Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng Benzothiazol.Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng Benzothiazol.Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng Benzothiazol.Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng Benzothiazol.Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng Benzothiazol.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ NGỌC MAI
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, CẤU TRÖC VÀ KHẢO SÁT
HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT CHỨA DỊ VÕNG
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Dương Quốc Hoàn
2 TS Trịnh Thị Huấn
Phản biện 1: GS.TS Phạm Quốc Long
Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên
Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Hải Nam
Trường Đại học Dược Hà Nội
Phản biện 3: PGS.TS Vũ Quốc Trung
Trường Đại học sư phạm Hà Nội
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội vào hồi … giờ … ngày … tháng… năm…
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội
hoặc Thư viện Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Trang 3Bên cạnh đó, benzoxazole là một khung dị vòng thường gặp trong thiên nhiên cũng như trong tổng hợp Benzoxazole được tìm thấy trong cấu trúc hóa học của một số dược phẩm như: thuốc chống viêm Flunoxaprofen, thuốc kháng sinh Calcimycin, thuốc giảm đau, hạ sốt và chống viêm Benoxaprofen … Dẫn xuất chứa dị vòng benzoxazole cũng nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học do có nhiều hoạt tính sinh học phong phú như kháng ung thư, kháng khuẩn, chống co giật
Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về hai dị vòng này ở Việt Nam còn
ít, chưa có hệ thống và mới chỉ dừng lại ở việc tổng hợp mà chưa quan tâm nhiều đến hoạt tính sinh học Việc tổng hợp và nghiên cứu các dẫn xuất của benzothiazole có chứa đồng thời hai nhóm chức amino và hydroxyl không những làm tăng khả năng chuyển hóa để tạo thành các dẫn xuất mới mà còn tăng khả năng cộng hưởng hoạt tính là điều rất cần thiết Do đó, hướng nghiên cứu này còn rất rộng mở, hứa hẹn những kết quả mới mẻ, lý thú, có ích về phương diện lý thuyết và thực tiễn
Vì vậy, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole”
2 Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc và chuyển hóa có định hướng tạo thành một số dẫn xuất mới chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole nhiều nhóm thế từ nguyên liệu ban đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin, nhằm tìm kiếm những hợp chất có hoạt tính sinh học cao hoặc có ứng dụng khác
3 Nhiệm vụ của luận án
+ Xuất phát từ 2 chất đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin tổng hợp
một số “chất chìa khóa” loại o-aminophenol
+ Chuyển hóa “chất chìa khóa” thành các dãy hợp chất mới có chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole
+ Nghiên cứu tính chất và xác định cấu trúc của các hợp chất mới bằng phương pháp phổ hiện đại IR, NMR và MS
+ Thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định, chống oxi hóa, kháng tế
