Phân tích cấu trúc của một số hợp chất 6 aryl piperazindione bằng các phương pháp phổ hiện đại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

TRẦN THỊ KIM NGỌC

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

TRẦN THỊ KIM NGỌC

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM THẾ CHÍNH

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn:
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thế Chính người thầy
đã giao đề tài, tận tình chỉ bảo và truyền đam mê nghiên cứu cho em trong suốt
quá trình hoàn thành luận văn, người thầy đã tận tình hướng dẫn để em hoàn
thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Văn Tuyến, TS. Phạm Thị
Thắm và các bạn HVCH phòng Hóa dược Viện Hóa học đã giúp đỡ em rất
nhiều về thực nghiệm trong suốt thời gian làm luận văn.
Em xin chân thành cám ơn PGS.TS Dương Nghĩa Bang và các bạn
HVCH phòng Hóa hữu cơ khoa Hóa học trường Đại học Khoa học - ĐHTN đã
giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo khoa Hóa học trường Đại học
Khoa học - ĐHTN, tập thể các thầy cô, anh chị và các bạn tại khoa Hóa học
trường Đại học Khoa học - ĐHTN đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá
trình hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu cùng toàn thể cán bộ giáo viên
Trường THPT Marie Curie - Hải Phòng đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian
và công việc để em hoàn thành luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã dạy dỗ em nên người!
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã giúp
đỡ em hoàn thành luận văn.
Tác giả luận văn

Trần Thị Kim Ngọc

a

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................... a
MỤC LỤC ................................................................................................. b
DANH MỤC SƠ ĐỒ ................................................................................ e
DANH MỤC HÌNH ................................................................................... f
DANH MỤC PHỤ LỤC ........................................................................... g
MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
Chương 1: TỔNG QUAN ....................................................................... 2
1.1. Tổng quan về các phương pháp xác đinh
̣ cấ u trúc ............................. 2
1.1.1. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) [1] ............................................ 2
1.1.2. Phương pháp phổ khối lượng (MS) [1,4] ........................................ 3
1.1.3. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) [4] ................... 5
1.2. Tách và phân tích các đồng phân đối quang [5] ................................ 8
1.2.1. Phương pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym .............. 8
1.2.2. Tách và phân tích đồng phân đối quang bằng các phương pháp hóa
lý hiện đại .................................................................................................. 8
1.2.3. Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR. .......................... 9
1.2.4. Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch (Shift reagent) Mosher. 9
1.3. Hợp chất PIPERAZINEDION ......................................................... 11
1.3.1. Cấu trúc của piperazinedion .......................................................... 11
1.3.2. Hoạt tính sinh học của piperazinedion .......................................... 12
1.4. Mục tiêu của luận văn ...................................................................... 16
Chương 2: THỰC NGHIỆM ............................................................... 17
2.1. Phương pháp nghiên cứu, nguyên liệu và thiết bị ............................ 17
2.1.1. Phương pháp nghiên cứu............................................................... 17
2.1.2. Hóa chất và dung môi ................................................................... 17
2.1.3. Định tính phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết của các hợp chất bằng
sắc kí lớp mỏng ....................................................................................... 17
2.1.4. Xác nhận cấu trúc .......................................................................... 17

