Phân tích cấu trúc, hàm lượng của một số dẫn xuất 2 (4 clo 8 metyl quinolin 2 yl) 4,5,6,7tetraclo 1,3 tropolon bằng một số phương pháp hóa lý hiện đại

MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp phân tích cấu trúc đã giúp cho việc nghiên cứu trong các ngành Khoa học đặc biệt là Tổng hợp hữu cơ trở nên dễ dàng hơn, phát triển nhanh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐỖ VĂN HƯNG

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC, HÀM LƯỢNG CỦA

MỘT SỐ DẪN XUẤT YL)-4,5,6,7-TETRACLO-1,3-TROPOLON BẰNG MỘT SỐ

2-(4-CLO-8-METYLQUINOLIN-2-PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ HIỆN ĐẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐỖ VĂN HƯNG

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC, HÀM LƯỢNG CỦA

MỘT SỐ DẪN XUẤT YL)-4,5,6,7-TETRACLO-1,3-TROPOLON BẰNG MỘT SỐ

2-(4-CLO-8-METYLQUINOLIN-2-PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ HIỆN ĐẠI

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Dương Nghĩa Bang

THÁI NGUYÊN - 2016

LỜI CẢM ƠN

Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy PGS TS Dương Nghĩa Bang - Trưởng Khoa Hóa - Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Trường Đại Học Thái Nguyên, đã giao đề tài và trực tiếp hướng dẫn tận tình, giúp đỡ chu đáo cả

về tinh thần lẫn vật chất cần thiết trong suốt quá trình làm luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn:

- TS Phạm Thế Chính - Phó Khoa Hóa - Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Trường Đại Học Thái Nguyên, đã giúp tôi phân tích và xử lý kết quả

- Ban lãnh đạo khoa Hóa học trường Đại học Khoa học - ĐHTN, tập thể các thầy cô, anh chị và các bạn tại khoa Hóa học trường Đại học Khoa học

- ĐHTN đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

- Các thầy cô giáo phòng thí nghiệm Khoa Hóa - Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Trường Đại Học Thái Nguyên đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi

- Tất cả các thầy cô đã dạy dỗ em trong suốt quá trình học tập

Cũng nhân dịp này tôi bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến Chủ Tịch HĐQT, BGH, đồng nghiệp THPT Trần Nhân Tông - Đông Triều - Quảng Ninh, gia đình, người thân, bạn bè đã động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tôi về cả vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Tác giả luận văn

Đỗ Văn Hưng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN a MỤC LỤC b DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT d DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ e DANH MỤC CÁC HÌNH f

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về một số phương pháp xác định cấu trúc 3

1.1.1 Phương pháp phổ tử ngoại 3

1.1.2 Phương pháp phổ hồng ngoại 6

1.1.3 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 9

1.1.4 Phương pháp phổ khối lượng 11

1.2 Tổng quan về quinolin và tropolon 16

1.2.1 Quinolin 16

1.2.2 Tropolon 20

Chương 2 THỰC NGHIỆM 25

2.1 Thiết bị, hóa chất và phương pháp phân tích 25

2.2 Tổng hợp và kết quả phân tích các mẫu quinolin 25

2.2.1 Tổng hợp và kết quả phân tích 2,8-đimetylquinolin-4(1H)-on 25

2.2.2 Tổng hợp và kết quả phân tích 4-clo- 2,8-đimetylquinolin 26

2.2.3 Tổng hợp 5-nitro - 4-clo-2,8-đimetylquinolin 27

2.3 Tổng hợp và kết quả phân tích các mẫu tropolon 27

2.3.1 Tổng hợp và phân tích cấu trúc của 2-(4-clo-8- metyl quinolin -2- yl)- 4,5,6,7- tetraclo -1,3-troplon 27

2.3.2 Tổng hợp và phân tích cấu trúc của 2-(5-nitro-4-clo-8- metyl quinolin -2- yl)- 4,5,6,7- tetraclo -1,3-troplon 29

2.4 Phân tích hàm lượng chất thu được bằng phương pháp LC-MS 30

2.4.1 Hóa chất, thiết bị 30

2.4.2 Thiết lập các thông số cho hệ thống LC/MS 30

2.4.3 Chuẩn bị mẫu 30

2.4.4 Kết quả phân tích 30

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Tổng hợp và phân tích cấu trúc mẫu quinolin 31

3.1.1 Tổng hợp mẫu 7-clo-2,8- đimetylquinolin-4(1H)-on 31

3.1.2 Tổng hợp và phân tích cấu trúc mẫu 4-clo- 2,8-đimetylquinolin 31

3.1.3 Tổng hợp và phân tích cấu trúc mẫu 5-nitro-4,7-điclo - 2,8-đimetylquinolin 32

3.2 Kết quả tổng hợp và phân tích cấu trúc mẫu 4,5,6,7-tetraclo-1,3-tropolon 33

3.2.1 Kết quả phân tích cấu trúc của 2-(4-clo-8-metylquinolin-2-yl)-4,5,6,7- tetraclo-1,3-tropolon 35

3.2.2 Kết quả phân tích cấu trúc của 2-(5-nitro-4-clo-8-metylquinolin-2-yl)-4,5,6,7- tetraclo-1,3-tropolon 38

3.3 Kết quả phân tích hàm lượng 40

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Boc 2 O Di-tert-butyl dicacbonat

DIPEA hoặc DIEA N,N’-Di -iso-propyletyl amin

EDC 1-Etyl-3-(3-dimetylaminopropyl) cacbodiimit

ESI-MS Electrospray ionization - mass spectrometry

LC-MS Liquid chromatography - mass spectrometry

LDA Lithi diisopropyl amin

NMR Nuclear magnetic resonance

PyBOP Benzotriazol1yloxytripyrrolidinophosphon

-hexaflorophosphat

TBDMSCl ter-Butyl đimetyl clo silan

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 3.1: 31

Sơ đồ 3.2: 31

Sơ đồ 3.3: 32

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Một số hợp chất chứa hệ quinolin đã sử dụng làm thuốc 1

