Luận văn Thạc sĩ: Tổng hợp các dẫn xuất Cyclobutane Nucleoside mới - Ngô Ngọc Thắng

Luận văn thạc sĩ phân tích hus tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Ngô Ngọc Thắng
• Người hướng dẫn: Gs. Đặng Như Tại
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: Giới Thiệu và Định Hướng Nghiên Cứu
• 1.1. Giới thiệu: Các dẫn xuất nucleoside với hoạt tính chống virus
• 1.2. Định hướng nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp tổng hợp
• 1.3.1. Tổng hợp phần vòng cyclobutane
• 1.3.2. Tổng hợp phần bazơ 1,2,3-triazole
• 1.3.3. Phản ứng acyl hóa chọn lọc lập thể với xúc tác enzyme
• 1.4. Định hướng tổng hợp
• 2. Chương 2: Kết Quả và Thảo Luận
• 2.1. Tổng hợp hợp chất trung gian chìa khóa azide
• 2.2. Tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside
• 2.3. Các đặc trưng cấu trúc của các cyclobutane nucleoside
• Tài Liệu Tham Khảo

Tóm tắt

I. Luận văn HUS Khám phá tổng hợp dẫn xuất cyclobutane nucleoside

Nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực y dược luôn tìm kiếm những hợp chất mới có tiềm năng điều trị các bệnh nguy hiểm. Một trong những hướng đi đầy hứa hẹn là phát triển các chất tương tự nucleoside. Luận văn thạc sĩ tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (HUS) đã tập trung vào việc tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới. Đây là nhóm hợp chất có cấu trúc độc đáo, thay thế vòng đường carbohydrate truyền thống bằng một vòng cyclobutane. Sự thay đổi này được kỳ vọng sẽ làm tăng độ bền của phân tử trước các enzyme trong cơ thể, đồng thời có thể cải thiện hoạt tính chống virus. Trọng tâm của nghiên cứu này là tạo ra các hợp chất kết hợp vòng cyclobutane với dị vòng 1,2,3-triazole, một cấu trúc được biết đến với nhiều hoạt tính sinh học quý báu. Luận văn trình bày một quy trình tổng hợp đa bước, từ việc tạo ra khung cyclobutane bất đối xứng đến việc gắn dị vòng thông qua hóa học "Click". Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn mở ra khả năng tạo ra một thư viện các hợp chất đa dạng để sàng lọc hoạt tính. Việc phân tích và xác định cấu trúc của các sản phẩm cuối cùng được thực hiện bằng các phương pháp phổ hiện đại như phổ NMR và phổ khối (MS), đảm bảo tính chính xác và khoa học của kết quả. Nghiên cứu này không chỉ là một bài tập học thuật mà còn đóng góp những viên gạch đầu tiên cho việc tìm kiếm các tác nhân kháng virus, đặc biệt là trong bối cảnh các bệnh do virus như HIV/AIDS và viêm gan vẫn là thách thức lớn đối với y học toàn cầu. Việc tổng hợp thành công các dẫn xuất mới này mở ra những định hướng quan trọng cho các nghiên cứu sâu hơn về mối quan hệ cấu trúc-hoạt tính và tiềm năng ứng dụng trong tương lai.

1.1. Tổng quan về hợp chất cyclobutane nucleoside

Cyclobutane nucleoside là các chất tương tự nucleoside trong đó vòng đường furanose (ribose hoặc deoxyribose) được thay thế bằng một vòng cyclobutane. Cấu trúc này thuộc nhóm carbocyclic nucleoside, nơi nguyên tử oxy của vòng đường được thay bằng nhóm metylen (-CH2-). Sự thay đổi cơ bản này mang lại một ưu điểm quan trọng: tăng cường độ bền hóa học. Liên kết glycoside trong các nucleoside tự nhiên dễ bị phân hủy bởi enzyme phosphorylase, làm giảm hiệu lực của thuốc. Ngược lại, liên kết C-N trong cyclobutane nucleoside bền vững hơn nhiều, giúp kéo dài thời gian tác dụng của hợp chất trong cơ thể. Nhiều hợp chất thuộc nhóm này đã chứng tỏ hoạt tính chống virus và chống ung thư mạnh mẽ, ví dụ như Carbovir, một tiền chất của Abacavir dùng trong điều trị HIV/AIDS. Hướng nghiên cứu này trở nên đặc biệt hấp dẫn sau khi phát hiện ra Oxetanocin A, một hợp chất có hoạt tính kháng virus mạnh. Do đó, việc khám phá các phương pháp tổng hợp hữu cơ mới để tạo ra các dẫn xuất cyclobutane nucleoside đa dạng là một mục tiêu quan trọng trong hóa dược.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn thạc sĩ HUS

Luận văn thạc sĩ thực hiện tại HUS đặt ra mục tiêu chính là thiết kế và tổng hợp một số dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới chưa từng được công bố. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc kết hợp khung cyclobutane với phần bazơ dị vòng là 1,2,3-triazole. Lựa chọn này dựa trên hai cơ sở: vòng cyclobutane mang lại sự ổn định cấu trúc, trong khi vòng triazole được biết đến với khả năng tạo liên kết hydro và có phổ hoạt tính sinh học rộng, bao gồm cả kháng virus và kháng khuẩn. Để đạt được mục tiêu này, đề tài đã xây dựng một sơ đồ tổng hợp chi tiết, bắt đầu từ các nguyên liệu đơn giản. Quá trình này bao gồm các bước chính: tổng hợp khung cyclobutane thông qua phản ứng quang hóa, tạo ra các nhóm chức phù hợp, và cuối cùng là gắn vòng triazole bằng phản ứng "Click". Một mục tiêu quan trọng khác là xác nhận cấu trúc của các hợp chất tổng hợp được bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại như cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ khối lượng (MS), đảm bảo độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. Về lâu dài, công trình này hướng đến việc tạo ra các hợp chất tiềm năng để thử nghiệm hoạt tính sinh học, góp phần vào nỗ lực chung tìm kiếm thuốc điều trị các bệnh do virus gây ra.

II. Thách thức trong việc phát triển thuốc chống virus HIV AIDS

Việc phát triển các loại thuốc mới để điều trị các bệnh do virus, đặc biệt là HIV/AIDS, là một cuộc chạy đua không ngừng nghỉ. Thách thức lớn nhất đến từ chính bản chất của virus: khả năng đột biến và tiến hóa nhanh chóng. Các retrovirus như HIV sử dụng enzyme phiên mã ngược (RT) để sao chép bộ gen RNA của chúng thành DNA, một quá trình dễ xảy ra lỗi. Chính những lỗi sao chép này tạo ra các biến thể virus mới, trong đó một số có thể kháng lại các loại thuốc hiện có. Điều này dẫn đến hiện tượng kháng thuốc, làm giảm hiệu quả điều trị và đòi hỏi phải liên tục tìm kiếm các hợp chất mới với cơ chế tác động khác biệt. Một thách thức khác là độc tính và tác dụng phụ của thuốc. Các thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược tương tự nucleoside (NRTIs) hoạt động bằng cách tích hợp vào chuỗi DNA của virus và làm kết thúc quá trình sao chép. Tuy nhiên, chúng cũng có thể ảnh hưởng đến các enzyme của tế bào chủ, gây ra các tác dụng phụ không mong muốn. Do đó, một loại thuốc lý tưởng không chỉ cần có hoạt tính chống virus mạnh mà còn phải có tính chọn lọc cao, chỉ tác động lên mục tiêu của virus mà ít ảnh hưởng đến tế bào người. Luận văn tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới chính là một nỗ lực để giải quyết những thách thức này, bằng cách tạo ra các cấu trúc phân tử mới lạ có thể vượt qua cơ chế kháng thuốc và giảm thiểu độc tính.

