Khảo sát một số phản ứng tổng hợp chất trung gian để điều chế berberin clorid

Tổng hợp berberin bằng phương pháp hóa học đã và đang được nghiên cứu trong nhiều năm.. Vị trí của homopiperonylamin trong tổng hợp berberin Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

TRẦN THỊ PHƯƠNG THẢO

KHẢO SÁT MỘT SỐ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP CHẤT TRUNG GIAN ĐỂ ĐIỀU CHẾ BERBERIN CLORID

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

HÀ NỘI - 2020

ĐỂ ĐIỀU CHẾ BERBERIN CLORID

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin được cảm ơn TS Nguyễn Văn Giang, NCS Nguyễn Minh

Ngọc những người thầy trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong quá trình làm khóa luận

này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến TS Nguyễn Văn Hải - người truyền

cảm hứng, thầy đã cho tôi những lời khuyên, kinh nghiệm quý báu giúp tôi không chỉ

mở mang về kiến thức mà còn trau dồi thêm nhiều kỹ năng cần thiết cho nghề nghiệp

và cuộc sống Tôi cũng xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Đình Luyện, TS Đào

Nguyệt Sương Huyền và các thầy cô trong bộ môn Công nghiệp Dược đã luôn giúp đỡ

nhiệt tình, cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình thực nghiệm

Và để có ngày hôm nay không thể nhắc đến sự giáo dục, dạy dỗ của tất cả các thầy cô trong Trường Đại học Dược Hà Nội trong năm năm học tập, các thầy cô luôn là tấm gương sáng để tôi học tập không những trong thời gian học tập mà còn trong công việc tương lai

Để hoàn thành xong khóa luận này không thể không nhắc đến sự động viên của gia đình và bạn bè, đặc biệt là các bạn cùng làm khóa luận trên bộ môn, cảm ơn các bạn đã luôn giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn Cảm ơn mọi người rất nhiều

Mặc dù đã cố gắng hết sức cũng như được tạo mọi điều kiện song do thời gian nghiên cứu có hạn, kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế nên chắc chắn khóa luận này còn nhiều thiếu sót Rất mong nhận được những đóng góp của các thầy cô và các bạn Những lời góp ý quý báu đó là động lực giúp khóa luận này được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 22 tháng 6 năm 2020

Sinh viên

Trần Thị Phương Thảo

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Khái quát chung về homopiperonylamin hydroclorid 2

1.2 Các phương pháp tổng hợp homopiperonylamin 2

1.3 Vị trí của homopiperonylamin trong tổng hợp berberin 3

1.4 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu 6

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 8

2.1 Nguyên liệu và thiết bị 8

2.1.1 Nguyên liệu 8

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ 8

2.2 Nội dung nghiên cứu 9

2.2.1 Cải tiến giai đoạn phản ứng tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid (1) từ piperonal (9) quy mô 50 g/mẻ 9

2.2.2 Kiểm tra độ tinh khiết, xác định cấu trúc hóa học của sản phẩm 10

2.3 Phương pháp nghiên cứu 10

2.3.1 Tổng hợp hóa học và tinh chế sản phẩm, khảo sát các thông số tối ưu 10

2.3.2 Phương pháp kiểm tra độ tinh khiết 10

2.3.3 Phương pháp xác định cấu trúc hóa học 11

CHƯƠNG 3.THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 12

3.1 Tổng hợp 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal (9) 12

3.2 Tổng hợp homopipernylamin hydroclorid (1) từ 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) 13

3.2.1 Lựa chọn tác nhân khử nitro 13

3.2.2 Lựa chọn quy trình thực hiện phản ứng 17

3.2.3 Khảo sát các thông số 18

3.2.4 Xây dựng quy trình tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid từ chất 2 với

quy mô 50 g/mẻ 21

3.3 Kiểm tra độ tinh khiết sản phẩm thu được 23

3.4 Xác định cấu trúc hóa học 24

3.4.1 Xác định cấu trúc hợp chất 5-(2-nitroethyl)benzo[d][1,3]dioxol (2c) 24

3.4.2 Xác định cấu trúc homopiperonylamin hydroclorid (1) 24

3.5 Bàn luận 25

3.5.1 Tổng hợp 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal (9) 25

3.5.2 Tổng hợp homopipernylamin hydroclorid (1) từ 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) 26

3.5.3 So sánh với quy trình của tác giả Phạm Trung Kiên 30

3.5.4 Độ tinh khiết của sản phẩm 30

3.5.5 Cấu trúc hóa học của các hợp chất 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

(Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy)

