MỞ ĐẦU Với sự biến đổi không ngừng của vi khuẩn, hàng loạt thuốc kháng sinh không còn sử dụng được hoặc phé tác dụng hẹp lại do kha năng kháng thuốc của vi khuẩn. Làm giảm hiệu quả điều trị bệnh và gây ra những biến chứng không mong muôn cho người bệnh. Để tạo ra những loại thuốc mới, có hiệu lực điều trị cao và chưa bị vi khuẩn kháng lai, thì việc tong hợp và bán tổng hợp Ø-lactam mới là một việc làm rat quan trọng. Mặt khác, như ta đã biết hoạt tính sinh học của các đồng phân quang học (đồng phân đối quang hoặc đồng phân lập thé 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 tong hợp chọn lọc lập thé các đồng phân quang học là rất quang trọng, làm giảm chi phí cho thực hiện quá trình tach, 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 Ø-lactams, thu được từ phản ứng tông hợp theo phương pháp Staudinger, bang các phương pháp hiện đại như HPLC-MS và NMR. BETA LACTAM Ø-lactam được phan loại dựa theo cau trúc vòng cơ sở và được chia thành 4 nhóm: « _ Ø-lactam kết hop với vòng 5 cạnh bão hòa. o Ø-lactam có chứa vòng thiazolidine được gọi tên là penams (A) o Ø-lactam có chứa vòng pyrrolidine được gọi tên là carbapenams (B) o Ø-lactam hợp nhất dé oxazolidine vòng được gọi tên là oxapenams hoặc clavams (C) ‹ _ Ø-lactam kết hợp với vòng năm cạnh không bão hòa: o Ø-lactam có chứa vòng thiazol 2,3-dihydro được gọi tên là penems (D) o -lactam có chứa vòng 2,3-dihydro-IH-pyrrole được gọi tên là carbapenems (EF) + _ Ø-lactam kết hợp với vòng 6 cạnh chưa bão hòa: o Ø-lactam có chứa vòng 3,6-dihydro-2H-1,3-thiazine được gọi tên là cephems (G) o Ø-lactam có chứa vòng 1,2,3,4-tetrahydro pyridin được gọi tên là carbacephems (H) o Ø-lactam có chứa vòng 3,6-dihydro-2H-1,3-oxazine được gọi tên là oxacephems (I) « f-lactam không kết hop với bất kỳ một vòng nào được gọi tên là monobactams 1% J} Hệ COOH COOH COOH rR#.0O rat © a © le nO\ FO loi \ le J COOH COOH 73.9 : ; HO FO XO COOH COOH COOH Hình 1.
Cau trúc cơ sở B-lactam Hop chất chứa vòng Ø-lactam được ứng dụng chủ yếu trong thực tế là làm thuốc kháng sinh. TONG HỢP BETA LACTAM A7Zetidin-2-ones(Ø-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 tong hợp hữu cơ [13]. Nhiều phương pháp tổng hợp f-lactam đã được phát triển như: 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, phan ứng của ketene với các hợp chất chứa chức imine, là phương pháp tổng hợp quan trọng nhất điều chế /-lactam.
Ké từ khi được phát hiện ra bởi Staudinger [15], phản ứng này từ lâu đã được nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết dé hiểu cơ chế của nó và là cơ sở cho việc chọn lọc lập thé. Nó được áp dụng dé tổng hợp một loạt các cấu trúc f-lactam (Sơ đồ 1. Hiện nay phản ứng này vẫn là một trong những phương pháp tốt nhất cho quá trình tổng hợp / -lactam [14]. Phản ứng Staudinger 3 1.
Cơ chế phản ứng và điều khiến độ chọn lọc lập thể Cơ chế của phản ứng Staudinger được đưa 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 phăng carbonyl ketene tạo ketene thế. Quá trình tấn công xảy ra ở bên phía ít cản trở (cách tiếp cận exo), với mặt phăng của imine vuông góc với ketene, tạo ra các trung gian zwitterion (5) (sơ đồ 1. RL OH RL__LH conrotatory : LS: „RÍ of a ~o~£(5)af L >>—IÍ— L X7 ring closure im Ss lộ (6)Np exo approach ` L RÍ+ H wf - So So Or `2 R | R' = Ph, OMe, SMe $ Loc S 1 pmN = -9- CN, conrotatory `s2 (8) ° RS ring closure từng Sơ đồ 1.
Cơ ché phan ứng Staudinger Hợp chất trung gian này đã được phát hiện và đặc trưng bởi quang phô IR [22]. Chuyển động quay của các imine đi vào mặt phang của ketene xảy ra đồng thời với việc đóng vòng conrotatory tạo ra sản phẩm / —lactam (6) trong đó nhóm imine R` và nhóm L của ketene là cis. Khi nhóm thế trên carbon sp“ của imine (R' trong sơ đồ) ổn định điện tích đương, hợp chất trung gian zwitterioncó thé bị đồng phân hóa tạo thành dang cis của liên kết iminium vatao ra sản phẩm trans--lactam (9). Tỷ lệ tương đối của các quá trình sẽ xác định sản phẩm hóa học lập thê 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] khang định bản chat hai bước của quá trình và chứng minh một số điểm tương đồng với mô hình đề xuất bởi Houk cho phan ứng conrotatory của cyclobutenes [18]. Gần đây, nghiên cứu mới của nhóm Xu [9] dé xuất một cơ sởđể giải thích kết quả lập thé của phản ứng, xem xét lại mô hình được mô tả bởi Hegedus và chỉ ra nguôn gôc động hoc của tỷ lệ cis/trans của sản pham / -lactam. Con đường được dé xuất cho sự hình thành Ø -lactam được mô tả dưới đây (Sơ đồ 1.
ky ring closure R2 ©_ R2 ka R3 i H + | 7 “H N + k - N R`H R OT FRI exo-attack kp t ky isomerization H R2 3 2 R 3 5 kg R ^R ee “ing” CN oO ’R' J closureO R' So đồ 1. Con đường hình thành / -lactam Khi sử dung ketene dẫn xuất một lần thế thường cho tấn công exo là ưu thé. Sản phâm hóa học lập thể cuối cùng chịu ảnh hưởng 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 (k¡) và phan ứng đồng phân hóa imine (k;). Tỷ lệ k¡/k; xác định tỷ lệ cis/trans của sản pham Ø -lactam.