b


2.2. Phân tích cấu trúc hợp chất trung gian 5a,b .................................... 18
2.2.1. Tổng hợp ethyl (1S,3S)-1-(3-methoxyphenyl)-2,3,4,9-tetrahydro1H-pyrido[3,4-b]indole-3-carboxylate .................................................... 18
2.2.2. Phân tích cấu trúc của hợp chất 5a,b ............................................ 19
2.3. Tổng hợp chất trung gian 6a,b ......................................................... 20
2.4. Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 7a,b ............................... 20
2.4.1. Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ 7a,b............................. 20
2.4.2. Phân tích cấu trúc của 7a bằng phổ IR ......................................... 21
2.4.3. Phân tích cấu trúc của 7a,b bằng phương pháp phổ NMR ........... 21
2.4.4. Phân tích cấu trúc của 7a,b bằng phương pháp phổ MS .............. 22
2.5. Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 8a,8b ............................. 23
2.5.1. Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ 8a,b............................. 23
2.5.2. Phân tích cấu trúc của 8a,b bằng phương pháp phổ NMR ........... 23
2.6. Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 9a,b ............................... 24
2.6.1. Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ 9a,b............................. 24
2.6.2. Phân tích cấu trúc của 9a,b bằng phương pháp phổ NMR ........... 25
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................... 27
3.1. Mục tiêu của luận văn ...................................................................... 27
3.2. Phân tích cấu trúc của các hợp chất trung gian 5a,b ....................... 28
3.2.1. Chuẩn bị mẫu nguyên liệu trung gian 5a,b ................................... 28
3.2.2. Phân tích cấu trúc của trung gian 5a,b bằng phổ NMR ................ 28
3.3. Chuẩn bị các hợp chất trung gian 6a,b ............................................ 31
3.4. Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 7a và 7b ........................ 32
3.5. Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 8a và 8b ........................ 36
3.6. Phân tích cấu trúc của các piperazinedion 9a và 9b ........................ 38
KẾT LUẬN ............................................................................................ 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 42

PHỤ LỤC

c


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
MS

Phương pháp phổ khối lượng

EI

Phương pháp bắn phá bằng dòng electron

CI

Phương pháp ion hóa hóa học

FAB

Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh

GC

Phương pháp sắc ký khí

HPLC

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao

DHA

Dihydroartemisinin

SKLM

Sắc kí lớp mỏng

TMS

Chất chuẩn

NTD.01

Ete allyl của artemisinin

NTD.031

Dẫn xuất epoxit

NTD.039

Dẫn xuất mở vòng epoxit

mCPBA

meta-Chloroperoxybenzoic acid

NMR

Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân

d


DANH MỤC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 3.1. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn ................................................. 27
Sơ đồ 3.2. Tổng hợp chất trung gian 5a, 5b ................................................... 28
Sơ đồ 3.3. Tổng hợp chất trung gian 6a,b ...................................................... 31
Sơ đồ 3.4. Tổng hợp hợp chất piperazinedion 7a ........................................... 33

e


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phổ hồng ngoại của hept- 1-in .................................................. 2
Hình 1.2. Thiết bị phân tích phổ khối lượng (MS) ................................... 3
Hình 1.3. Phổ khối lượng của 3,4-Dimethoxyacetophenone .................... 5
Hình 1.4. Hệ thống phân tích phổ hạt nhân .............................................. 6
Hình 1.5. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của 1-etoxy-4-metoxynaphthalen 7
Hình 1.6. Phổ 1H-NMR của hỗn hợp (R,S)-1-phenylbutan-1-ol ............ 10
Hình 1.7. Phổ 1H-NMR của (R)-1-phenylbutan-1-ol và (R)-1-phenylbutan-1ol .............................................................................................. 11
Hình 1.8: Hợp chất piperazinedion đơn giản .......................................... 12
Hình 1.9. Các hợp chất tryprostatin. ....................................................... 13
Hình 1.10. Cấu trúc của các cyclotryprostatins A-D .............................. 13
Hình 1.11. Tác nhân ức chế trùng hợp Tubulin ...................................... 14
Hình 1.12 Cấu trúc của một số hợp chất ức chế PDE-5 ......................... 14
Hình 1.13. Các chất đối kháng oxytoxin ................................................. 15
Hình 3.1. Phổ 1H-NMR của hợp chất cis-5a .......................................... 29

Hình 3.2. Phổ 1H-NMR của hợp chất trans-5b ....................................... 31
Hình 3.3. Phổ IR của hợp chất 7a. .......................................................... 33
Hình 3.4. Phổ MS của hợp chất 7a. ........................................................ 34
Hình 3.5: Phổ 1H-NMR của hợp chất 7a ................................................ 35
Hình 3.6. Phổ 13C-NMR của hợp chất 7a .............................................. 36
Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của hợp chất 7b ................................................ 36
Hình 3.8. Phổ 1H-NMR của hợp chất 8a ................................................ 37
Hình 3.9. Phổ 1H-NMR của hợp chất 8b ................................................ 38
Hình 3.10. Phổ 1H-NMR của hợp chất 9a .............................................. 39
Hình 3.11. Phổ 1H-NMR của hợp chất 9b .............................................. 40

