Tổng quan nghiên cứu

Viêm loét dạ dày và tá tràng là bệnh lý đường tiêu hóa phổ biến hàng đầu, chiếm khoảng 30% tổng số các ca bệnh tiêu hóa tại Việt Nam cũng như trên toàn cầu. Sự phát triển của y học hiện đại đã chứng minh nhóm thuốc ức chế bơm proton đóng vai trò then chốt trong điều trị, mang lại tỷ lệ liền sẹo ổ loét lên đến 95% sau 8 tuần khi kết hợp với phác đồ kháng sinh tiệt trừ Helicobacter pylori. Hai hoạt chất tiêu biểu của nhóm này là Omeprazole và Lansoprazole đã khẳng định vị thế vượt trội về mặt lâm sàng và nằm trong nhóm thuốc có doanh số tiêu thụ cao trên thế giới trước khi hết hạn bảo hộ độc quyền lần lượt vào năm 2003 và năm 2009.

Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu phục vụ sản xuất các thuốc này chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu, làm tăng chi phí y tế và giảm tính chủ động của ngành dược nội địa. Đề tài luận văn được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển thuốc thuộc Viện Hóa sinh biển và Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào năm 2015 nhằm giải quyết căn cơ bài toán này. Mục tiêu trọng tâm là thiết lập quy trình tổng hợp hai giai đoạn cho Omeprazole và Lansoprazole ở quy mô phòng thí nghiệm với hiệu suất cao, điều kiện phản ứng êm dịu, loại bỏ các dung môi halogen độc hại và hóa chất đắt tiền. Kết quả nghiên cứu đạt hiệu suất tổng thể 77% đối với Omeprazole và trên 66% đối với Lansoprazole, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn to lớn cho ngành công nghiệp hóa dược trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên hai nền tảng lý thuyết cốt lõi của hóa dược và tổng hợp hữu cơ. Thứ nhất là cơ chế ức chế enzyme H+/K+-ATPase tại tế bào viền dạ dày. Các dẫn chất benzimidazole thế như Omeprazole và Lansoprazole hoạt động theo cơ chế tiền thuốc; chúng duy trì tính bền ở môi trường trung tính và chỉ chuyển hóa thành dạng sulfenamide có hoạt tính sinh học trong môi trường acid dịch vị có độ pH dưới 4, từ đó khóa chặt giai đoạn cuối của quá trình bài tiết acid.

Thứ hai là lý thuyết tổng hợp hữu cơ 2 giai đoạn đi qua hợp chất trung gian sulfide. Giai đoạn 1 dựa trên phản ứng thế ái nhân giữa dẫn xuất chloromethylpyridine và mercaptobenzimidazole trong môi trường kiềm để tạo liên kết thioether. Giai đoạn 2 là phản ứng oxy hóa chọn lọc nguyên tử lưu huỳnh từ trạng thái sulfide thành sulfoxide mà không làm oxy hóa sâu lên tạp chất sulfone hoặc dẫn chất N-oxide trên nhân thơm. Bốn khái niệm chuyên ngành trung tâm bao gồm: thuốc ức chế bơm proton, phản ứng ghép mạch tạo dẫn chất sulfide, quá trình oxy hóa xúc tác dị thể pha lỏng và các phương pháp phân tích phổ cấu trúc phân tử.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu ban đầu bao gồm 2-(chloromethyl)-4-methoxy-3,5-dimethylpyridine hydrochloride độ tinh khiết 98%, 5-methoxy-2-mercaptobenzimidazole độ tinh khiết 98% và 2-mercaptobenzimidazole độ tinh khiết 98% từ hãng TCI Nhật Bản và Sigma-Aldrich. Các tác nhân oxy hóa gồm hydrogen peroxide 30% và tert-butyl hydroperoxide 70%, kết hợp với các xúc tác vô cơ như V2O5 98%, VO(acac)2 98% và Na2WO4.2H2O 99%.

Phương pháp phân tích và kiểm tra tiến trình phản ứng sử dụng sắc ký lớp mỏng trên bản silica gel 60 F254 độ dày 0.25 mm dưới đèn tử ngoại bước sóng 254 nm. Cấu trúc hóa học được xác định thông qua phổ khối lượng ESI-MS trên hệ thống Agilent 1260 và phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR, 13C-NMR đo trên thiết bị Bruker 500 MHz sử dụng dung môi DMSO-d6 và CDCl3 với chất chuẩn nội TMS. Cỡ mẫu nghiên cứu được khảo sát đa biến ở quy mô 1.0 gam (tương đương 3.0 đến 4.5 mmol nguyên liệu) cho từng thông số nhiệt độ, dung môi, tỷ lệ mol xúc tác từ 0.6% mol, sau đó tiến hành nâng quy mô lên 5.0 gam mỗi mẻ. Việc lựa chọn thiết bị NMR 500 MHz độ phân giải cao cho phép nhận diện chính xác độ dịch chuyển hóa học delta và hằng số tương tác spin J của cầu nối methylene-sulfinyl đặc trưng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã phát hiện và xác lập được các điều kiện tối ưu vượt trội cho từng phản ứng thành phần:

Thứ nhất, phản ứng tổng hợp Omeprazole sulfide đạt hiệu suất cực đại 97% khi sử dụng bazơ Na2CO3 với tỷ lệ 2.2 đương lượng trong dung môi ethanol ở nhiệt độ hồi lưu 78°C trong 3 giờ. Hiệu suất này cao hơn đáng kể so với việc dùng bazơ NaOH đạt 80% và K2CO3 đạt 93%. Khi thay đổi dung môi, ethanol cho hiệu suất 97%, vượt trội so với methanol đạt 78% và hỗn hợp acetone/nước đạt 70%.