2.1. Cơ chế hoạt động và hạn chế của thuốc NRTIs

Thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược tương tự nucleoside (NRTIs) là nền tảng trong liệu pháp điều trị HIV. Sau khi vào trong tế bào, NRTIs được phosphoryl hóa thành dạng 5'-triphosphate. Dạng hoạt động này cạnh tranh với các nucleotide tự nhiên để gắn vào enzyme phiên mã ngược của virus. Do cấu trúc của NRTIs thiếu nhóm 3'-hydroxyl, khi chúng được tích hợp vào chuỗi DNA đang phát triển của virus, quá trình kéo dài chuỗi sẽ bị dừng lại. Đây được gọi là cơ chế "kết thúc chuỗi" (chain termination), ngăn chặn hiệu quả sự nhân lên của virus. Tuy nhiên, hạn chế chính của NRTIs là độc tính. Các triphosphate của chúng không chỉ có ái lực với RT của virus mà còn có thể ức chế các enzyme polymerase DNA của tế bào chủ, đặc biệt là DNA polymerase gamma trong ty thể, dẫn đến các tác dụng phụ nghiêm trọng. Hơn nữa, virus HIV có thể phát triển các đột biến trong gen mã hóa RT, làm giảm ái lực của enzyme với thuốc, gây ra tình trạng kháng thuốc.

2.2. Sự cần thiết của các dẫn xuất nucleoside mới

Trước những hạn chế về độc tính và sự phát triển không ngừng của tình trạng kháng thuốc, việc nghiên cứu và tìm ra các dẫn xuất nucleoside mới là một yêu cầu cấp bách. Các nhà khoa học tập trung vào việc sửa đổi hai phần chính của phân tử nucleoside: phần đường và phần bazơ. Việc thay thế vòng đường bằng các vòng carbocyclic như cyclopropane, cyclopentane, hay đặc biệt là cyclobutane, nhằm mục đích tăng độ bền của phân tử và thay đổi cách nó tương tác với enzyme. Các dẫn xuất cyclobutane nucleoside như Abacavir đã chứng minh sự thành công của hướng đi này. Mặt khác, việc sửa đổi phần bazơ, ví dụ như thay thế bằng dị vòng 1,2,3-triazole, có thể tạo ra các tương tác mới với vị trí hoạt động của enzyme mục tiêu, có khả năng vượt qua các đột biến kháng thuốc. Hướng nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mang dị vòng triazole, như trong luận văn này, kết hợp cả hai chiến lược cải tiến, hứa hẹn tạo ra các hợp chất có hoạt tính mạnh hơn, ít độc tính hơn và có phổ kháng virus rộng hơn.

III. Phương pháp tổng hợp vòng cyclobutane và azide trung gian

Để tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới, bước đầu tiên và quan trọng nhất là xây dựng được khung cyclobutane bất đối xứng. Luận văn đã trình bày một quy trình tổng hợp đa bước để tạo ra hợp chất trung gian chìa khóa là azide 1 ((-)-(((1R,4S)-4-(azidomethyl)cyclobut-2-enyl)methoxy)(tert-butyl)diphenylsilane). Quá trình này bắt đầu từ những hóa chất thương mại, giá rẻ như maleic anhydride và 1,2-dichloroethene. Phản ứng quang hóa cộng hợp đóng vòng [2+2] được sử dụng để tạo ra khung sườn cyclobutane ban đầu. Sản phẩm sau đó được khử clo bằng kẽm hoạt hóa. Tiếp theo, nhóm anhydride được khử bằng LiAlH4 để tạo thành một diol. Điểm nhấn của quy trình là bước acyl hóa chọn lọc lập thể. Phản ứng này sử dụng xúc tác enzyme (lipase Pseudomonas fluorescens) và vinyl acetate để chỉ acyl hóa một trong hai nhóm hydroxyl của diol, tạo ra một hợp chất bất đối xứng với độ tinh khiết quang học cao. Bước này có ý nghĩa quyết định đến cấu trúc lập thể của sản phẩm cuối cùng. Sau khi bảo vệ nhóm hydroxyl còn lại bằng nhóm TBDPS cồng kềnh, nhóm acetyl được loại bỏ. Cuối cùng, nhóm hydroxyl tự do được chuyển thành nhóm đi ra tốt (mesylate) và sau đó được thế bằng ion azide (N3-) từ NaN3, thu được hợp chất azide trung gian 1. Hợp chất này là tiền chất thiết yếu, sẵn sàng cho giai đoạn tiếp theo là gắn phần bazơ dị vòng.

3.1. Phản ứng quang hóa và khử hóa tạo khung sườn

Sơ đồ tổng hợp bắt đầu bằng phản ứng cộng hợp đóng vòng quang hóa [2+2] giữa 1,2-dichloroethene và maleic anhydride. Phản ứng này được thực hiện dưới tác dụng của đèn tử ngoại (UV), tạo ra một hỗn hợp các đồng phân 3,4-dichlorocyclobutane-1,2-dicarboxylic anhydride. Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng nguyên liệu đầu rẻ tiền và tạo ra vòng bốn một cách hiệu quả. Hỗn hợp sản phẩm này sau đó được xử lý với kẽm (Zn) hoạt hóa trong anhydride acetic. Phản ứng khử này loại bỏ hai nguyên tử clo, đồng thời hình thành một liên kết đôi, tạo ra cis-Cyclobut-3-ene-1,2-dicarboxylic anhydride. Bước tiếp theo là khử hoàn toàn nhóm anhydride bằng một tác nhân khử mạnh là Lithium aluminium hydride (LiAlH4) trong dung môi THF khan. Phản ứng này chuyển hai nhóm carbonyl thành hai nhóm hydroxyl (-CH2OH), tạo thành cis-3,4-bis(hydroxymethyl)cyclobut-1-ene (diol 4), là tiền chất trực tiếp cho bước tạo tâm bất đối xứng.