f


DANH MỤC PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Phổ 1H-NMR của hợp chất cis-5a ............................................ 1- PL
Phụ lục 2: Phổ 1H-NMR của hợp chất trans-5b ........................................ 1- PL
Phụ lục 3: Phổ 1H-NMR của hợp chất 8b .................................................. 2- PL
Phụ lục 4: Phổ 1H-NMR của hợp chất 8a .................................................. 2- PL
Phụ lục 5: Phổ 1H-NMR của hợp chất 9a ................................................. 3- PL
Phụ lục 6: Phổ 1H-NMR của hợp chất 9b .................................................. 3- PL
Phụ lục 7: Phổ 13C-NMR của hợp chất 9b ................................................ 4- PL
Phụ lục 8: Phổ 1H-NMR của hợp chất 7b .................................................. 4- PL
Phụ lục 9: Phổ 13C-NMR của hợp chất 7b ................................................. 5- PL
Phụ lục 10: Phổ IR của hợp chất 7b........................................................... 5- PL
Phụ lục 11: Phổ MS của hợp chất 7b. ....................................................... 6- PL
Phụ lục 12: Phổ 1H-NMR của hợp chất 7a ................................................ 6- PL
Phụ lục 13: Phổ 13C-NMR của hợp chất 7a. .............................................. 7- PL
Phụ lục 14: Phổ IR của hợp chất 7a ........................................................... 7- PL

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

g


MỞ ĐẦU
Phân tích cấu trúc các hợp chất hữu cơ là một trong số các nhiệm vụ
quan trọng của Hóa học vì chỉ khi biết chính xác cấu trúc, chúng ta mới có
câu trả lời chính xác cho việc định tính, định lượng và phân tích chúng trong
các mẫu nghiên cứu thực cũng như trong đời sống và công nghệ. Để phân
tích cấu trúc của các hơ ̣p chấ t hữu cơ có thể sử du ̣ng các phương pháp phổ
như phổ hồ ng ngoại, phổ tử ngoa ̣i khả kiến, phổ cô ̣ng hưởng từ ha ̣t nhân, phổ
khố i lươ ̣ng. Mỗi phương pháp cho phép xác định mô ̣t số thông tin khác nhau
của cấ u trúc phân tử và hỗ trợ lẫn nhau trong việc xác định cấu trúc các hợp
chất hữu cơ.
Piperazinedion là lớp cấu trúc phổ biến nhất được tìm thấy trong tự
nhiên có hoạt tính chống ung thư như tryprostatins A (1) và B (2), trong đó
cyclotryprostatin A-D có hoạt tính ức chế chu kỳ phát triển của tế bào động
vật có vú, phenylahistin (8) có hoạt tính chống ưng thư nhờ ức chế quá trình
trùng hợp tubulin. Ngoài ra các hợp chất piperazinedion còn có hoạt tính
kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virut... Do có hoạt tính sinh học quý nên
các hợp chất này được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tổng hợp
nhằm tìm kiếm các hợp chất mới có hoạt tính sinh học lý thú.
Các hợp chất thiên nhiên có nguồn gốc sinh vật biển như
piperazinedion thường có cấu trúc rất phức tạp với phân tử có nhiều nhân
thơm, có nhiều trung tâm bất đối xứng nên việc phân tích cấu trúc của các
hợp chất này gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải có sự kết hợp nhiều phương
pháp phân tích cấu trúc. Do đó đề tài “Phân tích cấu trúc của một số hợp
chất 6-aryl piperazindione bằng các phương pháp phổ hiện đại” rất có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn.

