Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br />
<br />
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC CỦA<br />
4-DIMETHYLAMINOPHENOL HYDROCHLORID<br />
Vũ Ngọc Toán*, Nguyễn Minh Trí<br />
Tóm tắt: 4-dimethylaminophenol hydrochlorid là một thuốc giải độc đặc hiệu<br />
(antidote) đối với nhiễm độc cyanid. Quá trình tổng hợp 4-dimethylaminophenol<br />
hydrochlorid có thể được thực hiện bằng nhiều con đường khác nhau. Bài báo này<br />
giới thiệu kết quả tổng hợp, đánh giá các đặc trưng hóa lý và cấu trúc của 4-<br />
dimethylaminophenol hydrochlorid bằng các phương pháp vật lý hiện đại như đo<br />
điểm nóng chảy, phổ IR, NMR, HPLC và MS. Kết quả cho thấy sản phẩm thu được<br />
có độ tinh khiết cao và quy trình tổng hợp đạt hiệu suất 87 %.<br />
Từ khóa: 4-DMAP HCl, Antidote, Cyanid, Methemoglobin.<br />
<br />
1. MỞ ĐẦU<br />
4-dimethylaminophenol hydrochlorid (4-DMAP HCl) là một trong các loại thuốc giải<br />
độc đặc hiệu đối với nhiễm độc cyanid [4]. 4-DMAP HCl cũng là một loại thuốc giải độc<br />
trên cơ sở tạo methemoglobin trong máu tương tự như isoamyl nitrit (IAN), natri nitrit<br />
(NaNO2), tuy nhiên, nó tạo ra methemoglobin nhanh hơn rất nhiều so với IAN và NaNO2.<br />
Liều 3,25 mg/kg (tiêm tĩnh mạch), 4-DMAP HCl được báo cáo là có khả năng tạo ra 15 %<br />
methemoglobin trong 1 phút và 30 % methemoglobin sau 10 phút tiêm mà không gây ra<br />
bất kỳ hiệu ứng tim mạch nào [4].<br />
Trong lịch sử, chiến tranh hóa học có sử dụng cyanid đã gây ra thương vong cho hàng<br />
ngàn người [7]. Thuốc giải độc đặc hiệu 4-DMAP HCl hiện nay được sử dụng phổ biến ở<br />
Đức, Hà Lan [7]. Đây là một hợp chất được sử dụng với mục đích phòng chống độc quân<br />
sự là chủ yếu, do đó, việc nhập khẩu khó khăn và tốn kém thời gian, chi phí. Nhóm tác giả<br />
tiến hành nghiên cứu tổng hợp 4-DMAP HCl bằng phương pháp tổng hợp hữu cơ truyền<br />
thống và đánh giá đặc trưng của sản phẩm tổng hợp bằng các phương pháp vật lý hiện đại.<br />
Sản phẩm tạo ra được dự trữ làm nguyên liệu để chế tạo bộ kít giải độc đặc hiệu chống<br />
nhiễm độc cyanid.<br />
2. THỰC NGHIỆM<br />
2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị<br />
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ<br />
p-anisidin (99,6 %, Acros); Bình cầu 3 cổ dung tích 250 ml;<br />
Trimethyl phosphat (99,8 %, Acros); Máy khuấy từ gia nhiệt;<br />
NaOH bột (Fisher); Phễu nhỏ giọt cân bằng áp, dung tích 100<br />
Ethyl acetat khan (Fisher); ml;<br />
Na2SO4 khan (Fisher); Phễu chiết dung tích 250 ml;<br />
Hydrochloric acid 36-38 % (Fisher); Pipet dung tích 2, 5 và 10 ml;<br />
Dichloromethan (Fisher); Ống đong dung tích 50 ml và 150 ml;<br />
Tetrahydrofuran (Fisher); Sinh hàn hồi lưu L= 35 cm;<br />
N,N-dimethyl-1,4-phenylenediamin; Nước cất;<br />
Natri nitrit (Fisher); Khí Argon;<br />
Bộ cất quay áp suất thấp.<br />
