Giới thiệu dự án
Đại dịch COVID-19 do virus SARS-CoV-2 gây ra đã tạo ra cuộc khủng hoảng y tế toàn cầu với hơn 535 triệu ca nhiễm và trên 6 triệu ca tử vong được ghi nhận bởi Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) tính đến giữa năm 2022. Mặc dù các chương trình tiêm chủng vắc-xin đã đạt trên 11 tỷ liều trên toàn cầu, nhu cầu về các thuốc kháng virus phân tử nhỏ dùng đường uống vẫn mang tính sống còn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với nhóm bệnh nhân suy giảm miễn dịch, người cao tuổi có bệnh lý nền không tạo được đáp ứng miễn dịch đầy đủ sau tiêm chủng, hoặc khi xuất hiện các biến thể đột biến né tránh miễn dịch như Delta, Gamma và Mu.
CẤU TRÚC PHÂN TỬ MOLNUPIRAVIR (EIDD-2801 / MK-4482)
NH-OH
/
C4 = N3
// \
HN6 C2 = O
\ /
C5 ===== N1
\
C1' -------- O
/ \ \
HO-C2' C3'-OH C4' - CH2 - O - C(=O)-CH(CH3)2
Vào tháng 11/2021, Molnupiravir (EIDD-2801 / MK-4482) do Merck & Co. và Ridgeback Biotherapeutics đồng phát triển đã trở thành thuốc kháng virus đường uống đầu tiên được Cơ quan Quản lý Dược phẩm Anh (MHRA) phê duyệt và sau đó được FDA Hoa Kỳ cấp Giấy phép Sử dụng Khẩn cấp (EUA). Tại Việt Nam, Bộ Y tế đã ban hành hướng dẫn điều trị và cấp số đăng ký lưu hành khẩn cấp cho các thuốc chứa Molnupiravir sản xuất trong nước (như Mekophar 200mg, StellaPharm 400mg, Boston Pharma 400mg).
Vấn đề nghiên cứu và thách thức công nghệ
Mặc dù nhu cầu điều trị là rất lớn, việc tự chủ tổng hợp hoạt chất Molnupiravir trong nước gặp nhiều rào cản kỹ thuật từ các quy trình công bố trước đây:
- Quy trình Đại học Emory (tổng hợp từ Uridin): Hiệu suất toàn quy trình rất thấp (<17%), trải qua 5 bước phức tạp, sử dụng các tác nhân độc hại và nguy hiểm như Phosphoryl clorid ($POCl_3$), 1,2,4-triazol.
- Quy trình xúc tác sinh học (Vasudevan, Ahlqvist, Benkovics): Sử dụng xúc tác enzyme đắt đỏ (Novozym 435, Kinase), nguy cơ rò rỉ protein làm bẩn sản phẩm, khó tái thu hồi chất xúc tác và chi phí vận hành cao.
- Quy trình hóa học kinh điển (Snead và cộng sự): Phụ thuộc vào kỹ thuật sắc ký cột silica gel để tinh chế ở các bước trung gian, gây tắc nghẽn nghiêm trọng khi mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp.
Mục tiêu của đồ án
- Thiết kế và hoàn thiện quy trình tổng hợp Molnupiravir 4 bước đi từ nguyên liệu đầu vào Cytidin giá thành thấp, sử dụng hoàn toàn các hóa chất kinh điển và an toàn.
- Khảo sát, tối ưu hóa các thông số kỹ thuật then chốt: xúc tác bảo vệ nhóm diol, loại base phân nhánh, tỉ lệ mol tác nhân acyl hóa, nhiệt độ phản ứng hydroxyamin hóa.
- Loại bỏ hoàn toàn bước sắc ký cột; thiết lập quy trình tinh chế bằng phương pháp chiết lỏng-lỏng phân đoạn và kết tinh chọn lọc.
- Kiểm tra độ tinh khiết (SKLM, điểm nóng chảy) và khẳng định cấu trúc các chất trung gian ($2$, $3$, $4$) cùng sản phẩm đích ($5$) bằng phổ hồng ngoại ($IR$), phổ khối lượng ($MS$), phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1H-NMR$, $^{13}C-NMR$).
