The novel and green synthesis of 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile via the solvent-free biginelli multi-component reaction catalysed by Choline chloride/2ZnCl2
- Faculty of Chemistry, University of Science, Ho Chi Minh City, Vietnam
- Vietnam National University Ho Chi Minh City, Vietnam
Abstract
The pyrimidine scaffold is one of the common frameworks presenting in many biologically active compounds, especially in commercial drugs such as anti-cancer (5-fluorouracil, gemcitabine, ...), antibiotics (iclaprim, ...), anti-HIV (stavudine, ...), etc. Therefore, pyrimidines have been studied with several synthetic pathways, however, the well-known route via the multi-component Bignelli reaction has been paid more attention. The Biginelli reaction has been recognized for over 100 years and has been developed using a variety of substrates and catalysts to improve the efficiency, selectivity, and diversity of pyrimidines produced. With the trend towards green chemistry in organic synthesis, catalysts with high recovery and reusability have been explored and developed. For these above reasons, a solvent−free multicomponent reaction between benzaldehyde, malononitrile, and thiourea was investigated with several traditional and green catalysts to afford the main product, 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile. Among the wide range of catalysts studied, the deep eutectic solvent ChCl:2ZnCl2 showed the best efficiency, with a reaction yield of 62%. Some factors of the reaction such as molar ratio, amount of catalyst, the temperature and reaction time were all investigated. The best conditions including the molar ratio of benzaldehyde (2 mmol): malononitrile (2 mmol): thiourea (2 mmol) and the amount of catalyst 0.3 mmol were chosen and performed at 80oC for 2 hours to afford the highest yield of 62%. Furthermore, DES ChCl:2ZnCl2 was able to be recovered and reused two times.
MỞ ĐẦU
Các hợp chất dị vòng luôn được xem là một trong những đối tượng nghiên cứu đầy thú vị bởi những đặc tính liên quan đến cấu trúc hóa học cũng như các hoạt tính sinh học liên quan; có thể đặc biệt kể đến là dị vòng pyrimidine. Chính dị vòng này một trong những khung chất khá quan trọng bởi sự cấu tạo nên DNA và RNA đều có mặt của pyrimidine, bên cạnh đó còn có những hoạt tính liên quan đến kháng ung thư, kháng khuẩn, kháng oxy hóa, …1, 2, 3 (Figure 1). Chính với sự đa dạng trong các phân tử có hoạt tính sinh học này, khung pyrimidine được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu để điều chế ra các dẫn xuất khác nhau.
Khung pyrimidine và một số dẫn xuất có hoạt tính sinh học
Con đường phổ biến để điều chế khung pyrimidine có thể kể đến phản ứng đa thành phần Biginelli. Năm 1983, nhà khoa học người Ý Pietro Biginelli đã khám phá ra với ba thành phần gồm: thiourea, aryl aldehyde và ethyl acetoacetate với xúc tác Brønsted acid trong dung môi ethanol đã thành công tạo ra sản phẩm có khung pyrimidine4. Hơn 100 năm từ khi phản ứng đa thành phần Biginelli được tìm ra, phản ứng này đã được phát triển theo nhiều hướng khác nhau, như chất nền mới, và xúc tác mới5, 6. Việc thay đổi ethyl acetoacetate (hợp chất 1,3-dicarbonyl) thành malononitrile, đều là những hợp chất có chứa vị trí methylene hoạt động, đã được thực hiện thành công với các xúc tác như NaOEt7, 8, PO9, NHCl10, và phương pháp nghiền bi (ball-mill)11. Tuy nhiên, các phương pháp trên vẫn còn sử dụng dung môi hữu cơ dễ bay hơi, hay các xúc tác không có khả năng thu hồi và tái sử dụng.
Trong những thập kỷ qua, các nguyên tắc của hóa học xanh đã trở nên phổ biến và đang được thực hiện để cải thiện về vấn đề ô nhiễm môi trường. Hạn chế dung môi hữu cơ dễ bay hơi đã được thực hiện bằng cách sử dụng dung môi eutectic sâu (DES) trong tổng hợp hữu cơ. Các DES này có hai vai trò làm dung môi và xúc tác cho phản ứng12, 13. Chính vì thế, một số loại DES được sử dụng trong phản ứng giữa benzaldehyde, malononitrile và thiourea tạo ra 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile. Bên cạnh đó, việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác cũng được quan tâm (Figure 2).
