Phân tích cấu trúc của một số hợp chất indenoisoquinolin có mạch nhánh propyl bằng các phương pháp phổ hiện đại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HOÀNG THỊ THU HƯƠNG PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT INDENOISOQUINOLIN CÓ MẠCH NHÁNH PROPYL BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI Chuy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ THU HƯƠNG

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT INDENOISOQUINOLIN CÓ MẠCH NHÁNH PROPYL

BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM THỊ THẮM

Thái Nguyên - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ THU HƯƠNG

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT INDENOISOQUINOLIN CÓ MẠCH NHÁNH PROPYL

BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỔ HIỆN ĐẠI

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM THỊ THẮM

Thái Nguyên - 2017

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thị Thắm - Nguyên giảng viên trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên nay là giảng viên Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tin tưởng giao đề tài, định hướng nghiên cứu, tận tình hướng dẫn và tạo những điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Tôi xin gửi lời trân trọng cảm ơn tới TS Dương Nghĩa Bang, TS Phạm Thế Chính cùng các thầy cô khoa Hóa học trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai nghiên cứu, thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo cùng các cán bộ, kĩ thuật viên phòng Hóa Dược thuộc viện Hóa học, Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai nghiên cứu và thực hiện

đề tài

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình tôi, bạn bè và đồng nghiệp của tôi - những người đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Hà nội, ngày 20 tháng 6 năm 2017

Học viên

Hoàng Thị Thu Hương

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN a MỤC LỤC b

DANH MỤC CÁC HÌNH e DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ f DANH MỤC BẢNG g

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về các phương pháp xác đi ̣nh cấu trúc 2

1.1.1 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 2

1.1.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 5

1.1.3 Phương pháp phổ khối lượng (MS) 7

1.2 Phân tích các đồng phân đối quang 9

1.2.1 Tách đồng phân đối quang bằng các phương pháp hóa lý hiện đại 9

1.2.2 Phương pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym 9

1.2.3 Tách các đồng phân đối quang nhờ tác nhân bất đối bổ trợ 10

1.2.4 Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR 11

1.2.5 X-ray tinh thể 15

Chương 2: THỰC NGHIỆM 19

2.1 Hóa chất và thiết bị 19

2.1.1 Hóa chất và dung môi 19

2.1.2 Thiết bị xác định và phân tích cấu trúc 19

2.1.3 Phân tích xác định cấu trúc, định tính phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết của các sản phẩm tổng hợp được 20

2.2 Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc các dẫn xuất indenosiquinolin 20

2.2.1 Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc hợp chất 6-allyl-5H-indeno[1,2-c]isoquinolin-5,11(6H)-đion (41) 20

2.2.2 Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc hợp chất 6-(3’-bromo-2’-hydroxypropyl)-5H-indeno[1,2-c]isoquinolin-5,11(6H)-đion(42) 21

2.2.3 Chuẩn bị mẫu và phân tích cấu trúc hợp chất

6-(2’,3’-đibromopropyl)-5H-indeno[1,2-c]isoquinolin-5,11(6H)-đion (43) 24

Chương 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN 28

3.1 Sơ đồ chuẩn bị các mẫu phân tích 28

3.2 Phân tích cấu trúc hợp chất 41 28

3.2.1 Chuẩn bị mẫu 41 28

3.2.2 Phân tích cấu trúc hợp chất 41 29

3.3 Phân tích cấu trúc của hợp chất 42 và 43 31

KẾT LUẬN 37

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

PHỤ LỤC

CÁC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN

13C- NMR: Nuclear Magnetic Resonance Spectroocopy

1H-NMR: Proton Nuclear Magenetic Resonance Spectroocopy CC(Column

HMBC Heterronuclear Multiple Bond Correlation

HMQC Heterronuclear Multiple Quantum Corehence

MIC Minimum inhibitory concentrasion(nồng độ ức chế tối thiểu)

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Phổ 1H NMR của 1-xiclopentylbut-1-en-3-on 5

Hình 1.2: Phổ hấp thụ hồng ngoai của but-2 en-1 ol 6

Hình 1.3 Phổ khối lượng của benzetothiazol 8

Hình 1.4 Phổ 1H-NMR của hỗn hợp este Mosher (S)-1-phenylbutan-1-ol và (R)-1-phenylbutan-1-ol 12

Hình 1.5 Phổ 1H-NMR của este Mosher (R)-1-phenylbutan-1-ol và (S)-1-phenylbutan-1-ol 12

