Phân tích cấu trúc của một số hợp chất 6 aryl piperazindione bằng các phương pháp phổ hiện đại

MỞ ĐẦU Phân tích cấu trúc các hợp chất hữu cơ là một trong số các nhiệm vụ quan trọng của Hóa học vì chỉ khi biết chính xác cấu trúc, chúng ta mới có câu trả lời chính xác cho việc định

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM THẾ CHÍNH

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn:

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thế Chính người thầy

đã giao đề tài, tận tình chỉ bảo và truyền đam mê nghiên cứu cho em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn, người thầy đã tận tình hướng dẫn để em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Văn Tuyến, TS Phạm Thị

Thắm và các bạn HVCH phòng Hóa dược Viện Hóa học đã giúp đỡ em rất nhiều về thực nghiệm trong suốt thời gian làm luận văn

Em xin chân thành cám ơn PGS.TS Dương Nghĩa Bang và các bạn HVCH phòng Hóa hữu cơ khoa Hóa học trường Đại học Khoa học - ĐHTN đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn

Em xin chân thành cảm ơn 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

Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu cùng toàn thể cán bộ giáo viên Trường THPT Marie Curie - Hải Phòng đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian

và công việc để em hoàn thành luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã dạy dỗ em nên người! Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã giúp

đỡ em hoàn thành luận văn

Tác giả luận văn

Trần Thị Kim Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN a MỤC LỤC b DANH MỤC SƠ ĐỒ e DANH MỤC HÌNH f DANH MỤC PHỤ LỤC 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 hồng ngoại (IR) [1] 2

1.1.2 Phương pháp phổ khối lượng (MS) [1,4] 3

1.1.3 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) [4] 5

1.2 Tách và phân tích các đồng phân đối quang [5] 8

1.2.1 Phương pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym 8

1.2.2 Tách và phân tích đồng phân đối quang bằng các phương pháp hóa lý hiện đại 8

1.2.3 Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR 9

1.2.4 Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch (Shift reagent) Mosher 9 1.3 Hợp chất PIPERAZINEDION 11

1.3.1 Cấu trúc của piperazinedion 11

1.3.2 Hoạt tính sinh học của piperazinedion 12

1.4 Mục tiêu của luận văn 16

Chương 2: THỰC NGHIỆM 17

2.1 Phương pháp nghiên cứu, nguyên liệu và thiết bị 17

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu 17

2.1.2 Hóa chất và dung môi 17

2.1.3 Định tính phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết của các hợp chất bằng sắc kí lớp mỏng 17

2.1.4 Xác nhận cấu trúc 17

2.2 Phân tích cấu trúc hợp chất trung gian 5a,b 18

2.2.1 Tổng hợp ethyl (1S,3S)-1-(3-methoxyphenyl)-2,3,4,9-tetrahydro-1H-pyrido[3,4-b]indole-3-carboxylate 18

2.2.2 Phân tích cấu trúc của hợp chất 5a,b 19

2.3 Tổng hợp chất trung gian 6a,b 20

2.4 Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 7a,b 20

2.4.1 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ 7a,b 20

2.4.2 Phân tích cấu trúc của 7a bằng phổ IR 21

2.4.3 Phân tích cấu trúc của 7a,b bằng phương pháp phổ NMR 21

2.4.4 Phân tích cấu trúc của 7a,b bằng phương pháp phổ MS 22

2.5 Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 8a,8b 23

2.5.1 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ 8a,b 23

2.5.2 Phân tích cấu trúc của 8a,b bằng phương pháp phổ NMR 23

2.6 Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 9a,b 24

2.6.1 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ 9a,b 24

2.6.2 Phân tích cấu trúc của 9a,b bằng phương pháp phổ NMR 25

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Mục tiêu của luận văn 27

3.2 Phân tích cấu trúc của các hợp chất trung gian 5a,b 28

3.2.1 Chuẩn bị mẫu nguyên liệu trung gian 5a,b 28

3.2.2 Phân tích cấu trúc của trung gian 5a,b bằng phổ NMR 28

3.3 Chuẩn bị các hợp chất trung gian 6a,b 31

3.4 Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 7a và 7b 32

3.5 Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 8a và 8b 36

3.6 Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 9a và 9b 38

KẾT LUẬN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

MS Phương pháp phổ khối lượng

EI Phương pháp bắn phá bằng dòng electron

CI Phương pháp ion hóa hóa học

FAB Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh

mCPBA meta-Chloroperoxybenzoic acid

NMR Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân

DANH MỤC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 3.1 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn 27