Giải pháp kỹ thuật và phạm vi triển khai
Dự án đề xuất lộ trình tổng hợp hóa học thuần túy 4 giai đoạn:
- Bước 1 (Cetal hóa): Bảo vệ chọn lọc $2',3'-cis-diol$ của Cytidin bằng 2,2-dimethoxypropan (DMP) trong Aceton có xúc tác $H_2SO_4$ đậm đặc, thu muối acetonid sulfat ($2$).
- Bước 2 (O-Acyl hóa C-5'): Phản ứng ester hóa có chọn lọc vị trí $5'-OH$ của hợp chất $2$ bằng anhydrid isobutyric dưới xúc tác cặp base mạnh DBU/DMAP trong Acetonitril.
- Bước 3 (Hydroxyamin hóa): Thế ái nhân nucleophilic thế nhóm amin tại vị trí $C-4$ của dị vòng pyrimidin bằng muối hydroxylamin sulfat trong dung môi thân thiện Isopropanol (IPA) $70%$.
- Bước 4 (Thủy phân giải phóng diol): Phá vòng bảo vệ acetonid của hợp chất $4$ bằng acid formic ở nhiệt độ phòng, trung hòa bằng dung dịch amoniac đặc và kết tủa phân đoạn bằng MTBE để thu hồi Molnupiravir ($5$).
Phạm vi thực nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm (tổng hợp 1.0 - 1.5 g sản phẩm mỗi mẻ), đóng vai trò làm cơ sở dữ liệu kỹ thuật chuẩn xác (SOP) phục vụ nâng quy mô pilot tại các nhà máy Dược phẩm đạt chuẩn GMP-WHO.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng và đối sánh công nghệ
Bảng so sánh các lộ trình tổng hợp Molnupiravir trong y văn:
| Tiêu chí |
Lộ trình Emory Univ |
Lộ trình R. Dey |
Lộ trình Enzyme (Vasudevan) |
Lộ trình D. Snead |
Đề tài nghiên cứu (ĐH Dược HN) |
| Nguyên liệu đầu vào |
Uridin |
Uridin |
Cytidin |
Cytidin |
Cytidin (Giá rẻ, sẵn có) |
| Số công đoạn tổng hợp |
5 bước |
4 bước |
2 bước |
4 bước |
4 bước thuần hóa học |
| Loại chất xúc tác |
Hóa chất vô cơ |
Tác nhân Lawesson |
Enzyme Novozym 435 |
DBU / DMAP |
DMP / H₂SO₄, DBU / DMAP |
| Phương pháp tinh chế |
Kết tinh phân đoạn |
Sắc ký cột |
Kết tinh lại |
Sắc ký cột silica gel |
Chiết lỏng-lỏng + Kết tinh |
| Hiệu suất tổng thể |
< 17.0% |
~62.0% |
37.0% - 75.0% |
41.0% - 44.0% |
22.9% (Quy mô Lab tối ưu) |
| Mức độ khả thi Scale-up |
Thấp (Độc hại) |
Kém (Mùi Lawesson) |
Khó (Nhiễm bẩn enzyme) |
Rất thấp (Dùng cột) |
Cao (Quy trình xanh, chuẩn hóa) |
Phân loại yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW
- Must have (Bắt buộc): Chuyển hóa chọn lọc nhóm $5'-OH$ mà không bị acyl hóa cạnh tranh vào nhóm $4-NH_2$; sản phẩm Molnupiravir đạt độ tinh khiết phổ NMR $>98%$; không dùng sắc ký cột.
- Should have (Nên có): Tinh thể hóa sản phẩm trung gian $4$ trong hệ dung môi phân cực an toàn ($H_2O : CH_3CN = 5:1$); kiểm soát nhiệt độ hydroxyamin hóa $<80^\circ C$ để tránh phân hủy nhiệt.
- Could have (Có thể có): Thu hồi và tái sử dụng dung môi hữu cơ pha động (IPA, Ethyl acetat, MTBE) sau cất quay chân không.
- Won't have (Không áp dụng giai đoạn này): Không sử dụng các tác nhân acyl hóa halogen bậc cao hoặc xúc tác kim loại nặng độc hại.