Rf Hệ số lưu giữ (Retention factor)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng trong khóa luận 8

Bảng 2.2 Các thiết bị dụng cụ sử dụng trong khóa luận 9

Bảng 3.1 Kết quả tổng hợp 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal 13 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát tác nhân khử nhóm nitro 16

Bảng 3.3 Kết quả so sánh hai quy trình I và II 18

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát nhiệt độ phản ứng 18

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát tỷ lệ mol chất 2 : sắt 19

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát thời gian phản ứng 19

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát dung môi 20

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát tỷ lệ alcol : nước 20

Bảng 3.9 Kết quả đánh giá độ lặp quy trình tổng hợp amin 1 bằng Fe/NH4Cl 23 Bảng 3.10 Phân tích cấu trúc hợp chất 2c 24

Bảng 3.11 Phân tích cấu trúc homopiperonylamin hydroclorid (1) 24

Bảng 3.12 So sánh quy trình trong khóa luận với tác giả Phạm Trung Kiên 30

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử homopiperonylamin hydroclorid 2

Hình 1.2 Các phương pháp tổng hợp homopiperonylamin 2

Hình 1.3 Sơ đồ tóm tắt các phương pháp tổng hợp berberin qua (1) 4

Hình 1.4 Sơ đồ tổng hợp berberin từ piperonal 6

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid từ piperonal 9

Hình 3.1 Tổng hợp 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal (9) 12

Hình 3.2 Sơ đồ các bước tổng hợp 2 từ piperonal (9) 12

Hình 3.3 Tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid (1) từ chất 2 13

Hình 3.4 Sơ đồ các bước tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid (1) từ hợp chất 2 22

Hình 3.5 Cơ chế phản ứng giữa piperonal (9) và nitromethan 26

Hình 3.6 Cơ chế khử nối đôi bằng NaBH4 26

Hình 3.7 Cơ chế phản ứng khử nhóm nitro 28

Hình 3.8 Phổ khối lượng của sản phẩm trung gian sau khi khử nối đôi 31

Hình 3.9 Phổ khối lượng của sản phẩm thu được 31

Hình 3.10 Phổ 1H-NMR của sản phẩm thu được 32

Hình 3.11 Phổ 13C-NMR của sản phẩm thu được 33

Hình 3.12 Phổ IR của sản phẩm thu được 33

ĐẶT VẤN ĐỀ

Berberin là hoạt chất được sử dụng từ lâu đời điều trị các bệnh nhiễm khuẩn đường tiêu hóa, có bản chất là một alkaloid tìm thấy trong thân rễ một số loài thực vật như hoàng liên gai, vàng đắng, hoàng liên chân gà…[1] Những năm gần đây nhiều nghiên cứu cho thấy berberin có nhiều tác dụng dược lý khác như chống ung thư, hạ lipid máu, hạ đường huyết…[20] Chính vì thế berberin là một hoạt chất tiềm năng có thể ứng dụng điều trị nhiều bệnh trong tương lai Nguồn nguyên liệu berberin cung cấp cho ngành dược chủ yếu là chiết xuất dược liệu Tuy nhiên nguồn dược liệu có hạn không thể đảm bảo khai thác lâu dài Chính vì thế để đảm bảo cung cấp nguyên liệu berberin cho ngành dược phải có một phương pháp khác thay thế Hóa học ngày càng phát triển, việc tổng hợp toàn phần một hợp chất trở nên phổ biến hơn, đặc biệt trong lĩnh vực hóa dược Việc tổng hợp hóa học giúp giảm phụ thuộc vào thiên nhiên, đồng thời giảm gánh nặng khai thác dược liệu, giúp chủ động nguồn nguyên liệu hóa dược

