ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
–––––––––––––––––––––––

NGUYỄN THỊ HƢỜNG

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC
CỦA MỘT SỐ DẪN XUẤT TRIFLOROMETYL
PYRANONAPTHOQUINON BẰNG
CÁC PHƢƠNG PHÁP HÓA LÝ HIỆN ĐẠI

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2016


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
–––––––––––––––––––––––

NGUYỄN THỊ HƢỜNG

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC
CỦA MỘT SỐ DẪN XUẤT TRIFLOROMETYL
PYRANONAPTHOQUINON BẰNG
CÁC PHƢƠNG PHÁP HÓA LÝ HIỆN ĐẠI
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... d
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ ............................................................................... e
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................. f
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 3
1.1. Tổng quan về các phƣơng pháp xác định cấu trúc ..................................... 3
1.1.1. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR). ......................................................... 3
1.1.2. Phƣơng pháp phổ cộng hƣởng từ hạt nhân (NMR) ................................ 4
1.1.3. Phƣơng pháp phổ khối lƣợng (MS) ........................................................ 6
1.2. Phân tích các đồng phân đối quang ............................................................ 7
1.2.1. Phƣơng pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym ...................... 8
1.2.2. Tách các đồng phân đối quang nhờ tác nhân bất đối bổ trợ ................... 8
1.2.3. Tách đồng phân đối quang bằng các phƣơng pháp hóa lý hiện đại ........ 9
1.2.4. Phân tích các đối quang nhờ phƣơng pháp NMR ................................. 10
1.2.5. X-ray tinh thể ........................................................................................ 15
1.2.6. Phổ CD .................................................................................................. 18
Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................ 20
2.1. Hóa chất và thiết bị .................................................................................. 20
2.1.1. Hóa chất và dung môi ........................................................................... 20
2.1.2. Thiết bị xác định và phân tích cấu trúc ................................................. 20
2.1.3. Phân tích xác định cấu trúc, định tính phản ứng và kiểm tra độ tinh
khiết của các sản phẩm tổng hợp đƣợc ........................................................... 20
2.2. Tổng hợp và phân tích cấu trúc các hợp chất 2,3-dihydro-naptho[2,3b] furan-4,9-dion ............................................................................................. 21

b


2.2.1 Tổng hợp và phân tích cấu trúc 2,3-dihydro-naptho[2,3-b]furan-4,9dion (43a) ........................................................................................................ 21
2.2.2. Tổng hợp và phân tích cấu trúc 2,3-dihydro-naptho[2,3-b]furan-4,9dion (43b) ........................................................................................................ 26
2.2.3 Quy trình tổng hợp 2,3-dihydro-naptho[2,3-b]furan-4,9-dion (4c) ....... 27


DMF

Đimetyl formamit

ESI-MS

Electrospray ionization – mas spectrometry

EtOH

Etanol

LC-MS

Liquid chromatography – mass spectrometry

LDA

Liti ddiissopropyl amin

LiHMDS

Liti bis(trimetylsily)amit

MCPBA

Axit m-clopeoxitbenzoic

MeOH


THF

Tetrahidrofuran

TMEDA

N,N,N’,N’-Tetrametyletylenđiamin

TMSCl

Trimetyl silyl clorua

d


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1............................................................................................................ 8
Sơ đồ 1.2............................................................................................................ 9
Sơ đồ 1.3............................................................................................................ 9
Sơ đồ 1.4.......................................................................................................... 11
Sơ đồ 1.5.......................................................................................................... 17
Sơ đồ: 2.1 ........................................................................................................ 21
Sơ đồ 3.1: ....................................................................................................... 32
Sơ đồ 3.2.......................................................................................................... 33

e


DANH MỤC CÁC HÌNH

nghiên cứu, ngày càng có nhiều pyranonaphthoquinon có cấu trúc mới và
phức tạp đã đƣợc phát hiện từ thiên nhiên.

