NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG GẮN KẾT HỢP PHẦN NMETYLQUINOLINIUM VỚI AMIN, AMINO AXIT VÀ TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA SẢN PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

MỞ ĐẦU
Hóa học các hợp chất dị vòng có ý nghĩa lý thuyết cũng như ứng dụng thực
tiễn vô cùng to lớn. Đó cũng đang là một lĩnh vực được nghiên cứu mạnh mẽ ở nhiều
nước trên thế giới. Trong số lượng rất lớn các hợp chất dị vòng được biết đến, dị
vòng quinolin giữ một vai trò quan trọng. Nhiều hợp chất chứa khung quinolin được
ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như mỹ phẩm, thực phẩm,
chất xúc tác, thuốc nhuộm… và đặc biệt là trong ngành dược phẩm [12].
Mới đây, nhóm tổng hợp hữu cơ – trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã phát
hiện một phản ứng mới lạ tổng hợp vòng quinolin qua hợp chất axi - quinon điều chế
từ axit eugenoxiaxetic và phản ứng thế nucleophin bất thường ở hợp chất Nmetylquinolinium. Việc vận dụng 2 phản ứng nói trên và chuyển hoá sản phẩm thu
được thành các hợp chất mới không những có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn có
triển vọng tìm kiếm được những hợp chất có tính chất huỳnh quang đáng chú ý có thể
ứng dụng trong lĩnh vực hóa sinh.
Hiện nay các chất phát huỳnh quang được dùng nhiều để thăm dò, đánh dấu
và cảm biến trong nghiên cứu hóa sinh và công nghệ sinh học. Yêu cầu cơ bản đối
với chúng là: cường độ huỳnh quang cao, bền vững và có những nhóm chức dễ tạo
liên kết hóa học với các đối tượng cần phân tích. Thí dụ người ta sử dụng rộng rãi
các chất màu loại xianin (cyanine) như Cy3, Cy5 có các nhóm chức tạo được liên
kết với ADN hoặc protein trong các nghiên cứu về gen và protein (như lai tạo gen
so sánh, chip gen hay xác định vị trí ARN) [13, 22]. Các muối N-metylquinolinium
hiện đang được chú ý nghiên cứu chuyển hóa thành những hợp chất có cấu trúc
tương tự với chất màu loại hemixianin để tạo nhóm phát huỳnh quang gắn được vào
các phân tử ADN hoặc protein [32, 33].
Tác giả công trình [2, 3] đã chỉ ra rằng nhóm -OCH 2COOH của một số muối
N-metylquinolinium dễ dàng bị thế bởi các hợp chất amino như các ankylamin hoặc
hiđrazin. Phản ứng đó có thể làm cơ sở để gắn kết chúng với các nhóm amino của
các gốc amino axit trong phân tử peptit, protein và ADN. Đồng thời, công trình [1]
đã cho thấy các chất sản phẩm thu được trong phản ứng thế vị trí số 7 của muối N-

1

metylquinolinium bằng các ankylamin, đều phát huỳnh quang ở λmax trong khoảng
505-674 nm với cường độ mạnh khi bị kích thích bởi bước sóng thích hợp. Như đã
biết các phép thử hóa sinh và sinh hóa sử dụng sensor cảm biến huỳnh quang
thường tiến hành trong dung dịch. Vì vậy chúng tôi nghiên cứu sự phát huỳnh
quang của một số hợp chất tổng hợp được trong dung dịch nước. Để mở rộng
nghiên cứu về phản ứng này và tính chất của sản phẩm, chúng tôi chọn đề tài
“Nghiên cứu phản ứng gắn kết hợp phần N-metylquinolinium với amin, amino
axit và tính chất huỳnh quang của sản phẩm” với mục đích là:

- Góp phần chứng tỏ rằng phản ứng thế nucleophin ở vị trí số 7 của muối
N-metylquinolinium có tính chất hệ thống.

- Nghiên cứu phản ứng gắn kết hợp phần N-metylquinolinium với một số
amin và amino axit

- Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các sản phẩm thu được.

2


3


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

SƠ LƯỢC VỀ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP VÀ CHUYỂN HÓA MUỐI N-

METYLQUINOLINIUM

1.1.1. Một số phản ứng tổng hợp muối N-metylquinolinium
a. Một số phương pháp truyền thống tổng hợp muối dị vòng N-ankyl bậc bốn
Phương pháp truyền thống để tổng hợp muối dị vòng N-ankyl bậc bốn
thường dựa trên phản ứng lực nucleophin của dị tử nitơ với cacbon dương điện
trong dẫn xuất halogen, điankyl sunfat hoặc ankyl tosylat… Ví dụ như các phản
ứng tổng hợp ankylpiriđinium [8] (hình 1.1):

Hình 1.1. Tổng hợp muối N-ankylpiriđinium
Các muối dị vòng N-ankyl bậc bốn thường được tổng hợp bằng cách đun hồi
lưu dị vòng chứa nitơtương ứng với tác nhân ankyl hóa trong dung môi như
axetonitrin, clorofom, o-điclobenzen, DMF hoặc etanol. Phản ứng được thực hiện
trong thời gian từ 6 - 48 giờ, sau đó xử lý tiếp với đietyl ete trước khi lọc lấy sản
phẩm. Tuy nhiên vì hiệu suất tương đối thấp nên quá trình trên được lặp lại nhiều
lần để đạt được hiệu suất tối ưu (25-78%) [16].
Đối với các ankyl halogen, khả năng phản ứng giảm theo trình tự RI > RBr >
RCl, nên thường ưu tiên sử dụng các dẫn xuất iođua trong các phản ứng tổng hợp
muối dị vòng N-ankyl bậc bốn. Ví dụ như nhóm nghiên cứu của A.C.Pardal khi
tổng hợp các muối N-ankyl-2-metylbenzothiazolium, -benzoselenazonium,
-benzoxazolium, -inđolium và -quinolinium… đã sử dụng phương pháp đun hồi lưu
hỗn hợp gồm dị vòng chứa N tương ứng với lượng dư các dẫn xuất ankyl iođua