Sơ đồ 3.2 Tổng hợp chất trung gian 5a, 5b 28

Sơ đồ 3.3 Tổng hợp chất trung gian 6a,b 31

Sơ đồ 3.4 Tổng hợp hợp chất piperazinedion 7a 33

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phổ hồng ngoại của hept- 1-in 2

Hình 1.2 Thiết bị phân tích phổ khối lượng (MS) 3

Hình 1.3 Phổ khối lượng của 3,4-Dimethoxyacetophenone 5

Hình 1.4 Hệ thống phân tích phổ hạt nhân 6

Hình 1.5 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của 1-etoxy-4-metoxynaphthalen 7 Hình 1.6 Phổ 1H-NMR của hỗn hợp (R,S)-1-phenylbutan-1-ol 10

Hình 1.7 Phổ 1H-NMR của ol và (R)-1-phenylbutan-1-ol 11

Hình 1.8: Hợp chất piperazinedion đơn giản 12

Hình 1.9 Các hợp chất tryprostatin 13

Hình 1.10 Cấu trúc của các cyclotryprostatins A-D 13

Hình 1.11 Tác nhân ức chế trùng hợp Tubulin 14

Hình 1.12 Cấu trúc của một số hợp chất ức chế PDE-5 14

Hình 1.13 Các chất đối kháng oxytoxin 15

Hình 3.1 Phổ 1H-NMR của hợp chất cis-5a 29

Hình 3.2 Phổ 1H-NMR của hợp chất trans-5b 31

Hình 3.3 Phổ IR của hợp chất 7a 33

Hình 3.4 Phổ MS của hợp chất 7a 34

Hình 3.5: Phổ 1H-NMR của hợp chất 7a 35

Hình 3.6 Phổ 13C-NMR của hợp chất 7a 36

Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của hợp chất 7b 36

Hình 3.8 Phổ 1H-NMR của hợp chất 8a 37

Hình 3.9 Phổ 1H-NMR của hợp chất 8b 38

Hình 3.10 Phổ 1H-NMR của hợp chất 9a 39

Hình 3.11 Phổ 1H-NMR của hợp chất 9b 40

Phụ lục 12: Phổ 1H-NMR của hợp chất 7a 6- PL

Phụ lục 13: Phổ 13C-NMR của hợp chất 7a 7- PL Phụ lục 14: Phổ IR của hợp chất 7a 7- PL Phụ lục 15: Phổ MS của hợp chất 7a 8- PL

MỞ ĐẦU

Phân tích cấu trúc các hợp chất hữu cơ là một trong số các nhiệm vụ quan trọng của Hóa học vì chỉ khi biết chính xác cấu trúc, chúng ta mới có câu trả lời chính xác cho việc định tính, định lượng và phân tích chúng trong các mẫu nghiên cứu thực cũng như trong đời sống và công nghệ Để phân tích cấu trúc củ a các hợp chất hữu cơ có thể sử du ̣ng các phương pháp phổ như phổ hồng ngoại, phổ tử ngoa ̣i khả kiến, phổ cô ̣ng hưởng từ ha ̣t nhân, phổ khố i lượng Mỗi phương pháp cho phép xác định mô ̣t số thông tin khác nhau của cấu trúc phân tử và hỗ trợ lẫn nhau trong việc xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ

Piperazinedion là lớp cấu trúc phổ biến nhất được tìm thấy trong tự

nhiên có hoạt tính chống ung thư như tryprostatins A (1) và B (2), trong đó

cyclotryprostatin A-D có hoạt tính ức chế chu kỳ phát triển của tế bào động

vật có vú, phenylahistin (8) có hoạt tính chống ưng thư nhờ ức chế quá trình

trùng hợp tubulin Ngoài ra các hợp chất piperazinedion còn có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virut Do có hoạt tính sinh học quý nên các hợp chất này được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tổng hợp nhằm tìm kiếm các hợp chất mới có hoạt tính sinh học lý thú