Kiến trúc quy trình tổng hợp và dòng vật chất
graph TD
A["Cytidin (1)"] -->|"DMP, H2SO4 đặc, Aceton (24h, RT)"| B["Muối Acetonid Sulfat (2)<br/>Hiệu suất: 96.0%"]
B -->|"Anhydrid isobutyric (1.4 eq), DBU, DMAP, CH3CN (0°C, 3h)"| C["Cytidin Acetonid Ester (3)<br/>Hiệu suất: 90.6%"]
C -->|"Chiết DCM / dd AcOH 10% / NaHCO3 bão hòa"| C
C -->|"(NH2OH)2.H2SO4, IPA 70% (78°C, 24h)"| D["Dẫn chất Hydroxyamino (4)<br/>Hiệu suất: 59.0%"]
D -->|"Kết tinh lại trong H2O : MeCN (5:1)"| D
D -->|"Acid Formic 88%, RT (7h)"| E["Hỗn hợp phản ứng thô"]
E -->|"Trung hòa NH3 đặc (<5°C) + Chiết THF / NaCl bão hòa"| F["Dầu phân đoạn"]
F -->|"Kết tủa chọn lọc trong MTBE"| G["Molnupiravir Tinh khiết (5)<br/>Hiệu suất bước: 44.7%"]
Danh mục thiết bị và hóa chất tiêu chuẩn (Technology Stack)
- Hệ thống phổ phân tích cấu trúc:
- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân: Máy Bruker Avance Neo 600 MHz ($^1H-NMR$ 600 MHz, $^{13}C-NMR$ 125 MHz), chuẩn nội TMS, dung môi $DMSO-d_6$.
- Phổ khối lượng: Hệ thống 920-MS TQ-FT, hãng Agilent Technologies.
- Phổ hồng ngoại: Máy quang phổ Shimadzu IR (vùng quét $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$, kỹ thuật ép viên nén KBr).
- Điểm nóng chảy: Thiết bị EZ-Melt tự động (Mỹ).
- Thiết bị công nghệ tổng hợp: Máy cất quay chân không Buchi R210 (Thụy Sỹ), máy khuấy từ gia nhiệt điều khiển kỹ thuật số IKA (Đức), tủ sấy Memmert (Đức), bản mỏng sắc ký Silicagel $60\text{ F}_{254}$ (Merck, Đức).
- Hóa chất & Dung môi: Đạt tiêu chuẩn phân tích tinh khiết AR (Mỹ, Pháp, Đức, Trung Quốc) và Dược điển Việt Nam V (DĐVN V).
Bảng thông số vận hành các công đoạn phản ứng (Reaction Interface Specs)
+---------------+------------------------+---------------+---------------+--------------------+
| Công đoạn | Tác nhân / Xúc tác | Tỉ lệ mol | Dung môi | Thông số tối ưu |
+---------------+------------------------+---------------+---------------+--------------------+
| 1. Cetal hóa | DMP / H2SO4 đậm đặc | 1 : 5.0 : 2.3 | Aceton khan | RT, 24h, Lọc hút |
| 2. O-Acyl hóa | Anhydrid isobutyric | 1 : 1.4 | CH3CN khan | 0°C, 3h, DBU/DMAP |
| 3. Thế N-4 | (NH2OH)2.H2SO4 | 1 : 3.0 | IPA 70% | 75-80°C, 24 giờ |
| 4. Thủy phân | HCOOH 88% / NH3 đặc | Dư thể tích | THF / MTBE | RT, 7h, Tủa MTBE |
+---------------+------------------------+---------------+---------------+--------------------+
Implementation và kết quả
Quy trình tổng hợp thực nghiệm chi tiết (SOPs)
Bước 1: Tổng hợp muối Acetonid Sulfat (2)
Trong bình cầu 3 cổ đáy tròn 100 mL, nạp $1.00\text{ g}$ ($4.12\text{ mmol}$) Cytidin ($1$) và $13.0\text{ mL}$ Aceton khan. Bổ sung $2.6\text{ mL}$ ($20.6\text{ mmol}$, $5.0\text{ eq}$) 2,2-dimethoxypropan (DMP). Nhỏ từ từ từng giọt $0.55\text{ mL}$ ($9.4\text{ mmol}$, $2.3\text{ eq}$) $H_2SO_4$ đặc $98%$ trong điều kiện khuấy từ mạnh (phản ứng tỏa nhiệt). Khuấy liên tục 24 giờ ở nhiệt độ phòng ($25^\circ C$). Lọc hút chân không tủa rắn màu nâu đỏ, rửa liên tục bằng Aceton lạnh và Diethyl ether khan đến khi thu được tủa trắng xốp. Sấy chân không ở $40^\circ C$ trong 24 giờ.
- Thu được: $1.50\text{ g}$ muối ($2$).
- Điểm nóng chảy: $133 - 135^\circ C$.
- $R_f = 0.56$ (Hệ dung môi $A: n\text{-BuOH} : \text{AcOH} : H_2O = 9 : 2 : 2.5$).
- Hiệu suất: $96.0%$.
Bước 2: Tổng hợp dẫn chất Cytidin Acetonid Ester (3)
Nạp $1.30\text{ g}$ ($3.41\text{ mmol}$) hợp chất $2$ vào $13.0\text{ mL}$ Acetonitril khan, bổ sung $0.09\text{ g}$ ($0.73\text{ mmol}$, $0.2\text{ eq}$) DMAP và $1.1\text{ mL}$ ($7.16\text{ mmol}$, $2.1\text{ eq}$) DBU. Khuấy 10 phút đến khi huyền phù tan hoàn toàn thành dung dịch trong suốt. Làm lạnh bình phản ứng về $0^\circ C$. Nhỏ từng giọt anhydrid isobutyric ($0.8\text{ mL}$, $4.8\text{ mmol}$, $1.4\text{ eq}$) chia làm 2 đợt cách nhau 30 phút. Duy trì khuấy ở $0^\circ C$ trong 3 giờ. Cô cạn dung môi dưới áp suất giảm.
- Quy trình chiết loại tạp: Hòa tan cặn sáp trong $10.0\text{ mL}$ $CH_2Cl_2$ (DCM), rửa 3 lần bằng dung dịch Acid acetic $10%$ ($3 \times 10.0\text{ mL}$) để loại hoàn toàn DBU dưới dạng muối tan. Rửa pha hữu cơ bằng dung dịch $NaHCO_3$ bão hòa đến hết sủi bọt, làm khô bằng $Na_2SO_4$ khan, cô chân không thu được chất rắn trắng xốp ($1.10\text{ g}$).
- $R_f = 0.72$ (Hệ dung môi A).
- Hiệu suất: $90.6%$.
Bước 3: Tổng hợp dẫn chất Hydroxyamino Acetonid Ester (4)
Hòa tan $1.00\text{ g}$ ($2.71\text{ mmol}$) hợp chất $3$ và $1.33\text{ g}$ ($8.13\text{ mmol}$, $3.0\text{ eq}$) muối $(NH_2OH)_2.H_2SO_4$ trong $10.0\text{ mL}$ Isopropanol (IPA) $70%$. Nâng nhiệt độ lên $60^\circ C$ đến khi đồng nhất, sau đó duy trì phản ứng ở $78^\circ C$ (nhiệt kế trong khối dịch $72 - 73^\circ C$) liên tục trong 24 giờ. Thêm $10\text{ mL}$ Ethanol làm đồng dung môi, cô cạn chân không.
- Quy trình kết tinh phân đoạn: Hòa tan cặn dầu trong $10.0\text{ mL}$ Ethyl acetat (EtOAc), rửa với $10.0\text{ mL}$ dung dịch $NaCl$ bão hòa và $10.0\text{ mL}$ nước cất. Làm khan pha hữu cơ, cô đuổi dung môi. Hòa cặn trong $1.0\text{ mL}$ $CH_3CN$, thêm tiếp $5.0\text{ mL}$ nước cất ($H_2O : CH_3CN = 5 : 1$), cạo nhẹ thành bình để kích tinh thể trong 2 giờ. Lọc tủa, sấy dưới đèn hồng ngoại thu được chất rắn màu trắng ánh hồng ($0.59\text{ g}$).
- Điểm nóng chảy: $152 - 154^\circ C$.
- $R_f = 0.88$ (Hệ dung môi A); $R_f = 0.69$ (Hệ dung môi B: $100%$ Ethyl acetat).
- Hiệu suất: $59.0%$.
Bước 4: Khử bảo vệ tạo thành Molnupiravir (5)
Nạp $0.50\text{ g}$ ($1.35\text{ mmol}$) hợp chất $4$ vào $5.0\text{ mL}$ dung dịch Acid formic $88%$, khuấy đều ở nhiệt độ phòng ($25^\circ C$) trong 7 giờ. Làm lạnh bình xuống $<5^\circ C$ trong chậu nước đá, trung hòa acid bằng cách nhỏ từ từ từng giọt dung dịch $NH_3$ đậm đặc $25%$ ($~20\text{ mL}$) đến khi pH đạt mức trung tính ($pH = 7.0$).
- Chiết tách và kết tủa: Chuyển dịch vào phễu chiết, chiết bằng $20.0\text{ mL}$ Tetrahydrofuran (THF), rửa lại lớp THF bằng $20.0\text{ mL}$ dung dịch $NaCl$ bão hòa để loại hoàn toàn muối $HCOONH_4$. Làm khan lớp hữu cơ bằng $Na_2SO_4$, cô chân không đuổi THF thu cặn dầu vàng nhạt. Thêm $5.0\text{ mL}$ MTBE lạnh, chất rắn màu trắng ngà kết tủa bám thành bình. Gạn lọc, làm khô dưới đèn hồng ngoại thu được $0.20\text{ g}$ Molnupiravir tinh khiết.
- Điểm nóng chảy: $154 - 156^\circ C$ (Trùng khớp dải tài liệu tham khảo: $158 - 160^\circ C$).
- $R_f = 0.78$ (Hệ dung môi A); $R_f = 0.33$ (Hệ dung môi B).
- Hiệu suất bước: $44.7%$ (Hiệu suất toàn bộ 4 bước: $22.9%$).
DỮ LIỆU ĐỐI SOÁT PHỔ NMR VÀ KHỐI PHỔ CỦA SẢN PHẨM CUỐI (5)
==================================================================================================
1. Phổ Khối MS: m/z = 327.9 [M-H]^- (Khối lượng phân tử lý thuyết: 329.31 g/mol).
2. Phổ Hồng ngoại IR (KBr): 3381 cm^-1 (N-H, O-H); 1734 cm^-1 (C=O ester); 1639 cm^-1 (C=N).
3. Phổ 1H-NMR (600 MHz, DMSO-d6, ppm):
- delta 10.01 (s, 1H, N-OH); delta 9.49 (s, 1H, -NH-);
- delta 6.82 (d, J = 8.4 Hz, 1H, H-6); delta 5.58 (d, J = 8.4 Hz, 1H, H-5);
- delta 5.71 (d, J = 6.0 Hz, 1H, H-1'); delta 5.34 (d, 1H, 2'-OH); delta 5.21 (d, 1H, 3'-OH);
- delta 4.21 (dd, 1H, H-2'); delta 4.13 (dd, 1H, H-3'); delta 4.00 (q, 1H, H-4');
- delta 3.94 - 3.89 (m, 2H, H-5'); delta 2.57 (sept, J = 7.2 Hz, 1H, -CH(Me)2);
- delta 1.10 (d, J = 6.6 Hz, 6H, 2 x -CH3).
4. Phổ 13C-NMR (125 MHz, DMSO-d6, ppm):
- delta 175.95 (C=O ester C-1''); 149.39 (C-2); 143.27 (C-4); 129.86 (C-6); 98.73 (C-5);
- delta 87.72 (C-1'); 80.68 (C-4'); 71.92 (C-2'); 69.91 (C-3'); 63.84 (C-5');
- delta 39.50 (C-2''); 33.15 (-CH-); 18.75 (2 x -CH3).
==================================================================================================
Tổng hợp chỉ số thực nghiệm và kiểm soát tạp chất
Bảng tổng hợp các thông số hóa lý của quy trình:
| Hợp chất |
Trọng lượng phân tử ($g/mol$) |
Trạng thái cảm quan |
Điểm nóng chảy ($^\circ C$) |
$R_f$ (Hệ A) |
$R_f$ (Hệ B) |
Hiệu suất công đoạn |
| Muối sulfat (2) |
$381.35$ ($C_{12}H_{17}N_3O_5 \cdot H_2SO_4$) |
Tủa trắng xốp |
$133 - 135$ |
$0.56$ |
- |
$96.0%$ |
| Ester diol (3) |
$353.37$ ($C_{16}H_{23}N_3O_6$) |
Sáp trắng ngà |
- |
$0.72$ |
- |
$90.6%$ |
| Dẫn chất oxim (4) |
$369.37$ ($C_{16}H_{23}N_3O_7$) |
Tinh thể trắng hồng |
$152 - 154$ |
$0.88$ |
$0.69$ |
$59.0%$ |
| Molnupiravir (5) |
$329.31$ ($C_{13}H_{19}N_3O_7$) |
Bột trắng ngà |
$154 - 156$ |
$0.78$ |
$0.33$ |
$44.7%$ |
Kiểm soát và giải quyết các nguy cơ tạo tạp chất:
- Tạp diacyl hóa tại $N-4$ và $O-5'$ (Tạp chất 17): Giảm nhiệt độ phản ứng ester hóa xuống đúng $0^\circ C$ và khống chế tỉ lệ anhydrid isobutyric ở mức $1.4\text{ eq}$, phối hợp dùng base DBU giúp hạn chế tối đa phản ứng phụ vào nhóm amino so với dùng TEA ($90.6%$ vs không phân lập được).
- Loại bỏ xúc tác DBU và Anhydrid dư: Lợi dụng sự chênh lệch pKa ($pKa_{\text{DBU-H}} = 24.34$ trong dung môi hữu cơ vs $pKa_{\text{chất 3}} = 4.2$), sử dụng hệ chiết phân đoạn $CH_2Cl_2$ / Acid acetic $10%$ đã chuyển hoàn toàn DBU thành muối axetat tan vào pha nước.
- Tạp phân hủy do nhiệt ở bước hydroxyamin hóa: Khống chế dải nhiệt nghiêm ngặt từ $75 - 80^\circ C$. Khi vượt quá $85^\circ C$, SKLM cho thấy sản phẩm bị phân hủy thành 2 vết tạp đậm và mất hoàn toàn hoạt chất chính.
Đổi mới và đóng góp
Đổi mới công nghệ nổi bật
- Chuyển đổi nguồn nguyên liệu đầu vào bền vững: Sử dụng Cytidin thay thế cho Uridin truyền thống, giúp giảm trực tiếp hơn $45%$ chi phí hóa chất ban đầu trên mỗi mol sản phẩm, đồng thời giải quyết triệt để sự phụ thuộc vào nguồn cung Uridin vốn khan hiếm.
- Kỹ thuật tinh chế không sắc ký (Non-chromatographic Isolation): Đây là cải tiến mang tính đột phá nhất của đề tài. Việc thiết lập thành công hệ kết tinh phân đoạn $H_2O : CH_3CN$ ($5:1$) ở bước 3 và hệ tủa chọn lọc trong dung môi phân cực kém MTBE ở bước 4 giúp quy trình có thể ứng dụng trực tiếp lên các lò phản ứng dung tích lớn ($100 - 500\text{ lít}$) mà không gặp giới hạn kỹ thuật của cột sắc ký silica gel.
- Thay thế tác nhân nguy hại bằng hóa chất an toàn: Loại bỏ hoàn toàn khí độc $POCl_3$ và chất tạo mùi khó chịu Lawesson, sử dụng muối $(NH_2OH)_2 \cdot H_2SO_4$ bền vững, không bắt cháy và không gây nguy cơ nổ trong quá trình gia nhiệt.
- Hiệu suất công đoạn đầu rất cao: Hai phản ứng đầu tiên đạt hiệu suất ấn tượng ($96.0%$ và $90.6%$), tạo lượng lớn chất trung gian sạch giúp quá trình thế nucleophilic và khử bảo vệ diễn ra thuận lợi.
Ứng dụng thực tế và triển khai
Khả năng ứng dụng và chuyển giao công nghệ
Quy trình công nghệ tổng hợp Molnupiravir 4 bước đã được kiểm chứng hoàn chỉnh tại Bộ môn Công nghiệp Dược - Trường Đại học Dược Hà Nội. Quy trình này cung cấp bộ hồ sơ kỹ thuật đầy đủ gồm: Định mức nguyên vật liệu, thông số kiểm soát trong quá trình (IPC), tiêu chuẩn cơ sở và dữ liệu kiểm nghiệm phổ cho các nhà máy sản xuất nguyên liệu Dược dụng (API) tại Việt Nam.
LỘ TRÌNH SCALE-UP CÔNG NGHIỆP DỰ KIẾN
[ Lab-scale: 1g ] ======> [ Kilo-lab: 100g - 1kg ] ======> [ Pilot / GMP Plant: 10kg - 100kg ]
- Khảo sát phản ứng - Tối ưu thu hồi dung môi - Hệ thống phản ứng thép không gỉ
- Khẳng định cấu trúc - Đánh giá cân bằng nhiệt - Sấy tầng sôi, kiểm nghiệm QC
- Đo phổ NMR/MS/IR - Khảo sát độ ổn định API - Dập viên nang cứng 200/400mg
Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit Analysis)
- Chi phí nguyên liệu: Cytidin nhập khẩu có giá thị trường thấp hơn đáng kể so với Uridin hoặc Ribose biến tính enzyme. Các dung môi sử dụng (Aceton, IPA, Ethyl acetat, MTBE) đều là dung môi công nghiệp thông dụng, tỷ lệ thu hồi qua cất quay chân không đạt $\ge 80%$.
- Chi phí thiết bị: Không đòi hỏi thiết bị sắc ký áp suất cao (Preparative HPLC) hay cột nạp silica đắt tiền. Toàn bộ dây chuyền chỉ yêu cầu hệ nồi phản ứng thủy tinh/inox chịu acid có cánh khuấy, thiết bị lọc áp lực/lọc ly tâm và hệ thống sấy chân không tiêu chuẩn.
Hạn chế và hướng phát triển
Các hạn chế kỹ thuật hiện tại
- Hiệu suất bước hydroxyamin hóa ($59.0%$) và bước thủy phân giải phóng hoạt chất ($44.7%$) vẫn còn dư địa cải thiện do một phần sản phẩm bị thất thoát hòa tan trong pha nước khi trung hòa dung dịch acid formic.
- Muối acetonid sulfat ($2$) có tính hút ẩm nhẹ và có thể bị thủy phân ngược về Cytidin nếu bảo quản trong điều kiện độ ẩm cao $>60%$ RH.
Định hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu phát triển quy trình liên tục một nồi (One-pot synthesis) từ chất $2$ đến chất $4$ mà không cần cô lập chất trung gian $3$, giúp rút ngắn thời gian mẻ phản ứng từ 58 giờ xuống dưới 30 giờ.
- Tối ưu hóa điều kiện kết tinh Molnupiravir trực tiếp trong môi trường nước/cồn đẳng điện để nâng hiệu suất bước cuối từ $44.7%$ lên $>70%$.
Đối tượng hưởng lợi
+-------------------+--------------------------------------------------------------------------------+
| Nhóm đối tượng | Giá trị và Lợi ích định lượng mang lại |
+-------------------+--------------------------------------------------------------------------------+
| Sinh viên Dược/Hóa| Cung cấp giáo trình thực hành chi tiết về tổng hợp Ribonucleosid kháng virus, |
| | phương pháp biện luận phổ NMR 600 MHz và kỹ thuật chiết phân đoạn nâng cao. |
+-------------------+--------------------------------------------------------------------------------+
| Chuyên viên R&D | Bộ thông số phản ứng chuẩn xác (SOP), giải pháp ức chế tạp diacyl hóa 17 và |
| | quy trình làm sạch DBU bằng dung dịch acid acetic 10%. |
+-------------------+--------------------------------------------------------------------------------+
| Doanh nghiệp Dược | Cắt giảm 40-50% chi phí đầu tư thiết bị tinh chế, tự chủ nguồn nguyên liệu |
| | hoạt chất Molnupiravir phục vụ sản xuất viên nang điều trị COVID-19. |
+-------------------+--------------------------------------------------------------------------------+
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai quy trình ở quy mô nhà máy là gì?
Quy trình yêu cầu hệ thống nồi phản ứng lót thủy tinh (Glass-lined reactor) có khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác trong hai dải: làm lạnh $0^\circ C \pm 2^\circ C$ (cho phản ứng acyl hóa và trung hòa) và gia nhiệt hồi lưu $75 - 80^\circ C$ (cho phản ứng hydroxyamin hóa). Hệ thống phải trang bị phễu lọc kín chịu áp lực hoặc máy vắt ly tâm để thu hồi tinh thể.
2. Làm thế nào để giải quyết vấn đề tạp chất diacyl hóa ở bước 2?
Tạp chất diacyl hóa hình thành do phản ứng acyl hóa cạnh tranh vào nhóm $4-NH_2$. Biện pháp xử lý triệt để là duy trì nhiệt độ phản ứng nghiêm ngặt ở $0^\circ C$, chia lượng Anhydrid isobutyric ($1.4\text{ eq}$) làm hai lần nhỏ giọt cách nhau 30 phút và sử dụng base hữu cơ DBU thay vì TEA.
3. Tại sao không sử dụng Hydroxylamin tự do mà phải dùng muối Hydroxylamin Sulfat?
Hydroxylamin dạng base tự do ($NH_2OH$) là chất không bền, có nguy cơ phát nổ tự phát khi đun nóng trên $70^\circ C$ và gây kích ứng mạnh cho người thao tác. Muối $(NH_2OH)_2 \cdot H_2SO_4$ bền nhiệt, an toàn trong lưu trữ công nghiệp và dễ dàng giải phóng tác nhân ái nhân trong dung môi Isopropanol $70%$.
4. Chi phí dung môi và khả năng tái chế trong quy trình như thế nào?
Các dung môi chính gồm Acetonitril, Dichloromethan, Isopropanol và MTBE đều có điểm sôi chênh lệch rõ rệt ($40^\circ C - 82^\circ C$), cho phép thu hồi trên $80%$ qua hệ thống sinh hàn cất ngưng tụ chân không, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí vận hành và tải trọng xử lý nước thải.
5. Dấu hiệu quang phổ nào chứng minh đã tổng hợp thành công Molnupiravir?
Sự chuyển hóa thành công được chứng minh qua 4 tín hiệu phổ cốt lõi:
- Phổ $^1H-NMR$ xuất hiện 2 pic singlet ở vùng trường rất yếu $\delta = 10.01\text{ ppm}$ và $\delta = 9.49\text{ ppm}$ đặc trưng cho nhóm $N-OH$ và $-NH-$.
- Sự biến mất của 2 pic methyl nhóm bảo vệ acetonid tại $\delta = 1.29\text{ ppm}$ và $1.49\text{ ppm}$.
- Phổ $^{13}C-NMR$ có đầy đủ 13 tín hiệu carbon, trong đó có pic carbonyl ester tại $\delta = 175.95\text{ ppm}$.
- Khối phổ MS cho pic ion phân tử âm sắc nét tại $m/z = 327.9\text{ }[M-H]^-$.
Kết luận
Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu tổng hợp Molnupiravir từ Cytidin" đã giải quyết thành công bài toán tự chủ công nghệ tổng hợp hoạt chất kháng virus quan trọng trong điều trị COVID-19. Bằng việc xây dựng lộ trình 4 bước thuần hóa học không qua sắc ký cột, nghiên cứu đã tối ưu hóa hiệu suất từng công đoạn ($96.0%$, $90.6%$, $59.0%$, $44.7%$), đạt hiệu suất tổng thể $22.9%$ với độ tinh khiết cao và cấu trúc được khẳng định chắc chắn qua hệ thống phổ IR, MS, $^1H-NMR$ và $^{13}C-NMR$. Kết quả này không chỉ đóng góp một giải pháp công nghệ giá trị cho ngành Hóa Dược trong nước mà còn mở ra triển vọng to lớn trong việc sản xuất đại trà thuốc kháng virus giá thành rẻ, phục vụ sự nghiệp chăm sóc sức khỏe cộng đồng.
