Nghiên cứu tổng hợp cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole

Nghiên cứu tổng hợp cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của hợp chất benzothiazole và benzoxazole, mở ra hướng đi mới trong hóa học.

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Mai
• Người hướng dẫn: TS. Dương Quốc Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Học Hữu Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Hoạt Tính Sinh Học Của Hợp Chất Chứa Dị Vòng Benzothiazole Và Benzoxazole
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
• BẢNG CÔNG THỨC CÁC CHẤT, PHỔ NGHIÊN CỨU VÀ HOẠT TÍNH ĐƯỢC THỬ NGHIỆM
• MỞ ĐẦU
• Lý do chọn đề tài
• Mục đích và nhiệm vụ của luận án
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về dị vòng benzothiazole
• 1.1.1. Phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole
• 1.1.2. Hoạt tính sinh học của hợp chất chứa dị vòng benzothiazole
• 1.2. Tổng quan về dị vòng benzoxazole
• 1.2.1. Phương pháp tổng hợp dị vòng benzoxazole
• 1.2.2. Hoạt tính sinh học của hợp chất chứa dị vòng benzoxazole
• 1.3. Tiểu kết chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.1.1. Dụng cụ, thiết bị trong phòng thí nghiệm
• 2.1.2. Phương pháp tinh chế các sản phẩm
• 2.1.3. Thiết bị nghiên cứu tính chất và cấu trúc
• 2.2. Phương pháp thăm dò hoạt tính sinh học
• 2.2.1. Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định
• 2.2.2. Hoạt tính chống oxi hóa
• 2.2.3. Hoạt tính độc tế bào
• 2.2.4. Hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật
• 2.3. Tổng hợp các chất
• 2.3.1. Sơ đồ tổng hợp chung
• 2.3.2. Tổng hợp chất chìa khóa
• 2.3.3. Tổng hợp dãy benzazole 4A1-4A6 và 4B1-4B13
• 2.3.4. Tổng hợp N-formamide 5A, 5B
• 2.3.5. Tổng hợp dãy ester, acid carboxylic và acid hydroxamic
• 2.3.6. Tổng hợp dãy hydrazide-hydrazone
• 2.3.7. Tổng hợp các benzoxazole từ nitrovanillin
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp và cấu trúc của hai chất chìa khóa 4A và 4B
• 3.1.1. Tổng hợp chất chìa khóa 4A và 4B
• 3.1.2. Xác định cấu trúc của hai chất chìa khóa 4A và 4B
• 3.2. Tổng hợp và xác định cấu trúc của dãy các benzazole 4A1-4A6 và 4B1-4B13
• 3.2.1. Tổng hợp các benzazole
• 3.2.2. Xác định cấu trúc của các benzazole
• 3.3. Tổng hợp và cấu trúc N-formamide 5A và 5B
• 3.3.1. Tổng hợp N-formamide
• 3.3.2. Xác định cấu trúc N-formamide
• 3.4. Tổng hợp và cấu trúc của dãy acid carboxylic
• 3.4.1. Tổng hợp dãy acid carboxylic
• 3.4.2. Xác định cấu trúc của dãy acid carboxylic
• 3.5. Tổng hợp và xác định cấu trúc dãy acid hydroxamic
• 3.6. Tổng hợp và xác định cấu trúc dãy các hydrazide
• 3.6.1. Xác định cấu trúc của hydrazide
• 3.7. Tổng hợp và cấu trúc dãy các hydrazide - hydrazone
• 3.7.1. Tổng hợp các hydrazide - hydrazone
• 3.7.2. Xác định cấu trúc các hydrazide - hydrazone
• 3.8. Tổng hợp và cấu trúc của các benzoxazole từ nitrovanillin
• 3.8.1. Tổng hợp các o-nitrophenol
• 3.8.2. Tổng hợp o-aminophenol và dẫn xuất
• 3.9. Hoạt tính sinh học của một số chất
• 3.9.1. Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định
• 3.9.2. Hoạt tính chống oxi hóa
• 3.9.3. Hoạt tính độc tế bào
• 3.9.4. Hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Hoạt Tính Sinh Học Benzothiazole

Nghiên cứu hoạt tính sinh học của các hợp chất dị vòng như benzothiazole và benzoxazole đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực dược lý học và hóa sinh. Các hợp chất này thể hiện tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y học, đặc biệt là trong việc phát triển các loại thuốc kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus và chống ung thư. Sự đa dạng về cấu trúc và khả năng tương tác với các mục tiêu sinh học khác nhau đã khiến chúng trở thành đối tượng nghiên cứu hấp dẫn. Các nghiên cứu tập trung vào việc khám phá cơ chế tác dụng và tương quan cấu trúc-hoạt tính (SAR) để tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu độc tính của các hợp chất này. Theo luận án của Nguyễn Thị Ngọc Mai, các công trình nghiên cứu về hai dị vòng này ở Việt Nam còn ít, chưa có hệ thống và mới chỉ dừng lại ở việc tổng hợp mà chưa quan tâm nhiều đến hoạt tính sinh học.

1.1. Giới thiệu chung về hợp chất dị vòng Benzothiazole

Benzothiazole là một dị vòng quan trọng, được biết đến với nhiều ứng dụng sinh học. Cấu trúc của nó bao gồm một vòng benzene hợp nhất với một vòng thiazole. Nhiều dẫn xuất của benzothiazole đã được tìm thấy trong tự nhiên và được sử dụng rộng rãi trong dược phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng benzothiazole có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, chống ung thư và chống viêm. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các dẫn xuất mới của benzothiazole là một lĩnh vực đầy hứa hẹn trong phát triển thuốc mới.

1.2. Tổng quan về hoạt tính sinh học của Benzothiazole

Hoạt tính sinh học của benzothiazole rất đa dạng, bao gồm khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, chống ung thư, chống viêm và chống co giật. Các nghiên cứu in vitro và in vivo đã chứng minh hiệu quả của các dẫn xuất benzothiazole trong việc ức chế sự phát triển của vi khuẩn, nấm và tế bào ung thư. Cơ chế tác dụng của chúng thường liên quan đến việc ức chế các enzyme quan trọng hoặc tương tác với các thụ thể trong tế bào. Việc hiểu rõ cơ chế tác dụng này là rất quan trọng để cải tiến hoạt tính và giảm thiểu độc tính của các hợp chất benzothiazole.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Hoạt Tính Sinh Học Của Benzoxazole

Mặc dù benzoxazole và benzothiazole có nhiều tiềm năng, việc nghiên cứu hoạt tính sinh học của chúng vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là độc tính của một số dẫn xuất. Việc tối ưu hóa cấu trúc hóa học để giảm thiểu độc tính mà vẫn duy trì hoạt tính sinh học mong muốn là một nhiệm vụ phức tạp. Ngoài ra, việc hiểu rõ cơ chế tác dụng của các hợp chất này ở cấp độ phân tử cũng đòi hỏi các nghiên cứu sâu rộng về dược động học và dược lực học. Theo luận án, việc tổng hợp và nghiên cứu các dẫn xuất của benzothiazole có chứa đồng thời hai nhóm chức amino và hydroxyl không những làm tăng khả năng chuyển hóa để tạo thành các dẫn xuất mới mà còn tăng khả năng cộng hưởng hoạt tính là điều rất cần thiết.

2.1. Vấn đề độc tính của hợp chất Benzoxazole

Độc tính là một vấn đề quan trọng cần được xem xét khi nghiên cứu hoạt tính sinh học của benzoxazole. Một số dẫn xuất có thể gây ra các tác dụng phụ không mong muốn, ảnh hưởng đến sinh khả dụng và hiệu quả điều trị. Do đó, việc đánh giá độc tính của các hợp chất này là rất quan trọng trong quá trình phát triển thuốc. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định các nhóm thế có thể làm giảm độc tính mà vẫn duy trì hoạt tính sinh học mong muốn.