Các hợp chất thiên nhiên có nguồn gốc sinh vật biển như piperazinedion thường có cấu trúc rất phức tạp với phân tử có nhiều nhân thơm, có nhiều trung tâm bất đối xứng nên việc phân tích cấu trúc của các hợp chất này gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải có sự kết hợp nhiều phương

pháp phân tích cấu trúc Do đó đề tài “Phân tích cấu trúc của một số hợp chất 6-aryl piperazindione bằng các phương pháp phổ hiện đại” rất có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về các phương pháp xa ́ c đi ̣nh cấu trúc

1.1.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) [1]

Trong số các phương pháp phân tích cấu trúc, phổ hồng ngoại cho nhiều thông tin quan trọng về cấu trúc của hợp chất, đặc biệt là nhóm chức các hợp chất hữu cơ Nguyên tắc chung của phương pháp phổ hồng ngoại là khi ta 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 hai loại 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 hept- 1-in

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

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

1.1.2 Phương pháp phổ khối lượng (MS) [1,4]

Phương pháp khối phổ (MS) là một kỹ thuật phân tích hóa học giúp xác định hàm lượng và loại chất hóa học có trong một mẫu bằng cách đo tỷ

lệ khối lượng trên điện tích và số lượng của các ion pha khí Đây là phương pháp phân tích hiện đại được sử dụng phổ biến trong các phép phân tích cấu trúc và phân tích hàm lượng các hợp chất hóa học

Hình 1.2 Thiết bị phân tích phổ khối lượng (MS)

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

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 electron 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) 3e

2

ABC

2e ABC e

tử thành ion phân tử khoảng 10 eV Nhưng với năng lượng cao thì ion phân

tử có thể phá 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

B A

B AB ABC

BC A

ABC

AB

Sự phá vỡ này phụ thuộc vào cấu tạo chất, phương pháp bắn phá và năng lượng bắn phá Quá trình này gọi là quá trình ion hóa

Các ion ion dương hình thành đều có khối lượng m và mang điện tích

e, tỉ số m/e được gọi là số khối z Bằng cách nào đó tách các ion có số khối khác nhau ra khỏi nhau và xác định được xác suất có mặt của chúng, rồi vẽ

đồ thị biểu diễn mối liên quan giữa xác suất có mặt ( hay cường độ I) và số khối z thì đồ thị này được gọi là phổ khối lượng (Hình 1.3)

Hình 1.3 Phổ khối lượng của 3,4-Dimethoxyacetophenone

Như vậy, khi phân tích phổ khối lượng 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 nhiều phương pháp phổ với nhau

1.1.3 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) [4]

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân, viết tắt là NMR (Nuclear Magnetic Resonance), là phương pháp hiện đại và được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu Hóa học Trong phương pháp phân tích cấu trúc này, chỉ các nguyên tố

có spin hạt nhân I≠0 mới được nhận diện và phân tích Ngày nay, có nhiều hạt nhân có thể nghiên cứu bằng kĩ thuật NMR, tuy nhiên phổ biến nhất là

H, C, N, P và F được ứng dụng hiệu quả trong xác định cấu trúc phân tử Trong đó phổ biến nhất là phương pháp 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 [2]

) ( 10 6 ppm

o

x TMS

o

x chuan

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 [3]

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 1.5 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của 1-etoxy-4-metoxynaphthalen

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 [3]

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, đặc biệt là cho biết các thông tin về cấu trúc không gian của phân tử như: cấu

hình cis-trans, Z-E, syn-anti, R-S, a-e…[2]

1.2 Tách và phân tích các đồng phân đối quang [5]

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 khỏi nhau 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

1.2.1 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

1.2.2 Tách và phân tích 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:

1.2.3 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

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

Đối với các hợp chất có một tâm bất đối thì hai đối quang 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 đối quang 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 Ví dụ, để xác định cấu hình tuyệt đối của hợp chất phenylbutan-1-ol có một tâm bất đối, Mosher đã tổng hợp este của nó với

1-axit R-Mosher để tạo ra hai đồng phân dia như mô tả trong sơ đồ dưới đây

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 1.7 Phổ 1 H-NMR của (R)-1-phenylbutan-1-ol và (R)-1-phenylbutan-1-ol