Trang 42
bào ung thư và hoạt tính kích thích sinh trưởng thực vật của một số hợp chất mới nhằm tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính sinh học cao
4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Đã hoàn thiện 02 quy trình tổng hợp dẫn xuất chứa dị vòng benzothiazole theo nguyên tắc của hóa học xanh từ hai chất đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin đó là: i) khép vòng benzoxazole có chứa dị vòng benzothiazole, phản ứng khép vòng này xảy ra đồng thời ở cả hai nhóm chức amino và hydroxyl; ii)
N-formyl hóa nhóm amine, phản ứng này chỉ xảy ra ở nhóm chức amine Trong
quy trình tổng hợp có một số giai đoạn sử dụng chiếu xạ năng lượng vi sóng đã rút ngắn được thời gian phản ứng, tiết kiệm dung môi và tăng hiệu suất của phản ứng
- Cung cấp nguồn dữ liệu chuẩn xác về phổ IR, NMR và MS của các hợp chất dị vòng phức tạp phục vụ cho nghiên cứu khoa học và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho xã hội
- Một số hợp chất có chứa dị vòng benzothiazole loại N-formamide và acid
hydroxamic thể hiện độc tính tế bào tốt tương đương đối chứng, trong khi đó
các hợp chất loại o-aminophenol lại có hoạt tính chống oxi hóa cao, điều này
giúp định hướng cho việc tìm kiếm những hợp chất mới có tiềm năng ứng dụng vào thực tế
NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
Phần tổng quan đã trình bày những nội dung sau:
2.1.1 Hóa chất
2.1.2 Dụng cụ, thiết bị trong phòng thí nghiệm
2.1.3 Phương pháp phân lập các sản phẩm
2.1.4 Thiết bị nghiên cứu tính chất và cấu trúc
2.2 Phương pháp thăm dò hoạt tính sinh học
Trang 5HNO3 /AcOH
1giê
R OH
OHC NO2
SH
NH2
N S
R
OH
NO2
N S
R
OH
HN
AcOH N
7A,7B
8h
D·y A: R=H D·y B: R=OCH3
Sơ đồ 2.4 Sơ đồ tổng hợp chất trung gian 2.3.3 Tổng hợp dãy benzazole
4A (R=H) 4B (R=OCH 3 )
N
O Ar
Benzazole 4A1-4A6 (R=H); 4B1-4B13(R=OCH 3 )
Sơ đồ 2.5 Sơ đồ tổng hợp dãy benzazole 2.3.4 Tổng hợp N-formamide 5A, 5B
4A: (R=H) 4B: (R=OCH3)
NH O H
5A: (R=H) 5B: (R=OCH3)
Sơ đồ 2.6 Sơ đồ tổng hợp dãy N-formamide 2.3.5 Tổng hợp dãy ester, acid carboxylic và acid hydroxamic
a Tổng hợp dãy ester 6AE, 6BE, 7AE, 7BE
N S
Trang 64
b Tổng hợp dãy acid carboxylic 8A1, 8B1, 8B2
N S
R
O
N S
R
O OHO
Sơ đồ 2.8 Tổng hợp dãy acid carboxylic
c Tổng hợp dãy acid hydroxamic 9B1, 9A2, 9B2
R
O HN O
OH
H2N-OH.HCl MeOH/THF
S
O CH2C O
NH NH2
NH C O
HN
CH3
O
10A1-10A8 10A
Sơ đồ 2.11(a) Tổng hợp dãy hydrazone 10A1-10A8
Trang 75
Dãy các hydrazone 10B1-10B8
ArCHO DMF, CH3COOH N
S
O CH2 C O
NH NH2
NH C O
HN CH3
O
10B
10B1-10B8
Sơ đồ 2.11(b) Tổng hợp dãy hydrazone 10B1-10B8
Dãy các hydrazone 11A1-11A16
OCH2CONHNH2S
N
O S
N
O
HN N
Ar ArCHO
N
S
O CH2C O
H 3 CO CHO
NO2HO
H 3 CO N
NO2HO
H3CO N
H
NO 2 O
O
O
NO2HO
14B1-14B7 15B1-15B7
Sơ đồ 2.12 Tổng hợp dãy o-nitrophenol từ nitrovanillin
Trang 86
b Tổng hợp o-aminophenol 16B1
NH2HO
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Tổng hợp và cấu trúc của hai chất chìa khóa 4A và 4B
3.1.1 Tổng hợp chất chìa khóa 4A và 4B
Để tổng hợp được 2 chất chìa khóa 4A và 4B từ hai chất đầu là
