Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Hóa học hữu cơ của nghiên cứu sinh Tao Wu có tiêu đề "Synthetic studies on polycyclic indole alkaloids", được thực hiện tại Khoa Hóa học, Đại học Bang Iowa (Iowa State University, Ames, Iowa, Hoa Kỳ) năm 2006 dưới sự hướng dẫn của Giáo sư George A. Kraus. Hội đồng chấm luận án gồm Giáo sư George A. Kraus (Trưởng ban), Giáo sư Richard C. Larock, Giáo sư William Jenks, Giáo sư Jacob Petrich, Giáo sư Donald Lee Reynolds và Giáo sư John Verkade.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu của luận án xuất phát từ ba nhóm vấn đề chính trong hóa tổng hợp hữu cơ các hợp chất dị vòng chứa nhân indol:

  1. Nhóm ancaloit HKI 0231A và HKI 0231B: Hai ancaloit indol dị vòng này được phân lập vào năm 2001 từ dịch lên men của chủng xạ khuẩn Streptomyces sp. Cả hai hợp chất đều có cấu trúc khung ngũ vòng (pentacyclic core) gắn hệ mang màu oxonaphthopyrrole và thể hiện hoạt tính ức chế enzym 3α-hydroxysteroid dehydrogenase (với cùng giá trị IC50 = 10,5 µg/mL). Đây là enzym then chốt tham gia vào quá trình viêm, khiến hai hợp chất này trở thành các cấu trúc dẫn đường tiềm năng cho thuốc kháng viêm. Dù vậy, các phương pháp tổng hợp trước đó từ nhóm Nakatsuka và nhóm Kelly gặp nhiều hạn chế: phụ thuộc vào nguyên liệu đắt tiền (7-methylindole), hiệu suất chuyển hóa ở các giai đoạn cuối thấp (14% qua 2 bước cuối ở nhóm Nakatsuka), và hoàn toàn thất bại trong việc thiết lập nhóm chức amide acetal đặc trưng của HKI 0231A.
  2. Nhóm abeo-ergoline và các chất tương tự: Các ancaloit cựa khỏa mạch (ergot alkaloids) sở hữu hoạt tính dược lý đa dạng. Dẫn xuất abeo-ergoline, thu được qua bán tổng hợp từ 9-hydroxyergoline, thể hiện ái lực và độ chọn lọc cao trên thụ thể serotonin 5-HT1A. Tuy nhiên, việc tổng hợp toàn phần chọn lọc lập thể hoặc tổng hợp trực tiếp các chất tương tự abeo-ergoline từ các tiền chất thương mại đơn giản vẫn còn thiếu các quy trình hiệu quả, ngắn bước.
  3. Hóa học benzocyclobutenol: Benzocyclobutenol là các khối cấu trúc linh hoạt đóng vai trò tiền chất sinh ra các chất trung gian phản ứng ortho-quinodimethan (o-QDM) dưới tác dụng của nhiệt hoặc bazơ. Quy trình tổng hợp kinh điển của benzocyclobutenol đòi hỏi nhiều bước phản ứng phức tạp. Việc thiếu hụt một phương pháp tổng hợp một bình (one-pot) kết hợp phản ứng ba thành phần trực tiếp là khoảng trống thực nghiệm cần giải quyết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Xây dựng lộ trình tổng hợp hình thức (formal total synthesis) cho HKI 0231B và phát triển quy trình tổng hợp toàn phần đầu tiên cho cả demethyl HKI 0231A và demethyl HKI 0231B.
  2. Khảo sát hướng tiếp cận tổng hợp bất đối xứng đối với khung abeo-ergoline từ tiền chất đơn giản và hoàn thành quy trình tổng hợp toàn phần hiệu quả cho các dẫn xuất abeo-ergoline racemic.
  3. Phát triển chiến lược tổng hợp một bình điều chế benzocyclobutenol cùng phản ứng ba thành phần tương ứng và ứng dụng vào tổng hợp các ancaloit tự nhiên nhóm berbine.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các hệ ancaloit indol đa vòng tự nhiên và nhân tạo bao gồm HKI 0231A, HKI 0231B, các dẫn xuất demethyl tương ứng, abeo-ergoline, các chất tương tự abeo-ergoline, các dẫn xuất benzocyclobutenol và ancaloit nhóm berbine.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm hóa học hữu cơ tổng hợp quy mô phòng thí nghiệm; khảo sát các điều kiện phản ứng (nhiệt độ, dung môi, chất xúc tác kim loại, gốc tự do, anion); phân lập sản phẩm bằng sắc ký cột nhanh (flash chromatography); xác định cấu trúc bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR, 13C-NMR), khối phổ (MS), khối phổ phân giải cao (HRMS) và đo điểm nóng chảy (melting point).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại chi tiết các công trình nghiên cứu đi trước liên quan trực tiếp đến các đối tượng nghiên cứu:

  1. Công trình phân lập của nhóm Grafe (2001): Nhóm tác giả Grafe công bố việc phân lập hai ancaloit indol từ dịch lên men của Streptomyces sp. Sử dụng các kỹ thuật phổ quang phổ tử ngoại (UV), cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và khối phổ (MS), cấu trúc phân tử của HKI 0231A và HKI 0231B đã được xác định. Cả hai chất phát huỳnh quang mạnh nhờ hệ mang màu oxonaphthopyrrole liên hợp. Đo độ quay cực trong methanol cho thấy cả hai đều bất hoạt quang học ([α] = 0), chỉ ra HKI 0231B tồn tại ở dạng hỗn hợp racemic. Thử nghiệm sinh học xác định khả năng ức chế enzym 3α-hydroxysteroid dehydrogenase với cùng IC50 = 10,5 µg/mL.
  2. Tổng hợp toàn phần HKI 0231B của nhóm Nakatsuka (2002): Nakatsuka và cộng sự là nhóm đầu tiên hoàn thành tổng hợp toàn phần HKI 0231B qua 10 bước với hiệu suất tổng thể 8,4%. Điểm mấu chốt của quy trình là phản ứng cyclo-elimination xúc tác bởi 5 đương lượng AlCl3 trên dẫn xuất 7-methylindole để tạo khung tricyclic benz[c,d]indol-3(1H)-one (hiệu suất 84%). Tiếp theo, phản ứng cộng liên hợp chọn lọc vị trí với dẫn xuất lithi hóa của N,N-dimethyl-O-methylsalicylamide (phát triển bởi Hegedus) tạo naphthol, sau đó oxy hóa bằng không khí với xúc tác CuCl/KOH và đóng vòng nhiệt trong toluene sôi tạo pentacyclic indole. Tuy nhiên, giai đoạn cuối khử một phần bằng LAH và methyl hóa xúc tác camphorsulfonic acid (CSA) trong methanol chỉ đạt hiệu suất 14% cho 2 bước. Hơn nữa, nguyên liệu ban đầu 7-methylindole rất đắt tiền và quy trình này không thể áp dụng để tổng hợp HKI 0231A.
  3. Tổng hợp HKI 0231B của nhóm Kelly (Boston College, 2004): Nhóm Kelly tiếp cận HKI 0231B dựa trên hóa học đa anion. Bắt đầu từ para-methoxybenzyl chloride, qua các biến đổi tiêu chuẩn thu được hợp chất dibromo. Phản ứng trianion tạo khung indole với hiệu suất định lượng. Tiếp đó, dianion tạo ra có chọn lọc vị trí giữa nguyên tử nitrogen và nhóm methoxyl được bẫy bằng ethyl formate hoạt hóa bởi TMSCl để tạo hemiaminal. Methyl hóa xúc tác CSA trong methanol sôi cho HKI 0231B (12 bước, hiệu suất tổng 15,6%). Dù hiệu suất được cải thiện, nỗ lực chuyển đổi hợp chất carbonyl thành HKI 0231A qua việc tạo ion immonium bằng methyl triflate (MeOTf) và xử lý với natri methoxide trong methanol đều không thành công.
  4. Các nghiên cứu phương pháp tạo vòng indol: Luận án điểm lại phương pháp đóng vòng 2-alkynylanilide bằng xúc tác palađi truyền thống, phương pháp dùng bazơ mạnh (KH, t-BuOK, t-BuOCs trong NMP) của Knochel và cộng sự, phương pháp dùng tetrabutylammonium fluoride (TBAF) êm dịu của nhóm Sakamoto, cùng phản ứng Heck nội phân tử tại vị trí C2 của indol bằng xúc tác Pd(PPh3)4/KOAc do Kozikowski và cộng sự phát triển.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết bao gồm:

  • Thiết lập một chiến lược tổng hợp mới nhằm xây dựng khung ngũ vòng (pentacyclic skeleton) chung cho cả HKI 0231A và HKI 0231B mà không phụ thuộc vào tiền chất đắt tiền.
  • Tìm giải pháp hóa học giải quyết cấu trúc nhóm chức amide acetal kém bền trên phân tử HKI 0231A – thách thức mà cả nhóm Nakatsuka và nhóm Kelly đều thất bại.
  • Phát triển phương pháp tổng hợp ngắn bước tiếp cận khung abeo-ergoline và quy trình một bình điều chế benzocyclobutenol kết hợp bẫy chất trung gian o-QDM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết của hóa học hữu cơ thực nghiệm và phân tích hồi tổng hợp (retrosynthetic analysis):

