Nghiên cứu điều chế và đánh giá hoạt tính sinh học của một số dẫn xuất 2 pyrrolidinone

DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.2 Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone trong dược phẩm 5 1.3 Một số hợp chất chứa 2-pyrrolidinone có nguồn gốc thiên nhiên 7 1.4 Sơ đồ minh họa phản ứng nhiều

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA HỌC - -

LÊ PHƯỚC THẢO NGUYÊN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ

VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỬ NHÂN SƯ PHẠM

Đà Nẵng, tháng 04 năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA HỌC - -

Đề tài:

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ

VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỬ NHÂN SƯ PHẠM

GVHD : TS NGUYỄN TRẦN NGUYÊN SVTH : LÊ PHƯỚC THẢO NGUYÊN LỚP : 14SHH

Đà Nẵng, tháng 04 năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHSP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HÓA

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Lê Phước Thảo Nguyên

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu điều chế và đánh giá hoạt tính sinh học của một số dẫn xuất 2-pyrrolidinone”

2 Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị

- Nguyên liệu: benzylamine, aniline, diethyl acetylenedicarboxylate, benzaldehyde, p-tolualdehyde, acid citric, acid acetic, acid formic, ethanol, n-hexane, ethyl acetate, dimethyl sulfoxide, sodium chloride, cao nấm men, peptone, agar

- Dụng cụ: bình cầu 25ml, bình cầu 15ml, phễu chiết, phễu lọc, các pipet loại 5ml

và 1ml, nhiệt kế, ống sinh hàn, giấy lọc, cốc thủy tinh 100ml, 500ml

- Thiết bị: cân phân tích, máy khuấy từ gia nhiệt, máy cô quay chân không, máy đo nhiệt độ nóng chảy, máy đo phổ NMR, IR, MS

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp dẫn xuất pyrrolidinone

4 Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Trần Nguyên

5 Ngày giao đề tài : 05/05/2017

6 Ngày hoàn thành : 22/01/2018

Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ, tên) (Ký và ghi rõ họ, tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày … tháng … năm …

Kết quả điểm đánh giá:

Ngày … tháng … năm…

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ, tên)

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Nguyễn Trần Nguyên (Khoa

Hóa – Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng) đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô giáo của trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng nói chung và thầy cô khoa Hóa nói riêng đã cung cấp những kiến thức nền tảng, tạo điều kiện tốt để em hoàn thành khóa luận này

Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo của trường Đại học Sư phạm và khoa Hóa đã hỗ trợ cũng như tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian em nghiên cứu tại trường

Cuối cùng, em cám ơn các sinh viên trong nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ, hỗ trợ

em hoàn thành luận văn này

Đà Nẵng, ngày 02 tháng 04 năm 2018

Sinh viên thực hiện khóa luận

Lê Phước Thảo Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, với sự hướng dẫn của TS Nguyễn Trần Nguyên Nội dung nghiên cứu cũng như các số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào khác Những nội dung của khóa luận có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang website được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của khóa luận

Đà Nẵng, ngày 02 tháng 04 năm 2018

Sinh viên thực hiện khóa luận

Lê Phước Thảo Nguyên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng và mục đích nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Bố cục luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 SƠ LƯỢC VỀ 2-PYRROLIDINONE VÀ DẪN XUẤT CỦA NÓ 4

1.1.1 Sơ lược về 2-pyrrolidinone 4

1.1.2 Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone 5

1.2 PHẢN ỨNG NHIỀU THÀNH PHẦN 7

1.2.1 Sơ lược về phản ứng nhiều thành phần 7

1.2.2 Một số phản ứng nhiều thành phần 8

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

2.1 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT 11

2.1.1 Dụng cụ 11

2.1.2 Thiết bị 11

2.1.3 Hóa chất 11

2.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP 12

2.3 KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG 12

2.3.1 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng và thể tích dung môi 13

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 13

2.3.3 Ảnh hưởng của độ mạnh acid 13

2.4 TỔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE 14

2.4.1 Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ benzaldehyde và aniline 14

2.4.2 Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ benzaldehyde và benzylamine 14

2.4.3 Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ p-tolualdehyde và aniline 15

2.5 ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA CÁC DẪN XUẤT

2-PYRROLIDINONE ĐÃ TỔNG HỢP 15

2.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

2.6.1 Phương pháp sắc ký lớp mỏng 16

2.6.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 19

2.6.3 Phương pháp phổ khối (MS) 23

2.6.4 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 30

2.6.5 Phương pháp khuếch tán đĩa thạch 36

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 SO SÁNH HIỆU SUẤT KHI THAY ĐỔI ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG 38

3.1.1 Thay đổi thời gian phản ứng và thể tích dung môi 38

3.1.2 Thay đổi nhiệt độ phản ứng 39

3.1.3 Thay đổi acid 39

3.2 TỔNG HỢP DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE TỪ BENZALDEHYDE VÀ ANILINE 40

3.2.1 Phổ hồng ngoại 42

3.2.2 Phổ khối 43

3.2.3 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR 43

3.2.4 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR 44

3.3 TỔNG HỢP DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE TỪ BENZALDEHYDE VÀ BENZYLAMINE 45

3.3.1 Phổ hồng ngoại 47

3.3.2 Phổ khối 47

3.3.3 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR 48

3.3.4 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR 49

3.4 TỔNG HỢP DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE TỪ P-TOLUALDEHYDE VÀ ANILINE 50

3.4.1 Phổ hồng ngoại 52

3.4.2 Phổ khối 53

3.4.3 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR 53

3.4.4 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR 54 3.5 ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA CÁC DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE ĐÃ TỔNG HỢP 55

