Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhóm thuốc có cấu trúc steroid (bao gồm hormon sinh dục, corticosteroid, các chất ức chế enzym chuyển hóa) đóng vai trò điều trị thiết yếu trong lâm sàng đối với các bệnh lý rối loạn nội tiết, chống viêm, ức chế miễn dịch và hỗ trợ điều trị ung thư. Tuy nhiên, các steroid tự nhiên và dẫn chất tổng hợp thường có cấu trúc không gian phức tạp và giá thành sản xuất cao. Thị trường tiêu thụ toàn cầu cho các thuốc nhóm steroid cùng các hợp chất trung gian ước tính đạt trên 3.840 triệu USD vào năm 2016 và tăng lên 4.680 triệu USD vào năm 2021.

Hợp chất 16-dehydropregnenolon acetat (16-DPA) là một tiền chất trung gian then chốt trong công nghiệp bán tổng hợp nhiều dẫn chất steroid quan trọng như progesteron, prednison, prednisolon và các dẫn chất ức chế enzym 5α-reductase. Tại Việt Nam, Quyết định số 376/QĐ-TTg ngày 17/03/2021 của Thủ tướng Chính phủ đã đặt mục tiêu đến năm 2025: thuốc sản xuất trong nước đạt 75% số lượng sử dụng và 60% giá trị thị trường, đồng thời tăng tỷ lệ sử dụng nguồn dược liệu trong nước thêm ít nhất 10% so với năm 2020. Dù nguồn dược liệu chứa saponin steroid (như diosgenin từ các loài chi Dioscorea) tương đối phong phú, việc nghiên cứu quy trình công nghệ tổng hợp 16-DPA từ nguồn nguyên liệu thiên nhiên trong nước vẫn còn hạn chế.

Đề tài khóa luận tập trung giải quyết các nội dung nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng quan các con đường tổng hợp 16-DPA từ các nguồn nguyên liệu khác nhau và phân tích cơ chế các phản ứng hóa học liên quan.
  2. Thiết kế và khảo sát các thông số ảnh hưởng (hệ xúc tác, tỷ lệ mol tác nhân, điều kiện phản ứng) đến quy trình tổng hợp 16-DPA từ diosgenin ở quy mô phòng thí nghiệm.
  3. Tinh chế, đánh giá độ tinh khiết và xác định cấu trúc hóa học của các chất trung gian và sản phẩm đích bằng các phương pháp hóa lý và phổ học hiện đại.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hợp chất diosgenin tự nhiên chiết xuất từ dược liệu và các sản phẩm chuyển hóa trung gian gồm diosgenin acetat (DA), pseudodiosgenin diacetat (PDA), dioson, và sản phẩm đích 16-dehydropregnenolon acetat (16-DPA).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm bán tổng hợp hóa học ở quy mô phòng thí nghiệm (0,5 g đến 1,2 g nguyên liệu/mẻ) được thực hiện tại Bộ môn Công nghiệp Dược - Trường Đại học Dược Hà Nội, phối hợp phân tích cấu trúc tại Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Khoa Hóa học (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) vào năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng phương pháp thoái giáng Marker (Marker degradation) cải tiến, bao gồm chuỗi ba phản ứng chuyển hóa hữu cơ:

  • Phản ứng acyl hóa và mở vòng spirocetal: Acetyl hóa nhóm 3β-OH đồng thời mở vòng F của khung spirostan dưới tác dụng của anhydrid acetic ($Ac_2O$) và hệ xúc tác acid Lewis để tạo khung furostan (pseudodiosgenin diacetat - PDA) theo cơ chế thế ái điện tử ($S_E$).
  • Phản ứng oxy hóa cắt mạch (Oxidative cleavage): Cắt đứt liên kết đôi $C_{20}=C_{22}$ của PDA bằng hệ tác nhân oxy hóa dị pha kali permanganat ($KMnO_4$) trong môi trường đệm acetat (pH 3–4) có xúc tác chuyển pha tetrabutylammoni tribromid (TBATB) tạo hợp chất dicarbonyl (dioson).
  • Phản ứng thủy phân và tách loại: Đun hồi lưu dioson trong acid acetic băng ($CH_3COOH$) để loại bỏ mạch nhánh tại vị trí $C_{16}$, hình thành liên kết đôi liên hợp $C_{16}=C_{17}$ và nhóm chức 20-ceton của khung pregnan (16-DPA).

Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai:

  • Phương pháp tổng hợp hóa dược: Thực hiện các phản ứng đun hồi lưu kiểm soát nhiệt độ, chiết lỏng - lỏng phân đoạn, kết tinh phân đoạn loại tạp chất trong dung môi chọn lọc (methanol, dicloromethan).
  • Phương pháp kiểm tra độ tinh khiết: Sắc ký lớp mỏng (SKLM) trên bản mỏng silica gel $60\text{ }F_{254}$ (Merck) với hai hệ dung môi khai triển: Hệ A gồm n-hexan : ethyl acetat (4:1, v/v) và Hệ B gồm n-hexan : ethyl acetat (1:1, v/v). Hiện màu bằng dung dịch $H_2SO_4\text{ }10%$ trong ethanol và sấy ở 100 °C. Đo khoảng nhiệt độ nóng chảy trên thiết bị tự động EZ-Melt.
  • Phương pháp xác định cấu trúc:
    • Phổ khối lượng (ESI-MS): Đo trên thiết bị LTQ Orbitrap XL (Mỹ) và Agilent 920-MS TQ-FT.
    • Phổ hồng ngoại (FT-IR): Ghi trên máy Perkin Elmer, mẫu đo dạng viên nén KBr (tỷ lệ mẫu : KBr là 1:200) được ép dưới áp lực cao có hút chân không.
    • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H\text{-NMR}$ và $^{13}C\text{-NMR}$): Đo trên máy Bruker Ascend 500 MHz và 600 MHz, sử dụng dung môi $CDCl_3$ hoặc $DMSO-d_6$, chất chuẩn nội tetramethylsilan (TMS).

Nguồn hóa chất, dung môi sử dụng đạt tiêu chuẩn tinh khiết phân tích (AR) và nước cất đạt tiêu chuẩn Dược điển Việt Nam V.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu về 16-dehydropregnenolon acetat (16-DPA)

Chương này tổng quan về cấu trúc, tính chất lý hóa, vai trò dược lý và các lộ trình tổng hợp 16-DPA đã được công bố:

  • Cấu trúc hóa học và tính chất: 16-DPA có công thức phân tử $C_{23}H_{32}O_3$, khối lượng phân tử 356,5 đvC, thành phần nguyên tố gồm 77,49% C; 9,05% H; 13,46% O; nhiệt độ nóng chảy 171–172 °C. Độ tan giảm dần theo thứ tự: ethyl acetat > aceton > cyclohexan > ethanol > methanol.
  • Vai trò trung gian trong bán tổng hợp dược phẩm:
    • Bán tổng hợp prednison và prednisolon: Chuyển hóa 16-DPA thành 16,17-epoxyprogesteron, sau đó lên men vi sinh với chủng Rhizopus nigricans (đưa nhóm 11α-OH với hiệu suất thu hồi đạt trên 88%) và chuyển hóa hóa học kết hợp 1,2-dehydrogen hóa bằng Corynebacterium simplex.
    • Bán tổng hợp chất ức chế enzym 5α-reductase: Tạo dẫn chất steroid mang nhóm thế 21-(1H-1,2,4-triazol-1-yl) thể hiện hoạt tính ức chế chọn lọc enzym 5α-reductase và ức chế 80% dòng tế bào ung thư phổi SKLU-1.
    • Bán tổng hợp hormon sinh dục: Quy trình Marker tổng hợp progesteron và các dẫn chất testosteron điều trị rối loạn chức năng sinh dục và chống khối u phụ khoa.
  • Phân tích các con đường tổng hợp đã công bố:
    • Quy trình Marker cổ điển dùng $Ac_2O$ ở 200 °C, áp suất 5 bar trong 14 giờ và oxy hóa bằng $CrO_3$ độc hại.
    • Phương pháp của Goswami (2003) dùng xúc tác acetyl clorid trong xylen ở 138 °C, oxy hóa bằng $KMnO_4/TMAI$, hiệu suất đạt 75%.
    • Phương pháp của Chowdhury (2011) dùng $Ac_2O/xylen$ ở nhiệt độ và áp suất cao, oxy hóa bằng $CrO_3$, hiệu suất đạt 90%.
    • Phương pháp của Baruah (2016) dùng xúc tác acid Lewis $AlCl_3$ trong $Ac_2O$ ở 140 °C (áp suất thường) và oxy hóa bằng hệ $KMnO_4/NaIO_4/TEBA$, hiệu suất đạt 75%.
    • Các con đường từ nguồn nguyên liệu khác: Tổng hợp từ solasodin (hiệu suất toàn phần 44,6%) và từ 3-acetoxysolanidin (quy trình 9 giai đoạn phức tạp từ phế phẩm khoai tây).
  • Đề xuất hướng nghiên cứu mới: Qua thực nghiệm ban đầu, việc chỉ dùng đơn độc $AlCl_3$ dẫn đến phản ứng dừng lại ở hỗn hợp cân bằng giữa sản phẩm monoacyl (DA) và diacyl (PDA). Tác giả đề xuất phối hợp hệ xúc tác acid kép gồm $AlCl_3$ và acid boric ($H_3BO_3$) nhằm hạ nhiệt độ phản ứng xuống 140 °C ở áp suất thường, hạn chế phản ứng phụ và nâng cao độ tinh khiết của PDA.

Chương 2. Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết danh mục 25 loại hóa chất/dung môi, 22 danh mục dụng cụ/thiết bị phân tích cùng các bước triển khai kỹ thuật:

  • Thiết lập quy trình 3 giai đoạn: (1) Acetyl hóa mở vòng diosgenin thành PDA qua trung gian DA; (2) Oxy hóa cắt mạch liên kết đôi $C_{20}=C_{22}$ của PDA thành dioson; (3) Thủy phân - tách loại dioson thành 16-DPA.
  • Xây dựng quy trình theo dõi phản ứng trên SKLM và kỹ thuật kết tinh lại trong methanol để tinh chế từng sản phẩm trung gian.
  • Quy chuẩn hóa các điều kiện ghi phổ hồng ngoại, phổ khối và phổ cộng hưởng từ hạt nhân nhằm phục vụ phân tích cấu trúc.

Chương 3. Thực nghiệm, kết quả và bàn luận

Trình bày diễn biến thực nghiệm, kết quả khảo sát tối ưu hóa và các bằng chứng phổ học xác định cấu trúc:

1. Thực nghiệm tổng hợp và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng

  • Giai đoạn 1: Tổng hợp pseudodiosgenin diacetat (PDA)
    • Đun hồi lưu 1,2 g diosgenin trong 15 mL $Ac_2O$ ở 140 °C trong 1 giờ để tạo DA. Hạ nhiệt độ xuống 40 °C, bổ sung 0,1 g $AlCl_3$ khan và 0,06 g $H_3BO_3$, duy trì 10 phút rồi nâng nhiệt lên 140 °C trong 1,5 giờ.
    • Tinh chế bằng cách kết tinh lại trong methanol ở 0–5 °C thu được 0,65 g tinh thể PDA màu trắng ($R_f = 0,52$ trong hệ n-hexan : ethyl acetat 4:1; nhiệt độ nóng chảy 98,0–100,0 °C).
Tỷ lệ mol $H_3BO_3$ : Diosgenin Sắc ký lớp mỏng theo dõi Cảm quan sản phẩm Hiệu suất (%)
1 : 4 Vết DA trung gian đậm Kết tinh màu trắng Không tách được
1 : 3 Vết PDA đậm, vết DA mờ Kết tinh màu trắng 45,0
1 : 2 Vết PDA đậm, xuất hiện vết phụ Kết tinh trắng ngà vàng 40,6

Khảo sát hệ xúc tác cho giai đoạn 1: Khi sử dụng các acid vô cơ mạnh phối hợp ($AlCl_3 + H_2SO_4$, $AlCl_3 + HClO_4$), hỗn hợp phản ứng nhanh chóng bị phân hủy tạo nhiều tạp chất phụ đậm màu. Các hệ acid dịu nhẹ khác ($AlCl_3 + p\text{-TSA}$, $AlCl_3 + NH_4Cl$, $AlCl_3 + H_3PO_4$) cho hiệu suất chuyển hóa thấp hoặc không tách được sản phẩm. Hệ xúc tác phối hợp $AlCl_3 + H_3BO_3$ (tỷ lệ 1:3 so với cơ chất) cho kết quả tối ưu với vết sản phẩm PDA đậm và vết tạp phụ mờ nhất, đạt hiệu suất 45,0%.

  • Giai đoạn 2: Oxy hóa PDA tạo Dioson

    • Hòa tan 0,5 g PDA trong 4 mL dicloromethan (DCM) và 3 mL $H_2O$ ở 0–15 °C. Thêm từ từ 0,32 g $KMnO_4$ trong 4 mL $H_2O$ cùng xúc tác chuyển pha TBATB, duy trì pH 3–4 bằng đệm acetat trong 1,5 giờ.
    • Chiết bằng DCM, làm khan bằng $Na_2SO_4$ và cất thu hồi dung môi thu được dioson thô dạng chất dẻo dính màu vàng ($R_f = 0,58$ trong hệ n-hexan : ethyl acetat 1:1).
    • Tỷ lệ mol $KMnO_4 : \text{PDA}$ khảo sát ở mức 2:1 cho hiệu suất chuyển hóa đạt 93% (tính theo PDA), khắc phục tình trạng phản ứng dở dang ở tỷ lệ 1:1.

  • Giai đoạn 3: Thủy phân và tách loại tạo 16-DPA

    • Đun hồi lưu dioson thô trong 10 mL $CH_3COOH$ băng ở nhiệt độ sôi trong 3–4 giờ. Làm nguội, đổ vào nước đá, chiết bằng DCM, trung hòa dịch chiết bằng dung dịch $NaHCO_3\text{ }5%$, làm khan và kết tinh lại trong 4 mL methanol ở 0–5 °C.
    • Thu được 0,33 g 16-DPA dạng tinh thể màu trắng ($R_f = 0,60$ trong hệ n-hexan : ethyl acetat 1:1; nhiệt độ nóng chảy 172,0–173,0 °C). Hiệu suất toàn quy trình 3 giai đoạn từ diosgenin đạt 41,5%.

  • Đánh giá độ lặp lại của quy trình: Khảo sát trên 3 mẻ tổng hợp PDA quy mô 0,5 g diosgenin/mẻ cho kết quả ổn định:

Mẻ thực nghiệm Lượng Diosgenin (g) Tỷ lệ mol $H_3BO_3$ : Diosgenin Lượng $Ac_2O$ (mL) Lượng $AlCl_3$ (g) Hiệu suất (%)
1 0,5 1 : 3 15 0,1 45,5
2 0,5 1 : 3 15 0,1 44,0
3 0,5 1 : 3 15 0,1 46,3
Trung bình 0,5 1 : 3 15 0,1 45,3 ± 1,15

2. Kết quả phân tích và biện luận cấu trúc

Cấu trúc hóa học của các hợp chất được xác nhận qua sự tương quan dữ liệu phổ:

  • Diosgenin acetat (DA):

    • IR: $\nu_{max}\text{ }2947\text{ cm}^{-1}$ (C-H no), $1723\text{ cm}^{-1}$ (C=O ester), $1165\text{ cm}^{-1}$ (C-O cetal vòng), $1037\text{ cm}^{-1}$ (C-O ester).
    • MS: Xuất hiện pic ion phân tử $[M+H]^+ = 457,1$ (phù hợp với $C_{29}H_{44}O_4$, $M = 456$).
    • $^1H\text{-NMR}$ ($500\text{ MHz, DMSO-}d_6$): $\delta\text{ }5,36\text{ ppm}$ (s, 1H, H-6); $4,47\text{ ppm}$ (d, 1H, H-16); $4,33\text{ ppm}$ (m, 1H, H-3); $1,97\text{ ppm}$ (s, 3H, $CH_3COO\text{-}3$).
    • $^{13}C\text{-NMR}$ ($125\text{ MHz, DMSO-}d_6$): $\delta\text{ }169,03\text{ ppm}$ ($CH_3\underline{C}OO$); $139,30\text{ ppm}$ (C-5); $121,25\text{ ppm}$ (C-6); $107,94\text{ ppm}$ (C-22 acetal vòng); $72,82\text{ ppm}$ (C-3).

  • Pseudodiosgenin diacetat (PDA):

    • IR: $\nu_{max}\text{ }2942\text{ cm}^{-1}$ (C-H no), $1731\text{ cm}^{-1}$ (C=O ester), $1691\text{ cm}^{-1}$ (C=C liên kết đôi mới $C_{20}=C_{22}$), $1036\text{ cm}^{-1}$ (C-O ester). Không còn tín hiệu dải hấp thụ C-O cetal $1165\text{ cm}^{-1}$.
    • MS: Xuất hiện pic ion phân tử $[M]^+ = 497,4$ (phù hợp với $C_{31}H_{46}O_5$, $M = 498$).
    • $^1H\text{-NMR}$ ($600\text{ MHz, }CDCl_3$): Xuất hiện pic singlet của 6 proton hai nhóm ester tại $\delta\text{ }2,03\text{–}2,05\text{ ppm}$ ($2\times CH_3COO$); tín hiệu H-26 chuyển dịch về $\delta\text{ }3,86\text{–}3,96\text{ ppm}$.
    • $^{13}C\text{-NMR}$ ($600\text{ MHz, }CDCl_3$): Xuất hiện hai tín hiệu carbonyl ester ở $\delta\text{ }171,18\text{ ppm}$ và $170,46\text{ ppm}$; tín hiệu hai nối đôi gồm $\delta\text{ }151,41\text{ ppm}$ (C-5), $139,67\text{ ppm}$ (C-6), $122,30\text{ ppm}$ (C-20) và $103,76\text{ ppm}$ (C-22).

  • 16-Dehydropregnenolon acetat (16-DPA):

    • IR: $\nu_{max}\text{ }2945\text{ cm}^{-1}$ (C-H no), $1730\text{ cm}^{-1}$ (C=O ester tại C-3), $1662\text{ cm}^{-1}$ (C=O ceton liên hợp tại C-20), $1584\text{ cm}^{-1}$ (C=C liên hợp tại vị trí $C_{16}=C_{17}$).
    • MS: Xuất hiện pic ion phân tử $[M+H]^+ = 356,7$ (phù hợp với công thức $C_{23}H_{32}O_3$, $M = 356$).
    • $^1H\text{-NMR}$ ($600\text{ MHz, }CDCl_3$): Tín hiệu olefin đặc trưng của proton H-16 tại $\delta\text{ }6,70\text{ ppm}$ (m, 1H) do liên hợp với nhóm ceton C-20; proton H-6 tại $\delta\text{ }5,40\text{ ppm}$ (m, 1H); nhóm methyl ceton H-21 tại $\delta\text{ }2,26\text{–}2,28\text{ ppm}$ (s, 3H); nhóm acetat tại $\delta\text{ }2,03\text{ ppm}$ (s, 3H).
    • $^{13}C\text{-NMR}$ ($600\text{ MHz, }CDCl_3$): Tín hiệu ceton liên hợp tại $\delta\text{ }196,83\text{ ppm}$ (C-20); carbon ester tại $\delta\text{ }170,54\text{ ppm}$ (C-3 acetat); carbon nối đôi liên hợp tại $\delta\text{ }155,41\text{ ppm}$ (C-17) và $\delta\text{ }144,36\text{ ppm}$ (C-16); carbon nối đôi nội vòng tại $\delta\text{ }140,31\text{ ppm}$ (C-5) và $\delta\text{ }122,00\text{ ppm}$ (C-6).

Kết quả và đóng góp

So sánh các thông số kỹ thuật chính của quy trình thực nghiệm

Quy trình cải tiến trong khóa luận thể hiện các thông số thực tế khi so sánh với phương pháp Marker cổ điển và phương pháp Baruah (2016):

Thông số / Giai đoạn Phương pháp Marker [20-22] Phương pháp Baruah [4] Quy trình thực nghiệm của đề tài
Giai đoạn 1 (Tạo PDA)
Tác nhân & Xúc tác $Ac_2O$ $Ac_2O$, $AlCl_3$ $Ac_2O$, phối hợp $AlCl_3 + H_3BO_3$
Nhiệt độ & Áp suất 200 °C, 5 bar 140 °C, Áp suất thường 140 °C, Áp suất thường
Thời gian phản ứng 14 giờ 3 giờ 2,5 giờ (1 giờ tạo DA + 1,5 giờ mở vòng)
Hiệu suất tạo PDA 80 – 90% 95 – 98% 45,0 – 45,3%
Giai đoạn 2 (Tạo Dioson)
Tác nhân oxy hóa $CrO_3$ hoặc $K_2Cr_2O_7$ $KMnO_4 + NaIO_4 + TEBA$ $KMnO_4 + TBATB$
Môi trường & Nhiệt độ Acid cromic, 0–25 °C Đệm pH 4, 25 °C Đệm acetat pH 3–4, 0–15 °C
Thời gian phản ứng 4 – 5 giờ 3 giờ 1,5 giờ
Hiệu suất tạo Dioson 60 – 70% 75% 93%
Độc tính chất thải Rất cao ($Cr^{6+}$ độc hại) Thấp (ít $MnO_2$) Thấp (tạo $MnO_2$)
Toàn quy trình
Hiệu suất tạo 16-DPA Không liên tục 75% (tính theo PDA) 41,5% (tính từ diosgenin)

Đóng góp khoa học của khóa luận

  • Đã ứng dụng thành công hệ xúc tác acid kép thân thiện ($AlCl_3$ kết hợp $H_3BO_3$) trong phản ứng acetyl hóa mở vòng spirocetal của diosgenin ở 140 °C dưới áp suất thường. Giải pháp này giúp kiểm soát phản ứng êm dịu, tránh phân hủy khung steroid và tạo thuận lợi cho quá trình kết tinh tinh chế PDA.
  • Thay thế hoàn toàn tác nhân oxy hóa $CrO_3$ có độc tính cao bằng hệ tác nhân $KMnO_4$ phối hợp xúc tác chuyển pha TBATB trong môi trường đệm acetat dịu nhẹ, rút ngắn thời gian phản ứng oxy hóa xuống 1,5 giờ với tỷ lệ chuyển hóa đạt 93%.
  • Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh và giải thích chi tiết cơ chế phản ứng cùng dữ liệu phổ học ($^1H\text{-NMR}$, $^{13}C\text{-NMR}$, FT-IR, ESI-MS) của ba hợp chất DA, PDA và 16-DPA.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Hiệu suất giai đoạn acetyl hóa mở vòng tạo PDA trên thực tế đạt 45,3%, thấp hơn so với một số nghiên cứu công bố sử dụng hệ phản ứng áp suất cao hoặc xúc tác đắt tiền.
    • Do điều kiện sẵn có của hóa chất tại thời điểm nghiên cứu, phản ứng oxy hóa chưa thể phối hợp chất hiệp đồng oxy hóa natri periodat ($NaIO_4$) để giảm thiểu hoàn toàn lượng phụ phẩm $MnO_2$ tạo thành.
    • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (0,5 g đến 1,2 g nguyên liệu cho mỗi mẻ).

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Khảo sát bổ sung chất hiệp đồng oxy hóa $NaIO_4$ nhằm giảm lượng $KMnO_4$ tiêu thụ, hạn chế tạo bùn $MnO_2$ và nâng cao hiệu suất thu hồi dioson.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện dung môi trong quá trình tinh chế phân đoạn để tăng hiệu suất thu hồi PDA.
    • Nâng quy mô tổng hợp lên mức pilot (từ vài chục gam đến kilogam) nhằm đánh giá tính khả thi kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất nguyên liệu làm thuốc steroid.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo giá trị cho:

  • Sinh viên và học viên sau đại học ngành Dược học, Hóa dược và Hóa học hữu cơ: Cung cấp quy trình mẫu về bán tổng hợp hợp chất thiên nhiên khung steroid và phương pháp tiếp cận tối ưu hóa các thông số phản ứng hóa học hữu cơ.
  • Nghiên cứu viên tại các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm tổng hợp: Cung cấp chi tiết các bước xử lý tinh chế sản phẩm hữu cơ nhạy cảm nhiệt, phương pháp chạy sắc ký lớp mỏng kiểm tra tạp chất, và bộ dữ liệu quy chuẩn giải phổ IR, MS, $^1H\text{-NMR}$, $^{13}C\text{-NMR}$ phục vụ định danh các dẫn chất steroid nhóm spirostan, furostan và pregnan.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu cần phối hợp hai chất xúc tác $AlCl_3$ và $H_3BO_3$ trong giai đoạn tổng hợp PDA?

Khi thực hiện phản ứng chỉ với xúc tác đơn độc $AlCl_3$ ở 140 °C, phản ứng nhanh chóng dừng lại ở trạng thái hỗn hợp có vết sản phẩm PDA và vết chất trung gian DA đậm tương đương nhau trên sắc ký bản mỏng và không thay đổi theo thời gian, gây khó khăn cho quá trình kết tinh tinh chế. Việc kết hợp thêm $H_3BO_3$ (tỷ lệ mol $H_3BO_3 : \text{diosgenin}$ là 1:3) giúp thúc đẩy phản ứng mở vòng furostan diễn ra triệt để hơn, giảm thiểu lượng sản phẩm phụ phân hủy và giúp tinh chế PDA màu trắng có độ tinh khiết cao.

2. Tác nhân oxy hóa nào được sử dụng để tạo Dioson và có ưu điểm gì so với phương pháp Marker truyền thống?

Tác giả sử dụng kali permanganat ($KMnO_4$) với tỷ lệ mol $KMnO_4 : \text{PDA}$ là 2:1 trong môi trường 2 pha (DCM/nước) có hệ đệm acetat (pH 3–4) và xúc tác chuyển pha TBATB ở nhiệt độ 0–15 °C trong 1,5 giờ. Ưu điểm vượt trội so với phương pháp Marker truyền thống là loại bỏ hoàn toàn acid cromic ($CrO_3/K_2Cr_2O_7$) – một tác nhân gây độc hại nghiêm trọng cho môi trường và người thao tác, đồng thời phản ứng diễn ra êm dịu ở nhiệt độ thấp với hiệu suất chuyển hóa đạt 93%.

3. Tỷ lệ mol tối ưu giữa Acid boric và Diosgenin trong phản ứng mở vòng là bao nhiêu?

Qua khảo sát thực nghiệm 3 tỷ lệ mol $H_3BO_3 : \text{diosgenin}$ (1:4, 1:3 và 1:2), tỷ lệ mol tối ưu được xác định là 1:3. Ở tỷ lệ 1:4, phản ứng chưa hoàn toàn, vết trung gian DA còn đậm nên không tách được sản phẩm; ở tỷ lệ 1:2, hiệu suất giảm xuống 40,6% do xuất hiện nhiều sản phẩm phụ; tỷ lệ 1:3 cho hiệu suất cao nhất đạt 45,0% với sản phẩm PDA kết tinh trắng.

4. Hiệu suất tổng hợp trung bình của giai đoạn tạo PDA và hiệu suất toàn bộ quy trình là bao nhiêu?

Khảo sát độ lặp lại trên 3 mẻ thực nghiệm quy mô 0,5 g cho thấy hiệu suất tổng hợp PDA đạt trung bình 45,3 ± 1,15% (lần lượt là 45,5%, 44,0% và 46,3%). Hiệu suất chuyển hóa toàn phần qua 3 giai đoạn từ nguyên liệu diosgenin ban đầu thành phẩm 16-DPA tinh khiết đạt 41,5%.

5. Những tín hiệu phổ nào khẳng định đã tổng hợp thành công 16-DPA từ Dioson?

Cấu trúc 16-DPA được khẳng định nhờ:

  • Phổ IR: Xuất hiện dải hấp thụ liên kết carbonyl ceton liên hợp $C_{20}=O$ tại $1662\text{ cm}^{-1}$ và liên kết đôi liên hợp $C_{16}=C_{17}$ tại $1584\text{ cm}^{-1}$.
  • Phổ MS: Pic ion phân tử $[M+H]^+ = 356,7$ tương ứng khối lượng phân tử 356 đvC ($C_{23}H_{32}O_3$).
  • Phổ $^1H\text{-NMR}$: Xuất hiện tín hiệu olefin của proton H-16 bị chuyển dịch về vùng trường thấp $\delta\text{ }6,70\text{ ppm}$ (m, 1H) do liên hợp với nhóm ceton C-20, và pic singlet của nhóm methyl ceton H-21 tại $\delta\text{ }2,26\text{–}2,28\text{ ppm}$ (3H).
  • Phổ $^{13}C\text{-NMR}$: Tín hiệu carbon ceton C-20 ở $\delta\text{ }196,83\text{ ppm}$ cùng hai carbon nối đôi liên hợp C-17 ($\delta\text{ }155,41\text{ ppm}$) và C-16 ($\delta\text{ }144,36\text{ ppm}$).

Kết luận

Khóa luận đã xây dựng thành công quy trình bán tổng hợp 16-dehydropregnenolon acetat (16-DPA) từ nguyên liệu diosgenin qua ba giai đoạn phản ứng ở quy mô phòng thí nghiệm với hiệu suất toàn phần đạt 41,5%. Nghiên cứu đã tối ưu hóa hệ xúc tác acid kép $AlCl_3 + H_3BO_3$ ở áp suất thường cho phản ứng acetyl hóa mở vòng spirocetal và ứng dụng hệ oxy hóa thân thiện $KMnO_4/\text{TBATB}$ thay thế cho $CrO_3$. Cấu trúc hóa học và độ tinh khiết của các chất trung gian DA, PDA và sản phẩm đích 16-DPA đã được chứng minh đầy đủ, chính xác thông qua các phương pháp hóa lý, SKLM, nhiệt độ nóng chảy và hệ thống phổ IR, ESI-MS, $^1H\text{-NMR}$, $^{13}C\text{-NMR}$.