MỞ ĐẦU Với sự biến đổi không ngừng của vi khuẩn, hàng loạt thuốc kháng sinh không còn sử dụng đƣợc hoặc phổ tác dụng hẹp lại do khả năng kháng thuốc của vi khuẩn. Làm giảm hiệu quả điều trị bệnh và gây ra những biến chứng không mong muốn cho ngƣời bệnh. Để tạo ra những loại thuốc mới, có hiệu lực điều trị cao và chƣa bị vi khuẩn kháng lại, thì việc tổng hợp và bán tổng hợp β-lactam mới là một việc làm rất quan trọng. Mặt khác, nhƣ ta đã biết hoạt tính sinh học của các đồng phân quang học (đồng phân đối quang hoặc đồng phân lập thể không đối quang) là rất khác nhau và việc tách các đồng phân đó thì rất tốn kém, tốn rất nhiều thời gian.
Vì vậy việc tổng hợp chọn lọc lập thể các đồng phân quang học là rất quang trọng, làm giảm chi phí cho thực hiện quá trình tách, tăng hiệu quả điều trị. Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi tập trung vào việc phân tích cấu trúc và xác định độ chọn lọc lập thể của các hợp chất β-lactams, thu đƣợc từ phản ứng tổng hợp theo phƣơng pháp Staudinger, bằng các phƣơng pháp hiện đại nhƣ HPLC-MS và NMR. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. BETA LACTAM β-lactam đƣợc phân loại dựa theo cấu trúc vòng cơ sở và đƣợc chia thành 4 nhóm: β-lactam kết hợp với vòng 5 cạnh bão hòa.
o β-lactam có chứa vòng thiazolidine đƣợc gọi tên là penams (A) o β-lactam có chứa vòng pyrrolidine đƣợc gọi tên là carbapenams (B) o β-lactam hợp nhất để oxazolidine vòng đƣợc gọi tên là oxapenams hoặc clavams (C) β-lactam kết hợp với vòng năm cạnh không bão hòa: o β-lactam có chứa vòng thiazol 2,3-dihydro đƣợc gọi tên là penems (D) o β-lactam có chứa vòng 2,3-dihydro-1H-pyrrole đƣợc gọi tên là carbapenems (E) β-lactam kết hợp với vòng 6 cạnh chƣa bão hòa: o β-lactam có chứa vòng 3,6-dihydro-2H-1,3-thiazine đƣợc gọi tên là cephems (G) o β-lactam có chứa vòng 1,2,3,4-tetrahydro pyridin đƣợc gọi tên là carbacephems (H) o β-lactam có chứa vòng 3,6-dihydro-2H-1,3-oxazine đƣợc gọi tên là oxacephems (I) β-lactam không kết hợp với bất kỳ một vòng nào đƣợc gọi tên là monobactams 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc cơ sở β-lactam Hợp chất chứa vòng β-lactam đƣợc ứng dụng chủ yếu trong thực tế là làm thuốc kháng sinh. TỔNG HỢP BETA LACTAM Azetidin-2-ones(β-lactams) đại diện cho một nhóm các hợp chất rất quan trọng do hoạt tính sinh học nổi tiếng của chúng [9] và là hợp chất trung gian trong tổng hợp hữu cơ [13]. Nhiều phƣơng pháp tổng hợp β-lactam đã đƣợc phát triển nhƣ: phản ứng cộng vòng [2+2], phản ứng tạo vòng, phản ứng gắn thêm carbene, và phản ứng sắp xếp lại các hợp chất dị vòng [14],[9].
Phản ứng Staudinger Phản ứng Staudinger, phản ứng của ketene với các hợp chất chứa chức imine, là phƣơng pháp tổng hợp quan trọng nhất điều chế β–lactam. Kể từ khi đƣợc phát hiện ra bởi Staudinger [15], phản ứng này từ lâu đã đƣợc nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết để hiểu cơ chế của nó và là cơ sở cho việc chọn lọc lập thể. Nó đƣợc áp dụng để tổng hợp một loạt các cấu trúc β-lactam (Sơ đồ 1. Hiện nay phản ứng này vẫn là một trong những phƣơng pháp tốt nhất cho quá trình tổng hợp β –lactam [14].
