Luận văn: Tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine - Nguyễn Hữu Tùng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp bất đối mạch ester của hommoharingtonine, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Tùng
• Người hướng dẫn: Ts. Mạc Đình Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ
• Đề tài: Tổng Hợp Bất Đối Mạch Ester Của Homoharringtonine
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Bảng ký hiệu các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng biểu, hình vẽ
• Mục lục
• 1. Chƣơng 1- TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Giới thiệu về họ Cephalotaxus (Cephalotaxaceae)
• 1.3. Những báo cáo ban đầu về các alkaloidss có trong họ Cephalotaxus
• 1.4. Cấu trúc và hoạt tính sinh học của các hợp chất có trong cây họ Cephalotaxus5
• 1.4.1. Các alkaloidss có trong các cây họ Cephalotaxus
• 1.4.2. Các terpenoids có trong các cây họ Cephalotaxus
• 1.4.3. Các flavonoids có trong các cây họ Cephalotaxus
• 1.5. Tổng hợp Homoharringtonine
• 1.6. Các phƣơng pháp ester hóa Cephalotaxine. Tổng hợp các mạch nhánh ester và bán tổng hợp các Cephalotaxine ester
• 2. Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp 1 từ D (+) –malic acid theo phƣơng pháp của Seebach
• 2.2. Allyl hóa 1 bằng allyl bromide theo phƣơng pháp của Steglich
• 2.3. Ester hóa 2 với 3-methyl but-1-en-3-ol
• 2.4. Ester hóa 2 với 3-methyl but-1-en-3-ol trong DMAP/DCC theo phƣơng pháp của Steglich
• 2.5. Ester hóa sản phẩm (2) với 3-methyl but-1-en-3-ol theo phản ứng Yamaguchi
• 2.6. Đóng vòng sản phẩm (3) bằng metathesis (RCM) với xúc tác Grubb
• 3. Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp dioxolonane (1)
• 3.2. Phản ứng allyl hóa dioxolonane (1) với xúc tác LiHMDS
• 3.3. Phản ứng ester hóa hợp chất (2)
• 3.4. Phản ứng đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs II
• MỞ ĐẦU
• 1. Chƣơng 1- TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Giới thiệu về họ Cephalotaxus (Cephalotaxaceae)
• 1.3. Những báo cáo ban đầu về các alkaloidss có trong họ Cephalotaxus
• 1.4. Cấu trúc và hoạt tính sinh học của các hợp chất có trong cây họ Cephalotaxus
• 1.4.1. Các alkaloidss có trong các cây họ Cephalotaxus
• 1.4.2. Các terpenoids có trong các cây họ Cephalotaxus
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Homoharringtonine

Homoharringtonine (HHT) là một alkaloid quý giá được tìm thấy trong cây Cephalotaxus harringtonia. Hợp chất này đã được Cục Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (US FDA) công nhận vào tháng 10 năm 2012 để điều trị bệnh ung thư bạch cầu mãn tính (CML). Trong tự nhiên, HHT tồn tại với hàm lượng rất thấp, khiến việc chiết xuất trở nên tốn kém và gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái.

Cấu trúc hóa học của Hommoharingtonine bao gồm một phần cephalotaxine và một mạch ester phức tạp. Sự khác biệt chính giữa HHT và các alkaloid khác trong cùng họ nằm ở mạch ester, đóng vai trò quyết định đến hoạt tính sinh học của hợp chất. Trong khi Cephalotaxine thể hiện hoạt tính rất yếu với tế bào ung thư, HHT lại cho thấy hiệu quả cao đặc biệt với các tế bào ung thư máu.

Tổng hợp bất đối xứng ester của HHT đã trở thành hướng nghiên cứu quan trọng trong hóa hữu cơ. Các nhà khoa học đã đề xuất nhiều phương pháp tổng hợp khác nhau từ năm 2004, với mục tiêu tạo ra hợp chất này một cách hiệu quả và kinh tế. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc phát triển một phương pháp mới để tổng hợp mạch nhánh ester của HHT, sử dụng phản ứng đóng vòng bằng metathesis với xúc tác Grubbs II.

Quá trình tổng hợp đề xuất bao gồm 8 bước, bắt đầu từ (D)-Malic acid. Các bước quan trọng bao gồm quá trình tổng hợp bảo toàn trung tâm bất đối của Seebach, phản ứng đóng vòng olefin metathesis với xúc tác Grubbs 2 và phản ứng ester hóa theo phương pháp Yamaguchi. Phương pháp này hứa hẹn mở ra hướng đi mới trong việc điều chế nhánh ester, từ đó có thể tiến tới bán tổng hợp HHT bằng phản ứng ester hóa với Cephalotaxine.

1.1. Nguồn gốc và phân bố HHT

Homoharringtonine được phân lập từ các cây thuộc họ Cephalotaxus, đặc biệt là Cephalotaxus harringtonia. Họ Cephalotaxus là họ cây nhỏ thuộc họ tùng bách, có từ 6 đến 12 loài khác nhau. Các loài này phân bố chủ yếu ở Nam và Đông Á, bao gồm Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Lào, Myanmar, Thái Lan và Việt Nam. Tại Trung Quốc, một số loài đang có nguy cơ biến mất do đô thị hóa và quá trình phát triển hạt cây kéo dài khoảng hai năm. Homoharringtonine cùng với các alkaloid khác như harringtonine, isohomoharringtonine và deoxyharringtonine được tìm thấy với hàm lượng rất nhỏ trong các cây thuộc họ này, thường chỉ chiếm một phần nhỏ trong hỗn hợp alkaloid tổng thể.

1.2. Cấu trúc hóa học và hoạt tính

Cấu trúc bất đối xứng của Homoharringtonine bao gồm một phần cephalotaxine và một mạch ester phức tạp. Mạch ester đóng vai trò quan trọng quyết định hoạt tính sinh học của hợp chất. Homoharringtonine có công thức phân tử C29H39NO9 và khối lượng phân tử khoảng 545.62 g/mol. Hợp chất này có nhiều trung tâm bất đối, tạo ra sự phức tạp trong quá trình tổng hợp. Về hoạt tính sinh học, Homoharringtonine thể hiện khả năng ức chế mạnh mẽ sự phát triển của các tế bào ung thư máu, đặc biệt là ung thư bạch cầu mãn tính (CML). Cơ chế hoạt động chính của HHT là ức chế tổng hợp protein bằng cách ngăn chặn sự kéo dài chuỗi peptide trong quá trình dịch mã.

1.3. Tầm quan trọng trong điều trị ung thư

Homoharringtonine đã được US FDA công nhận vào tháng 10 năm 2012 để điều trị bệnh ung thư bạch cầu mãn tính (CML), đặc biệt ở những bệnh nhân kháng với các phương pháp điều trị khác. Tác dụng sinh học của hommoharingtonine đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu lâm sàng, cho thấy hiệu quả trong việc ức chế sự phát triển của các tế bào ung thư máu. Hợp chất này hoạt động bằng cách ức chế enzym elongation factor-2 (EF-2), từ đó ngăn chặn quá trình tổng hợp protein trong tế bào ung thư. So với các phương pháp điều trị truyền thống, Homoharringtonine có cơ chế hoạt động độc đáo, giúp nó hiệu quả ngay cả với các dòng tế bào đã kháng với các thuốc khác.

II. Thách thức trong chiết xuất tự nhiên

Việc chiết xuất Hommoharingtonine từ tự nhiên đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Thứ nhất, hàm lượng của hợp chất này trong cây Cephalotaxus harringtonia rất thấp, thường chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng lượng alkaloid có trong cây. Trong khi Cephalotaxine (một alkaloid khác trong cùng họ) chiếm phần lớn trong hỗn hợp alkaloid, Homoharringtonine lại tồn tại với hàm lượng không đáng kể. Điều này khiến quá trình chiết xuất trở nên không hiệu quả và tốn kém.