2.1.2. Thiết bị và phương pháp phân tích<br />
a. Xác định nhiệt độ nóng chảy:<br />
Nhiệt độ nóng chảy của sản phẩm được đo trên thiết bị STUART SMP3 (BIBBY<br />
STERILIN-UK). Phương pháp đo được tiến hành như sau:<br />
- Nghiền nhỏ chất cần đo, làm khô trước khi thử nghiệm.<br />
<br />
<br />
176 V. N. Toán, N. M. Trí, “Nghiên cứu tổng hợp … 4-dimethylaminophenol hydrochlorid.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
- Nạp chất cần đo vào capilla sao cho chiều cao chất rắn đạt khoảng 3 mm và đưa<br />
cappila chứa mẫu vào cell đo.<br />
- Làm nóng capilla cho đến nhiệt độ thấp hơn khoảng 10oC so với nhiệt độ nóng chảy<br />
dự kiến với tốc độ gia nhiệt 1oC/phút. Lắp nhiệt kế, khi nhiệt độ thấp hơn 10oC so với<br />
nhiệt độ nóng chảy dự kiến và tiếp tục quan sát cho đến khi kết thúc quá trình. Ghi lại<br />
nhiệt độ nóng chảy. Nhiệt độ mà tại đó cột chất rắn đổ sụp được tính là điểm đầu, nhiệt độ<br />
mà tại đó chất thử trở thành dạng lỏng trong suốt là điểm cuối.<br />
b. Phổ hồng ngoại (FT-IR): Phổ hồng ngoại của sản phẩm được đo trên phổ kế Impact 410<br />
FT-IR Spectrometer (Nicolet, USA) ở dạng viên ép với bột KBr.<br />
c. Phổ cộng hường từ hạt nhân: Phổ 1H NMR và 13C NMR của sản phẩm được đo trên phổ<br />
kế NMR Advance Spectrometer AV500 (Bruker, Germany) ở tần số 500,13 MHz và<br />
125,77 MHz tương ứng, với dung môi DMSO-d6 và dùng chất chuẩn nội TMS.<br />
d. Phổ sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): mẫu chất được đo theo chế độ sau:<br />
- Sử dụng cột Hyper ODS2, C18;<br />
- Chiều dài cột: 250 mm; đường kính cột: 4,6 mm;<br />
- Dung môi pha động: MeOH:H2O=80:20, tốc độ pha động: 1,0 ml/phút;<br />
- Áp suất: 10,0 MPa;<br />
- Detector: UV 254 nm;<br />
- Thể tích mẫu bơm vào: 3 μL.<br />
e. Phổ khối lượng (MS): Phổ MS của sản phẩm được ghi trên máy LTQ Orbitrap XLTM<br />
(Thermo Scientific, USA) với dung môi methanol.<br />
f. Đo sắc ký bản mỏng (TLC): Sắc ký bản mỏng Kieselgel 60F254 No. 5715 (Merck,<br />
Germany) với hệ dung môi toluen : ethyl acetat = 1:2 theo thể tích, các vết chất được phát<br />
hiện bằng hơi iod hoặc nhờ soi đèn UV.<br />
2.2. Quy trình tổng hợp 4-DMAP HCl<br />
4-DMAP HCl được tổng hợp bằng phương pháp hồi lưu truyền thống theo quy trình<br />
hai giai đoạn, cụ thể như sau:<br />
- Giai đoạn 1 (tổng hợp chất trung gian N,N-dimethylat): Khuấy hỗn hợp dung dịch của<br />
p-anisidin (12,3 g; 0,10 mol) và trimethyl phosphat (15 ml; 0,125 mol) trong bình cầu 1 cổ<br />
dung tích 250 ml. Đun hồi lưu hỗn hợp trong 5 giờ, sau đó làm mát về nhiệt độ phòng.<br />
Nhỏ giọt dung dịch NaOH (12 g/40 ml) vào hỗn hợp trên. Tiếp tục đun hồi lưu kết hợp với<br />
khuấy thêm 1 giờ, sau đó làm mát hỗn hợp phản ứng về nhiệt độ phòng. Hỗn hợp được<br />
chuyển vào nước cất (60 ml), sau đó chiết với ethyl acetat (3 lần×40 ml). Thu gom lớp hữu<br />