Phản ứng ba thành phần giữa benzaldehyde, malononitrile và thiourea để tổng hợp 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Thiết bị và hóa chất
Các hóa chất được mua từ hãng Aldrich Sigma bao gồm zinc chloride (độ tinh sạch ≥ 98%), choline chloride (độ tinh sạch ≥ 98%), thiourea (độ tinh sạch ≥ 99%), benzaldehyde (độ tinh sạch ≥ 99%) và malononitrile (độ tinh sạch ≥ 99%). Silica gel pha thường cho sắc ký cột của hãng Himedia.
Phản ứng được thực hiện trên bếp khuấy từ Ikaret. Hỗn hợp sản phẩm được phân tích bằng máy LC/ELSD, cột Phenomenex Ultracarb ODS (30) 150 x 4,6 mm x 5 μm và máy LC/UV-Vis, cột Agilent Zorbax ODS SB-C18 150 x 4,6 mm x 5 μm. Khối phổ phân giải cao được đo bằng máy LC/MS microTOF-QII (Brüker) với đầu dò UV/Vis và ESI (electrospray ionization), nhiệt độ mao quản để bắt ion là 300C, cột pha đảo Ace 3C18 ( 4,6 x 150,0 mm x 5,0 μm). Phổ cộng hưởng từ hạt nhân được ghi trên máy Brüker 500 NMR với tần số cộng hưởng là 500 MHz cho H và 125 MHz cho C. Phổ hồng ngoại được đo bằng máy FT-IR của hãng Perkin Elmer.
Phản ứng giữa benzaldehyde, malononitrile và thiourea tạo ra 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile (Figure 2) được khảo sát các yếu tố bao gồm ảnh hưởng của các loại xúc tác khác nhau, của lượng xúc tác sử dụng, của tỷ lệ mol các chất nền, của nhiệt độ và của thời gian phản ứng. Sau khi các yếu tố trên được khảo sát, điều kiện tối ưu được áp dụng tiếp tục cho việc đánh giá khả năng thu hồi và tái sử dụng của xúc tác.
Cách tính hiệu suất: H (%) = (%LC-ELSD (4) x m hỗn hợp)/(m lý thuyết) x 100%
Trong đó, %LC-ELSD (4) là phần trăm diện tích peak của sản phẩm (%), m hỗn hợp là khối lượng hỗn hợp sản phẩm (g), m lý thuyết là khối lượng sản phẩm theo lý thuyết (g).
Quy trình thực hiện
Điều chế DES Choline chloride và ZnCl
DES Choline chloride và ZnCl2
Một hỗn hợp gồm choline chloride (0,3 mmol; 0,0419 g) và zinc chloride (0,6 mmol; 0,0818 g) được cho vào bình cầu 5 mL, và được khuấy ở 90−100C với vận tốc khuấy 250 vòng/phút cho đến khi hai hợp chất rắn tan vào nhau tạo nên dạng sệt và trong suốt. DES của ChCl và ZnCl được hình thành (Figure 3) và có thể sử dụng ngay cho phản ứng hoặc có thể lưu trữ bằng cách đậy kín và đặt vào bình hút ẩm. Sản phẩm phản ứng được nhận danh bằng phổ H-NMR và FT-IR và tương ứng với công trình đã được công bố trước đây14.
H-NMR (500 MHz, DMSO-d): d (ppm) = 5,24 (s, 1H); 3,82 (t, J = 5,0 Hz, 2H); 3,38 (t, J = 5,0 Hz, 2H); 3,10 (s, 9H).
FT-IR: (cm) = 3584 (br, O-H co giãn), 3033 (C-H của CH co giãn), 2966 (C-H của CH co giãn), 1940 (C-H của CH uốn cong), 1612 (C-H của CH uốn cong), 1475 (O-H uốn cong), 1080 (C-O co giãn), 1044 (N-C co giãn).