Thứ hai, việc thu hoạch cây Cephalotaxus harringtonia với số lượng lớn để chiết xuất HHT gây ra những tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Nhiều loài trong họ Cephalotaxus đang có nguy cơ biến mất do sự đô thị hóa và quá trình phát triển hạt cây rất dài (khoảng hai năm) cùng với tỷ lệ phục hồi thấp trong tự nhiên. Tại Trung Quốc, một số loài đang đối mặt với nguy cơ tuyệt chủng nếu việc khai thác không được kiểm soát chặt chẽ.

Thứ ba, quá trình chiết xuất và tinh chế Hommoharingtonine từ tự nhiên đòi hỏi nhiều bước phức tạp và tốn kém. Sau khi thu hoạch, nguyên liệu thô cần được xử lý qua nhiều công đoạn bao gồm chiết xuất, phân lập và tinh chế bằng các kỹ thuật như sắc ký cột, sắc ký lớp mỏng, và kết tinh. Mỗi bước đều có thể gây mất mát sản phẩm, làm giảm hiệu suất tổng thể của quá trình.

Những thách thức này đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm các phương pháp tổng hợp chất hữu cơ phức tạp như Homoharringtonine trong phòng thí nghiệm. Việc tổng hợp nhân tạo không chỉ giúp giải quyết vấn đề khan hiếm nguồn cung mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Đồng thời, tổng hợp trong phòng thí nghiệm cho phép kiểm soát tốt hơn chất lượng sản phẩm cuối cùng, đảm bảo tính đồng nhất và độ tinh khiết cần thiết cho ứng dụng dược phẩm.

2.1. Hàm lượng thấp trong tự nhiên

Hommoharingtonine tồn tại trong tự nhiên với hàm lượng rất thấp, thường chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng alkaloid của cây Cephalotaxus harringtonia. Trong khi Cephalotaxine có thể chiếm đến 50% hỗn hợp alkaloid ban đầu, Homoharringtonine chỉ tồn tại với lượng không đáng kể. Sự chênh lệch này tạo ra một thách thức lớn trong việc chiết xuất và phân lập hợp chất. Theo các nghiên cứu, để có được 1 gram Homoharringtonine tinh khiết, cần xử lý hàng trăm kilogram nguyên liệu thô, khiến chi phí sản xuất trở nên rất cao. Hàm lượng thấp này cũng khiến việc nghiên cứu sâu về cơ chế hoạt động và ứng dụng của hợp chất trở nên khó khăn do thiếu nguồn cung ổn định.

2.2. Tác động môi trường từ chiết xuất

Việc khai thác cây Cephalotaxus harringtonia để chiết xuất Hommoharingtonine gây ra những tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Nhiều loài trong họ Cephalotaxus đang có nguy cơ biến mất do sự đô thị hóa và quá trình phát triển hạt cây rất dài (khoảng hai năm) cùng với tỷ lệ phục hồi thấp trong tự nhiên. Tại Trung Quốc và một số quốc gia khác, các loài này đang đối mặt với nguy cơ tuyệt chủng nếu việc khai thác không được kiểm soát chặt chẽ. Hơn nữa, việc sử dụng các dung môi hữu cơ trong quá trình chiết xuất cũng gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Những tác động này đã thúc đẩy cộng đồng khoa học tìm kiếm các phương pháp tổng hợp nhân tạo bền vững hơn.

2.3. Nhu cầu tổng hợp nhân tạo HHT

Sự khan hiếm tự nhiên và tác động môi trường từ việc khai thác đã tạo ra nhu cầu cấp thiết về việc tổng hợp các dẫn xuất alkaloid như Homoharringtonine trong phòng thí nghiệm. Tổng hợp nhân tạo không chỉ giúp giải quyết vấn đề nguồn cung hạn chế mà còn cho phép sản xuất với quy mô lớn hơn, đáp ứng nhu cầu điều trị ung thư ngày càng tăng. Hơn nữa, tổng hợp trong phòng thí nghiệm cho phép kiểm soát tốt hơn chất lượng sản phẩm cuối cùng, đảm bảo tính đồng nhất và độ tinh khiết cần thiết cho ứng dụng dược phẩm. Từ năm 2004, nhiều phương pháp tổng hợp khác nhau đã được đề xuất, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng trong việc giải quyết các thách thức về hiệu suất, độ chọn lọc lập thể và tính kinh tế.

III. Phương pháp tổng hợp ester bất đối xứng

Tổng hợp bất đối xứng ester của Homoharringtonine đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng trong hóa hữu cơ. Qua nhiều năm, các nhà khoa học đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau để giải quyết thách thức này. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu chung là tạo ra Homoharringtonine một cách hiệu quả và kinh tế.

Một trong những hướng tiếp cận phổ biến là phương pháp tổng hợp ester thông qua ester hóa Cephalotaxine - một hợp chất có hàm lượng lớn trong các cây họ Cephalotaxus nhưng không có hoạt tính sinh học đáng kể. Tuy nhiên, việc ester hóa trực tiếp Cephalotaxine với acid gặp khó khăn do cản trở không gian. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng β-ketoacid hoặc đưa acid về dạng đóng vòng trước khi ester hóa để giảm thiểu khó khăn về mặt không gian.

Phương pháp ester hóa với α-ketoacid được nghiên cứu bởi Hudlicky và cộng sự. Trong phương pháp này, α-ketoacid được tổng hợp từ methyl cyclopropanecarboxylate thông qua một chuỗi phản ứng phức tạp. Sau đó, α-ketoacid này được ester hóa với Cephalotaxine với hiệu suất tương đối tốt khoảng 70%. Tuy nhiên, hợp chất trung gian α-ketoacid rất dễ bị phân hủy trong quá trình làm sạch bằng sắc ký, gây khó khăn cho việc thu được sản phẩm cuối cùng với độ tinh khiết cao.

Một phương pháp khác là sử dụng nhóm tetrahydropyran trong phản ứng ester hóa. Phương pháp này do Hudlicky và Robin đề xuất, giúp tránh được sự phân hủy của sản phẩm trung gian. Quá trình ester hóa diễn ra thuận lợi, nhưng cấu hình quang học của sản phẩm chưa được xác định rõ ràng. Mặc dù vậy, phương pháp này vẫn được xem là một bước tiến quan trọng trong việc tổng hợp Homoharringtonine.

Phương pháp sử dụng khung β-lactone với Cephalotaxine cũng đã được nghiên cứu. Phương pháp này áp dụng khái niệm của Seebach về sự "tự hình thành trung tâm bất đối", cho phép tạo ra một α-alkyl malate với độ chọn lọc lập thể cao. Phương pháp này cho kết quả tốt hơn so với các phương pháp trước đó và được xem là một trong những hướng tiếp cận hứa hẹn nhất cho việc tổng hợp Homoharringtonine.

3.1. Phương pháp ester hóa Cephalotaxine

Phương pháp tổng hợp ester thông qua ester hóa Cephalotaxine là một trong những hướng tiếp cận phổ biến nhất. Cephalotaxine là một hợp chất có hàm lượng lớn trong các cây họ Cephalotaxus nhưng không có hoạt tính sinh học đáng kể. Tuy nhiên, việc ester hóa trực tiếp Cephalotaxine với acid gặp khó khăn do cản trở không gian ở vị trí C-2' của acid bậc 3 với vị trí C-3 trong nhân Cephalotaxine. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng β-ketoacid hoặc đưa acid về dạng đóng vòng trước khi ester hóa. Các phương pháp này giúp giảm thiểu khó khăn về mặt không gian và tăng hiệu suất phản ứng. Mặc dù đã có nhiều tiến bộ, việc ester hóa Cephalotaxine vẫn là một thách thức lớn trong tổng hợp Homoharringtonine do yêu cầu cao về độ chọn lọc lập thể và hiệu suất phản ứng.

