Luận án Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng Benzothiazole và Benzoxazole

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng Benzothiazole và Benzoxazole

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI  NGUYỄN THỊ NGỌC MAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, CẤU TRÚC VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT CHỨA DỊ VÒNG BENZOTHIAZOLE VÀ BENZOXAZOLE Hà Nội, 12/2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI  NGUYỄN THỊ NGỌC MAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, CẤU TRÚC VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT CHỨA DỊ VÒNG BENZOTHIAZOLE VÀ BENZOXAZOLE Chuyên ngành: HÓA HỌC HỮU CƠ Mã số: 9.44.01.14 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Dƣơng Quốc Hoàn 2. TS. Trịnh Thị Huấn Hà Nội, 12/2021
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Mai i
4. LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới Thầy TS. Dƣơng Quốc Hoàn và Cô TS. Trịnh Thị Huấn là những người Thầy luôn tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô Bộ môn Hóa hữu cơ, các Thầy cô Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội và Khoa Khoa học tự nhiên – Trường Đại học Hồng Đức – Thanh Hóa đã động viên, giúp đỡ và có những ý kiến đóng góp quý báu cũng như tạo điều kiện về cơ sở vật chất thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Viện Hóa học và Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên (Viện Hàn lâm KH và CN Việt Nam) đã hết sức nhiệt tình phối hợp, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành các mục tiêu của luận án. Tôi vô cùng biết ơn sự động viên, giúp đỡ của gia đình, đồng nghiệp, bạn bè trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Mai ii
5. Luận án đƣợc thực hiện với sự tài trợ kinh phí của đề tài NCKH cấp bộ mã số B2019-SPH-09 do TS. Dƣơng Quốc Hoàn chủ trì iii
6. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Viết đầy đủ 1. DMF N,N-dimetylformamide 2. DMSO Dimethylsunfoxide 3. IR Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy) 4. HRMS Phổ khối phân giải cao (High Resolution Mass Spectrometry) MS Phổ khối lượng (ESI MS: Electro Spay Ionization Mass Spectrometry 5. NMR Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C NMR Phổ cộng hưởng từ carbon 13 1H NMR Phổ cộng hưởng từ proton HMBC Phổ 2 chiều tương tác gián tiếp C-H (Heteronuclear Multiple Bond Coherence) HSQC Phổ 2 chiều tương tác trực tiếp C-H (Heteronuclear Single Quantum Correlation) 6. MIC Nồng độ ức chế tối thiểu của chất có hoạt tính (Minimum Inhibitory concentration) IC50 Nồng độ ức chế 50% đối tượng thử (Inhibitory concentration) ED50 Liều tác dụng tối đa trên 50% đối tượng thử (Effective Dose) SC50 Nồng độ của chất thử mà tại đó trung hòa được 50% các gốc tự do PI Chỉ số trị liệu (Therapeutic Index) 7. DPPH 1,1-diphenyl-2-picryhydrazyl 8. e.q Đương lượng 9. MW vi sóng 10. oxh Oxi hóa 11. VSVKĐ Vi sinh vật kiểm định 12. δ (ppm) Độ chuyển dịch hóa học (parts per million) 13. J (Hz) Hằng số tương tác 14. TLC Sắc ký bản mỏng (Thin layer chromatography) 15. r.t Nhiệt độ phòng (room temperature) iv
7. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích và nhiệm vụ của luận án 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan về dị vòng benzothiazole 3 1.1.1. Phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole 3 1.1.2. Hoạt tính sinh học của hợp chất chứa dị vòng benzothiazole 8 1.2. Tổng quan về dị vòng benzoxazole 16 1.2.1. Phương pháp tổng hợp dị vòng benzoxazole 17 1.2.2. Hoạt tính sinh học của hợp chất chứa dị vòng benzoxazole 20 Tiểu kết chương 1 24 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM 26 2.1. Hóa chất và thiết bị 26 2.1.1. Hóa chất 26 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị trong phòng thí nghiệm 26 2.1.3. Phương pháp tinh chế các sản phẩm 26 2.1.4. Thiết bị nghiên cứu tính chất và cấu trúc 26 2.2. Phƣơng pháp thăm dò hoạt tính sinh học 27 2.2.1. Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định 27 2.2.2. Hoạt tính chống oxi hóa 29 2.2.3. Hoạt tính độc tế bào 30 2.2.4. Hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật 31 2.3. Tổng hợp các chất 32 2.3.1. Sơ đồ tổng hợp chung 32 2.3.2. Tổng hợp chất chìa khóa 34 v
8. 2.3.3. Tổng hợp dãy benzazole 4A1-4A6 và 4B1-4B13 36 2.3.4. Tổng hợp N-formamide 5A, 5B 37 2.3.5. Tổng hợp dãy ester, acid carboxylic và acid hydroxamic 37 2.3.6. Tổng hợp dãy hydrazide-hydrazone 39 2.3.7. Tổng hợp các benzoxazole từ nitrovanillin 41 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1. Tổng hợp và cấu trúc của hai chất chìa khóa 4A và 4B 44 3.1.1. Tổng hợp chất chìa khóa 4A và 4B 44 3.1.2. Xác định cấu trúc của hai chất chìa khóa 4A và 4B 46 3.2. Tổng hợp và xác định cấu trúc của dãy các benzazole 4A1-4A6 và 4B1- 4B13 50 3.2.1. Tổng hợp các benzazole 50 3.2.2. Xác định cấu trúc của các benzazole 54 3.3. Tổng hợp và cấu trúc N-formamide 5A và 5B 65 3.3.1. Tổng hợp N-formamide 65 3.3.2. Xác định cấu trúc N-formamide 67 3.4. Tổng hợp và cấu trúc của dãy acid carboxylic 72 3.4.1. Tổng hợp dãy acid carboxylic 72 3.4.2. Xác định cấu trúc của dãy acid carboxylic 73 3.5. Tổng hợp và xác định cấu trúc dãy acid hydroxamic 77 3.6. Tổng hợp và xác định cấu trúc dãy các hydrazide 82 3.6.1. Tổng hợp 82 3.6.2. Xác định cấu trúc của hydrazie 83 3.7. Tổng hợp và cấu trúc dãy các hydrazide - hydrazone 89 3.7.1. Tổng hợp các hydrazide - hydrazone 89 3.7.2. Xác định cấu trúc các hydrazide - hydrazone 94 3.8. Tổng hợp và cấu trúc của các benzoxazole từ nitrovanillin 113 3.8.1. Tổng hợp các o-nitrophenol 113 3.8.2. Tổng hợp o-aminophenol và dẫn xuất 120 vi
9. 3.9. Hoạt tính sinh học của một số chất 130 3.9.1. Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định 130 3.9.2. Hoạt tính chống oxi hóa 132 3.9.3. Hoạt tính độc tế bào 133 3.9.4. Hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật 135 KẾT LUẬN 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 vii
10. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Benzothiazole và một số dẫn xuất có trong tự nhiên và sử dụng trong y học 3 Hình 1.2. Một số dẫn xuất của benzothiazole có hoạt tính chống ung thư 9 Hình 1.3. Một số dẫn xuất của benzothiazole có hoạt tính kháng khuẩn 12 Hình 1.4. Một số dẫn xuất của benzothiazole có hoạt tính chống co giật 13 Hình 1.5. Một số dẫn xuất của benzothiazole có hoạt tính kích thích sinh trưởng thực vật 15 Hình 1.6. Benzoxazole và một số dẫn xuất của benzoxazole có trong tự nhiên 16 Hình 1.7. Một số thuốc bán trên thị trường có chứa dị vòng benzoxazole 16 Hình 1.8. Một số dẫn xuất của benzoxazole qua cầu carbon có hoạt tính kháng khuẩn 21 Hình 1.9. Một số dẫn xuất của benzoxazole qua cầu dị nguyên tử “N, S” có hoạt tính kháng khuẩn 22 Hình 1.10. Một số dẫn xuất của benzoxazole có hoạt tính chống ung thư 23 Hình 1.11. Một số dẫn xuất của benzoxazole có hoạt tính chống co giật 24 1 Hình 3.1. Một phần phổ H NMR của hợp chất 4A 47 Hình 3.2. Một phần phổ HMBC của 4A 48 Hình 3.3. Phổ hồng ngoại của hợp chất 4B10 54 1 Hình 3.4. Phổ H NMR của hợp chất 4A6 55 Hình 3.5. Một phần phổ 2 chiều HMBC của hợp chất 4A6 57 Hình 3.6. Phổ cộng hưởng từ proton của chất 4B3 60 Hình 3.7. Một phần phổ HMBC của hợp chất 4B3 61 Hình 3.8. Phổ IR của chất 5A 68 Hình 3.9. Phổ cộng hưởng từ proton của chất 5A 69 Hình 3.10. Một phần phổ HMBC của 5A 70 1 Hình 3.11. Phổ H NMR giãn của 8A1 73 Hình 3.12. Một phần phổ HMBC của hợp chất 8A1 74 Hình 3.13. Phổ IR của hợp chất 9B1 78 1 Hình 3.14. Phổ H NMR của hợp chất 9B1 79 Hình 3.15. Một phần phổ HMBC của hợp chất 9B1 80 viii