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

IR Phổ hồng ngoại

MS Phổ khối lượng TLC Sắc ký bản mỏng NMR Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

LB Luria - Bertani

từ benzaldehyde và aniline khi thay đổi thời gian phản ứng và

thể tích dung môi

38

3.2 So sánh hiệu suất phản ứng tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone

từ benzaldehyde và aniline khi thay đổi nhiệt độ phản ứng

39

3.3 So sánh hiệu suất phản ứng tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone

từ benzaldehyde và aniline khi thay đổi acid

40

3.4 Đường kính (mm) vòng ức chế vi khuẩn 55

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone trong dược phẩm 5 1.3 Một số hợp chất chứa 2-pyrrolidinone có nguồn gốc thiên nhiên 7 1.4 Sơ đồ minh họa phản ứng nhiều thành phần 8 1.5 Phản ứng Strecker tổng quát đầu tiên 8

2.7 Dao động hóa trị đối xứng (a) và dao động hóa trị bất đối xứng (b) 20 2.8 Một số dao động biến dạng trong cùng mặt phẳng 20 2.9 Trạng thái dao động của phân tử AB theo quan điểm cổ điển 21 2.10 Đường cong thế năng của dao động điều hòa 22 2.11 Đường cong thế năng và các mức năng lượng dao động của

phân tử hai nguyên tử dao động không điều hòa

23

Số hiệu

2.15 Một số hợp chất matrix được sử dụng trong kỹ thuật SIMS và FAB 28 2.16 Quá trình hình thành các ion của phương pháp ESI 29

2.18 Hấp thụ năng lượng xảy ra đối với proton và hạt nhân có số

Số hiệu

3.22 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C-NMR của hợp chất C 54 3.23 Đường kính vòng ức chế khuẩn E coli 55 3.24 Đường kính vòng ức chế khuẩn Salmonella sp 55

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong suốt tiến trình phát triển của hóa học hữu cơ, các hợp chất dị vòng luôn đóng vai trò vô cùng quan trọng Chúng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học, kĩ thuật cũng như đời sống Khoảng vài chục năm trở lại đây, lĩnh vực này phát triển mạnh mẽ và được nghiên cứu một cách hệ thống, đầy đủ, chi tiết trên cơ sở tri thức khoa học hiện đại Hằng năm, số công trình về các hợp chất dị vòng đã chiếm hơn nửa tổng số các công trình về hóa hữu cơ nói chung được công bố trong các tạp chí chính thức trên thế giới [1] Trong số các hợp chất dị vòng, những dẫn xuất của 2- pyrrolidinone có tiềm năng to lớn cho việc ứng dụng vào ngành dược phẩm và hóa nông nghiệp [4]

Vào các năm gần đây, lĩnh vực tổng hợp hóa hữu cơ ngày càng có những bước tiến vượt bậc Việc ứng dụng phản ứng nhiều thành phần (MCRs) là một trong những hướng nghiên cứu đang được các nhà hóa học hàng đầu quan tâm Điều đặc biệt của loại phản ứng này là cách tiến hành thí nghiệm đơn giản, sử dụng nguyên liệu giá thành thấp, khá phổ biến và thân thiện với môi trường [4] Đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng phản ứng nhiều thành phần trong tổng hợp các hợp chất

dị vòng chứa các thành phần như benzothiazole, piperidine… Có thể nói rằng đây là nền tảng để mở rộng sự đa dạng của các hợp chất có hoạt tính sinh học

Như vậy, để tìm hiểu rõ hơn về phản ứng nhiều thành phần, ứng dụng chúng vào quá trình tổng hợp hữu cơ cũng như tiềm năng sinh học của các dẫn xuất 2-

pyrrolidinone, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu điều chế và đánh giá hoạt tính sinh học

của một số dẫn xuất 2-pyrrolidinone”

2 Đối tượng và mục đích nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Dẫn xuất của 2- pyrrolidinone

2.2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm ra các điều kiện tối ưu để thực hiện quá trình tổng hợp dẫn xuất pyrrolidinone dựa vào phản ứng nhiều thành phần trong thời gian ngắn nhất với hiệu suất cao nhất

2 Tổng hợp một số dẫn xuất 22 pyrrolidinone

- Đánh giá hoạt tính sinh học của các dẫn xuất của 2-pyrrolidinone đã tổng hợp được

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

+ Thu thập, phân tích các tài liệu về phản ứng nhiều thành phần để tổng hợp các dẫn xuất của 2-pyrrolidinone

+ Thu thập, phân tích các tài liệu về phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

+ Tiến hành phản ứng tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone trong các điều kiện khác nhau để tìm ra điều kiện tối ưu