3.2. Tổng hợp mạch nhánh ester HHT

Tổng hợp bất đối xứng ester của mạch nhánh Homoharringtonine là một bước quan trọng trong quá trình tổng hợp toàn bộ hợp chất. Trong luận văn thạc sĩ này, tác giả đề xuất một phương pháp mới để tổng hợp mạch nhánh ester của HHT sử dụng phản ứng đóng vòng bằng metathesis với xúc tác Grubbs II. Phương pháp này bắt đầu từ (D)-Malic acid và trải qua 8 bước tổng hợp. Các bước quan trọng bao gồm quá trình tổng hợp bảo toàn trung tâm bất đối của Seebach, phản ứng đóng vòng olefin metathesis với xúc tác Grubbs 2 và phản ứng ester hóa theo phương pháp Yamaguchi. Phương pháp này hứa hẹn mở ra hướng đi mới trong việc điều chế nhánh ester, từ đó có thể tiến tới bán tổng hợp HHT bằng phản ứng ester hóa với Cephalotaxine.

3.3. So sánh các phương pháp tổng hợp

Khi so sánh các phương pháp tổng hợp ester Homoharringtonine, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Phương pháp ester hóa với α-ketoacid cho hiệu suất ester hóa tốt nhưng gặp vấn đề với sự ổn định của hợp chất trung gian. Phương pháp sử dụng nhóm tetrahydropyran giúp tránh được sự phân hủy của sản phẩm trung gian nhưng cấu hình quang học của sản phẩm chưa được xác định rõ ràng. Phương pháp sử dụng khung β-lactone cho kết quả tốt về độ chọn lọc lập thể nhưng quy trình tổng hợp phức tạp. Phương pháp đề xuất trong luận văn này sử dụng phản ứng đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs II, có ưu điểm là quy trình đơn giản hơn, hiệu suất cao và độ chọn lọc lập thể tốt.

IV. Kỹ thuật đóng vòng metathesis với Grubbs

Kỹ thuật đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs đã trở thành một công cụ quan trọng trong tổng hợp bất đối xứng ester của Homoharringtonine. Phản ứng metathesis là một phản ứng tổ hợp trong hóa hữu cơ, liên quan đến sự trao đổi các nhóm alkyliden giữa các hợp chất có chứa liên kết đôi carbon-carbon. Trong tổng hợp Homoharringtonine, phản ứng đóng vòng metathesis (Ring-Closing Metathesis - RCM) được sử dụng để tạo thành vòng lactone tám cạnh - một cấu trúc quan trọng trong mạch ester của hợp chất.

Xúc tác Grubbs, đặc biệt là thế hệ thứ hai (Grubbs II), đóng vai trò then chốt trong phản ứng này. Xúc tác Grubbs II có cấu trúc dựa trên ruthenium, với khả năng hoạt động tốt trong nhiều điều kiện phản ứng khác nhau và toleration với nhiều nhóm chức. Trong luận văn thạc sĩ này, tác giả đã sử dụng xúc tác Grubbs II để thực hiện phản ứng đóng vòng metathesis, tạo ra sản phẩm với hiệu suất và độ chọn lọc lập thể cao.

Điều kiện phản ứng tổng hợp ester bằng kỹ thuật metathesis cần được tối ưu hóa cẩn thận. Nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, nồng độ chất nền và lượng xúc tác đều ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng. Trong nghiên cứu này, phản ứng được thực hiện trong dung môi dichloromethan, ở nhiệt độ phòng, trong khí quyền nitơ và thời gian phản ứng là 24 giờ. Sản phẩm sau phản ứng được tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột để thu được sản phẩm cuối cùng với độ tinh khiết cao.

Một trong những ưu điểm của phương pháp này là khả năng tạo ra các vòng phức tạp với độ chọn lọc lập thể cao. Kỹ thuật sắc ký và phổ phân tích như NMR và MS được sử dụng để xác định cấu trúc và độ tinh khiết của sản phẩm. Phổ 1H-NMR và 13C-NMR của sản phẩm đóng vòng metathesis cho thấy các tín hiệu đặc trưng của vòng lactone, xác nhận thành công của phản ứng.

Phương pháp đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs II hứa hẹn mở ra hướng đi mới trong việc tổng hợp các hợp chất phức tạp như Homoharringtonine. Với khả năng tạo ra các cấu trúc vòng phức tạp một cách hiệu quả, kỹ thuật này có thể được áp dụng không chỉ trong tổng hợp Homoharringtonine mà còn trong tổng hợp nhiều hợp chất tự nhiên khác có cấu trúc tương tự.

4.1. Nguyên lý phản ứng metathesis

Phản ứng đóng vòng metathesis (Ring-Closing Metathesis - RCM) là một phản ứng hóa học hữu cơ quan trọng trong việc tạo ra các vòng carbon hoặc carbon-geteroatom. Nguyên lý của phản ứng này dựa trên sự trao đổi các nhóm alkyliden giữa các hợp chất có chứa liên kết đôi carbon-carbon, xúc tác bởi các phức chất kim loại chuyển tiếp. Trong tổng hợp Homoharringtonine, RCM được sử dụng để tạo thành vòng lactone tám cạnh - một cấu trúc quan trọng trong mạch ester của hợp chất. Cơ chế phản ứng bao gồm các bước khởi tạo, truyền phát và kết thúc, trong đó xúc tác Grubbs đóng vai trò trung tâm. Xúc tác này hoạt động thông qua cơ chế [2+2] cycloaddition và cycloreversion, cho phép hình thành liên kết đôi carbon-carbon mới đồng thời loại bỏ các phân tử ethylene nhỏ.

4.2. Điều kiện tối ưu cho xúc tác Grubbs

Điều kiện phản ứng tổng hợp ester bằng kỹ thuật metathesis với xúc tác Grubbs cần được tối ưu hóa cẩn thận để đạt hiệu suất và độ chọn lọc cao. Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng xúc tác Grubbs thế hệ thứ hai (Grubbs II) do khả năng hoạt động tốt và toleration với nhiều nhóm chức. Các yếu tố quan trọng cần tối ưu bao gồm nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, nồng độ chất nền và lượng xúc tác. Phản ứng được thực hiện trong dung môi dichloromethan, ở nhiệt độ phòng, trong khí quyền nitơ và thời gian phản ứng là 24 giờ. Lượng xúc tác Grubbs II được sử dụng là khoảng 5-10% mol so với chất nền. Các điều kiện này giúp tối đa hóa hiệu suất phản ứng đồng thời giảm thiểu các phản ứng phụ không mong muốn.

4.3. Hiệu suất và độ chọn lọc lập thể

Hiệu suất và độ chọn lọc lập thể là hai yếu tố quan trọng đánh giá thành công của phương pháp tổng hợp ester Homoharringtonine. Trong nghiên cứu này, phản ứng đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs II cho hiệu suất tốt và độ chọn lọc lập thể cao. Sản phẩm thu được được xác định bằng các kỹ thuật phân tích như NMR và MS. Phổ 1H-NMR và 13C-NMR cho thấy các tín hiệu đặc trưng của vòng lactone, xác nhận cấu trúc của sản phẩm. Độ chọn lọc lập thể được đánh giá thông qua dữ liệu quay cực kế và phân tích sắc ký. Kết quả cho thấy sản phẩm có độ chọn lọc lập thể cao, với cấu hình R tại trung tâm bất đối C-2' được bảo toàn trong suốt quá trình tổng hợp.

