ĐẶT VẤN ĐỀ Trong nghiên cứu phát triển thuốc, khó khăn lớn nhất là khả năng hòa tan kém của dƣợc chất, gần một phần ba số dƣợc chất trong nghiên cứu phát triển gần đây không đạt về độ tan và một nửa thất bại trong thử nghiệm dƣợc động học [103]. Các thuốc kém tan thƣờng hấp thu chậm, thất thƣờng, sinh khả dụng không đủ và độc tính cao do tồn tại lâu trên niêm mạc. Theo hệ thống phân loại sinh dƣợc học, các thuốc kém tan trong nƣớc thuộc về nhóm II và nhóm IV, trong quá trình hấp thu thuốc từ đƣờng uống, tốc độ hòa tan là yếu tố kiểm soát tốc độ và mức độ hấp thu của thuốc kém tan [8], [104]. Một số thuốc kém tan điển hình nhƣ: rutin, itraconazol, meloxicam.
Để đảm bảo hiệu quả tối đa trong điều trị và giảm độc tính của thuốc, cần thiết phải nâng cao độ tan của các dƣợc chất. Các kỹ thuật đã đƣợc sử dụng nhằm cải thiện độ tan và tốc độ hòa tan của thuốc kém tan trong nƣớc bao gồm phân tán rắn, siêu vi tinh thể, đồng tinh thể, đồng bay hơi, đồng kết tủa, kết hợp polyme, hấp phụ bề mặt, tạo phức v. Trong những kỹ thuật này, tạo phức với cyclodextrin đạt hiệu quả cao trong việc cải thiện độ tan và tốc độ hòa tan. Trong nhóm cyclodextrin, beta cyclodextrin (βCD) đƣợc nghiên cứu rộng rãi để tạo phức làm tăng độ tan của dƣợc chất [63].
Tuy nhiên độ tan của βCD thấp và có độc tính trên thận nên khả năng ứng dụng của βCD bị giới hạn [17], [84]. Các dẫn xuất hydroxyalkyl của βCD có độ tan trong nƣớc cao và độc tính trên thận thấp [57], ]65]. Tính chất tạo phức với dƣợc chất của các dẫn xuất này về cơ bản vẫn không thay đổi nên khả năng làm tăng độ tan, tốc độ hòa tan của thuốc trong phức cao hơn nhiều so với phức thuốc-βCD [29]. Trên thế giới, các dẫn xuất hydroxyalkyl của βCD đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu phát triển thuốc.
Hiện nay các nghiên cứu phát triển thuốc tập trung chủ yếu vào 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPβCD) và một số nghiên cứu bắt đầu với 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin (HBβCD) để cải thiện độ tan của dƣợc chất [90], [91]. Tuy nhiên các nguyên liệu này trong nƣớc vẫn chƣa tổng hợp đƣợc và cũng không có sẵn trên thị trƣờng. 2 Từ các lý do trên, đề tài “Tổng hợp hydroxyalkyl-β-cyclodextrin ứng dụng làm tá dƣợc tăng độ tan trong bào chế thuốc” đƣợc thực hiện gồm 2 mục tiêu cụ thể sau: 1. Tổng hợp 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin và 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin: 1.
Xây dựng qui trình tổng hợp HPβCD và HBβCD. Nâng sản phẩm của phản ứng tổng hợp lên cỡ lô kg. Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở của sản phẩm tổng hợp đạt yêu cầu làm tá dƣợc. Ứng dụng 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin và 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin tổng hợp vào tạo phức với một số dƣợc chất kém tan: 2.
Điều chế phức rutin-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (R-HPβCD), phức rutin- hydroxybutyl-β-cyclodextrin (R-HBβCD) 2. So sánh độ hòa tan, độ tan của phức R-HBβCD và phức R-HPβCD. Điều chế phức itraconazol-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (ITZ-HPβCD), phức itraconazol-hydroxybutyl-β-cyclodextrin (ITZ-HBβCD) 2. So sánh độ hòa tan, độ tan của phức ITZ-HBβCD và phức ITZ-HPβCD.
Điều chế phức meloxicam-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (ME-HPβCD). TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG HỢP 2-HYDROXYPROPYL-β-CYCLODEXTRIN 1. 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPβCD) Công thức hóa học (a) (b) Hình 1.
Công thức cấu tạo của HPβCD (a) và gốc thế (b) Tên khác: hydroxypropylbetadex (β-cyclodextrin, 2-hydroxypropyl ether) Công thức nguyên: C42H70O35(C3H6O)n với n = 7 x ms. Số nhóm 2-hydroxypropyl trên mỗi đơn vị glucose (ms) không dƣới 0,4 và không quá 1,5 [21], [35], [99]. Tính chất Bột kết tinh màu trắng, hay trắng ngà, dễ hút ẩm. Độ tan: tan tự do trong nƣớc và trong propylen glycol.