+ Tổng hợp các dẫn xuất của 2-pyrrolidinone dựa vào phản ứng nhiều thành phần

+ Tiến hành đánh giá hoạt tính sinh học của các dẫn xuất 2-pyrrolidinone đã tổng hợp

4 Nội dung nghiên cứu

4.1 Tổng quan về lý thuyết

- Tổng quan lý thuyết về phản ứng nhiều thành phần

- Tổng quan về phương pháp điều chế dẫn xuất 2-pyrrolidinone dựa vào phản ứng nhiều thành phần

- Tổng quan lý thuyết về phương pháp khuếch tán đĩa thạch

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone

- Đánh giá khả năng kháng khuẩn Escherichia coli và Salmonella sp của các dẫn xuất 2-pyrrolidinone đã tổng hợp

5 Bố cục luận văn

MỞ ĐẦU

Chương 1 TỔNG QUAN

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 SƠ LƯỢC VỀ 2-PYRROLIDINONE VÀ DẪN XUẤT CỦA NÓ

1.1.1 Sơ lược về 2-pyrrolidinone

1.1.1.1 Cấu tạo phân tử

2-pyrrolidinone là một loại hợp chất lactam có vòng 5 cạnh với bốn nguyên

tử C và một dị tố N

- Khối lượng phân tử : 85.11 g/mol

- Tên gọi IUPAC : 2-pyrrolidin

- Tên gọi khác : 2-pyrrolidone hoặc 2-pyrrolidinone [5], [21]

- Chất lỏng không màu hoặc màu vàng, có mùi nhẹ, có độ tan thấp

- Là một dung môi phân cực được sử dụng khá rộng rãi [5], [21]

1.1.1.3 Điều chế

Trong công nghiệp, 2-pyrrolidinone được tạo thành qua 4 giai đoạn: acetylene tác dụng với formaldehyde tạo ra 2-butyne-1,4-diol; sau đó hiđro hóa sản phẩm thu được 1,4-butanediol; chất này được chuyển thành -butyrolactone và cuối cùng phản ứng với ammonia để thu 2-pyrrolidinone [6]

Ngoài ra, 2-pyrrolidinone còn có thể được điều chế bằng phản ứng hiđro hóa succinimide với sự có mặt của ammonia nhằm ổn định succinimide và ức chế các phản ứng phụ [6]

1.1.2 Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone

Dẫn xuất của 2-pyrrolidinone là những hợp chất quan trọng được tìm thấy trong nhiều loại dược phẩm (Hình 1.2) [21]

Bảng 1.1 Một số dẫn xuất của 2-pyrrolidinone trong dược phẩm

Cotinine

(1)

C10H12N2O [22]

(3-pyridinyl) -2-pyrrolidinone [22]

(S)-1-methyl-5-Cotinine, một alkaloid có trong thuốc lá, là chất chuyển hóa chủ yếu thành nicotine [7] Nó có thể được

sử dụng để chữa bệnh trầm cảm, tâm thần phân liệt, bệnh Alzheimer

và bệnh Parkinson [22]

Doxapram

(2)

C24H30N2O2 [23]

morpholin-4-

1-ethyl-4-(2-diphenylpyrrolidinone-2 [23]

ethyl)-3,3-Doxapram kích thích sự gia tăng khối lượng hồng cầu và tỷ lệ hô hấp Doxapram hydrochloride (được tạo thành từ doxapram) là chất kích thích đường hô hấp, tiêm tĩnh mạch [8]

Piracetam

(3)

C6H10N2O2 [24]

0xopyrrolidin-1-yl)acetamide [24]

2-(2-Chữa trị các rối loạn tâm thần, suy giảm trí nhớ [25]

(RS)-3-ethyl-3-dione [26]

pyrrolidine-2,5-Thuốc chống co giật succinimide, được sử dụng chủ yếu trong trường hợp các cơn động kinh [9]

Bên cạnh đó, một vài sản phẩm có nguồn gốc thiên nhiên chứa pyrrolidinone mang hoạt tính sinh học mạnh (Hình 1.3)

2-Hình 1.3 Một số hợp chất chứa 2-pyrrolidinone có nguồn gốc thiên nhiên

Lactacystin (5) là một hợp chất hữu cơ tự nhiên được tổng hợp do vi khuẩn thuộc giống Streptomyces [10] Salimosporamide A (6) là sản phẩm tự nhiên được tạo bởi các vi khuẩn biển Salinispora tropica và Salinispora arenicola tìm thấy trong trầm tích đại dương [11] Azaspirene (7) là một chất ức chế được phân lập từ nấm Neosartorya [12]

2-pyrrolidinone và các dẫn xuất của nó còn có nhiều ứng dụng quan trọng khác như tác nhân chống ung thư, chất ức chế integrase, chống vi khuẩn và kháng viêm … [13]