cơ, làm khô bằng Na2SO4 khan. Lọc, rửa với ethyl acetat và cô quay thu được 8,4 g (hiệu<br />
suất 55,6 %) sản phẩm.<br />
- Giai đoạn 2 (tổng hợp 4-DMAP HCl): 8,4 g 1-(N,N-dimethylamino)-4-<br />
methoxybenzen tổng hợp ở giai đoạn 1 được hòa tan trong hydrochloric acid đặc (40 ml).<br />
Hỗn hợp được đun hồi lưu trong 5 giờ dưới khí quyển argon, sau đó làm mát về nhiệt độ<br />
phòng. Hỗn hợp được cô cạn dưới áp suất giảm đến khô, rửa nhiều lần với hỗn hợp dung<br />
dịch dichloromethan/tetrahydrofuran (5:1 v/v) thu được chất rắn. Chất rắn này tiếp tục<br />
được làm khô trong desicator chứa silicagel khan, sau 24 giờ sẽ thu được sản phẩm 4-<br />
DMAP HCl với hiệu suất 87%.<br />
3. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN<br />
3.1. Tổng hợp 4-DMAP HCl<br />
Có nhiều phương pháp để tổng hợp 4-DMAP HCl, chẳng hạn như: tổng hợp theo<br />
phương pháp Sekiya [6], sử dụng 4-methylaminophenol làm nguyên liệu đầu, tác nhân<br />
phản ứng methyl iodide với lượng dư lớn, hồi lưu trong vài giờ để chuyển hóa nhóm amin<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 177<br />
Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br />
<br />
thành dạng muối ammonium bậc 4, sau đó xử lý dạng muối này trong n-amyl alcohol thu<br />
được sản phẩm 4-DMAP HCl với hiệu suất 48 %.<br />
Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất của phương pháp này là không thể dùng tác nhân khác thay<br />
thế cho methyl iodide (tác nhân đắt, dùng lượng dư lớn), thời gian phản ứng lâu và nhiệt độ<br />
phản ứng cao. Ngoài ra, có thể tổng hợp 4-dimethylaminophenol từ phản ứng N-methyl hóa<br />
dẫn xuất anilin khác nhau như phản ứng với trimethyl phosphat [8] (Thomas, 1946), với<br />
methyl iodide/trimethyl phosphat/natri carbonat hoặc lithium bromide/trimethyl phosphat [5]<br />
(Fletcher, 1962), với lượng dư methyl sulfat [3] (Evans, 1939), với lượng dư formaldehyd<br />
[2] (Eisner, 1934). Tuy nhiên, các phương pháp này đều không thích hợp để tổng hợp 4-<br />
DMAP HCl vì phản ứng diễn ra chậm, hiệu suất thấp và sinh ra nhiều sản phẩm phụ.<br />
Chúng tôi cũng đã thử nghiệm nghiên cứu tổng hợp 4-DMAP HCl bằng phản ứng<br />
diazo hóa N,N-dimethyl-1,4-phenylenediamin bởi nitrous acid, được tạo thành từ phản ứng<br />
của natri nitrit với hydrochloric acid, nhiệt độ phản ứng từ 0-5 oC, tiếp theo là sự thủy<br />
phân muối diazonium trong môi trường H3O+ thu được 4-DMAP. Hạn chế của phương<br />
pháp này là hiệu suất phản ứng thu được rất thấp (15-20 %). Nguyên nhân có thể là do,<br />
nhóm hydroxy trong phenol có tính acid nên dễ bị phân hủy trong hỗn hợp phản ứng dẫn<br />
đến hiệu suất thấp.<br />
Từ những nghiên cứu khảo sát trên, chúng tôi sử dụng nguyên liệu đầu có nhóm<br />
methoxy trung tính (-OCH3) thay vì nhóm hydroxy trong phenol có tính acid. Khi sử dụng<br />
methoxy, phản ứng được thực hiện ở điều kiện tương đối êm dịu, dung môi đa dạng và bản<br />