1


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về các phương pháp xác đinh
̣ cấ u trúc
1.1.1. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) [1]
Trong số các phương pháp phân tích cấu trúc, phổ hồng ngoại cho
nhiều thông tin quan trọng về cấu trúc của hợp chất, đặc biệt là nhóm chức
các hợp chất hữu cơ. Nguyên tắc chung của phương pháp phổ hồng ngoại là
khi ta chiếu các bức xạ hồng ngoại vào phân tử các hợp chất, bức xạ hồng
ngoại sẽ kích thích phân tử từ trạng thái dao động cơ bản lên trạng thái dao
động cao hơn. Có hai loại dao động khi phân tử bị kích thích là dao động hóa
trị và biến dạng, dao động hóa trị (ν) là dao động làm thay đổi độ dài liên
kết, dao động biến dạng (δ) là dao động làm thay đổi góc liên kết.
Đường cong biểu diễn cường độ hấp thụ với số sóng của bức xạ hồng
ngoại được gọi là phổ hồng ngoại, trên phổ biểu diễn các cực đại hấp thụ ứng
với những dao động đặc trưng của nhóm nguyên tử hay liên kết nhất định
(Hình 1.1).

Hình 1.1. Phổ hồng ngoại của hept- 1-in

Căn cứ vào phổ hồng ngoại đo được đối chiếu với các dao động đặc
trưng của các liên kết, ta có thể nhận ra sự có mặt của các liên kết trong phân
tử. Một phân tử có thể có nhiều dao động khác nhau và phổ hồng ngoại của
các phân tử khác nhau thì khác nhau, tương tự như sự khác nhau của các vân

2

ngón tay. Sự chồng khít lên nhau của phổ hồng ngoại thường được làm dẫn
chứng cho hai hợp chất giống nhau.
Khi sử dụng phổ hồng ngoại để xác định cấu trúc, thông tin thu được
chủ yếu là xác định các nhóm chức hữu cơ và những liên kết đặc trưng. Các
pic nằm trong vùng từ 4000 - 1600 cm-1 thường được quan tâm đặc biệt, vì
vùng này chứa các dải hấp thụ của các nhóm chức, như OH, NH, C=O,
C≡N… nên được gọi là vùng nhóm chức. Vùng phổ từ 1300 - 626 cm-1 phức
tạp hơn và thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn là để xác định
nhóm chức. Chính ở đây các dạng pic thay đổi nhiều nhất từ hợp chất này
đến hợp chất khác, vì thế vùng phổ từ 1500 cm-1 được gọi là vùng vân ngón
tay.
1.1.2. Phương pháp phổ khối lượng (MS) [1,4]
Phương pháp khối phổ (MS) là một kỹ thuật phân tích hóa học giúp
xác định hàm lượng và loại chất hóa học có trong một mẫu bằng cách đo tỷ
lệ khối lượng trên điện tích và số lượng của các ion pha khí. Đây là phương
pháp phân tích hiện đại được sử dụng phổ biến trong các phép phân tích cấu
trúc và phân tích hàm lượng các hợp chất hóa học.

Hình 1.2. Thiết bị phân tích phổ khối lượng (MS)

3


Nguyên tắc chung của phương pháp phổ khối lượng là phá vỡ phân tử
trung hòa thành ion phân tử và các mảnh ion dương có số khối z = m/e. Sau
đó phân tách các ion này theo số khối và ghi nhận được phổ khối lượng. Dựa
vào phổ khối này có thể xác định phân tử khối và cấu tạo phân tử của chất
nghiên cứu.

Để phá vỡ phân tử người ta có nhiều phương pháp: bắn phá bằng dòng
electron (EI), phương pháp ion hóa hóa học (CI), phương pháp bắn phá
nguyên tử nhanh (FAB)… Dùng dòng electron có năng lượng cao để bắn phá
phân tử là phương pháp hay được 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 dương
hoặc bị phá vỡ thành các ion và các gốc theo sơ đồ:
2e (1) > 95%

ABC
ABC

e
ABC

2

3e (2)

ABC-

Sự hình thành các ion mang điện tích +1 chiếm hơn 95%, còn lại là
các ion mang điện tích +2 và điện tích âm (-). Năng lượng bắn phá các phân
tử thành ion phân tử khoảng 10 eV. Nhưng với năng lượng cao thì ion phân
tử có thể phá vỡ thành các mảnh ion dương (+), hoặc các ion gốc, các gốc,
hoặc phân tử trung hòa nhỏ hơn, nên người ta thường thực hiện bắn phá các
phân tử ở mức năng lượng 70 eV.
ABC

