Ultrasound accelerated solvent-free synthesis of ethyl 7-methyl-5-phenyl-5H-thiazolo[3,2-a]pyrimidine-6-carboxylate through Biginelli reaction catalyzed by Amberlyst-15

Abstract

Multi-component reactions (MCRs) played an important role to produce complex molecular structures in a one-step process. Among all MCRs reported, Biginelli reaction was one of the most well-known and used in organic synthesis to constitute pyrimidine scaffolds. Therefore, a solvent-free Biginelli reaction of 2-aminothiazole, benzaldehyde and ethyl acetoacetate catalyzed by Amberlyst-15 (A-15) had attracted us to pay attention and to do research in order to highly obtain a desired product, a frame of thiazolo[3,2-a]pyrimidine being present in many active biological compounds. Amberlyst-15, polystyrene resin regarded as a green acidic solid, available commercial, inexpensive and reusable catalyst had been firstly and successfully developed for solvent-free Biginelli reaction under ultrasound irradiation to form thiazolo[3,2-a]pyrimidine. Most factors which had influenced on the reaction conversion and yield such as the molar ratios between 2-aminothiazole, benzaldehyde and ethyl acetoacetate, the amounts of catalyst A-15, and reaction time had been investigated. Consequently, the yield of ethyl 7-methyl-5-phenyl-5H-thiazolo[3,2-a]pyrimidine-6-carboxylate had been also found to depend on the amount of the acidic solid catalyst and little excess amounts of the two reactants, e.g. 2-aminothiazole and ethyl acetoacetate. The maximum yield has been obtained 76% after six-hour ultrasound irradiation at 80oC with the molar ratio of 2-aminothiazole : benzaldehyde : ethyl acetoacetate (1.4:1.0:1.4) and 50 mg of catalyst A-15. The results showed that Amberlyst-15 had high capability of recovery and recycling owing to the inconsiderably changes of product yields after two recycle runs.

MỞ ĐẦU

Hợp chất pyrimidine là một trong những hợp chất có hoạt tính sinh học được quan tâm rất nhiều, đặc biệt là hợp chất pyrimidine có chứa thiazol trong đó thiazolo[3,2-a]pyrimidine đóng vai trò quan trọng trong ức chế nhận serotonin 5-HT ₂ 1 , tính kháng oxy hóa 2 , kháng u 2 , 3 , và kháng ung thư 4 , 5 . Chính vì thế, các phương pháp tổng hợp các dẫn xuất thiazolo[3,2-a]pyrimidine đã được phát triển như từ phản ứng ba thành phần của glycine, acetic anhydride và thiazole base Schiff 6 , từ phản ứng của 2-aminothiazole và dẫn xuất của nó với 2,6-dibenzylidencyclohexanone trong acetic acid 3 , hoặc với -bất bão hòa ketone trong sodium ethoxide 4 , hoặc với -acetyl- -butyrolactone 7 , và từ phản ứng Biginelli giữa 2-aminothiazole, benzaldehyde và ethyl acetoacetate được xúc tác bởi acetic acid 8 , và nano-Fe ₃ O ₄ @silica sulfuric acid 9 .

Figure 1 . Phản ứng Biginelli giữa 2-aminothiazole, benzaldehyde và ethyl acetoacetate

Để tiếp tục nghiên cứu các phản ứng không dung môi theo các tiêu chí của hóa học “xanh”, chúng tôi nghiên cứu sự hình thành ethyl 7-methyl-5-phenyl-5 H -thiazolo[3,2- a ]pyrimidine-6-carboxylate qua phản ứng Biginelli không dung môi giữa 2-aminothiazole, benzaldehyde và ethyl acetoacetate được xúc tác bằng Amberlyst-15 với mong muốn tái sử dụng xúc tác. Hơn nữa, bức xạ siêu âm cũng đã được áp dụng như nguồn cung cấp năng lượng “xanh” cho sự kích hoạt phản ứng ( Figure 1 ).