Các pyranonapthoquinon có gắn nhóm CF3 không có mặt trong thiên
nhiên nhiên, hơn nữa việc gắn thêm nhóm CF3 vào pyranonapthoquinon sẽ
tạo thành những hợp chất mới có cấu trúc độc đáo chờ đợi những hoạt tính
sinh học lý thú. Mặt khác do flo có độ âm điện cao và bán kính Van der
Waals nhỏ, nên việc gắn flo hoặc nhóm thế CF3 vào cấu trúc các hợp chất
hữu cơ sẽ tạo ra những thay đổi (làm gia tăng) hoạt tính sinh học của hợp chất
hữu cơ do thay đổi tính kiềm, tính ƣa mỡ, độ ổn định trong các chuyển hóa
sinh học trong cơ thể. Với đặc tính này, các dị vòng thế CF3 đang là đối tƣợng
cuốn hút các nhà khoa học nghiên cứu. Những hợp chất triflometyl
pyranonapthoquinon là những hợp chất có cấu trúc rất lý thú và phức tạp. Vì
vậy việc phân tích cấu trúc lớp chất này rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Đây là một trong những công việc cần thiết và vô cùng quan trọng đối với
nghiên cứu về lớp chất pyranonapthoquinon.

1


Đề tài này tập trung phân tích cấu trúc của một số hợp chất triflometyl
pyranonapthoquinon bằng các phƣơng pháp hóa lý hiện đại nhƣ phổ hồng
ngoại (IR), cộng hƣởng từ hạt nhân (NMR), phổ khối lƣợng (MS) và phổ Xray phân tử.

2


Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về c c phƣơng ph p

ngón tay. Sự chồng khít lên nhau của phổ hồng ngoại thƣờng đƣợc làm dẫn
chứng cho hai hợp chất giống nhau[3].
Khi sử dụng phổ hồng ngoại để xác định cấu trúc, thông tin thu đƣợc
chủ yếu là xác định các nhóm chức hữu cơ và những liên kết đặc trƣng. Các
pic nằm trong vùng từ 4000 – 1600 cm-1 thƣờng đƣợc quan tâm đặc biệt, vì
vùng này chứa các dải hấp thụ của các nhóm chức, nhƣ OH, NH, C=O,
C≡N… nên đƣợc gọi là vùng nhóm chức. Vùng phổ từ 1300 – 626 cm-1 phức
tạp hơn và thƣờng đƣợc 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 đƣợc gọi là vùng vân ngón tay [3].
1.1.2. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Phổ cộng hƣởng từ hạt nhân (CHTHN) là phƣơng pháp vật lý hiện đại
nghiên cứu cấu trúc của các hợp chất hữu cơ. Phƣơng pháp phổ biến đƣợc sử
dụng là phổ 1H-NMR và

13

C-NMR. Hạt nhân của nguyên tử 1H và

13

C có

momen từ. Nếu đặt proton trong từ trƣờng không đổi thì moment từ của nó có
thể định hƣớng cùng chiều hay ngƣợc chiều với từ trƣờng. Đó là spin hạt
nhân có tính chất lƣợng tử với các số lƣợng tử +1/2 và -1/2 [2].
Độ chuyển dịch hóa học : Do hiệu ứng chắn từ khác nhau nên các hạt
nhân 1H và 13C trong phân tử có tần số cộng hƣởng khác nhau. Đặc trƣng cho
các hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có độ chuyển dịch hóa học δ; đối với hạt
nhân 1H thì:

ppm, đối với 13C-NMR thì δ có giá trị từ 0-230 ppm.