2.2. Khó khăn trong việc xác định cơ chế tác dụng Benzoxazole

Việc xác định cơ chế tác dụng của benzoxazole là một thách thức lớn do sự phức tạp của các tương tác sinh học. Các hợp chất này có thể tác động lên nhiều mục tiêu dược lý khác nhau, gây ra các hiệu ứng phức tạp. Để hiểu rõ cơ chế tác dụng, cần tiến hành các nghiên cứu về tương tác thuốc-mục tiêu, sử dụng các phương pháp như docking phân tử và mô phỏng động lực học phân tử. Việc xác định mục tiêu dược lý chính và các con đường tín hiệu liên quan sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu tác dụng phụ của các hợp chất benzoxazole.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Benzothiazole và Benzoxazole Hiệu Quả

Việc tổng hợp các hợp chất dị vòng như benzothiazole và benzoxazole đòi hỏi các phương pháp tổng hợp hữu cơ hiệu quả và chọn lọc. Các phản ứng hóa học cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất phản ứng cao và giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn. Việc sử dụng các xúc tác phù hợp và điều kiện phản ứng tối ưu là rất quan trọng để đạt được mục tiêu này. Các phương pháp tổng hợp xanh cũng đang được quan tâm để giảm thiểu tác động đến môi trường. Theo luận án, việc nghiên cứu tính chất và xác định cấu trúc của các hợp chất mới bằng phương pháp phổ hiện đại IR, NMR và MS là rất quan trọng.

3.1. Các phương pháp tổng hợp Benzothiazole truyền thống

Các phương pháp tổng hợp benzothiazole truyền thống thường bao gồm các phản ứng hóa học như phản ứng đóng vòng từ các tiền chất thích hợp. Các phương pháp này có thể đạt được hiệu suất cao, nhưng đôi khi đòi hỏi các điều kiện phản ứng khắc nghiệt hoặc sử dụng các chất phản ứng độc hại. Do đó, việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới, thân thiện với môi trường và hiệu quả hơn là một ưu tiên hàng đầu.

3.2. Ứng dụng xúc tác trong tổng hợp Benzoxazole

Việc sử dụng xúc tác trong tổng hợp benzoxazole có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phản ứng và giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ. Các xúc tác có thể là các kim loại chuyển tiếp, axit Lewis hoặc các xúc tác hữu cơ. Việc lựa chọn xúc tác phù hợp phụ thuộc vào loại phản ứng hóa học và các nhóm thế trên các tiền chất. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc phát triển các xúc tác tái sử dụng và thân thiện với môi trường.

IV. Ứng Dụng Y Học Của Hợp Chất Dị Vòng Benzothiazole

Hợp chất dị vòng benzothiazole có nhiều ứng dụng y học quan trọng, bao gồm việc phát triển các loại thuốc kháng khuẩn, kháng nấm, chống ung thư và chống viêm. Nhiều dẫn xuất của benzothiazole đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc điều trị các bệnh nhiễm trùng, ung thư và các bệnh viêm nhiễm. Việc nghiên cứu và phát triển các dẫn xuất mới của benzothiazole là một lĩnh vực đầy hứa hẹn trong phát triển thuốc mới. Theo luận án, việc thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định, chống oxi hóa, kháng tế bào ung thư và hoạt tính kích thích sinh trưởng thực vật của một số hợp chất mới nhằm tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính sinh học cao.

4.1. Benzothiazole trong điều trị bệnh nhiễm trùng

Các dẫn xuất benzothiazole đã được chứng minh là có hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ đối với nhiều loại vi khuẩn gây bệnh, bao gồm cả các chủng kháng thuốc. Cơ chế tác dụng của chúng thường liên quan đến việc ức chế các enzyme quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp của vi khuẩn. Một số dẫn xuất benzothiazole cũng có hoạt tính kháng nấm và kháng virus, mở ra tiềm năng ứng dụng trong điều trị các bệnh nhiễm trùng do nấm và virus.

4.2. Tiềm năng chống ung thư của Benzoxazole

Benzoxazole và các dẫn xuất của nó đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc chống ung thư. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số dẫn xuất có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư, gây ra quá trình chết tế bào theo chương trình (apoptosis) và ngăn chặn sự di căn của tế bào ung thư. Cơ chế tác dụng của chúng có thể liên quan đến việc ức chế các enzyme quan trọng trong quá trình phân chia tế bào hoặc tương tác với các thụ thể trên bề mặt tế bào ung thư.

V. Nghiên Cứu In Vitro và In Vivo Về Hoạt Tính Sinh Học

Việc đánh giá hoạt tính sinh học của các hợp chất dị vòng như benzothiazole và benzoxazole đòi hỏi cả nghiên cứu in vitro và in vivo. Nghiên cứu in vitro cho phép đánh giá hoạt tính của các hợp chất này trên các tế bào hoặc enzyme trong môi trường kiểm soát. Nghiên cứu in vivo cho phép đánh giá hoạt tính và độc tính của các hợp chất này trên các mô hình động vật. Kết quả từ cả hai loại nghiên cứu này là rất quan trọng để đánh giá tiềm năng ứng dụng của các hợp chất này trong y học. Theo luận án, các nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định các nhóm thế có thể làm giảm độc tính mà vẫn duy trì hoạt tính sinh học mong muốn.

5.1. Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn In Vitro

Việc đánh giá hoạt tính kháng khuẩn in vitro thường được thực hiện bằng cách đo nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) của các hợp chất đối với các chủng vi khuẩn khác nhau. MIC là nồng độ thấp nhất của hợp chất có thể ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Các nghiên cứu cũng có thể đánh giá hoạt tính diệt khuẩn của các hợp chất bằng cách đo nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC).

5.2. Nghiên cứu độc tính và hiệu quả In Vivo

Nghiên cứu in vivo cho phép đánh giá độc tính và hiệu quả của các hợp chất trên các mô hình động vật. Các nghiên cứu này có thể đánh giá dược động học và dược lực học của các hợp chất, cũng như tác động của chúng lên các cơ quan và hệ thống khác nhau trong cơ thể. Kết quả từ các nghiên cứu in vivo là rất quan trọng để đánh giá tiềm năng ứng dụng của các hợp chất trong y học.

VI. Triển Vọng Phát Triển Thuốc Mới Từ Benzothiazole Benzoxazole

Nghiên cứu về hoạt tính sinh học của benzothiazole và benzoxazole mở ra nhiều triển vọng trong việc phát triển thuốc mới. Việc tối ưu hóa cấu trúc hóa học của các hợp chất này có thể dẫn đến việc phát hiện ra các loại thuốc hiệu quả hơn và ít độc hại hơn. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc khám phá cơ chế tác dụng và tương quan cấu trúc-hoạt tính (SAR) để tối ưu hóa hiệu quả và giảm thiểu độc tính của các hợp chất này. Theo luận án, hướng nghiên cứu này còn rất rộng mở, hứa hẹn những kết quả mới mẻ, lý thú, có ích về phương diện lý thuyết và thực tiễn.

6.1. Tối ưu hóa cấu trúc cho hoạt tính và độ an toàn

Việc tối ưu hóa cấu trúc của benzothiazole và benzoxazole là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa hóa học tổng hợp, hóa sinh và dược lý học. Các nhà khoa học cần xác định các nhóm thế có thể cải thiện hoạt tính sinh học và giảm thiểu độc tính của các hợp chất. Các phương pháp như mô hình hóa phân tử và docking phân tử có thể giúp dự đoán tác động của các nhóm thế khác nhau lên hoạt tính và độ an toàn của các hợp chất.

6.2. Hợp tác quốc tế và phát triển công nghệ mới

Việc phát triển thuốc mới từ benzothiazole và benzoxazole đòi hỏi sự hợp tác quốc tế và phát triển công nghệ mới. Các nhà khoa học từ các quốc gia khác nhau có thể chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm và tài nguyên để đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và phát triển. Các công nghệ mới như công nghệ nano và liệu pháp gen có thể được sử dụng để cải thiện sinh khả dụng và hiệu quả của các loại thuốc dựa trên benzothiazole và benzoxazole.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Hợp chất dị vòng benzothiazole và benzoxazole thuộc họ benzo-1,3-azole đóng vai trò quan trọng trong hóa học tổng hợp, y học và dược phẩm nhờ sở hữu phổ hoạt tính sinh học đa dạng như kháng khuẩn, kháng nấm, chống tế bào ung thư và chống co giật. Nhiều dẫn chất của hai hệ dị vòng này đã được ứng dụng trong thực tế làm dược phẩm thương mại, tiêu biểu như Riluzole (thuốc điều trị trầm cảm), Zopolrestat (điều trị biến chứng tiểu đường), Ethoxazolamide (điều trị tăng nhãn áp, lợi tiểu), Flunoxaprofen (thuốc chống viêm) và Benoxaprofen (thuốc giảm đau, hạ sốt).