thân methoxy cũng là một hợp chất ổn định, trơ với nhiều tác nhân khác. Trong phản ứng<br />
này, sử dụng xúc tác lithium bromid - xúc tác hiệu quả nhất trong phản ứng N-alkyl hóa<br />
với trialkyl phosphat là không nhất thiết. Phương pháp này cho hiệu suất cao hơn so với<br />
khi sử dụng kết hợp methyl iodide/trimethyl phosphat/natri carbonat hoặc lithium<br />
bromid/trimethyl phosphat. p-Anisidin luôn có sẵn từ nguồn thương mại, đầu tiên là phản<br />
ứng với trimethyl phosphat (tỷ lệ mol 1,0:1,25) và hồi lưu trong 5 giờ, sau đó, xử lý với<br />
dung dịch natri hydroxid cũng trong điều kiện hồi lưu sẽ thu được sản phẩm trung gian là<br />
N,N-dimethylat. Trimethyl phosphat là tác nhân không đắt, vừa là tác nhân êm dịu, vừa<br />
đóng vai trò dung môi tốt cho phản ứng methyl hóa. Sau khi phản ứng kết thúc không có<br />
bất kỳ cặn của muối amonium bậc 4 hoặc sản phẩm methylat chưa phản ứng (kiểm tra<br />
bằng TLC). Sau khi chiết với ethyl acetat, làm khô, lọc và cô quay dưới áp suất thấp, sản<br />
phẩm thô N,N-dimethylat đủ tinh khiết để phân tích NMR.<br />
Tiếp theo, sản phẩm N,N-dimethylat được de-methyl hóa với hydrochloric acid 36-38<br />
% trong 5 giờ, cô quay, rửa với dichloromethan/tetrahydrofuran tỷ lệ 5:1 (v/v) thu được<br />
sản phẩm 4-DMAP HCl với hiệu suất 87 %. Cơ chế phản ứng tổng hợp 4-DMAP HCl diễn<br />
ra như sau:<br />
- Giai đoạn 1: Phản ứng tổng hợp chất trung gian N,N-dimethylat: Phản ứng xảy ra theo<br />
cơ chế thế nucleophil lưỡng phân tử (SN2):<br />
CH3 CH3<br />
H3C .. H H3C CH3<br />
.. + + N<br />
H N H - N H3C N H -<br />
H N H O OH O OH<br />
O O<br />
H3C P + CH3 -H2O H3C P+ CH3 -H2O<br />
O O<br />
O O<br />
CH3 CH3<br />
OCH3 OCH3 OCH3<br />
OCH3 OCH3<br />
<br />
<br />
- Giai đoạn 2: Phản ứng tổng hợp 4-DMAP HCl: thủy phân nhóm methoxy trong N,N-<br />
dimethylat bằng hydrochloric acid:<br />
.. OH<br />
OCH3<br />
2 H Cl<br />
<br />
<br />
HCl<br />
N<br />
N H3C CH3<br />
H3C CH3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
178 V. N. Toán, N. M. Trí, “Nghiên cứu tổng hợp … 4-dimethylaminophenol hydrochlorid.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
3.2. Đánh giá tính chất hóa lý và cấu trúc của sản phẩm<br />
3.2.1. Tính chất vật lý của sản phẩm<br />
Sản phẩm dạng bột, xốp, màu trắng (quan sát bằng mắt thường), nhiệt độ nóng chảy<br />
141-147 oC (kết quả này phù hợp với số liệu công bố trong tài liệu [6]).<br />
3.2.2. Đánh giá cấu trúc của sản phẩm<br />
a. Phổ hồng ngoại (IR):<br />
Trên phổ IR xuất hiện các băng sóng hấp thụ đặc trưng cho các nhóm chức có mặt<br />
trong phân tử. Ở 3406 cm-1 và 3242 cm-1 là băng sóng hấp thụ đặc trưng cho dao động hóa<br />
trị nhóm –OH và –NH. Các băng sóng hấp thụ ở 2910, 2900, 2850 cm-1 đặc trưng cho dao<br />
động hóa trị nhóm alkyl (CH3). Dao động hóa trị của liên kết C=C thơm xuất hiện ở 1606,<br />