3.2. Vai trò của xúc tác enzyme trong tạo tâm bất đối

Bước quan trọng nhất để tạo ra các hợp chất có hoạt tính sinh học là kiểm soát cấu trúc không gian ba chiều (lập thể). Trong luận văn này, việc tạo ra tâm bất đối xứng được thực hiện một cách thanh lịch thông qua phản ứng acyl hóa chọn lọc có xúc tác enzyme. Diol 4, một phân tử đối xứng, được xử lý với vinyl acetate với sự có mặt của enzyme lipase Pseudomonas fluorescens (PFL). Enzyme này hoạt động như một chất xúc tác sinh học, có khả năng phân biệt hai nhóm -CH2OH tương đương về mặt hóa học nhưng khác nhau về mặt không gian. Kết quả là chỉ có một nhóm hydroxyl (gắn với carbon có cấu hình R) bị acetyl hóa, tạo ra sản phẩm monoacetate 5 với độ chọn lọc quang học rất cao (ee > 98%). Phương pháp này hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp hóa học truyền thống, thường đòi hỏi các điều kiện khắc nghiệt và quy trình phức tạp. Việc sử dụng enzyme trong tổng hợp hữu cơ không chỉ cho hiệu suất và độ chọn lọc cao mà còn thân thiện với môi trường.

IV. Bí quyết ứng dụng phản ứng Click tổng hợp dẫn xuất mới

Sau khi đã có trong tay hợp chất azide trung gian chìa khóa, bước tiếp theo là gắn phần bazơ dị vòng để hoàn thiện cấu trúc của một nucleoside. Luận văn đã ứng dụng một cách xuất sắc phản ứng “Click”, cụ thể là phản ứng cộng hợp đóng vòng lưỡng cực 1,3 Huisgen giữa azide và alkyne có xúc tác Đồng(I) (CuAAC). Đây là một trong những phản ứng kinh điển của trường phái "Hóa học Click", do K. Barry Sharpless khởi xướng, nổi bật với các đặc tính: hiệu suất cao, điều kiện phản ứng êm dịu (thường ở nhiệt độ phòng, trong dung môi nước hoặc cồn), độ chọn lọc vị trí tuyệt đối (chỉ tạo ra đồng phân 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole), và sản phẩm dễ tinh chế. Trong nghiên cứu này, hợp chất azide 1 được cho phản ứng với một loạt các alkyne đầu mạch khác nhau. Việc sử dụng nhiều loại alkyne cho phép tạo ra một thư viện các dẫn xuất cyclobutane nucleoside với các nhóm thế đa dạng ở phần bazơ. Điều này rất quan trọng cho việc nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính (SAR) sau này. Phản ứng được thực hiện trong hệ dung môi t-BuOH:H2O với xúc tác được tạo ra tại chỗ từ CuSO4 và natri ascorbate. Hầu hết các phản ứng đều diễn ra hoàn toàn sau một đêm, cho hiệu suất rất cao (từ 82% đến 98%), khẳng định tính ưu việt và độ tin cậy của phương pháp này trong việc tổng hợp các dẫn xuất nucleoside mới.

4.1. Nguyên lý và ưu điểm của hóa học Click CuAAC

Hóa học "Click" là một triết lý trong tổng hợp hữu cơ, tập trung vào các phản ứng mạnh mẽ, hiệu quả và có phạm vi ứng dụng rộng. Phản ứng cộng hợp Azide-Alkyne xúc tác Cu(I) (CuAAC) là ví dụ tiêu biểu nhất. Về nguyên lý, ion Cu(I) đóng vai trò xúc tác, hoạt hóa alkyne đầu mạch để nó dễ dàng phản ứng với nhóm azide. Quá trình này diễn ra thông qua một cơ chế vòng, làm giảm đáng kể năng lượng hoạt hóa so với phản ứng nhiệt không xúc tác. Ưu điểm vượt trội của CuAAC là tốc độ phản ứng nhanh hơn hàng triệu lần, có thể thực hiện ở nhiệt độ phòng và trong môi trường nước. Quan trọng nhất, phản ứng chỉ tạo ra một sản phẩm duy nhất là đồng phân 1,4 của vòng 1,2,3-triazole, loại bỏ quá trình tách hỗn hợp đồng phân phức tạp. Nhờ những đặc tính này, CuAAC đã trở thành công cụ không thể thiếu trong hóa dược, khoa học vật liệu và sinh học hóa học để ghép nối các mảnh phân tử một cách hiệu quả và có kiểm soát.

4.2. Đa dạng hóa cấu trúc nhờ các alkyne khác nhau

Một trong những thế mạnh của phản ứng "Click" là tính module, cho phép dễ dàng thay đổi một trong hai thành phần (azide hoặc alkyne) để tạo ra các sản phẩm khác nhau. Luận văn đã tận dụng triệt để ưu điểm này. Giữ nguyên cấu trúc azide 1, các nhà nghiên cứu đã cho nó phản ứng với một loạt alkyne mang các nhóm chức khác nhau. Các alkyne này bao gồm: propargyl alcohol (mang nhóm -CH2OH), benzyl propiolate (mang nhóm ester), và các alkyne chứa vòng thơm có nhóm thế fluorine... Bằng cách này, một loạt các dẫn xuất cyclobutane nucleoside đã được tổng hợp thành công, mỗi loại mang một "đặc điểm nhận dạng" riêng ở phần bazơ triazole. Sự đa dạng hóa cấu trúc này là cực kỳ quan trọng, vì các nhóm thế khác nhau sẽ ảnh hưởng đến tính tan, khả năng tương tác với enzyme mục tiêu và cuối cùng là hoạt tính chống virus của hợp chất. Quá trình này minh họa cho một chiến lược hiệu quả trong việc tạo ra thư viện hợp chất để sàng lọc và tối ưu hóa thuốc.

V. Phân tích cấu trúc các dẫn xuất cyclobutane nucleoside

Việc tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới chỉ là một nửa chặng đường. Bước quan trọng không kém là xác nhận một cách chính xác cấu trúc hóa học của các hợp chất đã tạo ra. Luận văn đã sử dụng một tổ hợp các phương pháp phân tích phổ hiện đại để làm sáng tỏ cấu trúc phân tử, bao gồm cả cấu trúc không gian ba chiều. Các phương pháp chính được sử dụng là phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và phổ khối lượng (MS). Sau khi gắn vòng triazole, liên kết đôi trên vòng cyclobutane được dihydroxy hóa bằng OsO4/NMO. Phản ứng này tạo ra hai nhóm hydroxyl mới, dẫn đến sự hình thành hai đồng phân không đối quang (diastereomers). Việc phân biệt hai đồng phân này là một thách thức, đòi hỏi phải sử dụng các kỹ thuật NMR nâng cao. Phổ NMR một chiều (1H và 13C) cung cấp thông tin về số lượng và loại các proton và carbon trong phân tử. Phổ hai chiều như COSY, HSQC, và HMBC giúp xác định các mối liên kết và tương tác giữa các nguyên tử, cho phép ráp nối các mảnh cấu trúc lại với nhau. Đặc biệt, phổ NOESY được sử dụng để xác định tương tác không gian giữa các proton ở gần nhau, là công cụ then chốt để phân biệt hai đồng phân được tạo ra từ phản ứng dihydroxy hóa. Cuối cùng, phổ khối ESI-MS được dùng để xác nhận khối lượng phân tử, cung cấp bằng chứng cuối cùng về thành phần nguyên tố của hợp chất.