  • Lý thuyết phản ứng ghép đôi và đóng vòng: Khảo sát phản ứng ghép đôi Sonogashira giữa aryl triflate và alkyne đầu mạch xúc tác bởi PdCl2(PPh3)2 và CuI; phản ứng đóng vòng tạo nhân indol qua trung gian anilide sử dụng tác nhân TBAF; phản ứng cộng aldol nội phân tử tạo vòng enone sáu cạnh; phản ứng đóng vòng gốc tự do (radical cyclization) sử dụng hệ tributyltin hydride (Bu3SnH) và azodiisobutyronitrile (AIBN).
  • Cơ chế oxy hóa trừ hydride (hydride abstraction): Sử dụng tác nhân 2,3-dicyano-5,6-dichloro-1,4-benzoquinone (DDQ) trong methanol để sinh ra carbocation được ổn định cộng hưởng bởi nguyên tử nitơ và vòng thơm lân cận, sau đó bẫy bằng phân tử methanol để gắn nhóm methoxyl. Sự khác biệt về khả năng trừ hydride giữa liên kết C-H vị trí trục (axial) và xích đạo (equatorial) do sức căng allylic (allylic strain) và hiệu ứng lập thể - điện tử (stereoelectronic effect) được vận dụng để kiểm soát quá trình tạo sản phẩm mono-methoxyl hóa và di-methoxyl hóa.
  • Hóa học chất trung gian hoạt động: Tạo đồng thời benzyne và enolate của acetaldehyde để sinh ra cấu tử benzocyclobutenoxide, chất này tồn tại ở trạng thái cân bằng với ortho-quinodimethide, phục vụ phản ứng cộng đóng vòng Diels-Alder [4+2] với các dienophile (như imine vòng).

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích cấu trúc:

  • Thực nghiệm tổng hợp được tiến hành trong dụng cụ thủy tinh sấy khô bằng ngọn lửa dưới bầu khí quyển khí trơ argon.
  • Dung môi phản ứng được làm khô và chưng cất tươi: diethyl ether và tetrahydrofuran (THF) chưng cất từ natri và benzophenone ketyl; methylene chloride (CH2Cl2), benzene, toluene và diisopropylamine chưng cất từ canxi hydride (CaH2).
  • Tiến trình phản ứng được giám sát bằng sắc ký lớp mỏng (TLC) trên bản đế silica gel F254 (độ dày 0,25 mm của Sigma-Aldrich). Tinh chế sản phẩm bằng sắc ký cột nhanh dùng silica gel hạt 230-400 mesh (Dynamic Adsorbents, LLC).
  • Phổ 1H-NMR và 13C-NMR được ghi trên máy đo Bruker VXR-300 (300 MHz) hoặc Bruker VXR-400 (400 MHz), độ dịch chuyển hóa học (chemical shift δ) tính bằng ppm so với chất chuẩn nội tetramethylsilane hoặc vết chloroform (7,26 ppm cho 1H). Khối phổ phân giải cao (HRMS) được đo tại Phòng Thí nghiệm Khối phổ thuộc Đại học Bang Iowa. Điểm nóng chảy đo trên thiết bị vi mao quản của Laboratory Devices (không hiệu chỉnh).

Nội dung chính theo từng chương

CHAPTER I. HKI 0231A AND HKI 0231B SYNTHESES

Chương này trình bày chi tiết hai thế hệ tiếp cận tổng hợp nhóm ancaloit HKI:

1. Lộ trình hồi tổng hợp thế hệ thứ nhất và nghiên cứu mô hình: Lộ trình thế hệ đầu dự kiến tạo HKI 0231B thông qua phản ứng ngưng tụ aldol nội phân tử và đóng vòng indol. Để đánh giá tính khả thi, một hệ mô hình xuất phát từ 4-methyl-2-nitrophenol 19 đã được thực hiện:

  • Phản ứng Duff trên phenol 19 với hexamethylene tetramine (HMTA) trong trifluoroacetic acid (TFA) hồi lưu tạo aldehyde 20 (hiệu suất 76%).
  • Khử hóa nhóm nitro bằng H2 (xúc tác Pd/C 10%) kết hợp acetyl hóa tại chỗ bằng acetic anhydride (Ac2O) thu được anilide 21 (hiệu suất 74%, điểm nóng chảy 124-126 °C).
  • Chuyển nhóm phenol thành triflate 18 bằng N-phenyltriflimide (PhN(Tf)2) và K2CO3 trong THF (hiệu suất 92%).
  • Phản ứng ghép đôi Sonogashira giữa triflate 18 với phenylacetylene (xúc tác PdCl2(PPh3)2 3 mol%, CuI 3 mol%, DIPEA, THF, 55 °C, 6 giờ) tạo alkyne 23 (hiệu suất 86%, điểm nóng chảy 145-146 °C).
  • Khảo sát đóng vòng indol từ alkyne 23: Các điều kiện xúc tác palađi thông thường hoặc bazơ mạnh (KH, t-BuOK trong NMP) đều thất bại, làm mất tín hiệu nhóm formyl trên phổ NMR thô. Khi sử dụng muối TBAF (dung dịch 1 M trong THF, hồi lưu 1 giờ), phản ứng đóng vòng diễn ra thành công tạo indol 24 với hiệu suất 67% (điểm nóng chảy 187-189 °C).
  • Acetyl hóa vị trí C3 của indol 24 bằng Ac2O và AlCl3 trong CH2Cl2 ở -20 °C thu được keto aldehyde 25 (hiệu suất 46%). Ngưng tụ aldol nội phân tử xúc tác bởi potassium tert-butoxide (t-BuOK) trong THF ở nhiệt độ phòng cho tricyclic enone 26 với hiệu suất 92%.

2. Áp dụng vào hệ thực tế và tổng hợp hình thức HKI 0231B:

  • Tổng hợp mảnh alkyne 17: Xuất phát từ 1,3-dimethoxybenzene 27, phản ứng ortho-lithi hóa bằng n-BuLi rồi bẫy bằng DMF cho aldehyde 28 (hiệu suất 71%). Khử bảo vệ chọn lọc một nhóm methoxy bằng AlCl3/NaI, tiếp theo là tạo triflate với PhN(Tf)2 cho hợp chất 29 (hiệu suất 85%). Ghép Sonogashira giữa 29 với trimethylsilylacetylene tạo 30 (hiệu suất 88%), sau đó khử nhóm bảo vệ TMS bằng TBAF thu được alkyne 17 (hiệu suất 87%).
  • Thử nghiệm ghép alkyne 17 với triflate 18 cho sản phẩm ghép 16 (hiệu suất 72%). Tuy nhiên, phản ứng đóng vòng 16 bằng TBAF thất bại do nhóm formyl tự do gây phản ứng phụ. Khi bảo vệ nhóm formyl dưới dạng dimethyl acetal 31 (hiệu suất 63%) rồi ghép với 18 tạo alkyne 32 (hiệu suất 69%), phản ứng đóng vòng với TBAF diễn ra thành công tạo indol 33 (hiệu suất 46%). Khử bảo vệ acetal bằng p-toluenesulfonic acid (PTSA) trong methanol cho indol 34 (hiệu suất 90%). Tuy nhiên, các phản ứng acetyl hóa Friedel-Crafts tại vị trí C3 trên indol 34 đều thất bại do có nhiều vị trí giàu điện tử cạnh tranh.
  • Thực hiện tổng hợp hình thức: Từ triflate 18, phản ứng ghép Sonogashira với trimethylsilylacetylene tạo 38 (hiệu suất 80%, điểm nóng chảy 119-120 °C). Đóng vòng và khử nhóm silyl đồng thời bằng TBAF cho indol 39 (hiệu suất 34%, điểm nóng chảy 116-118 °C). Acetyl hóa 39 bằng Ac2O/AlCl3 tạo dẫn xuất acetyl (hiệu suất 72%, điểm nóng chảy 200-201 °C), sau đó xử lý với t-BuOK tạo tricyclic enone 5 (hiệu suất 98%, điểm nóng chảy 178-180 °C, hiệu suất gộp 2 bước là 71%). Vì hợp chất 5 là chất trung gian tiên tiến trong quy trình của Nakatsuka, tác giả đã hoàn thành tổng hợp hình thức HKI 0231B.