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

Thiết bị và hóa chất

Sự chiếu xạ siêu âm được thực hiện trong bồn siêu âm Elma S30H (tần số 37 kHz). Kiểm soát quá trình phản ứng bằng máy sắc ký khí GC/FID Scion SQ 456-GC, cột Rxi-5ms RESTEK. Khối phổ phân giải cao được đo bằng máy LC/MS microTOF-QII (Brüker) với đầu dò UV/Vis và ESI (electrospray ionization), nhiệt độ mao quản để bắt ion là 350 ^o C, cột pha đảo ACE 3C18 (5 mm x 4,6 x 150 mm). Phổ cộng hưởng từ hạt nhân được ghi trên máy Brüker 500 NMR và tần số cộng hưởng ở 500 MHz ( ¹ H) và 125 MHz ( ¹³ C).

Tất cả hóa chất được mua từ Sigma Aldrich và được phân tích bởi GC/FID hoặc GC/MS để kiểm tra lại độ tinh khiết (~ 100%).

Tiến trình phản ứng Biginelli với xúc tác Amberlyst-15 dưới sự chiếu xạ siêu âm

Cho một lượng thích hợp xúc tác Amberlyst-15, ethyl acetoacetate, benzaldehyde, 2-aminothiazole được thêm vào ống nghiệm (d = 10 mm, h = 100 mm) theo thứ tự như trên, sau đó đặt ống nghiệm vào bồn siêu âm Elma. Các thông số thời gian chiếu xạ được thiết lập để kích hoạt phản ứng tốt nhất ở nhiệt độ 80 ^o C. Sau khi kết thúc phản ứng, hỗn hợp sản phẩm được trích với acetone (4 x 20 mL) và lọc qua phểu Buchner để thu hồi amberlyst 15. Gộp các phần dung dịch qua lọc và thu hồi dung môi dưới áp suất thấp. Sản phẩm thô được phân tích thành phần bách phân bằng máy sắc ký khí GC/FID. Sản phẩm mong muốn được tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột (8-10 g, silica gel, Himedia, India, 850-75 mm) với hệ rửa giải hexane và ethyl acetate (6 : 4 ^v / _v ) và sau đó được xác định cấu trúc bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân ( ¹ H-NMR và ¹³ C-NMR) và khối phổ phân giải cao (HRMS).

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Khảo sát phản ứng ba thành phần giữa 2-aminothiazole, benzaldehyde và ethyl acetoacetate

Amberlyst-15 là xúc tác acid Brønsted rắn với cấu trúc gồm những hạt polystyrene được biến tính gắn nhóm sulfonic đã được chọn làm xúc tác cho phản ứng Biginelli ( Figure 1 ) do những ưu điểm như an toàn khi sử dụng, dễ thu hồi xúc tác và dễ lưu trữ. Lượng Amberlyst-15 (70,0 mg) và thời gian khảo sát (4 h, 6 h) được chọn một cách ngẫu nhiên nhằm khảo sát tỷ lệ mol giữa 2-aminothiazole, benzaldehyde và ethyl acetoacetate ( Table 1 ). Hiệu suất phản ứng thu được 36% ứng với tỷ lệ mol giữa 2-aminothiazole, benzaldehyde và ethyl acetoacetate (1,0:1,0:1,0) dựa trên tỷ lệ mol của phương trình phản ứng trong Figure 1 . Khi thay đổi tỷ lệ 2-aminothiazole và ethyl acetoacetate từ 1,0-1,2 mmol thì hiệu suất sản phẩm ethyl 7-methyl-5-phenyl-5 H -thiazolo[3,2- a ]pyrimidin-6-carboxylate bị ảnh hưởng đáng kể. Với kết quả cuối cùng, hiệu suất sản phẩm đạt được cao nhất là 67% (GC: 78%) sau 6 giờ chiếu xạ siêu âm ứng với tỷ lệ mol ( 1 ):( 2 ):( 3 ) là 1,4:1,0:1,4 khi sử dụng 70 mg A-15.

