Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Pazopanib hydroclorid (biệt dược Votrient) là thuốc ức chế đa thụ thể tyrosin-kinase (TKI) thông qua cơ chế ức chế cạnh tranh với adenosin triphosphat (ATP) gắn vào vị trí nội bào của thụ thể, làm gián đoạn quá trình hình thành mạch máu nuôi khối u. Thuốc đã được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt năm 2009, tiếp đó được các cơ quan quản lý dược phẩm châu Âu (EMA), Anh (MHRA) và Úc (TGA) cấp phép vào năm 2010 để điều trị ung thư biểu mô tế bào thận tiến triển (RCC) và sarcoma mô mềm tiến triển (STS) ở bệnh nhân đã qua hóa trị.
Về mặt cấu trúc hóa học, pazopanib hydroclorid được tổng hợp từ ba hợp phần nhân thơm chính gồm indazol, pyrimidin, benzensulfonamid và một nhóm methyl, trong đó nhân pyrimidin đóng vai trò là cầu nối liên kết. Dù tiếp cận theo hướng gắn hợp phần indazol trước hay gắn hợp phần sulfonamid trước vào khung pyrimidin, hợp phần 5-amino-2-methylbenzensulfonamid (trung gian sulfonamid) đều là mắt xích bắt buộc trong quy trình điều chế.
Các nghiên cứu công bố trước đây về tổng hợp trung gian sulfonamid còn tồn tại một số nhược điểm khi triển khai thực nghiệm:
- Phản ứng khử - acyl hóa qua hai giai đoạn riêng biệt phức tạp; chất trung gian amin thơm tự do dễ bị oxy hóa bởi oxy không khí và ánh sáng tạo tạp màu, làm suy giảm hiệu suất.
- Giai đoạn này sử dụng dung môi methanol có độc tính cao và giá thành đắt.
- Giai đoạn sulfonamid hóa gặp khó khăn trong thao tác nạp liệu do phải sử dụng lượng lớn dung môi aceton để trợ tan, gây tốn kém và làm thất thoát sản phẩm do bị hòa tan một phần.
Để hướng tới việc chủ động nguồn nguyên liệu sản xuất thuốc trong nước khi pazopanib hết hạn bảo hộ độc quyền, đề tài đặt ra mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:
- Nghiên cứu khảo sát, tối ưu hóa các điều kiện phản ứng tổng hợp từng chất trung gian trong quy trình 3 giai đoạn điều chế 5-amino-2-methylbenzensulfonamid từ nguyên liệu ban đầu là p-nitrotoluen.
- Tiến hành nâng cấp quy mô tổng hợp các chất trung gian từ quy mô thăm dò 2 g lên quy mô 20 g/mẻ và 100 g/mẻ nguyên liệu.
- Kiểm tra độ tinh khiết và khẳng định cấu trúc của các hợp chất tổng hợp được bằng các phương pháp hóa lý và phổ hiện đại.
- Đối tượng nghiên cứu: Hợp chất trung gian 5-amino-2-methylbenzensulfonamid và các sản phẩm trung gian N-(p-tolyl)acetamid, N-(4-methyl-3-sulfamoylphenyl)acetamid.
- Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện tại phòng thí nghiệm Tổng hợp Hóa dược, Bộ môn Công nghiệp Dược, Trường Đại học Dược Hà Nội (năm 2022).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận áp dụng quy trình tổng hợp hóa dược hữu cơ 3 giai đoạn từ p-nitrotoluen đi qua các phản ứng: khử - acyl hóa "one-pot", clorosulfo hóa kết hợp sulfonamid hóa, và thủy phân nhóm bảo vệ amid.