Hình 2: Tropolon và một số dẫn xuất tiêu biểu 2

Hình 1.1: Phổ hồng ngoại của benzyl ancol 7

Hình 1.2: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của benzyl axetat 10

Hình 3.1: Mật độ electron trên hệ quinolin 32

Hình 3.2: Phổ 1H-NMR của hợp chất 5 36

Hình 3.3: Phổ 13C-NMR của hợp chất 5 37

Hình 3.4: Phổ MS của hợp chất 5 37

Hình 3.5: Phổ 1H-NMR của hợp chất 6 38

Hình 3.6: Phổ 13C-NMR của hợp chất 6 39

Hình 3.7: Phổ MS của chất 6 40

Hình 3.8: Phổ đồ LC-MS của hợp chất 6 41

Hình 3.9: Phổ đồ MS của thành phần chính trong mẫu HUNG4 41

MỞ ĐẦU

Sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp phân tích cấu trúc đã giúp cho việc nghiên cứu trong các ngành Khoa học đặc biệt là Tổng hợp hữu cơ trở nên dễ dàng hơn, phát triển nhanh hơn Trước đây, để chứng minh cấu ta ̣o của một chất có thể mất hàng năm hoă ̣c có khi kéo dài nhiều năm thì nay có thể thực hiê ̣n sau vài giờ, sở dĩ làm được như vâ ̣y là nhờ sự hỗ trợ của các phương pháp phổ hiê ̣n đại

Để phân tích cấu trúc của các hợp chất hữu cơ có thể sử du ̣ng các phương pháp phổ như phổ hồ ng ngoại, phổ tử ngoa ̣i khả kiến, phổ cô ̣ng hưởng từ hạt nhân, phổ khối lượng Mỗi phương pháp cho phép xác đi ̣nh mô ̣t

số thông tin khác nhau và hỗ trợ lẫn nhau trong việc xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ

Quinolin là bộ khung chính trong một số ancaloit có hoạt tính sinh học cao như Quinin (thuốc chống sốt rét), Sopcain (làm thuốc gây mê), plasmoxin

và acrikhin (đều làm thuốc chống sốt rét hiệu quả)[1], saquinavir (thuốc điều trị HIV)[2]

Quinin N

OH N

t-Bu

H CONH2

OH

N O(CH2)3CH3

CHON(CH2)2N(C2H5)2

Sopcain

Hình 1: Một số hợp chất chứa hệ quinolin đã sử dụng làm thuốc

Trong khi đó, hệ tropolon là một trong những hệ chính trong một số hợp chất thiên nhiên, đa số những hợp chất đó (Hình 2) thể hiện những hoạt tính sinh học quí giá [3] như làm thuốc kháng sinh, chống ung thư, chống oxi hóa, kháng khuẩn [4] v.v

OH HOOC

R

Axit Stipitat R=H Axit Pyberul R=OH

OMe

O OMe

NR 1 R 2

H MeO

MeO

Colchicine R1=H, R2=COMe

Colxamine R1=R2=Me

Hình 2: Tropolon và một số dẫn xuất tiêu biểu

Kolsamin được sử dụng trong y học như thuốc chống mụn nhọt, chống các khối u, colchicin thể hiện hoạt tính chống khuẩn Mito[5] Trong tài liệu [6] cho biết về tổng hợp các dẫn xuất của Colchicin có thể hiện các hoạt tính kháng khuẩn lao và chống các loại khuẩn gây mụn nhọt Khoa học đã chứng minh được hoạt tính sinh học của o-alkyl tropolon và các hợp chất tương tự

đang được sử dụng làm thành phần chất ức chế tế bào ung thư [6]

Từ những lý do nêu trên, chúng tôi chọn đề tài: “Phân tích cấu trúc,

hàm lượng của một số dẫn xuất 2-(4-clo-8-metyl

chính của đề tài là sử dụng các phương pháp phổ hiê ̣n đa ̣i như 1H-NMR, 13NMR và phương pháp phổ khối lượng MS để phân tích cấu trúc của một số dẫn

C-xuất 2-(4-clo-8-metyl quinolin-2-yl)-4,5,6,7-tetraclo-1,3-tropolon tổng hợp

được Sử dụng phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao để xác định hàm lượng của sản phẩm trong các mẫu thu được

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về một số phương pháp xác định cấu trúc

1.1.1 Phương pháp phổ tử ngoại (UV) [7,8]

Phổ tử ngoại, viết tắt là UV (ultraviolet) là phương pháp phân tích được

sử dụng rộng rãi từ lâu Phương pháp dựa trên khả năng hấp thu chọn lọc các bức xạ (tử ngoại) chiếu vào dung dịch chất phân tích trong 1 dung môi nhất định Vùng sóng: tử ngoại (UV) 200 - 400 nm

Phổ tử ngoại của các chất hữu cơ gắn liền với bước chuyển electron giữa mức năng lượng electron trong phân tử khi các electron chuyển từ các obitan liên kết hoặc không liên kết lên các obitan phản liên kết có mức năng lượng cao hơn, đòi hỏi phải hấp thụ năng lượng từ bên ngoài

a Bước chuyển dời năng lượng

Ở điều kiện bình thường, các electron trong phân tử nằm ở trạng thái cơ bản, khi có ánh sáng kích thích với tần số thích hợp thì các electron này sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển lên các trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn

b Nhóm mang màu và sự liên hợp của các nhóm mang màu

Các chất có màu là do trong phân tử của các chất chứa các nhóm nối đôi hay nối ba như C=C, C=O, C=N, N=N, C≡ C, N ≡N, -NO2… Do vậy, chúng được gọi là nhóm mang màu Trong phân tử có càng nhiều nhóm mang màu liên hợp thì màu của chất sẽ càng đậm Các chất màu đậm khi đo phổ tử ngoại khả kiến cho λ max nằm ở vùng có bước sóng dài Do đó, những hợp chất hữu cơ có mạch liên hợp dài thì cực đại nằm ở phía sóng dài