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

1.3 Hợp chất PIPERAZINEDION

1.3.1 Cấu trúc của piperazinedion

Piperazinedion (diketopiperazin) là vòng dipeptit thu được bằng cách ngưng tụ hai α-amino axít Các hợp chất này có rất nhiều trong tự nhiên như

là sản phẩm của sự thoái hóa các polypeptit, đặc biệt là trong chế biến thực phẩm và đồ uống Các tiểu đơn vị này thường được tìm thấy riêng rẽ hoặc được gắn vào cấu trúc lớn hơn, phức tạp hơn trong một loạt các hợp chất tự nhiên phân lập từ: nấm, địa y, vi khuẩn, thực vật và động vật có vú [6]

Hình 1.8: Hợp chất piperazinedion đơn giản

Các hợp chất piperazinedion không chỉ là một lớp cấu trúc phổ biến của tự nhiên mà còn có khả năng liên kết với một phạm vi rộng với các thụ thể Nhờ tính chất đó các piperazinedion là đối tượng cho việc nghiên cứu phát triển thuốc Cấu trúc của piperazinedion đơn giản nhất là một bộ khung

dị vòng 6 cạnh, có thể đưa các nhóm thế vào sáu vị trí khác nhau và kiểm soát lập thể lên tới bốn vị trí [6]

1.3.2 Hoạt tính sinh học của piperazinedion

Có rất nhiều chất có hoạt tính sinh học chứa khung piperazinedion bắt nguồn từ các hợp chất tự nhiên cũng như tổng hợp Những phân tử nhỏ, có cấu hình cứng nhắc và khung bất đối có cả chức năng là chất nhận và chất cho liên kết H, có nhiều vị trí cho sự phát sinh cấu trúc của các nhóm chức

đa dạng với lập thể xác định

a, Hoạt tính ức chế ung thư

Trên thế giới có rất nhiều các công trình nghiên cứu tổng hợp và tách chiết các dẫn xuất piperazinedion nhân tryptophan-prolin piperazinedion được công bố như: tryprostatin A và B, fumitremorgin C, spirotryprostatin

A và B, cyclotryprostatin A-D, đây là các hợp chất ban đầu cho sự phát triển của các loại thuốc chống ung thư

Năm 1995, Cheng-Bin Cui và cộng sự đã phân lập các tryprostatin A

(1) và B (2) (hình 1.3) từ chủng nấm biển Aspergillus fumigatus có hoạt tính

kháng u mạnh Tryprostatin B là một chất ức chế chu kỳ tế bào động vật có

vú, trong khi tryprostatin A là một chất ức chế các protein kháng đa thuốc

(BCRP/ABCG2) trong hóa trị liệu điều trị ung thư vú [7,8] Tryprostatin A

và B ức chế hoàn toàn chu kỳ phát triển tế bào tsFT210 trong giai đoạn G2/M

ở nồng độ tương ứng là 50µg/ml và 12,5µg/ml [7]

Hình 1.9 Các hợp chất tryprostatin

Năm 1997, Cheng-Bin Cui và cộng sự đã phân lập được 4 hợp chất

piperazinedion khác là Cyclotryprostatin A-D (3-6) (hình 1.5) từ nấm

Aspergillus fumigatus và thăm dò hoạt tính sinh học của chúng Kết quả cho

thấy, cả 4 hợp chất này đều có tác dụng ức chế giai đoạn G2/M của chu kỳ

tế bào động vật có vú [9]

Hình 1.10 Cấu trúc của các cyclotryprostatins A-D

Một hợp chất có khung piperazinedion khác là Phenylahistin (8) (Hình

1.8), được phân lập từ Aspergillus ustus và có khả năng gắn kết với microtubule, biểu hiện các hoạt tính gây độc tế bào chống lại một loạt các

dòng tế bào khối u ở ngưỡng nM [10,11] Ngược lại, đồng phân đối quang R

biểu hiện hoạt tính gây độc tế bào thấp và hợp chất tương tự có nhóm thế

isopropyl là (-)-aurantiamine (25) có hoạt tính thấp hơn 8 40 lần trong việc

chống lại sự phát triển tế bào P388 [12]