p-Nitrotoluen (6)
--> [Khử - acyl hóa one-pot: Zn, Ac2O, AcOH, IPA]
--> N-(p-tolyl)acetamid (3)
--> [Clorosulfo hóa: ClSO3H; Sulfonamid hóa: NH3 25%]
--> N-(4-methyl-3-sulfamoylphenyl)acetamid (4)
--> [Thủy phân: dd HCl 20%, trung hòa bằng dd Na2CO3 10%]
--> 5-Amino-2-methylbenzensulfonamid (2)
Phương pháp tổng hợp và tối ưu hóa
- Khảo sát phản ứng khử - acyl hóa: Nghiên cứu so sánh phương pháp 2 giai đoạn truyền thống với phương pháp "one-pot" sử dụng hệ tác nhân $\text{Na}_2\text{SO}_3/\text{AcOH}/\text{Ac}_2\text{O}$ hoặc $\text{Zn}/\text{AcOH}/\text{Ac}_2\text{O}$; khảo sát các loại kim loại khử ($\text{Mg}, \text{Zn}, \text{Fe}, \text{Sn}$), hệ dung môi ($\text{MeOH}, \text{EtOH } 96^\circ, \text{IPA}$), tỷ lệ tác nhân và pH môi trường trung hòa.
- Khảo sát phản ứng clorosulfo hóa và sulfonamid hóa: Nghiên cứu điều kiện phản ứng của chất 3 với acid clorosulfuric ($\text{ClSO}_3\text{H}$) tạo sulfonyl clorid trung gian, sau đó phản ứng trực tiếp với dung dịch amoniac $25%$ mà không cần hòa tan trước qua aceton.
- Khảo sát phản ứng thủy phân amid: Khảo sát quá trình cắt nhóm acetyl của chất 4 trong môi trường acid clorohydric $20%$ đun hồi lưu và giải phóng base tự do bằng dung dịch natri carbonat $10%$.
- Kỹ thuật thu hồi sản phẩm: Nghiên cứu phương pháp thu hồi sản phẩm tan trong nước cái bằng kỹ thuật làm lạnh qua đêm.
Phương pháp kiểm tra độ tinh khiết và xác định cấu trúc
- Sắc ký lớp mỏng (SKLM): Thực hiện trên bản mỏng pha đảo silica gel $60\text{ F}_{254}$ (Đức), soi dưới đèn tử ngoại ở bước sóng $254\text{ nm}$ với 2 hệ dung môi khai triển:
- Hệ A: n-hexan : ethyl acetat ($3:7$, thể tích/thể tích).
- Hệ B: dicloromethan : methanol ($9:1$, thể tích/thể tích).
- Đo nhiệt độ nóng chảy: Xác định trên máy đo điểm chảy EZ-Melt (Mỹ).
- Phổ hồng ngoại (IR): Ghi trên máy quang phổ Shimadzu trong dải sóng $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$ bằng kỹ thuật ép viên $\text{KBr}$ (thực hiện tại Khoa Hóa học, Trường ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội).
- Phổ khối lượng (MS): Ghi trên hệ thống máy đo phổ khối LTQ Orbitrap XL theo chế độ ion hóa phun mù điện tử (ESI) (thực hiện tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam).
- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H-NMR}$ và $^{13}\text{C-NMR}$): Đo trên thiết bị Bruker Ascend $600\text{ MHz}$ (dung môi $\text{DMSO-}d_6$, chất chuẩn nội tetramethylsilan - TMS) tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa các dữ liệu khoa học về cấu trúc, tính chất lý hóa, dược động học và chỉ định điều trị của pazopanib hydroclorid. Pazopanib ($\text{C}{21}\text{H}{14}\text{ClN}7\text{O}2\text{S}$, phân tử khối $473{,}99\text{ đvC}$) có $\text{p}K{a1} = 2{,}1$ (nhân indazol), $\text{p}K{a2} = 6{,}4$ (nhân pyrimidin) và $\text{p}K_{a3} = 10{,}2$ (nhóm sulfonamid); độ tan phụ thuộc mạnh vào pH (ít tan ở pH 1 với $0{,}65\text{ mg/mL}$ và thực tế không tan ở pH > 4). Thuốc được xếp vào nhóm II theo Hệ thống phân loại sinh dược học (BCS), liều dùng khuyến cáo $800\text{ mg/ngày}$ khi đói.