Tổng hợp berberin bằng phương pháp hóa học đã và đang được nghiên cứu trong nhiều năm Mỗi tác giả đề xuất các quy trình tổng hợp đi từ các nguyên liệu khác nhau Trong đó hướng tổng hợp qua hợp chất homopiperonylamin được nhiều tác giả lựa chọn, chính vì thế đây là một mắt xích quan trọng trong tổng hợp berberin Năm 2019, tại Bộ môn Công nghiệp Dược, Trường Đại học Dược Hà Nội, tác giả Phạm Trung Kiên đã tiến hành nghiên cứu quy trình tổng hợp berberin clorid từ nguyên liệu piperonal với quy mô 50 g/mẻ với hiệu suất toàn phần là 45,44% [2] Trong đó có thực hiện tổng hợp chất homopipernylamin hydroclorid

(1), mặc dù hiệu suất cao nhưng giai đoạn này có sử dụng tác nhân phản ứng đắt tiền với lượng lớn Chính vì vậy, đề tài: “Khảo sát một số phản ứng tổng hợp

chất trung gian để điều chế berberin clorid” được thực hiện với mục tiêu cải

tiến được phản ứng tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid (1) từ piperonal (9)

ở quy mô 50 g/mẻ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái quát chung về homopiperonylamin hydroclorid

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử homopiperonylamin hydroclorid

Danh pháp: 2-(1,3-benzodioxol-5-yl)ethanamin hydroclorid

Công thức phân tử: C9H12ClNO2

Khối lượng phân tử: 201,69 đvC

- Từ 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) tiến hành khử hóa sử dụng tác nhân

NaBH4 với xúc tác CuCl2 [9] hoặc NiCl2 [15] đều thu được amin 1

- Từ 2-(benzo[d][1,3]dioxol-5-yl)ethan-1-imin (3) tiến hành khử hóa với H2, xúc

tác niken thu được amin 1 [11]

- Từ tert-butyl (2-(benzo[d][1,3]dioxol-5-yl)ethyl)carbamat (4) tác giả Chen

Cheng đem cho phản ứng với axit trifluoroacetic, CH2Cl2 ở nhiệt độ phòng

trong 17h thu được 1 đạt hiệu suất 94% [5]

- Từ 3-(benzo[d][1,3]dioxol-5-yl)propanamid (5) Loại bỏ nhóm carbonyl của

amid này bằng NaClO, C2H5OH, NaOH giữ ở 0 - 80oC trong 24h thu được homopiperonylamin với hiệu suất 93,2% [4]

- Từ 2-(benzo[d][1,3]dioxol-5-yl)acetonitril (6): W Liu và cộng sự đã khử hóa

6 với tác nhân amoniac, H2/Ni trong dung môi methanol thu được amin 1, hiệu

suất phản ứng đạt 90% [5]

1.3 Vị trí của homopiperonylamin trong tổng hợp berberin

Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu sản xuất berberin bằng phương pháp tổng hợp hóa học Dựa vào cấu trúc của phân tử và các nghiên cứu tổng hợp berberin đã công bố trước đó có thể nhận thấy rằng các phần lớn các tác giả đều tiến hành ngưng tụ các hợp chất mang khung cấu trúc 1,3-benzodioxol và 1,2-dimethoxybenzen sau đó đóng vòng để tạo ra nhân isoquinolin (nguồn nitơ gắn trực tiếp vào một trong hai khung cấu trúc trên) và tiếp tục các phản ứng khác để tạo ra cấu trúc phân tử của berberin Một trong những hợp chất mang khung 1,3-benzodioxol được nhiều tác giả lựa chọn cho chuỗi tổng hợp là

homopiperonylamin (1) (nhóm chức amin cung cấp dị tố nitơ cho nhân

isoquinolin)

Trong số các nghiên cứu được công bố, có 7 nghiên cứu thông qua hợp chất

số 1 Như đã trình bày ở trên thì các nghiên cứu này lựa chọn hợp chất số 1 là

mảnh mang cấu trúc 1,3-benzodioxol, điểm khác nhau cơ bản giữa các phương pháp là hướng nghiên cứu Có hai hướng nghiên cứu trong nhóm phương pháp

này: hướng thứ nhất là các tác giả sẽ tập trung để tổng hợp được hợp chất số 1,

hướng thứ hai là lựa chọn các hợp chất khác nhau mang khung cấu trúc

1,2-dimethoxybenzen để ngưng tụ với hợp chất số 1 Sơ đồ dưới đây tóm tắt các

nghiên cứu trong nhóm này (Hình 1.3)

