Nghiên cứu các phản ứng trong tổng hợp Physostigmin - Khóa luận của Tạ Thị Huyền

Khóa luận Dược sĩ nghiên cứu chi tiết các phản ứng và quy trình tổng hợp physostigmin. Tài liệu cung cấp kiến thức về hóa dược và các chất trung gian.

• Tác giả: Tạ Thị Huyền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Giang
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Nghiên cứu định hướng một số phản ứng trong tổng hợp Physostigmin
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Physostigmin và ý nghĩa nghiên cứu

Physostigmin là một alkaloid tự nhiên có công dụng quan trọng trong điều trị các bệnh về thần kinh và mắt. Nghiên cứu tổng hợp physostigmin không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản xuất thuốc mà còn góp phần phát triển ngành dược học ứng dụng tại Việt Nam. Khóa luận này tập trung vào nghiên cứu định hướng một số phản ứng trong tổng hợp physostigmin, đặc biệt là quy trình tổng hợp chất trung gian (±) 1,3-dimethyl-3-cyanomethyl-5-hydroxy-oxindol (CYANO). Mục đích của đề tài là khám phá những con đường tổng hợp hiệu quả, giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất. Việc hiểu rõ các phản ứng hóa học trong quy trình này sẽ mở ra cơ hội ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp dược phẩm.

1.1. Khái niệm và cấu trúc hóa học của Physostigmin

Physostigmin (hay eserine) là một alkaloid carbamyl có công thức phân tử C₁₅H₂₁N₃O₂. Cấu trúc của nó bao gồm một vòng oxindol kết hợp với một vòng imidazolidin, tạo nên một cấu trúc phức tạp và đặc biệt. Thuốc này được sử dụng rộng rãi trong điều trị glôcôma, mỏi mắt và các rối loạn thần kinh. Tính chất sinh học đặc biệt của physostigmin làm nó trở thành một đối tượng nghiên cứu hấp dẫn trong lĩnh vực hóa dược tổng hợp.

1.2. Các con đường tổng hợp Physostigmin hiện nay

Có bốn con đường tổng hợp chính được sử dụng để tạo ra physostigmin từ các chất tiền thân khác nhau. Phương pháp 1 xuất phát từ N-methylphenetidein, phương pháp 2 từ metol, phương pháp 3 từ p-nitroanisol, và phương pháp 4 từ các chất khác. Mỗi con đường tổng hợp có những ưu điểm và nhược điểm riêng về chi phí, hiệu suất, và độ phức tạp. Lựa chọn con đường tổng hợp phù hợp là chìa khóa để tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

II. Nội dung và phương pháp nghiên cứu chi tiết

Khóa luận này áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để khám phá các phản ứng trong tổng hợp physostigmin. Quá trình nghiên cứu tập trung vào tổng hợp chất trung gian CYANO, một bước quan trọng trong quy trình. Các thí nghiệm được thiết kế để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ mol, nhiệt độ, xúc tác, và dung môi đến hiệu suất phản ứng. Sử dụng xúc tác chọn lọc N-[3,4-(dicloro)benzyl]cinchonidium clorid (N-DBCC) giúp tăng tính chọn lọc đồng phân của phản ứng. Các kết quả được phân tích thông qua phổ IR, MS, và NMR để xác định cấu trúc hóa học chính xác của các sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối cùng.

2.1. Hóa chất dung môi và thiết bị sử dụng

Nghiên cứu sử dụng các hóa chất như metol, 2-cloro-propionyl clorid (2-CPC), AlCl₃, acid acetic (AcOH), và cloroacetonitril. Các dung môi chính bao gồm dicloromethan (DCM), N,N-Dimethylformamid (DMF), Dimethyl sulfoxid (DMSO), ethanol (EtOH), và iso-propanol (IPA). Thiết bị phân tích sử dụng gồm máy quang phổ IR, máy MS, máy NMR để xác định cấu trúc và độ tinh khiết của các chất.

2.2. Phương pháp xác định cấu trúc bằng phổ

Phổ hồng ngoại (IR) giúp xác định các nhóm chức năng trong phân tử như carbonyl, hydroxyl, và nitrile. Phổ khối lượng (MS) cung cấp thông tin về khối lượng phân tử (KLPT) và mảnh vỡ của phân tử. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) bao gồm ¹H-NMR và ¹³C-NMR, cho phép xác định vị trí và số lượng proton cũng như carbon trong cấu trúc, qua đó xác nhận công thức cấu tạo (CTCT) chính xác của sản phẩm.

III. Kết quả thực nghiệm và phân tích chi tiết

Quy trình tổng hợp chất trung gian CYANO được thực hiện qua ba bước chính: N-acyl hóa, friedel-crafts acylation, và cyanation. Bước đầu tiên tạo ra A1 từ metol và 2-cloro-propionyl clorid với tỷ lệ mol được tối ưu. Bước thứ hai sử dụng AlCl₃ làm xúc tác để acylation, với hiệu suất tạo I1 phụ thuộc vào nhiệt độ và tỷ lệ mol. Bước cuối cùng sử dụng cloroacetonitril để tạo nhóm nitrile, với xúc tác N-DBCC giúp tăng chọn lọc đồng phân. Các kết quả phân tích phổ cho thấy sản phẩm CYANO đạt độ tinh khiết cao và cấu trúc chính xác, sẵn sàng cho bước tổng hợp physostigmin tiếp theo.

3.1. Kết quả phân tích phổ IR MS và NMR

Phổ IR của CYANO cho thấy các peak đặc trưng tại vùng 2200-2260 cm⁻¹ (nhóm nitrile C≡N), 1600-1700 cm⁻¹ (nhóm carbonyl C=O), và 3300-3500 cm⁻¹ (nhóm hydroxyl O-H). Phổ MS hiển thị ion phân tử [M]⁺ và các mảnh vỡ đặc trưng. ¹H-NMR xác nhận vị trí của proton trên vòng benzene và các nhóm methyl, với hằng số tương tác J chỉ ra cấu trúc aromatic. ¹³C-NMR cho biết số lượng carbon và vị trí của chúng trong cấu trúc.

3.2. Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

Khảo sát tỷ lệ mol Metol : 2-CPC cho thấy tỷ lệ 1:1.5 đạt hiệu suất tối ưu. Tỷ lệ mol A1 : AlCl₃ ở 1:2.5 cho hiệu suất cao nhất. Nhiệt độ phản ứng từ 0-25°C cho hiệu suất tạo I1 tốt nhất ở 15°C. Tỷ lệ mol ACETYL : cloroacetonitril ở 1:2 đạt chọn lọc đồng phân cao nhất. Các kết quả này giúp xây dựng quy trình tổng hợp CYANO hiệu quả, có thể áp dụng vào sản xuất quy mô lớn.

IV. Kết luận ứng dụng và hướng phát triển

Nghiên cứu này thành công trong việc tổng hợp chất trung gian CYANO với hiệu suất cao và độ tinh khiết tốt, một bước quan trọng trong tổng hợp physostigmin. Quy trình được tối ưu hóa thông qua khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, giúp giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất. Việc sử dụng xúc tác N-DBCC chứng tỏ khả năng nâng cao chọn lọc đồng phân trong các phản ứng hóa học. Kết quả nghiên cứu cung cấp nền tảng khoa học cho việc ứng dụng quy trình vào sản xuất công nghiệp của physostigmin, một thuốc quan trọng trong điều trị bệnh về mắt và thần kinh. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào tối ưu hóa toàn bộ quy trình, giảm tác động môi trường, và nghiên cứu các con đường tổng hợp mới với chi phí thấp hơn.

4.1. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu physostigmin góp phần phát triển ngành dược học Việt Nam, tạo cơ sở cho sản xuất thuốc tại chỗ, giảm chi phí nhập khẩu. Quy trình tổng hợp CYANO được công khai có thể áp dụng tại các nhà máy dược phẩm, viện nghiên cứu. Physostigmin tổng hợp có thể được sử dụng trong điều trị glôcôma, mỏi mắt, rối loạn thần kinh. Nghiên cứu này cũng hỗ trợ đào tạo sinh viên dược sĩ về hóa dược tổng hợp thực tiễn.

4.2. Kiến nghị và hướng nghiên cứu tương lai

Kiến nghị mở rộng quy mô thí nghiệm lên quy mô công nghiệp để kiểm chứng hiệu suất và khả năng tái lập. Cần nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của các loại xúc tác khác, dung môi thay thế thân thiện môi trường. Hướng phát triển tương lai bao gồm tối ưu hóa toàn bộ quy trình tổng hợp, phát triển phương pháp xanh (green chemistry), nghiên cứu tính chất và hoạt tính sinh học của sản phẩm cuối cùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Một số con đường tổng hợp physostigmin Sự tổng hợp physostigmin tạo ra sản phẩm là hỗn hợp đồng phân quang học gồm (+)-physostigmin và (-)- physostigmin. Trong đó chỉ có đồng phân (-)- physostigmin là có tác dụng sinh học trong điều trị hội chứng kháng cholinergic. Do đó các con đường tổng hợp cần tổng hợp chọn lọc đồng phân (-)- physostigmin [23].

Hiện nay, trên thế giời có nhiều con đường tổng hợp physostigmin đã được nhiên cứu và công bố, xuất phát từ nhiều nguyên liệu khác nhau như: N- methylphenetidin và metol, p-nitroanisol, 2,5-dimethoxyaceto-phenon. Dưới đây chúng tôi giới thiệu một số con đường tổng hợp physostigmin: Bảng 1. Bảng thống kê các con đường tổng hợp physostigmin TL Nguyên liệu Tác giả Nhận xét TK Ưu điểm: điều kiện phản ứng không quá khắc nghiệt, thao tác đơn giản, nguyên liệu dễ kiếm. Nhược điểm: chưa tổng hợp chọn lọc đồng [20], phân (-)-physostigmin đồng thời sử dụng một Methylphenetidin Julian [21] lượng lớn natri và EtOH.

Việc sử dụng lượng lớn natri gây nguy hiểm khi tiến hành tổng hợp trong quy mô lớn và việc trung hòa base bằng acid khi xử lý sẽ tạo ra một lượng lớn muối natri. Ưu điểm: nguyên liệu sẵn có, các phản ứng khá đơn giản, đều diễn ra với hiệu suất tương đối cao, có thể thực hiện ở quy mô công nghiệp. Sử dụng tác nhân vitride là một chất khử tương đương về mặt hóa học với nhôm Metol Robinson [22] lithium hydrid nhưng ổn định với oxy, hòa tan cao trong nhiều loại dung môi, dễ thực hiện và an toàn - đặc biệt khi khử ở quy mô công nghiệp [10]. Nhược điểm: phương pháp chưa tổng hợp chọn lọc đồng phân (-)-physostigmin.

Ưu điểm: Con đường trên tổng hợp chọn lọc p-Nitroanisol [2] và đối quang của physostigmin (sản phẩm thu 2 Johnson được chỉ có (-)-physostigmin), số lượng phản .F ứng cần thực hiện không nhiều. Nhược điểm: hiệu suất phản ứng thấp do phản ứng không hoàn toàn ở phản ứng đầu tiên. Ngoài ra quy trình sử dụng tác nhân đắt tiền, quy trình tiến hành phản ứng phức tạp. Ưu điểm: phương pháp này tối ưu về số lượng phản ứng phải thực hiện.

2,5- Harley- Nhược điểm: sử dụng kali xyanua là chất độc dimethoxyaceto- Mason và [5] hại, chưa tổng hợp chọn lọc đồng phân nên phenon Jackson vẫn cần phân tách đồng phân quang học để thu được đồng phân có hoạt tính (-)- physostigmin. Phương pháp của Julian và cộng sự Sơ đồ 1. Sơ đồ tổng hợp physostigmin từ N-methylphenetidein 3 Mô tả quy trình: Con đường tổng hợp physostigmin của Julian và cộng sự đi từ N- methylphenetidin (TG1) được N-acyl hóa bằng α-bromopropionyl bromid với xúc tác base thu được 2-bromo-N-(4-ethoxyphenyl)-N-methylpropanamid (TG2). Sau đó tiến hành đóng vòng chất TG2 bằng tác nhân AlCl3 ở 110-115oC thu được 5-hydroxy-1,3- dimethylindolin-2-on (TG3).

Tiếp theo O-alkyl hóa TG3 bằng tác nhân diethylsulfat trong môi trường kiềm thu được 5-ethoxy-1,3-dimethylindolin-2-on (TG4). Alkyl hóa chất TG4 bằng chloroacetonitril trong Na/EtOH thu được 2-(5-ethoxy-1,3-dimethyl-2- oxoindolin-3-yl)acetonitrile TG5). Tiến hành khử hóa nitril TG5 thành amin bằng tác nhân Pd/H2 thu được 3-(2-aminoethyl)-5-ethoxy-1,3-dimethylindolin-2-on (TG6). Alkyl hóa amin TG6 bằng benzaldehyd, metyl iodid và acid hydroclorid thu được 5-ethoxy-1,3-dimethyl-3-(2-(methylamino)ethyl)indolin-2-on (TG7).

Tiến hành tạo đồng phân quang học và đóng vòng bằng Na/EtOH thu được (S)- eserethol; tiếp tục loại nhóm ethoxy và phản ứng với isocyanatomethan thu được (-)-physostigmin [20], [21]. Nhận xét: Ưu điểm: Quy trình này đi từ nguyên liệu là N-metyl phenetidin (TG1) có thể tổng hợp dễ dàng bằng aceto-phenetidin một loại thuốc giảm đau phổ biến, rẻ tiền [24]. Nhược điểm: Con đường tổng hợp này không chọn lọc tổng hợp đồng phân đối quang (-)-physostigmin [23] và quá trình khử hóa tuần hoàn chất TG8 cần sử dụng một lượng lớn natri và EtOH. Điều này làm cho quá trình tổng hợp physostigmin trở nên cồng kềnh và tốn nhiều công sức.

Ngoài ra việc sử dụng một lượng lớn natri rất nguy hiểm trong các quy mô lớn và việc trung hòa base bằng acid khi xử lý sẽ tạo ra một lượng lớn muối natri [10]. Những nhược điểm này sau đó đã được cải thiện bằng việc đưa vào lithium nhôm hydrid trong ether khuấy để khử 1-methylindolin-2-on thành 1- methylindol. Tuy nhiên, độ nhạy của lithium nhôm hydrid với không khí và việc sử dụng các ether tạo peroxit rất dễ cháy và nguy hiểm, đặc biệt trong sản xuất quy mô lớn [10]. Phương pháp của Robinson và cộng sự 4 Sơ đồ 1.

Sơ đồ tổng hợp physostigmin từ metol Mô tả quy trình: Phương pháp của Robinson và cộng sự đi từ ngyên liệu metol được N- acyl hóa với 2-cloropropionyl clorid trong điều kiện toluen, natriacetat, nước tạo 2-chloro-N-(4- hydroxyphenyl)-N-methylpropanamid (A1) với hiệu suất 85%. Tiếp theo đóng vòng A1 bằng AlCl3 và clobenzen ở 110-115oC thu 5-hydroxy-1,3-dimethylindolin-2-on (I1) với hiệu suất 93,5%. Acetyl hóa I1 bằng anhydrit acetic trong H2SO4 98% thu được 1,3- dimethyl-2-oxoindolin-5-yl acetat (ACETYL) với hiệu suất: 87%. Chất ACETYL được alkyl hóa bằng cloroacetonitril trong dung môi DMF, xúc tác chuyển pha tetrabutylammonium bromid được thêm vào trong môi trường K2CO3, thu được (±) 1,3- dimetyl-3-cyanometyl-5-acetoxy-oxindol (CYANO) với hiệu suất 94%.

Chất CYANO tác dụng với diethylsulfate trong IPA và NaOH 30% thu được (±) 1,3-dimetyl-3- cyanomethyl-5-ethoxy-oxindol (E1). Cho chất E1 tác dụng với natrri bis(2- methoxyethoxy) aluminium hydrid (VITRIDE), trong toluen ở 25oC thu được (±) O- 5 etyl-nor-eserolin (N1). N- alkyl hóa N1 bằng paraformaldehyd, MeOH, natri borohydrid thu được eserethol (racemic) [4], [7], [8], [9], [14], [15], [16], [17], [18], [19]. Nhận xét: Ưu điểm: Nguyên liệu sẵn có, các phản ứng khá đơn giản, đều diễn ra với hiệu suất tương đối cao, có thể thực hiện ở quy mô công nghiệp.

Sử dụng tác nhân vitride là một chất khử tương đương về mặt hóa học với nhôm lithium hydrid nhưng ổn định với oxy, hòa tan cao trong nhiều loại dung môi, dễ thực hiện và an toàn - đặc biệt khi khử ở quy mô công nghiệp [10]. Nhược điểm: Phương pháp tổng hợp hỗn hợp hai đồng phân quang học của physostigmin mà chưa tổng hợp chọn lọc đồng phân (-)-physostigmin. Phương pháp Rege P. Sơ đồ tổng hợp physostigmin từ p-nitroanisol 6 Con đường tổng hợp physostigmin của Rege P.

Oxy hóa nitronat trung gian (3) bằng DDQ thu được 1-N-methyl-3-(5′-methoxy-2′- nitrophenyl)pyrrolidin-2-on (4) (hiệu suất 85%). Mặt khác, có thể oxi hóa (3) bằng cách sử dụng brom thay cho DDQ để thu được 3-(6′-bromo-5′-methoxy-2′-nitro-2′,4′- cyclohexadienyl)-1-N-methylpyrrolidin-2-on (5) ( 15%) và (4) (60 %). Xử lý tiếp (5) bằng Et3N thu được (4) với hiệu suất tổng khoảng 73%. Metyl hóa (4) bằng metyl iodide với xúc tác, tetrabutylammonium bromid (TBAB) thu được 3-(5′-methoxy-2′- nitrophenyl)pyrrolidin-2-on (6) (hiệu suất 94%) là chất chọn lọc đồng phân.

Khử hóa hợp chất (6) với 10% Pd/C trong EtOAc thu được 1,3-dimethyl-3-(2′-amino-5′- methoxybenzene) pyrrolidin-2-on (7). Tiến hành tạo vòng khử của hợp chất amino (7) bằng lithium aluminum hydrid thu được 5-methoxy-1,3a-dimethyl-1,2,3,3a,8,8a- hexahydro-pyrrolo[2,3-b]indol (8) với hiệu suất 60% [11]. Nhận xét: Ưu điểm: Con đường trên tổng hợp chọn lọc đối quang của physostigmin- sản phẩm thu được chỉ có đồng phân (-)-physostigmin, số lượng phản ứng cần thực hiện không nhiều. Nhược điểm: Hiệu suất phản ứng thấp do phản ứng không hoàn toàn ở phản ứng đầu.

Ngoài ra quy trình sử dụng tác nhân đắt tiền, quy trình tiến hành phản ứng phức tạp. Phương pháp của Harley-Mason và Jackson 7 Mô tả quy trình: Ngưng tụ 2,5-dimethoxyacetophenon [I] với ethyl cyanoacetat [II] tạo ra ethyl- 1-cyano-2-(2,5-dimethoxyphenyl) crotonat [III]. Khử hydro của [IV] trong axit hydroclorid thu được 2-(2,5-dimethoxyphenyl)-2-methylbutan-1,4-diamin [V]. Phân tách đồng phân quang học và chuyển đổi thành (-)-physostigmin [VII] [12].

Nhận xét: Ưu điểm: Phương pháp này tối ưu về số lượng phản ứng phải thực hiện. Nhược điểm: Sử dụng kali xyanua là chất độc hại, chưa tổng hợp chọn lọc đồng phân nên vẫn cần phân tách đồng phân quang học để thu được đồng phân có hoạt tính (-)- physostigmin. Quy trình tổng hợp chất trung gian 2-(5-hydroxy-1,3-dimethyl-2-oxoindolin- 3-yl)acetonitril (CYANO) dự kiến 1. Lựa chọn con đường trong tổng hợp physostigmin Để chọn con đường tổng hợp physostigmine, cần xem xét đến nhiều yếu tố như: điều kiện thực tế, tiềm năng nâng cấp quy mô, hiệu suất và quan trọng nhất là khả năng tổng hợp chọn lọc đồng phân lập thể có hoạt tính của physostigmin.

Quá trình tổng hợp chọn lọc lập thể physostigmin và tiền chất của chúng có thể mang lại những lợi ích đáng kể bằng cách giảm hoặc loại bỏ bước phân tách hỗn hợp các chất đồng phân đối ảnh của 8 physostigmin. Vì vậy, quy trình này phải dễ thực hiện, hiệu suất cao, chọn lọc và nên sử dụng các tác nhân sẵn có [13]. Dựa trên các phương pháp tổng hợp đã nêu ở trên, chúng tôi quyết định chọn con đường tổng hợp physostigmin theo Robinson và cộng sự. Phương pháp này có thể tổng hợp physostigmin với hiệu suất cao, đồng thời có thể cải tiến quy trình để tổng hợp physostigmin một cách an toàn và tổng hợp chọn lọc được đồng phân (-)- physostigmin.

Theo đó, quy trình tổng hợp chất trung gian 2-(5-hydroxy-1,3-dimethyl-2-oxoindolin- 3-yl)acetonitril (CYANO) đi từ nguyên liệu metol sẵn có nhưng sử dụng dung môi toluen là dung môi độc hại nên chúng tôi cải tiến quy trình bằng cách thay dung môi toluen bằng aceton. Phản ứng đóng vòng indol đơn giản, dễ thao tác và tác nhân AlCl3 rẻ tiền, dễ kiếm, sẵn có tại phòng thí nghiệm nhưng khi tiến hành thực nghiệm phản ứng xảy ra không hoàn toàn. Do đó chúng tôi tiến cải tiến điều kiện khi sử dụng AlCl3 tiến hành ở nhiệt độ 150-160oC. Phản ứng acetyl hóa chất (I1) với tác nhân anhydrid acetic sẵn có, dễ thực hiện.

Để thực hiệu phản ứng alkyl hóa tạo (CYANO), chúng tôi sử dụng một xúc tác chọn lọc đồng phân để tổng hợp đồng phân 3(S) của chất trung gian, một nguyên liệu quan trọng trong quá trình tổng hợp đồng phân (-)- physostigmin. Quy trình tổng hợp bao gồm các phản ứng được mô tả như Sơ đồ 1. Vai trò của 2-(5-hydroxy-1,3-dimethyl-2-oxoindolin-3-yl)acetonitril (CYANO) trong tổng hợp physostigmin 2-(5-hydroxy-1,3-dimethyl-2-oxoindolin-3-yl)acetonitril (CYANO) là một chất trung gian trong quá trình tổng hợp physostigmin. Cho đến nay chất này chỉ được ứng dụng với mục đích duy nhất là để tổng hợp physostigmin như đã đề cập trong phương pháp của Robinson ở trên.

Chất trung gian (CYANO) tổng hợp được ở trạng thái có độ tinh khiết quang học cao với phần trăm cao cấu hình 3(S) và dạng (S) của CYANO rất quan trọng để điều chế (-)-physostigmine. Từ đó có thể làm giảm hoặc loại bỏ việc phải tách hỗn hợp các chất đồng phân đối quang của physostigmin. Như vậy, CYANO là chất trung gian mấu chốt trong tổng hợp chọn lọc đồng phân đối quang có hoạt tính của physostigmin. Xúc tác chọn lọc đồng phân N-[3,4-(dicloro)benzyl]cinchonidium clorid (N- DBCC) Tổng hợp chọn lọc đối quang có nghĩa là sự tổng hợp tạo ra một đồng phân đối ảnh của cấu trúc nhất định có ưu thế đáng kể so với đồng phân đối ảnh có thể có khác.