Hình 1.6 Phổ 1H-NMR của (-)-enriched và hỗn hợp (-)-enriched với CSA 14

Hình 1.7 Tín hiệu 1H-NMR của CH3 trong một số trường hợp 15

Hình 1.8 Cặp tín hiệu Fiedel 16

Hình 1.9 Sơ đồ tóm tắt quá trình phân tích cấu trúc 16

Hình 2.1 Cấu trúc X-ray đơn tinh thể của hợp chất 42 23

Hình 2.2 Cấu trúc X-ray đơn tinh thể của hợp chất 43 26

Hình 3.1: Phổ IR của hợp chất 41 29

Hình 3.2 Phổ 1H-NMR củ a hợp chất 41 30

Hình 3.3: Phổ 13C-NMR của hợp chất 41 31

Hình 3.4 Phổ 1H-NMR củ a hợp chất 43 32

Hình 3.5 Phổ 1H-NMR giãn rộng củ a hợp chất 43 33

Hình 3.6 Phổ 13C-NMR củ a hợp chất 43 33

Hình 3.7 Mô hình cấu trúc X-ray đơn tinh thể của hợp chất 43 34

Hình 3.8 Phổ 1H-NMR củ a hợp chất 42 35

Hình 3.9 Phổ 1H-NMR giãn rộng củ a hợp chất 42 35

Hình 3.10 Mô hình cấu trúc X-ray đơn tinh thể của hợp chất 42 36

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 1.1 9

Sơ đồ 1.2 10

Sơ đồ 1.3 11

Sơ đồ 1.4 12

Sơ đồ 1.5 18

Sơ đồ 3.1 28

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Độ dài các liên kết trong hợp chất 42 23

Bảng 2.2 Các góc liên kết trong hợp chất 42 24

Bảng 2.3 Độ dài các liên kết trong hợp chất 43 26

Bảng 2.4 Các góc liên kết trong hợp chất 43 27

MỞ ĐẦU Hợp chất indenoisoquinolin (1) có hoạt tính chống ung thư nhờ ức chế

enzym topoisomerase I (Top 1) ngăn cản quá trình tháo xoắn của DNA Hợp

chất 2 (indotecan) và 3 (indimitecan) đang được thử nghiệm lâm sàng ở giai

đoạn II Những nghiên cứu về lớp chất indenoisoquinolin cũng đã chỉ ra rằng nhóm thế ở vòng B tại vị trí nguyên tử nitơ (N-6) là các nhóm aminopropyl, morpholinopropyl, imdazolopropyl cho khả năng gây độc tế bào rất tốt, trong

đó có 2 thuốc đang được thử nghiệm lâm sàng giai đoạn II là Indotecan (5) và Indimitecan (6) Bên cạnh đó các chất chứa hợp phần của aminopropanol

cũng được biết đến là các lớp chất cho nhiều hoạt tính sinh học lí thú như hoạt tính chống ung thư, chống sốt rét, kháng khuẩn, kháng nấm

Phân tích xác định cấu trúc của các hợp chất này là một nhiệm vụ quan trọng để có thể tìm được cơ chế lý giải những hoạt tính sinh học của chúng

Vì vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu phân tích cấu trúc của một số hợp chất indenoisoquinolin có chứa mạch nhánh propyl bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như phổ hồng ngoại (IR), cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ khối lượng (MS) Kết quả của luận văn sẽ là cơ sở khoa học giá trị cho việc nghiên cứu định tính và định lượng các dẫn xuất indenoisoquinolin chứa mạch nhánh propyl

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các phương pháp xác đi ̣nh cấu trúc

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

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (phổ CHTHN) 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 CHTHN- 1H và phổ CHTHN- 13C 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 [2]

Độ chuyển dịch hoá học

Hằng số chắn và từ trường hiệu dụng:

Hằng số chắn xuất hiện do hai nguyên nhân:

- Hiệu ứng nghịch từ: các điện tử bao quanh nguyên tử sinh ra một từ trường riêng, ngược chiều với từ trường ngoài nên làm giảm tác dụng của nó lên hạt nhân nguyên tử Lớp vỏ điện tử càng dày đặc thì từ trường riêng ngược chiều với từ trường ngoài càng lớn tức hằng số chắn càng lớn

- Hiệu ứng thuận từ: bao quanh phân tử là lớp vỏ điện tử, các điện tử này chuyển động sinh ra một dòng điện vòng, do đó xuất diện một từ trường riêng có hướng thay đổi ngược hướng hoặc cùng hướng với từ trường ngoài Tập hợp tất cả các điểm trên các đường sức mà tại đó tiếp tuyến vuông góc với từ trường ngoài sẽ tạo nên một mặt parabol Phía trong mặt parabol, từ trường tổng hợp nhỏ hơn B0 vì

từ trường riêng ngược hướng với từ trường ngoài, còn phía ngoài parabol thì từ trường tổng hợp lớn hơn B0 vì từ trường riêng cùng hướng với từ trường ngoài Do