Chương này cũng phân tích tổng quan các con đường tổng hợp khung pazopanib và các phương pháp điều chế hợp phần 5-amino-2-methylbenzensulfonamid ($\text{C}7\text{H}{10}\text{N}_2\text{O}_2\text{S}$, phân tử khối $183{,}26\text{ đvC}$):
- Tổng quan các hệ xúc tác khử - acyl hóa hợp chất nitro thơm thành dẫn xuất amid: sử dụng acid carboxylic ($\text{Na}_2\text{SO}_3$, xúc tác $\text{Pt/Sn}$, photpho đỏ/iod, $\text{Mn/TMSCl}$); sử dụng este ($\text{Ni/Zn}$, $\text{Mn}$, $\text{CrCl}_3/\text{Mg}$); sử dụng anhydrid acid và acyl clorid ($\text{Ac}_2\text{O/Zn/Al}_2\text{O}_3$, In, $\text{Pd/silan}$, $\text{Zn/AcOH}$, triclorosilan).
- Cơ chế phản ứng clorosulfo hóa aren bằng các tác nhân $\text{SO}_2\text{Cl}_2$, $\text{SO}_2/\text{Cl}_2$, acid halogensulfuric ($\text{ClSO}_3\text{H}$).
- Cơ chế thủy phân liên kết amid xúc tác acid và xúc tác base.
Chương 2: Nguyên liệu, thiết bị, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Trình bày danh mục gồm 21 loại hóa chất, dung môi (độ tinh khiết phân tích từ Đức, Bỉ, Trung Quốc, Việt Nam) và 16 thiết bị nghiên cứu chủ chốt (hệ máy cất quay chân không Buchi R210 và R220 Pro, tủ sấy chân không WiseVen, máy khuấy từ gia nhiệt IKA, máy đo điểm chảy EZ-Melt, cân kỹ thuật Sartorius BP 2001S). Chương này quy định chi tiết quy trình thao tác chuẩn cho từng phản ứng, phương pháp sắc ký lớp mỏng để kiểm soát tiến trình phản ứng, phương pháp tinh chế cô lập sản phẩm và các thông số cài đặt khi đo phổ IR, MS, NMR.
Chương 3: Thực nghiệm, kết quả và bàn luận
1. Khảo sát và tối ưu hóa phản ứng ở quy mô nhỏ (2 g nguyên liệu)
- Tổng hợp N-(p-tolyl)acetamid (chất 3):
- Khảo sát phương pháp khử 2 giai đoạn bằng kim loại: Bột $\text{Zn}$ cho hiệu suất đạt $74{,}0%$ (điểm chảy $147{,}0 - 149{,}5^\circ\text{C}$), vượt trội so với $\text{Mg}$ ($55{,}0%$), $\text{Sn}$ ($52{,}3%$) và $\text{Fe}$ (không phản ứng). Tuy nhiên sản phẩm trung gian dễ bị biến màu do oxy hóa.
- Khảo sát phản ứng "one-pot" dùng $\text{Na}_2\text{SO}_3/\text{AcOH}/\text{Ac}_2\text{O}$: Hiệu suất đạt cao nhất chỉ $59{,}0%$ ở tỷ lệ $\text{Ac}_2\text{O/AcOH} = 2:8$, thời gian phản ứng kéo dài $32\text{ giờ}$, không phù hợp nâng quy mô.
- Khảo sát phản ứng "one-pot" dùng $\text{Zn/AcOH/Ac}_2\text{O}$ trên các dung môi khác nhau: Isopropanol (IPA) cho hiệu suất $93{,}30%$, tương đương methanol ($94{,}22%$) và cao hơn ethanol $96^\circ$ ($85{,}13%$). Do IPA ít độc và rẻ hơn methanol nên được lựa chọn.