Table 1 Sự ảnh hưởng tỷ lệ mol lên hiệu suất phản ứng dưới sự chiếu xạ siêu âm ^a

Stt	Thiazole (mmol)	PhCHO (mmol)	EAA (mmol)	Thời gian (h)	GC (%)(4)	Hiệu suấtb(%)
1	1,0	1,0	1,0	4	55,61	36
2	1,2	1,0	1,0	4	60,72	54
3	1,0	1,2	1,0	4	37,01	33
4	1,0	1,0	1,2	4	62,20	47
5	1,4	1,0	1,0	4	61,71	55
6	1,4	1,0	1,2	4	64,52	57
7	1,4	1,0	1,2	6	70,64	58
8	1,4	1,0	1,3	6	71,13	60
9	1,4	1,0	1,4	6	77,90	67
10	1,4	1,0	1,5	6	73,17	63

Trong các thí nghiệm kế tiếp, lượng xúc tác được khảo sát từ 30-70 mg với điều kiện tỷ lệ mol cho kết quả hiệu suất cao nhất ở Table 1 với thời gian chiếu xạ siêu âm là 6 h. Khi sử dụng ít lượng xúc tác, tâm xúc tác không đủ để xúc tiến phản ứng; trong khi đó, với một lượng xúc tác dư sẽ cản trở sự tương tác giữa các tác chất và chất nền, cũng như gây ra sự hấp phụ sản phẩm lên bề mặt Amberlyst-15 dẫn đến sự sụt giảm hiệu suất. Các kết quả được mô tả chi tiết ở Figure 2 cho thấy lượng Amberlyst-15 thích hợp cho phản ứng là 50 mg.

Bước kế tiếp, các thí nghiệm về sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng cũng được nghiên cứu chi tiết bằng cách giảm dần hay tăng dần thời gian quanh mốc 6 giờ với các tỉ lệ mol ( 1 ):( 2 ):( 3 ) là 1,4:1,0:1,4 và lượng xúc tác thích hợp là 50 mg. Các kết quả cho thấy hiệu suất sản phẩm (4) tạo thành được minh họa ở Figure 3 tăng dần khi tăng thời gian phản ứng lên đến 6 giờ và giàm dần sau đó. Hiệu suất đạt cực đại 76% sau 6 giờ chiếu xạ siêu âm.

Figure 2 . Ảnh hưởng lượng xúc tác lên hiệu suất dưới sự chiếu xạ siêu âm

Figure 3 . Ảnh hưởng thời gian phản ứng lên hiệu suất dưới sự chiếu xạ siêu âm

Figure 4 . Khả năng tái sử dụng Amberlyst-15 (50 mg)

Với những ưu điểm về khả năng xúc tác, điều kiện phản ứng êm dịu, và dễ cô lập sản phẩm, việc tái sử dụng xúc tác Amberlyst-15 được quan tâm đáng kể. A-15 được thu hồi sau phản ứng, rửa với metanol (3 x 5 mL) và sau đó ngâm trong dung dịch HCl 0,1% trong 2 giờ. Tiếp theo đó, Amberlyst-15 được lọc, rửa với methanol (3 x 5 mL), sấy khô ở 100 ^o C trong 3 giờ và được lưu trữ trong bình hút ẩm. Hiệu suất thu hồi của Amberlyst-15 đạt trung bình khoảng 96%. Xúc tác A-15 sau khi thu hồi và tái chế (50 mg) tiếp tục được sử dụng cho phản ứng không dung môi Biginelli giữa 2-aminothiazole (1,4 mmol), benzaldehyde (1,0 mmol) và ethyl acetoacetate (1,4 mmol) dưới sự chiếu xạ siêu âm ở 80 ^o C trong 6 giờ. Qua 2 lần thu hồi và tái sử dụng, Amberlyst-15 vẫn xúc tác tốt cho phản ứng với hiệu suất của sản phẩm thay đổi không đáng kể ( Figure 4 ).

Biện luận cấu trúc

Sản phẩm chính là ethyl 7-methyl-5-phenyl-5 H -thiazolo[3,2- a ]pyrimidine-6-carboxylate ( 4 ) là chất rắn màu vàng óng, nhiệt độ nóng chảy 239,8 - 240,4 ^o C (nhiệt độ nóng chảy tham khảo 240,4 -240,8 ^o C) 8 , tan được trong chloroform và được quy kết cấu trúc dựa vào các tín hiệu của phổ ¹ H (500 MHz), ¹³ C-NMR (125 MHz) và HRMS ( Figure 5 ).

