Dùng xúc tác phi đối xứng

Nhiều xúc tác cho phản ứng hidrogen hóa phi đối xứng ceton đã được điều chế và sử dụng Đa sô là phức chât của kim loại chuyên tiệp (Ru, Rh, .) và các phối tử phi đôi xứng (các dân xuât ferrocenil)f?L

J RuBr,(R)-(6,6")-diamBINAP A Neon

ee = 94%

HạN

Ph

mG

\ Br

RG

\

Phy

HạN

DiamBINAP: diaminometil-2,2’-bis(diphenilphosphino)-1,1’-binaptil

Các phương pháp hóa học trên có nhược điểm là sử dụng nhiều loại hóa chất độc hại

với môi trường, đắt tiền, phản ứng khó thực hiện và có tính chọn lọc đối phân thấp

Trong khi đó những phản ứng tương tự và phức tạp hơn nhiều như các quá trình trao đổi chất trong tự nhiên lại được thực hiện dễ dàng nhờ các xúc tác sinh học (enzim) với độ chọn lọc rất cao Do vậy thời gian gần đây các nhà hóa học đã đặc biệt quan

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Trang 4

TÔNG QUAN

tâm sử dụng xúc tác sinh học vào trong các phản ứng hóa học và đã thu được nhiều

thành tựu đáng kê Những hiệu quả mà xúc tác enzim mang lại đã thúc đây sự phát triên nhanh chóng của lĩnh vực nghiên cứu này

Có nhiều enzim có thể xúc tác cho phản ứng hoàn nguyên hợp chất carbonil trong đó quan trọng nhất là enzim alcol dehidrogenaz Vì để tài này nghiên cứu phản ứng hoàn nguyên phi đối xứng một số hợp chất carbonil nên có liên quan trực tiếp đến alcol dehidrogenaz do đó sau đây là giới thiệu sơ lược về enzim này

1.2 GIỚI THIỆU ENZIM 4LCOL DEHIDROGENAZ (ADH)

1.2.1 Giới thiệu chung

Enzim này thuộc hệ thống các enzim xúc tác cho các phản ứng oxid hóa khử sinh học có vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hóa như: quá trình lên men,

hô hap? x1)

Alcol dehidrogenaz (1.1.1.1) la enzim đầu tiên của nhóm 1 (nhóm có coenzim là nicotinamid adenine dinucleotid (NAD) hod&c nicotinamid adenine dinucleotid phosphat (NADP)) thuộc tổ 1 (tác dụng lên nhóm >CH-OH) và thuộc loại 1 (xúc tác cho phản ứng oxid hóa khử) 4DÐH thuộc loại enzim hai cấu tử với coenzim là NAD hoặc NADP

O N

Hy

O=P—O ‹ +2 O=P—O- 3

OH OH(PO;2) OH OH(PO;*) NAD(P) NAD(P)H

NAD va NADP dù khá giống nhau về cầu tạo nhưng trong một số trường hợp không thê thay thế được cho nhau Các coenzim này nôi với enzim 4DH qua trung gian ion Zn”

Enzim alcol dehidrogenaz là enzim xúc tác cho phản ứng khử hidrogen của alcol nhưng đây là phản ứng thuận nghịch nên 4H cũng xúc tác cho phản ứng ngược lại

_—

ig phan ing hidrogen hóa nỗi đôi C=O và đây cũng là phan tng ma thuc té ADH xic tác trong một số quá trình trao đổi chất của vị sinh vật như quá trình 1én men? 131

Cơ chế phản ứng:

qÌcol dehidrogenaz

=————

Aleol + NAD@Œ Aldehid (hay ceton} + NADPŒ() + H

ˆ + alcol dehidrogenaz

ADH chứa hai ion Zn”” (một ion giữ cho cơ cấu enzim ổn định và một ion tham gia

vào quá trình xúc tác), và bị ức chế bởi các kim loại nặng, có pH tối ưu là 8.6-9.0