11. Hình 3.16. Phổ IR của hợp chất 10B 83 1 Hình 3.17. Một phần phổ giãn H NMR của hợp chất 10B 85 Hình 3.18. Phổ HMBC của hợp chất 10B 86 Hình 3.19. Một số vân hấp thụ hồng ngoại của hợp chất 10A1 94 1 Hình 3.20. Một phần phổ giãn H NMR của 10A1 96 Hình 3.21. Phổ HSQC của hợp chất 10A1 99 Hình 3.22. Phổ HMBC của hợp chất 10A1 100 Hình 3.23. Phổ HRMS của hợp chất 10A1 111 Hình 3.24. Tín hiệu của proton H8 của các chất: 15B1, 15B2, 15B3, 15B4, 15B5, 15B6 và 15B7 115 Hình 3.25. Tín hiệu H-8 của 15B2 ở hai nhiệt độ 116 Hình 3.26. Phổ hai chiều HMBC của hợp chất 15B2 117 Hình 3.27. Phổ IR của hợp chất 16B1 121 1 Hình 3.28. Phổ H NMR của hợp chất 16B1 122 Hình 3.29. Phổ NOESY của hợp chất 16B1 123 Hình 3.30. Phố HMBC của hợp chất 16B1 124 1 Hình 3.31. Phổ H NMR của hợp chất 18B1 127 Hình 3.32. Phổ HMBC của hợp chất 18B1 128 ix
12. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Kết quả tổng hợp hai chất chìa khóa 4A và 4B 45 Bảng 3.2. Một số vân hấp thụ hồng ngoại của hợp chất 4A và 4B (cm-1) 46 Bảng 3.3. Tín hiệu 1H NMR của 4A và 4B (δ (ppm), J (Hz)) 49 Bảng 3.4. Tín hiệu 13C NMR của 4A và 4B, δ (ppm) 49 Bảng 3.5. Dữ liệu phổ MS của hợp chất 4A, 4B 49 Bảng 3.6. Tối ưu hóa năng lượng của lò vi sóng gia đình 50 Bảng 3.7. Kết quả tổng hợp dãy benzazole 4A1-4A6 và 4B1-4B13 52 Bảng 3.8. Một số vân hấp thụ hồng ngoại của hợp chất 4A2, 4A6 và 4B10 (cm-1) 54 Bảng 3.9. Tín hiệu 1H NMR của 4A1- 4A6 (δ (ppm), J (Hz)) 58 Bảng 3.10. Tín hiệu 13C NMR của các chất dãy 4A1-4A6 (δ (ppm) 59 Bảng 3.11. Dữ liệu phổ 1H NMR của 4B1-4B13 ( (ppm), J (Hz)) 62 Bảng 3.12. Dữ liệu phổ 13C NMR của 4B1-4B13 [ (ppm)] 63 Bảng 3.13. Kết quả phân tích phổ MS của các benzazole 64 Bảng 3.14. Điều kiện thực nghiệm tạo N-formamide 66 Bảng 3.15. Kết quả tổng hợp N-fomamide 5A, 5B 67 Bảng 3.16. Một số vân hấp thụ hồng ngoại của 5A và 5B (cm-1) 68 Bảng 3.17. Số liệu cộng hưởng từ proton, carbon của hợp chất 5A và 5B 71 Bảng 3.18. Dữ liệu phổ MS của 5A và 5B 71 Bảng 3.19. Kết quả tổng hợp các acid carboxylic 8A1, 8B1, 8B2 73 Bảng 3.20. Dữ liệu phổ 1H NMR của 8A1, 8B1, 8B2 ( (ppm), J (Hz)) 75 Bảng 3.21. Dữ liệu phổ 13C NMR của 8A1, 8B1, 8B2 ( (ppm)) 76 Bảng 3.22. Kết quả phân tích phổ MS của 8A1, 8B1, 8B2 76 Bảng 3.23. Kết quả tổng hợp các acid hydroxamic 9B1, 9A2 và 9B2 77 Bảng 3.24. Một số vân hấp thụ hồng ngoại của hợp chất 9B1 và 9A2 (cm-1) 78 Bảng 3.25. Dữ liệu phổ 1H NMR của 9B1, 9A2 và 9B2 δ (ppm), J (Hz) 81 Bảng 3.26. Tín hiệu 13C NMR của 9B1, 9A2 và 9B2, δ (ppm) 81 Bảng 3.27. Dữ liệu phổ MS của 9B1, 9A2 và 9B2 82 Bảng 3.28. Kết quả tổng hợp các hydrazide10A, 10B, 11A và 11B 83 Bảng 3.29. Một số vân hấp thụ hồng ngoại của các hydrazide 10A, 10B, 11A, 11B (cm-1)84 Bảng 3.30. Dữ liệu phổ 1H NMR của 10A, 10B, 11A 11B (δ (ppm); J (Hz)) 87 Bảng 3.31. Dữ liệu phổ 1H NMR của 10A, 10B, 11A 11B; δ (ppm) 88 Bảng 3.32. Dữ liệu phổ MS của 10A, 10B, 11A, 11B 88 x