4


trong dung môi axetonitrin. Sau đó đietyl ete được thêm vào hỗn hợp phản ứng để
thu được sản phẩm muối tách ra [11]:

a: R = CH2CH3; b: R = (CH2)4CH3; c: R = (CH2)5CH3; d: R = (CH2)9CH3
Hình 1.2. Tổng hợp một số muối dị vòng N-ankyl bậc bốn.
Một phương pháp khác có thể dùng để tổng hợp muối dị vòng N-alkyl bậc

bốn là đun nóng dị vòng cùng tác nhân ở nhiệt độ 80 oC với thời gian 21 giờ trong
ampul hàn kín, sau đó tinh chế bằng phương pháp chiết Soxhlet với dung môi
benzen trong 21 giờ trước khi lọc rửa bằng ete lạnh [11, 26].
Cũng trong một nghiên cứu khác khi tổng hợp N-ankylquinolinium bằng dẫn
xuất halogen, nhóm nghiên cứu [23] đã sử dụng quy trình: đun hồi lưu hỗn hợp
quinolin và dẫn xuất 1-bromankan với dung môi etanol tuyệt đối trong thời gian 40
giờ. Sau đó hỗn hợp sản phẩm được làm lạnh về nhiệt độ phòng và chất rắn tách ra
được kết tinh lại trong ete trước khi tinh chế lấy sản phẩm tinh khiết bằng phương
pháp HPLC:

Bên cạnh việc sử dụng các dẫn xuất halogen, điankyl sunfat cũng được sử
dụng như tác nhân tạo muối N-ankylquinolinium [21]:

Hình 1.3. Tổng hợp một số muối N-metylquinolinium
Tuy nhiên các phương pháp trên đều được thực hiện trong thời gian phản
ứng tương đối dài (6 - 48 giờ), hiệu suất khá thấp và cần phải lặp lại nhiều lần. Vì

5


vậy hiện nay phương pháp sử dụng vi sóng trong tổng hợp hữu cơ đã được áp dụng
để tổng hợp các muối dị vòng N-ankyl bậc bốn. Kết quả nghiên cứu của công trình
[16] được trình bày ở bảng 1.1:

Bảng 1.1. Tổng hợp muối dị vòng N-ankyl bậc bốn bằng phương pháp vi sóng
STT

Z

R

Nhiệt độ(oC)

Thời gian
(phút)

Hiệu suất(%)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

C(CH3)2
C(CH3)2
C(CH3)2
C(CH3)2
C(CH3)2
S
S
S
S
S

Et
Me
Pr
-(CH2)2OH
-(CH2)5COOH
Et
Me
Pr
-(CH2)2OH
-(CH2)5COOH

130
110
110
110
110
170
120
170
100
170

5:00
2:30
7:00
7:00
7:00
20:00
20:00
20:00

35:00
35:00

95
93
83
73
59
83
85
65
58
51

Ưu điểm của phương pháp dùng vi sóng là giảm thời gian phản ứng, tăng
đáng kể hiệu suất và quy trình thực hiện đơn giản (phản ứng không dùng dung môi)
[16].
Một phương pháp cải tiến khác để tổng hợp các tiền chất của phẩm nhuộm
xianin có chứa các muối dị vòng N-ankyl bậc bốn là sử dụng phản ứng cộng 1,4 của
piriđin hoặc quinolin vào acrylamin trong dung môi axit axetic [31]. Phản ứng của
các dẫn xuất piriđin hoặc quinolin đạt hiệu suất khá cao (hình 1.4)
Cl
Br

6

Hiệu suất (%)
91
90

Hiệu suất (%)
79
82

Hình 1.4. Tổng hợp muối dị vòng N-ankyl bậc bốn là sử dụng phản ứng cộng 1,4
Đặc biệt trong một số phản ứng tổng hợp, sự tạo thành muối Nankylquinolinium được xuất phát từ các chất đầu không chứa dị vòng quinolin như:

Hình 1.5. Tổng hợp muối N-metylquinolinium cùng với sự tạo vòng quinolin

1.1.2. Một số phản ứng chuyển hóa:
Tính chất quan trọng của muối bậc bốn N-metylquinolinium là phản ứng với
các tác nhân nucleophin [8].
a. Tác dụng với bazơ kiềm:
Ion hiđroxyl tác dụng vào vị trí 2 của muối bậc bốn N-metylquinolinium tạo
ra dẫn xuất hiđroxi, sau đó các sản phẩm sinh ra có thể được oxi hóa bằng kali
ferixianua tạo thành 2-quinolon:

7


Nếu ở vị trí 2 hoặc 4 của ion quinolinium bậc bốn có sẵn một nhóm thế
ankyl thì dưới tác dụng của bazơ kiềm các ion này sẽ bị tách proton tạo thành
những phân tử trung hòa điện gọi là anhiđro - bazơ. Đây là những hợp chất bền,
song dưới tác dụng của axit chúng được chuyển hóa trở lại thành các muối bậc bốn:

Các anhiđro - bazơ có thể tác dụng với tác nhân electrophin như ankyl halogenua,
axyl halogenua, muối điazoni..:

Hình 1.6. Một số phản ứng của anhiđro-bazơ

b. Tác dụng với một số tác nhân nucleophin khác:
Các muối N-metylquinolinium có thể phản ứng với một số tác nhân
nucleophin như: hợp chất cơ magie, kali xianua…

c. Một số phản ứng khác của muối bậc bốn N-metylquinolinium:
Phản ứng thế nucleophin bất thường của muối N-metylquinolinium

8


Trong một nghiên cứu mới đây, Otto van den Berg và cộng sự [29] cho thấy,
trong dẫn xuất 7-flo-1-ankylquinolinium, nguyên tử flo có thể bị thế bởi các tác
nhân nucleophin mạnh như amin, thiol, … cho hiệu suất cao (hình 1.8).