- Liên hợp π - π

Loại này xuất hiện khi trong hợp chất có chứa các nối đôi liên hợp, các cực đại hấp thụ chuyển dịch mạnh về phía sóng dài và cường độ hấp thụ tăng khi số nối đôi liên hợp tăng

Etilen cho đỉnh hấp thụ cực đại ở 175 nm, butadien ở 217 nm còn của hecxatrien ở 274 nm

Đối với vòng benzen còn xuất hiện dải hấp thụ ứng với bước chuyển dời của hệ thống electron có bước sóng 256 nm được gọi là dải B

- Liên hợp π - p

Đây là sự liên hợp của nối đôi và cặp electron tự do ở các dị tố trong các liên kết đôi C=Z (Z=O, N, S…) và C-X (X=Cl, Br, I…) tương ứng với bước chuyển electron n  π* Sự liên hợp này dẫn đến sự chuyển dịch cực đại

về phía sóng dài nhưng cường độ hấp thụ thấp

- Liên hợp π - σ hay còn gọi là siêu liên hợp

Nhóm ankyl thế ở liên kết π gây ra hiệu ứng siêu liên hợp Hiệu ứng này làm cực đại hấp thụ chuyển dịch về phía sóng dài một ít nhưng không lớn như hai hiệu ứng trên, ε max không tăng hoặc tăng không đáng kể

Chuyển dịch bước sóng λ max về phía sóng dài: π p > π π > π σ

Sự tăng cường độ hấp thụ εmax: π π > π p > π σ

c Các yếu tố ảnh hưởng đến cực đại hấp thụ λ max và cường độ hấp

Trong phổ UV, đại lượng đặc trưng là λ max (εmax) và được xem xét căn

cứ trên sự liên hợp của phân tử

- Hiệu ứng thế

Khi thay thế nguyên tử H của hợp chất anken hay vòng thơm bằng các nhóm thế khác nhau, tùy theo nhóm thế đó có liên hợp hay không liên hợp đối với hệ nối đôi của phân tử mà ảnh hưởng nhiều hay ít đến phổ tử ngoại của phân tử Đối với các nhóm thế không liên hợp (như CH3, CH2OH,

CH2COOH) thì ảnh hưởng ít còn các nhóm thế liên hợp (như C=CR2, COOH,

OH, NO2… ) có ảnh hưởng mạnh làm chuyển dịch cực đại hấp thụ về phía sóng dài và tăng cường độ hấp thụ

- Hiệu ứng lập thể

Khi tính đồng phẳng của phân tử bị mất đi thì sự liên hợp của phân tử

bị phá vỡ, làm λ max giảm đi một ít nhưng ε max giảm nhiều, vì vậy có thể xem

ε max là căn cứ để so sánh tính đồng phẳng của một dạng phân tử cho trước

Ví dụ: Xét phân tử biphenyl thế orto: gọi là góc tạo nên giữa hai mặt phẳng chứa hai nhân phenyl, năng lượng liên hợp của phân tử được tính theo phương trình:

ΔE = Emaxcos2 ; Emax là năng lượng liên hợp khi = 0

- Ảnh hưởng của dung môi

Tùy theo bản chất phân cực của dung môi và chất tan mà phổ tử ngoại của chất tan thay đổi theo các cách khác nhau Khi tăng độ phân cực của dung môi thì dải K chuyển dịch về phía sóng dài còn dải R (n  π*) lại chuyển dịch về phía sóng ngắn

d Cấu tạo của phổ kế tử ngoại

Phổ tử ngoại được thiết kế đo cả vùng phổ từ 200 - 1000 nm Nó gồm hai loại: loại 1 chùm tia đo điểm và loại hai chùm tia quét cả vùng phổ Cả hai loại này đều gồm các bộ phận sau:

1 Ngồn sáng: dùng đèn Tungsten halogen (đo vùng 350-1000nm) và đèn đơteri hay đèn hiđro (đo vùng 200-350 nm)

2 Bộ chọn sóng: dùng kính lọc hoặc bộ đơn sắc Bộ đơn sắc dùng lăng kính chế tạo bằng thạch anh hoặc cách tử (vạch từ 2000 - 3600 vạch/mm)

3 Detectơ: phổ biến dùng tế bào nhân quang, có độ nhay và độ bền cao Một số máy hiện nay dùng detectơ là dàn diot gồm 1024 diot cho cả vùng tử ngoại và khả kiến

4 Bộ phận đọc tín hiệu: loại máy đo điểm thường có bộ phận đọc tín hiệu là đồng hồ đo điện thế hoặc bộ phận hiện số Máy hai chùm tia dùng bộ phận tự ghi hoặc ghép nối với máy vi tính và máy in

e Ứng dụng phổ tử ngoại

Phương pháp phổ tử ngoại có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực phân tích định tính, phân tích cấu trúc phân tử và phân tích định lượng Nguyên tắc của phương pháp phân tích định lượng là dựa vào mối quan hệ giữa mật độ quang và nồng độ dung dịch theo định luật Lambert - Beer Ưu điểm của phương pháp quang phổ tử ngoại trong phân tích định lượng là có độ nhạy cao, có thể phát hiện được một lượng nhỏ chất hữu cơ hoặc ion vô cơ trong dung dịch, sai số tương đối nhỏ (chỉ 1 đến 3%)