điểm đẳng điện là 5.4,

4.2.2 Ung dung cia alcol dehidrogenaz trong tông hợp hữu cơ

Một trong những ứng dụng quan trọng của 4Ð trong tông hợp hữu cơ là xúc tác cho phản ứng hoản nguyên hop chất carbonil Do đó, để hoàn nguyên hợp chất carbonil thành alcol thì cần phải có NADŒ)H Tuy nhiên, các coenzim này kém bên

và rất đắt tiền nên không thể sử dụng với số lượng lớn như là tác chất mà cần phải tái sinh nó ngay trong môi trường phản ứng (đây cũng là hạn chế lớn nhất khi sử dụng ADHY 7)

Nhiều ceton có thể được h hoàn nguyên phi đối xứng sử dụng xúc tác là enzim ADH với độ chọn lọc đối phân rất cao, một sô phản ứng đã được sử dụng trong sản xuất ở qui mô công nghiệp Một số 4ÐH được dùng để hoàn nguyên phi đối xứng ceton nih:

Enzim forse liver alcol dehidrogenaz GILADH) là ADH được trích từ gan ngựa Enzim thermoanerobacter brocki alcol dehidrogenaz (TBADH) là ADH duoc trich tt vi khuan Thermoanaerobium brockii

Enzim yeast alcol dehidrogenaz (YADH) \a ADH Gugc trích từ nắm men

HLADH: Enzim nay có khả năng tác dụng lên nhiều loại chải nên trong đó hiệu qua nhất là các ceton vòng có kích thước trung bình (từ 4 đến 9 nguyên fử) và các ceton hai vòng

HEADH

]————

œ

ee > 98%

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HOC - Trang 6

TBADH: TBADH không tác dụng lên các ceton chi phương, khá bền nhiệt (tối đa lên

đến 82 °C) và có thê chịu được dung môi hữu cơ nên rât hữu ích trong tổng hợp hữu

cơ,

H

oO

3

YADH: YADH chỉ tác dụng lên một số ít chất nền như aldehid và metil ceton

Như đã đề cập ở trên, việc sử dụng enzim A41DH cô lập để hoàn nguyên hợp chất carbonil gặp khó khăn lớn nhất là tái sinh coenzim, việc tái sinh coenzim bằng hóa chất thi dit tiền, khó thực hiện và cho hiệu quả Điều này có thể khắc phục dễ dàng khi sử dụng toàn bộ tế bào vị sinh vật, hệ enzim có sẵn trong tế bào sẽ giúp tái sinh coenzim rất hiệu quá

Dưới đây là một số ví dụ về phân ứng hoàn nguyên phi đôi xứng sử dụng xúc tác là

hệ enzim có trong tê bào

1.2.2.1 Dùng xúc tác là hệ enzim cổ trong tế bào nằm men

Nhiều ceton có thế được hoàn nguyên pai đối xứng sử dụng xúc tác là hệ enzim co

(21, 26, 27, 28]

trong tế bào nắm men nhu Rhodotorula’’**"|, nam men banh mi (NMBM)} “en với độ chọn lọc rất cao

Rhodotorula sp AS2.2241

la-3a

1b NO, >99

R CH¿ R OH

IAN VAN THAC ST KHOA HOC HOA HOC

TÔNG QUAN

| 2b 4-NO;C,H, 96.0

2c (CH;);CH=CHCH;CH; 94.0 2d COOC;H; 93.0 2e CH,COOCH; 97.0

1.2.2.2 Dùng xúc tác là hệ enzim có trong tế bào của một số loại thực vat

Tương tự như hệ enzim có trong tế bào Rhođoforuia, nẫm men bánh mì, hệ enzim có trong tế bào thực vật!” ?* 3! cũng có khả năng hoàn nguyên ceton thành alcol nhị cap có tính quang hoạt Dưới đây là một sô ví dụ về phản ứng hoàn nguyên phi đối xứng một số hợp chất ceton sử dụng xúc tác là hệ enzim trong tế bào thực vật”, Hoàn nguyên phi đối xứng acetophenon

ft

thuc vat

Thực vật Bộ phận sử dụng ee(%)

