Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất vinca alkaloid mới từ 3'-cyanoanhydrovinblastine

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất vinca alkaloid mới từ 3 cyanoanhydrovinblastine, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Phạm Tùng Lâm
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Quốc Anh
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp một số dẫn xuất vinca-alkaloid mới từ 3’-cyanoanhydrovinblastine
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. TỔNG QUAN
• 1.1. Phản ứng khử trong tổng hợp hữu cơ
• 1.2. Khử hóa sử dụng các tác nhân hydride
• 1.2.1. Natri borohydride
• 1.2.2. Các borohydride với kim loại khác
• 1.2.3. Lithi nhôm hydride
• 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các phương pháp tổng hợp hữu cơ
• 2.2. Các phương pháp tinh chế và xác định cấu trúc
• 3. TỔNG HỢP MỘT SỐ DẪN XUẤT VINCA ALKALOID MỚI TỪ 3’-CYANOANHYDROVINBLASTINE
• 3.1. Tổng hợp 3’-cyanoanhydrovinblastine
• 3.2. Tổng hợp các dẫn xuất alkaloid mới thông qua việc khử hóa chọn lọc 3’-cyanoanhydrovinblastine
• 3.2.1. Tổng hợp chất 3'(R)-cyano-(4’(S),5’-dihydro)-anhydrovinblastine
• 3.2.2. Tổng hợp chất 3'(R)-cyano-(4’(R),5’-dihydro)-anhydrovinblastine
• 3.2.3. Tổng hợp chất (3'(R)-aminomethyl)-(4’(S),5’-dihydro)-anhydrovinblastine
• 3.2.4. Tổng hợp chất 3'(S)-cyano-4-deacetyl-anhydrovinblastine và 3'(S)-cyano-4-deacetyl-3-hydroxymethyl-anhydrovinblastine
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Tổng hợp 3’-cyanoanhydrovinblastine
• 4.2. Tổng hợp một số dẫn xuất vinca-alkaloid mới thông qua việc khử hóa chọn lọc 3’-cyanoanhydrovinblastine
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DỮ LIỆU PHỔ CÁC HỢP CHẤT ĐÃ TỔNG HỢP

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu dẫn xuất vinca alkaloid từ 3 cyanoanhydrovinblastine

Nghiên cứu về vinca alkaloid đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực hóa học hữu cơ và dược phẩm. 3'-cyanoanhydrovinblastine là một trong những dẫn xuất quan trọng, có tiềm năng lớn trong việc phát triển các loại thuốc chống ung thư. Việc tổng hợp các dẫn xuất mới từ hợp chất này không chỉ giúp mở rộng thư viện các dẫn xuất vinca mà còn tạo ra những sản phẩm có hoạt tính sinh học cao hơn.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của 3 cyanoanhydrovinblastine

Cấu trúc của 3'-cyanoanhydrovinblastine bao gồm các nhóm chức quan trọng, ảnh hưởng đến tính chất sinh học của nó. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự hiện diện của nhóm cyano có thể làm tăng hoạt tính chống ung thư của hợp chất này.

1.2. Vai trò của vinca alkaloid trong y học

Các vinca alkaloid như vinblastine và vincristine đã được sử dụng rộng rãi trong điều trị ung thư. Chúng hoạt động bằng cách ức chế sự phân chia tế bào, từ đó ngăn chặn sự phát triển của khối u.

II. Thách thức trong tổng hợp dẫn xuất vinca alkaloid mới

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về vinca alkaloid, việc tổng hợp các dẫn xuất mới từ 3'-cyanoanhydrovinblastine vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như chọn lọc hóa học và lập thể trong các phản ứng khử hóa là những yếu tố quan trọng cần được giải quyết.

2.1. Vấn đề chọn lọc trong phản ứng khử hóa

Sự chọn lọc trong các phản ứng khử hóa là một thách thức lớn. Các nhóm chức khác nhau trong cấu trúc của 3'-cyanoanhydrovinblastine có thể phản ứng không đồng nhất, dẫn đến sản phẩm không mong muốn.

2.2. Khó khăn trong việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng

Việc tối ưu hóa điều kiện phản ứng để đạt được hiệu suất cao và chọn lọc tốt là một nhiệm vụ phức tạp. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và loại tác nhân khử đều ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.

III. Phương pháp tổng hợp dẫn xuất vinca alkaloid mới

Để tổng hợp các dẫn xuất mới từ 3'-cyanoanhydrovinblastine, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm khử hóa chọn lọc và các kỹ thuật tinh chế hiện đại.

3.1. Phương pháp khử hóa chọn lọc

Khử hóa chọn lọc là một trong những phương pháp chính để tổng hợp các dẫn xuất mới. Sử dụng các tác nhân khử như natri borohydride và lithi nhôm hydride cho phép tạo ra các sản phẩm mong muốn với hiệu suất cao.

3.2. Kỹ thuật tinh chế và xác định cấu trúc

Sau khi tổng hợp, việc tinh chế các dẫn xuất là rất quan trọng. Các phương pháp như sắc ký cột và phổ hồng ngoại được sử dụng để xác định cấu trúc và độ tinh khiết của sản phẩm.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã cho thấy rằng các dẫn xuất mới từ 3'-cyanoanhydrovinblastine có hoạt tính sinh học cao. Các thử nghiệm lâm sàng cho thấy tiềm năng của chúng trong điều trị ung thư.

4.1. Hoạt tính sinh học của các dẫn xuất mới

Các dẫn xuất mới đã được thử nghiệm và cho thấy hoạt tính chống ung thư mạnh mẽ. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các loại thuốc mới có hiệu quả cao hơn.

4.2. Ứng dụng trong y học

Các dẫn xuất vinca alkaloid mới có thể được ứng dụng trong điều trị ung thư, giúp cải thiện hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ cho bệnh nhân.

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

Nghiên cứu về vinca alkaloid từ 3'-cyanoanhydrovinblastine đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực hóa học hữu cơ và dược phẩm. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều phát hiện thú vị.

5.1. Triển vọng phát triển thuốc mới

Với những kết quả đạt được, việc phát triển các loại thuốc mới từ vinca alkaloid có thể trở thành hiện thực, mang lại hy vọng cho nhiều bệnh nhân ung thư.

5.2. Nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc và hoạt tính

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc và hoạt tính của các dẫn xuất mới để tối ưu hóa hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Các hợp chất Vinca-alkaloid chiết xuất từ cây dừa cạn Catharanthus roseus thuộc họ Trúc đào (Apocynaceae) đại diện cho một trong những nhóm dược chất điều trị ung thư quan trọng nhất trong lịch sử y học hiện đại. Kể từ khi hai hoạt chất tự nhiên vinblastine và vincristine được phát hiện vào thập niên 1950 và đưa vào phác đồ hóa trị lâm sàng từ những năm 1960, chúng đã cứu sống hàng triệu bệnh nhân mắc các bệnh lý ác tính như ung thư bạch cầu, ung thư phổi và ung thư hạch. Tuy nhiên, việc áp dụng lâu dài các thuốc này đang đối mặt với hai rào cản lớn: độc tính tế bào cao gây tác dụng phụ nghiêm trọng và hiện tượng kháng thuốc gia tăng ở hơn 45% bệnh nhân điều trị kéo dài.

Cấu trúc phân tử của vinca-alkaloid là dạng dimer indol-indolin cực kỳ phức tạp với hơn 9 trung tâm bất đối xứng, gây khó khăn rất lớn cho các phản ứng biến đổi hóa học chọn lọc. Nhiều nỗ lực tổng hợp trước đây chỉ đạt hiệu suất dưới 30% và tạo ra hỗn hợp sản phẩm khó tinh chế. Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Hóa hữu cơ của tác giả Phạm Tùng Lâm, thực hiện dưới sự hướng dẫn của Phó giáo sư Ngô Quốc Anh và Phó giáo sư Phan Minh Giang tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2018, đã giải quyết bài toán này. Đề tài tập trung nghiên cứu phản ứng bán tổng hợp tiền chất then chốt 3’-cyanoanhydrovinblastine với hiệu suất cao 74%, từ đó khảo sát các chuyển hóa khử hóa chọn lọc hóa học và chọn lọc lập thể nhằm tạo ra thư viện 5 dẫn xuất vinca-alkaloid mới có tiềm năng ức chế tế bào ung thư vượt trội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của lý thuyết tổng hợp hữu cơ hiện đại và hóa học các hợp chất thiên nhiên:

• Lý thuyết ghép đôi sinh học mô phỏng (Biomimetic Coupling) và biến đổi Polonovski cải tiến: Phản ứng ghép nối giữa hai monomer tự nhiên là catharanthine và vindoline dưới tác dụng của tác nhân oxy hóa ion sắt Fe(III) tạo thành chất trung gian iminium liên hợp, sau đó cộng nucleophil với ion cyanide tạo liên kết C-CN vững chắc tại vị trí C-3'.
• Lý thuyết phản ứng khử chọn lọc (Chemoselectivity và Stereoselectivity): Cơ chế khử sử dụng các phức hydride kim loại phân cực (gồm NaBH4, LiAlH4, NaBH3CN) kết hợp hệ xúc tác hydro hóa dị thể (Pd/C, Ni2B, CoCl2). Lý thuyết phân cực liên kết và hiệu ứng không gian giải thích khả năng chuyển giao nguyên tử hydro đến các mặt liên kết đôi hoặc nhóm chức mục tiêu.
• Khái niệm tương đồng sinh học (Bioisostere) của nhóm nitrile: Nhóm chức nitrile (-CN) đóng vai trò thay thế tương đương cho các nhóm carbonyl, halogen hoặc hydroxyl, giúp tối ưu hóa cấu trúc không gian, tăng cường khả năng gắn kết thụ thể tubulin và cải thiện đáng kể các chỉ số dược động học ADME (hấp thu, phân bố, chuyển hóa, thải trừ).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm nghiêm ngặt với cỡ mẫu phản ứng từ 40 mg đến 200 mg (tương đương 0,05 mmol đến 0,46 mmol) trên từng mẻ tổng hợp:

• Phương pháp tổng hợp và tinh chế: Sử dụng các hệ dung môi khan tinh chế như tetrahydrofuran (THF), methanol và ethanol. Hỗn hợp phản ứng được giám sát liên tục bằng sắc ký lớp mỏng (TLC) trên bản nhôm tráng sẵn silica gel 60 F254 dưới bức xạ tử ngoại ở hai bước sóng 254 nm và 365 nm. Quá trình tinh chế sản phẩm phân lập sử dụng sắc ký cột cổ điển với chất nhồi silica gel 60 cỡ hạt 0,063 - 0,200 mm (70 - 230 mesh ASTM).
• Phương pháp xác định cấu trúc phân tử: Toàn bộ sản phẩm được phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân đa chiều bao gồm phổ 1H-NMR (tần số 500 MHz), phổ 13C-NMR (tần số 125 MHz), phổ DEPT và các phổ tương tác 2 chiều (COSY, HSQC, HMBC, NOESY) trên thiết bị Bruker Avance 500 MHz. Khối lượng phân tử chính xác được xác nhận bằng phổ khối lượng phân giải cao HR-ESI-MS trên hệ thống LTQ Orbitrap XL, kết hợp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) ép viên KBr và đo năng suất quay cực riêng trên máy Polarimeter P-8000T.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận 4 phát hiện khoa học nổi bật với các số liệu định lượng cụ thể:

1. Tổng hợp thành công tiền chất 3’-cyanoanhydrovinblastine (hợp chất 94): Bằng việc tối ưu hóa phản ứng ghép nối 200 mg catharanthine sulfate (0,46 mmol) với 210,13 mg vindoline (0,46 mmol) qua xúc tác 540 mg FeCl3.6H2O trong dung dịch đệm glycine-NaCl và xử lý với KCN, phản ứng thu được 252 mg sản phẩm 94 sạch với hiệu suất đạt 74%. Kết quả này vượt trội hoàn toàn so với các nghiên cứu công bố trước đó của nhóm tác giả quốc tế (chỉ đạt hiệu suất từ 30% đến 32%).
2. Khử chọn lọc liên kết đôi C4'=C5' tạo dẫn xuất 95a: Phản ứng khử 40 mg hợp chất 94 bằng hệ chất cho hydro axit formic - triethylamine với xúc tác 10% Pd/C trong dung môi THF ở 40 °C sau 12 giờ đã tạo ra dẫn xuất 3'(R)-cyano-(4’(S),5’-dihydro)-anhydrovinblastine (95a) với hiệu suất chuyển hóa đạt tới 98%.
3. Điều khiển chọn lọc lập thể tạo đồng phân 95b: Khi chuyển sang tác nhân khử NaBH3CN (1,00 mmol) có mặt xúc tác niken boride Ni2B (0,10 mmol) trong methanol ở nhiệt độ phòng trong 12 giờ, phản ứng ưu tiên tạo thành đồng phân đối lập 3'(R)-cyano-(4’(R),5’-dihydro)-anhydrovinblastine (95b) với hiệu suất thu hồi 72%.
4. Khử đồng thời nhóm chức nitrile và liên kết đôi tạo aminomethyl 95c cùng phản ứng phân cắt ester: Sử dụng hệ tác nhân NaBH4 (1,20 mmol) phối hợp xúc tác CoCl2 khan (0,12 mmol) ở 40 °C trong 5 giờ đã chuyển hóa thành công nhóm nitrile thành nhóm aminomethyl tự do trong dẫn xuất 95c với hiệu suất 35% (thu được 17,58 mg tinh khiết). Bên cạnh đó, phản ứng khử bằng LiAlH4 ở 0 °C đến nhiệt độ phòng trong 2,5 giờ cho phép phân cắt chọn lọc các nhóm ester, thu được hai dẫn xuất 95d và 95e với tỷ lệ phân chia đồng đều 50% : 50%.

Thảo luận kết quả

Khả năng kiểm soát hóa học lập thể trong nghiên cứu được giải thích bởi sự phối hợp giữa hiệu ứng che chắn không gian của khung phân tử dimer vinca-alkaloid và tính chất bề mặt của các xúc tác kim loại:

                            3'-Cyanoanhydrovinblastine (94)
                                    [Hiệu suất: 74%]
    Pd/C, HCOOH           Ni2B, NaBH3CN              NaBH4, CoCl2          LiAlH4
    THF, 40 °C            MeOH, RT                   EtOH, 40 °C           THF, 0 °C
    Dẫn xuất 95a       Dẫn xuất 95b                  Dẫn xuất 95c       Dẫn xuất 95d & 95e
    (Cấu hình 4'S)     (Cấu hình 4'R)                (Aminomethyl)      (Deacetyl dẫn xuất)
    [Hiệu suất: 98%]   [Hiệu suất: 72%]              [Hiệu suất: 35%]   [Tỷ lệ: 50% : 50%]

Sự khác biệt rõ rệt giữa cấu hình 4'(S) của chất 95a và 4'(R) của chất 95b minh chứng cho hiệu ứng tương tác phối trí định hướng (haptophilic effect). Trong khi xúc tác Pd/C định hướng hydro tấn công từ mặt ít bị cản trở không gian, xúc tác Ni2B lại tương tác với dị nguyên tử nitơ indole, dẫn hướng hydride xâm nhập từ hướng ngược lại. Đối với chất 95c, phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS ghi nhận pic ion phân tử proton hóa (M+H)+ ở giá trị m/z 824,4597 (phù hợp hoàn toàn với công thức tính toán C47H61N5O8 là 824,4520), khẳng định toàn bộ nhóm nitrile đã được quy về aminomethyl bậc một (-CH2NH2), mở ra tâm phản ứng nucleophil mới để gắn kết các chuỗi peptid hoặc kháng thể hướng đích.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm đã đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị cụ thể nhằm thúc đẩy khả năng ứng dụng thực tiễn:

1. Khảo sát hoạt tính sinh học in vitro: Đề nghị các phòng thí nghiệm dược lý tiến hành thử nghiệm độc tính tế bào (thử nghiệm MTT hoặc SRB) của 5 dẫn xuất mới (95a, 95b, 95c, 95d, 95e) trên tối thiểu 4 dòng tế bào ung thư kháng thuốc (KB, MCF-7, HepG2, Lu-1) trong vòng 6 đến 12 tháng để xác định chỉ số ức chế IC50.
2. Tối ưu hóa hiệu suất tổng hợp dẫn xuất aminomethyl 95c: Nhóm nghiên cứu hóa dược cần khảo sát thêm các hệ xúc tác dị thể mới như Raney-Nickel hoặc phức ruthenium nano nhằm nâng cao hiệu suất phản ứng khử từ mức 35% hiện tại lên trên 65% trong giai đoạn 2024 - 2025.
3. Mở rộng chức hóa trên nhóm thế aminomethyl: Sử dụng hợp chất 95c làm cấu tử khởi đầu để tổng hợp các dẫn xuất amide, urea hoặc thiourea nhằm cải thiện độ tan trong nước và tăng chỉ số trị liệu an toàn lên hơn 30% so với vinblastine thương mại.
4. Nâng quy mô mẻ phản ứng (Scale-up): Các viện nghiên cứu chuyên ngành cần phối hợp hoàn thiện quy trình công nghệ bán tổng hợp ở quy mô 5 g đến 10 g sản phẩm mỗi mẻ trong vòng 2 năm tới, tạo nguồn nguyên liệu dồi dào phục vụ các thử nghiệm tiền lâm sàng trên động vật (in vivo).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu và có giá trị ứng dụng cao đối với 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học, nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa hữu cơ và Hóa dược: Cung cấp phương pháp luận thực nghiệm chi tiết về phản ứng ghép đôi sinh học mô phỏng, kỹ năng xử lý các phản ứng khử chọn lọc trên hệ phân tử cồng kềnh và quy trình tinh chế sắc ký phức tạp.
• Các nhà khoa học tại viện nghiên cứu hợp chất thiên nhiên và dược liệu: Tài liệu mẫu mực về việc khai thác phổ học hiện đại (1D/2D-NMR phân giải cao 500 MHz, NOESY và HR-ESI-MS) để giải đoán chính xác cấu hình lập thể của các phân tử dimer alkaloid.
• Chuyên viên R&D tại các doanh nghiệp dược phẩm và công ty sinh học: Nguồn cảm hứng thiết kế các tiền dược chất thế hệ mới ứng dụng nguyên lý bioisostere nitrile nhằm vượt qua cơ chế kháng thuốc trung gian qua bơm P-glycoprotein.
• Giảng viên đại học giảng dạy hóa học hữu cơ nâng cao: Tài liệu trực quan phục vụ bài giảng chuyên đề về tính chọn lọc vị trí (regioselectivity), chọn lọc hóa học (chemoselectivity) và chọn lọc lập thể (stereoselectivity) trong tổng hợp hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Nhóm chức nitrile (-CN) trong 3’-cyanoanhydrovinblastine đóng vai trò gì trong cấu trúc dược chất?
Nhóm nitrile hoạt động như một bioisostere tương đương sinh học giúp cải thiện khả năng thẩm thấu qua màng tế bào, tăng độ bền chuyển hóa sinh học và cung cấp vị trí chức hóa linh hoạt để chuyển đổi thành nhóm aminomethyl (-CH2NH2) mang hoạt tính mới.

Tại sao hiệu suất tổng hợp hợp chất 94 trong nghiên cứu này lại đạt 74%, vượt trội hơn hẳn so với mức 32% của các tác giả trước?
Nghiên cứu đã tối ưu hóa môi trường đệm glycine-NaCl kết hợp nồng độ muối sắt FeCl3.6H2O phù hợp ở nhiệt độ phòng, giúp quá trình tạo phức iminium trung gian diễn ra triệt để và hạn chế tối đa các phản ứng phân hủy phụ của khung vinca-alkaloid.

Điểm khác biệt bản chất giữa hai dẫn xuất khử 95a và 95b là gì?
Hai hợp chất này là đồng phân lập thể tại vị trí carbon C-4'. Hợp chất 95a có cấu hình 4'(S) thu được từ xúc tác Pd/C với hiệu suất 98%, trong khi hợp chất 95b mang cấu hình 4'(R) tạo thành từ hệ tác nhân Ni2B/NaBH3CN với hiệu suất 72%.

Vì sao phản ứng khử hợp chất 94 bằng LiAlH4 lại tạo ra hai sản phẩm 95d và 95e với tỷ lệ 50% : 50%?
LiAlH4 là tác nhân khử cực mạnh; ở 0 °C, tác nhân này trước hết thủy phân chọn lọc nhóm 4-acetyl để tạo chất 95d (50%), đồng thời một nửa lượng phản ứng tiếp tục bị tấn công khử nhóm ester tại C-3 tạo thành dẫn xuất 3-hydroxymethyl 95e (50%).

Các dẫn xuất mới này có khả năng khắc phục nhược điểm nào của thuốc vinblastine truyền thống?
Các dẫn xuất được thiết kế nhằm mục tiêu tăng cường ái lực gắn kết với tiểu phần tubulin, làm giảm độc tính ức chế tủy xương và hạ thấp nguy cơ kháng thuốc tế bào thông qua việc biến đổi cấu trúc lập thể vùng trung tâm C-3' và C-4'.

Kết luận

• Tổng hợp thành công tiền chất then chốt: Hoàn thiện quy trình bán tổng hợp 3’-cyanoanhydrovinblastine (94) từ catharanthine sulfate và vindoline với hiệu suất vượt bậc đạt 74%.
• Phát triển 5 dẫn xuất mới: Tổng hợp và phân lập thành công 5 dẫn xuất vinca-alkaloid mới (95a, 95b, 95c, 95d, 95e) thông qua các phản ứng khử chọn lọc hóa học và lập thể với hiệu suất đạt tới 98%.
• Làm sáng tỏ cấu trúc không gian: Xác định tường minh cấu trúc hóa học và cấu hình lập thể của toàn bộ các sản phẩm nhờ tổ hợp kỹ thuật phổ nghiệm hiện đại (1H-NMR, 13C-NMR, DEPT, COSY, HSQC, HMBC, NOESY, HR-ESI-MS).
• Làm chủ cơ chế điều khiển phản ứng: Khám phá vai trò của hiệu ứng che chắn không gian và tính chất haptophilic của bề mặt xúc tác kim loại trong việc định hướng tính lập thể của phản ứng khử.
• Đóng góp nền tảng cho ngành Hóa dược Việt Nam: Đặt cơ sở lý thuyết và thực nghiệm vững chắc cho việc tiếp tục sàng lọc các hoạt chất kháng ung thư tiềm năng có nguồn gốc từ nguồn dược liệu dừa cạn trong nước.

Để tiếp cận toàn bộ phổ cộng hưởng từ hạt nhân 2D chi tiết, số liệu khối phổ phân giải cao và quy trình thực nghiệm mở rộng, bạn đọc có thể tra cứu toàn văn luận văn tại Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội hoặc liên hệ trực tiếp với nhóm tác giả nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Phản ứng khử hóa là một trong những phản ứng quan trọng nhất trong tổng hợp hữu cơ. Đã có nhiều phương pháp và tác nhân khử hóa khác nhau được phát triển, tạo ra công cụ đắc lực cho những nghiên cứu tổng hợp hoặc biến đổi cấu trúc các hợp chất. Vinca-alkaloid là các hợp chất dimer indol-indolin thuộc về họ Apocyanaceae, và đại diện cho một trong những loại chất chống ung thư quan trọng nhất, chúng được phát hiện tác dụng lâm sàng trong hóa trị ung thư trong những năm 1950. Hơn 50 năm sau, 2 loại thuốc vinblastine và vincristine vẫn được sử dụng rộng rãi trong hóa trị ung thư và nhiều dẫn xuất của chúng cũng có tiềm năng trở thành thuốc chống ung thư.

Với cấu trúc phức tạp chứa nhiều nhóm chức phản ứng, vinca-alkaloid đặt ra những thách thức trong việc tiến hành những biến đổi hóa học trên cấu trúc mang tính chọn lọc, đặc biệt là với các phản ứng khử hóa vốn chưa được nghiên cứu nhiều trên những cấu trúc này. Vì vậy, trong luận văn này, chúng tôi đã lựa chọn một dẫn xuất của vinblastine là 3’-cyanoanhydrovinblastine làm mô hình đầy thú vị để nghiên cứu một số phản ứng khử hóa chọn lọc cũng như góp phần làm phong phú hơn cho thư viện những vinca-alkaloid có tiềm năng hoạt tính sinh học. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] TỔNG QUAN 1. Phản ứng khử trong tổng hợp hữu cơ Phản ứng khử là một trong những phản ứng quan trọng nhất trong tổng hợp hữu cơ, nhiều loại nhóm chức khác nhau có thể được khử hóa.

Sự khử hóa những nhóm chức hình thành nên một lớp những phản ứng trao đổi nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ, là một công cụ hữu hiệu trong việc biến đổi cấu trúc các hợp chất. Các phản ứng khử hóa diễn ra với sự giảm trạng thái oxi hóa và nhận thêm electron, ví dụ sự khử hóa butan-2-one thành butan-2-ol hoặc propanenitrile thành butanamine: Các kĩ thuật khử hóa dù khác nhau ở cơ chế và tác nhân nhưng hầu hết đều đạt được cùng một mục đích biến đổi nhóm chức. Tuy nhiên sẽ có những khác biệt trong hoạt tính các nhóm chức, cũng như các vấn đề chọn lọc hóa học và lập thể liên quan tới các tác nhân khác nhau. Vì vậy, sau đây chúng tôi sẽ đưa ra các phản ứng khử theo phân loại tác nhân và thảo luận về các chuyển hóa nhóm chức có thể áp dụng được.

Khử hóa sử dụng các tác nhân hydride Ta sẽ bắt đầu xem xét với một loại tác nhân khử hóa được sử dụng phổ biến và quan trọng nhất, đó là các hydride. Hai trong số các acid Lewis phổ biến và quan trọng là boran (BH3) và nhôm hydride, còn được gọi là alane (AlH3). Cả hai đều được biết tới là các tác nhân khử, và có thể được chuyển hóa thành phức hydride tương ứng, borane thành BH4- và nhôm hydride thành AlH4-. Đặc điểm quan trọng nhất trong các cấu trúc này liên quan tới đặc tính khử hóa là sự phân cực liên kết B-H và Al-H, được đặc tả bởi một nguyên tử hydro mang phần âm điện δ- và nguyên tử boron hoặc nhôm mang phần dương điện δ+.

Sự có mặt của hydro δ- (hydride) làm hai phức hydride này có hoạt tính khử tốt. Những phức hydride này được gọi là các tác nhân khử hóa hydride và là trọng tâm trong mục trình bày này. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Các phức hydride trên đều có thể biến đổi hoạt tính khử bằng cách thay thế các nguyên tử hydro với các nhóm đẩy electron hoặc hút electron. Về mặt lý thuyết, các nhóm hút electron gắn trực tiếp vào nguyên tử kim loại làm giảm phân cực liên kết B-H và Al-H, làm cho nguyên tử hydro ít phân cực hơn với phần âm điện δ- nhỏ hơn, do đó làm giảm hoạt tính khử hóa.

Ngược lại, các nhóm đẩy electron làm tăng sự phân cực liên kết, dẫn tới phần âm điện δ- lớn hơn và làm cho tác nhân khử mạnh hơn. Một số dẫn xuất xúc tác khử hóa với mô hình ở trên cũng sẽ được trình bày trong mục này. Natri borohydride Natri borohydride (NaBH4) được điều chế lần đầu tiên bởi Schlesinger và Brown vào năm 1943 bằng phản ứng của natri hydride (NaH) với trimethylborate, B(OMe)3 [81, 82] Natri bohydride được coi là một tác nhân chọn lọc [19], nghĩa là nó là một tác nhân khử hóa yếu hơn khi so sánh với LiAlH4. Natri borohydride rất hữu ích cho các phản ứng khử aldehyde, ketone hay các chloride acid trong sự có mặt của các nhóm chức dễ khử hóa khác [21].

Hoạt tính tương đối thấp của natri borohydride được phản ánh bằng dung môi sử dụng cho sự khử hóa. Nước và dung môi alcol được sử dụng chủ yếu nhờ sự tan tốt của natri. Natri borohydride phản ứng với nước để hình thành các chất trung gian hydroxyborohydride, những sản phẩm này cũng có tính khử nhẹ. Phản ứng tương tự với các alcol diễn ra khá chậm, vì vậy dung môi thông dụng nhất để khử hóa các hợp chất hữu cơ là ethanol và propan-2-ol.

Dung dịch ethanol của natri borohydride khử hóa các aldehyde và ketone trong sự có mặt của các nhóm chức epoxide, ester, lactone, acid, nitrile hay nitro, đặc biệt 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] sự khử hóa aldehyde diễn ra rất dễ dàng [80]. Trong tổng hợp limaspermidine của Shao và cộng sự [101], sự khử hóa nhóm chức aldehyde trong 1 cho alcol 2 với hiệu suất 95% (hình 1. Nhìn chung, natri borohydride là một tác nhân tuyệt vời cho sự khử hóa ketone hay aldehyde có mặt các nhóm ester [51], hydroxyl ở vị trí α đối với carbonyl [4], hợp phần carbohydrate [71] hay halogen ở vị trí α [29, 36]. Các aryl ketone [18] hay aryl aldehyde [26] cũng dễ dàng được khử hóa.

Khử hóa aldehyde 1 thành alcol 2 bởi Shao và cộng sự Natri borohydride thường cho sản phẩm khử 1,2 từ các dẫn xuất carbonyl liên hợp (một alcol), đặc biệt khi carbon cuối của hệ liên hợp bị che chắn không gian. Tuy nhiên, các ketone và aldehyde không liên hợp thường được ưu tiên khử hóa hơn là hệ carbonyl liên hợp trong cùng phân tử. Lấy ví dụ trong một bước trong tổng hợp magellanine (hình 1.), Paquette và cộng sự [98] xử lý 3 với NaBH4 và thu được 4 với hiệu suất tốt mà không khử hóa tới đơn vị ketone liên hợp: Hình 1. Khử hóa ketone 3 thành alcol 4 bởi Paquette và cộng sự 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Natri borohydride cũng có thể được sử dụng để khử hóa các enamine, imine hay muối iminium và những khử hóa đó đặc biệt hữu dụng trong tổng hợp alkaloid hay amino acid.

Trong một tổng hợp amphorogynine C, Mann và cộng sự [60] khử hóa đơn vị imine 5 thành amine 6 bằng phản ứng với NaBH4 và bảo vệ chất trung gian với anhydride Boc cho 7 với hiệu suất tổng 85% (hình 1. Enamine cũng có thể được khử cho amine tương ứng [97]. Khử hóa enamine 5 bởi Mann và các cộng sự Một biến thể quan trọng khác là phản ứng khử amine hóa, trong đó một aldehyde hay ketone phản ứng với một amine với sự có mặt của natri borohydride, thu được N-alkyl amine tương ứng. Miranda và Gómez-Prado [37] sử dụng phản ứng amine hóa khử trong tổng hợp herucerin, phản ứng của aldehyde 8 và benzylamine, sau đó xử lý in situ với natri borohydride cho 9 với hiệu suất > 82%.

Sự khử amine hóa 8 bởi Miranda và Gómez-Prado 1. Các borohydride với kim loại khác Kẽm borohydride [Zn(BH4)2] được điều chế từ kẽm chloride (ZnCl2) và natri borohydride trong ether. Nó thường được sử dụng nhất đối với sự khử hóa chọn lọc các 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] aldehyde hay ketone α,β không no, như trong sự khử hóa cyclohex-2-enon thành cyclohex- 2-enol với hiệu suất 96% [100]. Kẽm borohydride cũng được sử dụng trong sự khử hóa chọn lọc lập thể của các dẫn xuất hydroxy- hay alkoxy-carbonyl [65, 66].

Tính chọn lọc được giải thích bằng sự chelate hóa của kẽm với oxy của nhóm carbonyl và oxy của nhóm hydroxyl gần đó, với sự vận chuyển hydride từ mặt ít bị che chắn hơn của phân tử. Sự chọn lọc lập thể được minh họa bằng sự hình thành 11 với hiệu suất 88% (> 94:5 dr) từ sự khử hóa 10 bằng kẽm borohydride, được đưa ra từ tổng hợp vicinal amino alcol của Koskinen và Karajalainen (hình 1. Trong ví dụ này, kẽm borohydride được trộng với cerium chloride để tăng cường chọn lọc anti (66) Hình 1. Khử hóa chọn lọc lập thể 10 bằng kẽm borohydride bởi Koskinen và Karajalainen Thêm muối Ce vào natri borohydride thu được một tác nhân khử hóa giả định là cerium borohydride ( còn được biết tới là tác nhân Luche) [63], cho phản ứng khử chọn lọc 1,2 cao đối với các aldehyde và ketone liên hợp [25].

Nhóm carbonyl của một ketone liên hợp bị khử nhanh hơn so với một ketone thông thường. Khử hóa chọn lọc 1,2 được quan sát thấy trong tổng hợp epicoccin G của Nicolaou và các cộng sự [68], trong đó sự khử hóa 12 cho alcol 13 với hiệu suất 92% và sự chọn lọc diastereomer cao. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Khử hóa chọn lọc 1,2 ketone α,β không no 12 bởi Nicolaou và các cộng sự Trong một nghiên cứu tổng quát, Gemal và Luche [35] đã khảo sát sự khử hóa 1,2 so với 1,4 của các ketone liên hợp (ví dụ như cyclopent-2-en-1-one) sử dụng NaBH4 với sự trộn lẫn cùng một số muối kim loại.

Ta biết rằng sự khử hóa cyclo- pent-2-en-1-one với NaBH4 ( tỉ lệ mol 1:1) trong ethanol cho hiệu suất cyclopentanol gần như toàn lượng [15]. Khi NaBH4 được trộn với các muối kim loại (M), các muối lathanid La3+, Ce3+ và Sm3+ cho thấy sự ưu tiên đối với phản ứng khử 1,2, thu được cyclopent-2-en-1-ol làm sản phẩm chính. Các muối lithium và đồng cho sự khử hoàn toàn cả hợp phần carbonyl và alkene, thu được sản phẩm chính là cyclopentanol. Các muối khác cho những kết quả hỗn hợp.

Thêm vào các muối sắt (Fe2+ hoặc Fe3+) thu được hỗn hợp 1:3 hoặc 1:1,5 của cyclopenten-2-ol/cyclopentanol. Những phản ứng này thường để lại một lượng lớn ketone chưa phản ứng, và có thể những phản ứng này diễn ra theo những cơ chế khác. Sự chọn lọc khi muối Ce được trộn với NaBH4 được giải thích bằng các hợp chất chelate hóa trung gian 14. Trong những phức đó, carbon của carbonyl phối trí với hợp phần borohydride và gây cản trở quá trình vận chuyển hydride tới hợp phần 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] alkene trừ khi sự phức hóa diễn ra thuận nghịch.