A

ABC

AB

AB

A

BC
B
B

Sự phá vỡ này phụ thuộc vào cấu tạo chất, phương pháp bắn phá và
năng lượng bắn phá. Quá trình này gọi là quá trình ion hóa.
Các ion ion dương hình thành đều có khối lượng m và mang điện tích
e, tỉ số m/e được gọi là số khối z. Bằng cách nào đó tách các ion có số khối
khác nhau ra khỏi nhau và xác định được xác suất có mặt của chúng, rồi vẽ

4


đồ thị biểu diễn mối liên quan giữa xác suất có mặt ( hay cường độ I) và số
khối z thì đồ thị này được gọi là phổ khối lượng (Hình 1.3).

Hình 1.3. Phổ khối lượng của 3,4-Dimethoxyacetophenone

Như vậy, khi phân tích phổ khối lượng người ta thu được khối lượng
phân tử của chất nghiên cứu, từ các pic mảnh ion trên phổ đồ có thể xác định
được cấu trúc phân tử và tìm ra qui luật phân mảnh. Đây là một trong những
thông số quan trọng để qui kết chính xác cấu trúc phân tử của một chất cần

nghiên cứu khi kết hợp nhiều phương pháp phổ với nhau.
1.1.3. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) [4]
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân, viết tắt là NMR (Nuclear Magnetic
Resonance), là phương pháp hiện đại và được sử dụng rộng rãi trong nghiên
cứu Hóa học. Trong phương pháp phân tích cấu trúc này, chỉ các nguyên tố
có spin hạt nhân I≠0 mới được nhận diện và phân tích. Ngày nay, có nhiều
hạt nhân có thể nghiên cứu bằng kĩ thuật NMR, tuy nhiên phổ biến nhất là
H, C, N, P và F được ứng dụng hiệu quả trong xác định cấu trúc phân tử.
Trong đó phổ biến nhất là phương pháp phổ 1H-NMR và 13C-NMR. Hạt nhân
của nguyên tử 1H và 13C có momen từ. Nếu đặt proton trong từ trường không
đổi thì moment từ của nó có thể định hướng cùng chiều hay ngược chiều với
từ trường. Đó là spin hạt nhân có tính chất lượng tử với các số lượng tử +1/2
và -1/2 [2].

5


Hình 1.4. Hệ thống phân tích phổ hạt nhân
Giá trị quan trọng nhất trong phân tích NMR là độ chuyển dịch hóa
học . Giá trị này có được là do hiệu ứng chắn từ khác nhau nên các hạt nhân
1

H và 13C trong phân tử có tần số cộng hưởng khác nhau. Đặc trưng cho các

hạt nhân 1H và 13C trong phân tử có độ chuyển dịch hóa học δ; đối với hạt
nhân 1H thì:


 TMS  x 6
.10 ( ppm)

o

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

 chuan  x 6
.10 ( ppm)
o

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

6


Hằng số chắn σ xuất hiện do ảnh hưởng của đám mây electron bao
quanh hạt nhân nguyên tử, do đó tùy thuộc vào vị trí của hạt nhân 1H và 13C
trong phân tử khác nhau mà mật độ electron bao quanh nó khác nhau dẫn
đến chúng có giá trị hằng số chắn σ khác nhau và do đó độ chuyển dịch hóa
học của mỗi hạt nhân khác nhau. Theo đó proton nào cộng hưởng ở trường
yếu hơn sẽ có độ chuyển dịnh hóa học lớn hơn [3].
Dựa vào độ chuyển dịch hóa học  ta biết được loại proton nào có mặt
trong chất được khảo sát. Giá trị độ chuyển dịch hóa học không có thứ
nguyên mà được tính bằng phần triệu (ppm). Đối với 1H-NMR thì δ có giá
trị từ 0-12 ppm, đối với 13C-NMR thì δ có giá trị từ 0-230 ppm.