Trong 2 đồng phân của HPβCD, đồng phân S ít hòa tan hơn đồng phân R. Khi sự đơn thay thế tại vị trí OH ở C-2 và sự thay thế thấp, độ tan của HPβCD thấp hơn độ tan của βCD [20], [24], [48]. Khi tan trong nƣớc, HPβCD tạo gel và làm tăng độ nhớt của dung dịch. Các nhóm hydroxyl bậc 2 và chuỗi 2-hydroxypropyl trong phân tử HPβCD tự liên kết với nhau tạo thành các tập hợp, hình thành dạng nano hoặc mixen [69], [70], [71], [79].
So với các cyclodextrin khác, HPβCD ít tạo tập hợp nhất, khi các đồng phân với các độ thế khác nhau trong cùng một sản phẩm, sự tập hợp giảm [70]. 4 Cấu trúc của HPβCD: các nhóm methylen C-1' và nhóm methyl C-3' của nhóm thế liên kết vào bên trong của khoang macrocyclic bởi liên kết hydro và đƣợc kéo vào trong khoang, chặn cả 2 đầu của phân tử lân cận. Nhóm 2-hydroxypropyl của một phân tử đƣa vào trong khoang của một phân tử liền kề từ phía hydroxyl bậc 2, dẫn đến các phân tử liên kết chặt chẽ trong mạng tinh thể tạo thành cấu trúc polyme [20], [54]. Mô hình một phân tử HPβCD [54]: nhóm thế 2-hydroxypropyl đƣợc kéo vào trong khoang (a) và các nhóm thế của phân tử HPβCD liên kết với các phân tử liền kề tạo cấu trúc polyme (b).
Thay thế một phần bởi nhóm 2-hydroxypropyl tại các vị trí OH ở C-2 và C-3 vẫn cho phép hydro ở OH-C-2 và OH-C-3 hình thành liên kết giữa những nhóm hydroxyl chƣa thay thế, với khoảng cách giữa OH ở C-2 và OH ở C-3 tăng khoảng ba lần so với βCD và lực liên kết giữa những nhóm này bị yếu đi. Các nguyên tử oxy glycosidic không hoạt động nhƣ một base Lewis, không có liên kết hydro với các phân tử nƣớc ở gần khoang. Điều này nhấn mạnh bản chất kỵ nƣớc của khoang. Phân tích cấu trúc của một số phân tử HPβCD cho thấy cấu trúc phân tử tổng thể của nó phụ thuộc vào bản chất thay thế gốc 2-hydroxypropyl chứ không phải một cấu trúc duy nhất.
Dạng hình nón tổng thể của HPβCD so với βCD về cơ bản vẫn không thay đổi, mặc dù độ nghiêng có thể xoay quanh vào bên trong hoặc bên ngoài khoang. 5 Về cấu trúc của khoang HPβCD: đƣờng kính của nó thay đổi không đáng kể do độ cứng vốn có của vòng bảy nhóm glycosidic của phân tử βCD, sự biến đổi liên quan chủ yếu do sự chuyển động tƣơng đối linh hoạt của các nhóm 2-hydroxypropyl [29], [54]. Độc tính: HPβCD đƣợc chứng minh là dung nạp tốt ở ngƣời, với tác dụng phụ chính là tiêu chảy và không có các tác dụng phụ trên chức năng thận. So với các cyclodextrin khác, HPβCD ít độc và an toàn nhất [56], [84].
Nguyên liệu dùng cho tổng hợp 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin 1. Beta cyclodextrin (βCD) Công thức hóa học (a) (b) Hình 1. Công thức cấu tạo của beta cyclodextrin (a) và 1 đơn vị glucopyranose (b) Công thức nguyên: (C6H10O5)7. Phân tử lƣợng: 1134,994.
Tính chất: bột tinh thể màu trắng dạng hydrat ổn định. Độ tan trong nƣớc: 1,85% (kl/tt) [17], [21], [35], [78]. Nguồn gốc: βCD đƣợc tổng hợp từ carbohydrat với xúc tác bởi một enzym tự nhiên là Cyclomaltodextrin glucanotransferase, bài tiết bởi vi khuẩn Bacillus macerans [86]. βCD có nhiều đặc điểm lý hóa và sinh học tƣơng tự nhƣ dextrin mạch thẳng.
6 Cấu trúc hóa học: βCD là vòng oligosaccharid có chứa bảy đơn vị glucose đƣợc liên kết với nhau bởi liên kết (α-1,4)-D-glucopyranosyl (hình 1. βCD có dạng hình nón cụt thay vì một hình trụ vì cấu hình ghế của các đơn vị glucopyranose [65], [99]. Định hƣớng của các đơn vị glucopyranose gồm các nhóm hydroxyl bậc 1 tại các vị trí C-6 phía ngoài vành hẹp, trong khi các nhóm hydroxyl bậc 2 ở các vị trí C-2 và C-3 phía ngoài vành rộng hơn của hình nón cụt. Phân tử βCD có bề mặt bên ngoài ƣa nƣớc và khoang bên trong kỵ nƣớc.