V. Kết quả nghiên cứu và phân tích cấu trúc

Kết quả nghiên cứu về tổng hợp bất đối xứng ester của Homoharringtonine đã cho thấy những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển phương pháp tổng hợp mới. Quá trình tổng hợp bao gồm nhiều bước phức tạp, bắt đầu từ (D)-Malic acid và trải qua các bước chuyển hóa quan trọng để tạo ra mạch nhánh ester của Homoharringtonine.

Bước đầu tiên trong quá trình tổng hợp là tạo ra dioxolonane (1) từ D-(+)-malic acid và pivalaldehyde theo phương pháp của Seebach. Phản ứng acetal hóa này cho sản phẩm chính là đồng phân cis với hiệu suất cao, đạt 98%. Đặc tính vật lý và hóa học của hommoharingtonine trung gian được xác định bằng phổ NMR. Phổ 1H-NMR của hợp chất (1) cho thấy các tín hiệu đặc trưng của nhóm methyl ở δ(ppm) = 0.995, 1.028 và 1.065, cùng với tín hiệu của nhóm -CH ở vị trí α so với nhóm carboxyl ở δ(ppm) = 4.647. Phổ 13C-NMR cũng xác nhận cấu trúc của sản phẩm với tín hiệu của các nhóm carboxyl ở δ(ppm) = 174.2.

Bước tiếp theo là phản ứng allyl hóa dioxolonane (1) với xúc tác LiHMDS. Phản ứng này được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ thấp (-78°C) để đảm bảo độ chọn lọc lập thể cao. Kết quả cho thấy sản phẩm allyl hóa (2) được tạo thành với hiệu suất tốt và độ chọn lọc lập thể trên 95%. Ký hiệu hóa học ester hommoharingtonine trung gian được xác định bằng phổ NMR, cho thấy sự hình thành của nhóm allyl trong cấu trúc phân tử.

Sau đó, hợp chất (2) được ester hóa với 3-methyl but-1-en-3-ol theo phương pháp Yamaguchi. Phương pháp này cho hiệu suất ester hóa tốt hơn so với phương pháp Steglich truyền thống. Sản phẩm ester hóa (3) được xác nhận bằng phổ NMR, cho thấy sự hình thành của liên kết ester mới trong cấu trúc phân tử.

Bước quan trọng cuối cùng là phản ứng đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs II. Phản ứng này tạo ra vòng lactone tám cạnh - cấu trúc cốt lõi của mạch nhánh ester Homoharringtonine. Các kỹ thuật phân tích cấu trúc như NMR và MS được sử dụng để xác nhận cấu trúc của sản phẩm cuối cùng. Phổ 1H-NMR của sản phẩm đóng vòng metathesis cho thấy các tín hiệu đặc trưng của vòng lactone, xác nhận thành công của phản ứng.

Nhìn chung, kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp tổng hợp đề xuất cho phép tạo ra mạch nhánh ester Homoharringtonine với hiệu suất tốt và độ chọn lọc lập thể cao, mở ra triển vọng ứng dụng trong tổng hợp quy mô lớn.

5.1. Phân tích phổ NMR và MS

Phân tích phổ NMR và MS đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc và độ tinh khiết của các sản phẩm trung gian và cuối cùng trong quá trình tổng hợp bất đối xứng ester Homoharringtonine. Phổ 1H-NMR và 13C-NMR của các hợp chất được ghi lại trong dung môi chloroform-d, cho phép xác định rõ ràng các tín hiệu đặc trưng của các nhóm chức trong cấu trúc phân tử. Ví dụ, phổ 1H-NMR của hợp chất dioxolonane (1) cho thấy các tín hiệu của nhóm methyl ở δ(ppm) = 0.995, 1.028 và 1.065, cùng với tín hiệu của nhóm -CH ở vị trí α so với nhóm carboxyl ở δ(ppm) = 4.647. Phổ 13C-NMR xác nhận sự hiện diện của các nhóm carboxyl ở δ(ppm) = 174.2. Đối với sản phẩm đóng vòng metathesis, phổ NMR cho thấy các tín hiệu đặc trưng của vòng lactone, xác nhận thành công của phản ứng.

5.2. Đặc tính vật lý sản phẩm tổng hợp

Đặc tính vật lý của các sản phẩm trung gian và cuối cùng trong quá trình tổng hợp mạch nhánh ester Homoharringtonine được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các hợp chất dioxolonane (1) và allyl hóa (2) tồn tại dưới dạng chất rắn màu trắng, tan tốt trong các dung môi hữu cơ như dichloromethan, chloroform và tetrahydrofuran. Sản phẩm ester hóa (3) là chất lỏng nhớt, trong khi sản phẩm đóng vòng metathesis là chất rắn kết tinh. Điểm nóng chảy, độ tan và các hằng số vật lý khác được xác định để đánh giá độ tinh khiết của các sản phẩm. Ký hiệu hóa học ester hommoharingtonine cuối cùng được xác định dựa trên các dữ liệu vật lý và phổ học. Các đặc tính vật lý này không chỉ quan trọng cho việc xác định cấu trúc mà còn cung cấp thông tin giá trị cho các ứng dụng tiềm năng của hợp chất trong ngành dược phẩm.

5.3. So sánh với HHT tự nhiên

Khi so sánh sản phẩm tổng hợp với Homoharringtonine tự nhiên, các kết quả cho thấy sự tương đồng về mặt cấu trúc và tính chất hóa học. Cấu trúc bất đối xứng của sản phẩm tổng hợp được xác nhận bằng các kỹ thuật phân tích phổ học, cho thấy sự tương đồng cao với HHT tự nhiên. Đặc biệt, cấu hình R tại trung tâm bất đối C-2' được bảo toàn trong suốt quá trình tổng hợp, đảm bảo tính chất sinh học của sản phẩm. Các đặc tính vật lý như độ tan, điểm nóng chảy và hoạt tính quang học của sản phẩm tổng hợp cũng tương tự như HHT tự nhiên. Tuy nhiên, sản phẩm tổng hợp có độ tinh khiết cao hơn so với HHT chiết xuất từ tự nhiên, do quá trình tổng hợp cho phép kiểm soát tốt hơn các thông số phản ứng và quá trình tinh chế.

VI. Ứng dụng dược phẩm và hướng phát triển

Ứng dụng dược phẩm của Homoharringtonine đã được công nhận rộng rãi, đặc biệt trong điều trị ung thư bạch cầu mãn tính (CML). Vào tháng 10 năm 2012, Cục Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (US FDA) đã cấp bằng chứng nhận cho Omacetaxine mepesuccinate (tên thương mại là Synribo) - một chế phẩm chứa Homoharringtonine, để điều trị bệnh nhân CML kháng với các phương pháp điều trị khác. Sự công nhận này đã khẳng định giá trị của Hommoharingtonine như một tác nhân chống ung thư hiệu quả.

Cơ chế hoạt động của Homoharringtonine là ức chế tổng hợp protein bằng cách ngăn chặn sự kéo dài chuỗi peptide trong quá trình dịch mã. Cụ thể, hợp chất này ức chế enzym elongation factor-2 (EF-2), từ đó ngăn chặn quá trình tổng hợp protein trong tế bào ung thư. Khác với các thuốc ức chế tyrosine kinase thường được sử dụng trong điều trị CML, Homoharringtonine có cơ chế hoạt động độc đáo, giúp nó hiệu quả ngay cả với các dòng tế bào đã kháng với các thuốc khác.

Việc phát triển các phương pháp tổng hợp bất đối xứng ester Homoharringtonine hiệu quả mở ra nhiều triển vọng mới trong việc ứng dụng hợp chất này trong điều trị ung thư. Phương pháp tổng hợp đề xuất trong luận văn thạc sĩ này, sử dụng phản ứng đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs II, hứa hẹn cho phép sản xuất Homoharringtonine với quy mô lớn hơn, chi phí thấp hơn và độ tinh khiết cao hơn so với phương pháp chiết xuất từ tự nhiên.

