Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá cấu trúc của 4-Dimethylaminophenol hydrochlorid - Vũ Ngọc Toán

Hóa học & Kỹ thuật môi trường V. N. Toán, N. M. Trí, “Nghiên cứu tổng hợp 4-dimethylaminophenol hydrochlorid.” 176 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC CỦA 4-DIMETHYLAMINOPHENOL HYDROCHLORID Vũ Ngọc Toán*, Nguyễn Minh Trí Tóm tắt: 4-dimethylaminophenol hydrochlorid là một thuốc giải độc đặc hiệu (antidote) đối với nhiễm độc cyanid. Quá trình tổng hợp 4-dimethylaminophenol hydrochlorid có thể được thực hiện bằng nhiều con đường khác nhau. Bài báo này giới thiệu kết quả tổng hợp, đánh giá các đặc trưng hóa lý và cấu trúc của 4- dimethylaminophenol hydrochlorid bằng các phương pháp vật lý hiện đại như đo điểm nóng chảy, phổ IR, NMR, HPLC và MS. Kết quả cho thấy sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao và quy trình tổng hợp đạt hiệu suất 87 %. Từ khóa: 4-DMAP HCl, Antidote, Cyanid, Methemoglobin. 1. MỞ ĐẦU 4-dimethylaminophenol hydrochlorid (4-DMAP HCl) là một trong các loại thuốc giải độc đặc hiệu đối với nhiễm độc cyanid [4]. 4-DMAP HCl cũng là một loại thuốc giải độc trên cơ sở tạo methemoglobin trong máu tương tự như isoamyl nitrit (IAN), natri nitrit (NaNO2), tuy nhiên, nó tạo ra methemoglobin nhanh hơn rất nhiều so với IAN và NaNO2. Liều 3,25 mg/kg (tiêm tĩnh mạch), 4-DMAP HCl được báo cáo là có khả năng tạo ra 15 % methemoglobin trong 1 phút và 30 % methemoglobin sau 10 phút tiêm mà không gây ra bất kỳ hiệu ứng tim mạch nào [4]. Trong lịch sử, chiến tranh hóa học có sử dụng cyanid đã gây ra thương vong cho hàng ngàn người [7]. Thuốc giải độc đặc hiệu 4-DMAP HCl hiện nay được sử dụng phổ biến ở Đức, Hà Lan [7]. Đây là một hợp chất được sử dụng với mục đích phòng chống độc quân sự là chủ yếu, do đó, việc nhập khẩu khó khăn và tốn kém thời gian, chi phí. Nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu tổng hợp 4-DMAP HCl bằng phương pháp tổng hợp hữu cơ truyền thống và đánh giá đặc trưng của sản phẩm tổng hợp bằng các phương pháp vật lý hiện đại. Sản phẩm tạo ra được dự trữ làm nguyên liệu để chế tạo bộ kít giải độc đặc hiệu chống nhiễm độc cyanid. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 2.1.1. Hóa chất và dụng cụ p-anisidin (99,6 %, Acros); Trimethyl phosphat (99,8 %, Acros); NaOH bột (Fisher); Ethyl acetat khan (Fisher); Na2SO4 khan (Fisher); Hydrochloric acid 36-38 % (Fisher); Dichloromethan (Fisher); Tetrahydrofuran (Fisher); N,N-dimethyl-1,4-phenylenediamin; Natri nitrit (Fisher); Bình cầu 3 cổ dung tích 250 ml; Máy khuấy từ gia nhiệt; Phễu nhỏ giọt cân bằng áp, dung tích 100 ml; Phễu chiết dung tích 250 ml; Pipet dung tích 2, 5 và 10 ml; Ống đong dung tích 50 ml và 150 ml; Sinh hàn hồi lưu L= 35 cm; Nước cất; Khí Argon; Bộ cất quay áp suất thấp. 2.1.2. Thiết bị và phương pháp phân tích a. Xác định nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ nóng chảy của sản phẩm được đo trên thiết bị STUART SMP3 (BIBBY STERILIN-UK). Phương pháp đo được tiến hành như sau: - Nghiền nhỏ chất cần đo, làm khô trước khi thử nghiệm. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 177 - Nạp chất cần đo vào capilla sao cho chiều cao chất rắn đạt khoảng 3 mm và đưa cappila chứa mẫu vào cell đo. - Làm nóng capilla cho đến nhiệt độ thấp hơn khoảng 10oC so với nhiệt độ nóng chảy dự kiến với tốc độ gia nhiệt 1oC/phút. Lắp nhiệt kế, khi nhiệt độ thấp hơn 10oC so với nhiệt độ nóng chảy dự kiến và tiếp tục quan sát cho đến khi kết thúc quá trình. Ghi lại nhiệt độ nóng chảy. Nhiệt độ mà tại đó cột chất rắn đổ sụp được tính là điểm đầu, nhiệt độ mà tại đó chất thử trở thành dạng lỏng trong suốt là điểm cuối. b. Phổ hồng ngoại (FT-IR): Phổ hồng ngoại của sản phẩm được đo trên phổ kế Impact 410 FT-IR Spectrometer (Nicolet, USA) ở dạng viên ép với bột KBr. c. Phổ cộng hường từ hạt nhân: Phổ 1H NMR và 13C NMR của sản phẩm được đo trên phổ kế NMR Advance Spectrometer AV500 (Bruker, Germany) ở tần số 500,13 MHz và 125,77 MHz tương ứng, với dung môi DMSO-d6 và dùng chất chuẩn nội TMS. d. Phổ sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): mẫu chất được đo theo chế độ sau: - Sử dụng cột Hyper ODS2, C18; - Chiều dài cột: 250 mm; đường kính cột: 4,6 mm; - Dung môi pha động: MeOH:H2O=80:20, tốc độ pha động: 1,0 ml/phút; - Áp suất: 10,0 MPa; - Detector: UV 254 nm; - Thể tích mẫu bơm vào: 3 μL. e. Phổ khối lượng (MS): Phổ MS của sản phẩm được ghi trên máy LTQ Orbitrap XLTM (Thermo Scientific, USA) với dung môi methanol. f. Đo sắc ký bản mỏng (TLC): Sắc ký bản mỏng Kieselgel 60F254 No. 5715 (Merck, Germany) với hệ dung môi toluen : ethyl acetat = 1:2 theo thể tích, các vết chất được phát hiện bằng hơi iod hoặc nhờ soi đèn UV. 2.2. Quy trình tổng hợp 4-DMAP HCl 4-DMAP HCl được tổng hợp bằng phương pháp hồi lưu truyền thống theo quy trình hai giai đoạn, cụ thể như sau: - Giai đoạn 1 (tổng hợp chất trung gian N,N-dimethylat): Khuấy hỗn hợp dung dịch của p-anisidin (12,3 g; 0,10 mol) và trimethyl phosphat (15 ml; 0,125 mol) trong bình cầu 1 cổ dung tích 250 ml. Đun hồi lưu hỗn hợp trong 5 giờ, sau đó làm mát về nhiệt độ phòng. Nhỏ giọt dung dịch NaOH (12 g/40 ml) vào hỗn hợp trên. Tiếp tục đun hồi lưu kết hợp với khuấy thêm 1 giờ, sau đó làm mát hỗn hợp phản ứng về nhiệt độ phòng. Hỗn hợp được chuyển vào nước cất (60 ml), sau đó chiết với ethyl acetat (3 lần×40 ml). Thu gom lớp hữu cơ, làm khô bằng Na2SO4 khan. Lọc, rửa với ethyl acetat và cô quay thu được 8,4 g (hiệu suất 55,6 %) sản phẩm. - Giai đoạn 2 (tổng hợp 4-DMAP HCl): 8,4 g 1-(N,N-dimethylamino)-4- methoxybenzen tổng hợp ở giai đoạn 1 được hòa tan trong hydrochloric acid đặc (40 ml). Hỗn hợp được đun hồi lưu trong 5 giờ dưới khí quyển argon, sau đó làm mát về nhiệt độ phòng. Hỗn hợp được cô cạn dưới áp suất giảm đến khô, rửa nhiều lần với hỗn hợp dung dịch dichloromethan/tetrahydrofuran (5:1 v/v) thu được chất rắn. Chất rắn này tiếp tục được làm khô trong desicator chứa silicagel khan, sau 24 giờ sẽ thu được sản phẩm 4- DMAP HCl với hiệu suất 87%. 3. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN 3.1. Tổng hợp 4-DMAP HCl Có nhiều phương pháp để tổng hợp 4-DMAP HCl, chẳng hạn như: tổng hợp theo phương pháp Sekiya [6], sử dụng 4-methylaminophenol làm nguyên liệu đầu, tác nhân phản ứng methyl iodide với lượng dư lớn, hồi lưu trong vài giờ để chuyển hóa nhóm amin Hóa học & Kỹ thuật môi trường V. N. Toán, N. M. Trí, “Nghiên cứu tổng hợp 4-dimethylaminophenol hydrochlorid.” 178 thành dạng muối ammonium bậc 4, sau đó xử lý dạng muối này trong n-amyl alcohol thu được sản phẩm 4-DMAP HCl với hiệu suất 48 %. Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất của phương pháp này là không thể dùng tác nhân khác thay thế cho methyl iodide (tác nhân đắt, dùng lượng dư lớn), thời gian phản ứng lâu và nhiệt độ phản ứng cao. Ngoài ra, có thể tổng hợp 4-dimethylaminophenol từ phản ứng N-methyl hóa dẫn xuất anilin khác nhau như phản ứng với trimethyl phosphat [8] (Thomas, 1946), với methyl iodide/trimethyl phosphat/natri carbonat hoặc lithium bromide/trimethyl phosphat [5] (Fletcher, 1962), với lượng dư methyl sulfat [3] (Evans, 1939), với lượng dư formaldehyd [2] (Eisner, 1934). Tuy nhiên, các phương pháp này đều không thích hợp để tổng hợp 4- DMAP HCl vì phản ứng diễn ra chậm, hiệu suất thấp và sinh ra nhiều sản phẩm phụ. Chúng tôi cũng đã thử nghiệm nghiên cứu tổng hợp 4-DMAP HCl bằng phản ứng diazo hóa N,N-dimethyl-1,4-phenylenediamin bởi nitrous acid, được tạo thành từ phản ứng của natri nitrit với hydrochloric acid, nhiệt độ phản ứng từ 0-5 oC, tiếp theo là sự thủy phân muối diazonium trong môi trường H3O + thu được 4-DMAP. Hạn chế của phương pháp này là hiệu suất phản ứng thu được rất thấp (15-20 %). Nguyên nhân có thể là do, nhóm hydroxy trong phenol có tính acid nên dễ bị phân hủy trong hỗn hợp phản ứng dẫn đến hiệu suất thấp. Từ những nghiên cứu khảo sát trên, chúng tôi sử dụng nguyên liệu đầu có nhóm methoxy trung tính (-OCH3) thay vì nhóm hydroxy trong phenol có tính acid. Khi sử dụng methoxy, phản ứng được thực hiện ở điều kiện tương đối êm dịu, dung môi đa dạng và bản thân methoxy cũng là một hợp chất ổn định, trơ với nhiều tác nhân khác. Trong phản ứng này, sử dụng xúc tác lithium bromid - xúc tác hiệu quả nhất trong phản ứng N-alkyl hóa với trialkyl phosphat là không nhất thiết. Phương pháp này cho hiệu suất cao hơn so với khi sử dụng kết hợp methyl iodide/trimethyl phosphat/natri carbonat hoặc lithium bromid/trimethyl phosphat. p-Anisidin luôn có sẵn từ nguồn thương mại, đầu tiên là phản ứng với trimethyl phosphat (tỷ lệ mol 1,0:1,25) và hồi lưu trong 5 giờ, sau đó, xử lý với dung dịch natri hydroxid cũng trong điều kiện hồi lưu sẽ thu được sản phẩm trung gian là N,N-dimethylat. Trimethyl phosphat là tác nhân không đắt, vừa là tác nhân êm dịu, vừa đóng vai trò dung môi tốt cho phản ứng methyl hóa. Sau khi phản ứng kết thúc không có bất kỳ cặn của muối amonium bậc 4 hoặc sản phẩm methylat chưa phản ứng (kiểm tra bằng TLC). Sau khi chiết với ethyl acetat, làm khô, lọc và cô quay dưới áp suất thấp, sản phẩm thô N,N-dimethylat đủ tinh khiết để phân tích NMR. Tiếp theo, sản phẩm N,N-dimethylat được de-methyl hóa với hydrochloric acid 36-38 % trong 5 giờ, cô quay, rửa với dichloromethan/tetrahydrofuran tỷ lệ 5:1 (v/v) thu được sản phẩm 