3. Lộ trình thế hệ thứ hai: Tổng hợp toàn phần demethyl HKI 0231A và demethyl HKI 0231B: Để khắc phục các hạn chế trên, tác giả phát triển lộ trình thế hệ hai:

  • Tổng hợp tác nhân alkyl hóa diiodide 46: Ortho-lithi hóa o-methoxybenzoic acid 44 bằng 2 đương lượng sec-BuLi với sự có mặt của TMEDA trong THF (-100 °C đến -60 °C), bẫy carbanion bằng I2 cho acid 45 (hiệu suất 51%, điểm nóng chảy 144-146 °C). Khử nhóm carboxyl bằng BH3·Me2S trong THF hồi lưu thu được alcohol 45' (hiệu suất 91%). Iod hóa alcohol 45' bằng PPh3, imidazole và I2 trong diethyl ether tạo diiodide 46 (hiệu suất 89%).
  • Xây dựng khung ngũ vòng 63: Xuất phát từ 4-formylindole 65 có sẵn trên thị trường, phản ứng acetyl hóa bằng Ac2O/AlCl3 tạo 66 (hiệu suất 61%), tiếp theo là ngưng tụ aldol nội phân tử xúc tác t-BuOK cho tricyclic indol 67 (hiệu suất 96%). N-alkyl hóa indol 67 bằng diiodide 46 với xúc tác KOH tạo tiền chất 62 (hiệu suất 92%).
  • Đóng vòng pentacyclic: Các thử nghiệm đóng vòng Heck nội phân tử (xúc tác Pd(PPh3)4/KOAc trong DMF) hoặc trao đổi lithi-halogen (n-BuLi ở -78 °C) trên chất nền 60 và 62 đều thất bại do nhóm carbonyl tại C3 làm giảm mật độ điện tử của liên kết đôi C2-C3 hoặc gây phản ứng liên phân tử. Tác giả chuyển sang phản ứng đóng vòng gốc tự do: nhỏ giọt chậm dung dịch Bu3SnH và AIBN vào dung dịch của 62 trong toluene sôi, thu được khung ngũ vòng pentacyclic 63 với hiệu suất 58%.
  • Phản ứng methoxyl hóa bằng DDQ: Khuấy hợp chất 63 với DDQ trong methanol ở nhiệt độ phòng cho demethyl HKI 0231B (hiệu suất 63%). Tiếp tục hồi lưu demethyl HKI 0231B với DDQ trong methanol cho demethyl HKI 0231A (hiệu suất 58%). Ngoài ra, phản ứng trực tiếp từ 63 với DDQ trong methanol sôi tạo thẳng demethyl HKI 0231A với hiệu suất 62%. Quy trình này chỉ gồm 5 bước từ 4-formylindole với hiệu suất tổng thể khoảng 20%.
Giai đoạn phản ứng (Thế hệ II) Tác nhân / Điều kiện Chất phản ứng $\rightarrow$ Sản phẩm Hiệu suất (%)
Acetyl hóa C3 $\text{Ac}_2\text{O}$, $\text{AlCl}_3$, $\text{CH}_2\text{Cl}_2$, $-20\ ^\circ\text{C}$ $\mathbf{65} \rightarrow \mathbf{66}$ 61%
Ngưng tụ aldol nội phân tử $t\text{-BuOK}$, $\text{THF}$, nhiệt độ phòng $\mathbf{66} \rightarrow \mathbf{67}$ 96%
N-Alkyl hóa indol $\mathbf{46}$, $\text{KOH}$ $\mathbf{67} \rightarrow \mathbf{62}$ 92%
Đóng vòng gốc tự do $\text{Bu}_3\text{SnH}$, $\text{AIBN}$, toluene, hồi lưu $\mathbf{62} \rightarrow \mathbf{63}$ 58%
Methoxyl hóa tạo demethyl HKI 0231B $\text{DDQ}$, $\text{MeOH}$, nhiệt độ phòng $\mathbf{63} \rightarrow \text{Demethyl HKI 0231B}$ 63%
Methoxyl hóa tạo demethyl HKI 0231A $\text{DDQ}$, $\text{MeOH}$, hồi lưu $\mathbf{63} \rightarrow \text{Demethyl HKI 0231A}$ 62%

CHAPTER II. SYNTHESIS OF ABEO-ERGOLINES AND THEIR ANALOGS

Chương II tập trung vào các nỗ lực tổng hợp bất đối xứng đối với abeo-ergoline và hoàn thành quy trình tổng hợp toàn phần các chất tương tự abeo-ergoline:

  • Bối cảnh và thiết kế cấu trúc: Khung abeo-ergoline là đồng phân tái sắp xếp của ergot alkaloid, thu được thông qua bán tổng hợp từ 9-hydroxyergoline. Các thử nghiệm dược lý cho thấy nhiều thành viên trong nhóm này biểu hiện ái lực gắn kết cao và có tính chọn lọc chuyên biệt đối với thụ thể 5-HT1A, mở ra tiềm năng điều trị trong các bệnh lý thần kinh.
  • Chiến lược tổng hợp khung abeo-ergoline: Nhằm lắp ráp toàn bộ khung carbon một cách có kiểm soát, tác giả khảo sát phản ứng ghép giữa 4-lithioindole với một enaminone. Enaminone này được điều chế trực tiếp từ ketone tương ứng phản ứng với thuốc thử Bredereck (tert-butoxybis(dimethylamino)methane). Phản ứng ghép này cho phép kết nối toàn bộ số nguyên tử carbon cần thiết cho bộ khung phân tử đích trong một bước duy nhất.
  • Tổng hợp toàn phần các chất tương tự abeo-ergoline racemic: Tác giả hoàn thành một lộ trình tổng hợp trực tiếp gồm 7 bước phản ứng với hiệu suất tổng thể đạt 36%. Lộ trình này xuất phát từ các tiền chất đơn giản, không yêu cầu các điều kiện bảo vệ phức tạp và có tính linh hoạt cao, cho phép biến đổi cấu trúc để tạo ra một thư viện các chất tương tự (analogs) liên quan của abeo-ergoline nhằm phục vụ thử nghiệm hoạt tính sinh học.

CHAPTER III. BENZOCYCLOBUTENOL CHEMISTRY

Chương III mô tả việc phát minh một phương pháp mới điều chế benzocyclobutenol và ứng dụng phản ứng ba thành phần:

  • Nguyên lý phản ứng: Benzocyclobutenol là các khối xây dựng trung gian có giá trị cao, có khả năng mở vòng tạo thành các cấu tử ortho-quinodimethan (o-QDM) hoạt động dưới điều kiện nhiệt hoặc bazơ. Quy trình kinh điển thường trải qua nhiều bước tách biệt. Tác giả phát triển phương pháp tạo đồng thời enolate của acetaldehyde và chất trung gian benzyne trong cùng một bình phản ứng.
  • Trạng thái cân bằng và phản ứng một bình: Hai cấu tử trên phản ứng với nhau tạo ra dạng trung gian benzocyclobutenoxide. Tiểu phân này tồn tại ở trạng thái cân bằng động với cấu tử ortho-quinodimethide. Khi tiến hành proton hóa trực tiếp hỗn hợp phản ứng, các dẫn xuất benzocyclobutenol được hình thành theo phương thức một bình (one-pot).
  • Phản ứng ba thành phần (Three-component reaction): Khi bổ sung thêm các tác nhân ái dien (dienophile) vào cùng hệ phản ứng, chất trung gian o-quinodimethide lập tức bị bẫy lại thông qua phản ứng cộng vòng Diels-Alder [4+2].
  • Ứng dụng tổng hợp hợp chất tự nhiên: Chiến lược phản ứng ba thành phần này được ứng dụng thành công vào quá trình tổng hợp các ancaloit tự nhiên nhóm berbine khi sử dụng các imine vòng (cyclic imines) đóng vai trò làm tác nhân dienophile.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt lý luận phương pháp và thực tiễn tổng hợp hóa học như sau:

  1. Về mặt phương pháp và lý luận tổng hợp:

    • Xác lập khả năng của TBAF như một tác nhân kiềm êm dịu thúc đẩy hiệu quả phản ứng đóng vòng 2-alkynylanilide thành nhân indol trên các chất nền đa chức phức tạp, vượt qua sự thất bại của các hệ xúc tác palađi và bazơ mạnh truyền thống.
    • Làm sáng tỏ cơ chế phản ứng ghép đôi - đóng vòng Heck nội phân tử trên vị trí C2 của nhân indol: phản ứng chịu sự kiểm soát bởi tính chất giàu điện tử của liên kết đôi C2-C3 đóng vai trò tác nhân ái nhân tấn công vào phức chất palađi, do đó các nhóm thế hút điện tử tại C3 sẽ làm bất hoạt phản ứng này.
    • Phát triển quy trình đóng vòng gốc tự do bằng hệ Bu3SnH/AIBN kết hợp oxy hóa nội phân tử để kiến tạo thành công khung ngũ vòng pentacyclic của họ ancaloit HKI.
    • Giải thích bản chất lập thể của phản ứng oxy hóa trừ hydride bằng DDQ trong methanol: sức căng allylic ép nhóm methoxyl đầu tiên vào vị trí trục (axial), khiến nguyên tử hydro thứ hai nằm ở vị trí xích đạo (equatorial) kém thuận lợi về mặt lập thể - điện tử, qua đó cho phép tách biệt có chọn lọc sản phẩm mono-methoxyl hóa (demethyl HKI 0231B) ở nhiệt độ phòng và di-methoxyl hóa (demethyl HKI 0231A) khi đun hồi lưu.
    • Khám phá chiến lược sinh đồng thời benzyne và enolate để tạo benzocyclobutenol một bình và phản ứng ba thành phần qua trung gian o-quinodimethide.