Hình 1.7. Phản ứng thế nguyên tử Flo của muối N-ankylquinolinium
Như vậy có thể thấy rằng, khi tạo thành muối bậc bốn N-ankyl, nguyên tử H
ở vị trí 2 và 4 của quinolin có thể tham gia phản ứng thế nucleophin, đồng thời
nguyên tử halogen ở các vị trí số 7 của vòng quinolin cũng bị thế bởi các tác nhân
nucleophin.
Mới đây, nhóm tổng hợp hữu cơ – khoa Hóa học – trường Đại học Sư phạm
Hà Nội đã công bố các hợp phần muối N-metylquinolin nhiều nhóm thế có thể bị
thế nhóm –OR bằng các tác nhân thế nucleophin như amin, hiđrazin [2]:

Hình 1.8. Phản ứng thế bất thường của muối N-metylquinolinium

d. Một số phản ứng của muối bậc bốn N-ankyl của các dị vòng khác:

9

So với dị vòng ban đầu, các muối N-ankyl- và N-arylpiriđinium có khả năng
phản ứng cao hơn nhiều đối với các tác nhân nucleophin, đặc biệt là vị trí 2 và 4.
Các phản ứng đó đôi khi được nối tiếp bằng sự mở vòng [8]. Hợp chất cơ kim dễ
dàng cộng vào muối N-ankyl- và N-arylpiriđinium, sinh ra dẫn xuất thế ở vị trí 2 của
1,2-đihiđropririđin, sau đó sản phẩm thường được oxi hóa thành dẫn xuất thế ở vị trí
2 của muối piriđinium bậc bốn:

Các muối N-ankyl- và N-arylpiriđinium cũng có thể tham gia phản ứng cộng
với nhiều tác nhân nucleophin theo hướng cộng ưu tiên vị trí 4, vì sản phẩm sinh ra
bền hơn nhiệt động học [8], ví dụ:

Ngoài ra các muối N-ankyl- và N-arylpiriđinium cũng có thể chuyển hóa
thành piriđon nhờ các tác nhân oxi hóa như kali ferixianua trong môi trường kiềm,
phản ứng tương tự như ở muối N-ankylquinolinium

hoặc bị khử bằng H2 với xúc tác kim loại cho dẫn xuất piperiđin với hiệu suất cao:

10


1.2.

SƠ LƯỢC NGHIÊN CỨU VỀ CÁC HỢP CHẤT QUINOLIN DÙNG LÀM
CẢM BIẾN HUỲNH QUANG.
1.2.1. Sơ lược về phổ huỳnh quang
Khi hấp thụ bức xạ, phân tử chuyển từ mức năng lượng này lên mức năng
lượng khác cao hơn, chẳng hạn từ trạng thái electron cơ bản lên trạng thái electron
kích thích. Năng lượng mà phân tử được bổ sung khi hấp thụ bức xạ được giữ trong
khoảng thời gian rất ngắn, khoảng từ 10 -3 đến 10-8 s. Phân tử có nhiều cách để làm
biến đổi phần năng lượng hấp thụ đó và sự va chạm giữa các phân tử dẫn tới việc

phân bố lại năng lượng giữa chúng. Do đó năng lượng “dư” mà phân tử có được do
hấp thụ bức xạ có thể được chuyển thành năng lượng quay, năng lượng dao động và
năng lượng của chuyển động tịnh tiến của các phân tử khác theo nguyên tắc phân
bố đều. Từ trạng thái electron kích thích phân tử có thể trở về trạng thái electron cơ
bản bằng con đường phát huỳnh quang và phát lân quang. Đối với một chất hóa
học, bước sóng kích thích cũng như bước sóng phát quang là đặc trưng cho chất, vì
mức năng lượng chênh lệch do phân tử hấp thụ hay phát ra chính bằng hiệu các
mức năng lượng lượng tử trong phân tử.
Để hiểu được bản chất của sự phát huỳnh quang và lân quang hãy xem xét sự
thay đổi cấu hình electron của phân tử khi hấp thụ bức xạ. Sự hấp thụ bức xạ tử
ngoại xảy ra với tốc độ vượt xa tốc độ dao động của các nguyên tử (nguyên lý
Frank-Condon) vì thế phân tử ở trạng thái kích thích ngay lúc ban đầu chỉ khác
phân tử ở trạng thái cơ bản về cấu hình electron. Ở trạng thái cơ bản (S 0) đối với các
phân tử bình thường, các electron đều cặp đôi. Ở trạng thái kích thích các electron
có thể cặp đôi hoặc không cặp đôi. Trạng thái kích thích với các electron không cặp
đôi có spin đối song song gọi là trạng thái singlet (S 1). Trạng thái kích thích với 2
electron không cặp đôi có spin song song được gọi là trạng thái triplet (Hình 1.9).