4-DMAP HCl với hiệu suất 87 %. Cơ chế phản ứng tổng hợp 4-DMAP HCl diễn ra như sau: - Giai đoạn 1: Phản ứng tổng hợp chất trung gian N,N-dimethylat: Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế nucleophil lưỡng phân tử (SN2): OCH3 N HH OCH3 N + H CH3 H .. CH3 O P O O O CH3 CH3 + OH - -H2O OCH3 N HCH3 CH3 O P O O O CH3 CH3 + .. OCH3 N + H CH3 CH3 OH - -H2O OCH3 N CH3CH3 - Giai đoạn 2: Phản ứng tổng hợp 4-DMAP HCl: thủy phân nhóm methoxy trong N,N- dimethylat bằng hydrochloric acid: OH N CH3 CH3 OCH3 N CH3 CH3 H Cl .. 2 HCl Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 179 3.2. Đánh giá tính chất hóa lý và cấu trúc của sản phẩm 3.2.1. Tính chất vật lý của sản phẩm Sản phẩm dạng bột, xốp, màu trắng (quan sát bằng mắt thường), nhiệt độ nóng chảy 141-147 oC (kết quả này phù hợp với số liệu công bố trong tài liệu [6]). 3.2.2. Đánh giá cấu trúc của sản phẩm a. Phổ hồng ngoại (IR): Trên phổ IR xuất hiện các băng sóng hấp thụ đặc trưng cho các nhóm chức có mặt trong phân tử. Ở 3406 cm-1 và 3242 cm-1 là băng sóng hấp thụ đặc trưng cho dao động hóa trị nhóm –OH và –NH. Các băng sóng hấp thụ ở 2910, 2900, 2850 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị nhóm alkyl (CH3). Dao động hóa trị của liên kết C=C thơm xuất hiện ở 1606, 1516 và 1469 cm-1. b. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): - Phổ 1H NMR: Phổ 1H NMR của hợp chất 4-DMAP HCl cho thấy sự xuất hiện các vùng tín hiệu rõ rệt, đặc trưng cho từng loại proton có mặt trong phân tử hợp chất này. Kết quả phổ 1H NMR được trình bày trong bảng dưới đây. OH N CH3 CH3 1 2 3 4 5 6 HCl Bảng 1. Kết quả phổ 1H NMR của hợp chất 4-DMAP HCl. δ (ppm) Quy gán 13,07 Proton trong HCl 10,13 br, s, 1H, -OH 7,64 m, 2H, H-2, H-6 6,91 d, 2H, J 8,5 Hz, H-3, H-5 3,06 s, 6H, 2×CH3-N Hình 1. Phổ 1H NMR của hợp chất 4-DMAP HCl. - Phổ 13C NMR: Phổ 13C NMR cho biết độ chuyển dịch hóa học của các nguyên tử carbon trong phân tử. Độ chuyển dịch hoá học nguyên tử carbon gắn trực tiếp với nguyên Hóa học & Kỹ thuật môi trường V. N. Toán, N. M. Trí, “Nghiên cứu tổng hợp 4-dimethylaminophenol hydrochlorid.” 180 tử oxy (C-1) và nito (C-4) ở vị trí lần lượt δ=158,5 ppm và δ=135,2 ppm. Nguyên tử carbon C-2 và C-6 (carbon tương đương) có tín hiệu cộng hưởng ở vị trí δ=122,7 ppm. Tương tự, nguyên tử carbon C-3 và C-5 (hai carbon tương đương) có tín hiệu cộng hưởng ở vị trí δ=116,6 ppm. Tín hiệu xuất hiện ở δ= 46,3 ppm đặc trưng cho nguyên tử carbon trong nhóm methyl (2×CH3-N). c. Phổ khối lượng (MS): Phổ khối lượng của 4-DMAP HCl được đo bằng phương pháp ESI-MS. Pic ion phân tử m/z 137 ([M]+, 15 %). Một số phân mảnh chính: m/z 136 (20 %), 121 (100 %, pic cơ sở), 108 (16 %), 95 (23 %). Cơ chế phân mảnh của 4-DMAP HCl như sau: N + CH3 CH3 O H N + CH3 CH3 O m/z 136 -C=O N + CH3 CH3 m/z 108 H- m/z 137 N + CH3 CH3 O m/z 136 ; -CH3 N CH3 O m/z 121 Hình 2. Phổ MS của hợp chất 4-DMAP HCl. d. Đánh giá độ tinh khiết của sản phẩm: Đánh giá độ tinh khiết của 4-DMAP HCl bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với điều kiện chạy như đã nêu ở trên, chất chuẩn là 4-DMAP HCl nhập từ công ty Dược phẩm Career Henan (Trung Quốc) với độ tinh khiết 99,9 %. Trên sắc ký đồ của 4-DMAP HCl xuất hiện 2 pic: - Pic tại thời gian lưu tR = 2,91833 phút: Chiều cao pic: 5,21 mV, diện tích pic: 40,53 mV.sec, tỷ lệ % pic: 0,3895 %. - Pic tại thời gian lưu tR = 3,19167 phút: Chiều cao pic: 652,37 mV, diện tích pic: 10365,88 mV.sec, tỷ lệ % pic: 99,6105 %. Như vậy, 4-DMAP HCl tổng hợp được có độ tinh khiết đạt 99,61 %. 