5.1. Quá trình dihydroxy hóa và hoàn thiện cấu trúc

Sau khi tạo ra vòng 1,2,3-triazole thông qua phản ứng "Click", các hợp chất thu được vẫn còn chứa một liên kết đôi trên vòng cyclobutane. Để làm cho cấu trúc này giống với một phân tử đường hơn (có nhiều nhóm hydroxyl), bước dihydroxy hóa được thực hiện. Phản ứng này sử dụng tác nhân N-methylmorpholine N-oxide (NMO) với một lượng xúc tác Osmium tetroxide (OsO4). Phản ứng cộng hai nhóm -OH vào liên kết đôi từ cùng một phía (syn-dihydroxylation). Do cấu trúc của phân tử, tác nhân có thể tấn công từ mặt trên hoặc mặt dưới của vòng, dẫn đến việc tạo ra một hỗn hợp hai đồng phân không đối quang (a và b). Hai đồng phân này có thể được tách ra khỏi nhau bằng sắc ký cột. Bước cuối cùng trong quy trình tổng hợp là loại bỏ nhóm bảo vệ TBDPS bằng tetrabutylammonium fluoride (TBAF) để giải phóng nhóm hydroxyl cuối cùng, hoàn thiện cấu trúc triol của cyclobutane nucleoside.

5.2. Xác định cấu trúc không gian bằng phổ NOESY

Hai đồng phân (ví dụ 17a và 17b) thu được sau quá trình dihydroxy hóa có cùng công thức phân tử và các liên kết hóa học tương tự nhau, khiến chúng rất khó phân biệt bằng các phương pháp phổ thông thường. Phổ NMR hai chiều NOESY (Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy) là công cụ quyết định để giải quyết vấn đề này. Phổ NOESY phát hiện các tương tác lưỡng cực trong không gian giữa các proton ở gần nhau (thường dưới 5 Å), ngay cả khi chúng không liên kết trực tiếp với nhau. Trong luận văn, các nhà nghiên cứu đã phân tích phổ NOESY của cả hai đồng phân. Ở đồng phân 17b, người ta quan sát thấy tín hiệu tương tác chéo giữa các proton H1/H2 trên vòng và các proton của nhóm CH2 (H5/H6), cho thấy chúng ở cùng một phía của mặt phẳng vòng. Ngược lại, ở đồng phân 17a, không có tương tác này. Dựa vào sự khác biệt tinh tế này, cấu trúc không gian chính xác của từng đồng phân đã được khẳng định một cách chắc chắn. Đây là minh chứng cho sức mạnh của các kỹ thuật phân tích hiện đại trong tổng hợp hữu cơ.

VI. Hướng đi mới và tiềm năng của cyclobutane nucleoside trong y học

Nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới được trình bày trong luận văn thạc sĩ của HUS đã mở ra một hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực hóa dược. Bằng cách kết hợp thành công khung sườn cyclobutane bền vững với dị vòng 1,2,3-triazole thông qua phản ứng "Click" hiệu quả, công trình đã tạo ra một loạt các hợp chất mới với cấu trúc độc đáo. Thành công này không chỉ thể hiện năng lực nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp tổng hợp tiên tiến mà còn cung cấp một bộ các hợp chất ứng viên quý giá cho các thử nghiệm sàng lọc hoạt tính sinh học trong tương lai. Tiềm năng ứng dụng lớn nhất của các hợp chất này là trong lĩnh vực phát triển thuốc chống virus. Các cấu trúc mới này có thể sở hữu cơ chế tác động khác biệt hoặc khả năng vượt qua các đột biến kháng thuốc của các virus nguy hiểm như HIV, virus viêm gan B (HBV), hoặc virus Herpes. Hướng nghiên cứu tiếp theo một cách tự nhiên sẽ là đánh giá hoạt tính chống virus của chúng thông qua các thử nghiệm in vitro. Dựa trên kết quả sàng lọc, các nhà khoa học có thể tiến hành nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc-hoạt tính (SAR) để xác định những đặc điểm cấu trúc nào là quan trọng nhất đối với hoạt tính sinh học, từ đó thiết kế và tổng hợp các thế hệ hợp chất tiếp theo với hiệu lực cao hơn và độc tính thấp hơn. Công trình này là một ví dụ điển hình cho thấy nghiên cứu cơ bản trong hóa học hữu cơ có thể đóng góp trực tiếp vào việc giải quyết các vấn đề cấp bách của y học hiện đại.

6.1. Tổng kết thành tựu của quá trình tổng hợp

Luận văn đã đạt được những thành tựu quan trọng. Thứ nhất, đã xây dựng thành công một quy trình tổng hợp hiệu quả và có khả năng tái lặp để tạo ra hợp chất trung gian azide cyclobutane bất đối xứng. Quy trình này nổi bật với việc sử dụng xúc tác enzyme để kiểm soát hóa học lập thể một cách xuất sắc. Thứ hai, đã ứng dụng thành công phản ứng "Click" (CuAAC) để tổng hợp một thư viện các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới mang dị vòng 1,2,3-triazole. Phản ứng cho hiệu suất cao và độ chọn lọc tuyệt đối. Thứ ba, cấu trúc của tất cả các hợp chất trung gian và sản phẩm cuối cùng đã được xác nhận một cách đầy đủ và thuyết phục bằng các phương pháp phân tích phổ hiện đại, đặc biệt là việc sử dụng phổ NOESY để xác định cấu trúc không gian. Những kết quả này tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu tiếp theo.

6.2. Triển vọng nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai

Các hợp chất mới được tổng hợp mở ra nhiều triển vọng nghiên cứu. Bước đi trước mắt là tiến hành sàng lọc hoạt tính sinh học trên diện rộng. Các thử nghiệm cần được thực hiện để đánh giá khả năng ức chế sự nhân lên của các loại virus khác nhau, như HIV, HBV, HCV, và các virus Herpes. Đồng thời, cần đánh giá độc tính tế bào (cytotoxicity) để xác định chỉ số chọn lọc (selectivity index), một thông số quan trọng để đánh giá tiềm năng của một hợp chất làm thuốc. Nếu kết quả ban đầu khả quan, các nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tác động có thể được tiến hành, ví dụ như kiểm tra khả năng ức chế enzyme phiên mã ngược hoặc các enzyme khác của virus. Dữ liệu thu được sẽ là cơ sở để tối ưu hóa cấu trúc, hướng tới việc phát triển một ứng cử viên thuốc tiềm năng. Về lâu dài, phương pháp tổng hợp được phát triển trong luận văn này có thể được mở rộng để tạo ra các thư viện hợp chất lớn hơn, phục vụ cho các chương trình sàng lọc thuốc hiệu năng cao.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Dịch bệnh do virus gây ra tiếp tục là mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng toàn cầu. Theo số liệu thống kê của các tổ chức y tế quốc tế, đại dịch HIV/AIDS đã cướp đi sinh mạng của khoảng 25 triệu người, với hơn 33 triệu người đang phải chung sống cùng căn bệnh này và trung bình mỗi ngày có thêm khoảng 6.800 ca nhiễm mới. Tại Việt Nam, báo cáo y tế ghi nhận hơn 42.000 trường hợp tử vong do HIV/AIDS, trong khi tỷ lệ người nhiễm virus viêm gan B chiếm tới khoảng một phần ba dân số. Trong các phác đồ điều trị kháng retrovirus hoạt tính cao, nhóm thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược nucleoside đóng vai trò xương sống với 7 dẫn xuất nucleoside và 1 dẫn xuất nucleotide đã được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ phê duyệt.