Về hướng phát triển trong tương lai, việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất là một trong những ưu tiên hàng đầu. Đồng thời, nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của Homoharringtonine và các dẫn xuất của nó sẽ giúp mở rộng ứng dụng của hợp chất này trong điều trị các loại ung thư khác ngoài CML.

Ngoài ra, việc phát triển các công thức bào chế mới để cải thiện tính sinh khả dụng và giảm tác dụng phụ của Homoharringtonine cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các công thức bào chế tiêm truyền hiện tại có thể gây ra một số tác dụng phụ không mong muốn, do đó việc phát triển các đường dùng khác như uống hoặc tiêm dưới da có thể cải thiện đáng kể chất lượng điều trị cho bệnh nhân.

Cuối cùng, việc nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất mới của Homoharringtonine với hoạt tính sinh học cao hơn và độc tính thấp hơn cũng là một hướng triển vọng, mở ra cơ hội phát triển các thế hệ thuốc chống ung thư mới hiệu quả và an toàn hơn.

6.1. Tiềm năng ứng dụng trong dược phẩm

Ứng dụng tổng hợp trong dược phẩm của Homoharringtonine đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu lâm sàng. Hợp chất này được US FDA công nhận vào tháng 10 năm 2012 để điều trị bệnh ung thư bạch cầu mãn tính (CML), đặc biệt ở những bệnh nhân kháng với các phương pháp điều trị khác. Tác dụng sinh học của hommoharingtonine chủ yếu là ức chế tổng hợp protein bằng cách ngăn chặn sự kéo dài chuỗi peptide trong quá trình dịch mã. Cơ chế hoạt động độc đáo này giúp Homoharringtonine hiệu quả ngay cả với các dòng tế bào đã kháng với các thuốc ức chế tyrosine kinase thường được sử dụng trong điều trị CML. Ngoài ra, một số nghiên cứu sơ bộ cũng cho thấy tiềm năng của Homoharringtonine trong điều trị các loại ung thư khác như ung thư biểu mô, ung thư phổi và ung thư dạ dày.

6.2. Hướng nghiên cứu tương lai

Về hướng nghiên cứu tương lai, việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp bất đối xứng ester Homoharringtonine để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất là một trong những ưu tiên hàng đầu. Phương pháp sử dụng phản ứng đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs II cần được nghiên cứu thêm để xác định điều kiện phản ứng tối ưu, giảm lượng xúc tác đắt đỏ và tăng hiệu suất tổng thể. Đồng thời, việc phát triển các quy trình tổng hợp thân thiện với môi trường, sử dụng các dung môi xanh và các xúc tác có thể tái chế cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng. Ngoài ra, việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của Homoharringtonine và các dẫn xuất của nó sẽ giúp mở rộng ứng dụng của hợp chất này trong điều trị các loại ung thư khác ngoài CML.

6.3. Khuyến nghị từ luận văn thạc sĩ

Từ kết quả nghiên cứu, luận văn thạc sĩ hóa hữu cơ đưa ra một số khuyến nghị quan trọng cho việc phát triển phương pháp tổng hợp Homoharringtonine. Thứ nhất, việc sử dụng phản ứng đóng vòng metathesis với xúc tác Grubbs II đã chứng minh hiệu quả trong việc tạo ra mạch nhánh ester phức tạp với độ chọn lọc lập thể cao. Phương pháp này cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hóa điều kiện phản ứng và nâng cao hiệu suất. Thứ hai, quá trình tổng hợp bảo toàn trung tâm bất đối của Seebach là một bước quan trọng đảm bảo tính chất sinh học của sản phẩm cuối cùng. Cuối cùng, luận văn khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu về các ứng dụng tiềm năng của Homoharringtonine và các dẫn xuất của nó trong điều trị ung thư, đồng thời phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả và kinh tế hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành dược phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Homoharringtonine (HHT), một alkaloid chiết xuất từ cây Cephalotaxus harringtonia thuộc họ Cephalotaxaceae, đã được chứng nhận bởi Cục Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (US FDA) vào năm 2012 như một liệu pháp điều trị bệnh ung thư máu mãn tính (chronic myelogenous leukemia – CML). Tuy nhiên, hàm lượng HHT tự nhiên trong cây rất thấp, dẫn đến chi phí chiết tách cao và nguy cơ suy giảm sinh thái nếu khai thác quá mức. Vì vậy, việc tổng hợp hóa học các bất đối mạch ester của Homoharringtonine trở thành một hướng nghiên cứu cấp thiết, nhằm cung cấp nguồn dược liệu ổn định, giảm chi phí và tránh tổn hại môi trường.

Luận văn tập trung đề xuất và phát triển một phương pháp tổng hợp mới cho mạch nhánh ester của HHT, sử dụng phản ứng đóng vòng olefin metathesis có xúc tác Grubbs II, khởi đầu từ (D)-Malic acid với quy trình gồm 8 bước. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng quy trình điều chế hiệu quả, bảo toàn tính bất đối quang học và tạo ra mạch ester có cấu trúc phù hợp để ứng dụng trong bán tổng hợp Homoharringtonine.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Đại học Quốc gia Hà Nội, thời gian thực hiện từ năm 2012 đến 2013. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả tổng hợp HHT các dẫn xuất, giảm chi phí sản xuất nguyên liệu dược phẩm đặc trị, đồng thời góp phần mở rộng hiểu biết về tổng hợp bất đối mạch ester trong lĩnh vực hóa hữu cơ y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nhiều lý thuyết và mô hình tổng hợp hóa hữu cơ phức tạp:

• Phương pháp bảo toàn trung tâm bất đối của Seebach: Phương pháp này cho phép duy trì tính bất đối quang học trong quá trình tổng hợp ester từ D-(+)-malic acid thông qua phản ứng acetal hóa với pivalaldehyde, tạo đồng phân cis chiếm ưu thế (>90%).

• Phản ứng allyl hóa có chọn lọc lập thể với tác nhân LiHMDS: Xử lý dioxolonane bằng LiHMDS tạo enolate bậc thấp, thúc đẩy phản ứng allyl hóa tại vị trí α với hoạt độ cao và độ chọn lọc lập thể >95%, giữ nguyên cấu hình bất đối.

• Phản ứng đóng vòng olefin metathesis (RCM) xúc tác Grubbs II: Phản ứng metathesis được sử dụng để tạo ra vòng lactone tám cạnh trong mạch nhánh ester. Xúc tác Grubbs II nổi bật với khả năng chịu điều kiện ẩm và nhiệt độ phòng tốt, tối ưu hóa hiệu suất.

• Phản ứng ester hóa Steglich và Yamaguchi: Hai phương pháp ester hóa này được áp dụng nhằm tạo liên kết ester giữa mạch nhánh và Cephalotaxine, giúp nâng cao độ chọn lọc và hiệu quả phản ứng trong điều kiện môi trường dịu nhẹ.

Các khái niệm chính bao gồm trung tâm bất đối, enolate, acetal, lactone, métathesis vòng và cơ chế phản ứng ester hóa trong hệ thống mol hữu cơ phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ các phản ứng hóa học trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, bao gồm phổ NMR (^1H, ^13C), MS và sắc ký bản mỏng (TLC) để xác định cấu trúc và độ tinh khiết của sản phẩm.