Hình 1.5. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của 1-etoxy-4-metoxynaphthalen

Hằng số tương tác spin-spin J: Trên phổ NMR, mỗi nhóm hạt nhân
không tương đương 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 tín hiệu cộng hưởng thành nhiều hợp phần là do tương tác của các hạt
nhân có từ tính ở cạnh nhau. Tương tác đó thể hiện qua các electron liên kết.
Giá trị J phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân tương tác, số liên kết và bản
chất các liên kết ngăn giữa các tương tác [3].

7


Hằng số tương tác spin-spin J được xác định bằng khoảng cách giữa
các hợp phần của một vân phổ. Dựa vào hằng số tương tác spin-spin J ta có
thể rút ra kết luận về vị trí trương đối của các hạt nhân có tương tác với nhau,
đặc biệt là cho biết các thông tin về cấu trúc không gian của phân tử như: cấu
hình cis-trans, Z-E, syn-anti, R-S, a-e…[2].
1.2. Tách và phân tích các đồng phân đối quang [5]
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 khỏi nhau 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.
1.2.1. 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.
1.2.2. Tách và phân tích đồng phân đối quang bằng các phương pháp hóa
lý hiện đại
Các đối quang có thể được tách nhờ các phương pháp sắc ký khí (GC),
sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) có sử dụng các cột chiral. Bản chất của
các phương pháp này là các hỗn hợp đối quang tương tác với pha tĩnh (tâm
bất đối trên cột chiral), nghĩa là chỉ một trong các đối quang có tương tác
mạnh hơn với tâm bất đối của cột. Đối quang có tương tác yếu sẽ được rửa
giải nhanh nhờ pha động, kết quả là hai đối quang được tách ra khỏi nhau.

8


Phương pháp này thường được sử dụng để xác định độ chọn lọc đối quang
trong của các phản ứng. Nếu phản ứng nhận được hỗn hợp có hai đồng phân
đối quang A và B (ee=enantiomer excess, de=diasteroisomer excess), độ
chọn lọc đối quang được xác định theo công thức:
ee 
de 

%enantiomerA  %enantiomerB
%enantiomerA  %enantiomerB

%diasteroisomerA  %diasteroisomerB
%diasteroisomerA  %diasteroisomerB

1.2.3. Phân tích các đối quang nhờ phương pháp NMR.
Để xác định tỉ lệ các đồng phân lập thể có thể sử dụng nhiều phương
pháp khác nhau, nhưng phổ NMR là một phương pháp hữu ích và phổ biến,

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 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 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.
1.2.4. Phương pháp sử dụng tác nhân chuyển dịch (Shift reagent) Mosher.
Đối với các hợp chất có một tâm bất đối thì hai đối quang 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 đối quang 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

9


thành amit... Ví dụ, để xác định cấu hình tuyệt đối của hợp chất 1phenylbutan-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.

Hình 1.6. Phổ 1H-NMR của hỗn hợp (R,S)-1-phenylbutan-1-ol

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 1phenylbutan-1-ol ban đầu.

10


Hình 1.7. Phổ 1H-NMR của (R)-1-phenylbutan-1-ol và (R)-1-phenylbutan-1-ol

Ngoài axit R-Mosher, hiện nay người ta đang nghiên cứu sử dụng một
số tác nhân bổ trợ khác để xác định cấu hình tuyệt đối của một số hợp chất
ancol, amin và axit cacboxylic có một tâm bất đối, ví dụ như các tác nhân bổ
trợ sau.

1.3. Hợp chất PIPERAZINEDION
1.3.1. Cấu trúc của piperazinedion
Piperazinedion (diketopiperazin) là vòng dipeptit thu được bằng cách
ngưng tụ hai α-amino axít. Các hợp chất này có rất nhiều trong tự nhiên như
là sản phẩm của sự thoái hóa các polypeptit, đặc biệt là trong chế biến thực
phẩm và đồ uống. Các tiểu đơn vị này thường được tìm thấy riêng rẽ hoặc
được gắn vào cấu trúc lớn hơn, phức tạp hơn trong một loạt các hợp chất tự
nhiên phân lập từ: nấm, địa y, vi khuẩn, thực vật và động vật có vú [6].