Hình 1.3 Sơ đồ tóm tắt các phương pháp tổng hợp berberin qua (1)

Hướng tổng hợp amin số 1 được nhiều nhà nghiên cứu Trung Quốc quan

tâm Năm 1980, nhà máy dược phẩm Đông Bắc, Trung Quốc đã đi từ nguyên liệu

ban đầu là phenol (7), trải qua 12 bước phản ứng (đi qua các bước phản ứng tạo

các hợp chất 8, 11, 10, 9) để tạo thành imin 3, sau đó khử hóa thu được amin 1,

tuy nhiên quy trình tổng hợp dài, trải qua nhiều giai đoạn, chi phí sản xuất lớn, sử dụng nhiều tác nhân gây ô nhiễm môi trường như benzen, dimethyl sulfoxid nên năm 1994, phương pháp này đã bị ngừng lại [11]

Tiếp đó hai nhóm nghiên cứu S Chen, W Lin (1981) và C.Chen, Z Luo,

H Yang (2016) cùng xuất phát từ catechol (8) sau đó phản ứng với dicloromethan trong môi trường kiềm thu được chất 1,3-benzodioxol (11), tiếp theo 11 được

alkyl hóa với 1,3,5-trioxan, HCl, PCl3 ở nhiệt độ 70 – 90 oC thu được 10 Nhưng

từ 10 S Chen, W Lin (1981) đã tổng hợp hợp chất nitrile 6, amin 1 được tạo ra bằng cách khử hóa hợp chất 6 với NH3, H2/Ni (4 bước phản ứng thu được 1 từ catechol (8)) [11], trong khi đó C.Chen, Z Luo, H Yang (2016) tiếp tục trải qua

4 phản ứng tạo hợp chất 5, sau đó khử hóa thu được amin 1 (7 bước tạo amin 1 từ

8) [4]

Năm 2017, C Chen, M Xu, Q Zhao từ 1,3 benzodioxol (11) phản ứng với

acetonitril, LiBr, CH3CN ở 32 oC, trong 8 giờ, thu được dẫn chất brom 12 hiệu suất đạt 77%, chất 12 phản ứng với 13 tạo 15, chất 4 phản ứng với axit

trifluoroacetic, CH2Cl2 ở nhiệt độ phòng trong 17 giờ thu được 1 với hiệu suất đạt

94% [5]

Sau khi tổng hợp thành công amin 1 các tác giả đều tiến hành ngưng tụ với 2,3-dimethoxybenzaldehyd (15), sau đó khử hóa imin thu được 20, hợp chất 20

phản ứng với glyoxal thu được berberin Hai tác giả Xiaolin Bian (2006) và Peng

Yang (2008) lại sử dụng luôn amin 1 làm nguyên liệu đầu vào và tạo berberin

tương tự như các tác giả trên [3], [21]

Theo hướng tổng hợp các hợp chất khung 1,2-dimethoxybenzen để thực

hiện phản ứng ngưng tụ với 1 cũng có một vài nghiên cứu Năm 1911, Amé Pictet

và Alfons Gams đã tổng hợp chất 14 từ acid 2-(3,4-dimethoxyphenyl)acetic bằng

phospho pentaclorua [23] T Kametani, I Noguchi, K.Saito, S Kaneda (1969) lại

lựa chọn hợp chất 16 ngưng tụ với 1 [10], Z X Chen (2007) tổng hợp 17 từ

2,3-dimethoxylphenylmethanol qua 4 bước, hiệu suất tổng hợp berberin lên đến 67% [11]

Như vậy có thể thấy rằng homopiperonylamin là một mắt xích quan trọng trong tổng hợp berberin