• Phương pháp phân tích: Đánh giá cấu trúc hóa học dựa trên phổ NMR (^1H-NMR và ^13C-NMR), phân tích độ chứa tính bất đối quang học qua chỉ số quay cực, hiệu suất sản phẩm được xác định bằng khối lượng và tỷ lệ phần trăm so với cơ chất đầu vào. So sánh hiệu suất các bước tổng hợp và độ giữ chặt trung tâm bất đối quang học giữa các phương pháp tổng hợp.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp và phân tích được tiến hành trong thời gian 12 tháng, từ bước điều chế dioxolonane bắt đầu đến phản ứng metathesis, nhằm tối ưu hóa từng điều kiện phản ứng như nhiệt độ (-78°C đến phòng), pH môi trường và độ tinh khiết của nguyên liệu. Các bước phản ứng được thực hiện nối tiếp, kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo tính ổn định của trung gian.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hầu hết các phản ứng thực hiện trên quy mô mmol với lượng chất khởi đầu dao động từ 0,5 đến 2,5 mmol nhằm kiểm nghiệm tính khả thi và hiệu suất trong phòng thí nghiệm. Phương pháp chọn mẫu sử dụng nguyên liệu chuẩn hóa (D-(+)-malic acid) để đảm bảo tính nhất quán.

• Kiểm soát điều kiện phản ứng: Quá trình được kiểm soát bằng sắc ký lớp mỏng (TLC), phổ hồng ngoại (IR) và phân tích sản phẩm trung gian để phát hiện sản phẩm phụ và xác định thời điểm kết thúc phản ứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều chế dioxolonane (1) với hiệu suất cao: Qua phản ứng acetal hóa D-(+)-malic acid với pivalaldehyde, tỷ lệ đồng phân cis chiếm trên 90% với hiệu suất tổng 98%. Phổ ^1H-NMR và ^13C-NMR xác nhận cấu trúc dioxolonane ổn định với các tín hiệu đặc trưng tại δ = 4.647 ppm (CH α-carboxyl) và δ = 111.3 ppm (CH giữa hai oxy).

2. Phản ứng allyl hóa dioxolonane với độ chọn lọc lập thể đạt trên 95%: Thực hiện tại -78°C với xúc tác LiHMDS và allyl bromide, hiệu suất đạt 77% với chỉ số quay cực +52.6° chứng tỏ duy trì cấu hình bất đối. Hiệu suất phản ứng thay đổi theo nhóm alkyl và halogen trong alkyl halide nhưng luôn giữ được selectivity cao.

3. Ester hóa mạch nhánh bằng 3-methyl but-1-en-3-ol cho hiệu suất từ 18% đến 44% qua các bước: Phương pháp Steglich và Yamaguchi cho hiệu quả trong việc gắn mạch nhánh, điều kiện dung môi an toàn, dễ kiểm soát, tạo điều kiện thuận lợi cho các bước kế tiếp.

4. Phản ứng đóng vòng olefin metathesis hiệu quả với xúc tác Grubbs II, tạo lactone vòng tám cạnh sản phẩm với độ tinh khiết cao: Hiệu suất phản ứng đóng vòng đạt trên 70%, cho sản phẩm có phân tử khối 592 (C_32H_48O_10). Phổ ^1H-NMR ghi nhận tín hiệu đặc trưng của vòng lactone, chứng minh sự hình thành cấu trúc mong muốn.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất cao và độ chọn lọc lập thể trong phản ứng acetal hóa và allyl hóa thể hiện rõ ưu điểm của phương pháp Seebach trong bảo toàn tính bất đối quang học. Việc áp dụng LiHMDS làm xúc tác tạo enolate chọn lọc đã giải quyết được khó khăn về cản trở không gian tại vị trí C-2’ trong mạch ester.

Phản ứng ester hóa Steglich và Yamaguchi đáp ứng tốt yêu cầu tạo liên kết ester trong môi trường dịu, giảm thiểu tạp chất và sản phẩm phụ, tăng tính lựa chọn. Tuy nhiên, hiệu suất tổng hợp thấp hơn mong đợi (khoảng 18-44%), cho thấy cần tiếp tục tối ưu các điều kiện như nhiệt độ, dung môi và tỷ lệ tác nhân.

Phản ứng đóng vòng bằng metathesis với xúc tác Grubbs II phát huy ưu thế cho phép hình thành vòng lactone phức tạp trong điều kiện thường, tránh được sự phân hủy của sản phẩm trung gian nhạy cảm. So sánh với nghiên cứu trước, phương pháp này giúp rút ngắn tuần tự bước tổng hợp so với các chuỗi phản ứng ester hóa phức tạp.

Biểu đồ hiệu suất từng bước có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ cột, trong đó các bước phản ứng điều chế dioxolonane, allyl hóa, ester hóa và metathesis tương ứng có hiệu suất trung bình lần lượt là 98%, 77%, 18-44% và 70%. Bảng so sánh chỉ số quay cực chứng minh tính bất đối quang học được giữ tốt sau mỗi bước phản ứng.

Kết quả vượt trội so với một số phản ứng tổng hợp trước đó khi tránh được sự phân hủy, giữ được cấu hình bất đối trong điều kiện thực nghiệm phù hợp. Tính ứng dụng của quy trình hứa hẹn trong chuyển giao quy mô sản xuất thuốc.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa điều kiện ester hóa: Cần điều chỉnh tỷ lệ dung môi, độ pH và nhiệt độ để tăng hiệu suất phản ứng ester hóa từ mức khoảng 18-44% lên tối thiểu 60% trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu hóa dược của nhà trường.

2. Ứng dụng phản ứng metathesis đa chức năng: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng sử dụng xúc tác Grubbs II cho các hợp chất tương tự nhằm hoàn thiện quy trình tổng hợp khác trong vòng 12 tháng. Nên tiến hành thử nghiệm với các phiên bản xúc tác mới để đánh giá hiệu suất và tính bền.

3. Đánh giá tính ổn định và sinh khả dụng sản phẩm: Thực hiện các thử nghiệm về độ ổn định hóa học và sinh học của sản phẩm mạch nhánh ester trong điều kiện bảo quản và thử nghiệm in vitro trong 9 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm sinh dược.

4. Khảo sát nâng cao khả năng bán tổng hợp Homoharringtonine: Nghiên cứu phối hợp phản ứng ester hóa với Cephalotaxine trên mạch nhánh đã tổng hợp để tạo bán tổng hợp HHT có hiệu suất cao hơn, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu hóa hữu cơ và hóa dược: Được trang bị quy trình tổng hợp mới, kỹ thuật bảo toàn tính bất đối và ứng dụng metathesis, giúp phát triển các dẫn xuất dược phẩm phức tạp.

2. Các kỹ thuật viên phòng thí nghiệm tổng hợp thuốc: Nắm bắt kỹ thuật chuẩn bị sản phẩm trung gian, ứng dụng chuẩn mực trong kiểm soát phản ứng ester hóa phức tạp, đáp ứng yêu cầu công nghiệp.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành hóa học: Tài liệu minh họa đa dạng phương pháp tổng hợp cụ thể, trả lời thắc mắc và bài học kinh nghiệm trong áp dụng các phản ứng chọn lọc lập thể.

4. Doanh nghiệp sản xuất thuốc và nguyên liệu dược phẩm: Cơ sở để cải tiến công nghệ tổng hợp Homoharringtonine, giảm chi phí, nâng cao độ tinh khiết sản phẩm dược liệu quý.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải bảo toàn trung tâm bất đối trong tổng hợp Homoharringtonine?
   Bảo toàn trung tâm bất đối quan trọng để giữ nguyên cấu hình quang học của hợp chất, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính sinh học của Homoharringtonine, đảm bảo hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ.

2. Phản ứng metathesis xúc tác Grubbs II có ưu điểm gì?
   Xúc tác Grubbs II hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ phòng, dung môi hữu cơ không phân cực, có tính chọn lọc cao, giúp tạo vòng lactone mà không làm phân hủy các nhóm chức nhạy cảm trong phân tử.

3. Hiệu suất thấp của phản ứng ester hóa là do đâu?
   Ngoài yếu tố cản trở không gian, hiệu suất thấp có thể do điều kiện phản ứng chưa tối ưu, sự hình thành sản phẩm phụ và mất mát trong quá trình tinh sạch. Việc kiểm soát điều kiện phản ứng như nhiệt độ, tác nhân và dung môi cần được cải thiện.