Các cặp điện tử không liên kết của các cầu oxy hƣớng vào bên trong khoang, do đó tạo ra mật độ điện tử cao [56]. Sự phân cực của khoang βCD đƣợc ƣớc tính tƣơng tự nhƣ sự phân cực của ethanol, do liên kết hydro nội phân tử giữa các nhóm OH ở C-2 và C-3 tƣơng đối mạnh làm cho βCD kém tan trong nƣớc [65]. Đặc điểm cấu tạo của βCD Kích thƣớc của βCD: cao 0,78 nm, đƣờng kính ngoài 1,53 nm, đƣờng kính trong 0,78 nm [65]. Công thức hóa học: C3H6O, phân tử lƣợng 58,08.
Tính chất: 1,2-propylen oxid là chất lỏng không màu, mùi nhẹ, sôi ở 34,1 oC, rất dễ cháy. Các nghiên cứu về tổng hợp HPβCD trên thế giới 1. Phản ứng trên vòng glucopyranose Ảnh hƣởng của nồng độ kiềm đến các vị trí phản ứng: HPβCD đƣợc tổng hợp bởi phản ứng giữa βCD và 1,2-propylen oxid trong dung dịch nƣớc kiềm. Các base có chức năng kép nhƣ một chất xúc tác cho phản ứng và cho sự hòa tan của βCD, một hợp chất kém hòa tan trong nƣớc [50].
Nồng độ kiềm cao sẽ ƣu tiên alkyl hóa tại các vị trí OH-C-6. Nồng độ kiềm thấp sẽ ƣu tiên alkyl hóa tại các vị trí OH-C-2. Các phản ứng tƣơng đối khác nhau ở ba vị trí OH-C-2, OH-C-3 và OH-C-6 trong các phân tử α-D-glucopyranosyl có thể đƣợc xác định từ tỷ lệ mol của ether tạo thành sau phản ứng. Các phản ứng tại OH-C-3 thƣờng đƣợc tăng cƣờng đáng kể khi OH-C-2 alkyl hóa hết, nhƣng phản ứng tại OH-C-2 và OH-C-6 hầu nhƣ không bị ảnh hƣởng bởi ether hóa ở các vị trí khác.
Các sản phẩm luôn thay thế ngẫu nhiên và phân bố giữa các đơn vị glucopyranose khác nhau. Trong phản ứng ether hóa, độ hoạt động tƣơng đối ở OH-C-3 so với OH-C-2 ít bị ảnh hƣởng bởi nồng độ kiềm. Tuy nhiên, phản ứng tƣơng đối xảy ra ở OH-C-6 so với OH-C-2, thay đổi từ 1 : 5 ở nồng độ kiềm thấp, 7 : 1 ở nồng độ kiềm cao. Đối với các phản ứng thúc đẩy bởi natri ethylsulfinylmethanid trong dimethyl sulfoxid, alkyl hóa tại vị trí OH-C-6 đƣợc ƣu tiên [49].
Bằng cách thay đổi nồng độ kiềm để có đƣợc một mức độ chọn lọc của phản ứng giữa βCD với 1,2-propylen oxid. Alkyl hóa có chọn lọc tại OH-C-2 hoặc OH-C-6 có thể là một khởi đầu cho sự ra đời của một nhóm phản ứng trong một phân tử. Với nồng độ natri hydroxid sử dụng thấp, nhóm hydroxyl bậc 2 đƣợc ƣu tiên alkyl hóa. Khi ether bậc 2 tăng về số lƣợng, các nhóm hydroxyl bậc 2 tự do còn lại phản ứng giảm do cản trở về không gian, trong khi phản ứng của các nhóm hydroxyl bậc 1 tự do không bị ảnh hƣởng đáng kể.
Một hiệu ứng tƣơng tự, do nhiều nhóm hydroxyl bậc 1, khi alkyl hóa đƣợc thúc đẩy bởi nồng độ kiềm cao, phản ứng alkyl hóa tại các vị trí hydroxyl bậc 1 đƣợc ƣu tiên [20], [23], [46], [87]. 8 Ảnh hƣởng của các base khác nhau nhƣ lithium hydroxid, natri hydroxid, kali hydroxid, tetramethylamoni hydroxid và bari hydroxid của phản ứng giữa βCD và 1,2-propylen oxid đã đƣợc nghiên cứu và cho thấy không có sự khác biệt trong mô hình thay thế khi sử dụng các base khác nhau [24].