HRMS-ESI: m/z [M+H] ⁺ tính toán cho C ₁₆ H ₁₇ N ₂ O ₂ S ⁺ là 301,1005; đo được là 301,1063.

Figure 5 . Công thức cấu tạo của sản phẩm (4)

Phổ ¹ H-NMR, ở vùng từ trường thấp xuất hiện tín hiệu cộng hưởng của 5 proton vòng benzene [δ _H 7,36-7,26 (m; 5H; H-10, H-11, H-12, H-13, H-14)], chứng minh rằng trong cấu trúc có một vòng thơm 1 nhóm thế. Ngoài ra, ở vùng từ trường thấp cũng cho thấy có 2 tín hiệu mũi đôi của 2 proton ghép cặp với nhau với hằng số ghép J là 4,5 Hz [δ _H 6,55 (d, J = 4,5 Hz, H-3), 6,26 (d, J = 4,5 Hz, H-2)], tương ứng với 2 proton của vòng thiazole. Proton H-5 cho tín hiệu cộng hưởng khá cao là mũi đơn ở 6,17 ppm, điều này cho thấy proton này nằm gần nhóm rút mạnh như vòng phenyl, nối đôi C=C, dị nguyên tố N. Ở vùng từ trường cao, 3 proton methyl độc lập cộng hưởng ở 2,44 (s, H-18). Bên cạnh đó, 2 proton methylene gắn với dị nguyên tố O cho tín hiệu cộng hưởng 4,08-4,02 (m, H-16); 3 proton methyl cộng hưởng ở δ _H 1,16 (t, J = 7,0 Hz, H-17) ( Table 2 ).

Table 2 Dữ liệu phổ NMR của hợp chất ( 4 ) trong dung môi CDCl ₃

Vị trí	Hợp chất (4)		Phổ so sánh 8
	1H-NMR (500 MHz) δH ppm	13C-NMR (125 MHz) δC ppm	1H-NMR (400 MHz) δH ppm	13C-NMR (100 MHz) δC ppm
2	6,26 (d, J = 4,5 Hz, 1H)	105,1	7,01 (d, J = 4,0 Hz, 1H)	110,5
3	6,55 (d, J = 4,5 Hz, 1H)	126,4	7,17 (d, J = 4,0 Hz, 1H)	127,5
5	6,17 (s, 1H)	60,4	6,38 (s, 1H)	61,5
6		99,4		100,5
7		155,9		158,3
8a		164,9		166,9
9		142,8		135,3
10;14	7,36-7,26 (m, 5H)	126,6	7,40–7,32 (m, 5H)	127,5
11;13		128,5		129,1
12		128,2		129,1
15		166,3		166,9
16	4,08-4,02 (m, 2H)	59,4	4,08-4,19 (m, 2H)	58,7
17	1,16 (t, J = 7,0 Hz, 3H)	14,0	1,19 (t, J = 7,2 Hz, 3H)	14,7
18	2,44 (s, 3H)	23,5	2,67 (s, 3H)	23,3

Phổ ¹³ C-NMR cho thấy có 14 tín hiệu cộng hưởng. Trong đó có 1 carbon carbonyl của nhóm ester (δ _C 166,3; C-15); 1 carbon olefin gắn vào bởi các dị nguyên tố N, S [δ _C 164,9 (C-8a)]; 2 carbon olefin tứ cấp [δ _C 155,9 (C-7); 99,4 (C-6)]; 5 carbon vòng benzene [δ _C 142,8 (C-9); 128,5 (2C, C-11 & C-13); 128,2 (C-12); 126,6 (2C, C-10 & C-14)]; 2 carbon vòng thiazole [δ _C 126,4 (C-3); 105,1 (C-2)]; 1 carbon no bị các nhóm phenyl, dị nguyên tố N, nối đôi C=C rút mạnh (δ _C 60,4; C-5); 1 carbon methylene (δ _C 59,4; C-16); 2 carbon methyl [δ _C 23,5 (C-18); 14,0 (C-17)] ( Table 2 ).