4. Phương pháp Seebach có thể áp dụng cho các hợp chất khác không?
   Có, phương pháp duy trì tính bất đối quang học của Seebach có thể được áp dụng rộng rãi trong tổng hợp các este chứa trung tâm bất đối, giúp kiểm soát cấu trúc lập thể trong các hợp chất phức tạp.

5. Tổng hợp mạch nhánh ester có ý nghĩa gì trong y học?
   Tổng hợp mạch nhánh ester cho phép điều chế các dẫn xuất có hoạt tính sinh học cao, giúp phát triển thuốc với cải tiến về tính ổn định, hấp thu và giảm độc tính, đóng góp quan trọng trong nghiên cứu thuốc chống ung thư.

Kết luận

• Xây dựng thành công quy trình tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine khởi đầu từ D-(+)-malic acid qua 8 bước, kết hợp phản ứng acetal hóa, allyl hóa, ester hóa và metathesis.

• Giữ được tính bất đối quang học >95% trong toàn bộ quá trình tổng hợp, đảm bảo cấu hình quang học góp phần quyết định hoạt tính sinh học của sản phẩm.

• Phản ứng đóng vòng olefin metathesis với xúc tác Grubbs II cho ra sản phẩm lactone vòng tám cạnh ổn định, là tiền đề quan trọng cho bước ester hóa và bán tổng hợp HHT.

• Hiệu suất nhóm bước ester hóa khoảng 18-44% cần được tối ưu thêm để nâng cao hiệu quả tổng hợp toàn chuỗi.

• Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo tập trung vào hoàn thiện điều kiện ester hóa, mở rộng ứng dụng phương pháp metathesis và đánh giá hoạt tính sinh học sản phẩm bán tổng hợp.

Luận văn mở ra hướng mới trong tổng hợp các dẫn xuất dược phẩm quý, góp phần giảm áp lực khai thác tự nhiên và thúc đẩy phát triển công nghệ thuốc ung thư hiện đại. Đề nghị các nhà nghiên cứu, công ty dược phẩm và sinh viên hóa học tham khảo để ứng dụng và phát triển thêm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Omacetaxine mepesuccinate (đƣợc biết đến với tên Homoharringtonine, tên thƣơng mại là Synribo) là một alkaloidss trong cây Cephalotaxus harringtonia đã và đang đƣợc chỉ định trong việc điều trị bệnh ung thƣ bạch cầu mãn tính (chronic myelogenous leukemia - CML). Công dụng đặc trị bệnh CML của Homoharringtonine đã đƣợc Cục Thực phẩm và Dƣợc phẩm Mỹ (US FDA) cấp bằng chứng nhận vào tháng 10 năm 2012. Tuy nhiên trong tự nhiên thành phần của Homoharringtonine là rất nhỏ, việc chiết tách HHT sẽ không những tốn kém mà còn gây ảnh hƣởng xấu đến hệ sinh thái. Do đó, việc tổng hợp HHT từ các hợp chất có sẵn là rất cần thiết.

Điều này đã thôi thúc các nhà khoa học đề xuất các phƣơng án tổng hợp alkaloids này. Từ năm 2004 đến nay, đã có rất nhiều các phƣơng án đƣợc đề xuất đi từ nhiều hợp chất ban đầu khác nhau. Đề góp phần vào việc điều chế Homoharringtonine – một hợp chất quý trong lĩnh vực dƣợc phẩm, trong nghiên cứu này tôi đề xuất giới thiệt một phƣơng pháp tổng hợp mạch nhánh ester của HHT sử dụng phản ứng đóng vòng bằng metathesis với xúc tác Grubbs II. Quy trình tổng hợp gồm 8 bƣớc, bắt đầu với (D)-Malic acid.

Các bƣớc tổng hợp quan trọng trong quy trình gồm có quá trình tổng hợp bảo toàn trung tâm bất đối của Seebach, phản ứng đóng vòng olefin metathesis với xúc tác Grubbs 2 và phản ứng ester hoá theo phƣơng pháp của Yamaguchi. Quy trình hứa hẹn một phƣơng pháp mới để điều chế nhánh ester từ đó có thể tiến tới bán tổng hợp HHT bằng phản ứng ester hóa với Cephalotaxine. 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine 2014 Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung 1.

Giới thiệu về họ Cephalotaxus (Cephalotaxaceae) Cephalotaxus là họ cây nhỏ thuộc họ tùng bách. Chi Cephalotaxus đƣợc coi là đại diện duy nhất của họ tùng bách có từ sáu đến mƣời hai loài. Đặc điểm chung của các cây họ này là có lá kép có hình dạng tƣơng tự nhƣ lá tùng, hạt cây giống hạt ô liu với lớp vỏ tƣơi[1]. Trên thực tế, việc phân loại và xác định các cây thuộc họ này gặp nhiều khó khăn và còn nhiều tranh cãi vì các đặc điểm hình thái của cây phụ thuộc vào tuổi và môi trƣờng.

Chính vì vậy, số lƣợng loài của Cephalotaxus khác nhau tùy thuộc vào từng báo cáo. Tuy nhiên, một cách tổng quát ta có thể chia họ này làm mƣời một loài sau: STT Tên loài STT Tên loài 1 Cephalotaxus fortunei 7 Cephalotaxus latifolia 2 Cephalotaxus griffithii 8 Cephalotaxus mannii 3 Cephalotaxus hainanensis 9 Cephalotaxus oliveri 4 Cephalotaxus harringtonia 10 Cephalotaxus sinensis 5 Cephalotaxus koreana 11 Cephalotaxus wilsoniana 6 Cephalotaxus lanceolata Bảng 1. Danh sách các loài thuộc họ Cephalotaxus. Một đại diện của họ Cephalotaxus là Cephalotaxus harringtonia (còn đƣợc gọi là C.

drupacea, tên tiếng Nhật là: Inukaya), đƣợc thu hoạch ở Nhật và đƣợc mang đến Châu Âu vào năm 1829 bởi nhà tự nhiên học Von Siebold, tác giả của Flora Japonica[2]. Chi này cũng phân bố ở Nam và Đông Á: Trung Quốc, bao gồm cả Đài Loan và đảo Hải Nam, Ấn Độ, Nhật, Hàn Quốc, Lào, Myanma, Thái Lan và Việt Nam. Đặc biệt, ở Trung Quốc, một vài loài đang có nguy cơ biến mất do sự đô 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine 2014 thị hóa cũng nhƣ quá trình phát triển của hạt cây rất dài (khoảng hai năm) và tỷ lệ phục hồi thấp của loài trong tự nhiên. Nhiều hóa thạch Cephalotaxus cũng đƣợc tìm thấy ở Châu Âu, Greenland và Bắc Mỹ và đƣợc xác định là từ kỷ Miocene, Pliocene và Jurassic.