- Khảo sát pH trung hòa bằng dung dịch $\text{NaHCO}_3$ bão hòa: Đạt hiệu suất cao nhất ở $\text{pH } 6 - 7$ ($93{,}3%$).
| STT |
Dung môi |
Lượng SP (g) |
Hiệu suất (%) |
Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) |
$\Delta t$ ($^\circ\text{C}$) |
| 1 |
Methanol |
2,05 |
94,22 |
148,0 - 149,0 |
1,0 |
| 2 |
Ethanol 96 |
1,85 |
85,13 |
147,8 - 149,2 |
1,4 |
| 3 |
IPA |
2,03 |
93,30 |
148,0 - 149,0 |
1,0 |
- Tổng hợp N-(4-methyl-3-sulfamoylphenyl)acetamid (chất 4): Cho chất 3 phản ứng với $\text{ClSO}_3\text{H}$ ($5{,}83\text{ eq}$) ở $45^\circ\text{C}$, đổ vào nước đá thu tủa sulfonyl clorid rồi phản ứng với dung dịch $\text{NH}_3\text{ }25%$ lạnh; hiệu suất đạt $62{,}7%$, điểm chảy $243{,}0 - 244{,}5^\circ\text{C}$; $R_f(\text{hệ A}) = 0{,}28$, $R_f(\text{hệ B}) = 0{,}38$.
- Tổng hợp 5-amino-2-methylbenzensulfonamid (chất 2): Thủy phân chất 4 trong dung dịch $\text{HCl } 20%$ ở $100 - 110^\circ\text{C}$ trong $30\text{ phút}$, trung hòa bằng dung dịch $\text{Na}_2\text{CO}_3\text{ }10%$ đến $\text{pH } 8$; hiệu suất đạt $71{,}7%$, điểm chảy $166{,}0 - 168{,}0^\circ\text{C}$; $R_f(\text{hệ A}) = 0{,}45$, $R_f(\text{hệ B}) = 0{,}47$.
2. Kết quả nâng cấp quy mô lên 20 g/mẻ và 100 g/mẻ
- Quy mô 20 g/mẻ:
- Chất 3: Thu được $21{,}00\text{ g}$ (hiệu suất $96{,}5%$). Tác giả khảo sát phương pháp xử lý nước cái: phương pháp làm lạnh qua đêm đạt hiệu suất $96{,}5%$, tương đương phương pháp cô loại nước ($97{,}0%$) và cao hơn chiết bằng DCM ($83{,}9%$), do đó phương pháp làm lạnh được chọn vì tiết kiệm năng lượng.
- Chất 4: Thu được $21{,}03\text{ g}$ (hiệu suất $68{,}7%$).
- Chất 2: Thu được $14{,}10\text{ g}$ (hiệu suất $86{,}4%$).
- Quy mô 100 g/mẻ:
- Chất 3: Từ $100{,}00\text{ g}$ chất 6, thu được $105{,}68\text{ g}$ chất 3 (hiệu suất $97{,}2%$, điểm chảy $148{,}0 - 149{,}0^\circ\text{C}$).
- Chất 4: Từ $100{,}00\text{ g}$ chất 3, thu được $107{,}62\text{ g}$ chất 4 (hiệu suất $70{,}3%$, điểm chảy $243{,}2 - 244{,}6^\circ\text{C}$).
- Chất 2: Từ $100{,}00\text{ g}$ chất 4, thu được $70{,}21\text{ g}$ chất 2 (hiệu suất $86{,}1%$, điểm chảy $166{,}0 - 168{,}0^\circ\text{C}$). Trong đó, tủa lọc ngay sau trung hòa đạt $61{,}50\text{ g}$ ($87{,}6%$ tổng lượng) và tủa chậm thu hồi từ nước cái sau khi làm lạnh qua đêm đạt $8{,}71\text{ g}$ ($12{,}4%$ tổng lượng); cả 2 phần tủa đều cho 1 vết đồng nhất trên SKLM.
| Tên hợp chất |
Quy mô 2 g (%) |
Quy mô 20 g (%) |
Quy mô 100 g (%) |
Điểm chảy quy mô 100 g ($^\circ\text{C}$) |
| N-(p-tolyl)acetamid (3) |
93,3 |
96,5 |
97,2 |
148,0 - 149,0 |
| N-(4-methyl-3-sulfamoylphenyl)acetamid (4) |
62,7 |
68,7 |
70,3 |
243,2 - 244,6 |
| 5-Amino-2-methylbenzensulfonamid (2) |
71,7 |
86,4 |
86,1 |
166,0 - 168,0 |
Hiệu suất toàn bộ quy trình 3 giai đoạn ở quy mô $100\text{ g/mẻ}$ đạt $58{,}8%$.