Hình 1.11 Tác nhân ức chế trùng hợp Tubulin

Một loạt các dẫn chất của 22 được tổng hợp để loại bỏ tính bất đối và

tối ưu hóa hoạt tính sinh học Trong đó, hợp chất có nhóm tert-butyl là

plinabulin (NPI-2358/KPU-2) (26), một chất kháng u mạnh, hoạt tính thể

hiện trên nhiều dòng tế bào khối u [12] Hiện nay, plinabulin đang trong giai đoạn II thử nghiệm lâm sàng để điều trị ung thư [13]

b, Hoạt tính ức chế PDE5

Tadalafil là hợp chất piperazinedion đã được tổng hợp toàn phần, dược phẩm thương mại có tên Cialis là thuốc mới nhất được sử dụng tại nhiều nước Cơ chế tác dụng của tadalafil là ức chế chọn lọc có hồi phục guanosin monophosphat vòng (cGMP), đặc biệt là trên enzym Phosphodiestease týp 5 (PDE-5) Khi có kích thích tình dục dẫn đến phóng thích Nitric oxit tại chỗ,

sự ức chế PDE-5 của tadalafil làm tăng nồng độ cGMP ở thể hang dẫn tới làm giãn cơ trơn và làm tăng lưu lượng máu vào trong mô dương vật, từ đó gây cương dương vật [14-15] Khi không có kích thích tình dục, tadalafil không có tác dụng gì

Hình 1.12 Cấu trúc của một số hợp chất ức chế PDE-5

Ngoài tác dụng chữa rối loạn cương dương, tadalafil dưới tên thương mại là Adcirca được sử dụng để điều trị tăng huyết áp động mạch phổi từ năm 2009 Tăng huyết áp động mạch phổi là nguyên nhân chính gây bệnh suy tim Ở bệnh nhân tăng huyết áp động mạch phổi, trong lòng mạch máu phổi có sự giảm sự co mạch và tái tạo mạch máu, dẫn đến tăng áp lực động mạch phổi Tadalafil có tác dụng giãn mạch động mạch phổi và ức chế tái tạo mạch máu, do đó làm giảm áp lực động mạch phổi [16,17,18]

c, Hoạt tính ức chế hocmon oxytoxin

Từ trình sàng lọc, các nhà nghiên cứu đã xác định được các hợp chất

piperazinedion mới như hợp chất Retosiban (29), Epelsiban (30) (hình 1.10)

là chất ức chế hócmôn oxytoxin Hợp chất Retosiban sử dụng bằng đường uống tốt nhất và có sinh khả dụng cao ở chuột (≈100%) Retosiban có ái lực

ở ngưỡng nM (0,65nM) với hócmôn oxytoxin và đồng thời chọn lọc trên các hócmôn vasopressin của con người Retosiban có độ tan tốt (>0,22 mg/ml), liên kết với protein thấp (<80%), ức chế enzym CYP450 với mức độ không đáng kể (IC50 > 100μM) và ít thâm nhập vào thần kinh trung ương Retosiban

có hiệu lực ức chế hócmôn oxytoxin mạnh hơn so với atosiban 15 lần Nó được lựa chọn để điều trị lâm sàng cho những ca dọa sinh non [19,20]

Hình 1.13 Các chất đối kháng oxytoxin

Tóm lại, các hợp chất piperazinedion là lớp chất có rất nhiều hoạt tính sinh học quý như: khả năng gây độc tế bào mạnh với các dòng tế bào ung thư, kháng virut, kháng khuẩn, kháng nấm,… Các hợp chất này biểu

hiện đặc tính dược lý và tiềm năng điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư Điều này đã mở ra một hướng nghiên cứu cho các nhà khoa học là nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion mới có nhiều hoạt tính sinh học quý