11


Hình 1.8: Hợp chất piperazinedion đơn giản
Các hợp chất piperazinedion không chỉ là một lớp cấu trúc phổ biến
của tự nhiên mà còn có khả năng liên kết với một phạm vi rộng với các thụ
thể. Nhờ tính chất đó các piperazinedion là đối tượng cho việc nghiên cứu

phát triển thuốc. Cấu trúc của piperazinedion đơn giản nhất là một bộ khung
dị vòng 6 cạnh, có thể đưa các nhóm thế vào sáu vị trí khác nhau và kiểm
soát lập thể lên tới bốn vị trí [6].
1.3.2. Hoạt tính sinh học của piperazinedion
Có rất nhiều chất có hoạt tính sinh học chứa khung piperazinedion bắt
nguồn từ các hợp chất tự nhiên cũng như tổng hợp. Những phân tử nhỏ, có
cấu hình cứng nhắc và khung bất đối có cả chức năng là chất nhận và chất
cho liên kết H, có nhiều vị trí cho sự phát sinh cấu trúc của các nhóm chức
đa dạng với lập thể xác định.
a, Hoạt tính ức chế ung thư
Trên thế giới có rất nhiều các công trình nghiên cứu tổng hợp và tách
chiết các dẫn xuất piperazinedion nhân tryptophan-prolin piperazinedion
được công bố như: tryprostatin A và B, fumitremorgin C, spirotryprostatin
A và B, cyclotryprostatin A-D,... đây là các hợp chất ban đầu cho sự phát
triển của các loại thuốc chống ung thư.
Năm 1995, Cheng-Bin Cui và cộng sự đã phân lập các tryprostatin A
(1) và B (2) (hình 1.3) từ chủng nấm biển Aspergillus fumigatus có hoạt tính
kháng u mạnh. Tryprostatin B là một chất ức chế chu kỳ tế bào động vật có
vú, trong khi tryprostatin A là một chất ức chế các protein kháng đa thuốc
12


(BCRP/ABCG2) trong hóa trị liệu điều trị ung thư vú [7,8]. Tryprostatin A
và B ức chế hoàn toàn chu kỳ phát triển tế bào tsFT210 trong giai đoạn G2/M
ở nồng độ tương ứng là 50µg/ml và 12,5µg/ml [7].

Hình 1.9. Các hợp chất tryprostatin.
Năm 1997, Cheng-Bin Cui và cộng sự đã phân lập được 4 hợp chất
piperazinedion khác là Cyclotryprostatin A-D (3-6) (hình 1.5) từ nấm
Aspergillus fumigatus và thăm dò hoạt tính sinh học của chúng. Kết quả cho

thấy, cả 4 hợp chất này đều có tác dụng ức chế giai đoạn G2/M của chu kỳ
tế bào động vật có vú [9].

Hình 1.10. Cấu trúc của các cyclotryprostatins A-D
Một hợp chất có khung piperazinedion khác là Phenylahistin (8) (Hình
1.8), được phân lập từ Aspergillus ustus và có khả năng gắn kết với
microtubule, biểu hiện các hoạt tính gây độc tế bào chống lại một loạt các
dòng tế bào khối u ở ngưỡng nM [10,11]. Ngược lại, đồng phân đối quang R
biểu hiện hoạt tính gây độc tế bào thấp và hợp chất tương tự có nhóm thế
isopropyl là (-)-aurantiamine (25) có hoạt tính thấp hơn 8 40 lần trong việc
chống lại sự phát triển tế bào P388 [12].

13


Hình 1.11. Tác nhân ức chế trùng hợp Tubulin
Một loạt các dẫn chất của 22 được tổng hợp để loại bỏ tính bất đối và
tối ưu hóa hoạt tính sinh học. Trong đó, hợp chất có nhóm tert-butyl là
plinabulin (NPI-2358/KPU-2) (26), một chất kháng u mạnh, hoạt tính thể
hiện trên nhiều dòng tế bào khối u [12]. Hiện nay, plinabulin đang trong giai
đoạn II thử nghiệm lâm sàng để điều trị ung thư [13].
b, Hoạt tính ức chế PDE5
Tadalafil là hợp chất piperazinedion đã được tổng hợp toàn phần, dược
phẩm thương mại có tên Cialis là thuốc mới nhất được sử dụng tại nhiều
nước. Cơ chế tác dụng của tadalafil là ức chế chọn lọc có hồi phục guanosin
monophosphat vòng (cGMP), đặc biệt là trên enzym Phosphodiestease týp 5
(PDE-5). Khi có kích thích tình dục dẫn đến phóng thích Nitric oxit tại chỗ,
sự ức chế PDE-5 của tadalafil làm tăng nồng độ cGMP ở thể hang dẫn tới
làm giãn cơ trơn và làm tăng lưu lượng máu vào trong mô dương vật, từ đó
gây cương dương vật [14-15]. Khi không có kích thích tình dục, tadalafil