11


Hình 1.9. Cấu hình electron của trạng thái cơ bản, trạng thái singlet, và trạng thái
triplet của phân tử với 4 electron và 4 obitan phân tử
Hình 1.9 cho thấy ở trạng thái cơ bản S 0, 4 eletron được cặp đôi trong hai obitan
liên kết. Ở trạng thái kích thích singlet S 1 có hai electron cặp đôi ở obitan liên kết
còn hai electron có spin đối song song nhưng ở hai obitan khác nhau, còn ở trạng
thái triplet thì hai electron độc thân có spin giống nhau. Sở dĩ gọi là trạng thái triplet
vì trong từ trường hai electron không cặp đôi này sẽ chiếm ba mức năng lượng có
thể có, còn trạng thái singlet trong từ trường chỉ chiếm một mức năng lượng.
Giản đồ năng lượng ứng với các trạng thái cơ bản và kích thích được chỉ ra ở

hình 1.10. Ngay sau khi phân tử hấp thụ bức xạ và chuyển lên trạng thái kích thích
S1, nó va chạm với các phân tử khác; chuyển bớt năng lượng để tụt xuống mức dao
động thấp hơn, chẳng hạn mức v’ = 0 (hình 1.10). Tiếp đó phân tử trở về trạng thái
electron cơ bản S0 kèm theo sự phát bức xạ ở tần số nhỏ hơn bức xạ mà nó hấp thụ
trước đó. Hiện tượng đó gọi là sự phát huỳnh quang (fluorescence). Sự phát huỳnh
quang nếu nó thường xảy ra trong một khoảng thời gian 10 -7 - 10-9 s kể từ sau khi
phân tử hấp thụ bức xạ. Sự phát huỳnh quang có thể được phát hiện ở hầu hết các
chất có hấp thụ lựa chọn bức xạ; nếu chọn đúng các điều kiện vật lý và hóa học thì
có thể phát hiện thấy cả ở trạng thái rắn, trạng thái lỏng và trạng thái khí. Theo định
luật Stokes, bước sóng của ánh sáng huỳnh quang luôn lớn hơn bước sóng của ánh
sáng kích thích. Khi dùng ánh sáng đỏ kích thích người ta thấy ở chlorophyll phát

12


huỳnh quang hồng ngoại. Các chất với cấu trúc khác nhau sẽ cho những phổ huỳnh
quang khác nhau.

Hình 1.10. Giản đồ năng lượng của sự phát huỳnh quang và phát lân quang
Trạng thái triplet ở mức năng lượng thấp hơn trạng thái singlet (hình 1.9), nó
bền hơn và có đời sống dài hơn. Phân tử ở trạng thái singlet có xu hướng nhường
bớt năng lượng (trong những quá trình không phát bức xạ) để chuyển sang trạng
thái triplet (sự đảo spin). Tương tự như trạng thái singlet, trạng thái triplet có thể trở
về trạng thái cơ bản nhờ những quá trình không phát bức xạ. Nhưng trong nhiều
trường hợp lại xảy ra sự chuyển mức T1 → So kèm theo sự phát bức xạ với tần số
nhỏ hơn bức xạ hấp thụ ban đầu và nhỏ hơn cả tần số của bức xạ huỳnh quang. Sự
phát bức xạ kiểu này gọi là sự phát lân quang (phosphorescence). Bởi vì đời sống
của trạng thái triplet có thể vào cỡ hàng giây cho nên sự phát lân quang thường
được kéo dài. Chẳng hạn đối với benzen ở 200 oC khi hấp thụ bức xạ 254 nm thì
phát huỳnh quang với cực đại ở 290 nm và phát lân quang ở 340 nm với thời gian

tắt là 7s. Sự phát huỳnh quang và lân quang không những được ứng dụng trong
phân tích, trong y học, mà còn được ứng dụng nhiều trong công nghệ chiếu sáng và
trong kỹ nghệ nhuộm vải, sợi.
1.2.2. Sơ lược về cảm biến huỳnh quang:
“Cảm biến hóa học” (chemosensor hay chemical sensor) không phải là một
thiết bị cảm biến thông thường. Nó là các phân tử cảm biến có khả năng tương tác
với các chất cần phân tích và tạo ra các tín hiệu đầu ra có thể phát hiện và đo được.
Một phân tử “cảm biến hóa học” bao gồm “phần thu tín hiệu vào” (receptor) và

13


“phần phát tín hiệu ra” (reporter). Về nguyên tắc, tất cả các đại lượng và tính chất
của phân tử có thể đo được, đều có thể sử dụng làm “cảm biến hóa học”, ví dụ như
thế oxi hóa - khử, sự hấp thụ ánh sáng, sự phát huỳnh quang, sự phát lân quang…
“Cảm biến huỳnh quang” (fluorescent chemosensor) là một trong những dạng “cảm
biến hóa học” hiệu quả nhất dùng trong nghiên cứu các ion kim loại trong cơ thể
sinh vật nhờ độ nhạy cao, chi phí thấp và thiết bị đơn giản [34].
Cơ thể con người chứa khá nhiều các ion kim loại và trong số đó nhiều ion
đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động sinh lý bình thường của cơ thể. Chẳng
hạn, ion Fe2+ là thành phần cấu tạo nên hemoglobin, có vai trò quan trọng trong việc
vận chuyển oxi; ion Zn 2+ là nguyên tố vô cùng thiết yếu trong nhiều loại enzim có
trong cơ thể con người cũng như nhiều sinh vật biển. Tuy nhiên nhiều quá trình
bệnh lý như thiếu máu não, Alzheimer hay bệnh tiêu chảy ở trẻ con đều có liên
quan đến nồng độ bất thường của ion Zn 2+ trong cơ thể [37]. Ion Cu 2+ giữ vai trò
đồng xúc tác trong nhiều chuyển hóa, nhưng khi nồng độ vượt mức cho phép, ion
Cu2+cũng gây ra các bệnh về thần kinh như Alzheimer, Menkes, Parkinson hay
Wilson [39]…Bên cạnh đó, một số ion có hại cho cơ thể con người dù tồn tại ở
nồng độ rất thấp. Ví dụ như tiếp xúc thời gian dài với chì và muối của nó (Pb 2+) có
thể gây ảnh hưởng xấu tới sự kết nối các dây thần kinh (đặc biệt gây hại ở người trẻ