(5)

Hình 1.2. Phổ cộng hƣởng từ hạt nhân của benzyl axetat
Hằng số tương tác spin-spin J: Trên phổ NMR, mỗi nhóm hạt nhân
không tƣơng đƣơng 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
5


tín hiệu cộng hƣởng thành nhiều hợp phần là do tƣơng tác của các hạt nhân có
từ tính ở cạnh nhau. Tƣơng tác đó thể hiện qua các electron liên kết. Giá trị J
phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân tƣơng tác, số liên kết và bản chất các liên
kết ngăn giữa các tƣơng tác [1].
Hằng số tƣơng tác spin-spin J đƣợc xác định bằng khoảng cách giữa các
hợp phần của một vân phổ. Dựa vào hằng số tƣơng tác spin-spin J ta có thể rút ra
kết luận về vị trí trƣơng đối của các hạt nhân có tƣơng tác với nhau [2].
1.1.3. Phương pháp phổ khối lượng (MS)
Nguyên tắc chung của phƣơng pháp phổ khối lƣợng là phá vỡ phân tử
trung hòa thành ion phân tử và các mảnh ion dƣơng có số khối z=m/e. Sau đó
phân tách các ion này theo số khối và ghi nhận đƣợc phổ khối lƣợng. Dựa vào
phổ khối này có thể xác định phân tử khối và cấu tạo phân tử của chất nghiên
cứu [3,4].
Để phá vỡ phân tử ngƣời ta có nhiều phƣơng pháp: bắn phá bằng dòng
electron (EI), phƣơng pháp ion hóa hóa học (CI), phƣơng pháp bắn phá
nguyên tử nhanh (FAB)… Dùng dòng eclectron có năng lƣợng cao để bắn
phá phân tử là phƣơng pháp hay đƣợc 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 dƣơng
hoặc bị phá vỡ thành các ion và các gốc theo sơ đồ:

AB

AB

A

BC
B
B

Sự phá vỡ này phụ thuộc vào cấu tạo chất, phƣơng pháp bắn phá và
năng lƣợng bắn phá. Quá trình này gọi là quá trình ion hóa.
Các ion ion dƣơng hình thành đều có khối lƣợng m và mang điện tích e,
tỉ số m/e đƣợc gọi là số khối z. Bằng cách nào đó tách các ion có số khối khác
nhau ra khỏi nhau và xác định đƣợc xác suất có mặt của chúng, rồi vẽ đồ thị
biểu diễn mối liên quan giữa xác suất có mặt (hay cƣờng độ I) và số khối z thì
đồ thị này đƣợc gọi là phổ khối lƣợng (Hình 1.3).

Hình 1.3. Phổ khối lƣợng của benzamit (C6H5CONH2)
Nhƣ vậy, khi phân tích phổ khối lƣợng ngƣời ta thu đƣợc khối lƣợng
phân tử của chất nghiên cứu, từ các pic mảnh ion trên phổ đồ có thể xác định
đƣợc 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 phƣơng pháp phổ với nhau.
1.2. Phân tích c c ồng phân ối quang
Phân tích các đồng phân đối quang là tách một hỗn hợp raxemic bằng
các phƣơng pháp vật lý và hóa học. Thông thƣờng, sự tách đƣợc 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


nhau nên có thể tách ra khỏi nhau bằng phƣơng pháp kết tinh. Phƣơng pháp
này vẫn đƣợc sử dụng hiệu quả để tách hỗn hợp hai đồng phân đối quang ra
khỏi nhau.

8


(11)

(10)

(12)

(13)
(15)

(14)

(16)

(17)

Sơ đồ 1.2

Ngoài ra, có thể chuyển hóa các đối quang của các hợp chất có một tâm
bất đối thành các đồng phân “dia” nhờ phản ứng với tác nhân bất đối bổ trợ
khác. Các đồng phân “dia” nhận đƣợc có thể tách ra bằng các phƣơng pháp
hóa lý khác nhau. Cuối cùng các tác nhân bất đối bổ trợ đƣợc loại bỏ, thu
đƣợc các đồng phân đối quang tinh khiết.