1.4 Mục tiêu của luận văn

Như vậy, qua phân tích tổng quan, piperazinedion là lớp cấu trúc phổ biến được tìm thấy trong tự nhiên, có nhiều hoạt tính sinh học quý như tryprostatin A-B, cyclotryprostatin A-D, fumitremorgin C Ngoài ra, các hợp chất piperazinedion còn là các synthon quan trọng trong tổng hợp một số hợp chất có hoạt tính sinh học cao như saframycin, eteinascindin Đây là những hợp chất thiên nhiên rất lí thú, có hoạt tính sinh học mạnh cuốn hút được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Mặt khác, do có cấu trúc rất phức tạp, chứa nhiều trung tâm bất đối, nên việc phân tích cấu trúc của các hợp chất này gặp nhiều khó khăn đòi hỏi phải sử dụng nhiều phương pháp phân tích phổ hiện đại Luận văn này tập trung các phương pháp hóa phổ hiện đại để nghiên cứu cấu trúc của các hợp chất piperazinedion

Chương 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp nghiên cứu, nguyên liệu và thiết bị

2.1.1 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp phân tích cấu trúc hiện đại và phương pháp tổng hợp hữu cơ được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên và Phòng thí nghiệm Hoá dược - Viện Hoá học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam Nhằm phân tích cấu trúc của các hợp chất 6-aryl piperazindion bằng các phương pháp phổ hiện đại

2.1.2 Hóa chất và dung môi

Các hóa chất phục vụ cho việc tổng hợp các hợp chất để nghiên cứu phân tích cấu trúc được mua của hãng Merck (Đức) và Aldrich (Mỹ) Silica gel cho sắc ký cột là loại 100 - 200 mesh (Merck), bản mỏng sắc ký silica gel là bản nhôm tráng sẵn Art 5554 DC - Alufolien Kiesel 60 F254 (Merck)

2.1.3 Định tính phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết của các hợp chất bằng sắc kí lớp mỏng

Sắc kí lớp mỏng (SKLM) được sử dụng để phân tích tiến trình phản ứng nhờ định tính chất đầu và sản phẩm Thông thường chất đầu và sản phẩm

có giá trị Rf khác nhau, màu sắc và sự phát quang khác nhau Dùng sắc kí lớp mỏng để kiểm tra phản ứng Giá trị Rf của các chất phụ thuộc vào bản chất của các chất và phụ thuộc vào dung môi làm pha động Dựa trên tính chất đó, chúng ta có thể tìm được dung môi hay hỗn hợp dung môi để tách các chất ra xa nhau (Rf khác xa nhau) hay tìm được hệ dung môi cần thiết để tinh chế các chất

2.1.4 Xác nhận cấu trúc

Để xác định cấu trúc các chất hữu cơ tổng hợp được, luận văn tiến hành các phương pháp sau:

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 500 MHz với dung môi thích hợp và TMS là chất chuẩn, tại Trung tâm Phân tích cấu trúc - Viện Hoá học

- Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam

Phổ khối lượng (MS)

Phổ khối của các chất nghiên cứu được ghi trên máy Hewlett Packard Mass Spectrometer 5989 MS hoặc LC- MSD- Trap- SL tại Trung tâm Phân tích cấu trúc - Viện Hoá học- Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam

2.2 Phân tích cấu trúc hợp chất trung gian 5a,b

2.2.1 Tổng hợp ethyl pyrido[3,4-b]indole-3-carboxylate

(1S,3S)-1-(methoxyphenyl)-2,3,4,9-tetrahydro-1H-Dung dịch etyl este của L-trytophan 3 (2,9 g, 12,50 mmol) và

3-metoxybenzandehit 4 (1,70 g, 1,25 mmol) trong 50 mL benzen được đun hồi

lưu trong thời gian 24h Kết thúc phản ứng hỗn hợp được cô đuổi dung môi, sau đó cho thêm nước và chiết 3 lần bằng EtOAc Dịch hữu cơ được rửa nhiều lần bằng dung dịch NaHCO3 sau đó làm khan bằng MgSO4 và loại bỏ

dung môi nhận được sản phẩm thô Sản phẩm thô được làm sạch trên cột sắc

ký silica gel với hệ dung môi (n-hexane/EtOAc, 4/6) nhận được đồng phân

cis-isomer 5a (26%) và trans-isomer 5b (60%)