Tuy nhiên, tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về hai hệ dị vòng này còn ít, chưa có tính hệ thống, phần lớn mới dừng lại ở việc tổng hợp cơ bản mà chưa chú trọng khảo sát hoạt tính sinh học, hoặc chủ yếu khai thác các khung benzothiazole thương mại sẵn có để biến đổi cấu trúc. Việc nghiên cứu tổng hợp và chuyển hóa các dẫn xuất chứa đồng thời nhóm chức amino và hydroxyl (loại o-aminophenol) nhằm tạo ra các tiền chất vừa có khả năng phản ứng phong phú, vừa có khả năng cộng hưởng hoạt tính sinh học vẫn là một khoảng trống nghiên cứu cần được giải quyết.

Luận án tiến sĩ hóa học của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Ngọc Mai, chuyên ngành Hóa học hữu cơ (mã số: 9.14), thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Dương Quốc Hoàn và TS. Trịnh Thị Huấn, được hoàn thành vào tháng 12 năm 2021 với đề tài: "Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole". Công trình được thực hiện với sự tài trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ mã số B2019-SPH-09 do TS. Dương Quốc Hoàn làm chủ nhiệm.

Văn bản luận án xác định mục đích nghiên cứu là tổng hợp, xác định cấu trúc và chuyển hóa có định hướng để tạo thành một số hợp chất mới có chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole nhiều nhóm thế từ nguyên liệu ban đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin, nhằm tìm kiếm những hợp chất có hoạt tính sinh học cao hoặc định hướng ứng dụng thực tiễn.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản phân định thành bốn nội dung cụ thể:

1. Xuất phát từ hai chất đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin tổng hợp một số "chất chìa khóa" loại o-aminophenol.
2. Chuyển hóa "chất chìa khóa" thành các dãy hợp chất mới có chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole.
3. Nghiên cứu tính chất và xác định cấu trúc của các hợp chất mới bằng các phương pháp phổ hiện đại gồm hồng ngoại (IR), cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và khối phổ (MS).
4. Thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định, chống oxi hóa, kháng tế bào ung thư và hoạt tính kích thích sinh trưởng thực vật của một số hợp chất mới nhằm tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính sinh học cao.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là một số hợp chất mới chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thực hiện quy trình tổng hợp hữu cơ trong phòng thí nghiệm, xác định cấu trúc hóa học bằng các phương pháp phổ nghiệm hiện đại, và sàng lọc thăm dò bốn hướng hoạt tính sinh học in vitro cũng như thử nghiệm điều hòa sinh trưởng trên một số đối tượng thực vật trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả đã điểm lại có hệ thống lịch sử và các phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole và benzoxazole, cùng các công bố quốc tế và trong nước về hoạt tính sinh học của chúng.

Về phương pháp tổng hợp benzothiazole, công trình ghi nhận phản ứng đầu tiên được Hofmann công bố năm 1880 giữa acid formic và 2-aminothiophenol. Phản ứng ngưng tụ giữa 2-aminothiophenol và aldehyde là phương pháp phổ biến nhất, diễn ra qua trung gian azomethine, tiếp theo là phản ứng cộng nucleophile vào nhóm >C=N-, sau đó nhờ oxy không khí oxy hóa kèm tách nước để tạo nhân dị vòng. Các nghiên cứu xúc tác đồng thể được điểm lại gồm: Guo và cộng sự sử dụng hệ xúc tác H2O2/HCl trong ethanol ở nhiệt độ phòng (hiệu suất trên 85%); Maleki và cộng sự dùng NH4Cl (70 mol%)/O2 trong dung môi methanol/nước (tỷ lệ 15:1) ở nhiệt độ phòng (hiệu suất 58-92%). Các phản ứng không xúc tác gồm công trình của Batista và cộng sự trong dung môi DMSO ở 120°C (hiệu suất 56-96%), và Hu cùng cộng sự trong DMSO ở 60°C trong 6 giờ (hiệu suất 61-95%). Về xúc tác dị thể, Bahrami sử dụng H2O2 phối hợp ceric ammonium nitrate (CAN) không dung môi ở 50°C trong 9-10 phút (hiệu suất 92-97%); Gorepatil và cộng sự dùng samarium triflate Sm(OTf)3 trong ethanol/nước (hiệu suất 72-96%). Về phản ứng có hỗ trợ chiếu xạ vi sóng, Praveen và cộng sự sử dụng phenyliodonium bis(trifluoroacetate) (PIFA) trong ethanol ở 80°C hoặc I2 không dung môi; Paul và cộng sự sử dụng xúc tác acid para-toluenesulfonic (p-TsOH) dưới chiếu xạ vi sóng 300W trong 1,5-2,5 phút (hiệu suất 52-85%).

Tại Việt Nam, dị vòng benzothiazole được Trần Thị Tửu nghiên cứu tổng hợp lần đầu vào năm 1995; Hồ Xuân Đậu và cộng sự công bố một số dẫn xuất vào năm 2009; nhóm nghiên cứu của Nguyễn Hải Nam (Đại học Dược Hà Nội) từ năm 2010 đã tổng hợp nhiều dẫn chất chứa nhân benzo[d]thiazol-2-amine có nhóm thế ở vị trí số 6 gắn khung SAHA có hoạt tính độc tế bào cao trên các dòng A549, MCF7 và HT1080; Oanh và cộng sự tổng hợp acid hydroxamic chứa dị vòng benzothiazole để thử nghiệm ức chế enzyme histone deacetylase (HDAC8); Nguyễn Lê Anh và cộng sự nghiên cứu tổng hợp benzothiazole từ o-chloronitrobenzene và benzaldehyde bằng xúc tác lưu huỳnh; nhóm nghiên cứu của Dương Quốc Hoàn (Đại học Sư phạm Hà Nội) ứng dụng chiếu xạ vi sóng không dung môi để tổng hợp benzothiazole với hiệu suất đạt tới 98%.

Đối với dị vòng benzoxazole, luận án phân tích các phương pháp tổng hợp từ 2-aminophenol: Gorepatil và cộng sự dùng xúc tác Sm(OTf)3 trong EtOH/H2O ở 55°C (hiệu suất 72-96%); Patil và cộng sự dùng acid tự nhiên từ nước ép chanh, dứa, cam trong EtOH/H2O ở 80°C (hiệu suất 82-91%); Liu và cộng sự thực hiện phản ứng oxy hóa hiếu khí với xúc tác Pd(PPh3)4 trong dioxane; Bastug và cộng sự dùng acid Lewis BF3.OEt2 trong dichloromethane ở 23°C (hiệu suất khoảng 95%). Trong điều kiện vi sóng, Praveen và Moghaddam dùng lò vi sóng ngưng tụ 2-aminophenol với aldehyde; Khan và cộng sự phối hợp silica gel và diethyl ether ở 100W trong 3-5 phút; Naeimi và cộng sự dùng KCN trong DMF ở 400W trong 1,5-15 phút (hiệu suất 76-96%). Tại Việt Nam, Nguyễn Thị Thúy Hồng và cộng sự dùng hệ PPA/POCl3; Trần Hoàng Phương và cộng sự dùng hạt nano gắn dung môi eutectic sâu; Nguyễn Lê Anh và cộng sự dùng xúc tác lưu huỳnh để tổng hợp benzoxazole.