1.1.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

a Ứng dụng phương pháp phổ hồng ngoại trong phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ

Trong số các phương pháp phân tích cấu trúc, phổ hồng ngoại cho nhiều thông tin quan trọng về cấu trúc của hợp chất

Bức xạ hồng ngoại bao gồm một phần của phổ điện từ, đó là vùng bước sóng khoảng 10-4 đến 10-6 m Nó nằm giữa vi sóng và ánh sáng khả kiến Phần của vùng hồng ngoại được sử dụng nhiều nhất để xác định cấu trúc nằm trong giữa 2,5x10-4 và 16x10-6 m Đại lượng được sử dụng nhiều trong phổ hồng ngoại là số sóng (cm-1), ưu điểm của việc dùng số sóng là là chúng tỷ lệ thuận với năng lượng [9]

Khi chiếu các bức xạ hồng ngoại vào phân tử các hợp chất, bức xạ hồng ngoại sẽ kích thích phân tử từ trạng thái dao động cơ bản lên trạng thái dao động cao hơn Có 2 lại dao động khi phân tử bị kích thích là dao động hóa trị

và biến dạng, dao động hóa trị (ν) là dao động làm thay đổi độ dài liên kết, dao động biến dạng (δ) là dao động làm thay đổi góc liên kết

Đường cong biểu diễn cường độ hấp thụ với số sóng của bức xạ hồng ngoại được gọi là phổ hồng ngoại, trên phổ biểu diễn các cực đại hấp thụ ứng với những dao động đặc trưng của nhóm nguyên tử hay liên kết nhất định, (Hình 1.1)

Hình 1.1 Phổ hồng ngoại của benzyl ancol

Căn cứ vào phổ hồng ngoại đo được đối chiếu với các dao động đặc trưng của các liên kết, ta có thể nhận ra sự có mặt của các liên kết trong phân

tử Một phân tử có thể có nhiều dao động khác nhau và phổ hồng ngoại của các phân tử khác nhau thì khác nhau, tương tự như sự khác nhau của các vân ngón tay Sự chồng khít lên nhau của phổ hồng ngoại thường được làm dẫn chứng cho hai hợp chất giống nhau [9]

Khi sử dụng phổ hồng ngoại để xác định cấu trúc, thông tin thu được chủ yếu là xác định các nhóm chức hữu cơ và những liên kết đặc trưng Các pic nằm trong vùng từ 4000 - 1600 cm-1 thường được quan tâm đặc biệt, vì vùng này chứa các dải hấp thụ của các nhóm chức, như OH, NH, C=O, C≡N… nên được gọi là vùng nhóm chức Vùng phổ từ 1300 - 626

cm-1 phức tạp hơn và thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn là

để xác định nhóm chức Chính ở đây các dạng pic thay đổi nhiều nhất từ hợp chất này đến hợp chất khác, vì thế vùng phổ từ 1500 cm-1 được gọi là vùng vân ngón tay [9]

b Máy đo phổ hồng ngoại

Phổ kế hồng ngoại hiện nay gồm các loại: phổ kế hồng ngoại một chùng tia dùng kính lọc, phổ kế hồng ngoại hai chùng tia tán sắc và phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)

- Phổ kế hồng ngoại một chùm tia dùng kính lọc là loại đơn giản dùng cho phân tích định lượng khí Trong máy có hệ thống quang học và một bơm

để hút mẫu khí dùng nguồn pin

- Phổ kế hồng ngoại hai chùm tia tán sắc là loại phổ biến trước đây, máy ghi phổ quét cả vùng từ 4000 cm-1 đến 200 cm-1 có nối với bộ tự ghi hay máy vi tính

Sơ đồ phổ kế hồng ngoại hai chùm tia tán sắc từ nguồn sáng S1 phát ra hai chùm tia song song, một đi qua mẫu, một đi qua cuvet so sánh, sau đó chập lại qua khe vào S3 đến lăng kính (hoặc cách tử) rồi qua khe ra S4 đi đến detectơ

+ Nguồn sáng cho máy phổ hồng ngoại thường dùng đen Nernst (hỗn hợp oxit kim loại 85% ZrO2 và 15% Y2O3), đèn Globa (silic cacbua SiC2), đèn Nicrom (dây đốt niken - crom) Nhiệt độ đốt nóng khoảng 700 - 8000C

S: Lăng kính: gồm 3 cái được chế tạo từ các vật liệu KBr, NaCl và Lì vì mỗi loại chỉ cho một vùng ánh sáng hồng ngoại đi qua Cách tử chế tạo bằng thủy tinh, trên mỗi milimet được vạch từ 200 đến 300 vạch cách đều nhau

S: Detectơ: thường hay dùng là loại detectơ tế bào nhân quang, cặp nhiệt điện hoặc tỏa nhiệt

U: Cuvet: cuvet đo phổ hồng ngoại thường có hai loại cuvet đo mẫu lỏng và cuvet đo mẫu rắn

Cuvet đo mẫu lỏng (chất tinh khiết hay dung dịch) có cấu tạo gồm hai tấm cửa sổ bằng NaCl, KBr hoặc LiF, một vòng đệm ở giữa có độ dày bằng

độ dày cuvet, vòng đệm và giá đỡ bên ngoài, ở một tấm cửa sổ và giá đỡ có khoan hai lỗ để nạp mẫu Để kiểm tra chính xác độ dày cuvet, người ta đặt một cuvet không vào máy rồi đo trong một vùng bước sóng được tín hiệu phổ hình sin rồi tính theo công thức: d = ΔN/2(v1 - v2)