%enantiomerA  %enantiomerB
%enantiomerA  %enantiomerB

%diasteroisomerA  %diasteroisomerB
%diasteroisomerA  %diasteroisomerB

1.2.4. Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR
Để xác định tỉ lệ các đồng phân lập thể có thể sử dụng nhiều phƣơng
pháp khác nhau, nhƣng phổ NMR là một phƣơng pháp hữu ích và phổ biến, vì
nó không làm thay đổi tỉ lệ của các đồng phân trong hỗn hợp và chỉ cần lƣợng
nhỏ hỗn hợp hai đồng phân đối quang. Các đồng phân khác nhau đƣợc xác
định nhờ độ dịch chuyển hóa học và hằng số tƣơng tác spin-spin của những
nguyên tử hydro trong từ trƣờng.
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 đƣợc 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.
a). Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch (Shift reagent) Mosher
Đối với các hợp chất có một tâm bất đối thì hai cấu hình của chúng sẽ
không phân biệt đƣợc bằng phƣơng pháp phổ cộng hƣởng từ hạt nhân, do tín
hiệu của chúng không đƣợc phân tách trong từ trƣờng. Để phân biệt đƣợc hai
cấu hình của các hợp chất có một tâm bất đối, ngƣời ta phải chuyển hợp chất
nghiên cứu thành đồng phân dia. Cơ sở của phƣơng pháp Mosher là chuyển
hợp chất có một tâm bất đối thành đồng phân dia bằng cách thực hiện phản

10


và (S)-1-phenylbutan-1-ol
Ngoài axit R-Mosher, hiện nay ngƣời 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 nhƣ các tác nhân bổ
trợ sau.

(28)

(30)

(29)

(31)

b) Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch Chiral Pirkle ancol (CSA)
Chiral aryltrifluorometyl carbinol (chiralPirkle ancol) là những tác
nhân hữu dụng nhất, cho ph p xác định nhanh tỷ lệ của các đồng phân lập thể.
Khi có mặt của chất này, các đối quang của lacton, amin và ancol trong từ
trƣờng tạo ra phổ không tƣơng đƣơng. Có thể là do cả hydroxyl và các hydro
cacbinyl của chất CSA tạo ra các tƣơng tác với các tâm bazơ. Ƣu điểm của

12


của phƣơng pháp này là không cần phải thực hiện các phản ứng chuyển hóa
thành các dẫn xuất với tác nhân bổ trợ nên hạn chế đƣợc quá trình raxemat
hóa, đặc biệt là có thể sử dụng để xác định cấu hình của các chất có hàm
lƣợng nhỏ.

(33)

đƣợc trong từ trƣờng. Tuy nhiên, khi đƣợc tạo phức với tác nhân chuyển dịch
Eu(hfc)3 thì có sự tách tín hiệu. Nhóm metyl (triplet) đƣợc tách thành hai
triplet có cƣờng độ tƣơng đƣơng nhau. Sự tách tín hiệu của proton trong từ
trƣờng phụ thuộc vào bản chất của chất nghiên cứu và nồng độ của tác nhân
chuyển dịch.
Qua ví dụ trên ta thấy, tín hiệu proton ở nhóm CH3 của hỗn hợp (R,S)1-axetyl-1-phenylbutan khi tạo phức với Eu(hfc)3 đều đƣợc tách ra và có độ
chuyển dịch hóa học chuyển về phía trƣờng thấp. Sự tách tín hiệu và độ
chuyển dịch hóa học proton ở nhóm CH3 của hai đối quang có sự khác biệt rõ
ràng. Đối với (R)-1-axetyl-1-phenylbutan, tín hiệu proton của nhóm CH3 đƣợc
chuyển dịch về phía trƣờng cao so với (S)-1-axetyl-1-phenylbutan. Nhƣ vậy,
có thể phân biệt và xác định đƣợc tỷ lệ hai đồng phân (R)-1-axetyl-1phenylbutan và (S)-1-axetyl-1-phenylbutan nhờ 1H-NMR của chúng khi tạo
phức với tác nhân chuyển dịch Eu(hfc)3 (xem hình 5).