Mặc dù mang lại hiệu quả lâm sàng rõ rệt, các thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược nucleoside truyền thống bộc lộ nhược điểm lớn khi dễ bị phân hủy liên kết glycoside bởi enzyme phosphorylase nội bào, đồng thời gây độc tính phụ và đối mặt với nguy cơ kháng thuốc cao sau thời gian dài điều trị. Nhằm khắc phục rào cản này, việc thay thế nguyên tử oxy trong vòng furanose bằng vòng carbocyclic cyclobutane đã mở ra hướng đi đột phá, giúp gia tăng độ bền sinh hóa và nâng cao hoạt tính kháng virus.

Nghiên cứu tập trung vào mục tiêu thiết kế và tổng hợp thành công các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới mang dị vòng 1,2,3-triazole mô phỏng cấu trúc của ribavirin. Công trình được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa học các chất chống virus và Khoa Hóa học trong giai đoạn 2010–2011. Kết quả nghiên cứu đã tạo ra hệ thống các phân tử mới với hiệu suất chuyển hóa đạt từ 82% đến 98%, cung cấp nguồn cấu trúc tiềm năng cho công tác thử nghiệm hoạt tính kháng virus và phát triển dược phẩm thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ chế ức chế cạnh tranh enzyme phiên mã ngược của retrovirus. Khi xâm nhập vào tế bào chủ, các dẫn xuất nucleoside trải qua 3 bước phosphoryl hóa để chuyển thành dạng triphosphate nucleoside hoạt động. Do thiếu nhóm 3'-hydroxyl tự do, phân tử này đóng vai trò như tác nhân kết thúc chuỗi tổng hợp DNA của virus, ngăn chặn hoàn toàn quá trình nhân bản bộ gene.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp lý thuyết tổng hợp hữu cơ hiện đại với phản ứng cộng hợp đóng vòng 1,3-lưỡng cực giữa azide và alkyne xúc tác đồng(I) trong hóa học Click. So với phản ứng nhiệt truyền thống của Huisgen vốn tạo hỗn hợp đồng phân và đòi hỏi nhiệt độ cao trên 98 °C, phản ứng có xúc tác đồng(I) làm tăng tốc độ phản ứng lên 10^7 đến 10^8 lần, cho phép phản ứng diễn ra hoàn toàn ở nhiệt độ phòng và chỉ tạo duy nhất đồng phân vị trí 1,4. Ngoài ra, lý thuyết xúc tác sinh học bất đối xứng thông qua enzyme lipase Pseudomonas fluorescens được áp dụng để acetyl hóa chọn lọc quang học nhóm chức hydroxyl, kiểm soát cấu hình lập thể với độ dư đối hình đạt trên 98.5% ee.

Phương pháp nghiên cứu

Quy mô thực nghiệm được tiến hành trên hệ mẫu phản ứng đa dạng từ mức độ bán vi mô đến vĩ mô, khởi đầu từ 45 g (khoảng 0.46 mol) anhydride maleic và 39 mL (khoảng 0.50 mol) 1,2-dichloroethene. Phương pháp chọn mẫu cấu trúc hóa học tập trung vào 8 dẫn xuất alkyne đầu mạch có các nhóm chức thế đa dạng gồm mạch béo, nhân thơm, nhóm thế chứa fluorine và dị vòng piperazine nhằm khảo sát toàn diện ảnh hưởng không gian và điện tử lên phản ứng Click.

Phương pháp phân tích cấu trúc sử dụng hệ thống thiết bị hiện đại gồm máy cộng hưởng từ hạt nhân đa chiều 500 MHz để ghi phổ 1H, 13C, COSY, HMBC và NOESY, kết hợp hệ thống sắc ký lỏng khối phổ Agilent Series 1100 ghi phổ ion hóa phun điện tử ESI-MS. Việc lựa chọn phương pháp phổ NOESY là giải pháp then chốt giúp phân biệt chính xác hai đồng phân lập thể syn và anti dựa trên tương tác không gian giữa các proton. Toàn bộ tiến trình phản ứng được giám sát liên tục bằng sắc ký lớp mỏng tráng sẵn silica gel Merck 60 F254 và tinh chế qua cột sắc ký rây phân tử Sephadex kết hợp cột silica gel cổ điển trong thời gian thực nghiệm 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tổng hợp hợp chất trung gian chìa khóa azide đã đạt hiệu suất cao qua chuỗi 6 giai đoạn nối tiếp. Phản ứng quang hóa cộng hợp đóng vòng [2+2] giữa 1,2-dichloroethene và anhydride maleic dưới đèn chiếu UV 400 W ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, tiếp nối bằng phản ứng khử với 400 g bột kẽm hoạt hóa ở 90 °C, đã tạo ra anhydride cyclobutene với độ sạch cao. Phản ứng acetyl hóa chọn lọc lập thể diol trung gian nhờ enzyme lipase Pseudomonas fluorescens ở -10 °C trong 16 giờ thu được monoacetate với độ tinh khiết quang học vượt trội, đạt năng suất tách chiết 85% và góc quay cực riêng đo được là -8.5 độ.

Phản ứng Click giữa trung gian azide và 5 dẫn xuất alkyne đầu mạch trong hệ dung môi tert-butanol và nước tỷ lệ 1:1, với xúc tác 20 mol-% CuSO4.5H2O và 200 mol-% natri ascorbate, đạt hiệu suất chuyển hóa ấn tượng từ 82% đến 98%. Phản ứng hoàn tất hoàn toàn sau khi khuấy qua đêm ở nhiệt độ phòng mà không cần điều kiện gia nhiệt phức tạp.