1.2 PHẢN ỨNG NHIỀU THÀNH PHẦN

1.2.1 Sơ lược về phản ứng nhiều thành phần

Phản ứng nhiều thành phần (MCRs) đã được biết đến hơn 150 năm trước Phản ứng đầu tiên là sự tổng hợp α-amino cyanides của Strecker vào năm 1850 Tuy nhiên, ở thời điểm này, phản ứng nhiều thành phần ít thu hút sự chú ý của các nhà hóa học Sự phổ biến của nó chỉ tăng lên nhanh chóng từ năm 1959, sau sự xuất hiện của phản ứng bốn thành phần (giữa ketone hoặc aldehyde với amine, isocyanide và acid carboxylic để hình thành bis-amide) được thực hiện bởi Ugi và các đồng nghiệp Từ đây, MCRs được áp dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ, đặc

biệt là với những chất có hoạt tính sinh học và những phân tử có nhóm chức [14], [15], [18]

Phản ứng nhiều thành phần là loại phản ứng hóa học, trong đó ba hay nhiều chất ban đầu phản ứng với nhau để tạo thành sản phẩm Phản ứng phụ thuộc vào các điều kiện: dung môi, nhiệt độ, chất xúc tác và nồng độ các chất ban đầu [14] Trong quá trình này, những phân tử mục tiêu có độ chọn lọc cao sẽ được tổng hợp và tinh chế nhằm tạo các hợp chất có tính ứng dụng Một số thuận lợi của phản ứng nhiều thành phần là cách tiến hành thí nghiệm đơn giản, sử dụng nguyên liệu giá thành thấp, khá phổ biến và thân thiện với môi trường Ngoài ra, phản ứng này cho phép

sự thay đổi có hệ thống và có khả năng tự động hóa Với tất cả các lý do trên, phản ứng nhiều thành phần nhanh chóng trở thành một trong những con đường tổng hợp

lý tưởng trong hóa học hữu cơ và hóa dược [4], [16]

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa phản ứng nhiều thành phần

Hình 1.6 Cơ chế phản ứng Strecker 1.2.2.2 Phản ứng Ugi [18]

Phản ứng Ugi là một phản ứng đa thành phần giữa aldehyde hoặc ketone với amine, isocyanide và acid carboxylic để tạo thành một bis amide

Hình 1.7 Phản ứng Ugi tổng quát

Hình 1.8 Cơ chế phản ứng Ugi

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Máy khuấy từ gia nhiệt, máy cô quay chân không, máy đo nhiệt độ nóng chảy

- Máy đo phổ NMR, IR, MS

2.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP

Hỗn hợp gồm amine (1 mmol), aldehyde (1 mmol) và acid citric (2 mmol) trong ethanol (dung môi) được cho vào bình cầu và tiến hành khuấy từ trong 15 phút Sau đó, diethyl acetylenedicarboxylate (1 mmol) được thêm vào, khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng Kiểm tra quá trình phản ứng bằng sắc ký bản mỏng với dung môi n-hexane : ethyl acetate = 5 : 3.5 Sau khi phản ứng kết thúc, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong dung môi ethanol nóng (80°C) [4]

Hình 2.1 Phản ứng tổng quát điều chế dẫn xuất 2-pyrrolidinone

Hình 2.2 Cơ chế phản ứng tạo dẫn xuất 2-pyrrolidinone bằng MCRs [4]

2.3 KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN PHẢN ỨNG

Để tìm điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp các dẫn xuất của pyrrolidinone bằng phản ứng nhiều thành phần, các yếu tố như thời gian phản ứng,

2-thể tích dung môi, nhiệt độ phản ứng, thay đổi acid sẽ được khảo sát

2.3.1 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng và thể tích dung môi

Tiến hành thí nghiệm: aniline (0.09 ml, 1 mmol), benzaldehyde (0.10 ml, 1 mmol), acid citric (0.42 g, 2 mmol) và diethyl acetylenedicarboxylate (0.16 ml, 1 mmol) được phản ứng trong dung môi ethanol ở nhiệt độ phòng trong những khoảng thời gian và thể tích dung môi khác nhau để so sánh hiệu suất phản ứng (Bảng 2.1)

Bảng 2.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng và thể tích dung môi

STT Thể tích dung môi, ml Thời gian phản ứng, giờ

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

Tiến hành thí nghiệm: aniline (0.09 ml, 1 mmol), benzaldehyde (0.10 ml, 1 mmol), acid citric (0.42 g, 2 mmol) và diethyl acetylenedicarboxylate (0.16 ml, 1 mmol) được phản ứng trong 2 ml ethanol trong 10 giờ lần lượt tại nhiệt độ phòng, 40°C và 60°C

Hình 2.3 Phản ứng giữa anilin và benzaldehyde ở 60°C

2.3.3 Ảnh hưởng của độ mạnh acid

Tiến hành thí nghiệm: aniline (0.09 ml, 1 mmol), benzaldehyde (0.10 ml, 1 mmol) và diethyl acetylenedicarboxylate (0.16 ml, 1 mmol) được phản ứng trong 2

ml ethanol ở nhiệt độ phòng lần lượt với acid citric, acid acetic và acid formic làm chất xúc tác

2.4 TỔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT 2-PYRROLIDINONE

Sau khi đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp dẫn xuất

2-pyrrolidinone bằng phản ứng nhiều thành phần, một số dẫn xuất 2-2-pyrrolidinone đã

được điều chế dựa vào qui trình tối ưu nhất

2.4.1 Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ benzaldehyde và aniline

