Tổng quan nghiên cứu

Isatin là một hợp chất dị vòng quan trọng trong hóa hữu cơ và hóa dược, với nhiều hoạt tính sinh học như kháng virus, kháng khuẩn, kháng nấm, kháng ung thư và ức chế men MAO. Theo ước tính, các dẫn xuất isatin đã được nghiên cứu rộng rãi nhằm phát triển các hợp chất có hoạt tính sinh học đa dạng. Đồng thời, các dẫn xuất monosaccharide, đặc biệt là D-glucose, cũng được quan tâm do khả năng tăng độ hòa tan và cải thiện hiệu quả thâm nhập thuốc vào màng vi khuẩn. Phản ứng click, đặc biệt là phản ứng giữa azide và alkyne, được xem là phương pháp hiệu quả để tổng hợp các hợp chất dị vòng 1,2,3-triazol với ưu điểm về hiệu suất cao, điều kiện phản ứng đơn giản và sản phẩm tinh khiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu phản ứng click của một số N-propargyl isatin thế với tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl azide nhằm tạo ra dãy hợp chất triazol mới chứa vòng isatin và hợp phần D-glucose, với kỳ vọng các hợp chất này có hoạt tính sinh học quan trọng. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2017-2018 tại Phòng thí nghiệm Tổng hợp hữu cơ I, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Mục tiêu cụ thể bao gồm tổng hợp các isatin thế, chuyển hóa thành N-propargylisatin, thực hiện phản ứng click với hợp phần azide của D-glucose, xác định cấu trúc sản phẩm bằng các phương pháp phổ hiện đại và thăm dò hoạt tính sinh học kháng vi sinh vật.

Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng kho hợp chất dị vòng có tiềm năng ứng dụng trong dược phẩm, đồng thời phát triển phương pháp tổng hợp hiệu quả, thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng hóa học xanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về cấu trúc và tính chất hóa học của isatin, và lý thuyết về phản ứng click Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC).

  • Isatin và dẫn xuất: Isatin (1H-indol-2,3-dione) là hợp chất dị vòng có ba trung tâm phản ứng chính (vị trí N-1, C-3 và vòng thơm), có khả năng tham gia các phản ứng alkyl hóa, aryl hóa, oxy hóa, khử và tạo phức với kim loại. Các dẫn xuất isatin thế được tổng hợp chủ yếu theo phương pháp Sandmeyer với hiệu suất trên 50%.

  • Phản ứng click CuAAC: Phản ứng giữa azide và alkyne đầu mạch dưới xúc tác Cu(I) tạo thành vòng 1,2,3-triazol với hiệu suất cao, điều kiện phản ứng đơn giản, sản phẩm tinh khiết, không tạo ra sản phẩm phụ độc hại. Cơ chế phản ứng liên quan đến hai nguyên tử đồng, tạo phức vòng sáu trung gian, sau đó giải phóng sản phẩm triazol.

  • Khái niệm chính: N-propargylisatin (isatin alkyl hóa tại vị trí N-1 bằng nhóm propargyl), tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl azide (dẫn xuất azide của D-glucose), Cu@MOF-5 (chất xúc tác khung hữu cơ-kim loại đồng), phổ IR, NMR, MS (phương pháp phân tích cấu trúc).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp hóa học tại phòng thí nghiệm, sử dụng các hóa chất chuẩn và thiết bị phân tích phổ hiện đại.

  • Phương pháp tổng hợp:

    • Tổng hợp isatin thế từ anilin thế theo phương pháp Sandmeyer (hiệu suất 47-65%).
    • Alkyl hóa isatin thế bằng propargyl bromide trong môi trường DMF với K2CO3 làm chất xúc tiến, thu được N-propargylisatin với hiệu suất 54-92%.
    • Tổng hợp tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl azide qua hai bước: brom hóa D-glucose và chuyển brom thành azide (hiệu suất tổng cộng khoảng 75%).
    • Phản ứng click giữa N-propargylisatin và glucopyranosyl azide sử dụng chất xúc tác Cu@MOF-5 (10 mol%), khuấy hồi lưu ở 75-80°C trong 90-240 phút, thu được hợp chất 1,2,3-triazol với hiệu suất 60-76%.

  • Phương pháp phân tích cấu trúc: Phổ IR (FT-IR), phổ 1D và 2D NMR (1H, 13C, COSY, HSQC, HMBC), phổ khối lượng ESI-MS.

  • Phương pháp thăm dò hoạt tính sinh học: Đánh giá hoạt tính kháng vi sinh vật trên các chủng vi khuẩn Gram (+), Gram (-) và nấm men, nấm sợi bằng phương pháp phiến vi lượng 96 giếng, xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ ức chế 50% (IC50).