không có tác dụng gì.

Hình 1.12 Cấu trúc của một số hợp chất ức chế PDE-5

14


Ngoài tác dụng chữa rối loạn cương dương, tadalafil dưới tên thương
mại là Adcirca được sử dụng để điều trị tăng huyết áp động mạch phổi từ
năm 2009. Tăng huyết áp động mạch phổi là nguyên nhân chính gây bệnh
suy tim. Ở bệnh nhân tăng huyết áp động mạch phổi, trong lòng mạch máu
phổi có sự giảm sự co mạch và tái tạo mạch máu, dẫn đến tăng áp lực động
mạch phổi. Tadalafil có tác dụng giãn mạch động mạch phổi và ức chế tái
tạo mạch máu, do đó làm giảm áp lực động mạch phổi [16,17,18].
c, Hoạt tính ức chế hocmon oxytoxin
Từ trình sàng lọc, các nhà nghiên cứu đã xác định được các hợp chất
piperazinedion mới như hợp chất Retosiban (29), Epelsiban (30) (hình 1.10)
là chất ức chế hócmôn oxytoxin. Hợp chất Retosiban sử dụng bằng đường
uống tốt nhất và có sinh khả dụng cao ở chuột (≈100%). Retosiban có ái lực
ở ngưỡng nM (0,65nM) với hócmôn oxytoxin và đồng thời chọn lọc trên các
hócmôn vasopressin của con người. Retosiban có độ tan tốt (>0,22 mg/ml),
liên kết với protein thấp (<80%), ức chế enzym CYP450 với mức độ không
đáng kể (IC50 > 100μM) và ít thâm nhập vào thần kinh trung ương. Retosiban
có hiệu lực ức chế hócmôn oxytoxin mạnh hơn so với atosiban 15 lần. Nó
được lựa chọn để điều trị lâm sàng cho những ca dọa sinh non [19,20].

Hình 1.13. Các chất đối kháng oxytoxin
Tóm lại, các hợp chất piperazinedion là lớp chất có rất nhiều hoạt
tính sinh học quý như: khả năng gây độc tế bào mạnh với các dòng tế bào
ung thư, kháng virut, kháng khuẩn, kháng nấm,… Các hợp chất này biểu

15


hiện đặc tính dược lý và tiềm năng điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư.
Điều này đã mở ra một hướng nghiên cứu cho các nhà khoa học là nghiên
cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion mới có nhiều hoạt tính sinh học
quý.
1.4. Mục tiêu của luận văn
Như vậy, qua phân tích tổng quan, piperazinedion là lớp cấu trúc phổ
biến được tìm thấy trong tự nhiên, có nhiều hoạt tính sinh học quý như
tryprostatin A-B, cyclotryprostatin A-D, fumitremorgin C... Ngoài ra, các hợp
chất piperazinedion còn là các synthon quan trọng trong tổng hợp một số hợp
chất có hoạt tính sinh học cao như saframycin, eteinascindin... Đây là những
hợp chất thiên nhiên rất lí thú, có hoạt tính sinh học mạnh cuốn hút được nhiều
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Mặt khác, do có cấu trúc rất phức tạp,
chứa nhiều trung tâm bất đối, nên việc phân tích cấu trúc của các hợp chất này
gặp nhiều khó khăn đòi hỏi phải sử dụng nhiều phương pháp phân tích phổ
hiện đại. Luận văn này tập trung các phương pháp hóa phổ hiện đại để nghiên
cứu cấu trúc của các hợp chất piperazinedion.

16