đó hằng số chắn phía ngoài parabol nhỏ còn phía trong thì có hằng số chắn lớn nghĩa là độ chuyển dịch học cùng các proton nằm phía ngoài parabol sẽ lớn còn phía trong sẽ nhỏ

Độ chuyển dịch hóa học : Đối với các hạt nhân trong phân tử càng phức tạp

trong nguyên tử do ảnh hưỏng của các đám mây electron của các nguyên tử bên

cạnh.Độ chuyển dịch hóa học của 13C trong các hợp chất hữu cơ biến đổi trong khoảng từ 0-230ppm (so với TMS) tức là lớn gấp 20 lần so với sự biến đổi độ chuyển dịch hóa học của 1H

TMS là chất có hằng số chắn lớn nhất nên dùng nó làm chất chuẩn để đo độ chuyển dịch hoá học.Đối với hạt nhân 1H thì: 0 H TMS TMS H   

Ở đây, σ TMS là hằng số chắn của chất chuẩn TMS (tetrametylsilan), σH là hằng số chắn của hạt nhân mẫu đo, ν TMS ν H là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhân mẫu đo Hằng số chắn σ xuất hiện do ảnh hưởng của đám mây electron bao quanh hạt nhân nguyên tử, do đó tuỳ thuộc vào vị trí của hạt nhân 1H và 13C trong phân tử khác nhau mà mật độ electron bao quanh nó khác nhau dẫn đến chúng

có giá trị hằng số chắn σ khác nhau và do đó độ chuyển dịch hoá học của mỗi hạt nhân khác nhau Tổng quát: δ = σTMS - σX σX: hằng số chắn của chất cần đo δ không có thứ nguyên mà được tính bằng phần triệu (ppm) Đối với phổ CHTHN 1H thì δ có giá trị từ 1 đến 12 ppm còn phổ 13C thì δ có giá trị từ 0 đến 220ppm Vậy

độ chuyển dịch hoá học δ là đại lượng đặc trưng cho những hạt nhân cùng loại của một đồng vị bị che chắn tương đương nhau trong một hợp chất Nó không phụ thuộc vào thiết bị bên ngoài (cường độ từ trường hay tần số sóng) không có thứ nguyên và được tính bằng ppm

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

x chuan







Trong đó: νchuan, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt nhân mẫu

đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ

Hằng số chắn σ xuất hiện do ảnh hưởng của đám mây electron bao quanh hạt nhân nguyên tử, do đó tùy thuộc vào vị trí của hạt nhân 1H và 13C trong phân tử khác nhau mà mật độ electron bao quanh nó khác nhau dẫn đến chúng có giá trị hằng số chắn σ khác nhau và do đó độ chuyển dịch hóa học của mỗi hạt nhân khác nhau Theo đó proton nào cộng hưởng ở trường yếu hơn sẽ có độ chuyển dịnh hóa học lớn hơn [1]

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

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 [1]

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 [2]

Ở hợp chất VIII, hai proton Hc và Hd ứng với kí hiệu A và B,proton Hb ứng với kí hiệu X Vân cộng hưởng của proton Hd ở 6,67 ppm bị tách thành 4 hợp phần với Jcd=16Hz

và Jbd= 8Hz Proton Hc cộng hưởng ở trường mạnh hơn ,6,05 ppm Tín hiệu của Hc cũng

là một vân bốn Ở vân này cũng xác định được Jcd=16 Hz và Jbc= 1Hz Sở dĩ giá trị Jbc nhỏ

vì đó là tương tác truyền qua 4 liên kết (trong đó có một liên kết đôi) Proton Hb không những tương tác với Hc,Hd mà còn tương tac với hai nhóm metylen trong vòng xiclopentan Tín hiệu của Hb thể hiện ở vân bội ở khoảng 2,6 ppm.Tín hiệu của proton khác trong vòng xiclopentan thể hiện bởi một vân “béo” ở khoảng 1,7 ppm.Tín hiệu của nhóm metyl (a) thể hiện bởi một vân đơn ở 2,23 ppm (hình bên dưới)