Hợp chất 5a là chất rắn có điểm chảy 136-138oC Hợp chất 5b là chất

rắn màu trắng có điểm chảy 187-188 oC

2.2.2 Phân tích cấu trúc của hợp chất 5a,b

35 mg hợp chất 5a hoặc 5b ở trên được cho vào trong ống NMR loại

dài 20 mm, rộng 5 mm (tubes NMR của Aldrich) sau đó cho 0,8 ml CDCl3

và lắc đều cho mẫu tan hết vào dung môi tạo thành hệ đồng nhất Mẫu được

đo trên máy Bruker XL-500 tần số 500 MHz với TMS là chất chuẩn, tại Trung tâm Phân tích cấu trúc - Viện Hoá học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam

Hợp chất 5a 1H NMR-500 MHz (CDCl3): 1,34 (3H, t, J= 7,0 Hz, Me), 3,00 (1H, ddd, J= 2,0, 11,0, 14,5 Hz, H-4a), 3,22 (1H, ddd, J = 1,5, 15, 4,4 Hz, H-4b), 3,78 (3H, s, OMe), 3,95 (1H, dd, J = 11,0, 4,50, H-3), 4,24-

OCH2), 5,39 (1H, s, H-1), 6,85 (3H, t, J = 7,5 Hz, H-2´, H-4´, H-6´), 7,10-7,17 (2H, m, H-6,7), 7,24 (2H, m, H-5´, H-8), 7,55 (1H, d, J=8,0, H-5)

2.3 Tổng hợp chất trung gian 6a,b

Hỗn hợp phản ứng của chất 6a,b (2,5 mmol), dung dịch bão hòa của

NaHCO3 (20 ml) và dung môi EtOAc (20 ml) được cho thêm cloaxetyl clorua (3,0 mmol) và khuấy ở nhiệt độ phòng trong 30 phút Kết thúc phản ứng, dung môi được loại bỏ ở áp suất thấp sau đó cho thêm nước và chiết 3 lần bằng CH2Cl2 Dịch hữu cơ được rửa ba lần bằng dung dịch NaHCO3 5%, sau đó làm khan với Na2SO4 và loại bỏ dung môi ở áp suất thấp thu được sản phẩm thô Sản phẩm thô được làm sạch trên cột sắc ký silica gel với hệ dung

môi rửa giải (n-hexane/EtOAc, 3/7) nhận được chất 6a-b sạch với hiệu suất

85% và 93% tương ứng

2.4 Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 7a,b

2.4.1 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ 7a,b

Hợp chất 7a (100 mg; 0,25mmol) và metyl amin (23,25mg;

0,75mmol) trong 10ml EtOH được khuấy ở nhiệt độ phòng trong thời gian 24h Kết thúc phản ứng, cô đuổi dung môi, chiết 3 lần với EtOAc Dịch chiết hữu cơ thu được có màu trong suốt Rửa dịch chiết với nước muối sau đó

làm khan bằng Na2SO4, dung môi được bay hơi ở áp suất thấp thu được sản phẩm thô có màu trắng Sản phẩm thô được làm sạch qua cột sắc ký

(hexan/EtOAc 1/1) thu được hợp chất 7a màu trắng với hiệu suất 95% (80 mg) Hợp chất 7a là chất rắn màu trắng có nhiệt độ nóng chảy 277oC

Hợp chất 7b được tổng hợp tương tự từ chất 6b với hiệu suất 89% (75 mg) Hợp chất 7b là chất rắn màu trắng, có nhiệt độ nóng chảy 244oC

2.4.2 Phân tích cấu trúc của 7a bằng phổ IR

Cân 2 mg chất 7a và 100 mg KBr vào cối mã não, trộn đều và được

nghiền mịn thành hỗn hợp đồng nhất bằng chày của cối mã não Hỗn hợp này được đưa vào thiết bị ép viên thủy lực 50 tấn của hãng HP, sau đó mẫu được đo trên máy FT-ICR Mass spectrometer Model 910-MSTQFTMS-7 Tesla tại Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐH Quốc gia

2.4.3 Phân tích cấu trúc của 7a,b bằng phương pháp phổ NMR

35 mg hợp chất 7a hoặc 7b ở trên được cho vào trong ống NMR loại

dài 20,3 mm, rộng 5 mm (tubes NMR của Aldrich) sau đó cho 0,8 ml CDCl3

và lắc đều cho mẫu tan hết vào dung môi tạo thành hệ đồng nhất Mẫu được

đo trên máy Bruker XL-500 tần số 500 MHz với TMS là chất chuẩn, tại