  2. Về mặt thực tiễn tổng hợp:

    • Hoàn thành tổng hợp hình thức HKI 0231B thông qua việc tạo ra tricyclic enone 5 từ phenol 19 qua 6 bước phản ứng.
    • Hoàn thành tổng hợp toàn phần đầu tiên cho cả demethyl HKI 0231A và demethyl HKI 0231B trong 5 bước phản ứng với hiệu suất tổng thể đạt xấp xỉ 20% từ nguyên liệu 4-formylindole.
    • Hoàn thành tổng hợp toàn phần các chất tương tự abeo-ergoline racemic trong 7 bước với hiệu suất tổng thể đạt 36%.
    • Ứng dụng thành công phản ứng ba thành phần của benzocyclobutenol với imine vòng vào tổng hợp bộ khung các ancaloit tự nhiên nhóm berbine.

  3. Kiến nghị và đề xuất:

    • Luận án đề xuất sử dụng lộ trình thế hệ thứ hai áp dụng cho chất nền aldehyde 39 (đã được tổng hợp ở thế hệ thứ nhất) để hoàn thành tổng hợp toàn phần hai ancaloit tự nhiên HKI 0231A và HKI 0231B mang đầy đủ nhóm methyl trên nhân indol.
    • Đề xuất đưa hai hợp chất demethyl HKI 0231A và demethyl HKI 0231B vào thử nghiệm hoạt tính sinh học ức chế enzym 3α-hydroxysteroid dehydrogenase để xác định ảnh hưởng của nhóm methyl đối với hoạt tính kháng viêm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Trong lộ trình thế hệ I của HKI, phản ứng acetyl hóa Friedel-Crafts tại vị trí C3 của indol 34 bị cản trở do sự cạnh tranh của nhiều vị trí giàu điện tử trên khung phân tử; phản ứng đóng vòng alkyne 16 có nhóm formyl tự do bằng TBAF không thành công.
  • Các phản ứng đóng vòng xúc tác palađi và phản ứng cộng Michael nội phân tử qua carbanion lithi thất bại hoàn toàn trên các chất nền chứa nhóm carbonyl tại C3 (hợp chất 60 và 62).
  • Các sản phẩm ngũ vòng đạt được ở thế hệ II dừng lại ở dạng demethyl (chưa có nhóm methyl tại vị trí số 7 của nhân indol như cấu trúc tự nhiên); các chất tương tự abeo-ergoline mới dừng lại ở dạng hỗn hợp racemic chứ chưa đạt được dạng đồng phân quang học tinh khiết.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được văn bản đề cập:

  • Tiến hành thử nghiệm hoạt tính sinh học của demethyl HKI 0231A và demethyl HKI 0231B đối với enzym 3α-hydroxysteroid dehydrogenase.
  • Xuất phát từ aldehyde 39 để tổng hợp hai sản phẩm tự nhiên HKI 0231A và HKI 0231B nguyên bản bằng chuỗi phản ứng thế hệ hai (N-alkyl hóa, đóng vòng gốc tự do và oxy hóa bằng DDQ).
  • Tiếp tục tối ưu hóa phản ứng giữa 4-lithioindole và enaminone để hoàn thiện quy trình tổng hợp bất đối xứng đối với abeo-ergoline.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp giá trị tham khảo thực nghiệm cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu hóa hữu cơ tổng hợp: Cung cấp quy trình chi tiết (phần Experimental Section) về điều kiện phản ứng Sonogashira, phản ứng đóng vòng tạo indol bằng TBAF, phản ứng đóng vòng gốc tự do dùng Bu3SnH, phản ứng lithi hóa chọn lọc vị trí với sec-BuLi/TMEDA, và phản ứng oxy hóa trừ hydride bằng DDQ cùng hệ thống dữ liệu phổ 1H-NMR, 13C-NMR, MS và HRMS đầy đủ của hàng chục dẫn xuất trung gian.
  • Nhà hóa dược và nghiên cứu phát triển thuốc: Cung cấp lộ trình tổng hợp ngắn bước, hiệu suất cao (20% qua 5 bước cho nhóm demethyl HKI và 36% qua 7 bước cho abeo-ergoline analogs) để điều chế các phối tử ức chế enzym 3α-hydroxysteroid dehydrogenase và thụ thể 5-HT1A phục vụ sàng lọc thuốc kháng viêm và thuốc tác động hệ thần kinh trung ương.
  • Nhà nghiên cứu phương pháp luận phản ứng: Tham khảo chiến lược sinh chất trung gian hoạt động benzyne và enolate trong phản ứng một bình và phản ứng ba thành phần để tổng hợp các hợp chất vòng bốn và dị vòng tự nhiên nhóm berbine.

Câu hỏi thường gặp

1. HKI 0231A và HKI 0231B có hoạt tính sinh học gì và cấu trúc của chúng khác nhau ở điểm nào? Hai hợp chất này có khả năng ức chế enzym 3α-hydroxysteroid dehydrogenase với cùng giá trị IC50 = 10,5 µg/mL. Về mặt cấu trúc, cả hai đều có khung ngũ vòng mang hệ mang màu oxonaphthopyrrole, trong đó HKI 0231B chứa nhóm hemiaminal methyl ether (chỉ gắn một nhóm -OCH3), còn HKI 0231A chứa nhóm amide acetal (gắn hai nhóm -OCH3).

2. Tại sao phản ứng đóng vòng Heck nội phân tử bằng xúc tác Pd(PPh3)4/KOAc lại thất bại trên các hợp chất 60 và 62? Phản ứng đóng vòng này không diễn ra theo cơ chế cộng syn/loại syn thông thường của phản ứng Heck mà thực chất là sự tấn công ái nhân của liên kết đôi C2-C3 giàu điện tử trên nhân indol vào phức chất palađi. Khi gắn nhóm carbonyl hút điện tử tại vị trí C3 (như ở 60 và 62), mật độ điện tử của liên kết đôi C2-C3 bị suy giảm mạnh, ngăn cản sự tấn công ái nhân xảy ra.

3. Tại sao phản ứng của hợp chất 63 với DDQ trong methanol ở nhiệt độ phòng chỉ dừng lại ở demethyl HKI 0231B mà không tạo thành demethyl HKI 0231A? Sau khi nhóm methoxyl đầu tiên được đưa vào, sức căng allylic (allylic strain) ép nhóm methoxyl này định hướng vào vị trí trục (axial). Trạng thái này buộc nguyên tử hydro còn lại tại vị trí benzylic phải chiếm vị trí xích đạo (equatorial). Về mặt lập thể - điện tử, nguyên tử hydro ở vị trí xích đạo khó bị trừ hydride bởi DDQ, đòi hỏi điều kiện nhiệt độ cao hơn (hồi lưu trong methanol) mới có thể tạo ra cation thứ hai để nhận nhóm methoxyl tiếp theo.

4. Hiệu suất tổng thể và số bước của quy trình tổng hợp demethyl HKI 0231A và B thế hệ hai là bao nhiêu? Quy trình tổng hợp thế hệ hai gồm 5 bước phản ứng tính từ nguyên liệu thương mại 4-formylindole 65, đạt hiệu suất tổng thể xấp xỉ 20% cho cả hai sản phẩm demethyl HKI 0231A và demethyl HKI 0231B.

5. Cơ chế cơ bản của phản ứng một bình điều chế benzocyclobutenol ở Chương III là gì? Quy trình tạo ra đồng thời acetaldehyde enolate và chất trung gian benzyne trong cùng một bình phản ứng để tạo thành tiểu phân benzocyclobutenoxide. Tiểu phân này ở trạng thái cân bằng với ortho-quinodimethide. Khi cho proton hóa, hệ phản ứng thu được benzocyclobutenol trực tiếp mà không cần qua nhiều bước tách dòng sản phẩm trung gian.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Tao Wu đã giải quyết thành công các thách thức tổng hợp của họ ancaloit indol đa vòng thông qua việc hoàn thành tổng hợp hình thức HKI 0231B và thiết lập quy trình tổng hợp toàn phần đầu tiên cho cả demethyl HKI 0231A và demethyl HKI 0231B với hiệu suất 20% qua 5 bước phản ứng. Công trình đã làm sáng tỏ cơ chế đóng vòng gốc tự do và kiểm soát lập thể - điện tử trong phản ứng oxy hóa trừ hydride bằng DDQ để tạo nhóm amide acetal phức tạp. Đồng thời, luận án đã xây dựng quy trình 7 bước đạt hiệu suất 36% để tổng hợp các chất tương tự abeo-ergoline và phát minh phương pháp một bình điều chế benzocyclobutenol cùng phản ứng ba thành phần ứng dụng trong tổng hợp ancaloit nhóm berbine.