3. Dữ liệu phổ xác định cấu trúc các hợp chất
| Hợp chất |
Phổ khối lượng MS ($m/z$) |
Phổ hồng ngoại IR ($\nu_{\text{max}}$, $\text{cm}^{-1}$) |
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H-NMR}$ ($\delta$, ppm, $\text{DMSO-}d_6$) |
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^{13}\text{C-NMR}$ ($\delta$, ppm, $\text{DMSO-}d_6$) |
Chất 3
($\text{C}9\text{H}{11}\text{NO}$) |
$171{,}8\text{ }[\text{M+Na}]^+$ |
3290 (N-H amid)
3066 (C-H thơm)
1664 (C=O amid)
1510 (C=C thơm) |
9,81 (1H, s, H-amid)
7,45 (2H, d, $J = 8{,}4\text{ Hz}$, H-2', H-6')
7,08 (2H, d, $J = 8{,}4\text{ Hz}$, H-3', H-5')
2,23 (3H, s, H-4a)
2,01 (3H, s, H-2) |
168,02 (C-1)
136,81 (C-4')
131,82 (C-1')
129,00 (C-3', C-5')
119,01 (C-2', C-6')
23,90 (C-2)
20,39 (C-4a) |
Chất 4
($\text{C}9\text{H}{12}\text{N}_2\text{O}_3\text{S}$) |
$250{,}7\text{ }[\text{M+Na}]^+$ |
3358, 3169 (N-H)
3074 (C-H thơm)
1681 (C=O amid)
1585, 1388 (C=C thơm)
1323, 1163 ($\text{SO}_2$) |
10,12 (1H, s, H-amid)
8,14 (1H, s, H-2')
7,70 (1H, d, $J = 8{,}4\text{ Hz}$, H-6')
7,34 (2H, s, H-sulfonamid)
7,27 (1H, d, $J = 7{,}8\text{ Hz}$, H-5')
2,52 (3H, s, H-4a)
2,05 (3H, s, H-2) |
168,59 (C-1)
142,14 (C-3')
137,26 (C-1')
132,52 (C-4')
130,01 (C-5')
122,02 (C-6')
117,97 (C-2')
23,95 (C-2)
19,25 (C-4a) |
Chất 2
($\text{C}7\text{H}{10}\text{N}_2\text{O}_2\text{S}$) |
$186{,}8\text{ }[\text{M+H}]^+$ |
3402, 3363, 3294 (N-H)
2929 (C-H no)
1612, 1500 (C=C thơm)
1308, 1147 ($\text{SO}_2$) |
7,12 (1H, s, H-6)
7,11 (2H, s, H-sulfonamid)
6,96 (1H, d, $J = 7{,}8\text{ Hz}$, H-3)
6,62 (1H, d, $J = 8{,}4\text{ Hz}$, H-4)
5,25 (2H, s, H-amid thơm)
2,38 (3H, s, H-2a) |
146,68 (C-5)
142,10 (C-1)
132,55 (C-3)
121,45 (C-2)
116,64 (C-4)
112,52 (C-6)
18,76 (C-2a) |
4. Bàn luận về cơ chế và các biến đổi kỹ thuật khi nâng cấp quy mô
- Cơ chế phản ứng:
- Giai đoạn 1: Quá trình khử nitro thành amin diễn ra qua các trung gian nitroso, hydroxylamin (có thể tạo dẫn xuất azoxy và azo phụ); sau đó amin phản ứng cộng nucleophil ($A_N$) vào carbon carbonyl của anhydrid acetic để tạo liên kết amid. Khi kết hợp đồng thời $\text{Zn}, \text{AcOH}, \text{Ac}_2\text{O}$, amin sinh ra được acyl hóa tức thì, ngăn chặn hiện tượng oxy hóa tạo tạp màu. Tạp diacyl sinh ra do chênh lệch nồng độ sẽ tự thủy phân ngược lại thành amid trong môi trường acid.