Phản ứng dihydroxy hóa nối đôi cyclobutene bằng hệ tác nhân OsO4 và N-methylmorpholine N-oxide diễn ra êm dịu, tạo thành hai đồng phân lập thể với tỷ lệ phân bố dao động từ 35/65 đến 45/55. Sau khi loại bỏ nhóm bảo vệ silyl ether bằng tetrabutylammonium fluoride, việc ứng dụng sắc ký cột Sephadex đã loại bỏ triệt để muối amoni hữu cơ, thu hồi các cyclobutane nucleoside tinh khiết với phổ khối ESI-MS xác nhận đúng khối lượng phân tử phân tích ở peak m/z = 378 [M+H]+.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm của chuỗi phản ứng tổng hợp có thể được hệ thống hóa rõ ràng thông qua bảng biểu so sánh hiệu suất phản ứng Click và biểu đồ phân bố tỷ lệ đồng phân lập thể dihydroxy hóa. Sự hình thành chọn lọc đồng phân 1,4-triazole được giải thích thông qua cơ chế trung gian đồng acetylide vòng 6 cạnh, giúp hạ thấp đáng kể hàng rào năng lượng hoạt hóa so với phản ứng nhiệt thông thường.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây vốn đòi hỏi hệ thống chiếu xạ công suất lớn 1000 W ở điều kiện làm lạnh sâu -60 °C dễ gây rủi ro cháy nổ, giải pháp cải tiến sử dụng 1,2-dichloroethene với đèn UV 400 W tại nhiệt độ phòng đã chứng minh tính an toàn, giảm 60% tiêu thụ năng lượng và nâng cao khả năng mở rộng quy mô. Phổ NOESY của các sản phẩm cuối cho thấy sự xuất hiện của các tín hiệu tương tác tầm xa giữa proton H1, H2 với nhóm methylene H5, H6 chỉ có ở đồng phân b, giúp khẳng định tuyệt đối cấu hình không gian của từng dẫn xuất cyclobutane nucleoside.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ và thúc đẩy các ứng dụng thực tiễn của công trình nghiên cứu, bốn định hướng giải pháp cụ thể được đề xuất:

1. Tối ưu hóa phản ứng dihydroxy hóa bất đối xứng: Ứng dụng hệ xúc tác hỗn hợp Sharpless AD-mix chứa phối tử bất đối xứng nhằm nâng tỷ lệ chuyển hóa chọn lọc đồng phân mong muốn lên trên 90% thay vì tỷ lệ 45/55 hiện tại. Mục tiêu cần được nhóm nghiên cứu hóa dược thực hiện trong lộ trình 6 tháng.

2. Thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro và in vivo: Tiến hành sàng lọc độc tính tế bào và đánh giá hoạt tính ức chế trên các mô hình tế bào nhiễm virus HIV-1, HBV và HCV nhằm xác định giá trị nồng độ ức chế tối thiểu IC50 đạt dưới 1.0 µM. Đề xuất nhóm nghiên cứu phối hợp cùng Phòng Dược lý sinh hóa triển khai trong thời gian 12 tháng.

3. Cải tiến phương pháp monohydroxy hóa chọn lọc: Thay thế tác nhân khử truyền thống bằng các phức chất hydroborane cồng kềnh chứa phối tử quang hoạt để kiểm soát sự tạo thành của 4 đồng phân vị trí, nâng hiệu suất tách sản phẩm đơn phân tử từ 5% lên trên 70% trong vòng 9 tháng do các kỹ thuật viên tổng hợp hữu cơ phụ trách.

4. Mở rộng thư viện phân tử và nâng quy mô tổng hợp: Áp dụng công nghệ hóa học dòng chảy liên tục để mở rộng quy mô tổng hợp các dẫn xuất 1,2,3-triazole lên mẻ 100 g phục vụ giai đoạn tiền lâm sàng, hoàn thành trong khung thời gian 18 tháng bởi các kỹ sư công nghệ hóa học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa Hữu cơ, Hóa Dược: Luận văn cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết 8 bước tổng hợp bất đối xứng, cách thiết lập phản ứng quang hóa và kỹ thuật xúc tác enzyme chuẩn mực làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

• Các nhà khoa học và chuyên viên R&D tại các viện nghiên cứu dược phẩm: Cung cấp giải pháp tổng hợp khung phân tử carbocyclic nucleoside kháng virus và phương pháp xử lý tinh chế hợp chất phân cực cao qua cột rây phân tử Sephadex trong các dự án phát triển thuốc mới.

• Giảng viên đại học giảng dạy các môn học chuyên ngành: Làm giáo trình tham khảo sinh động về ứng dụng hóa học Click, cơ chế phản ứng vòng 4 cạnh và phương pháp giải đoán cấu trúc phân tử bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân hai chiều 2D-NMR.

• Chuyên gia phân tích và kiểm nghiệm dược phẩm: Nắm bắt các đặc trưng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 500 MHz và phổ khối ESI-MS của dẫn xuất triazole nucleoside nhằm phục vụ công tác đối soát dữ liệu cấu trúc hóa học.

Câu hỏi thường gặp

Khung carbocyclic cyclobutane mang lại ưu thế gì vượt trội so với vòng furanose tự nhiên trong cấu trúc thuốc nucleoside?

Khung cyclobutane thay thế nguyên tử oxy dị vòng bằng nhóm methylene, giúp phân tử bền vững hoàn toàn trước sự phân cắt thủy phân của enzyme phosphorylase trong cơ thể. Sự bền vững này kéo dài thời gian bán hủy sinh học, giảm thiểu độc tính chuyển hóa và duy trì nồng độ ức chế virus ổn định hơn so với cấu trúc đường ribose truyền thống.

Enzyme lipase Pseudomonas fluorescens đóng vai trò gì trong chuỗi tổng hợp của luận văn?

Enzyme đóng vai trò xúc tác bất đối xứng trong phản ứng acetyl hóa nhóm hydroxyl của diol trung gian với vinyl acetate. Phản ứng diễn ra chọn lọc tuyệt đối tại nguyên tử carbon có cấu hình R ở nhiệt độ -10 °C trong 16 giờ, mang lại sản phẩm monoacetate có độ tinh khiết quang học cao đạt 98.5% ee.

Tại sao phản ứng Click CuAAC lại được lựa chọn để gắn dị vòng 1,2,3-triazole?

Phản ứng CuAAC khắc phục hoàn toàn hạn chế của phản ứng nhiệt Huisgen nhờ khả năng tăng tốc độ phản ứng lên 10^8 lần ở nhiệt độ phòng. Phản ứng tạo ra duy nhất đồng phân 1,4-regioisomer với hiệu suất rất cao từ 82% đến 98%, các sản phẩm phụ tối thiểu và dễ dàng tinh chế nhanh qua cột silica gel.

Làm thế nào để loại bỏ hoàn toàn muối amoni sau phản ứng giải phóng nhóm bảo vệ TBDPS?

Do các cyclobutane nucleoside phân cực mạnh và tan tốt trong nước, phương pháp chiết rửa thông thường làm thất thoát lớn lượng sản phẩm vào pha nước. Việc ứng dụng sắc ký rây phân tử trên cột Sephadex đã tách rửa hoàn toàn muối amoni hữu cơ ra trước, sau đó thu hồi trọn vẹn hợp chất tinh khiết ở phân đoạn tiếp theo.

Phương pháp phổ nào giữ vai trò quyết định trong việc phân biệt hai đồng phân lập thể syn và anti?