Hình 1.1: Phổ 1 H NMR của 1-xiclopentylbut-1-en-3-on

1.1.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Khi các phân tử hấp thụ năng lượng từ bên ngoài có thể dẫn đến quá trình quay, dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó Tùy theo năng lượng kích thích lớn hay nhỏ có thể xảy ra quá trình quay, dao động hay cả quay và dao động đồng thời Để kích thích các quá trình trên có thể sử dụng tia sáng vùng hồng ngoại (phổ

hồng ngoại) hoặc tia khuyếch tán Raman (phổ Raman)

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 [3]

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 sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ bức xạ hồng ngoại của một chất vào số sóng hoặc bước sóng chính được gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại

Máy phổ hồng ngoại có thể đo được các mẫu ở thể khí, lỏng, rắn nhưng thông thường nhất được chuẩn bị là dạng rắn và dạng lỏng Chất rắn thường được nghiền nhỏ với KBr rồi ép thành viên mỏng Chất lỏng được đo ở dạng màng lỏng hoặc pha trong dung môi như CCl4, CHCl3

Ở phổ hồng ngoại, trục nằm ngang biểu diễn bước sóng (tính ra µm) hoặc số sóng tính ra cm-1 Ở hình, trục nằm ngang phía trên biểu diễn bước sóng, trục nằm ngang phía dưới biểu biễn số sóng, trục thẳng đứng biểu diễn phần trăm truyền qua

Hình 1.2: Phổ hấp thụ hồng ngoai của but-2 en-1 ol

Sự hấp thụ hồng ngoại của một chất thường tập trung vào những vùng hẹp tạo ra các vân hấp thụ ( hình III.10) có rất nhiều vân hấp thụ như vân a, b, c, d, e, g, h Vân phổ hồng ngoại có ba đặc trưng cần được mô tả là: vị trí của vân phổ được chỉ bởi bước sóng hoặc số sóng của đỉnh phổ; cường độ của vân phổ hồng ngoại thường được đánh giá theo diện tích của vân phổ: vân phổ càng rộng và càng cao thì có cường độ càng lớn; hình dáng vân phổ: để mô tả người ta cần chỉ rõ đó là vân phổ rộng(tù) hay hẹp(mảnh), chỉ có một đỉnh hay có nhiều đỉnh phổ

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[3]

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 [3]

1.1.3 Phương pháp phổ khối lượng (MS)

Nếu như trong các phương pháp phổ hồng ngoại,phổ cộng hưởng từ hạt nhân ,người ta giữ nguyên phân tử để nghiên cứu thì ở phương pháp phổ khối lượng người ta phá hủy chất phân tử để nghiên cứu chúng

Nguyên tắc chung của phương pháp phổ khối lượng là phá vỡ phân tử trung hòa thành ion phân tử và các mảnh ion dương có số khối z=m/e Sau đó phân tách các ion này theo số khối và ghi nhận 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 [3,4]

Để phá vỡ phân tử người ta có nhiều phương pháp: bắn phá bằng dòng electron (EI), phương pháp ion hóa hóa học (CI), phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh (FAB)… Dùng dòng eclectron có năng lượng cao để bắn phá phân tử là phương pháp hay được sử dụng nhất Khi bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa sẽ trở thành các ion phân tử mang điện tích dương hoặc bị phá vỡ thành các ion và các gốc theo sơ đồ:

(2)

(1)3e2ABC

2eABCe

vỡ thành các mảnh ion dương (+), hoặc các ion gốc, các gốc, hoặc phân tử trung hòa nhỏ hơn, nên người ta thường thực hiện bắn phá các phân tử ở mức năng lượng 70 eV [3]

B A

B AB ABC

BC A

là phổ khối lượng (Hình 1.3)

Hình 1.3 Phổ khối lượng của benzetothiazol

Như vậy, khi phân tích phổ khối lượng là quy kết cho mỗi pic trên phổ một mảnh phân tử xác định và chỉ rõ sự tạo thanh ion mảnh đó, từ đó rút ra những kết luận về cấu tạo của phân tử chất Để xác định cấu tạo ,những mảnh có khối lượng lớn có ý nghĩa quan trọng hơn những mảnh nhỏ.Những pic có cường độ lớn là những pic ứng với các ion tạo thành với xác xuất cao khi phân mảnh ,nên cần được xem xét đầy đủ Các yếu tố chi phối sự phân mảnh và các cách phân mảnh đầu tiên đặc trưng cho mỗi loại hợp chất được xem xét đầy đủ ,người ta thu được khối lượng phân tử của chất nghiên cứu, từ các pic mảnh ion trên phổ đồ có thể xác định được cấu trúc phân tử và tìm ra qui luật phân mảnh Đây là một trong những thông số quan trọng để qui kết chính xác cấu trúc phân tử của một chất cần nghiên cứu khi kết hợp nhiề phương pháp phổ với nhau