- Giai đoạn 2: Clorosulfo hóa diễn ra theo cơ chế thế electrophil ($S_E$) vào nhân thơm tạo phức $\sigma$, sau đó chuyển thành acid sulfonic và tiếp tục phản ứng với $\text{ClSO}_3\text{H}$ để tạo sulfonyl clorid. Phản ứng sulfonamid hóa tiếp diễn theo cơ chế thế nucleophil ($S_N$) khi cặp electron tự do trên nguyên tử nitơ của $\text{NH}_3$ tấn công nguyên tử lưu huỳnh mang điện tích dương $\delta^+$.
- Giai đoạn 3: Phản ứng thủy phân amid xảy ra theo cơ chế cộng nucleophil ($A_N$) của phân tử nước vào carbon amid đã được proton hóa bởi xúc tác $\text{H}^+$. Khi trung hòa bằng $\text{Na}_2\text{CO}_3$, khí $\text{CO}_2$ sinh ra tạo lớp đệm khí bảo vệ amin thơm mới sinh khỏi oxy không khí.
- Kỹ thuật mở rộng quy mô:
- Chuyển đổi từ máy khuấy từ sang máy khuấy cơ trục quay ($180 - 300\text{ vòng/phút}$) để khắc phục hiện tượng khối phản ứng bị bết do phức kẽm rắn hoặc tạo tủa đặc bám cánh khuấy.
- Thay đổi thứ tự nạp liệu: Ở phản ứng khử, nạp dung môi, acid và anhydrid trước, làm lạnh sâu rồi mới phân tán từ từ bột kẽm để kiểm soát sự tỏa nhiệt và sinh khí hydro cục bộ; ở phản ứng clorosulfo hóa, nạp $\text{ClSO}_3\text{H}$ vào bình trước rồi mới cho từ từ chất 3 vào acid lạnh ($10^\circ\text{C}$).
- Giai đoạn sulfonamid hóa ở quy mô $100\text{ g}$ loại bỏ hoàn toàn dung môi aceton trợ tan, cho trực tiếp tủa sulfonyl clorid ẩm vào dung dịch $\text{NH}_3\text{ }25%$ lạnh; dù thời gian phản ứng tăng lên ($3\text{ giờ}$ so với $30\text{ phút}$) nhưng tránh được việc hòa tan hao hụt sản phẩm trong aceton và giảm thiểu chi phí.
- Áp dụng triệt để bước kết tinh lạnh nước cái qua đêm ở giai đoạn 1 và giai đoạn 3 giúp thu hồi thêm $12{,}4%$ sản phẩm chất 2, làm tăng hiệu suất tổng thể từ $71{,}7%$ (quy mô nhỏ) lên $86{,}1%$ (quy mô $100\text{ g}$).
Kết quả và đóng góp
Kết quả định lượng chính
- Thiết lập thành công quy trình 3 giai đoạn điều chế 5-amino-2-methylbenzensulfonamid từ p-nitrotoluen với hiệu suất tổng thể toàn quy trình đạt $58{,}8%$ ở quy mô $100\text{ g/mẻ}$.
- Hiệu suất từng giai đoạn ở quy mô $100\text{ g/mẻ}$:
- Giai đoạn 1 (N-(p-tolyl)acetamid): Đạt $97{,}2%$ (khối lượng sản phẩm $105{,}68\text{ g}$).
- Giai đoạn 2 (N-(4-methyl-3-sulfamoylphenyl)acetamid): Đạt $70{,}3%$ (khối lượng sản phẩm $107{,}62\text{ g}$).
- Giai đoạn 3 (5-amino-2-methylbenzensulfonamid): Đạt $86{,}1%$ (khối lượng sản phẩm $70{,}21\text{ g}$).
- Cấu trúc của cả ba hợp chất trung gian và sản phẩm đích được khẳng định đầy đủ, chính xác thông qua các thông số phân tích độ nóng chảy, sắc ký lớp mỏng và dữ liệu phổ IR, MS, $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$.
Đóng góp cải tiến kỹ thuật so với các công bố trước
- So với quy trình của Kim và cộng sự (2003): Khóa luận thay thế kim loại indi (đắt tiền, hiếm) bằng bột kẽm; giảm tỷ lệ $\text{Ac}_2\text{O}$ từ $2{,}5\text{ eq}$ xuống $1{,}6\text{ eq}$; thay thế dung môi độc hại methanol bằng isopropanol (IPA) thân thiện hơn với môi trường và có giá thành rẻ hơn.