tuổi); đồng thời có gây rối loạn máu và các hoạt động của não bộ. Thủy ngân cũng
là một trong những nguyên tố đặc biệt gây độc cho môi trường và cơ thể sinh vật
sống. Cục bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đưa ra tiêu chuẩn nồng độ tối đa của thủy
ngân vô cơ trong nước uống là 2 ppb [37]… Ion Cd 2+ có thể gây tổn hại đến mô tế
bào, làm rối loạn chức năng thận hoặc thậm chí có thể gây ung thư [34]. Cho đến
nay, khoa học đã có nhiều hiểu biết về tính chất của các ion trong sự trao đổi chất,
tuy nhiên vẫn chưa nắm bắt đầy đủ cơ chế hoạt động của các ion. Các nhà khoa học
cần có công cụ hữu hiệu hơn để nghiên cứu cơ chế, cần biết được thời điểm và nơi
phân bố hoặc hình thành của các ion. Các phương pháp truyền thống như chuẩn độ
thường và chuẩn độ điện hóa; cũng như nhiều phương pháp hiện đại nhằm phân tích
các ion kim loại như sắc kí lỏng hiệu năng cao, phổ khối lượng, phổ hấp thụ nguyên
tử… rõ ràng là không phù hợp để sử dụng trong các nghiên cứu trên các cơ thể sống

14


[37]. Chính vì vậy, các nhà khoa học cần các công cụ và phương pháp mới hiệu quả
hơn; trong đó việc sử dụng các cảm biến huỳnh quang là một sự lựa chọn hữu hiệu.
Sơ lược về cảm biến huỳnh quang loại quinolin.

1.2.3.

Đáng chú ý và được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến huỳnh quang loại
quinolin đó là việc sử dụng các dẫn xuất quinolin có vị trí cacbon số 8 liên kết trực
tiếp với các nguyên tử còn cặp electron tự do như oxi hoặc nitơ. Ví dụ điển hình là
các hợp chất loại 8- hiđroxiquinolin (8-HQ) và 8- aminoquinolin (8-AQ). Các dẫn
xuất của 8-HQ và 8-AQ đều là những chất phát huỳnh quang rất yếu, nhưng khi
nguyên tử oxi hoặc nitơ ở vị trí số 8 và dị tử nitơ trong vòng quinolin cùng tạo liên
kết phối trí với các ion kim loại hình thành phức chelat thì phát huỳnh quang rất
mạnh [30, 39]. Dựa vào tính chất đó, các hợp chất loại này được sử dụng nhiều làm

cảm biến huỳnh quang các ion kim loại.
Vào những năm 1960, các nhà khoa học Nga lần đầu tiên giới thiệu các
hợp chất quinolin sunfoamit như một loại cảm biến huỳnh quang các ion Zn 2+ và
Cd2+. Tuy nhiên, phải đến tận năm 1987, một trong những hợp chất sunfoamit là 6metoxi-8-p-toluensunfoamido - quinolin (TSQ), lần đầu tiên được ứng dụng trong
việc cảm biến và chụp ảnh sinh học phát hiện ion Zn 2+[40]. Đây là bước khởi đầu
đặt nền móng cho những nghiên cứu tiếp theo, phát triển các đầu dò huỳnh quang
phát hiện ion Zn2+ trong cơ thể sinh vật. Huỳnh quang của TSQ rất yếu, tuy nhiên
khi tạo liên kết phối trí với ion kim loại thì phức chelat tạo thành phát huỳnh quang
mạnh ở bước sóng 495 nm (kích thích bằng bước sóng tử ngoại; pH=7,4). Nhờ
những ưu điểm như huỳnh quang không phụ thuộc vào pH và không gây độc, cảm
biến huỳnh quang TSQ đã và đang được ứng dụng nhiều nhất trong việc xác định
ion Zn2+. Các nhà khoa học đã tiếp tục mở rộng các nghiên cứu nhằm cải tiến những
tính chất về độ tan, độ nhạy của các hợp chất loại này để tìm ra các loại cảm biến
huỳnh quang hiệu quả hơn trong lĩnh vực hóa sinh.
a.

Cảm biến huỳnh quang dựa trên các dẫn xuất của 8-HQ

15


Hợp chất 8-hiđroxiquinolin (8-HQ) là một trong những phối tử quan trọng
có nhiều ứng dụng rộng rãi trong việc phát hiện và định lượng các ion kim loại.
Chính nhờ sự thay đổi đáng kể tính chất huỳnh quang khi liên kết phối trí với ion
kim loại, các hợp chất loại 8-HQ ngày càng được chú ý nghiên cứu để tạo nên các
cảm biến huỳnh quang có độ nhạy cao nhằm phát hiện và chụp ảnh sinh học các
ion kim loại trong các cơ thể sống.
Các dẫn xuất dựa trên khung 8-HQ cũng được mở rộng nghiên cứu về khả
năng cảm biến huỳnh quang các ion kim loại. Chẳng hạn, công trình [20] của tác
giả Han Zhang đã nghiên cứu và phát triển các dẫn xuất của 8-HQ benzoat (hình

1.11) như là một loại cảm biến huỳnh quang mới có thể phát hiện các ion kim loại
như Hg2+và Cu2+.