13. Bảng 3.33. Kết quả tổng hợp các hydrazide - hydrazone 10A1-10A8 89 Bảng 3.34. Kết quả tổng hợp các hydrazide - hydrazone 10B1-10B8 90 Bảng 3.35. Kết quả tổng hợp các hydrazide - hydrazone 11A1-11A16 91 Bảng 3.36. Kết quả tổng hợp các hydrazide - hydrazone 11A1-11A16 93 Bảng 3.37. Một số vân phổ hồng ngoại của dãy hydrazide - hydrazone (cm-1) 95 Bảng 3.38. Dữ liệu phổ 1H NMR của dãy hydrazide - hydrazone 10A1-10A8 (δ (ppm); J (Hz)) 98 Bảng 3.39. Dữ liệu phổ 13C NMR của dãy hydrazide - hydrazone 10A1-10A8 (δ (ppm)) 101 Bảng 3.40. Dữ liệu phổ 1H NMR của dãy hydrazide - hydrazone 10B1-10B8 (δ (ppm);J (Hz)) 103 Bảng 3.41. Dữ liệu phổ 13C NMR của dãy hydrazide - hydrazone 10B1-10B8(δ (ppm)) . .104 Bảng 3.42. Tín hiệu cộng hưởng của H2  H16 dãy hydrazide - hydrazone 11A1- 11A16, δ (ppm), J (Hz) 105 Bảng 3.43. Tín hiệu cộng hưởng từ của các proton ở hợp phần ngưng tụ của 11A1- 11A16, δ (ppm), J (Hz) 106 Bảng 3.44. Tín hiệu cộng hưởng của C1-C16 ở 11A1-11A16; δ (ppm) 107 Bảng 3.45. Tín hiệu cộng hưởng của C17-C23 ở 11A1-11A16; δ (ppm) 108 Bảng 3.46. Dữ liệu phổ 1H NMR của các hydrazide - hydrazone 11B1-11B8(δ (ppm); J (Hz)) 109 Bảng 3.47. Dữ liệu phổ 13C NMR của dãy hydrazide - hydrazone 11B1-11B8 (δ (ppm)) 110 Bảng 3.48. Dữ liệu phổ(+) HRMS của 10A1, 10B2, 11A2 và (-) HRMS của 11B1112 Bảng 3.49. Dữ liệu phổ ESI MS của các hydrazide - hydrazone 112 Bảng 3.50. Kết quả tổng hợp dãy chất 15B1-15B7 114 Bảng 3.51. Tín hiệu phổ 1H NMR ở hợp phần gốc [δ (ppm), J (Hz)] 118 Bảng 3.52. Tín hiệu 13C NMR ở phần gốc [δ (ppm)] 118 Bảng 3.53. Tín hiệu 1H NMR của phần vòng thơm [δ (ppm), J (Hz)] 119 Bảng 3.54. Tín hiệu 13C NMR ở phần vòng thơm [δ (ppm)] 119 Bảng 3.55. Dữ liệu phổ ESI MS của 15B1-15B7 120 Bảng 3.56. Kết quả tổng hợp các chất 16B1, 18B1, 18B2 121 Bảng 3.57. Một số v n phổ hồng ngoại của hợp chất 16B1, (cm-1) 122 Bảng 3.58. Số liệu phổ cộng hưởng từ 1H NMR, 13C NMR của chất 16B1 125 xi
14. Bảng 3.59. Kết quả phân tích phổ của hợp chất 18B1 129 Bảng 3.60. Kết quả phân tích phổ của hợp chất 18B2 130 Bảng 3.61. Kết quả thử họat tính kháng vi sinh vật kiểm định của một số chất 131 Bảng 3.62. Kết quả thử hoạt tính chống oxi hóa của một số chất 133 Bảng 3.63. Hoạt tính độc tế bào của 8B1, 9A2, 9B1 và 9B2 trên dòng KB 134 Bảng 3.64. Hoạt tính độc tế bào của 5A, 5B, 9B2 trên 4 dòng A549, HepG2, MCF7 và HGC-27 134 Bảng 3.65. Kết quả chiều cao c y trung bình và độ dài rễ trung bình của các giống cây ngô ở giai đoạn 10 ngày và 15 ngày dưới tác dụng của 9A2 136 Bảng 3.66. Kết quả chiều cao c y trung bình và độ dài rễ trung bình của các giống cây ở giai đoạn 10 ngày và 15 ngày dưới ảnh hưởng của 9B2 137 Bảng 3.67. Kết quả chiều cao c y trung bình và độ dài rễ trung bình của giống lúa BACTHOM7 ở giai đoạn 10 ngày và 15 ngày dưới tác dụng của 9A2 139 Bảng 3.68. Kết quả chiều cao c y trung bình và độ dài rễ trung bình của các giống lúa OM18 ở giai đoạn 10 ngày và 15 ngày dưới tác dụng của 9B2 139 xii
15. DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 1.1. Các hướng tổng hợp benzothiazole 4 Sơ đồ 1.2. Tổng hợp benzothiazole từ aldehyde 4 Sơ đồ 1.3. Các hướng tổng hợp benzoxazole 17 Sơ đồ 2.1. Sơ đồ tổng hợp các chất từ 4-hydroxybenzaldehyde 32 Sơ đồ 2.2. Sơ đồ tổng hợp các chất từ vanillin 33 Sơ đồ 2.3. Sơ đồ tổng hợp benzoxazole từ nitrovanillin 33 Sơ đồ 2.4. Sơ đồ tổng hợp chất chìa khóa 34 Sơ đồ 2.5. Sơ đồ tổng hợp dãy benzazole 36 Sơ đồ 2.6. Sơ đồ tổng hợp N-formamide 5A, 5B 36 Sơ đồ 2.7. Sơ đồ tổng hợp dãy ester 37 Sơ đồ 2.8. Tổng hợp dãy acid carboxylic 38 Sơ đồ 2.9. Tổng hợp dãy acid hydroxamic 38 Sơ đồ 2.10. Sơ đồ tổng hợp dãy hydrazide 39 Sơ đồ 2.11(a). Tổng hợp dãy hydrazide - hydrazone 10A1-10A8 39 Sơ đồ 2.11(b). Tổng hợp dãy hydrazide - hydrazone 10B1-10B8 40 Sơ đồ 2.11(c). Tổng hợp dãy hydrazide - hydrazone 11A1-11A16 40 Sơ đồ 2.11(d). Tổng hợp dãy hydrazide - hydrazone 11B1-11B8 41 Sơ đồ 2.12. Tổng hợp dãy o-nitrophenol từ nitrovanillin 41 Sơ đồ 2.13. Tổng hợp o-aminophenol 16B1 . .41 Sơ đồ 2.14. Tổng hợp benzoxazole 18B1, 18B2 43 Sơ đồ 3.1. Cơ chế đóng vòng benzothiazole 44 Sơ đồ 3.2. Cơ chế tạo thành các benzazole 51 Sơ đồ 3.3. Cơ chế tạo thành N-formamide 5A và 5B 67 Sơ đồ 3.4. Cơ chế tạo thành benzoxazole 18B1 và 18B2 126 xiii