- So với nghiên cứu của Nguyễn Gia Anh Tuấn (2018): Chuyển đổi thành công phản ứng khử và acyl hóa từ 2 bước riêng rẽ thành phản ứng 1 nồi ("one-pot"), ngăn ngừa hoàn toàn sự tiếp xúc của amin thơm trung gian với không khí và ánh sáng, giúp tăng độ sạch và hiệu suất của chất 3.
- Cải tiến quy trình nạp liệu giai đoạn sulfonamid hóa bằng cách đưa trực tiếp cơ chất vào dung dịch amoniac mà không dùng lượng lớn aceton trợ tan, giúp tiết kiệm chi phí hóa chất và thuận tiện cho việc triển khai ở quy mô bán công nghiệp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Phản ứng clorosulfo hóa sử dụng acid clorosulfuric bốc khói mạnh, tỏa nhiệt lớn và sinh khí acid độc hại ($\text{HCl}, \text{SO}_2$), đòi hỏi hệ thống thông gió, xử lý khí thải và thiết bị chịu ăn mòn nghiêm ngặt khi nâng lên quy mô lớn hơn.
- Tỷ lệ mol của acid clorosulfuric ($5{,}83\text{ eq}$) chưa thể cắt giảm sâu do ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ chuyển hóa hết của nguyên liệu.
- Giai đoạn sulfonamid hóa khi không dùng aceton trợ tan làm kéo dài thời gian phản ứng ($3\text{ giờ}$) do phản ứng diễn ra trên hệ dị thể.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa sâu hơn các thông số công nghệ của phản ứng clorosulfo hóa và sulfonamid hóa để giảm lượng tác nhân $\text{ClSO}_3\text{H}$ và rút ngắn thời gian phản ứng.
- Triển khai nâng cấp các giai đoạn ghép nối tiếp theo (phản ứng ngưng tụ giữa 5-amino-2-methylbenzensulfonamid với hợp phần pyrimidin và indazol) để hoàn thiện toàn bộ chuỗi quy trình tổng hợp pazopanib hydroclorid ở quy mô lớn.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Hóa dược, Công nghệ Dược phẩm, Hóa học Hữu cơ và các kỹ sư R&D tại các nhà máy sản xuất nguyên liệu hóa dược.
- Nội dung giá trị:
- Dữ liệu thực nghiệm chi tiết về việc tối ưu hóa phản ứng khử - acyl hóa "one-pot" trên các chất nền nitro thơm kém bền.
- Các giải pháp công nghệ xử lý sự cố khi phóng đại quy mô phòng thí nghiệm từ $2\text{ g}$ lên $100\text{ g}$ (kiểm soát nhiệt lượng, kỹ thuật nạp liệu chất bốc khói, thay đổi chế độ khuấy trộn, thu hồi sản phẩm từ nước cái).
- Bộ dữ liệu phổ chuẩn (IR, MS, $^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$) phục vụ kiểm nghiệm và đối chiếu cấu trúc của dẫn xuất tolylacetamid và benzensulfonamid.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao phản ứng khử - acyl hóa chất 6 thành chất 3 được chuyển sang phương pháp "one-pot"?
Amin thơm trung gian (p-methylanilin) rất kém bền, dễ bị oxy hóa bởi ánh sáng và oxy không khí tạo thành các tạp chất màu làm giảm độ tinh khiết và hiệu suất sản phẩm. Phương pháp "one-pot" kết hợp đồng thời $\text{Zn}, \text{AcOH}$ và $\text{Ac}_2\text{O}$ cho phép amin vừa sinh ra lập tức bị acyl hóa tạo thành dẫn xuất amid bền vững, khắc phục hiện tượng phân hủy và nâng hiệu suất giai đoạn này lên $97{,}2%$ ở quy mô $100\text{ g}$.