14


Hình 1.7. Tín hiệu 1H-NMR của CH3 trong một số trƣờng hợp
1.2.5. X-ray tinh thể
a. Giới thiệu chung
Phƣơng pháp X-ray phân tử là phƣơng pháp hiện đại nhất để xác định
cấu trúc phân tử của một hợp chất hữu cơ. Từ phƣơng trình Bragg, ngƣời ta
tính toán độ dài của các cạnh tế bào cơ sở (a,b,c), chỉ số Miler (h,k,l), góc
giữa các trục tinh thể (α,β,γ), thể tích tế bào tinh thể cơ sở (V) và số lƣợng
phân tử (n) xây dựng nên tế bào cơ sở.
Phƣơng trình Bragg: 2d.sin(θ) = nλ
Thể tích tế bào cơ sở: V = abc(1-cos2α-cos2β-cos2γ+2cosαcosβcosγ)1/2
Số lƣợng phân tử trong một tế bào cơ sở n = V.d.6,023.1023 (d: tỷ trọng g/cm3)
Mặt khác, khi chiếu bức xạ tia X vào phân tử, ở mỗi trung tâm liên kết
sẽ phát ra một cặp tín hiệu Friedel phản xạ theo hai hƣớng (h,k,l) và hƣớng
ngƣợc lại (-h,-k,-l). Cƣờng độ của tín hiệu Friedel (Fhkl, F-h,-k-l) đƣợc tính toán

tia X sẽ phát ra một cặp tín hiệu bất thƣờng Friedel, lợi dụng nguyên tắc này
16


Bijvoet đã so sánh tín hiệu tán xạ của một nguyên tử đánh dấu với tín hiệu của
cặp bức xạ Friedel ở trung tâm bất đối phản xạ theo hƣớng (h,k,l) và hƣớng
ngƣợc lại (-h,-k,-l), để xác định cấu hình tuyệt đối.
Phƣơng pháp so sánh chỉ số R: Chỉ số R đƣợc xây dựng trên cơ sở hàm
thống kê Hamilton từ toàn bộ dữ liệu của các cặp đồng phân đối quang và
đƣợc so sánh với các tính toán Bijvoet để xác định kiểu đồng phân đối quang.
Nếu giá trị của chỉ số R có sự sai khác, dù rất nhỏ (±0,1%) thì phải đánh giá
lại các giá trị này bằng phƣơng pháp thống kê.
Nhƣ vậy, cả hai phƣơng pháp này chỉ dựa vào tia phản xạ đặc biệt có
cƣờng độ cao do ảnh hƣởng của cấu trúc ở những trung tâm bất đối của phân
tử mà chƣa so sánh đƣợc những tia tán xạ yếu. Những yếu tố tán xạ yếu chỉ
đƣợc sử dụng khi dữ liệu X-ray có số lƣợng lớn. Phƣơng pháp X-ray tinh có
thể sử dụng hữu hiệu nhất đối với các hợp chất không chứa nguyên tử nặng
hơn oxi.
Với những chất quang hoạt không tồn tại ở dạng đơn tinh thể, ngƣời ta
có thể xác định cấu hình tuyệt đối của chúng bằng cách cho chúng phản ứng
với một chất khác có chứa một hay nhiều trung tâm bất đối đã biết cấu hình
tuyệt đối. Các hợp chất có cấu hình tuyệt đối đã biết đƣợc chọn để nghiên cứu
trong phƣơng pháp này là những chất có khả năng dễ kết tinh để nhận đƣợc
dạng đơn tinh thể. Việc xác định cấu hình tuyệt đối của các hợp chất quang
hoạt bằng phân tích X-ray đƣợc thực hiện dựa vào phần cấu hình tuyệt đối
của chất gắn kết với chất nghiên cứu. Ngoài ra, việc đƣa nhóm nguyên tử
nặng nhƣ halogen (Cl, Br, I) vào phân tử hợp chất quang hoạt cũng cho ph p
xác định cấu hình tuyệt đối của chất đó nhờ phƣơng pháp Bijvoet ở trên.

(37)