Hình 1.11. 8-HQ và một số dẫn xuất của 8-HQ benzoat
Cảm biến huỳnh quang loại 8-HQ khi kết hợp với các khung cumarin hay
phenanthroxazol cũng đem lại những hiệu quả tốt trong việc nhận biết và cảm biến
các ion kim loại. Công trình [39] nghiên cứu tính chất cảm biến huỳnh quang của
hợp chất chứa khung 8-hiđroxiquinolin (8-HQ) kết hợp cùng khung cumarin:

Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng, trong dung môi axetonitrin và
được khảo sát với nhiều ion kim loại như Na +, K+, Ca2+, Mg2+, Ag+, Al3+, Fe3+, Co2+,
Ni2+, Cd2+, Cu2+, Zn2+ và Hg2+. Kết quả cho thấy hợp chất trên có thể sử dụng để phát
hiện chọn lọc ion Cu2+ với sự tăng cường độ phát huỳnh quang lên đến 13 lần và sự

16


thay đổi màu sắc huỳnh quang có thể quan sát dễ dàng bằng mắt thường ở bước
sóng kích thích 365 nm khi liên kết phối trí với ion Cu2+ [39].
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự có mặt của ion Cd 2+ gây trở ngại cho
việc xác định ion Zn2+ và ngược lại [34, 38]. Năm 2009 và 2011, nhóm nghiên cứu
của Xue đã công bố một số cảm biến huỳnh quang loại 8-HQ, có ái lực với in Cd 2+
tốt hơn với ion Zn2+, nhờ đó có thể hạn chế sự ảnh hưởng của ion Zn2+[35, 36]:

b.

Cảm biến huỳnh quang dựa trên các dẫn xuất của 8-AQ
Dẫn xuất 8-aminoquinolin (8-AQ) với aryl sunfonamit là một trong những

cảm biến huỳnh quang đầu tiên dùng để nhận ra sự có mặt của ion Zn 2+ trong cơ thể

sinh vật sống [34]. Tuy nhiên những hợp chất loại này lại kém tan trong nước nên
ứng dụng còn hạn chế. Để khắc phục điều này, Zalewski (1994) đã đưa thêm nhóm
tan tốt trong nước vào vị trí số 6 của vòng quinolin (hình 1.12). Các kết quả nghiên
cứu cũng chỉ ra rằng sự cải tiến đó đã làm tăng đáng kể độ tan trong nước của các
cảm biến và huỳnh quang cũng tăng mạnh khi liên kết phối trí với ion Zn 2+; đồng
thời vẫn giữ được độ chọn lọc ion Zn2+so với các ion kim loại khác [19, 25].

17


Hình 1.12. Một số cảm biến huỳnh quang là dẫn xuất 8-AQ với aryl sunfonamit
Trong một nghiên cứu của Yu Zhang và các cộng sự, cảm biến huỳnh
quang đã sử dụng dẫn xuất cacboxamidoquinolin với nhánh ankoxietylamino đóng
vai trò như nhóm receptor. Khi cảm biến huỳnh quang này tạo phức với ion Zn 2+,
hiệu suất lượng từ tăng lên 8 lần và bước sóng phát huỳnh quang tăng 75 nm [38].

Hình 1.13. Sự tạo phức của dẫn xuất cacboxamidoquinolin với ion Zn2+
Mặc dù đạt kết quả tốt trong nghiên cứu phát hiện ion Zn 2+ nhưng cảm biến
huỳnh quang chứa các hợp chất quinolin có huỳnh quang ở bước sóng ngắn (thường
khoảng 500 nm) và thường ít nhiều bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của ion Cd 2+ [34].
Vì vậy nghiên cứu về các cảm biến dựa trên tính chất huỳnh quang của các hợp chất
quinolin vẫn không ngừng thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.

18


Phần lớn các cảm biến huỳnh quang phát hiện ion Al 3+ có cấu trúc chứa các
nguyên tử oxi- nitơ đóng vai trò là bazơ cứng trong quá trình tương tác với axit
cứng Al3+. Ví dụ như 2-hiđroxinaphtyliden- (8’-aminoquinolin) (HNAQ), một bazơ
Schiff thơm có cấu trúc như hình, đã được sử dụng trong nghiên cứu để phát hiện ra

Al3+. Dung dịch của HNAQ trong DMF không phát huỳnh quang ở bước sóng kích
thích 320 nm, nhưng khi có mặt ion Al 3+ dung dịch đã xuất hiện huỳnh quang mạnh
ở bước sóng 510 nm. Các ion kim loại khác được thêm vào dung dịch của HNAQ
như Li+, Na+, K+, Pd2+, Hg2+, Pb2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+,Cd2+, In3+ đều không cho huỳnh
quang như khi thêm ion Al3+:

Hình 1.14. Sự tạo phức của HNAQ với ion Al3+
c.

Một số loại cảm biến huỳnh quang quinolin khác
Bên cạnh các hợp chất loại 8-HQ và 8-AQ, nhiều hợp chất khác chứa

khung quinolin cũng được sử dụng như cảm biến huỳnh quang. Dựa vào tính chất
huỳnh quang, một số hợp chất loại 2-(2'-hiđroxiphenyl)-quinolin được dùng để
cảm biến các ion kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ và kim loại chuyển tiếp [14]:

Gần đây, một số bazơ Shiff dựa trên khung quinolin đang được chú ý
nghiên cứu về tính chất huỳnh quang ứng dụng trong cảm biến các ion kim loại,
đặc biệt là ion Al3+. Công trình [24] của tác giả Ke Zhang công bố năm 2014 cho
thấy cảm biến huỳnh quang loại bazơ Shiff dựa trên các dẫn xuất của 2oxoquinolin-3-cacbanđehit và nicotinic hiđrazit, có cảm biến huỳnh quang tốt với
ion Al3+ với độ nhạy cao (giới hạn nhận biết ion Al 3+ đến nồng độ ppb). Đồng thời

19


nghiên cứu trên cũng bước đầu được mở rộng để phát hiện và cảm biến Al 3+ trong
tế bào ung thư HeLa:

Hình 1.15. Bazơ Shiff chứa khung quinolin dùng cảm biến ion Al3+

20


Chương 2. THỰC NGHIỆM
2.1. TỔNG HỢP CÁC CHẤT ĐẦU
2.1.1. Tổng hợp 7-cacboximetoxi-6-hiđroxi-3-sunfoquinolin (Q)

• Tổng hợp Axit eugenoxiaxetic
Hoà tan axit monocloaxetic (1 mol; 94,5 g) trong 150 ml nước, thêm từ từ
Na2CO3 đến khi bọt khí ngừng thoát ra thu được dung dịch A. Hoà tan NaOH
(1,875 mol; 75 g) trong 200ml H 2O sau đó thêm từ từ vào 200ml tinh dầu hương
nhu (eugenol chiếm ≈ 70%) thu được dung dịch B. Trộn đều hai dung dịch A và B,
đun cách thủy và khuấy đều hỗn hợp phản ứng trong 3 giờ ở 80-90 0C. Khi phản ứng
kết thúc, axit hoá hỗn hợp phản ứng bằng dung dịch HCl 1:1 thu được chất rắn màu
vàng, kết tinh lại trong nước thu được tinh thể hình kim nhỏ, màu trắng. Hiệu suất
đạt 75%.

• Tổng hợp axit 2-hiđroxi-5-nitro-4-(3-nitro-2-nitrooxipropyl)phenoxiaxetic
(A0)
Hòa tan axit eugenoxiaxetic (0,1 mol; 22,2 g) trong 100 ml axit axeitc băng.
Ngâm hỗn hợp trong bình muối đá khoảng 30 phút rồi cho từ từ 20 ml axit HNO 3
63% qua phễu nhỏ giọt. Sau khi cho hết axit, hỗn hợp phản ứng tiếp tục được khuấy
và làm lạnh trong 4 giờ. Sau quá trình làm lạnh thấy tách ra khá nhiều sản phẩm
dạng hạt màu vàng. Lọc lấy chất rắn rửa nhiều bằng etyl axetat, để khô tự nhiên
trong không khí, tránh ánh sáng trực tiếp, thu được sản phẩm màu vàng tươi. Kí
hiệu A0. Hiệu suất phản ứng đạt 45%.

• Tổng hợp 7-cacboximetoxi-6-hiđroxi-3-sunfoquinolin (Q)

21

Hòa tan Na2S2O4 (0,125 mol; 19 g) và 120 ml dung dịch NH 3 1 : 2 trong bình
cầu 500 ml. Bình phản ứng được ngâm trong chậu nước đá khoảng 10 phút, cho từ
từ A0 (0,02 mol; 7,22 g) vào trong khoảng 30 phút. Sau đó, hỗn hợp phản ứng được
tiếp tục khuấy thêm 24 giờ ở nhiệt độ 25-30oC.
Axit hóa hỗn hợp phản ứng bằng cách nhỏ từ từ H 2SO4 đặc, trong quá trình
khuấy hỗn hợp tỏa nhiệt mạnh nên cần làm lạnh bằng nước đá, đến khi không thấy
khí SO2 thoát ra thì dừng lại, lúc đó pH~1. Khuấy tiếp khoảng 1 giờ thấy trong dung
dịch xuất hiện chất rắn màu vàng.
Đun cách thủy hỗn hợp ở 70-80oC trong 1 giờ, sau đó lọc lấy chất rắn, rửa
nhiều lần bằng nước, rồi đem kết tinh lại trong rượu : nước = 1:1, lọc hút thu lấy
chất rắn, để khô thì thu được sản phẩm dạng bột màu vàng nhạt, phân huỷ ở nhiệt
độ > 2550C, kí hiệu là Q. Hiệu suất đạt 60%.
2.1.2. Tổng

hợp

7-cacboximetoxi-6-hiđroxi-1-metylquinolinium-3-sunfonat

(MeQ)

Hoà tan Q (1 mmol; 0,299 g) vào 10 ml dung dịch NaOH (6 mmol; 0,24g),
ngâm vào bình nước đá 10 phút, thêm từ từ vào 0,5 ml (CH 3)2SO4 và khuấy đều ở
lạnh. Sau phản ứng, trung hoà bằng axit axetic, thấy tách ra nhiều chất rắn màu
vàng nhạt. Lọc lấy sản phẩm rắn, kết tinh lại trong đioxan : nước = 1:1 thu được
gam tinh thể hình trụ màu vàng nâu. Kí hiệu sản phẩm là MeQ. Hiệu suất 60%.
2.1.3. Tổng

hợp

5-brom-7-cacboximetoxi-6-hiđroxi-1-metylquinolinium-3-

sunfonat (MeBrQ)

22


• Tổng hợp 5-brom-7-cacboximetoxi-6-hiđroxi-3-sunfoquinolin (QBr)
Hoà tan Q (1 mmol, 0,299 g) vào 3 ml DMSO trong bình cầu 25 ml, ngâm
bình trong chậu nước đá. Nhỏ từ từ vào dung dịch 0,2 ml brom lỏng. Khuấy đều hỗn
hợp 5 giờ. Thêm vào hỗn hợp 5ml nước, đun nóng hỗn hợp phản ứng đến 70 0C, để
nguội, sản phẩm tách ra ở dạng rắn có lẫn tinh thể hình kim nhỏ. Lọc lấy phần rắn,
kết tinh lại bằng nước thu được tinh thể hình kim, màu trắng hơi vàng, phân hủy ở
nhiệt độ >2400C. Kí hiệu sản phẩm là QBr. Hiệu suất đạt 60%.
• Tổng hợp 5-brom-7-cacboximetoxi-6-hiđroxi-1-metylquinolinium-3-sunfonat
(MeBrQ)
Hoà tan QBr (1 mmol; 0,378 g) vào 10 ml dung dịch NaOH (6 mmol;
0,24g), ngâm vào bình đá muối trong 10 phút, thêm từ từ vào 1ml (CH 3)2SO4, tiếp
tục khuấy đều và làm lạnh hỗn hợp bằng đá muối. Sau phản ứng, thấy tách ra nhiều
chất rắn màu vàng cam. Lọc lấy sản phẩm rắn, kết tinh lại trong đioxan : H 2O = 1:1
thu được tinh thể hình kim màu đỏ da cam. Kí hiệu sản phẩm là MeBrQ. Hiệu suất
đạt 67%.
2.1.4. Tổng

hợp

7-cacboximetoxi-6-metoxi-1-metylquinolinium-3-sunfonat

(Me2Q)

Hoà tan MeQ (1 mmol; 0,314 g) vào 10 ml dung dịch chứa K 2CO3, ngâm
vào bình nước đá 10 phút, thêm từ từ vào 0,5 ml (CH 3)2SO4, tiếp tục khuấy đều và
làm lạnh hỗn hợp bằng đá muối. Sau phản ứng, axit hóa hỗn hợp bằng axit axetic
đến pH=5 thấy tách ra nhiều rắn màu vàng nhạt. Lọc lấy sản phẩm rắn, kết tinh lại
trong đioxan : nước = 1:1 thu được tinh thể hình kim màu vàng nâu. Kí hiệu sản
phẩm là Me2Q. Hiệu suất 40%.
2.2.

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG CỦA MUỐI N-METYLQUINOLINIUM VỚI
MỘT SỐ AMIN VÀ AMINO AXIT:
2.2.1. Nghiên cứu phản ứng của muối N-metylquinolinium với một số amin:

23


Sơ đồ chung:

a. Phản ứng của MeQ với propylamin
Cho MeQ (1 mmol; 0,313g) vào bình cầu cổ nhám, thêm 1 ml C3H7NH2
(Merck 99%) và 2 ml nước cất. Lắp sinh hàn và đun hồi lưu trong 5h thu được
dung dịch đồng nhất màu nâu đen, pH =10. Axit hóa dd bằng HCl đặc đến pH=1,
thêm etanol và để yên sau 5h thấy tách ra chất rắn màu vàng nhạt. Làm lạnh và lọc
lấy sản phẩm màu vàng, kết tinh trong HCl 1M thu được tinh thể hình kim nhỏ. Kí
hiệu là MeQPr. Hiệu suất đạt 60%.
b. Phản ứng của Me2Q với metylamin
Cho Me2Q (1 mmol; 0,313g) vào bình cầu nhám dung tích 25ml, thêm 1ml
dung dịch CH3NH2 40% và 2ml nước cất. Đun hồi lưu hỗn hợp, sau khoảng 20 phút
thấy tách ra chất rắn màu vàng, tiếp tục đun trong 2 giờ. Sau khi phản ứng kết thúc,
để nguội, lọc lấy chất rắn, rửa nhiều lần bằng etanol sau đó kết tinh trong dung dịch

axit HCl 1M thu được tinh thể hình kim màu vàng tươi. Kí hiệu là Me2QMe. Hiệu
suất đạt 65%.
c. Phản ứng của Me2Q với propylamin
Cho Me2Q (1 mmol; 0,327g) vào bình cầu nhám dung tích 25ml, thêm 0,5ml
C3H7NH2 (Merck 99%) và 2ml nước cất. Đun hồi lưu hỗn hợp trong 2 giờ, ngừng
đun, để nguội và axit hóa bằng HCl đặc đến pH=1 thấy tách ra chất rắn. Lọc lấy
chất rắn màu vàng, rửa nhiều lần bằng etanol sau đó kết tinh trong dung dịch axit
HCl 1M thu được tinh thể hình kim màu vàng tươi. Kí hiệu là Me2QPr. Hiệu suất
đạt 60%.
d. Phản ứng của Me2Q với benzylamin
Cho Me2Q (1 mmol; 0,327g) vào bình cầu nhám dung tích 25ml, thêm 0,5
ml C6H5CH2NH2 (Merck 99%) và 2ml nước cất. Đun hồi lưu hỗn hợp trong 2 giờ.
Sau khi phản ứng kết thúc, để nguội, lọc lấy chất rắn màu vàng, rửa nhiều lần bằng

24


etanol sau đó kết tinh trong dung dịch axit HCl 1M thu được tinh thể hình kim màu
vàng tươi. Kí hiệu là Me2QBz. Hiệu suất đạt 60%.

2.2.2. Nghiên cứu phản ứng của hợp phần N-metylquinolinium với một số amino axit
và tác nhân nucleophin khác.
Sơ đồ chung:

a. Phản ứng của MeBrQ với Glyxin
Thí nghiệm 1:

Cho glyxin (3 mmol; 0,225g) và NaOH (10 mmol; 0,4 g) vào bình cổ nhám
dung tích 25ml, thêm 3ml nước cất. Thêm từ từ MeBrQ (1 mmol; 0,392 gam) vào
bình phản ứng và lắp sinh hàn đun hồi lưu sau 20 phút thấy tách ra chất rắn màu đỏ

cam, tiếp tục đun thêm 2h thì lọc thu được chất rắn màu đỏ cam, rửa nhiều lần bằng
etanol và axeton. Kiểm tra bằng sắc kí bản mỏng với hệ dung môi chạy metanol :
clorofom = 1:1 thấy Rf của MeBrQ và chất rắn tách ra lần lượt là 0,7 và 0,3. Các
phương pháp phổ xác định sản phầm là MeBrQOH (xem mục 3.2.2).
Thí nghiệm 2:

25