Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phân tích một số hợp chất hữu cơ vòng bé bằng phương pháp HPLC-MS và NMR

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

86
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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 VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC VIỆN HOÁ HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 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 VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC VIỆN HOÁ HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 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
Lêi c¶m ¬n! §Ó hoµn thµnh ch¬ng tr×nh cao häc vµ viÕt luËn v¨n nµy, t«i ®· nhËn ®îc sù híng dÉn, gióp ®ì vµ gãp ý nhiÖt t×nh cña quý thÇy c« trêng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn - §¹i häc Quèc gia Hµ néi vµ ViÖn hãa häc - ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ ViÖt nam. T«i xin göi lêi biÕt ¬n s©u s¾c ®Õn Phã Gi¸o s - TiÕn sÜ NguyÔn V¨n TuyÕn - ViÖn trëng - Trëng phßng Hãa dîc - ViÖn hãa häc - ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ ViÖt nam ®· giµnh rÊt nhiÒu thêi gian vµ t©m huyÕt híng dÉn nghiªn cøu vµ gióp t«i hoµn thµnh luËn v¨n tèt nghiÖp. T«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c c« chó vµ anh chÞ tËp thÓ phßng Hãa dîc, Phßng thÝ nghiÖm Khèi phæ - ViÖn hãa häc - ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ ViÖt nam ®· t¹o mäi ®iÒu kiÖn ®Ó t«i häc tËp vµ hoµn thµnh tèt luËn v¨n nµy. §ång thêi t«i còng xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c thÇy c« gi¸o Khoa Hãa häc - Trêng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn - §¹i häc Quèc gia Hµ néi, ngêi th©n vµ b¹n bÌ v× sù gióp ®ì quý b¸u, tËn t×nh trong qu¸ tr×nh t«i häc tËp vµ nghiªn cøu t¹i Khoa hãa häc - Trêng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn - §¹i häc Quèc gia Hµ néi. T«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n sù tµi trî cña ®Ò tµi c¬ b¶n thuéc ch¬ng tr×nh hîp t¸c FWO-NAFOSTED (m· sè: 01/2010) ®· hç trî kinh phÝ ®Ó hoµn thµnh luËn v¨n nµy. MÆc dï t«i ®· cã nhiÒu cè g¾ng hoµn thiÖn luËn v¨n b»ng tÊt c¶ sù nhiÖt t×nh vµ n¨ng lùc cña m×nh, tuy nhiªn kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt, rÊt mong nhËn ®îc nh÷ng ®ãng gãp quÝ b¸u cña quÝ thÇy c« vµ c¸c b¹n. Hµ néi ngµy 12 th¸ng 12 n¨m 2012 Häc viªn NguyÔn TiÕn Dòng
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)-1- phenylbutan-1-ol.........................................................................................10 Hình 1.3. Phổ 1H-NMR của este Mosher (R)-1-phenylbutan-1-ol và (S)-1- phenylbutan-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-3- vinyl - 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: %enantiomerA - %enantiomerB ee = %enantiomerA + %enantiomerB %diasteroisomerA - %diasteroisomerB de = %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-phenylbutan- 9
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)-1- phenylbutan-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