Quy trình phản ứng đa thành phần giữa thiourea, benzaldehyde và malononitrile
Các hợp chất phản ứng gồm benzaldehyde (2,0 mmol; 0,2122 g), malononitrile (2,0 mmol; 0,1321 g), thiourea (2,0 mmol; 0,1522 g) lần lượt được cho vào bình cầu 5 mL đã có sẵn xúc tác DES ChCl:2 ZnCl, sau đó lắp vào hệ thống hoàn lưu có lắp ống làm khan. Hỗn hợp phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ 80C trong 2 giờ với vận tốc khuấy 250 vòng/phút. Hỗn hợp sau phản ứng được ly trích bằng dung môi ethyl acetate (10 x 5,0 mL). Phần dịch trích ethyl acetate được rửa với nước muối bão hòa (2 x 15,0 mL) và tách lấy lớp hữu cơ, làm khan với NaSO. Cuối cùng, dung môi được thu hồi dưới áp suất thấp. Hỗn hợp sản phẩm rắn được cô lập có màu cam vàng và được xác định thành phần phần trăm bằng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao đầu dò tán xạ bay hơi (HPLC-ELSD). Sản phẩm được tinh chế bằng sắc ký cột với hệ dung môi giải ly là n-hexane:ethyl acetate (8:2, v:v) và cấu trúc hóa học được xác định bằng phổ H-NMR và HRMS.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Khảo sát phản ứng giữa thiourea, benzaldehyde và malononitrile
Ảnh hưởng của xúc tác
Theo các nghiên cứu trước đây, phản ứng giữa thiourea, aldehyde và malononitrile thường sử dụng các xúc tác base như NaOEt trong dung môi EtOH. Chính vì thế, hàng loạt các xúc tác base vô cơ như KCO, KOH, NaCO, base hữu cơ DMAP và xúc tác base “xanh” như [Bmim]OH, DES ChCl:2Urea đã được sử dụng. Tuy nhiên, các base này đều không cho hiệu quả tốt trong việc xúc tiến phản ứng đa thành phần tạo 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile. Để cải thiện hiệu suất, một số các xúc tác acid “xanh” như DES ChCl:ZnCl với 2 tỷ lệ mol 1:2 và 1:3, Amberlyst 15 và FeO@OSiPrMIM-AlCl đã được khảo sát (Table 1). Trong số này, kết quả phân tích HPLC-ELSD cho phần trăm và hiệu suất của 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile (4) lần lượt đạt 66% và 62% khi sử dụng xúc tác ChCl:2ZnCl để xúc tiến cho phản ứng. Chính vì vậy, xúc tác DES của choline chloride và zinc chloride (tỷ lệ 1:2) được chọn làm xúc tác để khảo sát các yếu tố khác vì hiệu suất phản ứng tăng đáng kể.
Hiệu quả của xúc tác lên phản ứng giữa thiourea, benzaldehyde và malononitrilea
|
Số thứ tự |
Xúc tác |
Nhiệt độ (oC) |
%LC-ELSD (4) |
Hiệu suấtb (%) |
|
1 |
K2CO3/EtOH (5,0 mL) |
Hoàn lưu |
13,75 |
10 |
|
2 |
KOH |
80 |
16,44 |
5 |
|
3 |
Na2CO3 |
80 |
0,48 |
1 |
|
4 |
DMAP |
80 |
22,08 |
10 |
|
5 |
[Bmim]OH |
80 |
2,10 |
2 |
|
6 |
ChCl:2Urea |
80 |
5,55 |
4 |
|
7 |
Fe3O4@O2SiPrMIM-AlxCly (0,2 g) |
100 |
4,33 |
2 |
|
8 |
Amberlyst 15 (0,2 g) |
100 |
9,95 |
7 |
|
9 |
130 |
5,74 |
6 | |
|
10 |
ChCl:3ZnCl2 |
80 |
33,01 |
28 |
|
11 |
ChCl:2ZnCl2 |
80 |
66,24 |
62 |
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên phản ứng đa thành phần Biginelli
Lượng xúc tác được khảo sát nhằm tìm hiểu sự ảnh hưởng của nó lên hiệu suất phản ứng ba thành phần vì khi thay đổi tỷ lệ zinc chloride trong thành phần DES choline chloride và zinc chloride (STT 10 và 11, Table 1), hiệu suất phản ứng thay đổi từ 62% đến 28%. Lượng xúc tác DES choline:2ZnCl được khảo sát từ 0,2 mmol đến 0,4 mmol trong khi tỷ lệ mol của benzaldehyde (2 mmol):malononitrile (2 mmol):thiourea (2 mmol) được giữ cố định và phản ứng được tiến hành ở 80C trong 2 giờ. Kết quả cho thấy hiệu suất phản ứng đạt cao nhất là 62% tương ứng với lượng xúc tác 0,3 mmol (Figure 4).
Ảnh hưởng của lượng xúc tác ChCl:2ZnCl2 lên phản ứng ba thành phần
Kế tiếp, sự ảnh hưởng của tỷ lệ mol giữa benzaldehyde, malononitrile và thiourea cũng được khảo sát bằng cách cố định lượng xúc tác 0,3 mmol và nhiệt độ phản ứng 80C trong 2 giờ. Kết quả cho thấy, khi tăng lượng thiourea, benzaldehyde và malononitrile vượt quá tỷ lệ mol 1:1:1 thì hiệu suất của sản phẩm giảm do lượng chất phản ứng dư làm giảm khả năng tương tác tạo sản phẩm. Vì vậy, tỷ lệ mol 1:1:1 được chọn làm tỷ lệ thích hợp vì nó có hiệu quả cao nhất với hiệu suất 62% (Table 2).
Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ mol lên hiệu suất phản ứng
|
Số thứ tự |
Thiourea (mmol) |
Benzaldehyde (mmol) |
Malononitrile (mmol) |
Hiệu suất a (%) |
|
1 |
2,0 |
2,0 |
2,0 |
62 |
|
2 |
3,0 |
2,0 |
2,0 |
45 |
|
3 |
2,0 |
2,4 |
2,0 |
34 |
|
4 |
2,0 |
2,4 |
2,4 |
42 |
Bước tiếp theo, yếu tố nhiệt độ được khảo sát từ 70 đến 100C trong điều kiện phản ứng bao gồm tỷ lệ mol 1:1:1; lượng xúc tác 0,3 mmol trong 2 giờ gia nhiệt. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng nhiệt độ từ 70 lên 80C, hiệu suất tăng đáng kể từ 42% lên 62%; tuy nhiên, khi tiếp tục tăng nhiệt độ vượt qua 80C thì hiệu suất giảm đáng kể do có sự hình thành của nhiều sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian. Vì vậy, nhiệt độ thích hợp cho phản ứng này là 80C (Figure 5).
Ảnh hưởng của nhiệt độ lên phản ứng ba thành phần
Cuối cùng, yếu tố thời gian được khảo sát từ 1,5 đến 4,0 giờ tại điều kiện tối ưu đã tìm được gồm tỷ lệ mol 1:1:1; lượng xúc tác 0,3 mmol và nhiệt độ phản ứng 80C. Kết quả được minh họa ở Figure 6 cho thấy được hiệu suất phản ứng tăng dần khi tăng thời gian phản ứng lên 2 giờ và sau đó giảm dần vì xuất hiện nhiều loại sản phẩm khác. Hiệu suất đạt cực đại 62% sau 2 giờ phản ứng ở 80C.
Ảnh hưởng của thời gian lên phản ứng ba thành phần.
Theo nguyên tắc của Hóa học xanh, DES được xem là một dung môi−xúc tác “xanh bởi tính chất thu hồi và tái sử dụng dễ dàng. Chính vì thế, đối với xúc tác ChCl:2ZnCl này cũng được đánh giá khả năng tái sử dụng và thu hồi trên phản ứng đa thành phần giữa benzaldehyde, malononitrile và thiourea với điều kiện tìm được ở trên: tỷ lệ mol benzaldehyde (2 mmol):malononitrile (2 mmol):thiourea (2 mmol), lượng xúc tác 0,3 mmol, phản ứng được đun ở 80C trong 2 giờ. Quy trình tái sử dụng ChCl:2ZnCl được dựa trên các công bố đi trước15, 16, sau khi trích sản phẩm với ethyl acetate, lớp xúc tác ChCl:2ZnCl được hòa tan với 3 mL nước cất và sau đó, rửa với ethyl acetate (3 x 10,0 mL). Lớp nước chứa xúc tác được tách ra và thu hồi dung môi dưới áp suất thấp để thu được xúc tác thu hồi.
Hiệu quả của số lần sử dụng xúc tác
Figure 7 cho thấy, ChCl:2ZnCl có thể thu hồi và sử dụng được 2 lần với hiệu suất thay đổi nhẹ từ 62 xuống 49%. Bên cạnh đó, hiệu suất thu hồi của ChCl:2ZnCl sau mỗi lần tái sử dụng trong khoảng từ 50 đến 65%.
Biện luận cấu trúc hóa học của sản phẩm
Sản phẩm chính 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile có công thức phân tử là CHNS; hợp chất rắn màu vàng óng, nhiệt độ nóng chảy 215C. Sản phẩm tan được trong DMSO và cấu trúc hóa học được xác định nhờ phổ H-NMR và phổ HRMS (Figure 8).
Công thức cấu tạo của sản phẩm (4)
HR-ESI-MS: m/z [M-H] tính toán lý thuyết cho CHNS là 229,0553, giá trị thực nghiệm là 229,0548.