Về hoạt tính sinh học, tác giả điểm lại các công trình tiêu biểu: Gabr và cộng sự chứng minh base Schiff chứa benzothiazole ức chế tế bào Hela (IC50 từ 2,22 đến 6,46 µmol/l) và COS-7; Zhuang và cộng sự phát hiện amide chứa benzothiazole ức chế dòng HCT116 ở mức IC50 = 100 nM; Lad và cộng sự sàng lọc dẫn xuất methylsulfonyl benzothiazole ức chế tế bào Hela (GI50 ≤ 0,1 µM) và kháng khuẩn (MIC 4-50 µg/ml); Mistry và cộng sự khảo sát hoạt tính dập tắt gốc tự do DPPH, ABTS và ức chế tế bào Hela, Caski, SK-OV-3; Hussein và cộng sự tổng hợp phức chất của europium (III) và terbium (III) kháng dòng HepG2 và MCF7; Gill và cộng sự tổng hợp dẫn xuất N-alkylbromobenzothiazole kháng dòng PC-3, THP-1 và Caco-2; Patel và Park khảo sát hoạt tính kháng khuẩn trên S. aureus và B. cereus; Singh và cộng sự tìm ra hợp chất kháng khuẩn với MIC 3,12 µg/ml; Siddiqui, Saleh, Liu, Malik, Hassan nghiên cứu hoạt tính chống co giật qua các mô hình MES, scPTZ và 6-Hz; Baum và Chen (1985), Šimonová và cộng sự (2005), Bendre và cộng sự (2013), Bargotya và Mathur (2016) nghiên cứu hoạt tính kích thích sinh trưởng thực vật kiểu auxin của các dẫn xuất benzothiazole trên đậu xanh, lúa mì, ngô. Đối với benzoxazole, các nghiên cứu của Yalcin, Khan (kháng 15 chủng vi khuẩn Gram (+), 16 chủng Gram (-), 14 chủng nấm), Yildiz, Ozdemir (kháng nấm men Candida với MIC 3,12-50 µg/ml), Elnima, Klimesova (kháng vi khuẩn lao), Murty (ức chế tế bào ung thư MCF-7, A549, Hela), Pujar, Siddiqui và Quan (khảo sát chống co giật với các chỉ số ED50, TD50, PI) cũng được tổng thuật chi tiết.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là: phát triển quy trình tổng hợp đi từ các aldehyde phenolic tự nhiên và sẵn có (4-hydroxybenzaldehyde và vanillin) để tạo ra các "chất chìa khóa" trung gian mang đồng thời nhóm amino và nhóm hydroxyl phenolic (o-aminophenol) có gắn dị vòng benzothiazole; từ đó vận dụng các phản ứng chuyển hóa chọn lọc nhóm chức kết hợp kỹ thuật chiếu xạ vi sóng theo định hướng hóa học xanh, tạo ra các dãy dẫn xuất đa dị vòng mới và tiến hành khảo sát toàn diện bốn loại hoạt tính sinh học thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết của hóa học các hợp chất dị vòng thơm benzo-1,3-azole, tập trung vào cơ chế phản ứng ngưng tụ tạo liên kết C-N, C-S, C-O và cơ chế đóng vòng tạo nhân 1,3-thiazole và 1,3-oxazole. Các phản ứng chuyển hóa chức tiếp theo dựa trên hóa học của nhóm amino thơm, phản ứng tạo liên kết amide, ester hóa, tạo acid hydroxamic và tạo hydrazide - hydrazone. Tác giả áp dụng các nguyên tắc của hóa học xanh thông qua việc tận dụng năng lượng vi sóng nhằm giảm thời gian phản ứng từ nhiều giờ xuống vài phút, hạn chế tối đa việc sử dụng dung môi hữu cơ độc hại hoặc thực hiện phản ứng trong điều kiện không dung môi.

Phương pháp thực nghiệm được triển khai theo các quy trình chuẩn hóa:

• Kỹ thuật tổng hợp hữu cơ: Sử dụng phương pháp đun hồi lưu truyền thống kết hợp chiếu xạ vi sóng trên thiết bị lò vi sóng gia đình nhãn hiệu Sanyo (công suất cực đại 800W, xuất xứ Nhật Bản) đã được khảo sát tối ưu hóa mức năng lượng và thời gian chiếu xạ.
• Phương pháp theo dõi phản ứng và tinh chế: Sử dụng sắc ký bản mỏng (TLC) trên bản nhôm tráng sẵn silica gel 60 F254 của Merck, soi dưới đèn tử ngoại ở hai bước sóng 254 nm và 365 nm hoặc định vị vết bằng hơi iodine. Tinh chế sản phẩm bằng phương pháp kết tinh lại trong dung môi thích hợp hoặc sắc ký cột pha thường sử dụng silica gel cỡ hạt 40-230 mesh của Merck với hệ dung môi giải ly là hỗn hợp n-hexane và ethyl acetate theo các tỷ lệ biến thiên.
• Phương pháp xác định hằng số vật lý và cấu trúc hóa học:
  • Nhiệt độ nóng chảy được đo bằng phương pháp mao quản hở trên máy Gallenkamp (tại Đại học Sư phạm Hà Nội) và thiết bị đo điểm nóng chảy của Trung Quốc (tại Đại học Hồng Đức) với tốc độ tăng nhiệt 3°C/phút.
  • Phổ hồng ngoại (FTIR): Ghi trên máy Shimadzu FTIR 8107M (Nhật Bản) tại Viện Hóa học (VAST), quét 32 lần trong dải số sóng 4000-500 cm⁻¹, độ phân giải 0,25 cm⁻¹, mẫu ép viên KBr ở áp suất 600 psi trong 5 phút.
  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Đo trên máy Bruker Avance 500 MHz (tần số 500 MHz cho ¹H NMR và 125 MHz cho ¹³C NMR) tại Viện Hóa học (VAST), sử dụng dung môi CDCl3 hoặc DMSO-d6, chất chuẩn nội tetramethylsilane (TMS). Luận án sử dụng đầy đủ các kỹ thuật phổ một chiều (¹H, ¹³C, DEPT) và phổ hai chiều (HSQC, HMBC, NOESY) để quy kết chính xác vị trí các nguyên tử carbon và hydro.
  • Phổ khối lượng (MS): Ghi phổ ESI-MS trên thiết bị LTQ Orbitrap XL ở chế độ ion hóa [M+H]⁺ và [M-H]⁻ trong dung môi methanol tại Viện Hóa học; ghi phổ khối lượng phân giải cao (HRMS) trên máy Agilent 1290 UPLC/6530 QTOF LC/MS tại Viện Hóa sinh biển (VAST) trong hệ dung môi 90% acetonitrile/nước ở cả hai chế độ (+) HRMS và (-) HRMS.
• Phương pháp thăm dò hoạt tính sinh học:
  • Kháng vi sinh vật kiểm định: Thử nghiệm tại Viện Hóa học các Hợp chất Thiên nhiên (VAST) bằng phương pháp pha loãng đa nồng độ trên môi trường lỏng (MHB, MHA, TSB, TSA cho vi khuẩn; SAB, SA cho nấm) để xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ ức chế 50% (IC50). Các chủng vi sinh vật kiểm định gồm vi khuẩn Gram âm (Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442, Escherichia coli ATCC 25922), vi khuẩn Gram dương (Bacillus subtilis ATCC 6633, Staphylococcus aureus ATCC 13709), nấm mốc (Aspergillus niger, Fusarium oxysporum) và nấm men (Saccharomyces cerevisiae, Candida albicans ATCC 10231). Hợp chất tinh khiết có MIC ≤ 50 µg/ml được phân loại là có hoạt tính.
  • Hoạt tính chống oxy hóa: Đánh giá khả năng dập tắt gốc tự do DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl), xác định giá trị nồng độ trung hòa 50% gốc tự do (SC50).
  • Hoạt tính gây độc tế bào ung thư: Sàng lọc in vitro trên dòng tế bào ung thư biểu mô KB và 4 dòng tế bào ung thư ở người gồm ung thư phổi (A549), ung thư gan (HepG2), ung thư vú (MCF7) và ung thư dạ dày (HGC-27), xác định giá trị IC50.
  • Hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật: Khảo sát ảnh hưởng của hợp chất ở các nồng độ khác nhau lên sự nảy mầm và phát triển của cây ngô và hai giống lúa (BACTHOM7, OM18); ghi nhận số liệu chiều cao thân cây trung bình và chiều dài rễ trung bình tại các mốc thời gian 10 ngày và 15 ngày.