4-hydroxybenzaldehyde và vanillin phải qua ba giai đoạn, trong đó có giai đoạn
đóng vòng benzothiazole tạo thành hợp chất 3A và 3B Phản ứng đóng vòng benzothiazole tạo thành các chất 3A, 3B được thực hiện bằng cách cho
aldehyde thơm ngưng tụ với 2-aminothiophenol có chiếu xạ bằng lò vi sóng gia đình Phương pháp tổng hợp này có nhiều ưu điểm vượt trội như: i) không cần dung môi và không cần xúc tác; ii) phản ứng xảy ra trong thời gian rất ngắn chỉ khoảng 4-6 phút; iii) hiệu suất rất cao trên 95% Việc không sử dụng dung môi
và chất xúc tác cho phản ứng giúp tiết kiệm một phần chi phí đồng thời hạn chế chất thải ra môi trường nên đáp ứng được yêu cầu của tổng hợp hóa học xanh
[5] Cơ chế của phản ứng đóng vòng benzothiazole như Sơ đồ 3.1 [61, 80]
SH
NH2
+ O
H Ar
SH
N
H2
O H Ar
SH
Ar H
SH N H Ar
toC
N
H
S HAr
OH
N S
Trang 97
Có nhiều tác nhân dùng để khử nhóm –NO2 thành nhóm –NH2 như Fe/HCl; Zn/NH4Cl; Na2S2O4/NaOH…và thường thực hiện trong môi trường
acid hoặc base Tuy nhiên, hợp chất 3A và 3B có đồng thời nhóm –OH và
nhóm –NO2 ở vị trí ortho, nên khi thực hiện phản ứng khử trong môi trường
base sản phẩm thu được ở dạng muối phenolate và khi thực hiện khử trong môi trường acid thì sản phẩm thu được tồn tại dưới dạng muối amonium của amine rất khó tách và khó chuyển hóa Qua nghiên cứu tài liệu thấy rằng, Siddiqui và cộng sự đã khử thành công hợp chất 4-carbomethoxy-2-nitrophenol thành 4-carbomethoxy-2-aminophenol bằng tác nhân khử Na2S2O4/C2H5OH [88] Hợp
chất 3A, 3B có cấu trúc tương tự 4-carbomethoxy-2-nitrophenol nên khi áp dụng điều kiện phản ứng tương tự đã thu được sản phẩm mong muốn 4A và 4B
với hiệu suất cao (>80%), tác nhân Na2S2O4 khá rẻ và dễ kiếm Đặc biệt, hợp
chất 4A lần đầu tiên được tách ra dưới dạng tinh khiết, còn hợp chất 4B mặc dù
được nhóm tác giả Vũ Thị Ánh Tuyết tách ra dưới dạng o-aminophenol tự do
nhưng cách tiến hành lại phức tạp và nhiều giai đoạn hơn (3 giai đoạn): khử bằng tác nhân HCl/Fe thu được sản phẩm dưới dạng muối amonium, acetyl hóa
và thủy phân [8] Điều này cho thấy phương pháp khử trong môi trường trung tính được áp dụng ở trên thể hiện tính ưu việt hơn so với phương pháp khử của các tác giả trước: cách tiến hành đơn giản, ít giai đoạn, hiệu suất phản ứng cao, tác nhân khử rẻ tiền
Kết quả tổng hợp của 4A và 4B được trình bày ở Bảng 3.1, kết quả phân tích phổ để xác định cấu trúc của của chúng được trình bày ở Bảng 3.2 – Bảng
3.5, dưới đây là kết quả dữ liệu phổ 1H NMR và 13C NMR của 4A và 4B
C5 C6
C7 C8
C9 C10
C11 C12
C13 C14 4A 134,0
121,9
124,6 126,2
122,0 153,7
168,3 124,5
116,4 114,4
147,3 137,3
122,9 154,9
171,3 137,5
102,2 149,2
138,4 126,0
110,1 56,6
Trang 108
3.2 Tổng hợp và xác định cấu trúc của dãy các benzazole 4A1-4A6 và 4B13
4B1-Phản ứng tổng hợp các hợp chất 4A1-4A6 và 4B1-4B13 (đây là những hợp
chất có chứa đồng thời 2 dị vòng benzothiazole và benzoxazole, gọi chung là
benzazole) được thực hiện trong điều kiện chiếu xạ vi sóng từ 2 amine ban đầu 4A và 4B Sự ảnh hưởng của mức năng lượng vi sóng gia đình đến hiệu suất