Phổ H-NMR của (4) cho thấy có tín hiệu cộng hưởng của proton -NH ở vùng từ trường thấp, 9,99 ppm, dạng bầu rộng, 1 proton, là -NH ở vị trí số 1 trong công thức cấu tạo. Bên cạnh đó, có thêm 1 proton linh động -NH khác, ở 9,74 ppm, mũi đôi và hằng số ghép J = 3,5 Hz, cho thấy proton này ghép cặp với -CH- (H-4). Thêm vào đó, có một mũi đơn ở 6,14 ppm, tích phân 2 proton, tương ứng với nhóm -NH có trong công thức cấu tạo. Ở vùng từ trường của vùng thơm, có tổng cộng 3 tín hiệu, tương ứng với 5 proton của nhóm phenyl: 7,40 ppm (t, 2H, J = 7,0 Hz); 7,32 (tt, 1H, J = 7,5 Hz, J = 3,0 Hz); 7,23 ppm (dd, 2H, J = 7,0 Hz, J = 2,5 Hz) (Table 3).
Dữ liệu phổ 1H-NMR của sản phẩm (4) trong dung môi DMSO-d6.
|
Vị trí |
1H-NMR (500 MHz, DMSO-d6) |
|
1 |
9,99 (br, 1H) |
|
3 |
9,74 (d, 1H, J = 3,5 Hz) |
|
4 |
4,98 (d, 1H, J = 3,0 Hz) |
|
9, 11 |
7,40 (t, 2H, J = 7,0 Hz) |
|
8, 12 |
7,23 (dd, 2H, J = 7,0 Hz, J = 2,5 Hz) |
|
10 |
7,32 (tt, 1H, J = 7,5 Hz, J = 3,0 Hz) |
|
14 |
6,14 (s, 2H) |
Dữ liệu H-NMR của hợp chất (4) và khối phổ phân giải cao cho thấy sản phẩm của phản ứng là 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile.
KẾT LUẬN
Kết quả thực nghiệm cho thấy xúc tác DES ChCl:2ZnCl thành công bước đầu trong việc xúc tiến phản ứng đa thành phần giữa benzaldehyde, malononitrile và thiourea, tạo nên sản phẩm 6-amino-4-phenyl-2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidine-5-carbonitrile, với hiệu suất cao nhất 62% khi phản ứng được thực hiện với tỷ lệ mol benzaldehyde (2 mmol): malononitrile (2 mmol): thiourea (2 mmol), lượng xúc tác 0,3 mmol tại 80 C trong 2 giờ. DES ChCl:2ZnCl là loại xúc tác acid, lần đầu được sử dụng cho phản ứng ba thành phần này và cũng có thể được thu hồi và sử dụng khoảng 2 lần.
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADN: deoxyribonucleic acid
ARN: ribonucleic acid
[Bmim]OH: 1-Butyl-3-methylimidazolium hydroxide
ChCl:2ZnCl: hỗn hợp dung môi eutectic sâu của choline chloride và ZnCl (tỷ lệ 1:2)
ChCl:3ZnCl: hỗn hợp dung môi eutectic sâu của choline chloride và ZnCl (tỷ lệ 1:3)
ChCl:2Urea: hỗn hợp dung môi eutectic sâu của choline chloride và urea (tỷ lệ 1:2)
C-NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân đồng vị carbon 13 (Carbon 13 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)
DES: dung môi dung môi eutectic sâu (deep eutectic solvent)
DMSO-d: Hexadeuterodimethyl sulfoxide
DMAP: 4-(Dimethylamino)pyridine
ESI: Ion hóa bằng cách phun ion (Electrospray Ionization)
FT-IR: Quang phổ hồng ngoại-biến đổi Fourier (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy)
FeO@OSiPrMIM-AlCl: xúc tác nano magnetite gắn chất lỏng ion có tâm AlCl
H-NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của proton (Proton Nuclear Magnetic Resonance Specreoscopy)
HRMS: Khối phổ phân giải cao (High Resolution Mass Spectrometry)
LC-UV/Vis: Sắc ký lỏng đầu dò tia tử ngoại/khả kiến (Liquid Chromatography- Ultraviolet/Visible)
LC-ELSD: Sắc ký lỏng đầu dò đầu dò tán xạ ánh sáng bay hơi (Liquid Chromatography- Evaporative Light Scattering Detector)
LC/MS: Sắc ký lỏng đầu dò khối phổ (Liquid Chromatography/Mass Spectrometry)
NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)
UV/Vis: Tia tử ngoại/Khả kiến (Ultraviolet/Visible)
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Sự xung đột lợi ích không xảy ra giữa các tác giả.
ĐÓNG GÓP CỦA CÁC TÁC GIẢ
Trần Minh Trang và Dương Công Thắng thực hiện các thí nghiệm và phân tích các số liệu dưới sự giám sát và hỗ trợ hóa chất từ Lưu Thị Xuân Thi. Dương Công Thắng và Lưu Thị Xuân Thi cùng nhau xây dựng bản thảo cho bài báo.