Dữ liệu của luận án là toàn bộ số liệu thực nghiệm gốc được ghi chép, tổng hợp từ các phổ nghiệm và kết quả thử nghiệm sinh học đo đạc trực tiếp tại các phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Trường Đại học Hồng Đức, Viện Hóa học, Viện Hóa sinh biển và Viện Hóa học các Hợp chất Thiên nhiên.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cấu tạo, phương pháp tổng hợp và hoạt tính sinh học của hai hệ dị vòng benzothiazole và benzoxazole. Tác giả đã phân tích cơ chế hình thành liên kết và đóng vòng ngưng tụ từ các hợp chất đầu là aminothiophenol hoặc aminophenol với các tác nhân mang nhóm carbonyl. Phân tích các ưu thế và hạn chế của từng hệ xúc tác (acid, base, muối vô cơ, phức kim loại, xúc tác chuyển pha) và các điều kiện phản ứng khác nhau (nhiệt đun hồi lưu truyền thống, chiếu xạ vi sóng, không dung môi). Đồng thời, chương này tổng thuật chi tiết các nhóm hoạt tính sinh học nổi bật nhất của các dẫn xuất chứa benzothiazole và benzoxazole trên thế giới và tại Việt Nam, bao gồm hoạt tính chống ung thư, kháng khuẩn, kháng nấm, chống co giật và điều hòa sinh trưởng thực vật.

Tiểu kết chương 1 khẳng định tính thời sự của hướng nghiên cứu tổng hợp dị vòng từ các hợp chất tự nhiên sẵn có tại Việt Nam như vanillin và 4-hydroxybenzaldehyde, đặc biệt nhấn mạnh sự cần thiết của việc tạo ra các tiền chất "chất chìa khóa" có chứa đồng thời hai nhóm chức phản ứng là amino và hydroxyl để tiếp tục phát triển thành các dẫn xuất đa dị vòng mới kết hợp đánh giá hoạt tính sinh học có hệ thống.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết các hóa chất, dung môi, thiết bị thí nghiệm, thông số máy đo phổ và quy trình tổng hợp cho từng nhóm chất. Tác giả phân chia quy trình thực nghiệm thành hai nhánh chính: dãy A xuất phát từ 4-hydroxybenzaldehyde và dãy B xuất phát từ vanillin.

Quy trình tổng hợp thực nghiệm bao gồm:

1. Tổng hợp hai "chất chìa khóa": Hợp chất 4A (2-(4-amino-3-hydroxyphenyl)benzothiazole) từ 4-hydroxybenzaldehyde và hợp chất 4B (2-(4-amino-3-hydroxy-5-methoxyphenyl)benzothiazole) từ vanillin qua các giai đoạn nitro hóa, ngưng tụ tạo nhân benzothiazole và khử hóa chọn lọc nhóm nitro thành nhóm amino.
2. Tổng hợp dãy benzazole 4A1-4A6 và 4B1-4B13: Thực hiện phản ứng khép vòng giữa chất chìa khóa 4A hoặc 4B với các aldehyde thơm khác nhau dưới tác dụng của chiếu xạ vi sóng để tạo đồng thời khung benzoxazole thứ hai gắn liền với nhân benzothiazole.
3. Tổng hợp N-formamide 5A và 5B: Thực hiện phản ứng N-formyl hóa chọn lọc nhóm amino của chất chìa khóa 4A và 4B bằng acid formic mà không làm biến đổi nhóm hydroxyl phenolic.
4. Tổng hợp dãy ester, acid carboxylic và acid hydroxamic: Chuyển hóa N-formamide qua phản ứng alkyl hóa nhóm hydroxyl bằng ethyl chloroacetate tạo ester, sau đó thủy phân kiềm bằng LiOH tạo các acid carboxylic (8A1, 8B1, 8B2), rồi chuyển hóa tiếp với hydroxylamine hydrochloride tạo dãy acid hydroxamic (9B1, 9A2, 9B2).
5. Tổng hợp dãy hydrazide và hydrazide - hydrazone: Phản ứng giữa các dẫn xuất ester với hydrazine hydrate tạo các hydrazide trung gian (10A, 10B, 11A, 11B), sau đó ngưng tụ với các aldehyde thơm khác nhau tạo bốn dãy hydrazide - hydrazone gồm 10A1-10A8, 10B1-10B8, 11A1-11A16 và 11B1-11B8.
6. Tổng hợp các dẫn xuất benzoxazole từ nitrovanillin: Đi từ 5-nitrovanillin tổng hợp các dẫn xuất o-nitrophenol 15B1-15B7, khử hóa nhóm nitro bằng Na2S2O4 tạo o-aminophenol 16B1, và đóng vòng tạo các dẫn xuất benzoxazole 18B1, 18B2.

Chương này cũng trình bày chi tiết điều kiện thực nghiệm nuôi cấy, pha loãng mẫu thử và quy trình đo đạc cho bốn phép thử hoạt tính sinh học đã nêu ở phần phương pháp.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả tổng hợp, biện luận xác định cấu trúc hóa học bằng dữ liệu phổ nghiệm và thảo luận kết quả khảo sát hoạt tính sinh học của hơn 80 hợp chất tổng hợp được.

Tác giả đã tiến hành khảo sát và tối ưu hóa điều kiện phản ứng khép vòng benzothiazole và benzoxazole dưới chiếu xạ vi sóng. Kết quả cho thấy việc sử dụng năng lượng vi sóng ở mức công suất thích hợp giúp rút ngắn thời gian phản ứng từ vài giờ xuống còn 3-15 phút, đồng thời nâng cao hiệu suất tổng hợp lên đáng kể so với phương pháp đun nóng cổ điển.

Nhóm hợp chất	Ký hiệu các chất	Số lượng	Phương pháp phổ xác định cấu trúc	Hoạt tính sinh học được khảo sát
Chất chìa khóa	4A, 4B	2	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HMBC, MS	Chống oxy hóa
Dãy benzazole dãy A	4A1 – 4A6	6	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HSQC, HMBC, MS	Chống oxy hóa (4A1, 4A2, 4A6)
Dãy benzazole dãy B	4B1 – 4B13	13	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HSQC, HMBC, MS	Kháng VSVKĐ (4B5)
Dãy N-formamide	5A, 5B	2	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HMBC, MS	Chống oxy hóa, độc tế bào, kháng VSVKĐ
Dãy acid carboxylic	8A1, 8B1, 8B2	3	¹H NMR, ¹³C NMR, HMBC, MS	Độc tế bào KB, kháng VSVKĐ (8B1)
Dãy acid hydroxamic	9B1, 9A2, 9B2	3	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HMBC, MS	Độc tế bào KB, kháng VSVKĐ, kích thích sinh trưởng thực vật
Dãy hydrazide	10A, 10B, 11A, 11B	4	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HMBC, MS	Kháng VSVKĐ (10A, 10B, 11A, 11B)
Hydrazide - hydrazone dãy 10A	10A1 – 10A8	8	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HSQC, HMBC, HRMS	Kháng VSVKĐ (10A1, 10A3, 10A5, 10A7)
Hydrazide - hydrazone dãy 10B	10B1 – 10B8	8	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HSQC, HMBC, HRMS	Không thử nghiệm hoạt tính
Hydrazide - hydrazone dãy 11A	11A1 – 11A16	16	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HSQC, HMBC, HRMS	Kháng VSVKĐ (11A3, 11A11, 11A12, 11A14)
Hydrazide - hydrazone dãy 11B	11B1 – 11B8	8	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HSQC, HMBC, HRMS	Không thử nghiệm hoạt tính
Dẫn xuất từ nitrovanillin	15B1 – 15B7	7	¹H NMR, ¹³C NMR, HMBC, MS	Kháng VSVKĐ, chống oxy hóa (15B1)
Dẫn xuất o-aminophenol	16B1	1	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HMBC	Kháng VSVKĐ, chống oxy hóa
Dẫn xuất benzoxazole	18B1, 18B2	2	IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HSQC, HMBC, MS	Chống oxy hóa (18B2)

Cấu trúc của toàn bộ các hợp chất được chứng minh dựa trên các bằng chứng phổ:

• Phổ hồng ngoại (IR): Xuất hiện các vân hấp thụ đặc trưng của liên kết C=N (1600-1630 cm⁻¹), C-S (650-700 cm⁻¹), C-O-C của nhân oxazole (1050-1250 cm⁻¹), C=O amide/formamide (1650-1690 cm⁻¹), và dải hấp thụ rộng của nhóm OH/NH (3200-3450 cm⁻¹).
• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (¹H và ¹³C NMR): Dữ liệu cộng hưởng proton và carbon xác nhận độ dịch chuyển hóa học (δ ppm) và hằng số tương tác spin-spin (J Hz) phù hợp với cấu trúc lý thuyết. Phổ hai chiều HSQC và HMBC chỉ ra các tương tác xuyên không gian và xuyên liên kết C-H, cho phép định vị chính xác vị trí ngưng tụ và khép vòng. Phổ NOESY được sử dụng để xác định cấu hình lập thể của liên kết đôi >C=N- trong các dẫn xuất hydrazone.
• Phổ khối lượng (ESI-MS và HRMS): Các pic ion phân tử [M+H]⁺ hoặc [M-H]⁻ có giá trị m/z đo được hoàn toàn trùng khớp với khối lượng phân tử tính toán lý thuyết với sai số trong giới hạn cho phép của phổ phân giải cao.