Dựa vào những dữ liệu của phổ ¹ H và ¹³ C trên cho thấy hợp chất ( 4 ) có cấu trúc của khung thiazolo[3,2- a ]pyrimidine, có 3 nhóm thế gắn trên khung gồm 1 nhóm phenyl, 1 nhóm ester (-COOC ₂ H ₅ ) và 1 nhóm methyl. So sánh dữ liệu NMR hợp chất ( 4 ) đo được với dữ liệu phổ có trong tài liệu tham khảo thấy có sự tương hợp 8 . Như vậy, hợp chất ( 4 ) là ethyl 7-methyl-5-phenyl-5 H -thiazolo[3,2- a ]pyrimidine-6-carboxylate.

KẾT LUẬN

Qua những nghiên cứu chi tiết cho thấy Amberlyst-15 có khả năng xúc tác êm dịu, dễ thu hồi và khả năng tái sử dụng cao cho phản ứng không dung môi Biginelli giữa 2-aminothiazole, benzaldehyde với ethyl acetoacetate tạo ra sản phẩm ethyl 7-methyl-5-phenyl-5 H -thiazolo[3,2- a ]pyrimidine-6-carboxylate. Xúc tác Amberlyst 15 có khả năng tái sử dụng đến lần 2 mà hiệu suất thay đổi không đáng kể. Bên cạnh đó, bức xạ siêu âm lần đầu áp dụng thành công trong sự kích hoạt phản ứng không dung môi tạo ra sản phẩm chính ethyl 7-methyl-5-phenyl-5H-thiazolo[3,2-a]pyrimidine-6-carboxylate đạt hiệu suất cao nhất 76% sau 6 giờ chiếu xạ siêu âm với điều kiện phản ứng ở 80 ^o C, tỷ lệ mol 2-aminothiazole : benzaldehyde : ethyl acetoacetate (1,4:1,0:1,4) và lượng xúc tác A-15 là 50 mg. Ngoài ra, cấu trúc sản phẩm chính cũng được giải đoán đầy đủ dựa vào các dữ liệu phổ NMR và HRMS.

DANH MỤC VIẾT TẮT

A-15: Amberlyst 15

ACE 3C18: cột ACE sắc ký lỏng pha đảo có độ phân giải cao được phủ bởi silica/C18 (HPLC column ACE for separation in Reversed -Phase with Silica/C18)

¹³ C-NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân đồng vị carbon 13 (Carbon 13 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)

EAA: Ethyl Acetoacetate

ESI: Ion hóa bằng cách phun ion (Electrospray Ionization)

GC/FID: Sắc ký khí đầu dò nguyên tử hóa ngọn lửa (Gas Chromatography/Flame Ionization Detector)

GC/MS: Sắc ký khí đầu dò khối phổ (Gas Chromatography/Mass Spectrometry)

HRMS: Khối phổ phân giải cao (High Resolution Mass Spectrometry)

5-HT ₂ : là phân nhóm của 5-HT (5-Hydroxytryptamine), bao gồm 3 chất nhận protein ghép cặp G (The 5-HT ₂ subfamily consists of three G protein-coupled receptors).

¹ H-NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của proton (Proton Nuclear Magnetic Resonance Specreoscopy)

LC/MS: Sắc ký lỏng đầu dò khối phổ (Liquid Chromatography/Mass Spectrometry)

MS: Khối phổ (Mass Spectrometry)

microTOF-QII: tên thương mại của máy sắc ký lỏng đầu dò khối phổ cho phép đo khối phổ chính xác rất cao.

NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)

UV/Vis: Tia tử ngoại/Khả kiến (Ultraviolet/Visible)

XUNG ĐỘT LỢI ÍCH

Các tác giả tuyên bố rằng họ không có xung đột lợi ích.

ĐÓNG GÓP CỦA CÁC TÁC GIẢ

Dương Công Thắng tiến hành làm tất cả các thí nghiệm, phân tích mẫu hỗn hợp sản phẩm, cô lập và tinh chế sản phẩm, xác định cấu trúc sản phẩm dưới sự hướng dẫn, thiết kế phản ứng và tài trợ hóa chất của Lưu Thị Xuân Thi. Ngoài ra, các tác giả còn chung sức trong việc đăng báo.