ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

TRẦN THỊ KIM NGỌC

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT
6-ARYL PIPERAZINDION BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP
PHỔ HIỆN ĐẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

TRẦN THỊ KIM NGỌC

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT
6-ARYL PIPERAZINDION BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP
PHỔ HIỆN ĐẠI
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60 44 01 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM THẾ CHÍNH

THÁI NGUYÊN - 2017


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 đinh
̣ cấ u 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

PHỤ LỤC

c


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

GC

Phương pháp sắc ký khí

HPLC

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao


Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân

d


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

e


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 (R)-1-phenylbutan-1-ol và (R)-1-phenylbutan-1ol .............................................................................................. 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

Phụ lục 15: Phổ MS của hợp chất 7a. ........................................................ 8- PL

g


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 của các hơ ̣p chấ t hữu cơ có thể sử du ̣ng các phương pháp phổ
như phổ hồ ng ngoại, phổ tử ngoa ̣i khả kiến, phổ cô ̣ng hưởng từ ha ̣t nhân, phổ
khố i lươ ̣ng. Mỗi phương pháp cho phép xác định mô ̣t số thông tin khác nhau
của cấ u 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.



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)

3


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.

ABC

AB

AB

A

BC
B
B

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

4


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

o

Trong đó: νTMS, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn TMS và của
hạt nhân mẫu đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ.
Đối với các hạt nhân khác thì độ chuyển dịch hóa học được định nghĩa
một các tổng quát như sau:


 chuan  x 6
.10 ( ppm)
o

Trong đó: νchuan, νx là tần số cộng hưởng của chất chuẩn và của hạt
nhân mẫu đo, νo là tần số cộng hưởng của máy phổ.

6


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

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.

8


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:
ee 
de 

%enantiomerA  %enantiomerB
%enantiomerA  %enantiomerB

%diasteroisomerA  %diasteroisomerB
%diasteroisomerA  %diasteroisomerB

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,

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 1phenylbutan-1-ol ban đầu.

10


Hình 1.7. Phổ 1H-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].

11


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

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].

13


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


15


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.

16