16. BẢNG CÔNG THỨC CÁC CHẤT, PHỔ NGHIÊN CỨU VÀ HOẠT TÍNH ĐƢỢC THỬ NGHIỆM DÃY A: chất đầu là 4-hydroxybenzaldehyde DÃY B: chất đầu là vanillin Hoạt tính đƣợc STT Ký hiệu và CTCT Phổ nghiên cứu thử nghiệm S 1 13 1 OH IR, H NMR, C NMR, Chống oxh N HMBC, MS 4A NH2 OCH3 2 S 1 OH IR, H NMR, MS Chống oxh N 4B NH2 S 3 O 1 13 N H NMR, C NMR, N Chống oxh 4A1 HSQC, HMBC, MS OH 4 S O 1 13 N H NMR, C NMR, OCH N 3 Chống oxh 4A2 HSQC, HMBC, MS OH 5 S O N 1 13 N H NMR, C NMR, MS - 4A3 6 S O N 1 13 N H NMR, C NMR, MS - 4A4 CH3 7 S O N 1 13 N H NMR, C NMR, MS - 4A5 OCH3 S 8 O 1 13 N IR, H NMR, C NMR, OCH N 3 Chống oxh 4A6 HSQC, HMBC OCH3 9 OCH3 S 1 13 O H NMR, C NMR, N - N HSQC, HMBC, MS 4B1 xiv
17. OCH3 10 S O N 1 13 N H NMR, C NMR, 4B2 - HSQC, HMBC, MS CH3 11 OCH3 S 1 13 O Cl H NMR, C NMR, N - N HMBC, MS 4B3 12 OCH3 S 1 13 O H NMR, C NMR, N - N 4B4 HMBC, MS Cl 13 OCH3 S 1 13 O H NMR, C NMR , N NO Kháng VSVKĐ N 2 HMBC, MS 4B5 OCH3 14 S O 1 N H NMR, MS - N 4B6 NO2 OCH3 15 S O 1 13 N H NMR, C NMR, MS - N 4B7 OH OCH3 16 S O 1 13 N OH H NMR, C NMR, MS - N 4B8 17 OCH3 S O 1 13 N H NMR, C NMR, MS - N 4B9 OCH3 18 OCH3 S 1 13 O IR, H NMR, C NMR, N - N 4B10 HSQC, HMBC, MS Br OCH3 19 S O N OCH 1 13 N 3 H NMR, C NMR, MS - 4B11 OH Br xv
18. OCH3 20 S O 1 13 N OCH H NMR, C NMR, MS - N 3 4B12 21 OCH3 S 1 13 O H NMR, C NMR, N - N N HSQC, HMBC, MS 4B13 S 22 OH 1 13 N IR, H NMR, C NMR, Chống oxh, độc NH 5A O HMBC, MS tế bào, VSVKĐ H 23 OCH3 S 1 13 OH IR, H NMR, C NMR, Chống oxh, độc N NH 5B HMBC, MS tế bào, VSVKĐ O H 24 O S 1 13 O O H NMR, C NMR, N H - NH HMBC 8A1 O OCH3 O 25 S O O 1 13 Độc tế bào KB, N H H NMR, C NMR, MS NH 8B1 VSVKĐ O OCH3 O 26 S O O 1H NMR, 13C NMR, MS - N H 8B2 OCH3 O 27 S O NH IR, 1H NMR, 13C NMR, Độc tế bào KB, N HO NH HMBC, MS VSVKĐ O 9B1 28 O Độc tế bào KB, S IR, 1H NMR, 13C NMR, VSVKĐ, kích O NH N HO MS thích sinh 9A2 trưởng thực vật OCH3 O 29 S Độc tế bào, kích O NH 1H NMR, 13C NMR, MS thích sinh N HO 9B2 trưởng thực vật 30 O S IR, 1H NMR, 13C NMR, O HN NH2 VSVKĐ N O MS 10A HN xvi
19. 31 OCH3 O S IR, 1H NMR, 13C NMR, O HN NH2 VSVKĐ N O HMBC, MS HN 10B 32 O S IR, 1H NMR, 13C NMR, O HN NH2 VSVKĐ N HMBC, MS 11A 33 OCH3 O S IR, 1H NMR, 13C NMR, O HN NH2 VSVKĐ N MS 11B O 34 1 13 S HC NO2 IR, H NMR, C NMR, O HN N VSVKĐ N O HSQC, HMBC, HRMS 10A1 HN O 35 S HC O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR, MS - 10A2 HN O 36 S HC Br O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR, MS VSVKĐ 10A3 HN O 37 S HC Cl O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR, MS - 10A4 HN O CH3 38 S HC N O HN N CH3 1 13 N O H NMR, C NMR, MS VSVKĐ 10A5 HN O O 39 S HC O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR, MS - 10A6 HN O 40 S HC OH O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR, MS VSVKĐ 10A7 HN 41 O S HC OCH3 O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR, MS - 10A8 HN 42 OCH3 O S HC NO2 O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR, MS - 10B1 HN 43 OCH3 O S HC IR, 1H NMR, 13C NMR, O HN N - N O HSQC, HMBC, HRMS 10B2 HN xvii