Các tác giả đề xuất [9], bước đóng vòng có thé xảy ra dé dang hơn khi thêm vào một tác nhân nucleophile của một enolate nhóm chức của imine hon 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 k,), dẫn đến hình thành chủ yếu cis- 6 —lactam. Mặt khác, làm giảm mật độ electron của ketene thé và làm tăng mật độ electron imine sẽ làm giảm giá trị kị và có lợi cho phản ứng đồng phân hóa, dẫn đến hình thành chủ yếu trans- Ø — lactam. Các hiệu ứng điện tử của các nhóm thé trên đồng phân là một yếu tố nhỏ trong chọn lọc lập thé.
Cuối cùng, sau khi so sánh các phan ứng tương tự thực hiện trong các điều kiện khác nhau, các tác giả cũng thừa nhận rằng không có ảnh hưởng của sóng viba [15] hoặc anh sáng trong độ chọn lọc lập thé của phản ứng Staudinge [21]. Độ chọn lọc lập thể cũng chịu ảnh hưởng bởi tính chất của dung môi, các dung môi không phân cực có lợi cho sự hình thành cis- Ø —lactam, trong khi dung môi phân cực thuận lợi cho sự hình thành trans. Ngoài ra, cách ketene 5 được hình thành và thứ tự của b6 sung các tác nhân, cũng ảnh hưởng đến độ chọn lọc lập thể của sản phẩm [27]. Sự xuất hiện của các orbital liên hợp giữa ketene va tác nhân imine ảnh hưởng đến độ chọn lọc lập thé của sản phâm tương tự như nhiệt độ [19].
Một phương pháp rất hiệu qua dé thu được trans- Ø -lactam được phát triển bởi Lectka và đồng nghiệp bang cách sử dụng muối (12) như một anion xúc tác ái nhân (Sơ đồ 1. Trên thực tế, biện pháp này không hiệu quả với acyl clorua béo [28]. EtOzC ‘a Ox _CI (11) Ni. a Ph COz;Et » p= ° (13) 7 xế O14)T Lao Groton, toluene, O0°C without catalyst 1:1 with 10% of (8) 37:1 (50% yield) SOx *NRy N“*N^ ~ “ta R = hepty| So đồ 1.
Sử dung muối 12 tông hop B-lactam Việc sử dung sorbyl clorua (16) như một một tiền chất của butadienylketene thu được một số kết quả thú vị liên quan đến đồng phân lập thê không đối quang. Khi phản ứng Staudinger được thực hiện với N-aryl imine, thu được chủ yếu là sản phẩm trans, trong khi sử dụng N-akyl imine thu được chủ yếu là cis- / lactam (So đồ 1. le) Aw AZ RP ZA _® ` (16) to. | ( 15) `Rt NEts, CH;CI; 017) R' 0” (1a) R' R'=Ph R?=Ph > 5:95 R'=Ph R2=4-MeCgHy > 5 : 95 R'=4-MeCgH, R2=Ph > 5:95 R'=4-MeCgH, R2=4-MeCgH, > 5 : 95 RỈ = c-Hex R2= Ph > 95:5 R! = c-Hex R2=4-MeCgH, > 95 : 5 Sơ đồ 1.
Sorbyl clorua (16)tông hợp Ø-lactam Việc chọn loc trans cũng thu được trong phan ứng Staudinger gitra imine và vinylketene chứa một y — heteroatom. Cấu hình Z của nhánh vinyl của đồng đồng phân lập thé có tác dung ôn định vinylketene và sản phẩm chính là trans-3- vinyl - Ø -lactam (Sơ đồ 1. | SQ Cs `) R2 CỊ 0 (20) ff fe) Ph „N M HRZ NEts CHạCl; I |—=Š 0n Not reflux, 18-48 h \ ~ OPh | lo) (22) (19) +Q (21) | Ph R! = R2 = 4-MeCaH„ 77% RÍ = 4-MeCgH, R? = Ph 80% R'=R2=Ph 75% RÍ = Ph R2 = 4-MeCgHy 73% R' = 4-MeCgHy R2=CO,Me 70% Sơ đồ 1. Tổng hợp j-lactam từ imine va vinylketene 1.
PHAN TÍCH CAC DONG PHAN DOI QUANG Phân tích các đồng phân đối quang là tách một hỗn hop raxemic bang các phương pháp vật lý và hóa học. Thông thường, sự tách được 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 thê tách bang cách trực tiếp. Trong khi đó, các đồng phân “dia” có thé tách được bang các phương pháp kết tinh chọn lọc, phương pháp sắc ký hoặc phương pháp NMR. Phương 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, người ta đã sử dụng các enzym dé chuyển hóa chon 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. Dưới tác dụng của enzym này, chỉ có đồng phan S được thủy phân. Nhờ đó mà người ta tach được hai đồng phân này ra khỏi nhau.