Với d là chiều dày lớn mỏng ΔN là số đỉnh cực đại, 1 và 2 là số sóng Các mẫu khí được đo bằng một cuvet đặc biệt, vì độ hấp thụ của các khí thấp nên đường ánh sáng đi qua mẫu phải dài Chiều dài thực của mỗi cuvet khí chỉ độ 10 cm nhưng đường ánh sáng đi qua phải dài hàng met, do đó cần

có một hệ thóng gương đặt trong cuvet để ánh sáng đi qua lại mẫu nhiều lần

1.1.3 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (CHTHN) là phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu cấu trúc của các hợp chất hữu cơ Phương pháp phổ biến được sử dụng là phổ 1H-NMR và 13C-NMR Hạt nhân của nguyên tử 1H và 13C có momen từ Nếu đặt proton trong từ trường không đổi thì moment từ của nó có thể định hướng cùng chiều hay ngược chiều với từ trường Đó là spin hạt nhân có tính chất lượng tử với các số lượng tử +1/2 và -1/2

Do hiệu ứng chắn từ khác nhau nên các hạt nhân 1H và 13C trong phân

tử có tần số cộng hưởng khác nhau Đặc trưng cho các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có độ chuyển dịch hóa học δ; đối với hạt nhân 1H thì:

) ( 10 6 ppm

o

x TMS







  

Trong đó: νTMS, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn TMS và của hạt nhân mẫu đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ

Đối với các hạt nhân khác thì độ chuyển dịch hóa học được định nghĩa một các tổng quát như sau:

) ( 10 6 ppm

o

x chuan

Dựa vào độ chuyển dịch hóa học  ta biết được loại proton nào có mặt trong chất được khảo sát Giá trị độ chuyển dịch hóa học không có thứ nguyên

mà được tính bằng phần triệu (ppm) Đối với 1H-NMR thì δ có giá trị từ 0-12 ppm, đối với 13C-NMR thì δ có giá trị từ 0-230 ppm

Hình 1.2 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của benzyl axetat

- Hằng số tương tác spin-spin J:

Trên phổ NMR, mỗi nhóm hạt nhân không tương đương sẽ thể hiện bởi một cụm tín hiệu gọi và vân phổ, mỗi vân phổ có thể bao gồm một hoặc nhiều hợp phần Nguyên nhân gây nên sự tách tín hiệu cộng hưởng thành nhiều hợp phần là do tương tác của các hạt nhân có từ tính ở cạnh nhau Tương tác đó

thể hiện qua các electron liên kết Giá trị J phụ thuộc vào bản chất của hạt

nhân tương tác, số liên kết và bản chất các liên kết ngăn giữa các tương tác

Hằng số tương tác spin-spin J được xác định bằng khoảng cách giữa

các hợp phần của một vân phổ Dựa vào hằng số tương tác spin-spin J ta có

thể rút ra kết luận về vị trí trương đối của các hạt nhân có tương tác với nhau

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân viết tắt của tiếng Anh là NMR (nuclear Magnetic Resonance) là một phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu cấu tạo của các hợp chất hữu cơ, nó có ý nghĩa quan trọng để xác định cấu tạo các phân tử phức tạp như các hợp chất thiên nhiên Phương pháp phổ biến được

sử dụng là NMR - 1H và phổ NMR - 13C [10]

1.1.4 Phương pháp phổ khối lượng (MS)

Phương pháp phổ khối lượng viết tắt là MS (Mass Spectrometry) có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc nghiên cứu xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ Dựa trên các số khối thu được trên phổ có thể xây dựng cấu trúc phân

tử hoặc chứng minh sự đúng đắn của công thức cấu tạo dự kiến

a Nguyên tắc chung

Nguyên tắc chung của phương pháp phổ khối lượng là phá vỡ phân tử trung hoà thành ion phân tử và các ion dương mảnh có số khối z = m/e (m là khối lượng còn e là điện tích ion) Sau đó phân tách các ion này theo số khối

và ghi nhân thu được phổ khối lượng Dựa vào phổ khối này có thể xác định phân tử khối và cấu tạo phân tử của chất nghiên cứu

Khi bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hoà bằng các phân tử mang năng lượng cao sẽ trở thành các ion phân tử mang điện tích dương hoặc phá vỡ thành mảnh ion và các gốc theo sơ đồ sau:

ABC + e → ABC+* + 2e

→ ABC+2* + 3e

Sự hình thành các ion mang điện tích +1 chiếm tỉ lệ lớn, còn lại các ion mang điện tích +2 Năng lượng bắn phá các phân tử thành ion phân tử khoảng 15eV Nhưng với năng lượng cao thì ion phân tử có thể phá vỡ thành các mảnh ion dương (+), hoặc ion gốc, các gốc hoặc phân tử trung hoà nhỏ hơn:

- Ion hoá mẫu

Mẫu sau khi đã hoá hơi được dẫn vào buồng ion hoá để biến các phân

tử trung hoà thành các ion Quá trình này được thực hiện theo một số phương pháp như:

- Phương pháp va chạm electron: mẫu chất ở dạng hơi được dẫn vào trong một buồng, ở đây có một dòng e mang năng lượng chuyển động vuông góc với mẫu và xảy ra va chạm giữa chúng, biến các phân tử trung hoà thành các ion phân tử hoặc các ion mảnh Năng lượng của dòng e vào khoảng 10ev đến 100ev Sau đó dòng ion mới được tạo ra, chạy qua một điện trường E để làm tăng tốc độ chuyển động, thế của điện trường được gọi là thế tăng tốc U

- Phương pháp ion hoá hoá học: cho dòng phân tử khí va chạm với một dòng ion dương hoặc ion âm để biến các phân tử trung hoà thành ion Trong quá trình này, trước tiên phải biến các phân tử khí metan thành ion, sau đó các ion này mới va chạm với các phân tử mẫu