Lần lượt cho vào bình cầu 2 ml ethanol, 0.1 ml (1 mmol) aniline, 0.1 ml (1 mmol) benzaldehyde, 0.42 gam (2 mmol) acid citric và khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng Kiểm tra quá trình tạo imine bằng sắc ký bản mỏng Khi đã có sự hình thành imine, cho vào hỗn hợp 0.16 ml (1 mmol) diethyl acetylenedicarboxylate Quá trình phản ứng được kiểm tra bởi sắc ký bản mỏng với hệ dung môi n-hexane : ethylacetate = 5 : 3.5 Sau khi phản ứng kết thúc, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong ethanol ở 80°C [4]

Lần lượt cho vào bình cầu 2 ml ethanol, 0.11 ml (1 mmol) benzylamine, 0.1

ml (1 mmol) benzaldehyde, 0.42 gam (2 mmol) acid citric và khuấy hỗn hợp ở nhiệt

độ phòng Kiểm tra quá trình tạo imine bằng sắc ký bản mỏng Khi đã có sự hình thành imine, cho vào hỗn hợp 0.16 ml (1 mmol) diethyl acetylenedicarboxylate Quá trình phản ứng được kiểm tra bởi sắc ký bản mỏng với hệ dung môi n-hexane : ethylacetate = 5 : 3.5 Sau khi phản ứng kết thúc, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong ethanol ở 80°C [4]

Sản phẩm tinh khiết

Cô quay

Kết thúc phản ứng Lọc sản phẩm, rửa

bằng ethanol lạnh

Kết tinh lại sản phẩm

trong ethanol (80°C)

Thêm diethyl acetylenedicarboxylat

e

Kiểm tra TLC (tạo imine)

Ethanol, benzaldehyde,

aniline, acid citric

Khuấy

2.4.3 Tổng hợp dẫn xuất 2-pyrrolidinone từ p-tolualdehyde và aniline

Lần lượt cho vào bình cầu 2 ml ethanol, 0.1 ml (1 mmol) aniline, 0.1 ml (1 mmol) p-tolualdehyde, 0.42 gam (2 mmol) acid citric và khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng Kiểm tra quá trình tạo imine bằng sắc ký bản mỏng Khi đã có sự hình thành imine, cho vào hỗn hợp 0.16 ml (1 mmol) diethyl acetylenedicarboxylate Quá trình phản ứng được kiểm tra bởi sắc ký bản mỏng với hệ dung môi n-hexane : ethylacetate = 5 : 3.5 Sau khi phản ứng kết thúc, lọc lấy chất rắn và kết tinh lại trong ethanol ở 80°C [4]

2-Chuẩn bị các dung dịch vi sinh:

- Dịch khuẩn: hòa tan 5 gam cao nấm men, 5 gam NaCl và 10 gam peptone vào 1 lít nước cất, chuẩn độ pH = 7; sau đó cấy vi khuẩn và hoạt hóa trong 24 giờ

Sản phẩm tinh khiết

Cô quay

Kết thúc phản ứng Lọc sản phẩm, rửa

bằng ethanol lạnh

Kết tinh lại sản phẩm

trong ethanol (80°C)

Thêm diethyl acetylenedicarboxylat

e

Kiểm tra TLC (tạo imine)

bằng ethanol lạnh

Kết tinh lại sản phẩm

trong ethanol (80°C)

Thêm diethyl acetylenedicarboxylat

e

Kiểm tra TLC (tạo imine)

- Môi trường LB: hòa tan hoàn toàn 5 gam cao nấm men, 5 gam NaCl và 10 gam peptone vào 1 lít nước cất, chuẩn độ pH = 7; sau đó thêm 20 gam agar, khuấy đều và nấu trong lò vi sóng đến khi sôi

Hai chủng vi khuẩn là Escherichia coli và Salmonella sp được sử dụng để tiến hành thí nghiệm Cấy trải 200 μL dịch khuẩn, nồng độ tương đương 5.108 CFU/ml lên bề mặt đĩa petri có chứa môi trường LB đặc, để khô và đục giếng, đường kính khoảng 8 mm Chuẩn bị mẫu thử bằng cách hòa tan các dẫn xuất 2-pyrrolidinone trong dimethyl sulfoxide (DMSO) với nồng độ 1mg/ml Bổ sung 50

μL mẫu thử vào các giếng thạch trên đĩa petri; sau đó đặt các đĩa vào tủ ấm ở 37°C

trong 24 giờ

2.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.6.1 Phương pháp sắc ký lớp mỏng

2.6.1.1 Khái niệm [27]

Sắc ký lớp mỏng (thin layer chromatography - TLC) là một kĩ thuật sắc

ký được dùng để tách các chất trong hỗn hợp Phương pháp này gồm pha tĩnh là một lớp mỏng các chất hấp phụ, thường là silica gel, aluminium oxit, hoặc cellulose được phủ trên một mặt phẳng chất trơ Pha động bao gồm dung dịch cần phân tích được hòa tan trong một dung môi thích hợp và được hút lên bản sắc ký bởi mao dẫn, tách dung dịch thí nghiệm dựa trên tính phân cực của các thành phần trong dung dịch