Cephalotaxus harringtonia và Cephalotaxus fortunei Trong những thập kỷ trƣớc đây, các cây họ Cephalotaxus đƣợc coi là nguồn cung cấp tự nhiên các alkaloidss (các cephalotaxine ester) và terpenoids (abietanes, troponoids), các chất này thể hiện dƣợc tính và đƣợc sử dụng cho mục đích y học đặc biệt là trong việc chống ung thƣ. Một ví dụ điển hình là Homoharringtonine: hợp chất có thể đƣợc tìm thấy trong Cephalotaxus harringtonia rất hoạt động với các tế bào ung thƣ máu và hiện nay đã đƣợc bán trên thị trƣờng nhƣ một sản phẩm thƣơng mại. Những báo cáo ban đầu về các alkaloidss có trong họ Cephalotaxus Từ năm 1950 đã có những báo cáo khẳng định sự tổn tại của các alkaloidss trong các loài của họ Cephalotaxus, nhƣng vào thời điểm đó chƣa có các nghiên cứu hóa học cụ thể về vấn đề này. Phải đến tận năm 1963, một vài alkaloidss chính từ C.

fortunei mới đƣợc phân tách (khoảng 50% từ hỗn hợp alkaloidss ban đầu) và xác định một phần bởi Paudler và 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine 2014 cộng sự. Sau này, Powell đã phân lập và xác định đƣợc công thức của Cephalotaxine (1) và các alkaloidss liên quan từ C. Rất nhiều các ester của cephalotaxine đã đƣợc phân lập nhƣ harringtonine (2), homoharringtonine (3) và iso-homoharringtonine (4)[3] (đã thể hiện hoạt tính ức chế các tế bào ung thƣ máu P388 ở chuột với 1mg/kg) và deoxyharringtonine (5)[4]. Hainanensine (6) là một dẫn xuất chuyển vị của cephalotaxine đƣợc phân lập từ C.

Các hợp chất thuộc dãy homoerythina cũng đƣợc khám phá, tuy với một lƣợng rất nhỏ đóng góp thêm những hiểu biết về nguồn gốc gen sinh học của các hợp chất này. Cephalotaxine và các dẫn xuất ester tìm thấy trong các cây Cephalotaxus Vì những hoạt tính chống ung thƣ máu, từ những năm 1970, Viện ung thƣ quốc gia và Bộ nông nghiệp của Hoa Kỳ đã thực hiện một dự án đầy tham vọng: nghiên cứu các thành phần của Cephalotaxus[5]. Từ thành công của dự án này, đã có rất nhiều các alkaloidss của Cephalotaxus đƣợc xác định là mục tiêu hứa hẹn cho 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine 2014 việc nghiên cứu và điều trị ung thƣ máu, điều này cũng ảnh hƣởng rất lớn đến hƣớng đi của các nhà hóa học trong lĩnh vực tổng hợp thuốc. Trong đó, đặc biệt phải nhắc đến Homoharringtonine (3) đây là sản phẩm đã đƣợc thƣơng mại hóa với hoạt tính mạnh đối với các tế bào ung thƣ máu.

Một điểm đáng chú ý là ảnh hƣởng rất lớn của mạch ester đến hoạt tính sinh học của các alkaloidss kể trên. Trong khi Homoharringtonine có hoạt tính rất cao đối với các tế bào ung thƣ máu, Cephalotaxine (1) thể hiện hoạt tính rất yếu với các tế bào cùng loại. Nhƣng trong tự nhiên hàm lƣợng của (3) rất nhỏ trong khi (1) lại chiếm phần lớn trong hỗn hợp alkaloidss. Điều này đặt ra định hƣớng cho các nhà tổng hợp về việc tổng hợp (3) và các ester cephatoxine phục vụ cho mục đích y học.

Cấu trúc và hoạt tính sinh học của các hợp chất có trong cây họ Cephalotaxus 1. Các alkaloidss có trong các cây họ Cephalotaxus Sau khi tìm ra Cephalotaxine (1) vào năm 1963, dãy alkaloidss thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm, đặc biệt là các ester của cephalotaxine nhƣ harringtonine (2), homoharringtonine (3), isoharringtonine (4) và deoxy harringtonine (5) đều thể hiện đƣợc hoạt tính chống ung thƣ đặc biệt là với hệ thống bạch cầu của chuột [6]. Thực vậy, (3) đã đƣợc bán nhƣ một thành phẩm độc lập hoặc dung kết hợp với các thành phần khác, và đƣợc dung trong việc điều trị các bệnh về máu nhƣ ung thƣ máu mãn tính và cấp tính, nhƣng 3 không có tác dụng với các khối u. Các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục tìm kiếm các alkaloidss của Cephalotaxus với cấu trúc cũng nhƣ hoạt tính sinh học mới.

Trong mƣời lăm năm trở lại đây, ngƣời ta đã phân lập đƣợc ester của các hợp chất nhƣ drupacine (7) và 11- hydroxycephalotaxine (8). 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine 2014 Hình 1. Các hợp chất phân lập đƣợc từ các cây họ Cephalotaxus (1) Bốn hợp chất alkaloidss mới đƣợc phân lập bởi Takano et la from C. Các hợp chất 12-15 thể hiện hoạt tính với tế bào ung thƣ máu P388 với giá trị IC50 của 13-15 lần lƣợt là 0.17µg mL-1, trong khi 12 thể hiện hoạt tính vƣợt trội (7.

Ba ester alkaloidss là neoharringtonine (13), homoneharringtonine (14) và (3’S)- hydroxyneoharringtonine (15), đã đƣợc tách từ lá và thân của cây C. drupacea bởi cùng một nhóm nghiên cứu [8] các alkaloids này đặc trƣng bởi sự có mặt của phenyl và benzyl trong mạch ester. Tất cả đều thể hiện hoạt tính chống ung thƣ với tế bào P388, đặc biệt là 13 với chỉ số IC50 12ng mL-1. Năm 2000, Kobayashi và các cộng sự đã phân lập đƣợc Cephalezomine A (16), cephalezomine B (17) và các cephalotaxine ester của cephalezomines C-F (18- 21) từ C.

nana 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine 2014 Hình 1. Các hợp chất phân lập đƣợc từ các cây họ Cephalotaxus (2) Hai năm sau đó, nhóm tác giả đã phân lập đƣợc thêm các cephalezomine nhƣ G và H: Hình 1. Cephalezomine G và H Cũng giống nhƣ homoharringtonine, mạch ester nhánh đóng một vai trò quan trọng quyết định hoạt tính sinh học của các hợp chất này. Các cephalezomines A-F (18- 21) có chỉ số IC50 trong khoảng từ 0.40µg mL-1 đối với tế bào ung thƣ biểu bì KB ở ngƣời.

Trong khi với cephalezomines G và H thì chỉ số IC50 > 30µg mL-1 với cùng một loại tế bào, tuy nhiên nếu gắn thêm gốc đƣờng β-D- glucopyranose vào một nhóm hydroxy thì chỉ số này giảm xuống còn 5. 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tổng hợp bất đối mạch ester của Homoharringtonine 2014 Nordeoxyharringtonine (19), homodeoxyharringtonine (20) và bishomodeoxyharringtonine (29) là những mạch nhánh khác nhau ở chiều dài mạch và mức độ oxi hóa đƣợc báo cáo bởi Tanako et al. Những hợp chất này có hoạt tính tƣơng đối mạnh với tế bào ung thƣ máu P-388 với chỉ số IC50 lần lƣợt là 27, 56 và 24 ng mL-1 Hình 1. Cephalotaxidine và các dẫn xuất dime dị hợp Dime của alkaloid đầu tiên, cephalotaxidine (24) đƣợc phân lập từ C.

drupacea bởi Takano et al. Đây là dime đồng hợp của hai phân tử homoharringtonine (3) với giá trị IC50 khoảng 1.8 µg mL-1 với tế bào ung thƣ P-388. Những năm sau đó, Kobayashi và cộng sự đã phân lập đƣợc năm dime khác từ C. nana, đây là các dime dị hợp, bis-cephalotaxidine A- E (25-29).

Mặc dù các monome cấu tạo lên các dime này có hoạt tính sinh học cao nhƣng bản thân các dime lại có hoạt tính tƣơng đối thấp với tế bào ung thƣ L1210 ở chuột, giá trị IC50 khoảng 1. Vào năm 2001, Jossang và các cộng sự đã xác định đƣợc các cephalotaxine N- oxides từ hạt của loại C. fortunei là cephalotaxin α –N- oxide (30), cephalotaxin β – N- oxide (31) và 11 –β- hydroxycephalotaxin β –N- oxide (32).