của phản ứng đã được nghiên cứu trong quá trình tổng hợp hợp chất 4B1 Ở chế
độ 150 watt, phản ứng cần 26 phút nhưng chưa kết thúc và hiệu suất chỉ đạt 46% Khi đặt mức năng lượng ở 280 watt, sau khi tinh chế hiệu suất đạt 80% sau 19 phút chiếu xạ Ở mức 400 watt, phản ứng kết thúc nhanh chỉ sau 6 phút
và hiệu suất của sản phẩm mong muốn là 92% Mức độ 600 watt và 800 watt
đều làm giảm hiệu suất do có hiện tượng cháy do quá nhiệt (xem Bảng 3.6)
Bảng 3.6 Tối ưu hóa năng lượng của lò vi sóng gia đình
STT Mức năng lƣợng (watt) Thời gian (phút) Hiệu suất (%) *
sau tinh chế; điều kiện phản ứng: 4B1 (308 mg, 1 mmol), benzaldehyde (116 mg, 1,1
mmol) và HOAc (2 ml) được chiếu xạ bằng lò vi sóng ở mức năng lượng khác nhau
Áp dụng quy trình tối ưu ở trên đã tổng hợp được 19 benzazole gồm
4A1-4A6 và 4B1-4B13 với hiệu suất đạt tối đa 92% Kết quả này đã được công bố
trên tạp chí Letters in Organic Chemistry
Như vậy quy trình thực hiện phản ứng điều chế các benzazole có nhiều ưu điểm: (i) dễ dàng thực hiện, (ii) Dùng lượng dung môi tối thiểu nên thân thiện với môi trường, (iii) nhanh và sạch nên tiết kiệm năng lượng và thời gian, (iv)
xử lí thí nghiệm dễ dàng: chiếu xạ hỗn hợp phản ứng, cho ethanol vào hỗn hợp sau phản ứng để tạo tinh thể, lọc và làm khô, (v) sử dụng dụng cụ thí nghiệm sẵn có và rẻ tiền
Cơ chế tạo thành các benzazole gồm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1:
H Ar
H Ar
OH
N
H2
H OH Ar
OH
N
H
OH2Ar
H
t0-H2O
H Ar
C
O ArH H
N
O Ar
-H2O ChuyÓn proton
Trang 119
Các dữ liệu về hình dạng, màu sắc, dung môi kết tinh, nhiệt độ nóng chảy và
hiệu suất của phản ứng của dãy benzazole được trình bày ở Bảng 3.7 Kết quả phân tích phổ của dãy benzazole 4A1-4A6; 4B1-4B13 được trình bày ở Bảng
3.9 đến Bảng 3.13 đã chứng tỏ rằng cấ trúc của chúng phù hợp với công thức
dự kiến
Bảng 3.9 Tín hiệu 1 H NMR của 4A1- 4A6 (δ (ppm), J (Hz))
Bảng 3.10 Tín hiệu 13 C NMR của 4A1-4A6 (δ (ppm)
Trang 12O N
1 3 4
5 6
7 8
9 10 11 13
Ar 12
7,56,
td, J
7,0, 1,0
7,50,
td, J
7,5, 1,0
8,20,
dd, J
7,5, 1,5
1 3 4
5 6
7 8
9 10 11 13
Ar 12
C3, C4
C5, C6
C7, C8
C9, C10
C11, C12
C13, C14
C15, C16
C17, C18
C19, C20 C21, C22
Trang 13123,2 154,1
167,9 131,3
106,8 145,1
141,8 144,3
112,4 164,3
123,9 127,9
129,7 142,5
129,7 127,9
56,7, 21,7
121,6
125,3 126,4
123,2 154,1
167,8 133,7
107,5 145,2
141,7 143,8
112,9 161,8
125,7 132,5
131,5, 132,2
126,9 131,9
123,2 154,1
167,7 131,5
107,1 145,1
141,8 144,1
112,4 163,1
125,1 129,3
129,1 138,2
129,1 129,3
123,3 154,1
167,5 131,9
107,6 145,3
142,0 143,8
112,6 161,6
128,5 122,7
148,8, 126,1
130,2 133,2
122,7 153,4
167,1 130,4
106,4 144,6
140,9 143,9
110,9 163,8
116,5 116,1
129,5 161,2
129,5 116,1
122,8 153,4
167,0 130,6
106,9 144,8
141,2 143,6
111,4, 163,4
126,9 113,8
157,9 119,5
130,7 118,2
123,2 154,1
168,0 , 131,2
106,7 145,0
141,7 144,4
112,2 164,2
114,4 129,7
119,2 162,6
119,2 129,7
56,6 55,5
4B10 135,2
121,8
125,1 126,3
122,5 153.2
166,5 , 130,7
107,5 143,4
141,1 144,6
111,1 162,3
124,9 129,0