Sắc ký lớp mỏng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

- Xét nghiệm độ tinh khiết của các hóa chất phóng xạ trong dược khoa

- Xác định các sắc tố trong tế bào thực vật

- Phát hiện thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng trong thức ăn

- Nhận biết những hóa chất trong một chất cho sẵn

- Giám sát các phản ứng hữu cơ

Hình 2.4 Sắc ký lớp mỏng 2.6.1.2 Kỹ thuật [27], [28]

Phương pháp tiến hành giống với sắc ký giấy với lợi thế là nhanh hơn, tách hỗn hợp hiệu quả hơn, và có sự lựa chọn giữa các "pha tĩnh" khác nhau Vì vậy, sắc

ký lớp mỏng thường được dùng để giám sát các phản ứng hóa học và phân tích chất lượng sản phẩm của phản ứng

Một vệt nhỏ dung dịch chứa mẫu thử được thấm lên bản sắc ký, khoảng 1 cm

từ dưới lên Sau đó, bản sắc ký được nhúng vào một dung môi thích hợp và được đặt vào trong một vật chứa có nắp Dung môi di chuyển lên bản sắc ký bởi mao dẫn, gặp phải mẫu thử và dịch chuyển mẫu thử lên bản sắc ký Các hợp chất khác nhau trong hỗn hợp mẫu thử dịch chuyển với tốc độ khác nhau do chúng có sức hút khác nhau đối với pha tĩnh, và độ tan khác nhau trong dung môi

Hình 2.5 Quá trình sắc ký lớp mỏng

Các hợp chất được tách ra dựa trên sự cạnh tranh của chất tan và pha động để

có được chỗ liên kết với pha tĩnh Những chất có sự tương tác yếu với pha tĩnh sẽ di chuyển lên cao hơn trên bản sắc ký Ngược lại, những chất có sự tương tác mạnh với pha tĩnh thì di chuyển một đoạn thấp hơn trên bản sắc ký Nếu thay đổi độ phân cực của pha động sẽ không làm các hợp chất có thứ tự di chuyển ngược lại trên bản sắc ký

Dung môi thích hợp dùng trong sắc ký lớp mỏng là một dung môi có tính phân cực khác với pha tĩnh Nếu một dung môi phân cực được dùng để hòa tan mẫu thử trên một pha tĩnh phân cực, vệt nhỏ mẫu thử sẽ lan tròn do mao dẫn và các vệt khác nhau có thể trộn lẫn vào nhau Do đó, để hạn chế sự lan tròn của các vệt mẫu, dung môi được sử dụng để hòa tan mẫu thử phải không phân cực, hoặc phân cực một phần, nếu pha tĩnh phân cực, và ngược lại

Đại lượng đặc trưng cho mức độ di chuyển của chất phân tích là hệ số di chuyển Rf, được tính bằng công thức: Rf = 𝑎

𝑏 Trong đó: a là khoảng cách từ điểm xuất phát đến tâm của vết mẫu thử (cm);

b là khoảng cách từ điểm xuất phát đến mức dung môi đo trên cùng đường đi của vết (cm) (Hình 2.6)

Hình 2.6 Minh họa a và b trên bản mỏng

- Thành phần pha động dễ thay đổi trong quá trình sắc ký

- Các vết sắc ký thường bị kéo đuôi

- Chỉ dùng khi hỗn hợp cần tách số lượng ít

2.6.1.3 Quá trình sắc ký [28]

- Chuẩn bị ống mao quản: ống thủy tinh có đường kính trong ống nhỏ,

khoảng 1-2mm, một đầu được vót nhọn

- Chuẩn bị tấm bản mỏng

- Chuẩn bị dung dịch mẫu: chất lỏng có thể chấm trực tiếp lên bản mỏng, dung dịch quá sệt có thể pha loãng mẫu, chất rắn phải hòa tan trong dung môi hữu cơ thích hợp

- Giải ly để dung môi di chuyển lên trên

- Xuất hiện các vết sau khi giải ly: các hợp chất có màu sẽ được nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng phần lớn các chất hữu cơ không có màu Nếu muốn nhìn thấy các vệt sắc ký thì cần phải đặt dưới đèn tử ngoại UV

2.6.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Hầu hết các hợp chất vô cơ và hữu cơ chứa liên kết cộng hóa trị đều hấp thụ các tần số khác nhau của bức xạ điện từ trong vùng hồng ngoại [2]

700 nm (tần số 430 THz) đến 1 mm (tần số 300 GHz) [29]

Phân loại [29]:

- Hồng ngoại gần: có bước sóng từ 0.78 đến 3.00 µm

- Hồng ngoại giữa: có bước sóng từ 3.00 đến 50.00 µm

- Hồng ngoại xa: có bước sóng từ 50.00 đến 1000.00 µm

2.6.2.1 Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại

Không phải bất kỳ hợp chất nào cũng có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại Sự hấp thụ đó mang tính chất chọn lọc [3] Để một phân tử có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Tần số dao động tự nhiên của một phần phân tử (tức là các nguyên tử hay nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) dao động cùng tần số của bức xạ tới [3] Như

vậy, mỗi phân tử chỉ hấp thụ những tần số chọn lọc của bức xạ hồng ngoại và sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại tương ứng với hấp thụ năng lượng trong khoảng từ 8 đến