20. OCH3 O 44 S HC Br O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR - 10B3 HN 45 OCH3 O S HC CH3 O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR - 10B4 HN OCH O 3 CH3 46 S HC N O HN N CH3 1 13 N O H NMR, C NMR - 10B5 HN OCH3 O O 47 S HC O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR - 10B6 HN OCH3 O 48 S HC OH O HN N 1 13 N O H NMR, C NMR - 10B7 HN 49 1H NMR, 13C NMR - OCH3 50 O 1 13 S HC OCH3 IR, H NMR, C NMR, O HN N - N HSQC, HMBC, MS 11A1 OCH3 51 O 1 13 S HC OH H NMR, C NMR, O HN N - N HSQC, HMBC, HRMS 11A2 O 1 13 52 S HC OCH3 H NMR, C NMR, O HN N VSVKĐ N HSQC, HMBC, MS 11A3 O 53 S HC Br O HN N 1 13 N H NMR, C NMR, MS - 11A4 OCH3 54 O S HC OH 1 13 O HN N H NMR, C NMR, MS - N Br 11A5 O 55 S HC NO2 O HN N 1 13 N H NMR, C NMR, MS - 11A6 O O 56 S HC O HN N 1 13 N H NMR, C NMR, MS - 11A7 O 57 S HC O HN N 1 13 N H NMR, C NMR, MS - 11A8 xviii
21. O CH3 58 HC N S 1 13 O HN N CH3 N H NMR, C NMR, MS - 11A9 O2N 59 O S HC 1 13 O HN N H NMR, C NMR, MS - N 11A10 OH 60 O 1 13 S HC H NMR, C NMR, O HN N VSVKĐ N HMBC, MS 11A11 NO2 61 O 1 13 S HC H NMR, C NMR, O HN N VSVKĐ N HMBC, MS 11A12 62 O S HC OH 1H NMR, 13C NMR, O HN N - N HMBC, MS 11A13 O 1 13 63 S HC Cl H NMR, C NMR, O HN N VSVKĐ N HMBC, MS 11A14 OCH3 64 O S HC OH 1 13 O HN N H NMR, C NMR, MS - N NO2 11A15 O 65 HC OH S 1 13 O HN N H NMR, C NMR, MS - N NO2 11A16 OCH3 O 1 13 66 S HC NO 2 IR, H NMR, C NMR, O HN N - N HSQC, HMBC, HRMS 11B1 OCH3 O 67 S HC O HN N 1 13 N H NMR, C NMR - 11B2 OCH3 O 68 S HC Br O HN N 1 13 N H NMR, C NMR, MS - 11B3 OCH3 O 69 S HC CH3 O HN N 1 13 N H NMR, C NMR - 11B4 OCH3 O CH3 70 S HC N 1 13 O HN N CH3 N H NMR, C NMR - 11B5 OCH3 O O 71 S HC O HN N 1 13 N H NMR, C NMR - 11B6 xix
22. OCH3 O 72 S HC OH O HN N 1 13 N H NMR, C NMR - 11B7 OCH3 O 73 S HC OCH3 O HN N 1 13 N H NMR, C NMR - 11B8 74 NO2 HO O 1H NMR, 13C NMR, VSVKĐ, Chống N H3CO HMBC, MS oxh 15B1 Cl 75 NO2 HO O 1H NMR, 13C NMR, N - H3CO HMBC, MS 15B2 76 NO2 HO O 1H NMR, 13C NMR, N - H3CO HMBC, MS 15B3 OCH3 77 NO2 HO O 1H NMR, 13C NMR, N - H3CO HMBC, MS 15B4 78 NO2 HO O 1H NMR, 13C NMR, N NO2 - H3CO HMBC, MS 15B5 79 NO2 HO O 1H NMR, 13C NMR, N - H3CO HMBC, MS 15B6 CH3 80 NO2 HO O 1H NMR, 13C NMR, N - H3CO HMBC, MS 15B7 Br 81 NH2 HO O IR, 1H NMR, 13C NMR, VSVKĐ, Chống N H3CO HMBC oxh 16B1 Cl 82 OCH3 O O 1 13 OCH H NMR, C NMR, N 3 - N HSQC, HMBC, MS 18B1 Cl 83 OCH3 O O OH 1 N N H NMR, MS Chống oxh 18B2 Cl xx
23. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hợp chất chứa dị vòng benzothiazole có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong hóa học tổng hợp, y học và dược phẩm do có hoạt tính sinh học phong phú như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng tế bào ung thư Nhiều hợp chất chứa dị vòng benzothiazole được sử dụng làm thuốc như: Riluzole dùng làm thuốc chống trầm cảm, Zopolrestat dùng để điều trị các biến chứng tiểu đường và Ethoxazolamide dùng làm thuốc tăng nhãn áp, lợi tiểu, loét tá tràng Nhiều dẫn xuất của benzothiazole đang trong quá trình thử nghiệm lâm sàng đã làm nổi bật tầm quan trọng của dị vòng này. Bên 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 Hợp chất 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 đích và nhiệm vụ của luận án - Mục đích: Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc và chuyển hóa có định hướng tạo thành một số hợp chất mới có 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. 1
24. - Nhiệm vụ: + 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 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. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Một số hợp chất mới chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc và thăm dò hoạt tính sinh học của các hợp chất tổng hợp được. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đã hoàn thiện 02 quy trình tổng hợp hợp chất 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. 2
25. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về dị vòng benzothiazole Benzothiazole là hợp chất dị vòng ngưng tụ gồm dị vòng 5 cạnh 1,3-thiazole được kết hợp với vòng benzene thuộc họ benzo-1,3-azole [6]. 7 1 Me Me S N N COOH 6 HOOC N 2 HO 5 N HO S HO S S Me 4 3 AcO OH O Me Benzothiazole (1) Firefly luciferin (2) Me MeO OH OH O Me NH F O S N O S O N F F NH2 S NH2 F N S F N N O O O S F OH N O Ziluzole (4) Zopolrestat (5) Ethoxazolamide (6) Me H O Rifamycin P (3) Hình 1.1. Benzothiazole và một số dẫn xuất có trong tự nhiên và sử dụng trong y học Nhiều hợp chất chứa dị vòng benzothiazole được tìm thấy trong thiên nhiên vì thế chúng thường có phổ hoạt tính sinh học phong phú, chọn lọc và thân thiện với cơ thể sống và môi trường. Ví dụ, acid 6-hydroxybenzothiazole-5-acetic (1) (Hình 1.1) là hợp chất kháng khuẩn có tên C304A hoặc M4582 là sản phẩm được tách từ nước lọc của vi khuẩn Actinosynnema [45] và Paecilomyces lilacinus [108]. Hợp chất này thể hiện khả năng giảm biến chứng ở mắt và dây thần kinh. Luciferin (2) là chất phát quang sinh học trong ruồi lửa [96]. Rifamycin P (3) được tách lần đầu tiên trong quá trình lên men, nó thể hiện hoạt tính kháng sinh tốt và có chọn lọc. Chẳng hạn nó ức chế mạnh vi khuẩn Gr (+) và Gr (-) nhưng lại yếu đối với vi khuẩn gây ra bệnh MAC (Mycobacterium avium complex) của những người mắc bệnh HIV [18, 22, 32]. Hơn nữa, một số hợp chất chứa benzothiazole đã trở thành thuốc thương mại như Riluzole (4), Zopolrestat (5), Ethoxazolamide (6) [39, 111] Do đó, có nhiều phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole được nghiên cứu và phát triển. 1.1.1. Phƣơng pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole Trên thế giới, dị vòng benzothiazole được nghiên cứu tổng hợp rất sớm bởi Hofmann (năm 1880) xuất phát từ phản ứng giữa acid formic và o-aminothiophenol [36]. Sau đó các phương pháp tổng hợp dị vòng này phát triển mạnh mẽ. Trên cơ sở chất phản ứng, có thể mô tả phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole theo sơ đồ sau: 3
26. X NH2 S H•íng b S H•íng a R R Y Z N R N SH H H•íng c X: H, halogen, S Y: O, S, Se U V-R Z: H, OH, OR, NH, SMe N V: COOH, Br, I, ZnBr Sơ đồ 1.1. Các hƣớng tổng hợp benzothiazole Theo sơ đồ trên:  Hướng a: ngưng tụ giữa 2-aminothiophenol với hợp chất chứa nhóm carbonyl như aldehyde, ketone, acid carboxylic, chloride acid, hoặc ester.  Hướng b: tạo benzothiazole từ aniline hoặc phản ứng đóng vòng nội phân tử của thiobenzanilide và dẫn xuất.  Hướng c: chuyển hóa hợp chất 2-benzothiazole để tạo thành các dẫn xuất mới. Trong 3 hướng trên thì hướng a được sử dụng nhiều nhất, trong đó phản ứng ngưng tụ giữa 2-aminothiophenol với aldehyde là phương pháp kinh điển và phổ biến để tổng hợp dị vòng này. Ban đầu phản ứng ngưng tụ giữa amine và aldehyde tạo thành azomethine. Sau đó là phản ứng cộng nucleophile vào nhóm >C=N-. Do có mặt oxygen của không khí nên nguyên tử hydrogen bị oxy hóa và kèm theo phản ứng tách nước sinh ra dị vòng benzothiazole [80]. SH SH S R S R CH O Kh«ng khÝ R N H N NH2 N CHR -H2O H Sơ đồ 1.2. Tổng hợp benzothiazole từ aldehyde 1.1.1.1. Ngƣng tụ 2-aminothiophenol và aldehyde thơm sử dụng xúc tác đồng thể a) Ngƣng tụ sử dụng chất xúc tác acid Guo và cộng sự đã tìm ra được một phương pháp đơn giản cho phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol và aldehyde là sử dụng hỗn hợp H2O2/HCl làm chất xúc tác trong dung môi ethanol ở nhiệt độ phòng. Ưu điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng ngắn, sản phẩm được phân lập dễ dàng và hiệu suất phản ứng cao (>85%) [29]. 4