Về kết quả khảo sát hoạt tính sinh học:

• Hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định: Đã thử nghiệm trên các hợp chất đại diện gồm 4B5, 5A, 5B, 8B1, 9B1, 9A2, các hydrazide 10A, 10B, 11A, 11B, các hydrazide - hydrazone (10A1, 10A3, 10A5, 10A7, 11A3, 11A11, 11A12, 11A14), dẫn xuất 15B1 và 16B1. Kết quả cho thấy một số dẫn xuất thể hiện khả năng ức chế chọn lọc đối với vi khuẩn Gram (+) (B. subtilis, S. aureus) và vi nấm (A. niger, C. albicans) ở các giá trị MIC khác nhau.
• Hoạt tính chống oxy hóa: Thử nghiệm dập tắt gốc tự do DPPH trên các hợp chất 4A, 4B, 4A1, 4A2, 4A6, 5A, 5B, 15B1, 16B1 và 18B2. Kết quả chỉ ra các hợp chất chứa nhóm chức o-aminophenol tự do (đặc biệt là hai chất chìa khóa 4A, 4B và hợp chất 16B1) thể hiện hoạt tính chống oxy hóa vượt trội, trong khi việc khép vòng benzoxazole làm suy giảm đáng kể hoạt tính dập tắt gốc tự do.
• Hoạt tính gây độc tế bào ung thư: Sàng lọc trên dòng KB đối với các hợp chất 8B1, 9A2, 9B1 và 9B2; thử nghiệm trên 4 dòng tế bào ung thư người (A549, HepG2, MCF7, HGC-27) đối với các chất 5A, 5B và 9B2. Dẫn xuất acid hydroxamic 9B2 và các dẫn xuất N-formamide 5A, 5B thể hiện hoạt tính ức chế sinh trưởng tế bào ung thư rõ rệt, có giá trị IC50 tương đương chất đối chứng thử nghiệm.
• Hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật: Hai hợp chất 9A2 và 9B2 được khảo sát trên cây ngô và hai giống lúa BACTHOM7 và OM18. Kết quả đo chiều cao thân cây trung bình và chiều dài rễ trung bình tại thời điểm 10 ngày và 15 ngày cho thấy ở nồng độ khảo sát thích hợp, các hợp chất này có tác dụng kích thích tăng trưởng chiều cao thân và kích thích kéo dài hệ rễ so với mẫu đối chứng không xử lý chất.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

1. Đã hoàn thiện 02 quy trình tổng hợp hợp chất chứa dị vòng benzothiazole theo định hướng hóa học xanh từ hai nguyên liệu ban đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin:
   • Quy trình khép vòng benzoxazole có chứa dị vòng benzothiazole diễn ra đồng thời ở cả hai nhóm chức amino và hydroxyl của tiền chất o-aminophenol.
   • Quy trình N-formyl hóa chọn lọc nhóm amine thơm, phản ứng xảy ra chọn lọc trên nhóm amine mà không ảnh hưởng tới nhóm hydroxyl phenolic.
2. Ứng dụng thành công kỹ thuật chiếu xạ vi sóng trong nhiều giai đoạn phản ứng tổng hợp, giúp rút ngắn thời gian phản ứng, tiết kiệm dung môi hữu cơ và nâng cao hiệu suất thu sản phẩm.
3. Tổng hợp thành công hơn 80 hợp chất dị vòng mới và các dẫn xuất trung gian thuộc nhiều dãy cấu trúc khác nhau (benzazole, N-formamide, acid carboxylic, acid hydroxamic, hydrazide, hydrazide - hydrazone và benzoxazole).
4. Cung cấp tập dữ liệu phổ nghiệm đầy đủ, có độ tin cậy cao gồm IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, HSQC, HMBC, NOESY, ESI-MS và HRMS cho các hệ dị vòng phức tạp, đóng góp vào ngân hàng dữ liệu phổ học hữu cơ.
5. Phát hiện một số hợp chất loại N-formamide (5A, 5B) và acid hydroxamic (9A2, 9B2) thể hiện độc tính tế bào tốt trên các dòng tế bào ung thư thử nghiệm; các hợp chất mang khung o-aminophenol (4A, 4B, 16B1) có hoạt tính dập tắt gốc tự do DPPH cao; và hai hợp chất 9A2, 9B2 có khả năng kích thích sinh trưởng đối với cây ngô và lúa ở giai đoạn 10 và 15 ngày tuổi.

Về kiến nghị, văn bản luận án đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng việc thử nghiệm hoạt tính sinh học trên các dòng tế bào và vi sinh vật khác; tiến hành đánh giá độc tính cấp, độc tính bán trường diễn và thử nghiệm in vivo trên mô hình động vật đối với các hợp chất thể hiện độc tính tế bào tiềm năng; đồng thời tiếp tục thử nghiệm hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật của các dẫn xuất acid hydroxamic trên quy mô diện hẹp ngoài đồng ruộng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, các thử nghiệm hoạt tính sinh học trong luận án chủ yếu dừng lại ở mức độ sàng lọc in vitro trên các dòng tế bào ung thư nuôi cấy và vi sinh vật kiểm định trong phòng thí nghiệm; chưa tiến hành khảo sát cơ chế tác động ở mức độ sinh học phân tử hoặc tương tác trực tiếp lên các enzyme đích đặc hiệu (như enzyme histone deacetylase đối với các dẫn xuất acid hydroxamic). Thử nghiệm điều hòa sinh trưởng thực vật mới chỉ thực hiện ở giai đoạn cây con (10 ngày và 15 ngày) trong điều kiện phòng thí nghiệm kiểm soát, chưa có số liệu đánh giá trên toàn bộ chu kỳ sinh trưởng và năng suất cây trồng thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Nghiên cứu cơ chế tác dụng phân tử và mô phỏng gắn kết thụ thể (molecular docking) của các dẫn xuất N-formamide và acid hydroxamic đối với các protein đích liên quan đến quá trình phát triển khối u.
• Triển khai các thử nghiệm độc tính sinh học chuyên sâu và khảo sát hoạt tính chống ung thư in vivo trên mô hình động vật thực nghiệm.
• Mở rộng khảo sát hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật của hợp chất 9A2 và 9B2 ở các nồng độ pha loãng khác nhau trên đồng ruộng để đánh giá khả năng ứng dụng trong nông nghiệp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Hóa học hữu cơ, Hóa dược và Hóa học các hợp chất thiên nhiên: Luận án cung cấp các quy trình thực nghiệm chi tiết về phản ứng ngưng tụ, đóng vòng dị vòng benzo-1,3-azole, phương pháp bảo vệ và chuyển hóa chọn lọc nhóm chức, cũng như kỹ thuật tối ưu hóa phản ứng tổng hợp hữu cơ có hỗ trợ chiếu xạ vi sóng.
• Cán bộ nghiên cứu và giảng viên giảng dạy cấu trúc phân tử: Bảng dữ liệu quy kết phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1 chiều và 2 chiều (¹H, ¹³C, HSQC, HMBC, NOESY) và phổ khối phân giải cao (HRMS) của hơn 80 hợp chất dị vòng trong luận án là tư liệu trực quan, chuẩn xác để phục vụ công tác phân tích cấu trúc hóa học.
• Các nhà nghiên cứu phát triển dược phẩm và nông dược: Các số liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính (SAR) của các dẫn xuất N-formamide, acid hydroxamic và hydrazide - hydrazone cung cấp định hướng cho việc thiết kế cấu trúc các hoạt chất kháng khuẩn, kháng u và chất điều hòa sinh trưởng thực vật mới.

Phần đáng tham khảo nhất trong luận án là các sơ đồ tổng hợp hai chất chìa khóa mang đồng thời nhóm amino và hydroxyl, quy trình N-formyl hóa chọn lọc nhóm amine thơm, và hệ thống bảng biểu tổng hợp thông số phổ nghiệm NMR của các dãy dẫn xuất benzazole và hydrazide - hydrazone trong Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Hai chất chìa khóa được tổng hợp trong luận án là gì và được tạo ra từ những nguyên liệu ban đầu nào?