1.2 Phân tích các đồng phân đối quang

Phân tích các đồng phân đối quang là tách một hỗn hợp raxemic bằng các

phương pháp vật lý và hóa học Thông thường, sự tách được thực hiện sau khi

chuyển từ đồng phân đối quang sang đồng phân “dia”; do các đồng phân đối quang

có các tính chất vật lý và hóa học giống nhau nên chúng không thể tách bằng cách

trực tiếp Trong khi đó, các đồng phân “dia” có thể tách được bằng các phương

pháp kết tinh chọn lọc, phương pháp sắc ký hoặc phương pháp NMR

1.2.1 Tách đồng phân đối quang bằng các phương pháp hóa lý hiện đại

Các đối quang có thể được tách nhờ các phương pháp sắc ký khí (GC), sắc

ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) có sử dụng các cột chiral Bản chất của các phương

pháp này là các hỗn hợp đối quang tương tác với pha tĩnh (tâm bất đối trên cột

chiral), nghĩa là chỉ một trong các đối quang có tương tác mạnh hơn với tâm bất đối

của cột Đối quang có tương tác yếu sẽ được rửa giải nhanh nhờ pha động, kết quả

là hai đối quang được tách ra khỏi nhau Phương pháp này thường được sử dụng để xác định độ chọn lọc đối quang trong của các phản ứng Nếu phản ứng nhận được

hỗn hợp có hai đồng phân đối quang A và B (ee=enantiomer excess, de=diasteroisomer excess), độ chọn lọc đối quang được xác định theo công thức:

1.2.2 Phương pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym

Hầu hết các enzym có tính đặc hiệu với một loại cơ chất nhất định Dựa vào tính chất này, người ta đã sử dụng các enzym để chuyển hóa chọn lọc một trong hai

đối quang trong hỗn hợp Ví dụ phản ứng thủy phân hỗn hợp raxemic của este bằng enzym pig liver estease Dưới tác dụng của enzym này, chỉ có đồng phân S được

thủy phân Nhờ đó mà người ta tách được hai đồng phân này ra khỏi nhau

Sơ đồ 1.1

(7)

1.2.3 Tách các đồng phân đối quang nhờ tác nhân bất đối bổ trợ

Hỗn hợp raxemic hoặc hai đồng phân của các hợp chất đối quang có

một tâm bất đối thường không thể tách ra khỏi nhau Tuy nhiên, khi tham gia

phản ứng với các chất bổ trợ chiral có từ một hoặc nhiều tâm bất đối, tạo

thành sản phẩm có từ hai tâm bất đối trở lên, có thể tách được bằng các phương pháp hóa lý khác nhau Dựa vào tính chất quan trong này năm 1953, Pasteur đã tách được đôi đồng phân đối quang của axit tactaric nhờ sự tạo

muối “dia” của hỗn hợp hai đối quang với (+)-cinchotoxin, có độ tan khác

nhau nên có thể tách ra khỏi nhau bằng phương pháp kết tinh Phương pháp này vẫn được sử dụng hiệu quả để tách hỗn hợp hai đồng phân đối quang ra khỏi nhau

Sơ đồ 1.2

Ngoài ra, có thể chuyển hóa các đối quang của các hợp chất có một tâm bất

đối thành các đồng phân “dia” nhờ phản ứng với tác nhân bất đối bổ trợ khác Các đồng phân “dia” nhận được có thể tách ra bằng các phương pháp hóa lý khác nhau

Cuối cùng các tác nhân bất đối bổ trợ được loại bỏ, thu được các đồng phân đối quang tinh khiết

Sơ đồ 1.3

1.2.4 Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR

Để xác định tỉ lệ các đồng phân lập thể có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng phổ NMR là một phương pháp hữu ích và phổ biến, vì nó không làm thay đổi tỉ lệ của các đồng phân trong hỗn hợp và chỉ cần lượng nhỏ hỗn hợp hai đồng phân đối quang Các đồng phân khác nhau được xác định nhờ độ dịch chuyển hóa học và

hằng số tương tác spin-spin của những nguyên tử hydro trong từ trường

Trong phổ NMR, phần lớn hạt nhân của 1H và 13C của hai đồng phân “dia”

sẽ có tín hiệu chuyển dịch hóa học khác nhau Tỉ lệ của các đồng phân có mặt trong hỗn hợp có thể tính toán được bằng sự phân tích các tín hiệu này Nếu trong hỗn

hợp có nhiều hơn hai đồng phân “dia” thì việc xác định tỉ lệ các đồng phân bằng

phổ NMR sẽ gặp khó khăn hơn, đặc biệt là các đồng phân chiếm tỉ lệ nhỏ

a) Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch (Shift reagent) Mosher

Đối với các hợp chất có một tâm bất đối thì hai cấu hình của chúng sẽ không phân biệt được bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân, do tín hiệu của chúng không được phân tách trong từ trường Để phân biệt được hai cấu hình của các hợp chất có một tâm bất đối, người ta phải chuyển hợp chất nghiên cứu thành