Thi la (Foeniculum vulgare) Cuống 100.0

Cây bí ngé (Cucurbita maxima) Hoa 90.0

Cây atis6 (Cynara scolymus) Cuống hoa 48.0

Hoàn nguyên phi đối xứng sulcaton

thực vật

CH; OH

_—_——-——

LUAN VAN THAC SI KHOA HOC HOA HOC Trang 8

TONG QUAN

| Thue vat Bo phan sw dung ee (%)

Thi 1a (Foeniculum vulgare) Cuống 90 Cây bí ngô (Cucurbita maxima) Hoa 40

Cây chuéi (Musa sapientum) Qua 66

1.3 GIỚI THIỆU CÀ RÓT

1.3.1 Mô tả cây

Tén khoa hoe: Daucus carota L

Ho: Apiace (Hoa tan)

Tên thường gọi: cà rốt

Cà rốt là loại cây thảo sống hàng nam Ré trụ, nhẫn, hay có lông Lá mọc so le, không có lá kèm, bẹ khá lớn, phiến lá xẻ lông chim, càng gần phía đầu càng hẹp Hoa tập hợp thành tán kép, tán nhỏ, màu hoa trắng hồng hay tía, để hoa khum lõm

Cà rốt là một trong những cây hàng đầu về giá trị dinh dưỡng trong các loại rau củ thường dùng

1.3.2 Phân loại

Có hai loại cà rốt:

- Củ có mau đỏ tươi

- Củ có màu ngả sang màu da cam

=——————— — -— ——_-_ ———-

LUAN VAN THAC SI KHOA HOC HOA HOC Trang 9

TÔNG QUAN

1.3.3 Phân bố

Net nón n gốc của cây cả rốt là từ Pháp, nhưng hiện nay được trồng phổ biến ở các

€ phương Tây và phương Đông ng

Ở Việt Nam cà rốt được trồng phê biến ở miền Bắc và ở Đà Lạt `”,

Cà rết sử dụng trong đề tài này được trồng ở Đà Lạt

1.4 ỨNG ĐỤNG CỦA CỦ CẢ RÓT TRONG TONG HOP HOU CO

Một ứng dụng đặc biệt của củ cả rốt trong tổng hợp hữu cơ là xúc tác cho phản ứng hoàn nguyên phi đối xứng hợp chất carbonil Các enzim xúc tác cho phân ứng này la: aleol dehidrogenaz, reductaz”Ì, Củ cà rốt tươi chứa rất nhiều loại enZim alcol

dehidrogenaz và reductaz khác nhau cho nên khác với các enzim cô lập nó có khả

năng tác dụng lên nhiêu loại chất nên Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng có ảnh hướng đến phản ứng như: nhiệt độ, pH, môi trường, nồng độ chất nên, tỉ lệ giữa khối

lượng xúc lác và chất nền, các chất ức chế enzim,

Phan ứng h toàn nguyên một số hợp chất ceton tiền thủ tính sử dụng xúc tác là hệ enzim trong té bao của củ cà rốt sẽ thu được alcol có một đấi phân chiếm ưu thế Tuy nhiên sản phẩm ưu đãi cũng còn tùy thuộc vào cơ cầu chất nền và điều kiện phản ứng

Ngoài ADH, ca rốt còn chứa một số enzim khác như, Aidrolaz, lactat dehidrogenaz (LDH)" 15, 20,29] Mên ngoài khả năng xúc tác phản ứng hoàn nguyên hợp chất carbonil, cà rốt cũng xúc tác cho một số phân ứng khác như thủy giải ester Tuy nhiên áp dụng phô biến của cà rốt trong tổng hợp hữu cơ vẫn là phản ứng hoàn nguyên hợp chất carbonil nhất là ceton