Hai chất chìa khóa là hợp chất 4A (2-(4-amino-3-hydroxyphenyl)benzothiazole) và hợp chất 4B (2-(4-amino-3-hydroxy-5-methoxyphenyl)benzothiazole). Cả hai đều thuộc loại hợp chất o-aminophenol có gắn nhân benzothiazole, được tổng hợp tương ứng từ hai aldehyde ban đầu là 4-hydroxybenzaldehyde (tạo dãy A) và vanillin (tạo dãy B) qua các phản ứng nitro hóa, ngưng tụ với 2-aminothiophenol và khử hóa nhóm nitro.

2. Luận án đã áp dụng những phương pháp phổ hiện đại nào để xác định cấu trúc của các hợp chất mới?

Cấu trúc của các hợp chất được xác định bằng hệ thống các phương pháp phổ nghiệm gồm: phổ hồng ngoại (FTIR ghi trên máy Shimadzu FTIR 8107M dải sóng 4000-500 cm⁻¹); phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều (¹H NMR 500 MHz, ¹³C NMR 125 MHz) và hai chiều (HSQC, HMBC, NOESY ghi trên máy Bruker Avance 500 MHz); phổ khối lượng ESI-MS (trên máy LTQ Orbitrap XL) và phổ khối lượng phân giải cao HRMS (trên máy Agilent 1290 UPLC/6530 QTOF LC/MS).

3. Nhóm hợp chất nào thể hiện hoạt tính độc tế bào ung thư và hoạt tính chống oxy hóa nổi bật trong các thử nghiệm?

Hoạt tính gây độc tế bào ung thư thể hiện rõ rệt nhất ở nhóm acid hydroxamic (đặc biệt là hợp chất 9B2) và nhóm N-formamide (hợp chất 5A, 5B) khi thử nghiệm trên dòng KB và 4 dòng tế bào ung thư người (A549, HepG2, MCF7, HGC-27). Trong khi đó, hoạt tính chống oxy hóa dập tắt gốc tự do DPPH cao nhất thuộc về các hợp chất mang nhóm chức o-aminophenol tự do gồm hai chất chìa khóa 4A, 4B và dẫn xuất 16B1.

4. Dẫn xuất nào được khảo sát hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật và kết quả ghi nhận trên các đối tượng nào?

Hai dẫn xuất acid hydroxamic là 9A2 và 9B2 được lựa chọn để khảo sát hoạt tính điều hòa sinh trưởng thực vật trên cây ngô và hai giống lúa BACTHOM7 và OM18. Kết quả thực nghiệm đo đạc ở các mốc 10 ngày và 15 ngày cho thấy hai hợp chất này có tác dụng kích thích tăng trưởng chiều cao thân cây trung bình và chiều dài rễ trung bình so với mẫu đối chứng không xử lý.

5. Luận án đã vận dụng nguyên tắc hóa học xanh như thế nào trong quá trình tổng hợp?

Luận án vận dụng hóa học xanh bằng cách tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên có sẵn là vanillin, áp dụng kỹ thuật chiếu xạ vi sóng gia đình (công suất tối ưu hóa đến 800W) trong nhiều phản ứng khép vòng và ngưng tụ giúp rút ngắn thời gian phản ứng từ nhiều giờ xuống vài phút, đồng thời thực hiện một số phản ứng trong điều kiện không dung môi hoặc giảm thiểu dung môi hữu cơ độc hại.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Nguyễn Thị Ngọc Mai đã nghiên cứu thành công quy trình tổng hợp, xác định cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của hơn 80 hợp chất dị vòng chứa benzothiazole và benzoxazole đi từ 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin thông qua các "chất chìa khóa" o-aminophenol. Công trình cung cấp tập dữ liệu phổ nghiệm phong phú, chuẩn xác (IR, NMR 1D và 2D, HRMS) và hoàn thiện các quy trình tổng hợp có ứng dụng kỹ thuật chiếu xạ vi sóng theo định hướng hóa học xanh. Kết quả sàng lọc sinh học in vitro đã ghi nhận các dẫn xuất tiềm năng có hoạt tính gây độc tế bào ung thư, hoạt tính chống oxy hóa dập tắt gốc tự do DPPH và khả năng kích thích sinh trưởng trên cây ngô và lúa, tạo cơ sở khoa học cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo trong lĩnh vực hóa dược và nông dược.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hợp chất chứa dị vòng benzothiazole có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong hóa học tổng hợp, y học và dược phẩm do có hoạt tính sinh học phong phú như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng tế bào ung thư. Nhiều hợp chất chứa dị vòng benzothiazole được sử dụng làm thuốc như: Riluzole dùng làm thuốc chống trầm cảm, Zopolrestat dùng để điều trị các biến chứng tiểu đường và Ethoxazolamide dùng làm thuốc tăng nhãn áp, lợi tiểu, loét tá tràng… Nhiều dẫn xuất của benzothiazole đang trong quá trình thử nghiệm lâm sàng đã làm nổi bật tầm quan trọng của dị vòng này. Bên cạnh đó, benzoxazole là một khung dị vòng thường gặp trong thiên nhiên cũng như trong tổng hợp.

Benzoxazole được tìm thấy trong cấu trúc hóa học của một số dược phẩm như: thuốc chống viêm Flunoxaprofen, thuốc kháng sinh Calcimycin, thuốc giảm đau, hạ sốt và chống viêm Benoxaprofen … Hợp chất chứa dị vòng benzoxazole cũng nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học do có nhiều hoạt tính sinh học phong phú như kháng ung thư, kháng khuẩn, chống co giật. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về hai dị vòng này ở Việt Nam còn ít, chưa có hệ thống và mới chỉ dừng lại ở việc tổng hợp mà chưa quan tâm nhiều đến hoạt tính sinh học. Việc tổng hợp và nghiên cứu các dẫn xuất của benzothiazole có chứa đồng thời hai nhóm chức amino và hydroxyl không những làm tăng khả năng chuyển hóa để tạo thành các dẫn xuất mới mà còn tăng khả năng cộng hưởng hoạt tính là điều rất cần thiết. Do đó, hướng nghiên cứu này còn rất rộng mở, hứa hẹn những kết quả mới mẻ, lý thú, có ích về phương diện lý thuyết và thực tiễn.

Vì vậy, tôi lựa chọn đề tài: ―Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và khảo sát hoạt tính sinh học của một số hợp chất chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole‖. Mục đích và nhiệm vụ của luận án - Mục đích: Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc và chuyển hóa có định hướng tạo thành một số hợp chất mới có chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole nhiều nhóm thế từ nguyên liệu ban đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin, nhằm tìm kiếm những hợp chất có hoạt tính sinh học cao hoặc có ứng dụng khác. 1 - Nhiệm vụ: + Xuất phát từ 2 chất đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin tổng hợp một số ―chất chìa khóa‖ loại o-aminophenol. + Chuyển hóa ―chất chìa khóa‖ thành các dãy hợp chất mới có chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole.

+ Nghiên cứu tính chất và xác định cấu trúc của các hợp chất mới bằng phương pháp phổ hiện đại IR, NMR và MS. + Thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định, chống oxi hóa, kháng tế bào ung thư và hoạt tính kích thích sinh trưởng thực vật của một số hợp chất mới nhằm tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính sinh học cao. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Một số hợp chất mới chứa dị vòng benzothiazole và benzoxazole. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp, xác định cấu trúc và thăm dò hoạt tính sinh học của các hợp chất tổng hợp được.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Đã hoàn thiện 02 quy trình tổng hợp hợp chất chứa dị vòng benzothiazole theo nguyên tắc của hóa học xanh từ hai chất đầu là 4-hydroxybenzaldehyde và vanillin đó là: i) khép vòng benzoxazole có chứa dị vòng benzothiazole, phản ứng khép vòng này xảy ra đồng thời ở cả hai nhóm chức amino và hydroxyl; ii) N-formyl hóa nhóm amine, phản ứng này chỉ xảy ra ở nhóm chức amine. Trong quy trình tổng hợp có một số giai đoạn sử dụng chiếu xạ năng lượng vi sóng đã rút ngắn được thời gian phản ứng, tiết kiệm dung môi và tăng hiệu suất của phản ứng. - Cung cấp nguồn dữ liệu chuẩn xác về phổ IR, NMR và MS của các hợp chất dị vòng phức tạp phục vụ cho nghiên cứu khoa học và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho xã hội. - Một số hợp chất có chứa dị vòng benzothiazole loại N-formamide và acid hydroxamic thể hiện độc tính tế bào tốt tương đương đối chứng, trong khi đó các hợp chất loại o-aminophenol lại có hoạt tính chống oxi hóa cao, điều này giúp định hướng cho việc tìm kiếm những hợp chất mới có tiềm năng ứng dụng vào thực tế.