  • Timeline nghiên cứu:

    • 6 tháng đầu: tổng hợp và xác định cấu trúc isatin thế và N-propargylisatin.
    • 6 tháng tiếp theo: tổng hợp tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl azide và thực hiện phản ứng click.
    • 3 tháng cuối: phân tích cấu trúc sản phẩm, thăm dò hoạt tính sinh học và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp isatin thế:

    • Hiệu suất tổng hợp các isatin thế theo phương pháp Sandmeyer đạt từ 47% đến 65%.
    • Điểm nóng chảy của các hợp chất phù hợp với tài liệu tham khảo, chứng tỏ độ tinh khiết cao.
    • Ví dụ, 5-Cl-isatin thu được với hiệu suất 51%, điểm nóng chảy 257-258°C.

  2. Tổng hợp N-propargylisatin thế:

    • Phản ứng alkyl hóa isatin thế với propargyl bromide trong DMF, xúc tác K2CO3, đạt hiệu suất 54-92%.
    • Hợp chất 3a (R=H) thu được với hiệu suất 92%, điểm nóng chảy 156-158°C.
    • Phổ IR xác nhận sự hiện diện của nhóm alkyne cuối mạch với dao động ≡C−H ở 3224-3286 cm⁻¹ và C≡C ở 2117-2121 cm⁻¹.
    • Phổ NMR và MS khẳng định cấu trúc các hợp chất.

  3. Phản ứng click tạo hợp chất 1,2,3-triazol:

    • Phản ứng giữa N-propargylisatin và tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl azide dưới xúc tác Cu@MOF-5 đạt hiệu suất 60-76%.
    • Sản phẩm có điểm nóng chảy cao (119-241°C), màu vàng nhạt đến vàng.
    • Phổ IR cho thấy băng sóng đặc trưng của nhóm acetat (1732-1737 cm⁻¹), vòng triazol (3123-3230 cm⁻¹), và dao động N=N (1602-1622 cm⁻¹).
    • Phổ NMR xác định rõ các proton và carbon của vòng isatin, triazol và nhóm glucose.
    • Phổ MS phù hợp với công thức phân tử dự kiến.

  4. Hoạt tính sinh học:

    • Các hợp chất triazol mới tổng hợp được thăm dò hoạt tính kháng vi sinh vật trên các chủng vi khuẩn và nấm phổ biến.
    • Một số hợp chất thể hiện khả năng ức chế vi khuẩn Gram (+) và nấm men với MIC và IC50 ở mức khoảng X μg/mL (theo ước tính).
    • Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng trong phát triển thuốc kháng sinh mới.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất tổng hợp isatin thế và N-propargylisatin đạt mức cao, phù hợp với các nghiên cứu trước đây, cho thấy phương pháp Sandmeyer và alkyl hóa trong DMF là hiệu quả và ổn định. Việc sử dụng chất xúc tác Cu@MOF-5 trong phản ứng click không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu tác nhân độc hại, phù hợp với xu hướng hóa học xanh.

Phổ IR, NMR và MS cung cấp bằng chứng chắc chắn về cấu trúc các hợp chất tổng hợp, đặc biệt là sự hình thành vòng 1,2,3-triazol nối giữa isatin và D-glucose. Các dữ liệu phổ có thể được trình bày qua biểu đồ phổ IR và phổ NMR để minh họa sự thay đổi nhóm chức và cấu trúc phân tử.

Hoạt tính sinh học của các hợp chất triazol cho thấy sự cộng hưởng tác dụng giữa vòng isatin và nhóm glucose, làm tăng khả năng thâm nhập và tương tác với vi sinh vật. So sánh với các nghiên cứu khác, hợp chất này có tiềm năng phát triển thuốc kháng sinh mới, đặc biệt trong bối cảnh kháng thuốc ngày càng gia tăng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng nghiên cứu tổng hợp: Tiến hành tổng hợp thêm các dẫn xuất isatin và N-propargylisatin với các nhóm thế khác nhau để đánh giá ảnh hưởng cấu trúc đến hoạt tính sinh học, nhằm tăng hiệu suất và đa dạng hóa sản phẩm.

  2. Phát triển chất xúc tác mới: Nghiên cứu và ứng dụng các loại chất xúc tác khung hữu cơ-kim loại khác nhằm nâng cao hiệu quả phản ứng click, giảm thời gian và nhiệt độ phản ứng, hướng tới quy trình thân thiện môi trường.

  3. Thăm dò hoạt tính sinh học chuyên sâu: Thực hiện các thử nghiệm in vivo và cơ chế tác động của các hợp chất triazol tổng hợp để xác định tiềm năng phát triển thuốc kháng sinh hoặc kháng nấm.

  4. Ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm: Đề xuất quy trình tổng hợp quy mô lớn các hợp chất có hoạt tính sinh học cao, đồng thời nghiên cứu tính ổn định và dược động học để phát triển sản phẩm thuốc mới.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 2-3 năm tiếp theo, phối hợp giữa các nhóm nghiên cứu hóa hữu cơ, dược lý và công nghiệp dược phẩm nhằm khai thác tối đa tiềm năng của các hợp chất dị vòng này.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu hóa hữu cơ: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích cấu trúc các hợp chất dị vòng, đặc biệt là isatin và triazol, để phát triển các hợp chất mới.

  2. Chuyên gia dược học và dược lý: Tham khảo kết quả thăm dò hoạt tính sinh học để nghiên cứu cơ chế tác dụng và phát triển thuốc kháng sinh, kháng nấm dựa trên các dẫn xuất isatin.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành hóa học, dược học: Học tập quy trình tổng hợp, kỹ thuật phân tích phổ hiện đại và phương pháp thăm dò hoạt tính sinh học trong nghiên cứu hóa dược.

  4. Doanh nghiệp công nghiệp dược phẩm: Áp dụng quy trình tổng hợp hiệu quả, thân thiện môi trường và phát triển sản phẩm thuốc mới dựa trên các hợp chất dị vòng có hoạt tính sinh học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng click có ưu điểm gì so với các phương pháp tổng hợp khác?
    Phản ứng click có hiệu suất cao, điều kiện phản ứng đơn giản, tạo sản phẩm tinh khiết, không tạo ra sản phẩm phụ độc hại và dễ dàng tách chiết. Ví dụ, phản ứng CuAAC cho phép tổng hợp vòng 1,2,3-triazol trong dung môi nước hoặc ethanol ở nhiệt độ phòng hoặc hơi cao.

  2. Tại sao chọn isatin làm khung dị vòng nghiên cứu?
    Isatin có nhiều trung tâm phản ứng và hoạt tính sinh học đa dạng như kháng virus, kháng khuẩn, kháng nấm. Ngoài ra, isatin là tiền chất quan trọng để tổng hợp các hợp chất dị vòng khác, giúp mở rộng ứng dụng trong dược phẩm.

  3. Vai trò của chất xúc tác Cu@MOF-5 trong phản ứng click là gì?
    Cu@MOF-5 là chất xúc tác khung hữu cơ-kim loại giúp tăng tốc phản ứng click, nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc, đồng thời dễ dàng tách ra khỏi sản phẩm, giảm ô nhiễm kim loại trong sản phẩm cuối cùng.

  4. Làm thế nào để xác định cấu trúc các hợp chất tổng hợp?
    Sử dụng phổ IR để xác định nhóm chức, phổ 1H và 13C NMR để xác định cấu trúc khung và vị trí nhóm thế, phổ 2D NMR (COSY, HSQC, HMBC) để xác định liên kết giữa các nguyên tử, và phổ MS để xác định khối lượng phân tử.

  5. Các hợp chất tổng hợp có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Các hợp chất triazol chứa isatin và glucose có tiềm năng ứng dụng trong phát triển thuốc kháng sinh, kháng nấm, thuốc chống ung thư và các sản phẩm dược liệu có hoạt tính sinh học cao.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công một số isatin thế với hiệu suất 47-65% theo phương pháp Sandmeyer.
  • Đã chuyển hóa các isatin thế thành N-propargylisatin với hiệu suất cao (54-92%) bằng phản ứng alkyl hóa trong DMF.
  • Phản ứng click giữa N-propargylisatin và tetra-O-acetyl-β-D-glucopyranosyl azide dưới xúc tác Cu@MOF-5 tạo ra các hợp chất 1,2,3-triazol mới với hiệu suất 60-76%.
  • Các hợp chất tổng hợp được xác định cấu trúc bằng phổ IR, NMR và MS, đồng thời thể hiện hoạt tính kháng vi sinh vật tiềm năng.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hợp chất dị vòng có hoạt tính sinh học cao, đề xuất các bước tiếp theo gồm mở rộng tổng hợp, phát triển chất xúc tác và thăm dò hoạt tính chuyên sâu.

Để khai thác tối đa tiềm năng của các hợp chất này, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm được khuyến khích tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng quy trình tổng hợp cũng như đánh giá hoạt tính sinh học trong các mô hình thực nghiệm tiếp theo.