4. KẾT LUẬN Bằng phương pháp tổng hợp hữu cơ truyền thống, chúng tôi đã tổng hợp và tinh chế thành công sản phẩm 4-DMAP HCl với cấu trúc và các tính chất hóa lý tương đương với chất chuẩn nhập từ nước ngoài. Kết quả này cho thấy, chúng ta hoàn toàn có khả năng chủ động nghiên cứu hoàn thiện quy trình tổng hợp, tiến tới tổng hợp sản phẩm đạt tiêu chuẩn dược dụng để có thể dữ trữ để làm thuốc giải độc đặc hiệu cho nhiễm độc cyanide. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 181 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Đình Thành, “Cơ sở các phương pháp phổ ứng dụng trong hóa học”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2011, 671 trang. [2]. Eisner A., Wagner E. C., “Condensations of aromatic amines with formaldehyde in media containing acid. I. para-toluidene”, J. Am. Chem. Soc., 56, 1934, pp. 1938- 1943. [3]. Evans D. P., Lilliams R., J. Chem. Soc., 1939, pp. 1199. [4]. Moore S. J., Norris J. C., Walsh D. A., Hume A. S., “Antidote use of methemoglobin forming cyanide antagonist in concurrent carbon monoxide/cyanide intoxication”, J. Pharmacol. Exp. Ther., 242, 1987, pp. 70-73. [5]. Pan H. L., Fletcher T. L., “Derivatives of fluorene. XVII. Alkyl phosphates, phosphites, and phosphonates with lithium halides or alkyl halides in the N-alkylation of fluorenamine”, J. Org. Chem., 27, 1962, pp. 3639-3643. [6]. Sekiya M., Tomie M., Leonard N. J., “Dealkylation of aromatic tertiary amines with formates”, J. Org. Chem., 33, 1968, pp. 318-322. [7]. Sidell F.R., Takafuri E. T., Franz D.R., “Medical aspects of chemical and biological warfare”, Department of the Army, United States of America, 1997, 722 pages. [8]. Thomas D. G., Billman J. H., Davis C. E., “Alkylation of amines. II. N-N-dialkylation of nuclear substituted aniline”, J. Am. Chem. Soc., 69, 1946, pp. 589-590. ABSTRACT STUDY ON SYNTHESIS AND EVALUATING STRUCTURE OF 4-DIMETHYLAMINOPHENOL HYDROCHLORIDE The 4-dimethylaminophenol hydrochloride is antidote for cyanide poisoning. The process synthesis 4-dimethylaminophenol hydrochloride can be carried out by different ways. In this paper, the results of synthesis and determining physical and chemical properties of 4-dimethylaminophenol hydrochloride by modern methods, such as: melting point measurement, IR, NMR, HPLC and MS are presented. The results showed that the product obtained was of high purity with yield of 87 %. Keywords: 4-DMAP HCl, Antidote, Cyanide, Methemoglobin. Nhận bài ngày 20 tháng 9 năm 2017 Hoàn thiện ngày 31 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 02 năm 2018 Địa chỉ: Viện hóa học - Vật liệu/Viện KH-CN quân sự. * Email: vntoanchem@gmail.com.