1.4 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

Phần lớn nguyên liệu berberin được sản xuất bằng phương pháp chiết xuất dược liệu Phương pháp này có ưu điểm đơn giản, dễ thực hiện Tuy nhiên nguồn dược liệu có hạn, không đảm bảo được sản xuất berberin lâu dài Giải pháp thay thế hiệu quả là sử dụng berberin tổng hợp hóa học Như bên trên đã trình bày, có nhiều tác giả đưa ra nhiều quy trình tổng hợp berberin từ các nguyên liệu ban đầu khác nhau Mỗi quy trình đều có ưu nhược điểm riêng Tuy nhiên để đưa được vào sản xuất quy mô lớn cần nhiều yếu tố, không chỉ về vấn đề hiệu suất mà còn

là bài toán về chi phí sản xuất, vấn đề môi trường, sức khỏe và an toàn lao động Một quy trình lý tưởng đưa vào sản xuất quy mô công nghiệp cần: Quy trình đơn giản, chi phí sản xuất thấp, hiệu suất cao, không gây ô nhiễm môi trường, không gây hại sức khỏe con người, ít tiềm ẩn rủi ro lao động

Năm 2019, tại Bộ môn Công nghiệp Dược, tác giả Phạm Trung Kiên đã tiến hành tổng hợp thành công berberin clorid với quy mô 50 g/mẻ từ nguyên liệu

ban đầu là piperonal (9) theo sơ đồ sau [2]:

Hình 1.4 Sơ đồ tổng hợp berberin từ piperonal

2

1

20

22

Trong khóa luận này nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu cải tiến dựa trên

quy trình trên Như đã trình bày mắt xích 1 đóng vai trò quan trọng trong quy trình tổng hợp berberin clorid Trong quy trình trên amin 1 được tạo ra bằng cách khử

hóa hợp chất 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) với tác nhân khử là NaBH4 Ưu điểm của tác nhân này là hiệu suất cao có thể khử cả nối đôi và nhóm nitro của

hợp chất 2 Tuy nhiên tác nhân này có nhược điểm là đắt tiền, dễ hút ẩm nên khó

bảo quản, thao tác, hơn nữa trong quy trình trên sử dụng lượng lớn NaBH4 (tỷ lệ

mol gấp 8,5 lần so với chất 2) nên khi nâng cấp quy mô lớn khó kiểm soát do sinh

hydro mạnh Chính vì thế trong khóa luận này nhóm nghiên sẽ tập trung cải tiến

phản ứng này cùng với đó là tiến hành tổng hợp hợp chất 2 từ piperonal

Phản ứng khử tạo hợp chất amin 1 gồm hai bước khử: khử nối đôi và khử

nhóm nitro Trong khóa luận này nhóm nghiên cứu sẽ vẫn dùng NaBH4 cho giai đoạn khử nối đôi, giai đoạn khử nitro sẽ lựa chọn tác nhân khác thay thế nhằm giảm lượng NaBH4 sử dụng Sản phẩm amin sau khi khử sẽ được chuyển sang dạng muối hydroclorid Nhóm tác nhân khử được lựa chọn là kim loại/acid Lý

do lựa chọn nhóm tác nhân này:

- Giá thành rẻ

- Một số nghiên cứu cho thấy một số kim loại (Fe, Zn, Al…) có thể khử nitro với hiệu suất tốt Dựa vào các nghiên cứu công bố trước đó và điều kiện phòng thí nghiệm nhóm nghiên cứu đã lựa chọn các tác nhân khử sau: Al/NH4Cl [14], Fe/CH3COOH [12], Fe/NH4Cl [17], Zn/CH3COOH, Zn/NH4Cl [18]

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu và thiết bị

2.1.1 Nguyên liệu

Một số dung môi, hóa chất sử dụng để thực hiện khóa luận được trình bày trong bảng dưới đây (bảng 2.1):

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng trong khóa luận

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ

Các thiết bị, dụng cụ sử dụng trong khóa luận được trình bày ở bảng 2.2

Bảng 2.2 Các thiết bị dụng cụ sử dụng trong khóa luận

4 Cân kỹ thuật Sartorius BP 2001S, độ chính xác 0,01 g Thụy Sỹ

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Cải tiến giai đoạn phản ứng tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid (1) từ piperonal (9) quy mô 50 g/mẻ

Hình 2.1 Tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid (1) từ piperonal (9)

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid từ piperonal

- Tổng hợp 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal (9) ở quy mô 50

g/mẻ

- Tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid (1) từ

3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) với các nội dung sau:

+ Lựa chọn được tác nhân khử nitro phù hợp: Tiến hành khảo sát và lựa chọn các tác nhân khử nhóm nitro là các kim loại/acid bao gồm: Fe/NH4Cl, Fe/CH3COOH, Zn/NH4Cl, Zn/CH3COOH, Al/NH4Cl

+ Lựa chọn quy trình thực hiện thuận tiện, đơn giản: Tiến hành khảo sát hai quy trình bao gồm: quy trình I gồm 2 phản ứng: khử nối đôi bằng NaBH4

sau đó xử lý phản ứng rồi thực hiện khử nhóm nitro và quy trình II one-pot

+ Khảo sát điều kiện phản ứng, lựa chọn điều kiện tối ưu: Các thông số khảo sát bao gồm: nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ tác nhân khử nitro sử dụng, thời gian phản ứng và dung môi phản ứng

+ Xây dựng quy trình và tiến hành phản ứng với quy mô 50 g/mẻ

2.2.2 Kiểm tra độ tinh khiết, xác định cấu trúc hóa học của sản phẩm

Sản phẩm tổng hợp được kiểm tra độ tinh khiết và xác định cấu trúc hóa học bằng các phương pháp thích hợp

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Tổng hợp hóa học và tinh chế sản phẩm, khảo sát các thông số tối ưu

Sử dụng các phản ứng cơ bản trong hóa học hữu cơ để tổng hợp Theo dõi phản ứng bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng

Sử dụng các phương pháp cất loại dung môi, lọc, chiết lỏng-lỏng, kết tinh lại…

để tinh chế sản phẩm

2.3.2 Phương pháp kiểm tra độ tinh khiết

Sản phẩm được kiểm tra độ tinh khiết bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng

và đo nhiệt độ nóng chảy

Sắc ký lớp mỏng

+ Pha tĩnh: Bản mỏng silica gel 60 F254 (Merck)

+ Pha động: Hệ dung môi khai triển sử dụng

CH2Cl2 : CH3OH = 9,0 : 1,0

2.3.3 Phương pháp xác định cấu trúc hóa học

Sản phẩm tổng hợp được xác định cấu trúc thông qua các dữ liệu phổ khối lượng (MS), phổ hồng ngoại (IR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR, 13C-NMR)

Phổ hồng ngoại (IR): Được đo tại Bộ môn Hóa học vô cơ, khoa Hóa học,

Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, trên máy Shimadzu với

kỹ thuật viên nén KBr trong vùng 4000 - 400 cm-1

Phổ khối lượng: Đo trên máy LC-MS/MS-Xevo, tại phòng Phân tích khối

phổ, khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, chế độ đo ESI

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân: Đo trên máy Bruker AV 500, tần số 500

MHz (đối với 1H-NMR), 125 MHz (đối với 13C-NMR) tại khoa Hóa học, trường

Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, dung môi DMSO- d6

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Tổng hợp 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal (9)

Hình 3.1 Tổng hợp 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal (9)

Quy trình tổng hợp 2 từ piperonal được trình bày dưới đây:

Hình 3.2 Sơ đồ các bước tổng hợp 2 từ piperonal (9)

Mô tả quy trình:

Hòa tan hoàn toàn 50,0 g (0,33 mol) piperonal trong 330,0 ml ethanol trong bình cầu 500,0 ml, sau đó thêm 22,5 ml (0,4mol) nitromethan vào bình trên khuấy đều Làm lạnh hỗn hợp về 0 - 5 oC bằng nước đá muối và thêm từ từ cho đến hết 60,0 ml dung dịch NaOH 10M trong 40 phút Sau khi quá trình thêm NaOH kết thúc, khối phản ứng được khuấy thêm 30 phút nữa, pha loãng với 50,0 ml nước

PIPERONAL

Ethanol:

Aceton (2:1)

TINH THỂ

DỊCH LỌC Ethanol

2

lạnh và rót vào bình cầu chứa sẵn 460,0 ml dung dịch HCl 4%, kết hợp khuấy mạnh thấy xuất hiện tủa vàng Lọc thu tủa, kết tinh lại trong hỗn hợp dung môi

ethanol : aceton tỉ lệ 2:1, sấy khô thu được sản phẩm 2 là tinh thể màu vàng, hình

kim

Kết quả:

Cảm quan: sản phẩm thu được là chất rắn màu vàng, tinh thể hình kim

Sắc ký lớp mỏng: Rf = 0,8 (CH2Cl2 : methanol = 9,0 : 1,0)

Nhiệt độ nóng chảy: tài liệu 153 - 154 oC [19]

Bảng 3.1 Kết quả tổng hợp 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal

KL chất

2 (g)

Hiệu suất (%)

 Tổng hợp thành công 3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2) từ piperonal (9)

với hiệu suất 85,9% quy mô 50 g/mẻ

3.2 Tổng hợp homopipernylamin hydroclorid (1) từ

3,4-methylendioxy-β-nitrostyren (2)

Hình 3.3 Tổng hợp homopiperonylamin hydroclorid (1) từ chất 2

3.2.1 Lựa chọn tác nhân khử nitro

Phản ứng khử hóa từ hợp chất 2 ra hợp chất 1 chia làm 2 giai đoạn: Khử

nối đôi và khử nhóm nitro Giai đoạn khử nối đôi trong khóa luận này sử dụng tác nhân NaBH4 và khử bằng kim loại cho giai đoạn khử nhóm nitro Các hệ khử

được khảo sát bao gồm: Fe/NH4Cl, Fe/CH3COOH, Zn/NH4Cl, Zn/CH3COOH và Al/NH4Cl

Quy trình phản ứng (I): gồm 2 bước: khử nối đôi và khử nhóm nitro

Khử nối đôi:

Sục khí nitơ vào 50,0 ml MeOH, sau đó thêm 3,00 g chất 2 (15,5 mmol)

khuấy đều tạo thành hỗn dịch, thêm từ từ 1,47 g NaBH4 (38,9 mmol) vào hỗn dịch trên khuấy đều trong 30 phút ở nhiệt độ 0 - 5 oC thu được dung dịch đồng nhất Điều chỉnh pH của hỗn hợp trên về pH = 6 - 7 bằng dung dịch HCl đặc Chiết dịch phản ứng với EtOAc (3 x 15,0 ml), lấy pha hữu cơ, rửa pha hữu cơ lần lượt với nước muối bão hòa và nước Làm khan bằng Na2SO4 khan Cất loại dung môi thu

+ Xử lý phản ứng:

Sau khi kết thúc phản ứng, lọc lấy dịch, bã sắt được rửa với nước và MeOH, lọc gộp lấy dịch lọc Dịch lọc được kiềm hóa bằng NaOH 10% đến pH = 9 - 10 Sau khi kiềm hóa chiết dịch với DCM (3 x 50,0 ml), lấy pha hữu cơ Pha hữu cơ được rửa với dung dịch NaCl bão hòa, sau đó rửa lại với nước cất và thêm Na2SO4 làm khan Cất loại dung môi cắn thu được thêm 20,0 ml aceton, điều chỉnh pH =

1 - 2 bằng dung dịch HCl đặc, xuất hiện tủa trắng, làm lạnh để qua đêm, sau đó

lọc lấy tủa, sấy thu được muối hydroclorid của amin 1

- Fe/CH 3 COOH

Cắn A thu được thêm 50,0 ml acid acetic, thêm 4,35 gam bột sắt (77,7

mmol), khuấy trộn phù hợp, đun hồi lưu trong vòng 4 giờ

+ Xử lý phản ứng:

Sau khi phản ứng, lọc lấy dịch, rửa bã với nước, dịch lọc được gộp lại điều chỉnh pH = 9 - 10 bằng dung dịch NaOH 10%, sau khi chỉnh pH dịch xuất hiện tủa, lọc loại tủa lấy dịch Dịch đước chiết với DCM (3 x 50,0 ml), sau đó rửa với nước muối bão hòa sau đó rửa lại với nước Làm khan bằng Na2SO4, cất loại dung môi Cắn thu được cho thêm 20 ml aceton, điều chỉnh pH = 1 - 2 bằng dung dịch HCl đặc, làm lạnh qua đêm, lọc thu lấy tủa

