Nghiên cứu phương pháp tổng hợp pregnan và dẫn xuất từ 9α-hydroxy androstendion

Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu 0873 nghiên cứu một số phương pháp tổng hơp ̣ pregnan và một số dẫn xuất của chúng từ 9α hydroxy, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Thị Diệp
• Người hướng dẫn: PGS. Lưu Đức Huy
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Tổng Hợp Pregnan Và Dẫn Xuất Từ 9α-Hydroxy Androstendion
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tổng hợp pregnan từ 9α hydroxy androstendion

Nghiên cứu tổng hợp pregnan và các dẫn xuất từ 9α-hydroxy androstendion đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong hóa học hữu cơ. Các hợp chất này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có ứng dụng thực tiễn trong ngành dược phẩm. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả sẽ giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu và nâng cao khả năng sản xuất nội địa.

1.1. Định nghĩa và cấu trúc của pregnan

Pregnan là một loại steroid có cấu trúc đặc trưng với mạch nhánh gắn ở vị trí C-17. Cấu trúc này cho phép pregnan tham gia vào nhiều phản ứng hóa học khác nhau, tạo ra các dẫn xuất có hoạt tính sinh học cao.

1.2. Vai trò của 9α hydroxy androstendion trong tổng hợp

9α-hydroxy androstendion là một hợp chất trung gian quan trọng trong quá trình tổng hợp pregnan. Hợp chất này có khả năng chuyển hóa thành nhiều dẫn xuất khác nhau, mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hóa học hữu cơ.

II. Thách thức trong nghiên cứu tổng hợp pregnan và dẫn xuất

Mặc dù có nhiều phương pháp tổng hợp pregnan, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa quy trình. Các vấn đề như hiệu suất thấp, độ chọn lọc không cao và chi phí sản xuất cao cần được giải quyết. Việc tìm kiếm các phương pháp mới và cải tiến quy trình hiện tại là rất cần thiết.

2.1. Vấn đề về hiệu suất trong tổng hợp

Hiệu suất tổng hợp thấp là một trong những vấn đề lớn nhất trong nghiên cứu. Nhiều phương pháp hiện tại không đạt được hiệu suất mong muốn, dẫn đến việc tiêu tốn nhiều thời gian và nguyên liệu.

2.2. Độ chọn lọc và tính bền vững của quy trình

Độ chọn lọc của các phản ứng hóa học cũng là một thách thức lớn. Việc phát triển các phương pháp có độ chọn lọc cao sẽ giúp giảm thiểu sản phẩm phụ và tăng cường tính bền vững của quy trình tổng hợp.

III. Phương pháp tổng hợp pregnan từ 9α hydroxy androstendion

Có nhiều phương pháp tổng hợp pregnan từ 9α-hydroxy androstendion, trong đó phương pháp cyanohydrin và acetylene được coi là hiệu quả nhất. Các phương pháp này không chỉ giúp tạo ra pregnan mà còn cho phép tạo ra các dẫn xuất khác nhau với hoạt tính sinh học cao.

3.1. Phương pháp cyanohydrin trong tổng hợp

Phương pháp cyanohydrin sử dụng HCN để ngưng tụ với 17-ketosteroid, tạo ra các sản phẩm có giá trị. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả trong việc tổng hợp pregnan và các dẫn xuất của nó.

3.2. Phương pháp acetylene trong tổng hợp

Phương pháp acetylene cho phép ngưng tụ 17-ketosteroid với acetylene, tạo ra các dẫn xuất pregnan. Phương pháp này đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất và độ chọn lọc.

IV. Ứng dụng thực tiễn của pregnan và dẫn xuất trong y học

Các dẫn xuất của pregnan có nhiều ứng dụng trong y học, đặc biệt là trong việc phát triển các loại thuốc steroid. Việc tổng hợp thành công các dẫn xuất này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong điều trị bệnh và cải thiện sức khỏe con người.