- Phương pháp ion hoá trường: cho mẫu dạng hơi đi qua giữa hai điện cực cảm ứng có một điện trường mạnh, dưới tác dụng của lực tĩnh điện, phân

tử trung hoà sẽ biến thành các ion dương

- Phương pháp ion hoá proton: cho dòng phân tử mẫu dạng hơi va đập với dòng photon có năng lượng khoảng 10ev sẽ xảy ra quá trình ion hoá

- Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh: một dòng khí agon hay xenon được bắn ra từ một khẩu súng đập thẳng vào mẫu hoà tan trong dung môi như glixerin Trước tiên các phân tử dung môi bị ion hoá rồi chính nó ion hoá phân tử mẫu thành các ion tiếp theo

- Detectơ

Các ion đi ra từ bộ phận tách có cường độ nhỏ nên cần khuyếch đại để phát hiện Một trong những thiết bị này là máy nhân electron Nó tạo ra các e thứ cấp khi có e ban đầu đập vào bề mặt tấm kim loại

- Ghi nhận tín hiệu

Các tín hiệu từ bộ khuyếch đại truyền ra được nạp vào bộ nhớ máy tính

và xử lý kết quả rồi in ra phổ Các phổ được biểu diễn dưới dạng phần trăm basic (%B), đỉnh cao nhất có cường độ 100%, các đỉnh khác nhỏ hơn Dạng phổ MS có hình dạng sau:

- Nguyên lý cấu tạo khối phổ kế

- Tách ion theo khối lượng

- Nhận biết các ion bằng detectơ

c Phân loại các ion

- Ion phân tử

Ion phân tử được hình thành do mất đi 1 electron, cho nên khối lượng của nó chính là khối lượng của phân tử hay trọng lượng phân tử, được kí hiệu

là M+ Ion phân tử có các tính chất sau:

- M+ là ion có khối lượng lớn nhất chính là trọng lượng phân tử

- M+ là ion với thế xuất hiện nhỏ nhất

- M+ là số chẵn nếu phân tử không chứa dị tố N hay chứa một số chẵn

- Ion đồng vị

Ion phân tử của các hợp chất không phải chỉ là vạch riêng lẻ vì các nguyên tử chứa trong hợp chất thiên nhiên đều tồn tại đồng vị như 13C bên cạnh 12C, 15N bên cạnh 14N, 17O, 18O bên cạnh 16O, 37Cl bên cạnh 35Cl

Các đồng vị tồn tại trong tự nhiên với các tỷ lệ khác nhau cho nên bên cạnh vạch chính ứng với ion M+ còn có các vạch (M+1)+ và (M+2)+… với cường độ nhỏ hơn Chiều cao của các vạch phụ này tỷ lệ với sự có mặt của các đồng vị trong phân tử Người ta dựa vào các đặc điểm này để tính công thức cộng của các hợp chất nhờ phương pháp khối phổ

d Ứng dụng của Phương pháp phổ khối lượng

- Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khối lượng của phân tử hợp chất hay từng phần tách riêng của nó

- Xác định kết cấu chất đồng vị của các thành phần trong hợp chất

- Xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từng phần tách riêng của nó

- Định lượng lượng hợp chất trong một mẫu dùng các phương pháp khác (phương pháp phổ khối vốn không phải là định lượng)

- Nghiên cứu cơ sở của hóa học ion thể khí (ngành hóa học về ion và chất trung tính trong chân không)

1.2 Tổng quan về quinolin và tropolon

1.2.1 Quinolin

a Giới thiệu chung về quinolin

Quinolin đã được biết đến từ năm 1834 khi Runge tách được từ nhựa than đá [1] Từ đó đến nay, hoá học các hợp chất dị vòng quinolin phát triển mạnh và đem lại nhiều kết quả đáng quan tâm, đặc biệt là trong hoá dược

Mặc dù quinolin có trong nhựa than đá, song những hợp chất thiên nhiên quan trọng chứa khung quinolin là những ankaloit

Trong vỏ rễ cây Cinchona officinalis có hàng chục ankaloit, trong

đó có hai cặp đối quang đáng chú ý là cặp cinconin/ cinconiđin và cặp quinin/ quiniđin

R= OCH3, (8R, 9S); Quinidin 8R,9S); Cinconin

R = H, ( R= OCH3, (8S, 9R); Quinin

8S,9R); Cinconidin

R = H, (

(S) (R)

4,

9 8

1

N

N H

HO H (R)

(S)

4,

9 8

Các dẫn xuất của 8-hiđroxiquinolin thường có biểu hiện hoạt tính sinh học khác nhau, đặc biệt là hoạt tính diệt khuẩn, diệt nấm Đó là các phức selat của 8-hiđroxiquinolin, các dẫn xuất halogen và nhiều dẫn xuất khác

Phức selat của 8-hiđroxiqunolin với đồng (II) được dùng để phòng nấm mốc cho da thuộc; 5-cloro-7-iođo-8-hiđroxiquinolin là chất diệt khuẩn lị

Quinin và cinconin là những hợp chất thiên nhiên chứa vòng quinolin được dùng để trị bệnh sốt rét Phỏng theo cấu trúc của chất này, người ta đã thành công trong việc tìm kiếm những thuốc tổng hợp có hoạt tính tương tự

mà ưu việt hơn, như cloquin, plasmoquin, pentaquin,…

N Cl

X NHCH[CH2]3NCH2CH3

CH3 R

N NHR

Một số dẫn xuất của acriđin cũng biểu hiện hoạt tính chống sốt rét Một số dẫn xuất khác nhau của 4-aminoquinolin có hoạt tính giảm đau, hạ sốt, kháng viêm, hạ huyết áp,… Chẳng hạn 4-amino-6,7-ddimetoxxiquinolin (amquinsin) và sản phẩm ngưng tụ với veratranđehit (leniquinsin) là những tác nhân làm giảm huyết áp:

3,6-điamino-10-Lí thú là p-đimetylaminostirylquinolin và muối amoni iođua bậc bốn

có tác dụng ức chế sự phát triển của các khối u và được dùng trong điều trị bệnh máu trắng

Cyanin là một nhóm phẩm nhuộm quan trọng dùng trong kĩ thuật ảnh màu, vì chúng chứa cấu trúc có khả năng hấp thụ ánh sáng ở vùng khả kiến và hồng ngoại Hai chất tiêu biểu là cyanin và pinacynol:

N

I Cyanin

H O

+

N R

- Đi từ arylamin và hợp chất 1,3-đicacbonyl Tổng hợp Combes

NH2 O

H O

+ - H 2 O

N

arylamin Hîp chÊt 1,3-®icacbonyl Quinolin

Các hợp chất 1,3-đicacbonyl có thê là đixeton dãy béo hoặc dãy thơm

Hợp chất cacbonyl có thể là anđehit hoặc xeton (R1 = H, ankyl, aryl, ) hoặc xeto este, xeto nitrin, xeto amit (R2 = H, ankyl, aryl, COOC2H5, COCH3,

CN, CONHCH3, )

Nhóm o-axyl của anilin có thể là fomyl, axetyl, aroyl,…

- Đi từ isatin và hợp chất cacbonyl có nhóm -metylen Tổng hợp Pfitzinger

NH O O R

Isatin

KOH, H2O

NH2

COOK O

N R1

R2COOH

R R

O R1

R2

H+, toKali isatogenat

Phương pháp chung để tổng hợp các axit quinolin-4-cacboxylic có nhóm thế ở vị trí số 2 hoặc cả hai vị trí 2 và 3, là ngưng tụ axit isatinic mới sinh ra từ isatin với các hợp chất metylen-xeton như tổng hợp Friedlander [11,1]

N

H

O

O KOH 33%

NH2

C O COOK

R1CH2C O

R2

+

- Đi từ các dẫn xuất của inđole

Quinolin có thể được tổng hợp từ một số dị vòng khác, đặc biệt từ các dẫn xuất của inđole Chẳng hạn inđole tác dụng với ddiclororrocacben sinh ra 3-cloroquinolin:

dị vòng chứa nitơ, đặc biệt là quinolin Trong số đó có rất nhiều giáo sư có uy tín trong làng hoá học hữu cơ nước ta như GS.TSKH Nguyễn Minh Thảo, GS.TSKH Nguyễn Đình Triệu, GS TSKH Ngô Thị Thuận, v.v

Năm 2000, GS.TSKH Nguyễn Đình Triệu cùng nhóm nghiên cứu Khoa Hóa học trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tổng hợp được một số fomazan chứa dị vòng quinolin và chứng minh nhiều tính chất lý thú của hợp chất này [12]

Năm 2001, GS.TSKH Nguyễn Minh Thảo cùng nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu tổng hợp được một số 3-axetyl-4-hiđroxi-N-phenyl-quinolin-2-on, ông đã nghiên cứu cấu trúc và hoạt tính sinh học của một số hợp chất tiêu biểu và đóng góp nhiều kết quả lý thú

N O

O

Ind

N OH

N N Ph

OH

N N Ph Ind

Ind: Indolyl-3; 2-metylindolyl-3; 2-phenylindolin-3; N-benzylindolyl-3

Kết quả cho biết, đa số dẫn xuất quinolin tương tự flavon trên có hoạt tính kháng khuẩn cao và ở nhiều nồng độ khác nhau đối với các chủng loại khuẩn Escherichia coli, Pseudomonas roginorz (trực khuẩn mủ xanh) và staphylococcus aureus [13]

Sau đó, nhóm nghiên cứu của GS.TSKH Nguyễn Minh Thảo còn tổng hợp được thêm nhiều dẫn xuất của quinolon-2, hidroquinon và đặc biệt là một

số dẫn xuất cảu 3-axetyl-4-hiđroxi-N-phenyl-quinolin-2-on [14-16]

1.2.2 Tropolon

a Vài nét về cấu tạo của tropolon [27]

Tropolon là một dẫn xuất của tropon, có ba đồng phân

1,2- tropolon 1,3- tropolon 1,4- tropolon

Momen lưỡng cực của nó là 3,7D Về cơ bản troponon là một axit yếu

có Ka ≈ 10-7 Tropolon được xếp vào lớp hợp chất nonbenzenoid thơm, song

nó không tuân theo đầy đủ cấu trúc công thức được đưa ra của loại hợp chất này Tropolon còn có nhiều cấu trúc cộng hưởng khác mang đặc trưng riêng

Tropolon được hình thành từ sự lai ghép tất cả các cấu trúc cộng hưởng của nó, sự định hướng của momen lưỡng cực tropolon như sau:

O O H

Trong cấu trúc của tropolon có liên kết hydro nội phân tử bền vững được mô tả như sơ đồ dưới đây

O O H O

O H

b Một số ứng dụng của dẫn xuất tropolon

Tropon và tropolon trong tự nhiên chủ yếu dưới dạng các ancaloit (troponoit, tropolonoit) có trong thực vật, nấm, v.v Đa số những hợp chất đó thể hiện những hoạt tính sinh học quí giá và đã được sử dụng làm thành phần một số loại thuôc kháng sinh, thuốc chống ung thư, kháng khuẩn [17] Trong

số đó Colchicin được chiết xuất từ hoa Colchium autumnale (mọc ở vùng núi Uran, Krưm thuộc Ucraina,v.v) được sử dụng để chữa bệnh viêm khớp Hiện nay nó được sử dụng làm thuốc chữa bệnh gout cấp tính, bệnh viêm gan C và