- Zn/NH 4 Cl

Cắn A thu được thêm 50,0 ml MeOH, hòa tan 3,32 g NH4Cl (62,2 mmol) trong 10 ml nước cất rồi thêm vào hỗn hợp trên, cho thêm 5,05 g bột kẽm (77,7 mmol), khuấy trộn phù hợp Nâng nhiệt độ khối phản ứng lên 50 - 60 oC, phản ứng tiến hành trong 4 giờ

đó chỉnh pH = 1 - 2 bằng dung dịch HCl đặc, làm lạnh thu đươc tủa trắng, lọc lấy tủa

- Zn/CH 3 COOH

Cắn A thu được thêm 50,0 ml acid acetic và 5,05 g bột kẽm (77,7 mmol),

đun hồi lưu trong vòng 4 giờ

Kết quả

- Cảm quan: Sản phẩm là chất rắn màu trắng

- Hệ số lưu Rf = 0,6 (hệ n–BuOH : AcOH : H2O = 9,0 : 2,0 : 2,5)

- Khối lượng, hiệu suất, nhiệt độ nóng chảy, được ghi dưới bảng sau

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát tác nhân khử nhóm nitro

1 (g)

Hs (%) t

Lượng sắt sử dụng nhiều; Thời gian phản ứng dài

2 Fe/

CH3COOH 2,21 70,5

212,1 - 214,7

Lượng kẽm

sử dụng nhiều

4 Zn/

CH3COOH 2,31 73,7

212,6 - 214,5

Hiệu suất tốt;

Sản phẩm sạch

Khó chiết tách, sử dụng nhiều kẽm

Nhận xét: Dựa vào kết quả trên cho thấy tác nhân khử Fe/NH4Cl cho hiệu suất tốt, xử lý sau phản ứng dễ dàng, hơn nữa giá thành rẻ nên hệ khử Fe/NH4Cl

được lựa chọn để tổng hợp amin 1 và tiến hành khảo sát tối ưu hiệu suất phản ứng

3.2.2 Lựa chọn quy trình thực hiện phản ứng

Do hai giai đoạn đều là phản ứng khử nên nhóm nghiên cứu đề xuất tiến

hành one-pot cho 2 giai đoạn bỏ qua bước xử lý phản ứng sau khi đã khử nối đôi

Dưới đây là quy trình one-pot và kết quả so sánh giữa hai quy trình

Quy trình one-pot (II): Sục khí nitơ vào 50,0 ml MeOH, sau đó thêm 3,00

g chất 2 được khuấy trộn tạo thành hỗn dịch, thêm từ từ 1,47 g NaBH4 (38,9 mmol) vào hỗn dịch trên khuấy đều trong 30 phút ở nhiệt độ 0 - 5 oC thu được dung dịch đồng nhất Điều chỉnh pH của hỗn hợp trên về pH = 6 - 7 bằng HCl, khuấy trộn trong 15 phút Cân 3,33 g NH4Cl (62,2 mmol), hòa tan trong khoảng 5,0 ml nước cất Cho dung dịch amoniclorid trên vào dung dịch phản ứng trước

đó Nâng nhiệt độ hỗn hợp trên khoảng 50-60 oC, sau đó thêm 4,35 g bột sắt (77,7 mmol), duy trì nhiệt độ 50 – 60 oC Thực hiện phản ứng trong 4 giờ

Xử lý phản ứng: Sau khi kết thúc phản ứng, lọc lấy dịch, bã sắt được rửa

bằng nước, lọc gộp lấy dịch lọc Dịch lọc được kiềm hóa bằng NaOH 10% đến

pH = 9 - 10 Sau khi kiềm hóa chiết với DCM (3 x 50,0 ml), lấy pha hữu cơ Pha hữu cơ được rửa với dung dịch NaCl bão hòa, sau đó rửa lại với nước cất và làm khan với Na2SO4 Cất loại dung môi cắn thu được thêm 20,0 ml aceton, chỉnh về

pH khoảng 1 - 2 bằng HCl, xuất hiện tủa trắng, làm lạnh, lọc thu lấy tủa

Kết quả:

Cảm quan: Sản phẩm là chất rắn màu trắng