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NOESY 500 MHz giữ vai trò quyết định. Thông qua việc phát hiện tương tác không gian tầm xa giữa các proton H1, H2 với nhóm methylene H5, H6 chỉ xuất hiện trên đồng phân b, cấu hình không gian của từng dạng lập thể được xác định chính xác mà không cần tinh thể học tia X.

Kết luận

• Xây dựng thành công quy trình tổng hợp đa bước hiệu quả tạo hệ dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới chứa dị vòng 1,2,3-triazole với độ chọn lọc lập thể cao.
• Tối ưu hóa điều kiện phản ứng quang hóa tạo khung 4 cạnh ở nhiệt độ phòng bằng đèn UV 400 W êm dịu, thay thế hoàn toàn phương pháp làm lạnh sâu nguy hiểm.
• Kiểm soát xuất sắc tính bất đối xứng nhờ xúc tác enzyme lipase Pseudomonas fluorescens đạt độ tinh khiết quang học 98.5% ee và phản ứng Click đạt hiệu suất 82%–98%.
• Khẳng định tường minh cấu trúc hóa học và cấu hình lập thể của toàn bộ các sản phẩm mới bằng hệ thống phổ hiện đại 1D, 2D NMR và ESI-MS.
• Thiết lập nền tảng vững chắc cho lộ trình thử nghiệm sinh học kháng virus trong 12–24 tháng tới; các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hóa dược quan tâm có thể khai thác ngay quy trình này để mở rộng quy mô phát triển thuốc điều trị retrovirus thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới Thiệu và Định Hướng Nghiên Cứu 1. Giới thiệu: Các dẫn xuất nucleoside với hoạt tính chống virus Lây nhiễm virus là nguyên nhân gây ra các dịch bệnh rất nguy hiểm như cúm, viêm gan B & C, cúm loại A & B,… đặc biệt là AIDS. Dựa theo kết quả thống kê năm 2007, đã có khoảng 25 triệu người tử vong do mắc AIDS, 33 triệu người đang chung sống với HIV/AIDS. Mỗi ngày trung bình có khoảng 6.800 người mới bị nhiễm bệnh và hơn 5.700 người tử vong do AIDS [58].

Số người nhiễm virus viêm gan B chiếm một phần ba dân số thế giới. Tại Việt Nam, theo Bộ Y Tế, tính đến thời điểm năm 2009 có hơn 42.000 người bị chết do nhiễm HIV/AIDS và tỉ lệ người nhiễm viêm gan B nằm trong nhóm cao nhất thế giới [59]. Để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động và hạn chế của các thuốc chống virus, trước hết ta cần tìm hiểu về cấu trúc và sự lây lan của virus. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Virus điển hình gồm có lớp vỏ protein, còn gọi là capsid, bên trong chứa acid nucleic (hệ gene) có thể là DNA hoặc RNA.

Điều quan trọng là bộ gene của virus không chỉ mã hoá cho các protein cần để bao bọc vật liệu di truyền của nó mà còn mã hoá cho các protein cần cho virus sinh sản trong chu kì xâm nhiễm của nó. Phức hợp bao gồm acid nucleic và vỏ capsid được gọi là nucleocapsid. Một số loại virus còn có màng bao (envelop).1: Cấu tạo của virus Virus có tính kí sinh nội bào bắt buộc, chúng chỉ có thể sinh sản bằng cách xâm chiếm tế bào sống khác vì chúng thiếu bộ máy ở mức tế bào để tự sinh sản. Trong số đó, các retrovirus có tính chất đặc biệt đó là khản năng phiên mã hệ gene RNA của nó thành DNA bởi enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase RT), DNA virus sau đó được tích hợp vào DNA của tế bào chủ.

Do tính chất đặc biệt này mà RT là đích tấn công quan trọng trong việc nghiên cứu thuốc chống virus, đặc biệt là HIV. Quá trình sao chép của retrovirus, như HIV, cơ bản gồm có 5 giai đoạn chính. Đầu tiên, virus gắn và xâm nhập vào màng tế bào bằng cách dung hợp lớp vỏ của nó với màng tế bào chủ. Nhờ quá trình dung hợp (fusion), nucleocapsid được đưa vào và giải phóng bộ lõi gene RNA của virus vào tế bào bị nhiễm.

Tiếp đó, RNA được phiên mã thành DNA nhờ enzyme phiên mã ngược RT. DNA này sau đó 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] được chèn vào DNA nhiễm sắc thể của tế bào chủ bởi enzyme integrase. Hệ gene của virus được biểu hiện trong quá trình sinh tổng hợp của tế bào tạo ra các protein virus. RNA và protein virus “lắp ráp” lại và thoát khỏi tế bào chủ bằng cách “nảy chồi” (budding), lớp vỏ bọc lipid được kéo theo ra từ màng tế bào.

Các virus mới tạo ra tiếp tục đi lây nhiễm các tế bào lành bệnh; mỗi tế bào bị nhiễm virus có thể sản xuất ra hàng nghìn virus mới và nhanh chóng lây lan ra toàn bộ chủ thể nhiễm virus.2: Quá trình sao chép của retrovirus trong tế bào chủ [54] Dựa trên sự tác động vào chu trình sao chép của virus, có các loại thuốc chống HIV chính được phát triển đó là: thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược là các nucleoside (NRTIs), thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược không phải nucleoside (NNRTIs), thuốc ức chế enzyme protease (PIs), thuốc ức quá trình dung hợp của virus. Trong điều trị các loại thuốc khác nhau được dùng kết hợp (drug cocktail) nhằm tăng khả năng của thuốc, phương pháp này được biết đến là liệu pháp điều trị chống retrovirus hoạt tính cao (highly active antiretroviral therapy: HAART). 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Như đã nói ở trên, đối với các retrovirus, enzyme phiên mã ngược RT là đích quan trọng trong việc phát triển thuốc chống HIV. Trong khoảng 30 năm trở lại đây, trọng tâm phát triển thuốc chống HIV là nghiên cứu các thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược là các nucleoside (NRTIs).

Cho tới nay, có 7 dẫn xuất nucleoside và 1 dẫn xuất nucleotide được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (Food and Drug Administration: FDA) cấp phép dùng trong điều trị HIV [12]. Ngoài ra, rất nhiều dẫn xuất nucleoside khác đang được thử nghiệm lâm sàng trên người [48]. Các dẫn xuất nucleoside cũng được dùng trong điều trị các bệnh do virus gây ra khác như bệnh thủy đậu và zona (varicella–zoster virus, VZV), HCMV (human cytomegalovirus), herpes simplex (HSV), hepatitis B (HBV) hoặc hepatitis C (HCV) [12, 13, 25]. Các dẫn NRTI được FDA thông qua Nhờ quá trình trao đổi chất, NRTIs được đưa vào trong tế bào.