2. Vì sao dung môi Isopropanol (IPA) được chọn thay thế cho Methanol trong phản ứng tổng hợp chất 3?
Khảo sát thực nghiệm cho thấy IPA cho hiệu suất phản ứng ($93{,}30%$) tương đương methanol ($94{,}22%$) và cao hơn ethanol $96^\circ$ ($85{,}13%$). IPA có ưu điểm nổi bật là độc tính thấp hơn đáng kể so với methanol, giá thành rẻ hơn, quy trình xử lý dung môi an toàn và thân thiện hơn với môi trường khi nâng cấp quy mô sản xuất.
3. Những thay đổi kỹ thuật cơ bản khi nâng quy mô phản ứng từ 2 g lên 100 g nguyên liệu là gì?
Khi nâng lên quy mô $100\text{ g}$, khóa luận đã: (1) Thay máy khuấy từ bằng máy khuấy cơ ($180 - 300\text{ vòng/phút}$) để tránh lắng đọng phức kẽm và tủa đặc; (2) Thay đổi thứ tự nạp liệu (cho kẽm sau cùng trong phản ứng khử, nạp $\text{ClSO}_3\text{H}$ trước cơ chất trong phản ứng clorosulfo hóa) nhằm kiểm soát tỏa nhiệt và khí thoát ra; (3) Bỏ dung môi aceton ở bước sulfonamid hóa; (4) Áp dụng kỹ thuật làm lạnh nước cái qua đêm để thu hồi tủa chậm.
4. Tác dụng của việc làm lạnh nước cái qua đêm ở giai đoạn thủy phân tạo chất 2 là gì?
Dẫn xuất 5-amino-2-methylbenzensulfonamid vẫn còn một phần hòa tan trong nước cái sau khi trung hòa lọc tách tủa đợt đầu. Việc để lạnh nước cái qua đêm giúp kết tinh thu hồi thêm $8{,}71\text{ g}$ sản phẩm (chiếm $12{,}4%$ tổng lượng tủa thu được), có độ tinh khiết đồng nhất với tủa chính (cho 1 vết trên SKLM), qua đó nâng hiệu suất giai đoạn 3 từ $71{,}7%$ lên $86{,}1%$.
5. Cấu trúc hóa học của chất 2 được khẳng định bằng những tín hiệu phổ đặc trưng nào?
Trên phổ IR xuất hiện các đỉnh dao động hóa trị của nhóm $-\text{NH}_2$ ($3402, 3363, 3294\text{ cm}^{-1}$) và nhóm $-\text{SO}_2-$ ($1308, 1147\text{ cm}^{-1}$). Phổ khối MS ghi nhận pic ion phân tử $[\text{M+H}]^+$ tại $m/z = 186{,}8$. Phổ $^1\text{H-NMR}$ ($600\text{ MHz}, \text{DMSO-}d_6$) thể hiện đủ 3 proton thơm ($7{,}12; 6{,}96; 6{,}62\text{ ppm}$), 2 proton nhóm sulfonamid ($7{,}11\text{ ppm}$), 2 proton nhóm amin thơm ($5{,}25\text{ ppm}$) và 3 proton nhóm methyl ($2{,}38\text{ ppm}$). Phổ $^{13}\text{C-NMR}$ ghi nhận chính xác 7 tín hiệu carbon phù hợp với công thức cấu tạo.
Kết luận
Khóa luận đã nghiên cứu thành công quy trình nâng cấp quy mô tổng hợp trung gian 5-amino-2-methylbenzensulfonamid qua 3 giai đoạn từ p-nitrotoluen đạt quy mô $100\text{ g/mẻ}$ với hiệu suất toàn bộ đạt $58{,}8%$. Nghiên cứu đã tối ưu hóa phản ứng khử - acyl hóa "one-pot" sử dụng hệ tác nhân thân thiện $\text{Zn/AcOH/Ac}_2\text{O}$ trong dung môi isopropanol và cải tiến phương thức sulfonamid hóa không dùng aceton. Các sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối đều được xác định cấu trúc rõ ràng bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại (IR, MS, NMR), cung cấp cơ sở thực nghiệm vững chắc cho việc nghiên cứu tổng hợp hoàn chỉnh hoạt chất pazopanib hydroclorid ở quy mô lớn hơn.