1516 và 1469 cm-1.<br />
b. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR):<br />
- Phổ 1H NMR: Phổ 1H NMR của hợp chất 4-DMAP HCl cho thấy sự xuất hiện các<br />
vùng tín hiệu rõ rệt, đặc trưng cho từng loại proton có mặt trong phân tử hợp chất này. Kết<br />
quả phổ 1H NMR được trình bày trong bảng dưới đây.<br />
OH<br />
1<br />
6 2<br />
5 3<br />
4<br />
HCl<br />
N<br />
H3C CH3<br />
Bảng 1. Kết quả phổ 1H NMR của hợp chất 4-DMAP HCl.<br />
δ (ppm) Quy gán<br />
13,07 Proton trong HCl<br />
10,13 br, s, 1H, -OH<br />
7,64 m, 2H, H-2, H-6<br />
6,91 d, 2H, J 8,5 Hz, H-3, H-5<br />
3,06 s, 6H, 2×CH3-N<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Phổ 1H NMR của hợp chất 4-DMAP HCl.<br />
- Phổ 13C NMR: Phổ 13C NMR cho biết độ chuyển dịch hóa học của các nguyên tử<br />
carbon trong phân tử. Độ chuyển dịch hoá học nguyên tử carbon gắn trực tiếp với nguyên<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 179<br />
Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br />
<br />
tử oxy (C-1) và nito (C-4) ở vị trí lần lượt δ=158,5 ppm và δ=135,2 ppm. Nguyên tử<br />
carbon C-2 và C-6 (carbon tương đương) có tín hiệu cộng hưởng ở vị trí δ=122,7 ppm.<br />
Tương tự, nguyên tử carbon C-3 và C-5 (hai carbon tương đương) có tín hiệu cộng hưởng<br />
ở vị trí δ=116,6 ppm. Tín hiệu xuất hiện ở δ= 46,3 ppm đặc trưng cho nguyên tử carbon<br />
trong nhóm methyl (2×CH3-N).<br />
c. Phổ khối lượng (MS):<br />
Phổ khối lượng của 4-DMAP HCl được đo bằng phương pháp ESI-MS. Pic ion phân tử<br />
m/z 137 ([M]+, 15 %). Một số phân mảnh chính: m/z 136 (20 %), 121 (100 %, pic cơ sở),<br />
108 (16 %), 95 (23 %).<br />
Cơ chế phân mảnh của 4-DMAP HCl như sau:<br />
H<br />
O O O O<br />
<br />
-CH3<br />
-H -C=O<br />
;<br />
<br />
+ +<br />
+<br />
+ N N N<br />
N N H3 C CH3<br />
H 3C CH3 H3 C CH3 H3 C<br />
H3 C CH3<br />
m/z 137 m/z 136 m/z 108 m/z 136 m/z 121<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Phổ MS của hợp chất 4-DMAP HCl.<br />
d. Đánh giá độ tinh khiết của sản phẩm: Đánh giá độ tinh khiết của 4-DMAP HCl bằng<br />
phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với điều kiện chạy như đã nêu ở trên, chất<br />
chuẩn là 4-DMAP HCl nhập từ công ty Dược phẩm Career Henan (Trung Quốc) với độ<br />
tinh khiết 99,9 %. Trên sắc ký đồ của 4-DMAP HCl xuất hiện 2 pic:<br />
- Pic tại thời gian lưu tR = 2,91833 phút: Chiều cao pic: 5,21 mV, diện tích pic: 40,53<br />
mV.sec, tỷ lệ % pic: 0,3895 %.<br />
- Pic tại thời gian lưu tR = 3,19167 phút: Chiều cao pic: 652,37 mV, diện tích pic:<br />
10365,88 mV.sec, tỷ lệ % pic: 99,6105 %. Như vậy, 4-DMAP HCl tổng hợp được có độ<br />
tinh khiết đạt 99,61 %.<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Bằng phương pháp tổng hợp hữu cơ truyền thống, chúng tôi đã tổng hợp và tinh chế<br />
thành công sản phẩm 4-DMAP HCl với cấu trúc và các tính chất hóa lý tương đương với<br />