Phản ứng Staudinger 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cơ chế phản ứng và điều khiển độ chọn lọc lập thể Cơ chế của phản ứng Staudinger đƣợc đƣa ra bởi Hegedus là cơ chế mô tả tốt nhất [15]. Imine, tác nhân nucleophile tấn công orbital nguyên tử trống (LUMO) của nhóm đồng phẳng carbonyl ketene tạo ketene thế. Quá trình tấn công xảy ra ở bên phía ít cản trở (cách tiếp cận exo), với mặt phẳng của imine vuông góc với ketene, tạo ra các trung gian zwitterion (5) (sơ đồ 1.
Cơ chế phản ứng Staudinger Hợp chất trung gian này đã đƣợc phát hiện và đặc trƣng bởi quang phổ IR [22]. Chuyển động quay của các imine đi vào mặt phẳng của ketene xảy ra đồng thời với việc đóng vòng conrotatory tạo ra sản phẩm β –lactam (6) trong đó nhóm imine R1 và nhóm L của ketene là cis. Khi nhóm thế trên carbon sp2 của imine (R1 trong sơ đồ) ổn định điện tích dƣơng, hợp chất trung gian zwitterioncó thể bị đồng phân hóa tạo thành dạng cis của liên kết iminium vàtạo ra sản phẩm trans-β-lactam (9). Tỷ lệ tƣơng đối của các quá trình sẽ xác định sản phẩm hóa học lập thể của phản ứng ketene/imine.
Tính toán ab initio xác định sự có mặt của hợp chất trung gian zwitterion và đóng vòng conrotatory [25]. Nghiên cứu tiếp theo [9] khẳng định bản chất hai bƣớc của quá trình và chứng minh một số điểm tƣơng đồng với mô hình đề xuất bởi Houk cho phản ứng conrotatory của cyclobutenes [18]. Gần đây, nghiên cứu mới của nhóm Xu [9] đề xuất một cơ sởđể giải thích kết quả lập thể của phản ứng, xem xét lại mô hình đƣợc mô tả bởi Hegedus và chỉ ra nguồn gốc động học của tỷ lệ cis/trans của sản phẩm β –lactam. Con 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đƣờng đƣợc đề xuất cho sự hình thành β –lactam đƣợc mô tả dƣới đây (Sơ đồ 1.
Con đƣờng hình thành β –lactam Khi sử dụng ketene dẫn xuất một lần thế thƣờng cho tấn công exo là ƣu thế. Sản phẩm hóa học lập thể cuối cùng chịu ảnh hƣởng bởi bản chất của các ketene và các hợp chất chức imine, vì nó là kết quả của sự cạnh tranh phản ứng đóng vòng (k1) và phản ứng đồng phân hóa imine (k2). Tỷ lệ k1/k2 xác định tỷ lệ cis/trans của sản phẩm β –lactam. Các tác giả đề xuất [9], bƣớc đóng vòng có thể xảy ra dễ dàng hơn khi thêm vào một tác nhân nucleophile của một enolate nhóm chức của imine hơn là quá trình electrocyclic.
Tăng mật độ điện tử cho ketene thế và giảm mật độ điện tử cho imine thế làm tăng phản ứng đóng vòng (tăng k1), dẫn đến hình thành chủ yếu cis- β –lactam. Mặt khác, làm giảm mật độ electron của ketene thế và làm tăng mật độ electron imine sẽ làm giảm giá trị k1 và có lợi cho phản ứng đồng phân hóa, dẫn đến hình thành chủ yếu trans- β – lactam. Các hiệu ứng điện tử của các nhóm thế trên đồng phân là một yếu tố nhỏ trong chọn lọc lập thể. Cuối cùng, sau khi so sánh các phản ứng tƣơng tự thực hiện trong các điều kiện khác nhau, các tác giả cũng thừa nhận rằng không có ảnh hƣởng của sóng viba [15] hoặc ánh sáng trong độ chọn lọc lập thể của phản ứng Staudinge [21].
Độ chọn lọc lập thể cũng chịu ảnh hƣởng bởi tính chất của dung môi, các dung môi không phân cực có lợi cho sự hình thành cis- β –lactam, trong khi dung môi phân cực thuận lợi cho sự hình thành trans. Ngoài ra, cách ketene 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đƣợc hình thành và thứ tự của bổ sung các tác nhân, cũng ảnh hƣởng đến độ chọn lọc lập thể của sản phẩm [27]. Sự xuất hiện của các orbital liên hợp giữa ketene và tác nhân imine ảnh hƣởng đến độ chọn lọc lập thể của sản phẩm tƣơng tự nhƣ nhiệt độ [19]. Một phƣơng pháp rất hiệu quả để thu đƣợc trans- β -lactam đƣợc phát triển bởi Lectka và đồng nghiệp bằng cách sử dụng muối (12) nhƣ một anion xúc tác ái nhân (Sơ đồ 1.