Đưới đây là một số ví dụ về ứng dụng của củ cà rốt trong phản ứng hoàn nguyên phi đỗi xứng một số hợp chất ceton

1.4.1 Hoàn nguyên phí đối xứng các ceton chỉ phương,

Củ cà rết tươi có thế hoàn nguyên phi đôi xứng một số ceton chỉ phương bão hòa và bat bao hoall® 4),

LUẬN VĂN THẠC Sỉ KHOA HỌC HỌA HỌC Trang 1Ô

TÔNG QUAN

1.4.2 Hoàn nguyên phi đối xứng các ceton chỉ hoàn””!,

O

_Carot_ H

Ca rot

————>

tty

“` OH

Ry R3

Rị R, R; ee (%)

1.4.3 Hoan nguyén phi đối xửng Ø-cetoester

:ÌĐH KHOA HỌC TỤ NHIÊN

01718

TONG QUAN

Các đ-cetoester được hoàn nguyên dé dang khi str dụng xúc tác là củ cà rốt dé tạo thành Ø-hidroxiester, một trung gian quan trọng trong để tổng hợp nhiều pheromon côn tring, carotenoid, Ø-lactonlŠ: ”!

s\ Cà rối A

ee = 95%

1.5 GIOI THIEU MOT SO HOP CHAT TRONG DE TAI

1.5.1 PURUVAT ETII

Piruvat etil còn được goi la 2-oxopropanoat etil

O

617-35-6 C;H;O 116.12 2 CH;

Piruvat etil là một chất lỏng không màu có mùi thơm dễ chịu, tan một phần trong

nước, tan hoàn toàn trong alcol, eter,

-26 144 1.045 1.405

Piruvat etil là một œ-cetoester đơn gián nhất Tính chất hoá học do nhóm ceton và nhóm ester quyết định (có thể tham gia phản ứng thủy giải, cộng thân hạch, .) Piruvat etil có hoạt tính h chong oxid hoá, là chất trung gian trong tổng hợp hữu co, diéu ché duoc pham,

1.5.2 LACTAT ETIL

Lactat etil con dugc goi 14 2-hidroxilactat etil

a

TÔNG QUAN

Lactat etil CASRN CTPT MW CTCT

H

đụ,

CHO

(S)-(-) | [687-47-8] | C;HuO; 118.13 ‘CH;

OH

O

(S)-Lactat etil là một chất lỏng không màu, tan một phần trong nước, tan hoàn toàn

trong etanol, eter, cloroform, Ít tan trong eter dâu hỏa,

Phản ứng hoá học của lactat etil chủ yếu do nhóm hidroxi và nhóm ester quyết định bao gôm các phản ứng như: ester hoá, khử nước, thủy giải,

Lactat etil

(S)-(-)

t, CC) aye 20

Np

20

[a], -10

(S)-Lactat etil la một hợp chất quan hoạt quan trọng trong tổng hợp hữu cơ hiện đại,

là nguyên liệu để tổng hợp ra nhiều sản phẩm có giá trị như: lacton, các pheromon,

carotenoil, trong y học nó là chất trung gian quan trọng trong điều chế dược phẩm, 1.5.3 ACETOACETAT ETIL

Acetoacetat etil còn có tên là 3-oxobutanoat etil

CASRN CTPT MW CTCT

O O [141-97-9] CoH1903 130,14 J

C;H;O CH;

Acetoacetat etil là một chất lỏng không màu có mùi thơm dễ chịu, tan một phần

trong nước, tan hoàn toàn trong alcol, eter,

tac (°C) É, (0C) dy nw

Acetoacetat etil là một Ø-cetoester đơn giản nhất, nó có thể điều chế bằng phản ứng súc hợp Claisen Tính chất hoá học do nhóm ceton và nhóm ester quyết định (có thể tham gia phản ứng thủy giải, cộng thân hạch, .) Là một trung gian quan trọng trong tổng hợp hữu cơ

——————————————