đồng phân dia Cơ sở của phương pháp Mosher là chuyển hợp chất có một tâm bất đối thành đồng phân dia bằng cách thực hiện phản ứng của hợp chất nghiên cứu với axit R-Mosher để tạo thành este hoặc thành amit… Sau đó, nghiên cứu cấu hình của các hợp chất dia này sẽ đưa ra được cấu hình của chất ban đầu Ví dụ, để xác định

cấu hình tuyệt đối của hợp chất 1-phenylbutan-1-ol có một tâm bất đối, Mosher đã

tổng hợp este của nó với axit R-Mosher để tạo ra hai đồng phân dia như mô tả trong

sơ đồ dưới đây

Sơ đồ 1.4

Hai đồng phân dia này sẽ được phân biệt rõ trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân

proton Tín hiệu của proton bậc ba tại trung tâm bất đối của dẫn xuất este Mosher của

(R)-1-phenylbutan-1-ol sẽ dịch chuyển về phía trường cao, trong khi tín hiệu proton bậc ba tại tâm bất đối của dẫn xuất (S)-1-phenylbutan-1-ol sẽ dịch chuyển về phía

trường thấp Như vậy, người ta có thể xác định được cấu hình tuyệt đối của hợp chất phenylbutan-1-ol ban đầu

1-Hình 1.4 Phổ 1H-NMR của hỗn hợp este Mosher (S)-1-phenylbutan-1-ol và

Ngoài axit R-Mosher, hiện nay người ta đang nghiên cứu sử dụng một số tác

nhân bổ trợ khác để xác định cấu hình tuyệt đối của một số hợp chất ancol, amin và axit cacboxylic có một tâm bất đối, ví dụ như các tác nhân bổ trợ sau

b) Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch Chiral Pirkle ancol (CSA)

Chiral aryltrifluorometyl carbinol (chiralPirkle ancol) là những tác nhân hữu dụng nhất, cho phép xác đi ̣nh nhanh tỷ lệ của các đồng phân lâ ̣p thể Khi có mă ̣t của chất này, các đối quang của lacton, amin và ancol trong từ trường tạo ra phổ không tương đương Có thể là do cả hydroxyl và các hydro cacbinyl của chất CSA tạo ra các tương tác với các tâm bazơ Ưu điểm của của phương pháp này là không cần phải thực hiện các phản ứng chuyển hóa thành các dẫn xuất với tác nhân bổ trợ nên

hạn chế được quá trình raxemat hóa, đặc biệt là có thể sử dụng để xác định cấu hình

của các chất có hàm lượng nhỏ

Ví dụ, để nghiên cứu cấu hình của hai đối quang oxaziridin nhờ tác nhân bổ trợ CSA, kết quả do tương tác cầu hydro của oxazirindin với CSA tạo thành phức

dia, dẫn đến một số tín hiệu của hai đối quang được tách biệt trong từ trường

Nghiên cứu của phổ 1H-NMR của hỗn hợp hai đồng phân (-)-oxaziridin khi không

có tác nhân chuyển dịch CSA thì các tín hiệu proton không phân biệt được trong từ

trường, nhưng khi cho kết hợp với (S)-(+)-CSA thì các tín hiệu của metyl, metin

được tách ra Dựa vào phổ này, người ta có thể xác định được tỷ lệ hai đồng phân đối quang của oxaziridin

Hình 1.6 Phổ 1H-NMR của (-)-enriched và hỗn hợp (-)-enriched với CSA c) Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch Eu(hfc) 3 )

Tác nhân Eu(hfc)3 là phức của kim loại thuận từ với ligand hữu cơ có tâm bất đối Khi tác nhân Eu(hfc)3 kết hợp với nhóm chức (NH2, OH, SH …) trong phân tử

có một trung tâm bất đối sẽ tạo thành đồng phân “dia” Phức dia tạo thành có một

số proton được tách ra trong từ trường và chuyển về trường thấp Sự tách biệt và độ chuyển dịch về phía trường thấp của một số proton phụ thuộc vào nồng độ của tác nhân phức Eu(hfc)3