chất chuẩn nhập từ nước ngoài. Kết quả này cho thấy, chúng ta hoàn toàn có khả năng chủ<br />
động nghiên cứu hoàn thiện quy trình tổng hợp, tiến tới tổng hợp sản phẩm đạt tiêu chuẩn<br />
dược dụng để có thể dữ trữ để làm thuốc giải độc đặc hiệu cho nhiễm độc cyanide.<br />
<br />
<br />
180 V. N. Toán, N. M. Trí, “Nghiên cứu tổng hợp … 4-dimethylaminophenol hydrochlorid.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Nguyễn Đình Thành, “Cơ sở các phương pháp phổ ứng dụng trong hóa học”, NXB<br />
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2011, 671 trang.<br />
[2]. Eisner A., Wagner E. C., “Condensations of aromatic amines with formaldehyde in<br />
media containing acid. I. para-toluidene”, J. Am. Chem. Soc., 56, 1934, pp. 1938-<br />
1943.<br />
[3]. Evans D. P., Lilliams R., J. Chem. Soc., 1939, pp. 1199.<br />
[4]. Moore S. J., Norris J. C., Walsh D. A., Hume A. S., “Antidote use of methemoglobin<br />
forming cyanide antagonist in concurrent carbon monoxide/cyanide intoxication”, J.<br />
Pharmacol. Exp. Ther., 242, 1987, pp. 70-73.<br />
[5]. Pan H. L., Fletcher T. L., “Derivatives of fluorene. XVII. Alkyl phosphates, phosphites,<br />
and phosphonates with lithium halides or alkyl halides in the N-alkylation of<br />
fluorenamine”, J. Org. Chem., 27, 1962, pp. 3639-3643.<br />
[6]. Sekiya M., Tomie M., Leonard N. J., “Dealkylation of aromatic tertiary amines with<br />
formates”, J. Org. Chem., 33, 1968, pp. 318-322.<br />
[7]. Sidell F.R., Takafuri E. T., Franz D.R., “Medical aspects of chemical and biological<br />
warfare”, Department of the Army, United States of America, 1997, 722 pages.<br />
[8]. Thomas D. G., Billman J. H., Davis C. E., “Alkylation of amines. II. N-N-dialkylation<br />
of nuclear substituted aniline”, J. Am. Chem. Soc., 69, 1946, pp. 589-590.<br />
ABSTRACT<br />
STUDY ON SYNTHESIS AND EVALUATING STRUCTURE OF<br />
4-DIMETHYLAMINOPHENOL HYDROCHLORIDE<br />
The 4-dimethylaminophenol hydrochloride is antidote for cyanide poisoning. The<br />
process synthesis 4-dimethylaminophenol hydrochloride can be carried out by<br />
different ways. In this paper, the results of synthesis and determining physical and<br />
chemical properties of 4-dimethylaminophenol hydrochloride by modern methods,<br />
such as: melting point measurement, IR, NMR, HPLC and MS are presented. The<br />
results showed that the product obtained was of high purity with yield of 87 %.<br />
Keywords: 4-DMAP HCl, Antidote, Cyanide, Methemoglobin.<br />
<br />
Nhận bài ngày 20 tháng 9 năm 2017<br />
Hoàn thiện ngày 31 tháng 10 năm 2017<br />
Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 02 năm 2018<br />
<br />
Địa chỉ: Viện hóa học - Vật liệu/Viện KH-CN quân sự.<br />
*<br />
Email: vntoanchem@gmail.com.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 181<br />