4.1. Ứng dụng trong điều trị bệnh

Các dẫn xuất pregnan được sử dụng trong điều trị nhiều loại bệnh, bao gồm các bệnh liên quan đến hormone và viêm. Chúng có khả năng điều chỉnh hoạt động của hormone steroid trong cơ thể.

4.2. Tiềm năng phát triển dược phẩm mới

Nghiên cứu và phát triển các dẫn xuất pregnan có thể dẫn đến việc tạo ra các loại thuốc mới với hiệu quả cao hơn và ít tác dụng phụ hơn. Điều này sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp pregnan và các dẫn xuất từ 9α-hydroxy androstendion đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực hóa học hữu cơ và dược phẩm. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả sẽ giúp nâng cao khả năng sản xuất nội địa và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu.

5.1. Tương lai của nghiên cứu tổng hợp pregnan

Nghiên cứu trong lĩnh vực tổng hợp pregnan sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều phương pháp mới được đề xuất. Điều này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ chọn lọc của các phản ứng hóa học.

5.2. Định hướng phát triển dược phẩm từ pregnan

Định hướng phát triển các loại thuốc từ pregnan sẽ tiếp tục được chú trọng. Các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tạo ra các dẫn xuất mới với hoạt tính sinh học cao và ít tác dụng phụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Theo nhận định chung, hiện nay Việt Nam đang phải nhập khẩu tới 90% hoạt chất làm thuốc, 100% các thuốc có gốc steroid và nền công nghiệp hóa dược gần như chưa có. Ngày 10/01/2014 Thủ tướng Chính phủ có Quyết định số 68/QĐ-TTg phê duyệt chiến lược quốc gia phát triển ngành dược Việt Nam giai đoạn đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030. Theo đó, đến năm 2020, thuốc sản xuất trong nước chiếm 80% tổng giá trị thuốc tiêu thụ trong năm, sản xuất được 20% nhu cầu nguyên liệu cho sản xuất thuốc trong nước. Ngay từ Đại hội Hội Hoá dược tháng 10/2007 diễn ra ở Hà Nội, phần lớn ý kiến của các nhà khoa đều đã đinh, ngành hóa dược Việt Nam muốn thành công hoc nhân vẫn phải ưu tiên đi vào các nguồn hợp chất thiên nhiên như sterol đậu tương, flavonoid…[121], coi đây là môt trong những thế manh của ngành.

Trướ c đây, trong h tổng hơp các loai thuốc có nguồn gốc steroid, lin vưc diosgenin và solasodine chiết xuất từ Dioscorea và Solanum tương ứ ng, coi là đươc các nguyên liệu số một. Tuy nhiên các cây này phải trồng trên đất nông nghiệp nhiều năm mới có thu hoạch, do vậy giá thành cao. Từ lâu người ta đã ra sức tìm kiếm các nguồn nguyên liệu rẻ tiền hơn. Các sterol thực vật (phytosterol) được chú ý đến nhiều nhất vì chúng có trữ lượng rất lớn và có thể thu hồi từ phế phụ thải công nghiệp giấy, công nghiệp mía đường và công nghiệp dầu đậu tương.

Điều này đã trở thành hiện thực sau khi phát minh ra một số chủng vi sinh phân cắt chọn lọc mạch bên các sterol đến các 17-ketosteroid: androstenedione (AD), androstadienedione (ADD) và 9- hydroxyandrostenedione (9-OH AD) [122]. Một số công ty dược lớn trên thế giới “Upjoin Co.’’ [8,49,56] của Mỹ, “Schering” [81] của Đức, “Mitsubishi” [9,23] của Nhật đã đưa ra thị trường một số dược phẩm steroid được bán tổng hợp từ sterol thông qua 17-ketosteroid trung gian. Ở nước ta một số nhà máy giấy cỡ lớn đang hoạt động và đậu tương là một nông sản quan trọng thứ ba với sản lượng hàng trăm ngàn tấn/ năm. Do vậy thu hồi sterol từ phế phụ thải của hai ngành sản xuất trên là một vấn đề thời sự có ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội và môi trường to lớn.

2 Ở Việt Nam từ 1990 đến nay nhóm nghiên cứu của Lưu Đức Huy và cộng sự đã nghiên cứu nhằm hoàn thiện một số phương pháp mới chuyển hoá sterol đến corticoid thông qua 17-ketosteroid trung gian. Mục đích cuối cùng là đưa ra một sơ đồ mới hiệu quả tổng hợp corticoid từ sterol thay thế cho các sơ đồ trước đây tổng hợp chúng dựa trên nguyên liệu cũ không còn tương lai diosgenin và solasodine. Năm 2006, lần đầu tiên Lưu Đức Huy và các đồng tác giả [123] đã công bố kết quả chuyển hoá vi sinh rất hiệu quả phytosterol, nguyên liệu Việt Nam, đến AD và ADD. Năm 2007, Bộ Khoa học Công nghệ đã phê duyệt nhiệm vụ Nghị định thư hợp tác với Liên bang Nga “Nghiên cứu công nghệ vi sinh chuyển hoá phytosterol đến androstenedione (AD) và 9-hydroxy AD sử dụng trong công nghiệp hoá - dược” do Lưu Đức Huy làm chủ nhiệm.

Từ kết quả nhận được Lưu Đức Huy và cộng sự Nga đã có công bố công nghệ chuyển hóa vi sinh phytosterol đến AD và 9α-OH AD [124] với hiệu suất trung bình đạt 70% và 75-80%, tương ứng. Công nghệ còn được nghiên cứu cải tiến, nâng cấp nhờ áp dụng phương pháp xúc tác Immobil [125]. Về nguyên tắc khi nguyên liệu đầu là diosgenin hay solasodine, sau khi phân cắt chọn lọc mạch nhánh ta đã có được mạch bên pregnane; khi chuyển sang sterol ta nhận được 17-ketosteroid (AD, ADD, 9α-OH AD…), tức là chưa có mạch bên pregnane. Như vây, một trong số các nhiệm vụ quan trọng nhất là xây dựng mạch bên pregnane.

Trong đó phương pháp cyanohydrin và phương pháp acetylene có triển vọng ứng dụng nhất. Trong phạm vi của luận án này, chúng tôi đăt ra vu ̣” nghiên cứu và hoàn nhiêm thiện số phương pháp tổng pregnane và một số dẫn xuất của chúng từ 9α-OH môt hơp AD như sau: 1. Dehydrat hóa 9α-OH AD tổng hợp androsta-4,9(11)-diene-3,17-dione (Δ9-AD) 2. Nghiên cứu so sánh hai phương pháp có giá trị thực tiễn nhất tổng hợp mạch bên pregnane từ 17-ketosteroid là phương pháp acetylene và phương pháp cyanohydrin 3.

Phương pháp tạo lập nhóm chức 16β-methyl-17α-hydroxypregnane 4. Phương pháp tạo lập nối đôi ∆1(2) 5. Phương pháp tạo lập mạch bên corticoid 3 6. Một số phương pháp phụ trợ khác như: tạo lập 9β,11β-epoxy; 16α,17α-epoxy; đưa nhóm OH vào vị trí 11β-; tạo lập nhóm chức 9α-bromo-11β-hydroxy; bảo vệ các nhóm 3- và 20-keto… Các phương pháp này là một phần của chương trình lớn hơn và bao quát hơn của nhóm nghiên cứu do Lưu Đức Huy phụ trách, nghiên cứu tổng hợp các loại thuốc có gốc steroid đặc biệt là các corticoid.

Dựa trên các phương pháp này chúng tôi cũng đề xuất hai sơ đồ lựa chọn hoàn chỉnh tổng hợp một số thuốc gốc steroid như: hydrocortisone acetate, prednisolone, betamethasone, beclomethasone từ 9α-OH AD. Phương pháp tổng hợp mạch bên pregnane Pregnane là một lớp chất steroid với mạch nhánh gồm hai nguyên tử C (20CH221CH3) gắn ở vị trí C-17. Tất cả các steroid đều có hê ” thống khung cyclopentanoperhydrophenanthrene bao gồm ba vòng cyclohexane (A, B, C) và một vòng cyclopentane (D). Khung steroid Khung pregnane Tổng hợp corticosteroid nói chung, 20-ketopregnane nói riêng, từ 17- ketoandrostene có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp sau đây [1-5].

(1) Phương pháp cyanohydrin: 17-ketosteroid được ngưng tụ chọn lọc lập thể với HCN; 17-cyano-17-hydroxyandrostene tạo thành được alkyl hoá bằng tác nhân Grignard hay CH3Li. (3) Ứng dụng phản ứng ngưng tụ Knoevenagel: ngưng tụ xúc tác base 17- ketosteroid với hợp chất có nguyên tử hydro linh động như methoxy-, ester cyanoacetic, isocyanoacetate, nitromethane v. tiếp theo, oxy hoá liên kết đôi Δ17(20). (5) Phương pháp acetylene, tức là 17-ketosteroid được ngưng tụ với acetylene; 17-ethynyl-17-hydroxyandrostene tạo ra sẽ được chuyển hoá đến pregnane bằng những phương pháp khác nhau.

Con đường acetylene bắt đầu phát triển chỉ vào những năm gần đây khi có được khả năng rõ ràng 17-ethynyl hoá định hướng lập thể 17- 5 ketosteroid hay là epimer hoá hiệu quả trung tâm C-17 của 17-ethynyl-17- hydroxyandrostene nhận được ban đầu trong phản ứng ngưng tụ acetylene. Điều đó đã kích thích mối quan tâm ứng dụng phương pháp này vào thực tiễn và cần thiết tổng kết lại các tư liệu tham khảo mà cho đến nay trong các tổng quan mới chỉ được đề cập rời rạc ở phạm vi tổng hợp mạch bên pregnane [1-3,5]. Trong tổng quan này chúng tôi sắp xếp bố cục theo thời gian phát triển của phương pháp chuyển hoá 17-ketoandrostene đến 20-ketopregnane, đặc biệt lưu ý tới các công trình gần đây nhất. Phương pháp cyanohydrin tổng hợp mạch bên pregnane Phương pháp rất có ý nghĩa thực tiễn tổng hợp mạch bên pregnane là phương pháp cyanohydrin, bao gồm tương tác của các hợp chất 17-ketosteroid với acetone cyanohydrin (hay HCN) và alkyl hoá tiếp theo hợp chất 17α-hydroxy-17β-cyano vừa nhận được.

Phương pháp cyanohydrin xây dựng mạch bên pregnane từ AD và 9 -OH AD có hàng loạt ưu điểm: tính chọn lọc cao của phản ứng hydrocyan hoá vào nhóm 17-keto, tác nhân acetone cyanohydrin dồi dào, giá thành thấp. Trong tổng hợp các pregnane từ AD các tác giả đã chỉ ra tính hiệu quả cao của phản ứng này [6]. Phương pháp cyanohydrin xây dựng mạch bên pregnane từ chất đầu AD cũng đã được đề xuất bởi các tác giả Nhật [7]. Trong sáng chế của hãng Upjohn [8], phương pháp cyanohydrin được áp dụng để mô hình hoá các dẫn xuất khác nhau của AD.

Tuy nhiên việc sử dụng 9α-OH AD là chất đầu đã được tuyên bố nhưng chưa được mô tả trong các ví dụ. Để tránh chuyển vị không mong muốn với sự tham gia của nhóm 9-hydroxy bậc ba và vòng A, một cách tiện lợi sẽ chuyển hoá nó đến dẫn xuất ∆9(11), chức này bền vững hơn trong điều kiện các phản ứng tiếp theo. Hãng Mitsubishi của Nhật đã đề xuất điều chế dẫn xuất 17β- cyano-17α-hydroxy bằng cách hydrocyano hóa AD hay là ∆9(11)-AD. Tuy nhiên phản ứng của ∆9(11)-AD với acetone cyanohydin trong các điều kiện được tác giả mô tả xảy ra với sự tạo thành chỉ dẫn xuất không mong muốn 17α-cyano-17β-hydroxy, trong khi phản ứng với sự có mặt nhóm 9α-hydroxy ở chính các điều kiện này chỉ cho đồng phân epimer mong muốn 17β-cyano-17α-hydroxy.

Đồng phân 17β-cyano-17- hydroxy-∆9(11) có thể nhận được bằng cách epimer hóa 17α-cyano-17-hydroxy-∆9(11) tạo thành ban đầu, bằng tác dụng với NaCN hoặc triethyl amine hydrocyanua 6 (Et3N.HCN) trong dung môi alcohol bậc thấp [9]. Tác giả sáng chế [10] đã điều chế thành công đồng phân 17β-cyano-17α-hydroxy xuất phát từ ∆9-AD với hiệu suất 93% trong môi trường alcohol/nước khi sử dụng phương pháp epimer hoá mà bản chất của phương pháp này là kết tủa dần dần đồng phân 17β-cyano-17α-hydroxy bằng cách thay đổi nồng độ nước. Chuyển hoá xa hơn hợp chất 17β-cyano-17α-hydroxy- đến 20-ketopregnane đã được thực hiện bằng phản ứng với CH 3Li hay CH3MgBr, trong đó các nhóm 3-keto và 17α-hydroxy đã được bảo vệ [7,11-13]. Để tạo ra hợp chất ∆16(17)- có thể sử dụng đồng phân 17α-cyano-17β-hydroxy hoặc 17β-cyano-17α-hydroxy, hoặc hỗn hợp của chúng.

Ban đầu người ta ester hoá nhóm 17-hydroxy bằng phản ứng với methanesulfonyl chloride (CH3SO2Cl), sau đó 17-cyano-17-methanesulfonyloxysteroid tạo thành được xử lí bằng tác nhân dehydrat hoá. Alkyl hoá tiếp theo ∆16(17)-17-nitrile bằng tác nhân Grignard cho phép chuyển hoá các dẫn xuất androstane đến 20-ketopregnane với hiệu suất cao [14]. Phương pháp đã được hoàn thiện và áp dụng đối với các trường hợp 3-acetoxy-∆5-17-ketoandrostane và AD [15]. Để điều chế 17-acetylsteroid từ 17-oxosteroid có thể sử dụng các tác nhân đặc biệt gọi là “tác nhân acetyl che chắn” làm thay đổi hoạt tính của nhóm carbonyl.

Các nguyên tắc và ứng dụng của khái niệm này đã được xem xét lại bởi Seebach [16], Grobel & Seebach [17]. Trong sự có mặt của các base mạnh “tác nhân acetyl che chắn” tạo thành dạng anion bền vững dễ dàng phản ứng với nguyên tử C nhóm carbonyl của 17-oxosteroid và tạo ra hợp chất trung gian dễ bị thủy phân thành nhóm acetyl, dẫn tới 17-acetylsteroid. Các “tác nhân acetyl che chắn” có thể được sử dụng để tạo ra mạch bên pregnane [18,19]. Rất ưa dùng loại này là alkyl hoặc các aryl vinyl ether, alkyl hoặc aryl vinyl thioether hoặc 1,1-trimethylene dithioethane…Việc sử dụng các alkyl vinyl ether được minh họa bởi Baldwin và cộng sự [20,21].

7 Phương pháp này có thể được áp dụng để chuyển hoá các 9α-hydroxy-17- ketoandrostane đến 9α,17α-dihydroxy-20-ketopregnane. Áp dụng phương pháp “tác nhân acetyl che chắn” có kết quả tốt đối với trường hợp 9-hydroxysteroid có vòng D chứa “X” là O hoặc S, “R” là nhóm alkyl (1-6C) hoặc aryl; sau khi xử lý với acid nhận được 17 -acetyl-17β-hydroxysteroid tương ứng. Để nhận được đồng phân epimer 17-acetyl mong muốn có thể dehydrat hóa nó đến 16,17-dehydrosteroid tương ứng.