132,1 125,6
132,1 129,0
123,2 154,1
167,8 131,5
106,9 145,1
141,8 144,1
112,2 162,9
119,5 109,0
147,5 146,6
108,7 125,3
58,5 56,8
4B12 134,3
121,6
125,0 126,1
122,4 153,1
166,5 130,5
107,3 144,5
140,9 143,3
111,0 162,8
126,8 111,9
159,4 118,0
130,0 119,4
56,3 55,1
4B13 134,5
122,2
125,1 126,6
122,4 153,4
167,2 130,5
106,4 148,6
140,5 143,6
111,5 154,3
124,0 131,5
- 154,3
124,5 136,3
56,2
-
3.3 Tổng hợp và cấu trúc các N-formamide 5A và 5B
N-formyl hóa có vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ như là bảo vệ
nhóm chức amine và hóa dược nên đã có nhiều phương pháp tổng hợp formamide được nghiên cứu và phát triển Trong đó phương pháp thú vị là sử
dụng N,N-dimethylformamide (DMF) kết hợp với tác nhân thích hợp để tổng hợp N-formyl như imidazole và DMF [95]; P2O5 và DMF [17]; POCl3 và DMF [18], [Ni(quin)2], DMF và imidazole [93] Chiếu xạ vi sóng cũng có tác dụng hỗ
trợ quá trình formyl hóa như sử dụng ester, DMF dưới chiếu xạ vi sóng tạo
N-formyl từ amine trong 5 phút [110]; sử dụng chất xúc tác dị thể HCOOH/SiO2
trong điều kiện không dung môi, hoặc sử dụng HCOOH dưới tác dụng của vi
sóng cũng tạo ra được các N-formamide từ các amine hoặc ancol [13, 25]
Với cơ sở trên, từ amine 4A cho tác dụng với DMF có sử dụng các chất xúc
tác thông thường như: HCl, AcOH, TsOH hoặc silica gel Hỗn hợp phản ứng được chiếu xạ vi sóng ở chế độ 380W trong thời gian thích hợp Tiến trình của
phản ứng được theo dõi bằng TLC trong hệ dung môi n-hexane/ethyl acetate
(1:1) Thực nghiệm cho thấy, khi sử dụng HCl làm xúc tác, sản phẩm thu được chỉ thể hiện dưới dạng vết trên TLC, khi dùng TsOH làm xúc tác, mặc dù hiệu suất có thể đạt tới 70% nhưng việc tinh chế phức tạp hơn, để rửa sạch TsOH cần dùng dung dịch base, sau khi rửa hết amine dư bằng dung dịch acid Kết quả thực
nghiệm được trình bày ở Bảng 3.14
Trang 14Qua bảng trên đã lựa chọn được điều kiện tối ưu cho phản ứng tạo
N-formamide từ hợp chất 4A là sử dụng amine + DMF + AcOH, hỗn hợp được
chiếu xạ vi sóng ở chế độ trung bình (380W-450W) Để kiểm chứng quy trình
thực nghiệm này, từ amine 4B cũng tiến hành một cách tương tự như amine 4A,
thu được N – formamide 5B Cấu trúc của 5A và 5B được xác định thông qua
các phổ IR, NMR và MS Quy trình này mở ra 1 phương pháp mới tạo
N-formamide từ amine tự do một cách đơn giản, hiệu quả và có sử dụng chiếu xạ
vi sóng gia đình, phương pháp này đã áp dụng thành công và tổng hợp được
dãy gồm hai mươi N-formamide và kết quả nghiên cứu đã được công bố trên
Tạp chí Hóa học Ưu điểm của phương pháp này là formyl hóa một cách có chọn lọc vào nhóm amine mà không vào nhóm chức –OH phenol, đặc biệt chọn
lọc vào nhóm amine có tính nucleophile yếu như là p-nitroaniline
Cơ chế phản ứng tạo N-formamide:
N H O
O O H
-OAc
N H
O H
Het:
N S
OH R
H3C CH
3
OH R
N
Het
O H H
H AcO
5A (R=H); 5B (R=OCH3)
Sơ đồ 3.3 Cơ chế tạo thành N-formamide 5A và 5B
Kết quả phân tích phổ của 5A và 5B được trình bày ở Bảng 3.17 và Bảng
3.18 Dưới đây là tín hiệu cộng hưởng của proton và carbon của 5A và 5B