40 kJ/mol [2]

- Mỗi phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi sự hấp thụ đó gây nên sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng [3] Chỉ có những liên kết có momen lưỡng cực thay đổi như một hàm số phụ thuộc vào thời gian mới có khả năng hấp thụ bức

xạ hồng ngoại (tức là liên kết có momen lưỡng cực khác 0) [2]

2.6.2.2 Phổ dao động quay cả phân tử hai nguyên tử [2], [3]

a Dao động hóa trị và dao động biến dạng

Khi phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại trong vùng hồng ngoại trung bình sẽ xuất hiện hai dao động của liên kết cộng hóa trị là dao động hóa trị và dao động biến dạng

- Dao động hóa trị là dao động làm thay đổi chiều dài liên kết những không làm thay đổi góc liên kết

Hình 2.7 Dao động hóa trị đối xứng (a) và dao động hóa trị bất đối xứng (b)

- Dao động biến dạng là dao động làm biến dạng góc liên kết nhưng không làm thay đổi chiều dài liên kết

Hình 2.8 Một số dao động biến dạng trong cùng mặt phẳng

Dao động hóa trị bất đối xứng xảy ra ở tần số cao hơn dao động hóa trị đối xứng; dao động hóa trị xảy ra ở tần số cao hơn dao động biến dạng

b Dao động điều hòa và dao động không điều hòa

Xét trường hợp phân tử AB được tạo thành từ hai nguyên tử A và B A và B được xem như hai quả cầu khối lượng mA, mB nối với nhau bởi một lò xo Khoảng cách giữa tâm A và tâm B ở vị trí cân bằng là r0 Nếu giữ chặt một quả cầu còn quả kia ép lại rồi bỏ tay ra thì quả cầu thứ hai sẽ dao động quanh vị trí cân bằng với một

độ lệch ∆r Trong hệ sẽ xuất hiện một lực luôn luôn có khuynh hướng kéo chúng về

vị trí cân bằng gọi là lực hồi phục, kí hiệu là F

Hình 2.9 Trạng thái dao động của phân tử AB theo quan điểm cổ điển

Bài toán dao động như trên có thể đưa về trường hợp bài toán dao động của một điểm động và một điểm tĩnh (được gọi là một hệ dao động tử) và có thể xảy ra với biên độ dao động không đổi (dao động điều hòa) hoặc biên độ dao động thay đổi (dao động không điều hòa)

Dao động điều hòa

Phân tử hai nguyên tử được xem như hai hòn bi dao động nối với nhau bởi một lò xo Chiều dài liên kết thay đổi liên tục nhưng chiều dài liên kết trung bình có thể xác định được Khi một trong hai hòn bi bị giữ chặt và hòn bi còn lại nén lại hoặc kéo giãn một đoạn rồi thả tự do thì nó sẽ dao động quanh vị trí cân bằng với biên độ dr không đổi

Lực nén hoặc kéo dãn tuân theo định luật Hook: F = -k(r – r0)2

Năng lượng của dao động điều hòa được tính theo công thức:

E =1

2k(r − ro)

2

Khi khoảng cách giữa hai nguyên tử tăng lên hoặc giảm xuống so với khoảng cách cân bằng r0 thì năng lượng E của dao động đều tăng lên Năng lượng của dao động tỉ lệ thuận với tần số của dao động điều hòa

 =1

=

12πc√

kμTrong đó: : tần số do dao động tự nhiên của phân tử

k: lực liên kết giữa hai nguyên tử

µ: khối lượng thu gọn của phân tử

Hình 2.10 Đường cong thế năng của dao động điều hòa

Sự dao động này được lượng tử hóa và theo cơ học lượng tử chỉ những dao động có năng lượng thõa mãn phương trình sau mới xảy ra:

E = h(n +1

2) Trong đó:  là tần số dao động và n là số lượng tử dao động

Dao động không điều hòa

Trong thực tế, dao động của các nguyên tử trong phân tử không phải là dao động điều hòa Khi tăng khoảng cách giữa các nguyên tử đến một giới hạn nào đó chúng sẽ bị phân ly Hoặc khi ép hai nguyên tử lại gần nhau sẽ xuất hiện một lực đẩy và lực đẩy này tăng lên khi các nguyên tử càng gần nhau Nên đường biểu diễn thế năng theo khoảng cách r không phải là một hình parabol mà là một đường cong không đối xứng với khoảng cách các mức năng lượng dao động không điều hòa

Năng lượng dao động của phân tử thực:

Vạch hấp thu:

- Tương ứng với bước chuyển mức (0→1) gọi là vạch cơ bản

- Tương ứng với bước chuyển mức (0→2) gọi là vạch tần thứ nhất

- Tương ứng với bước chuyển mức (0→3) gọi là vạch tần thứ hai

Hình 2.11 Đường cong thế năng và các mức năng lượng dao động của phân tử

hai nguyên tử dao động không điều hòa

2.6.3 Phương pháp phổ khối (MS)

2.6.3.1 Khái niệm và ứng dụng [20]

Đây là một kĩ thuật dùng để đo đạc tỉ lệ khối lượng trên điện tích của ion

Kĩ thuật này có nhiều ứng dụng, bao gồm:

- 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)

- Xác định các thuộc tính vật lý, hóa học hay ngay cả sinh học của hợp chất với nhiều hướng tiếp cận khác nhau

2.6.3.2 Nguyên tắc chung [2]

Khi cho các phân tử ở trạng thái khí va chạm với một dòng electron có năng lượng cao, từ các phân tử sẽ bật ra 1 hay 2 electron và nó trở thành các ion có điện tích 1+ và 2+ Quá trình biến các phân tử trung hòa thành các ion được gọi là sự ion hóa

Nếu các ion phân tử tiếp tục va chạm với dòng electron có năng lượng lớn thì chúng sẽ bị phá vỡ thành các mảnh ion, gốc hoặc phân tử trung hòa khác nhau Quá trình này được gọi là quá trình phân mảnh

ABC+  A+ + BCABC+  AB+ + CNăng lượng quá trình phân mảnh chỉ vào khoảng 30 - 100 eV, cao hơn năng lượng ion hóa phân tử (8 - 15 eV)

Các ion có khối lượng m và điện tích e Tỷ số m/e được gọi là số khối z Dựa vào sự khác nhau về số khối, các ion sẽ được tách ra khỏi nhau và xác định xác suất có mặt của chúng Từ đó vẽ đồ thị biểu diễn mối liên quan giữa xác suất

a Buồng bơm mẫu

Mẫu được nạp vào phổ kế có thể ở dạng khí, lỏng hay rắn Trước tiên 0.1-1

mg mẫu được nạp vào một buồng kín dưới áp suất thấp (từ 10-5 đến 10-7 mmHg) và nhiệt độ đốt nóng có thể đến 200oC Dưới điều kiện này thì hầu hết các chất lỏng và rắn đều chuyển thành thể hơi

b Buồng ion hóa

Mẫu sau khi đã hóa hơi được dẫn vào buồng ion hóa để biến các phân tử trung hòa thành các ion ở pha khí Quá trình ion hóa này có thể thực hiện theo một

số phương pháp khác nhau như ion hóa bằng dòng electron, ion hóa hóa học, ion hóa giải hấp phụ… Sau đó, các ion được tăng tốc trong một điện trường

c Bộ phận phân tích khối lượng

Các ion có tỉ số khối lượng/điện tích (m/e) khác nhau sẽ được phân tách ra khỏi nhau bằng các thiết bị như thiết bị phân tách ion hội tụ đơn, hội tụ kép và bộ phân tích thời gian bay

d Detector

Những ion đi ra từ bộ phận tách có cường độ nhỏ nên cần khuếch đại để phát hiện Một trong những thiệt bị này là máy nhân electron Nó tạo ra các electron thứ cấp khi có ion ban đầu đập vào bề mặt tấm kim loại Sau đó, detector sẽ đếm số ion

e Hệ thống phân tích dữ liệu

Các tín hiệu từ bộ khuếch đại truyền ra được nạp vào bộ nhớ máy tính rồi xử

lý kết quả và in ra phổ Các phổ đồ được biểu diễn dưới dạng phần trăm basis (%B), đỉnh cao nhất có cường độ 100% và các đỉnh khác nhỏ hơn

2.6.3.4 Các phương pháp ion hóa

a Ion hóa bằng dòng electron [2]

Trong phổ khối ion hóa bằng dòng electron, dòng electron có năng lượng cao được phát ra từ một sợi dây bóng đèn được đốt nóng đến vài nghìn độ C Các electron có năng lượng cao này sẽ va đập với dòng phân tử đi vào từ hệ thống bơm mẫu Sự va chạm sẽ làm bật một electron ra khỏi phân tử để tạo thành cation Một

bản “đẩy” mang điện tích dương sẽ hướng các ion vừa được tạo thành về phía các bản tăng tốc

Hình 2.13 Buồng ion hóa bằng dòng electron

Hầu hết những phân tử không được ion hóa sẽ bị hút ra ngoài bởi bơm chân không và được kết nối với buồng ion hóa Một số phân tử chuyển thành ion âm sẽ được hấp thu bởi bản “đẩy” ion Một tỉ lệ nhỏ các ion tích điện dương được hình thành có thể có điện tích lớn hơn 1 (do mất nhiều electron) Những ion có điện tích lớn hơn 1 này sẽ được tăng tốc theo cách tương tự như các ion có điện tích +1

Đây là phương pháp đơn giản và phổ biến nhất để chuyển mẫu thảnh ion

b Ion hóa hoá học [2]

Sự ion hóa trong phương pháp đo phổ khối ion hóa hóa học phụ thuộc vào sự

va chạm của các ion và phân tử chát cần đo Mẫu bị ion hóa do sự va chạm với các ion được tạo ra với lượng lớn từ các chất khí hoặc chất lỏng dễ bay hơi Tác nhân ion hóa phổ biến trong phương pháp này bao gồm: methane, ammonia, isobutane