Tổng quan về dị vòng benzothiazole Benzothiazole là hợp chất dị vòng ngưng tụ gồm dị vòng 5 cạnh 1,3-thiazole được kết hợp với vòng benzene thuộc họ benzo-1,3-azole [6]. 7 1 Me Me 6 S N N N COOH HOOC HO 2 5 N S HO S S Me 4 HO AcO OH O 3 (1) Firefly luciferin (2) Me Me Benzothiazole O MeO OH OH Me F O NH S N O S O N F F NH2 S NH2 F N S F N N O O O S F N OH Ziluzole (4) Ethoxazolamide (6) O H Zopolrestat (5) Me O Rifamycin P (3) Hình 1. Benzothiazole và một số dẫn xuất có trong tự nhiên và sử dụng trong y học Nhiều hợp chất chứa dị vòng benzothiazole được tìm thấy trong thiên nhiên vì thế chúng thường có phổ hoạt tính sinh học phong phú, chọn lọc và thân thiện với cơ thể sống và môi trường. Ví dụ, acid 6-hydroxybenzothiazole-5-acetic (1) (Hình 1.1) là hợp chất kháng khuẩn có tên C304A hoặc M4582 là sản phẩm được tách từ nước lọc của vi khuẩn Actinosynnema [45] và Paecilomyces lilacinus [108].

Hợp chất này thể hiện khả năng giảm biến chứng ở mắt và dây thần kinh. Rifamycin P (3) được tách lần đầu tiên trong quá trình lên men, nó thể hiện hoạt tính kháng sinh tốt và có chọn lọc. Chẳng hạn nó ức chế mạnh vi khuẩn Gr (+) và Gr (-) nhưng lại yếu đối với vi khuẩn gây ra bệnh MAC (Mycobacterium avium complex) của những người mắc bệnh HIV [18, 22, 32]. Hơn nữa, một số hợp chất chứa benzothiazole đã trở thành thuốc thương mại như Riluzole (4), Zopolrestat (5), Ethoxazolamide (6) [39, 111]… Do đó, có nhiều phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole được nghiên cứu và phát triển.

Phƣơng pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole Trên thế giới, dị vòng benzothiazole được nghiên cứu tổng hợp rất sớm bởi Hofmann (năm 1880) xuất phát từ phản ứng giữa acid formic và o-aminothiophenol [36]. Sau đó các phương pháp tổng hợp dị vòng này phát triển mạnh mẽ. Trên cơ sở chất phản ứng, có thể mô tả phương pháp tổng hợp dị vòng benzothiazole theo sơ đồ sau: 3 X NH2 R S H- íng b S H- íng a R Y N SH Z N R H H- íng c X: H, halogen, S Y: O, S, Se U V-R Z: H, OH, OR, NH, SMe N V: COOH, Br, I, ZnBr Sơ đồ 1. Các hƣớng tổng hợp benzothiazole Theo sơ đồ trên:  Hướng a: ngưng tụ giữa 2-aminothiophenol với hợp chất chứa nhóm carbonyl như aldehyde, ketone, acid carboxylic, chloride acid, hoặc ester.

 Hướng b: tạo benzothiazole từ aniline hoặc phản ứng đóng vòng nội phân tử của thiobenzanilide và dẫn xuất.  Hướng c: chuyển hóa hợp chất 2-benzothiazole để tạo thành các dẫn xuất mới. Trong 3 hướng trên thì hướng a được sử dụng nhiều nhất, trong đó phản ứng ngưng tụ giữa 2-aminothiophenol với aldehyde là phương pháp kinh điển và phổ biến để tổng hợp dị vòng này. Ban đầu phản ứng ngưng tụ giữa amine và aldehyde tạo thành azomethine.

Sau đó là phản ứng cộng nucleophile vào nhóm >C=N-. Do có mặt oxygen của không khí nên nguyên tử hydrogen bị oxy hóa và kèm theo phản ứng tách nước sinh ra dị vòng benzothiazole [80]. SH SH S R S R CH O Kh«ng khÝ R N H N NH2 N CHR -H2O H Sơ đồ 1. Tổng hợp benzothiazole từ aldehyde 1.

Ngƣng tụ 2-aminothiophenol và aldehyde thơm sử dụng xúc tác đồng thể a) Ngƣng tụ sử dụng chất xúc tác acid  Guo và cộng sự đã tìm ra được một phương pháp đơn giản cho phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol và aldehyde là sử dụng hỗn hợp H2O2/HCl làm chất xúc tác trong dung môi ethanol ở nhiệt độ phòng. Ưu điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng ngắn, sản phẩm được phân lập dễ dàng và hiệu suất phản ứng cao (>85%) [29]. 4 SH 30%H2O2, 37%HCl (6:3) N RCHO R H>85% r.t, 45-60 phút S NH2  Maleki và cộng sự đã phát triển phương pháp tổng hợp các dẫn xuất 2- arylbenzothiazole từ phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol với aldehyde thơm bằng cách sử dụng NH4Cl làm chất xúc tác trong hệ dung môi kép methanol/nước (15:1) ở nhiệt độ phòng. Ưu điểm chính của phương pháp này là sử dụng NH4Cl là chất xúc tác rẻ tiền, sẵn có và không chứa kim loại.

Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của dung môi đến hiệu suất phản ứng, tác giả đã sử dụng các dung môi hữu cơ khác nhau như chloroform, ethanol, acetonitrile, dichloromethane và nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ methanol/nước là dung môi tốt nhất cho phản ứng này [53]. CHO SH NH4Cl(70mol%)/O2 CH3OH:H2O(15:1) N R NH2 r.t , 20-60 phót S R H= 58 - 92% b) Ngƣng tụ không sử dụng chất xúc tác  Sử dụng dung môi DMSO, Batista và cộng sự đã tổng hợp được bithienyl- 1,3-benzothiazole từ phản ứng ngưng tụ của 2-aminothiophenol và 5-formyl-5'- alkoxy-bithiophene hoặc 5-formayl-5’-(N,N-dialkylamino)-2,2'-bithiophene. Phản ứng này thực hiện ở nhiệt độ cao (120oC) và thời gian phản ứng tương đối ngắn (30-60 phút) [12].

NH2 N S DMSO S R OHC R S 0 S SH 120 C, 30-60 phút S H = 56-96% R=H; OMe, OEt, NMe2, NEt2, N(i-Pr)2, piperidino, morpholino  Hu và cộng sự thực hiện phản ứng ngưng tụ trong điều kiện không khí, dung môi DMSO và không sử dụng xúc tác. Điều kiện này cho phép nhiều nhóm chức khác tồn tại trong phản ứng và cho hiệu suất tốt từ 61 đến 95%. Phương pháp này cho phép áp dụng với nhiều dẫn xuất của benzaldehyde để tổng hợp dị vòng. Ngoài ra tác giả cũng chứng minh DMSO là dung môi tốt nhất cho loại phản ứng này.

Tuy nhiên thời gian phản ứng dài cần 6 giờ [37]. SH S O kh«ng khÝ + Ar NH2 H Ar DMSO N 600C, 6h H= 61-95% 1. Ngưng tụ 2-aminothiophenol và aldehyde thơm sử dụng chất xúc tác dị thể  Một phương pháp rất hiệu quả đã được Bahrami áp dụng để tổng hợp dẫn xuất của benzothiazole là sử dụng hỗn hợp chất oxy hóa là nước oxy già (H2O2) và ceric ammonium nitrate (CAN). Ưu điểm của phương pháp này là không cần dung môi, thời gian ngắn, chất xúc tác rẻ tiền và hiệu suất cao đạt từ 92 đến 97% [9].