Sau đó nhóm 5’-hydroxyl được phosphoryl hóa thành 5’-triphosphate qua 3 bước nhờ các kinetase tương ứng. Triphosphate nucleoside, hay nucleotide, tương tác với enzyme phiên mã ngược RT, ức chế cạnh tranh với các cơ chất nucleotide tự nhiên. Tuy nhiên, dẫn xuất nucleotide của NRTIs có tác dụng như tác nhân kết thúc mạch (do không có nhóm 3’-OH), do đó nó làm dừng quá trình phiên mã RNA của virus. Quá trình nhân lên của virus do đó được ngăn chặn [4, 17].

6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Cơ chế ức chế RT của các dẫn xuất nucleoside [13] Nhược điểm của NRTIs là triphosphate cũng như mono và diphosphate nucleoside đều có ái lực với các enzyme của tế bào, cho nên nó gây ra tác dụng phụ ở người được điều trị. Thêm vào đó, các virus có khả năng biến đổi cao dẫn đến giảm hiệu quả của thuốc và kháng thuốc [4, 21, 28, 49]. Nhiều loại thuốc với cơ chế tác dụng và mức độ kháng thuốc khác nhau được dùng kết hợp để làm tăng hiệu quả điều trị bệnh. Do những hạn chế đó, nỗ lực tìm ra các thuốc trị bệnh mới với hoạt tính mạnh hơn và ít gây tác dụng phụ hơn vẫn là rất cấp bách trong việc nghiên cứu và phát triển phương pháp điều trị HIV cũng như các bệnh khác do virus gây ra.

Định hướng nghiên cứu Rất nhiều các dẫn xuất nucleoside đã được tổng hợp dựa trên sửa đổi vòng carbohydrate và/hoặc phần bazơ. Đáng chú ý, khi phần đường được thay bởi vòng carboxylic, tức là nguyên tử oxi được thay bằng nhóm CH2, các dẫn xuất thu được có hoạt tính mạnh hơn và bền hơn dưới tác dụng của enzyme phosphorylase – enzyme làm phân hủy liên kết glycoside [14, 32, 56]. Rất nhiều các dẫn xuất của 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nhóm hợp chất này đã được tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính, bao gồm các hợp chất chứa vòng cyclopropane [40], cyclobutane [20], cyclopentane [7], cyclohexane [20, 53]. Một số đã được dùng làm thuốc chống virus như aristeromycin A [46], neplanocin A [8], abacavir [29], baraclude [43], và lobucavir [24].

Các dẫn xuất cyclobutyl nucleoside được chú ý nghiên cứu khi oxetanocin A được phát hiện có hoạt tính chống virus mạnh [47]. Hướng nghiên cứu này đã dẫn đến sự phát hiện ra hai dẫn xuất mới là cyclobut-A và cyclobut-G [24], có hoạt tính kháng virus herpes và viêm gan B in vitro. Đồng thời rất nhiều phương pháp tổng hợp các dẫn xuất này đã được nghiên cứu và công bố và một số hợp chất thể hiện hoạt tính đáng chú ý như [6, 37, 51]: 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Khi nghiên cứu sửa đổi phần bazơ, rất nhiều công trình nghiên cứu có kết quả khả quan đã được công bố. Một số hợp chất có hoạt tính đáng chú ý là kết quả của nỗ lực sửa đổi phần bazơ như: Bredinin -là một imidazole nucleoside được dùng làm thuốc ức chế miễn dịch [31, 34], Ribavirin - thuốc điều trị viêm gan [42], các dẫn xuất 1,2,3-triazole TSAO - được dùng trong điều trị hepatitis C và HIV [3, 50].

N R NH2 N N N NH2 TBDMSO N O N O N N O H2N O O OH HO OH O OTBDMS HO OH S HO HO O O Brevidin Ribavirin 1,2,3-triazole TSAO Thêm vào đó, dẫn xuất 1,2,3-triazole gần đây được chú ý nghiên cứu và tổng hợp nhiều do khả năng tổng hợp đơn giản và hứa hẹn nhiều hoạt tính quý báu như chống HIV, chống vi trùng, chống dị ứng [3, 10, 50, 52]. Mặt khác, một số dẫn xuất N- và C-nucleoside có chứa dị vòng, cũng là các tác nhân chống virut và chống khối u, điển hình là Showdomycin, Tiazofurin, Pyranomycin và Ribavirin. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trên cơ sở đó, tôi đề xuất ý tưởng tổng hợp một số dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới có phần bazơ là vòng 1,2,3-triazole. Phương pháp tổng hợp 1.

Tổng hợp phần vòng cyclobutane Hiện nay các phân tử có chứa vòng nhỏ, đặc biệt là vòng bốn, đang được quan tâm phát triển và dần nắm một phần quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Lý do thứ nhất là hiện nay các dẫn xuất cyclobutane và cyclobuten có thể tổng hợp được với những phương pháp đáng tin cậy với hiệu suất cao do đó làm tăng khả năng ứng dụng [39]. Thứ hai là do sức căng của vòng nhỏ dẫn đến khả năng phản ứng với nhiều hướng khác nhau tùy thuộc vào cơ chế phản ứng và đặc điểm của các nhóm thế. Khoảng 20 năm gần đây, theo thống kê thì trong hơn 10.000 sáng chế và công bố khoa học ở lĩnh vực tổng hợp hữu cơ thì có khoảng 3.000 là tổng hợp có liên quan tới hóa học các hợp chất cyclobutane.

Vòng cyclobutane có thể được tổng hợp theo một số phương pháp như sau: (E) & (Z)-silyl và aryl thế của homoallylic methanesulfonate được chuyển thành cis- và trans-1-silyl-2-borylcyclobutane tương ứng cũng như 1-phenyl-2- borylcyclobutane với sự có mặt của CuCl/dppp làm xúc tác, bis(pinacolato)diboron, và K(O-t-Bu) trong THF [35]: 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Các hợp chất cyclobutane chứa ba hoặc bốn nhóm thế không đối xứng có thể được tổng hợp với hiệu suất cao và chọn lọc lập thể bằng phản ứng dime hóa dị hợp [2+2] của hai enone mạch hở khác nhau khi được chiếu bằng ánh sáng nhìn thấy và có mặt chất xúc tác quang hóa [Ru(bipy)3]Cl2 [16]: Hay(33): Phản ứng giữa alkyne đầu mạch và alkene với sự có mặt của phức cation Au(I) án ngữ không gian làm xúc tác cho ra cyclobutene với khả năng chọn lọc cấu tạo cao [38]: Muối cobalt xúc tác cho phản ứng cộng hợp [2+2] giữa alkene vòng như cyclopropen hoặc cyclohexene và alkyne giữa mạch với độ chọn lọc hóa học cao tùy thuộc vào bản chất của alkene và phối tử tạo phức với xúc tác [26]: 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Một trong các phương pháp thông dụng để tổng hợp các cyclobutane và cyclobuten là phản ứng quang hóa cộng hợp đóng vòng [2+2] của olefine và acethylen với enone vòng và lactone α,β-không no.