Ví dụ, nghiên cứu phổ 1H-NMR của hỗn hợp hai đối quang

(R,S)-1-axetyl-1-phenylbutan, các tín hiệu proton của hai đối quang không phân biệt được trong từ trường Tuy nhiên, khi được tạo phức với tác nhân chuyển dịch Eu(hfc)3 thì có sự tách tín hiệu Nhóm metyl (triplet) được tách thành hai triplet có cường độ tương

đương nhau Sự tách tín hiệu của proton trong từ trường phụ thuộc vào bản chất của chất nghiên cứu và nồng độ của tác nhân chuyển dịch

Qua ví dụ trên ta thấy, tín hiệu proton ở nhóm CH3 của hỗn hợp

(R,S)-1-axetyl-1-phenylbutan khi tạo phức với Eu(hfc)3 đều được tách ra và có độ chuyển dịch hóa học chuyển về phía trường thấp Sự tách tín hiệu và độ chuyển dịch hóa học proton ở nhóm CH3 của hai đối quang có sự khác biệt rõ ràng Đối

với (R)-1-axetyl-1-phenylbutan, tín hiệu proton của nhóm CH3 được chuyển dịch

về phía trường cao so với (S)-1-axetyl-1-phenylbutan Như vậy, có thể phân biệt

và xác định được tỷ lệ hai đồng phân (R)-1-axetyl-1-phenylbutan và

(S)-1-axetyl-1-phenylbutan nhờ 1H-NMR của chúng khi tạo phức với tác nhân chuyển dịch Eu(hfc)3 (xem hình 5)

Hình 1.7 Tín hiệu 1 H-NMR của CH 3 trong một số trường hợp 1.2.5 X-ray tinh thể

a Giới thiệu chung

Phương pháp X-ray phân tử là phương pháp hiện đại nhất để xác định cấu trúc phân tử của một hợp chất hữu cơ Từ phương trình Bragg, người ta tính toán độ dài của các cạnh tế bào cơ sở (a,b,c), chỉ số Miler (h,k,l), góc giữa các trục tinh thể

(α,β,γ), thể tích tế bào tinh thể cơ sở (V) và số lượng phân tử (n) xây dựng nên tế

bào cơ sở

Phương trình Bragg: 2d.sin(θ) = nλ

Thể tích tế bào cơ sở: V = abc(1-cos2α-cos2β-cos2γ+2cosαcosβcosγ)1/2

Số lượng phân tử trong một tế bào cơ sở n = V.d.6,023.1023 (d: tỷ trọng g/cm3) Mặt khác, khi chiếu bức xạ tia X vào phân tử, ở mỗi trung tâm liên kết sẽ phát ra một cặp tín hiệu Friedel phản xạ theo hai hướng (h,k,l) và hướng ngược lại

(-h,-k,-l) Cường độ của tín hiệu Friedel (Fhkl, F-h,-k-l) được tính toán nhờ cường độ của tín hiệu nhiễu xạ (Ihkl) (|Fhkl| = (Ihkl)1/2)

Hình 1.8 Cặp tín hiệu Fiedel

Mật độ electron tại một điểm trong tế bào cơ bản sẽ được tính toán bằng công thức:

ρ(x,y,z) = [ Σhkl Fhkl exp{-2p(hx + ky + lz)}] / V Bằng cách đo cường độ của tất cả các tín hiệu nhiễu xạ Ihkl theo mặt h,k,l khi

đã biết được các thông số cơ bản của tế bào cơ sở theo phương trình Bragg ở trên, người ta sẽ tính toán được mật độ electron tại mọi điểm trong không gian của tế bào

cơ sở, từ đó có thể xây dựng được bản đồ mật độ điện tích của phân tử.Từ dữ liệu bản đồ mật độ electron, chương trình máy tính sẽ dựng được cấu trúc không gian ba chiều của phân tử Quá trình xác định cấu trúc của hợp chất hữu cơ bằng phương pháp X-ray phân tử có thể được tóm tắt như sau:

Hình 1.9 Sơ đồ tóm tắt quá trình phân tích cấu trúc

bằng phương pháp X-Ray

H,K,L

-H,-K,-L

b Xác định cấu hình tuyệt đối

Phương pháp X-ray tinh thể có khả năng xác định chính xác cấu hình tuyệt đối của một phân tử, nếu trong phân tử có nguyên tử có tán xạ tia X bất thường Để xác định cấu hình tuyệt đối của phân tử bằng phương pháp X-ray tinh thể người ta

sử dụng phương pháp của Bijvoet và phương pháp so sánh chỉ số R

Phương pháp Bijvoet: Do mỗi trung tâm bất đối khi được chiếu bức xạ tia X

sẽ phát ra một cặp tín hiệu bất thường Friedel, lợi dụng nguyên tắc này Bijvoet đã

so sánh tín hiệu tán xạ của một nguyên tử đánh dấu với tín hiệu của cặp bức xạ Friedel ở trung tâm bất đối phản xạ theo hướng (h,k,l) và hướng ngược lại (-h,-k,-l),

để xác định cấu hình tuyệt đối

Phương pháp so sánh chỉ số R: Chỉ số R được xây dựng trên cơ sở hàm thống kê Hamilton từ toàn bộ dữ liệu của các cặp đồng phân đối quang và được so sánh với các tính toán Bijvoet để xác định kiểu đồng phân đối quang Nếu giá trị của chỉ số R có sự sai khác, dù rất nhỏ (±0,1%) thì phải đánh giá lại các giá trị này bằng phương pháp thống kê

Như vậy, cả hai phương pháp này chỉ dựa vào tia phản xạ đặc biệt có cường

độ cao do ảnh hưởng của cấu trúc ở những trung tâm bất đối của phân tử mà chưa

so sánh được những tia tán xạ yếu Những yếu tố tán xạ yếu chỉ được sử dụng khi

dữ liệu X-ray có số lượng lớn Phương pháp X-ray tinh có thể sử dụng hữu hiệu nhất đối với các hợp chất không chứa nguyên tử nặng hơn oxi

Với những chất quang hoạt không tồn tại ở dạng đơn tinh thể, người ta có thể xác định cấu hình tuyệt đối của chúng bằng cách cho chúng phản ứng với một chất khác có chứa một hay nhiều trung tâm bất đối đã biết cấu hình tuyệt đối Các hợp chất có cấu hình tuyệt đối đã biết được chọn để nghiên cứu trong phương pháp này

là những chất có khả năng dễ kết tinh để nhận được dạng đơn tinh thể Việc xác định cấu hình tuyệt đối của các hợp chất quang hoạt bằng phân tích X-ray được thực hiện dựa vào phần cấu hình tuyệt đối của chất gắn kết với chất nghiên cứu Ngoài

ra, việc đưa nhóm nguyên tử nặng như halogen (Cl, Br, I) vào phân tử hợp chất quang hoạt cũng cho phép xác định cấu hình tuyệt đối của chất đó nhờ phương pháp Bijvoet ở trên

Sơ đồ 1.5

Ví dụ hidroxy lacton chưa biết cấu hình tuyệt đối được chuyển thành este

với axit Mosher để tạo thành đồng phân dia Trong trường hợp chất tạo thành

thu được dưới dạng đơn tinh thể, cấu hình tuyệt đối của hydroxy lacton được xác định thông qua cấu hình tuyệt đối đã biết của phần tác nhân Mosher thông qua phân tích phổ X-ray

Chương 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất và thiết bị

2.1.1 Hóa chất và dung môi

Các hoá chất dùng cho tổng hợp hữu cơ và dung môi được mua của hãng Merck, hãng Sigma Aldrich và hãng Fluka và thuộc loại phân tích dùng cho phân tích

Bột silica gel cho sắc ký cột 100 - 200 mesh (Merck), bản mỏng sắc ký silica gel đế nhôm Art 5554 DC - Alufolien Kiesel 60F254(Merck)

2.1.2 Thiết bị xác định và phân tích cấu trúc

Để xác định và phân tích cấu trúc các chất hữu cơ tổng hợp được, chúng tôi tiến hành các phương pháp sau:

- Xác định nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ nóng chảy của các chất tổng hợp được đo trên máy đo trên máy Gallenkeamp của Anh tại phòng thí nghiệm Tổng hợp hữu cơ - Viện hóa học - Viện Hàn Lâm khoa học & Công nghệ Việt Nam

- Phổ hồng ngoại (IR)

Phổ IR của các chất nghiên cứu được ghi trên máy Impact 410 - Nicolet, tại phòng thí nghiệm Phổ hồng ngoại Viện Hóa học - Viện Hàn Lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam, đo ở dạng ép viên với KBr rắn

- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

Phổ 1H-NMR (500MHz) và 13C-NMR (125MHz) của các chất nghiên cứu được đo trên máy Bruker XL-500 tần số 500MHz với dung môi DMSO và TMSlà chất chuẩn, tại phòng Phổ cộng hưởng từ hạt nhân - Viện Hóa học - Viện Hàn Lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam