NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÒNG BÉ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HPLC-MS VÀ NMR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

NGUYỄN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÒNG BÉ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HPLC-MS VÀ NMR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - năm 2012


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC

NGUYỄN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÒNG BÉ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HPLC-MS VÀ NMR

Chuyên ngành: HÓA PHÂN TÍCH

Mã số: CH. 1001190

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. NGUYỄN VĂN TUYẾN

Hà Nội - năm 2012


Lời cảm ơn!
Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Khoa
học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà nội và Viện hóa học - Viện Khoa học và Công
nghệ Việt nam.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Phó Giáo sư - Tiến sĩ Nguyễn Văn Tuyến
- Viện trưởng - Trưởng phòng Hóa dược - Viện hóa học - Viện Khoa học và Công
nghệ Việt nam đã giành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và
giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cô chú và anh chị tập thể phòng Hóa dược,
Phòng thí nghiệm Khối phổ - Viện hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt
nam đã tạo mọi điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt luận văn này.
Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Hóa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà nội, người thân và bạn
bè vì sự giúp đỡ quý báu, tận tình trong quá trình tôi học tập và nghiên cứu tại
Khoa hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự tài trợ của đề tài cơ bản thuộc chương trình hợp
tác FWO-NAFOSTED (mã số: 01/2010) đã hỗ trợ kinh phí để hoàn thành luận
văn này.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong

nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.
Hà nội ngày 12 tháng 12 năm 2012
Học viên

Nguyễn Tiến Dũng


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CÁC HÌNH .............................................................................................. i
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ .................................................................................................... ii
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................................. 2
1.1. BETA LACTAM ........................................................................................................ 2
1.2. TỔNG HỢP BETA LACTAM .................................................................................... 3
1.2.1. Phản ứng Staudinger............................................................................................. 3
1.2.2. Cơ chế phản ứng và điều khiển độ chọn lọc lập thể............................................... 4
1.3. PHÂN TÍCH CÁC ĐỒNG PHÂN ĐỐI QUANG ........................................................ 7
1.3.1. Phương pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym ...................................... 7
1.3. 2. Tách các đồng phân đối quang nhờ tác nhân bất đối bổ trợ................................... 8
1.3.3. Tách đồng phân đối quang bằng các phương pháp hóa lý hiện đại......................... 8
1.3.4. Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR .................................................. 9
1.4. SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO (HPLC) ........................................................... 17
1.4.1. Khái niệm ........................................................................................................... 17
1.4.2. Phân loại............................................................................................................. 17
1.4.3. Pha tĩnh trong sắc ký pha đảo.............................................................................. 17
1.4.4. Pha động trong sắc ký pha đảo............................................................................ 18
1.4.5. DETECTOR DAD.............................................................................................. 19
1.4.6. DETECTOR MS ................................................................................................ 20
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM............................................................................................ 22
2.1. Phương pháp nghiên cứu và trang thiết bị. ................................................................ 22

2.1.1. Các phương pháp tổng hợp hữu cơ...................................................................... 22
2.1.2. Dụng cụ và hóa chất. .......................................................................................... 22
2.1.3. Định tính phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết của dẫn xuất bằng sắc kí lớp mỏng.23
2.1.4. Các phương pháp phân tích cấu trúc. .................................................................. 23


2.2 Tổng hợp các hợp chất β-lactam ................................................................................. 25
2.2.1. Tổng hợp dẫn xuất 2-phenoxy clorua axetic........................................................ 25
2.2.2. Tổng hợp dẫn xuất imine .................................................................................... 26
2.2.3. Tổng hợp các dẫn xuất β- lactam........................................................................ 27
2.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H và 13C của các hợp chất 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f ....... 28
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................ 31
3.1. TỔNG HỢP CÁC HỢP CHẤT β-LACTAM ............................................................. 31
3.2. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC HỢP CHẤTcis-β-LACTAM ............................................ 32
3.2.1. Phân tích phổ 1H-NMR của hợp chất 9a ............................................................. 32
3.2.2. Phân tích phổ 1H –NMR của hợp chất 9b............................................................ 33
3.2.3. Phân tích phổ 1H-NMR của hợp chất 9c.............................................................. 33
3.2.4. Phân tích phổ 1H-NMR của hợp chất 9d ............................................................. 34
3.2.5. Phân tích phổ 1H-NMR của hợp chất 9e.............................................................. 35
3.2.6. Phân tích phổ 1H-NMR của hợp chất 9e.............................................................. 35
3.3. XÁC ĐỊNH TỈ LỆ CÁC ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ BẰNG HPLC-MS ...................... 37
3.3.1. Khảo sát bước sóng hấp thụ đối với các chất nghiên cứu..................................... 37
3.3.2. Khảo sát phổ MS ................................................................................................ 40
3.3.3. Khảo sát chương trình dung môi cho quá trình sắc ký ......................................... 41
3.4.4. Kết quả và thảo luận quá trình phân tích sắc ký................................................... 43
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 49
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 51

DANH MỤC CÁC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc cơ sở β-lactam............................................................................3
Hình 1.2. Phổ 1H-NMR của hỗn hợp este Mosher (S)-1-phenylbutan-1-ol và (R)-1phenylbutan-1-ol.........................................................................................10
Hình 1.3. Phổ 1H-NMR của este Mosher (R)-1-phenylbutan-1-ol và (S)-1phenylbutan-1-ol.........................................................................................10
Hình 1.4. Phổ 1H-NMR của (-)-enriched và hỗn hợp (-)-enriched với CSA............12
Hình 1.5. Tín hiệu 1H-NMR của CH3 trong một số trường hợp ..............................13
Hình 1.6. Cặp tín hiệu Fiedel .................................................................................14
Hình 1.7. Sơ đồ tóm tắt quá trình phân tích cấu trúc bằng phương pháp X-Ray .....14
Hình 1.8. Phổ CD của hợp chất A và B..................................................................16
Hình 1.9. Cấu trúc của cột ODS.............................................................................18
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý hệ điot quang .............................................................19
Hình 1.11. Các biện pháp cải tiến tăng độ nhạy của detector (cải tiến flowcell). ....20
Hình 3.1. Phổ 1H của hợp chất 9a ..........................................................................32
Hình 3.2. Phổ 1H của hợp chất 9b ..........................................................................33
Hình 3.3. Phổ 1H của hợp chất 9c ..........................................................................33
Hình 3.4. Phổ 1H của hợp chất 9d ..........................................................................34
Hình 3.5. Phổ 1H của hợp chất 9e ..........................................................................35
Hình 3.6. Phổ 1H của hợp chất 9f...........................................................................35
Hình 3.7. Phổ hấp thụ electron của hợp chất 9a .....................................................37
Hình 3.8. Phổ hấp thụ electron của hợp chất 9b .....................................................38
Hình 3.9. Phổ hấp thụ electron của hợp chất 9c......................................................38
Hình 3.10. Phổ hấp thụ electron của hợp chất 9d ...................................................38
Hình 3.11. Phổ MS của hợp chất 9c khi để chế độ Positive....................................40
Hình 3.12. Phổ MS của hợp chất 9c khi để chế độ Negative ..................................40
Hình 3.13. Sắc ký đồ của hợp chất 9c khi chạy với pha động Gradient 1 ...............42
Hình 3.14. Sắc ký đồ của hợp chất 9c khi chạy với pha động Gradient 2 ...............42
Hình 3.15. Sắc ký đồ của hợp chất 9c khi chạy với pha động Gradient 3 ...............42
Hình 3.16. Sắc ký đồ của hợp chất 9a ....................................................................43

Hình 3.17. Phổ MS của pic 1 (hợp chất 9a).................................................. 44

Hình 3.18. Phổ MS của pic 2 (hợp chất 9a).................................................. 44
Hình 3.19. Sắc ký đồ của hợp chất 9b....................................................................45
Hình 3.20. Sắc ký đồ của hợp chất 9c ....................................................................46
Hình 3.21. Sắc ký đồ của hợp chất 9d....................................................................47

i


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 1.1. Phản ứng Staudinger ...............................................................................3
Sơ đồ 1.2. Cơ chế phản ứng Staudinger....................................................................4
Sơ đồ 1.3. Con đường hình thành β –lactam.............................................................5
Sơ đồ 1.4. Sử dụng muối (12) tổng hợp β-lactam.....................................................6
Sơ đồ 1.5. Sorbyl clorua (16) tổng hợp β-lactam ......................................................6
Sơ đồ 1.6. Tổng hợp β-lactam từ imine và vinylketene.............................................7
Sơ đồ 2.1. Tổng hợp dẫn xuất 2-phenoxy clorua axetic ..........................................26
Sơ đồ 2.2. Tổng hợp dẫn xuất imin ........................................................................26
Sơ đồ 2.3. Tổng hợp dẫn xuất cis-β-lactam ...........................................................27
Sơ đồ 3.1. Tổng hợp dẫn xuất 2-phenoxy clorua axetic ..........................................31
Sơ đồ 3.2. Cơ chế hình thành chất 5a,b ..................................................................32

ii


BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu

Chú thích

1

SKPB

Sắc ký phân bố

2

SKPD

Sắc ký pha đảo

3

SKPT

Sắc ký pha thuận

4

HPLC

High-performance liquid chromatography

5

MS

Mass spectrometry

6

NMR

Nuclear magnetic resonance

iii


iv


MỞ ĐẦU
Với sự biến đổi không ngừng của vi khuẩn, hàng loạt thuốc kháng sinh
không còn sử dụng được hoặc phổ tác dụng hẹp lại do khả năng kháng thuốc của
vi khuẩn. Làm giảm hiệu quả điều trị bệnh và gây ra những biến chứng không
mong muốn cho người bệnh.
Azetidin-2-ones (β-lactams) đại diện cho nhóm thuốc kháng sinh quan
trọng [9] và ứng dụng làm các synthon trong tổng hợp hữu cơ [13]. Để tạo ra
những loại thuốc mới, có hiệu lực điều trị cao và chưa bị vi khuẩn kháng lại, thì
việc tổng hợp và bán tổng hợp β-lactam mới là một việc làm rất quan trọng.
Mặt khác, như ta đã biết hoạt tính sinh học của các đồng phân quang học
(đồng phân đối quang hoặc đồng phân lập thể không đối quang) là rất khác nhau
và việc tách các đồng phân đó thì rất tốn kém, tốn rất nhiều thời gian. Vì vậy
việc tổng hợp chọn lọc lập thể các đồng phân quang học là rất quang trọng, làm
giảm chi phí cho thực hiện quá trình tách, tăng hiệu quả điều trị.
Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi tập trung vào việc phân tích cấu trúc
và xác định độ chọn lọc lập thể của các hợp chất β-lactams, thu được từ phản

ứng tổng hợp theo phương pháp Staudinger, bằng các phương pháp hiện đại như
HPLC-MS và NMR.

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. BETA LACTAM
β-lactam được phân loại dựa theo cấu trúc vòng cơ sở và được chia thành
4 nhóm:
·

β-lactam kết hợp với vòng 5 cạnh bão hòa.
o

β-lactam có chứa vòng thiazolidine được gọi tên là penams (A)

o

β-lactam có chứa vòng pyrrolidine được gọi tên là carbapenams (B)

o

β-lactam hợp nhất để oxazolidine vòng được gọi tên là oxapenams
hoặc clavams (C)

·

β-lactam kết hợp với vòng năm cạnh không bão hòa:
o

β-lactam có chứa vòng thiazol 2,3-dihydro được gọi tên là penems
(D)

o

·

β-lactam có chứa vòng 2,3-dihydro-1H-pyrrole được gọi tên là
carbapenems (E)

β-lactam kết hợp với vòng 6 cạnh chưa bão hòa:
o

β-lactam có chứa vòng 3,6-dihydro-2H-1,3-thiazine được gọi tên là
cephems (G)

o

β-lactam có chứa vòng 1,2,3,4-tetrahydro pyridin được gọi tên là
carbacephems (H)

o

·

β-lactam có chứa vòng 3,6-dihydro-2H-1,3-oxazine được gọi tên là
oxacephems (I)

β-lactam không kết hợp với bất kỳ một vòng nào đư ợc gọi tên là

monobactams

2


Hình 1.1. Cấu trúc cơ sở β-lactam
Hợp chất chứa vòng β-lactam được ứng dụng chủ yếu trong thực tế là làm
thuốc kháng sinh.
1.2. TỔNG HỢP BETA LACTAM
Azetidin-2-ones(β-lactams) đại diện cho một nhóm các hợp chất rất quan
trọng do hoạt tính sinh học nổi tiếng của chúng [9] và là hợp chất trung gian
trong tổng hợp hữu cơ [13]. Nhiều phương pháp tổng hợp β-lactam đã được phát
triển như: phản ứng cộng vòng [2+2], phản ứng tạo vòng, phản ứng gắn thêm
carbene, và phản ứng sắp xếp lại các hợp chất dị vòng [14],[9].
1.2.1. Phản ứng Staudinger
Phản ứng Staudinger, phản ứng của ketene với các hợp chất chứa chức
imine, là phương pháp tổng hợp quan trọng nhất điều chế β–lactam. Kể từ khi
được phát hiện ra bởi Staudinger [15], phản ứng này từ lâu đã được nghiên cứu
thực nghiệm và lý thuyết để hiểu cơ chế của nó và là cơ sở cho việc chọn lọc lập
thể. Nó được áp dụng để tổng hợp một loạt các cấu trúc β-lactam (Sơ đồ 1.1).
Hiện nay phản ứng này vẫn là một trong những phương pháp tốt nhất cho quá
trình tổng hợp β –lactam [14].

Sơ đồ 1.1. Phản ứng Staudinger
3


1.2.2. Cơ chế phản ứng và điều khiển độ chọn lọc lập thể
Cơ chế của phản ứng Staudinger được đưa ra bởi Hegedus là cơ chế mô tả
tốt nhất [15]. Imine, tác nhân nucleophile tấn công orbital nguyên tử trống

(LUMO) của nhóm đồng phẳng carbonyl ketene tạo ketene thế. Quá trình tấn
công xảy ra ở bên phía ít cản trở (cách tiếp cận exo), với mặt phẳng của imine
vuông góc với ketene, tạo ra các trung gian zwitterion (5) (sơ đồ 1.2).

Sơ đồ 1.2. Cơ chế phản ứng Staudinger
Hợp chất trung gian này đã được phát hiện và đặc trưng bởi quang phổ IR
[22]. Chuyển động quay của các imine đi vào mặt phẳng của ketene xảy ra đồng
thời với việc đóng vòng conrotatory tạo ra sản phẩm β –lactam (6) trong đó
nhóm imine R1 và nhóm L của ketene là cis. Khi nhóm thế trên carbon sp2 của
imine (R1 trong sơ đồ) ổn định điện tích dương, hợp chất trung gian zwitterioncó
thể bị đồng phân hóa tạo thành dạng cis của liên kết iminium vàtạo ra sản phẩm
trans-β-lactam (9). Tỷ lệ tương đối của các quá trình sẽ xác định sản phẩm hóa
học lập thể của phản ứng ketene/imine.
Tính toán ab initio xác định sự có mặt của hợp chất trung gian zwitterion
và đóng vòng conrotatory [25]. Nghiên cứu tiếp theo [9] khẳng định bản chất
hai bước của quá trình và chứng minh một số điểm tương đồng với mô hình đề
xuất bởi Houk cho phản ứng conrotatory của cyclobutenes [18].
Gần đây, nghiên cứu mới của nhóm Xu [9] đề xuất một cơ sởđể giải thích
kết quả lập thể của phản ứng, xem xét lại mô hình được mô tả bởi Hegedus và
chỉ ra nguồn gốc động học của tỷ lệ cis/trans của sản phẩm β –lactam. Con

4


đường được đề xuất cho sự hình thành β –lactam được mô tả dưới đây (Sơ đồ
1.3).

Sơ đồ 1.3. Con đường hình thành β –lactam
Khi sử dụng ketene dẫn xuất một lần thế thường cho tấn công exo là ưu
thế. Sản phẩm hóa học lập thể cuối cùng chịu ảnh hưởng bởi bản chất của các

ketene và các hợp chất chức imine, vì nó là kết quả của sự cạnh tranh phản ứng
đóng vòng (k1) và phản ứng đồng phân hóa imine (k2). Tỷ lệ k1/k2 xác định tỷ lệ
cis/trans của sản phẩm β –lactam. Các tác giả đề xuất [9], bước đóng vòng có
thể xảy ra dễ dàng hơn khi thêm vào một tác nhân nucleophile của một enolate
nhóm chức của imine hơn là quá trình electrocyclic. Tăng mật độ điện tử cho
ketene thế và giảm mật độ điện tử cho imine thế làm tăng phản ứng đóng vòng
(tăng k1), dẫn đến hình thành chủ yếu cis- β –lactam. Mặt khác, làm giảm mật độ
electron của ketene thế và làm tăng mật độ electron imine sẽ làm giảm giá trị k1
và có lợi cho phản ứng đồng phân hóa, dẫn đến hình thành chủ yếu trans- β –
lactam. Các hiệu ứng điện tử của các nhóm thế trên đồng phân là một yếu tố nhỏ
trong chọn lọc lập thể. Cuối cùng, sau khi so sánh các phản ứng tương tự thực
hiện trong các điều kiện khác nhau, các tác giả cũng thừa nhận rằng không có
ảnh hưởng của sóng viba [15] hoặc ánh sáng trong độ chọn lọc lập thể của phản
ứng Staudinge [21].
Độ chọn lọc lập thể cũng chịu ảnh hưởng bởi tính chất của dung môi, các
dung môi không phân cực có lợi cho sự hình thành cis- β –lactam, trong khi
dung môi phân cực thuận lợi cho sự hình thành trans. Ngoài ra, cách ketene
5


được hình thành và thứ tự của bổ sung các tác nhân, cũng ảnh hưởng đến độ
chọn lọc lập thể của sản phẩm [27]. Sự xuất hiện của các orbital liên hợp giữa
ketene và tác nhân imine ảnh hưởng đến độ chọn lọc lập thể của sản phẩm tương
tự như nhiệt độ [19].
Một phương pháp rất hiệu quả để thu được trans- β -lactam được phát
triển bởi Lectka và đồng nghiệp bằng cách sử dụng muối (12) như một anion
xúc tác ái nhân (Sơ đồ 1.4). Trên thực tế, biện pháp này không hiệu quả với acyl
clorua béo [28].

Sơ đồ 1.4. Sử dụng muối 12 tổng hợp β-lactam

Việc sử dụng sorbyl clorua (16) như một một tiền chất của
butadienylketene thu được một số kết quả thú vị liên quan đến đồng phân lập thể
không đối quang. Khi phản ứng Staudinger được thực hiện với N-aryl imine, thu
được chủ yếu là sản phẩm trans, trong khi sử dụng N-akyl imine thu được chủ
yếu là cis- β –lactam (Sơ đồ 1.5)[24].

Sơ đồ 1.5. Sorbyl clorua (16)tổng hợp β-lactam

6


Việc chọn lọc trans cũng thu được trong phản ứng Staudinger giữa imine
và vinylketene chứa một γ – heteroatom. Cấu hình Z của nhánh vinyl của đồng
đồng phân lập thể có tác dụng ổn định vinylketene và sản phẩm chính là trans-3vinyl - β –lactam (Sơ đồ 1.6) [23].

Sơ đồ 1.6. Tổng hợp β-lactam từ imine và vinylketene
1.3. PHÂN TÍCH CÁC ĐỒNG PHÂN ĐỐI QUANG
Phân tích các đồng phân đối quang là tách một hỗn hợp raxemic bằng các
phương pháp vật lý và hóa học. Thông thường, sự tách được 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 tách
bằng cách trực tiếp. Trong khi đó, các đồng phân “dia” có thể tách được bằng
các phương pháp kết tinh chọn lọc, phương pháp sắc ký hoặc phương pháp
NMR.
1.3.1. Phương pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym
Hầu hết các enzym có tính đặc hiệu với một loại cơ chất nhất định. Dựa
vào tính chất này, người ta đã sử dụng các enzym để chuyển hóa chọn lọc một
trong hai đối quang trong hỗn hợp. Ví dụ phản ứng thủy phân hỗn hợp raxemic
của este bằng enzym pig liver estease. Dưới tác dụng của enzym này, chỉ có
đồng phân S được thủy phân. Nhờ đó mà người ta tách được hai đồng phân này

ra khỏi nhau.

7


1.3. 2. Tách các đồng phân đối quang nhờ tác nhân bất đối bổ trợ
Hỗn hợp raxemic hoặc hai đồng phân của các hợp chất đối quang có một
tâm bất đối thường không thể tách ra khỏi nhau. Tuy nhiên, khi tham gia phản
ứng với các chất bổ trợ chiral có từ một hoặc nhiều tâm bất đối, tạo thành sản
phẩm có từ hai tâm bất đối trở lên, có thể tách được bằng các phương pháp hóa
lý khác nhau. Dựa vào tính chất quan trong này năm 1953, Pasteur đã tách được
đôi đồng phân đối quang của axit tactaric nhờ sự tạo muối “dia” của hỗn hợp hai
đối quang với (+)-cinchotoxin, có độ tan khác nhau nên có thể tách ra khỏi nhau
bằng phương pháp kết tinh. Phương pháp này vẫn được sử dụng hiệu quả để
tách hỗn hợp hai đồng phân đối quang ra khỏi nhau.

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 được có thể tách ra bằng các phương pháp hóa
lý khác nhau. Cuối cùng các tác nhân bất đối bổ trợ được loại bỏ, thu được các
đồng phân đối quang tinh khiết.

1.3.3. Tách 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
8

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. 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

1.3.4. Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR
Để xác định tỉ lệ các đồng phân lập thể có thể sử dụng nhiều phương pháp
khác nhau, nhưng phổ NMR là một phương pháp hữu ích và phổ biến, vì nó
không làm thay đổi tỉ lệ của các đồng phân trong hỗn hợp và chỉ cần lượng nhỏ
hỗn hợp hai đồng phân đối quang. Các đồng phân khác nhau được xác định nhờ
độ dịch chuyển hóa học và hằng số tương tác spin-spin của những nguyên tử
hydro trong từ trường.
Trong phổ NMR, phần lớn hạt nhân của 1H và

13

C 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 được 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 được bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân, do tín
hiệu của chúng không được phân tách trong từ trường. Để phân biệt được hai
cấu hình của các hợp chất có một tâm bất đối, người ta phải chuyển hợp chất
nghiên cứu thành đồng phân dia. Cơ sở của phương pháp Mosher là chuyển hợp
chất có một tâm bất đối thành đồng phân dia bằng cách thực hiện phản ứng của
hợp chất nghiên cứu với axit R-Mosher để tạo thành este hoặc thành amit… Sau
đó, nghiên cứu cấu hình của các hợp chất dia này sẽ đưa ra được cấu hình của
chất ban đầu. Ví dụ, để xác định cấu hình tuyệt đối của hợp chất 1-phenylbutan9


1-ol có một tâm bất đối, Mosher đã tổng hợp este của nó với axit R-Mosher để
tạo ra hai đồng phân dia như mô tả trong sơ đồ dưới đây.

Hai đồng phân dia này sẽ được phân biệt rõ trên phổ cộng hưởng từ hạt
nhân proton. Tín hiệu của proton bậc ba tại trung tâm bất đối của dẫn xuất este
Mosher của (R)-1-phenylbutan-1-ol sẽ dịch chuyển về phía 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 1-phenylbutan-1-ol ban đầu.

Hình 1.2. Phổ 1H-NMR của hỗn hợp este Mosher (S)-1-phenylbutan-1-ol và
(R)-1-phenylbutan-1-ol

Hình 1.3. Phổ 1H-NMR của este Mosher (R)-1-phenylbutan-1-ol và (S)-1phenylbutan-1-ol
10

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.

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 phép 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 trường tạo ra
phổ không tương đương. Có thể là do cả hydroxyl và các hydro cacbinyl của
chất CSA tạo ra các tương tác với các tâm bazơ. Ưu điểm của của phương 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 được quá trình raxemat hóa, đặc biệt là có thể sử
dụng để xác định cấu hình của các chất có hàm lượng nhỏ.

Ví dụ, để nghiên cứu cấu hình của hai đối quang oxaziridin nhờ tác nhân
bổ trợ CSA, kết quả do tương tác cầu hydro của oxazirindin với CSA tạo thành
phức dia, dẫn đến một số tín hiệu của hai đối quang được tách biệt trong từ
trường. Nghiên cứu của phổ 1H-NMR của hỗn hợp hai đồng phân (-)-oxaziridin
khi không có tác nhân chuyển dịch CSA thì các tín hiệu proton không phân biệt
được trong từ trường, nhưng khi cho kết hợp với (S)-(+)-CSA thì các tín hiệu
của metyl, metin được tách ra. Dựa vào phổ này, người ta có thể xác định được
tỷ lệ hai đồng phân đối quang của oxaziridin.

11


Hình 1.4. Phổ 1H-NMR của (-)-enriched và hỗn hợp (-)-enriched với CSA
c). Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch Eu(hfc)3)

Tác nhân Eu(hfc)3 là phức của kim loại thuận từ với ligand hữu cơ có tâm
bất đối. Khi tác nhân Eu(hfc)3 kết hợp với nhóm chức (NH2, OH, SH …) trong
phân tử có một trung tâm bất đối sẽ tạo thành đồng phân “dia”. Phức dia tạo
thành có một số proton được tách ra trong từ trường và chuyển về trường thấp.
Sự tách biệt và độ chuyển dịch về phía trường thấp của một số proton phụ thuộc
vào nồng độ của tác nhân phức Eu(hfc)3.

Ví dụ, nghiên cứu phổ 1H-NMR của hỗn hợp hai đối quang (R,S)-1axetyl-1-phenylbutan, các tín hiệu proton của hai đối quang không phân biệt
được trong từ trường. Tuy nhiên, khi được tạo phức với tác nhân chuyển dịch
Eu(hfc)3 thì có sự tách tín hiệu. Nhóm metyl (triplet) được tách thành hai triplet
có cường độ tương đương nhau. Sự tách tín hiệu của proton trong từ trường 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)-1axetyl-1-phenylbutan khi tạo phức với Eu(hfc)3 đều được tách ra và có độ
12


chuyển dịch hóa học chuyển về phía trường 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 được chuyển
dịch về phía trường cao so với (S)-1-axetyl-1-phenylbutan. Như vậy, có thể phân
biệt và xác định được tỷ lệ hai đồng phân (R)-1-axetyl-1-phenylbutan và (S)-1axetyl-1-phenylbutan nhờ 1H-NMR của chúng khi tạo phức với tác nhân chuyển
dịch Eu(hfc)3 (xem hình 5).

Hình 1.5. Tín hiệu 1H-NMR của CH3 trong một số trường hợp
1.3.5. X-ray tinh thể
a. Giới thiệu chung
Phương pháp X-ray phân tử là phương pháp hiện đại nhất để xác định cấu
trúc phân tử của một hợp chất hữu cơ. Từ phương trình Bragg, người 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 lượng phân tử (n) xây

dựng nên tế bào cơ sở.
Phương trình Bragg: 2d.sin(θ) = nλ
Thể tích tế bào cơ sở: V = abc(1-cos2α-cos2β-cos2γ+2cosαcosβcosγ)1/2
Số lượng 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 hướng (h,k,l) và hướng ngược
lại (-h,-k,-l). Cường độ của tín hiệu Friedel (Fhkl, F-h,-k-l) được tính toán nhờ
cường độ của tín hiệu nhiễu xạ (Ihkl) (|Fhkl| = (Ihkl)1/2).
13


H,K,L

-H,-K,-L

Hình 1.6. Cặp tín hiệu Fiedel
Mật độ electron tại một điểm trong tế bào cơ bản sẽ được tính toán bằng
công thức:
ρ(x,y,z) = [ Σhkl Fhkl exp{-2p(hx + ky + lz)}] / V
Bằng cách đo cường độ của tất cả các tín hiệu nhiễu xạ Ihkl theo mặt h,k,l
khi đã biết được các thông số cơ bản của tế bào cơ sở theo phương trình Bragg ở
trên, người ta sẽ tính toán được mật độ electron tại mọi điểm trong không gian
của tế bào cơ sở, từ đó có thể xây dựng được bản đồ mật độ điện tích của phân
tử.Từ dữ liệu bản đồ mật độ electron, chương trình máy tính sẽ dựng được cấu
trúc không gian ba chiều của phân tử. Quá trình xác định cấu trúc của hợp chất
hữu cơ bằng phương pháp X-ray phân tử có thể được tóm tắt như sau:

Hình 1.7. Sơ đồ tóm tắt quá trình phân tích cấu trúc bằng phương pháp X-Ray
b. Xác định cấu hình tuyệt đối

Phương pháp X-ray tinh thể có khả năng xác định chính xác cấu hình
tuyệt đối của một phân tử, nếu trong phân tử có nguyên tử có tán xạ tia X bất
thường. Để xác định cấu hình tuyệt đối của phân tử bằng phương pháp X-ray
tinh thể người ta sử dụng phương pháp của Bijvoet và phương pháp so sánh chỉ
số R.
14


Phương pháp Bijvoet: Do mỗi trung tâm bất đối khi được chiếu bức xạ tia
X sẽ phát ra một cặp tín hiệu bất thường Friedel, lợi dụng nguyên tắc này
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 hướng (h,k,l) và hướng
ngược lại (-h,-k,-l), để xác định cấu hình tuyệt đối.
Phương pháp so sánh chỉ số R: Chỉ số R được xây dựng trên cơ sở hàm
thống kê Hamilton từ toàn bộ dữ liệu của các cặp đồng phân đối quang và được
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 phương pháp thống kê.
Như vậy, cả hai phương pháp này chỉ dựa vào tia phản xạ đặc biệt có
cường độ cao do ảnh hưởng của cấu trúc ở những trung tâm bất đối của phân tử
mà chưa so sánh được những tia tán xạ yếu. Những yếu tố tán xạ yếu chỉ được
sử dụng khi dữ liệu X-ray có số lượng lớn. Phương 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, người 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 được chọn để nghiên cứu trong
phương pháp này là những chất có khả năng dễ kết tinh để nhận được dạng đơn
tinh thể. Việc xác định cấu hình tuyệt đối của các hợp chất quang hoạt bằng
phân tích X-ray được thực hiện dựa vào phần cấu hình tuyệt đối của chất gắn kết

với chất nghiên cứu. Ngoài ra, việc đưa nhóm nguyên tử nặng như halogen (Cl,
Br, I) vào phân tử hợp chất quang hoạt cũng cho phép xác định cấu hình tuyệt
đối của chất đó nhờ phương pháp Bijvoet ở trên.

Ví dụ hidroxy lacton chưa biết cấu hình tuyệt đối được chuyển thành este
với axit Mosher để tạo thành đồng phân dia. Trong trường hợp chất tạo thành
thu được dưới dạng đơn tinh thể, cấu hình tuyệt đối của hydroxy lacton được
15


xác định thông qua cấu hình tuyệt đối đã biết của phần tác nhân Mosher thông
qua phân tích phổ X-ray.
1.3.6. Phổ CD
Phương pháp phổ CD cũng dựa trên nguyên tắc cơ bản của hiệu ứng
Cotton, cơ sở của phương pháp này là nghiên cứu bước chuyển ở trung tâm bất
đối (circular dichroism) hay còn gọi là phổ nhị sắc tròn. Việc xác định phổ CD
rất phức tạp, vì nó phụ thuộc vào bản chất của hợp chất nghiên cứu, chỉ có
những hợp chất có bước chuyển n---->π* và π---->π* (có nhóm mang màu) mới
đo được hiệu ứng Cotton. Trong trường hợp chất cần nghiên cứu không có bước
chuyển n---->π* và π---->π* cần phải gắn thêm một nhóm mang màu vào phân
tử. Xác định cấu hình tuyệt đối của một hợp chất hữu cơ được thực hiện nhờ so
sánh hiệu ứng Cotton của nó với hiệu ứng Cotton của chất có cấu trúc tương tự
đã biết về cấu hình tuyệt đối. Như vậy, cần phải có nhiều hợp chất có cấu trúc
tương đồng đã biết để so sánh và xác định cấu hình tuyệt đối của chất cần
nghiên cứu.
Ví dụ, khi muốn xác định cấu hình của flavan mới, người ta phải so sánh
hiệu ứng Cotton của hợp chất cần nghiên cứu với hiệu ứng Cotton flavan đã biết
trước cấu hình tuyệt đối. Hợp chất flavan B đã biết cấu hình tuyệt đối, hợp chất
flavan A chưa biết cấu hình tuyệt đối, hiệu ứng Cotton của A và B trên phổ CD
là tương tự nhau nhưng có chiều ngược nhau, nên cấu hình tuyệt đối của A là

ngược so với B.

Hình 1.8. Phổ CD của hợp chất A và B
Ngoài ra, với các phân tử hữu cơ quang hoạt có chứa các phần mang màu
đã biết việc phân tích phổ CD cho phép xác định được cấu hình tuyệt đối của
cacbon bất đối trong phần mang màu này.

16