Trên thực tế, biện pháp này không hiệu quả với acyl clorua béo [28]. Sử dụng muối 12 tổng hợp β-lactam Việc sử dụng sorbyl clorua (16) nhƣ một một tiền chất của butadienylketene thu đƣợc một số kết quả thú vị liên quan đến đồng phân lập thể không đối quang. Khi phản ứng Staudinger đƣợc thực hiện với N-aryl imine, thu đƣợc chủ yếu là sản phẩm trans, trong khi sử dụng N-akyl imine thu đƣợc chủ yếu là cis- β –lactam (Sơ đồ 1. Sorbyl clorua (16)tổng hợp β-lactam 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Việc chọn lọc trans cũng thu đƣợc trong phản ứng Staudinger giữa imine và vinylketene chứa một γ – heteroatom.
Cấu hình Z của nhánh vinyl của đồng đồng phân lập thể có tác dụng ổn định vinylketene và sản phẩm chính là trans-3- vinyl - β –lactam (Sơ đồ 1. Tổng hợp β-lactam từ imine và vinylketene 1. PHÂN TÍCH CÁC ĐỒNG PHÂN ĐỐI QUANG Phân tích các đồng phân đối quang là tách một hỗn hợp raxemic bằng các phƣơng pháp vật lý và hóa học. Thông thƣờng, sự tách đƣợc thực hiện sau khi chuyển từ đồng phân đối quang sang đồng phân “dia”; do các đồng phân đối quang có các tính chất vật lý và hóa học giống nhau nên chúng không thể tách bằng cách trực tiếp.
Trong khi đó, các đồng phân “dia” có thể tách đƣợc bằng các phƣơng pháp kết tinh chọn lọc, phƣơng pháp sắc ký hoặc phƣơng pháp NMR. Phƣơng pháp tách các đồng phân đối quang bằng enzym Hầu hết các enzym có tính đặc hiệu với một loại cơ chất nhất định. Dựa vào tính chất này, ngƣời ta đã sử dụng các enzym để chuyển hóa chọn lọc một trong hai đối quang trong hỗn hợp. Ví dụ phản ứng thủy phân hỗn hợp raxemic của este bằng enzym pig liver estease.
Dƣới tác dụng của enzym này, chỉ có đồng phân S đƣợc thủy phân. Nhờ đó mà ngƣời ta tách đƣợc hai đồng phân này ra khỏi nhau. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tách các đồng phân đối quang nhờ tác nhân bất đối bổ trợ Hỗn hợp raxemic hoặc hai đồng phân của các hợp chất đối quang có một tâm bất đối thƣờng không thể tách ra khỏi nhau.
Tuy nhiên, khi tham gia phản ứng với các chất bổ trợ chiral có từ một hoặc nhiều tâm bất đối, tạo thành sản phẩm có từ hai tâm bất đối trở lên, có thể tách đƣợc bằng các phƣơng pháp hóa lý khác nhau. Dựa vào tính chất quan trong này năm 1953, Pasteur đã tách đƣợc đôi đồng phân đối quang của axit tactaric nhờ sự tạo muối “dia” của hỗn hợp hai đối quang với (+)-cinchotoxin, có độ tan khác nhau nên có thể tách ra khỏi nhau bằng phƣơng pháp kết tinh. Phƣơng pháp này vẫn đƣợc sử dụng hiệu quả để tách hỗn hợp hai đồng phân đối quang ra khỏi nhau. Ngoài ra, có thể chuyển hóa các đối quang của các hợp chất có một tâm bất đối thành các đồng phân “dia” nhờ phản ứng với tác nhân bất đối bổ trợ khác.
Các đồng phân “dia” nhận đƣợc có thể tách ra bằng các phƣơng pháp hóa lý khác nhau. Cuối cùng các tác nhân bất đối bổ trợ đƣợc loại bỏ, thu đƣợc các đồng phân đối quang tinh khiết.