27. SH 30%H2O2, 37%HCl (6:3) N RCHO R H>85% r.t, 45-60 phút S NH2 Maleki và cộng sự đã phát triển phương pháp tổng hợp các dẫn xuất 2- arylbenzothiazole từ phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol với aldehyde thơm bằng cách sử dụng NH4Cl làm chất xúc tác trong hệ dung môi kép methanol/nước (15:1) ở nhiệt độ phòng. Ưu điểm chính của phương pháp này là sử dụng NH4Cl là chất xúc tác rẻ tiền, sẵn có và không chứa kim loại. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của dung môi đến hiệu suất phản ứng, tác giả đã sử dụng các dung môi hữu cơ khác nhau như chloroform, ethanol, acetonitrile, dichloromethane và nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ methanol/nước là dung môi tốt nhất cho phản ứng này [53]. CHO SH NH4Cl(70mol%)/O2 CH3OH:H2O(15:1) N R r.t , 20-60 phót R NH2 S H= 58 - 92% b) Ngƣng tụ không sử dụng chất xúc tác Sử dụng dung môi DMSO, Batista và cộng sự đã tổng hợp được bithienyl- 1,3-benzothiazole từ phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol và 5-formyl-5'- alkoxy-bithiophene hoặc 5-formayl-5’-(N,N-dialkylamino)-2,2'-bithiophene. Phản ứng này thực hiện ở nhiệt độ cao (120oC) và thời gian phản ứng tương đối ngắn (30-60 phút) [12]. NH2 N S DMSO S OHC R R S 0 S SH 120 C, 30-60 phút S H = 56-96% R=H; OMe, OEt, NMe2, NEt2, N(i-Pr)2, piperidino, morpholino Hu và cộng sự thực hiện phản ứng ngưng tụ trong điều kiện không khí, dung môi DMSO và không sử dụng xúc tác. Điều kiện này cho phép nhiều nhóm chức khác tồn tại trong phản ứng và cho hiệu suất tốt từ 61 đến 95%. Phương pháp này cho phép áp dụng với nhiều dẫn xuất của benzaldehyde để tổng hợp dị vòng. Ngoài ra tác giả cũng chứng minh DMSO là dung môi tốt nhất cho loại phản ứng này. Tuy nhiên thời gian phản ứng dài cần 6 giờ [37]. 5
28. 1.2 eq. SH O kh«ng khÝ S + Ar DMSO NH2 H Ar N 600C, 6h H= 61-95% 1.1.1.2. Ngưng tụ 2-aminothiophenol và aldehyde thơm sử dụng chất xúc tác dị thể Một phương pháp rất hiệu quả đã được Bahrami áp dụng để tổng hợp dẫn xuất của benzothiazole là sử dụng hỗn hợp chất oxy hóa là nước oxy già (H2O2) và ceric ammonium nitrate (CAN). Ưu điểm của phương pháp này là không cần dung môi, thời gian ngắn, chất xúc tác rẻ tiền và hiệu suất cao đạt từ 92 đến 97% [9]. O R NH2 30% H2O2 (4e.q) R N 10% CAN Ar H Ar SH không dung môi S 50C, 9-10 phút H = 92-97% Nghiên cứu của Gorepatil và các cộng sự cho thấy samarium triflate là một xúc tác hữu hiệu đã giúp phản ứng xảy ra trong điều kiện nhẹ nhàng trong không khí và hỗn hợp dung môi ethanol và nước. Mặc dù hiệu suất từ 72 đến 96 %, nhưng cũng mất từ 2 đến 12 giờ để hoàn thành phản ứng. Điều thú vị là tác giả đã nghiên cứu tái sử dụng xúc tác và cho hiệu suất tương tự như xúc tác mới dùng [28]. N SH O 10% mol Sm(OTf)3 R H R EtOH/H2O (2:1) S 55C, 2-6h R: ankyl, aryl NH2 H = 72-96% Nhóm nghiên cứu của Chandrachood đã tổng hợp các benzothiazole bằng cách sử dụng Co(NO3)2.6H2O/H2O2 làm chất xúc tác. Tác giả đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và dung môi đến hiệu suất phản ứng. Điều kiện tối ưu nhất cho phản ứng này khi sử dụng Co(NO3)2.6H2O/H2O2 làm xúc tác là sử dụng dung môi DMF và ở nhiệt độ 80oC [15]. SH O N Co(NO3)2. 6H2O/H2O2 R R 0 S NH2 H DMF. 80 C H = 77- 85% 1.1.1.3. Ngƣng tụ 2-aminothiophenol và aldehyde thơm có hỗ trợ vi sóng Việc sử dụng năng lượng vi sóng trong tổng hợp hữu cơ có nhiều ưu điểm như khả năng gia nhiệt nhanh từ trong hỗn hợp phản ứng nên tránh được các điểm quá 6