có hoạt tính chống khuẩn Mito [18,19] Ngoài ra, colchicin được sử dụng trong các bệnh ngoài da ví dụ như actinic keratoses, bệnh vẩy nến…Chính vì vậy, từ các thập niên 60-70 đến nay nhiều công trình nghiên cứu về cấu trúc cũng như hoạt tính sinh học của các hợp chất hữu cơ có chứa hệ tropolon đã được đăng tải trên các tạp chí quốc tế uy tín[20,21] Dưới đây là một số ví dụ

về các hợp chất có chứa hệ tropon và tropolon đã biết

Colchicine R1=H, R 2 =COMe Colxamine R1=R2=Me

OMe

O OMe

NR 1 R 2

H MeO

MeO

Axit Stipitat R=H Axit Pyberul R=OH

O

OH HOOC

OH O

HO

OR R=H R=CH3

R=H R=CH3

O RO

OH Tropon R=H

Tropolon R=OH O

R

Gần đây, một số nghiên cứu đã khẳng định một số phức bạc (I), nhôm (III) và coban (II) với 4-isopropyltropolon có khả năng kháng khuẩn rất tốt [22] Hinokitiol (β-thujaplicin) là một tropolon tự nhiên có trong cây tùng bách có khả năng chống ung thư và thiếu máu cục bộ Nhóm các nhà khoa

học Hy lạp Maria Koufaki, Elissavet Theodorou tại Institute of Organic and Pharmaceutical Chemistry Athens tổng hợp và nghiên cứu khả năng bảo vệ thần kinh của một số dẫn xuất β-Thujaplicin (4-isopropyl-1,2-tropolon) và đã

có kết luận chỉ có dẫn xuất piperazin của β-Thujaplicin có khả năng bảo vệ tế bào thần kinh khỏi sự oxi hóa do stress gây ra [23]

O HO

thujaplicin

  Ngoài ra tropolon có tác dụng ức chế mạnh mẽ tới tăng trưởng thực vật,

có tác dụng ức chế chống bệnh viêm gan C [24] và có hoạt tính kháng khuẩn

và côn trùng, kháng virus, kháng nấm Chúng đã được biết và sử dụng rộng

rãi trong nông nghiệp, sản phẩm lâm sàng, mỹ phẩm và các khu vực khác[25]

c Phương pháp tổng hợp α-tropolon

Phương pháp đầu tiên để điều chế 1,2-tropolon xây dựng trên nền tảng biến đổi từ xicloheptan-1,2-đion [26] Xicloheptan-1,2-đion thu được từ phản ứng oxi hoá xicloheptanon bằng SeO2 Brom hoá bằng Brom [27] hoặc N-Bromsucxinimit [28] sau đó thực hiện phản ứng tách HBr trong điều kiện có chất xúc tác ở nhiệt độ cao hay có mặt của bazơ sẽ tạo ra 1,2-tropolon Phản ứng này cũng có thể áp dụng một số dẫn xuất khác của 1,2-tropolon nhưng do giai đoạn brom hoá và giai đoạn đehiđrobrom hoá xảy ra với hiệu suất rất thấp cho nên hiệu suất tổng thể cũng rất thấp

H 2 , HBr Pd-C

O OH

1 [Br]

2 OH

Br

O O

O O SeO2

COOH (CH2)6COOH

-HCl H

COCH3OH

OH

Cl Cl

Cl Cl

O

O Cl Cl

Cl Cl

OH CHCOCH 3

H

O

Cl Cl

OH

H COCH3

Cl

Cách đây không lâu một số nhà khoa học đưa ra phương pháp tổng thể dùng để tổng hợp 4-nitrin-1,2-tropolon theo sơ đồ dưới đây từ dẫn xuất của furan [31]

d Phương pháp tổng hợp β-tropolon

Năm 1954 một số nhà khoa học đã lần đầu tiên thu được 1,3-tropolon ở trạng thái picrat với hiệu suất vô cùng nhỏ từ phản ứng đeccacboxyl axit 3,5-đimetoxihepta-1,3,5-trien [30]

Sau đó xuất hiện nhiều hơn các phương pháp tổng hợp các dẫn xuất của 1,3-tropolon Một trong những phương pháp nổi bật là bắt nguồn từ 3,4,5-trimetoxi-axit-benzoic trải qua rất nhiều giai đoạn đã thu được 1,3-tropolon [32] theo sơ đồ dưới đây:

OMe MeO

OMe MeO

MeOH TsCl, Py

CH 2 OMe MeO

H CH 2 OH [H]

O Cl Cl Cl

O R

O OMe OMe

O R

O Cl

Cl

Cl

O R

O MeO MeO

MeONa

Zn, MeCOOH

KOH

Chương 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Thiết bị, hóa chất và phương pháp phân tích

• Phổ NMR - 1H và NMR - 13C thực hiện trên máy “Bruker-Advance 500 MHz” tại Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

• Phổ MS được đo trên máy Agilent 1260 Series Single Quadrupole LC/MS Systems

• Phân tích hàm lượng các chất bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC “Agilent 1260 Series Single Quadrupole LC/MS Systems” với cột sắc ký “Zorbax Eclipse XDB C18 (250 x 4.6 mm, 5μm) và cột bảo vệ C18

của hãng Agilent” tại Viện Hóa sinh biển - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

• Thực nghiệm làm tại phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ của nhà Trường

• Nhiệt độ nóng chảy thực hiện trong ống capila đo trong glixerol

2.2 Tổng hợp và kết quả phân tích các mẫu quinolin

2.2.1 Tổng hợp và kết quả phân tích 2,8-đimetylquinolin-4(1H)-on

H HCl

Cho vào bình nón 11 ml (0,1 mol) o-toluidin (2-metylanilin), 25 ml etylaxetoaxetatat và vài giọt HCl đặc làm xúc tác Sau khoảng 30 phút khi thấy những giọt hơi nước ngưng tụ trên thành bình chúng ta cho thêm khoảng