Thứ hai, phản ứng tổng hợp Lansoprazole sulfide đạt hiệu suất 89% ngay ở nhiệt độ phòng 25°C trong 4 giờ khi kết hợp bazơ NaOH 30% tỷ lệ 2.2 đương lượng trong dung môi ethanol, không cần gia nhiệt hồi lưu. Sử dụng Na2CO3 hay K2CO3 chỉ đem lại hiệu suất 75% đến 77% dù kéo dài thời gian đến 5 giờ ở 60°C.

Thứ ba, phản ứng oxy hóa Omeprazole sulfide thành Omeprazole đạt hiệu suất cao nhất 80% khi sử dụng tác nhân tert-butyl hydroperoxide (1.1 đương lượng) với xúc tác VO(acac)2 (0.6% mol) trong ethanol ở 25°C trong 3 giờ. Khi dùng H2O2 với xúc tác V2O5, hiệu suất chỉ đạt 63%, còn với Na2WO4 đạt 72%.

Thứ tư, phản ứng oxy hóa Lansoprazole sulfide đạt hiệu suất 75% khi sử dụng hệ tác nhân H2O2 (1.1 đương lượng) phối hợp xúc tác V2O5 ở 0°C đến 25°C trong 2.5 giờ. Hiệu suất tổng cộng qua cả hai giai đoạn điều chế Omeprazole đạt 77%, khẳng định tính khả thi cao của quy trình.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng dung môi ethanol thay cho các dung môi độc hại như toluene hay dichloromethane trong các công bố quốc tế trước đây mang lại ý nghĩa công nghệ to lớn. Ethanol giúp hòa tan tốt các tiền chất, tạo môi trường đồng thể êm dịu và cho phép cô lập sản phẩm đơn giản bằng cách kết tinh trong nước lạnh ở 5°C với độ sạch cao.

Trong phản ứng oxy hóa, việc kiểm soát nghiêm ngặt tỷ lệ tác nhân oxy hóa ở mức 1.1 đương lượng và duy trì khí trơ N2 là yếu tố quyết định. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy khi tăng tác nhân oxy hóa lên 1.5 đương lượng hoặc không tạo môi trường trơ, sản phẩm phụ Omeprazole sulfone xuất hiện rõ rệt, làm tụt giảm hiệu suất xuống 50% đến 60%. Phổ 1H-NMR chứng minh nhóm methylene dịch chuyển từ 4.77 ppm dạng doublet trong Omeprazole sang 4.99 ppm dạng singlet trong dẫn xuất sulfone do tính đối xứng của phân tử tăng lên. So với quy trình của Kohl thực hiện ở nhiệt độ âm sâu -40°C hay của Cheol ở -20°C, phương pháp này vận hành hoàn toàn ở nhiệt độ thường 25°C, giúp tiết kiệm năng lượng và phù hợp điều kiện kỹ thuật tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tiến hành mở rộng quy mô thử nghiệm (Scale-up) quy trình tổng hợp Omeprazole và Lansoprazole từ quy mô 5.0 gam lên quy mô pilot 1.0 đến 5.0 kg mỗi mẻ. Mục tiêu đạt hiệu suất ổn định trên 75% trong lộ trình 12 tháng, do các viện nghiên cứu chuyên ngành phối hợp với doanh nghiệp dược phẩm đạt chuẩn GMP-WHO chủ trì thực hiện.

Thứ hai, thiết lập hệ thống thu hồi và tinh chế tuần hoàn dung môi ethanol trong dây chuyền sản xuất nhằm đạt tỷ lệ tái sử dụng trên 85%. Giải pháp này giúp giảm thiểu 20% chi phí dung môi và cắt giảm lượng phát thải hóa chất ra môi trường trong khung thời gian 6 đến 9 tháng tới.

Thứ ba, chuẩn hóa hệ thống kiểm soát chất lượng nguyên liệu theo tiêu chuẩn Dược điển Việt Nam V và Dược điển Mỹ USP. Đặt chỉ tiêu khống chế hàm lượng tạp chất sulfone và N-oxide dưới 0.1%, bảo đảm độ tinh khiết hoạt chất đạt tối thiểu 99.0%, do bộ phận đảm bảo chất lượng (QA/QC) phụ trách kiểm nghiệm định kỳ.

Thứ tư, nghiên cứu ứng dụng công nghệ phản ứng dòng chảy liên tục (flow chemistry) cho giai đoạn oxy hóa sử dụng xúc tác VO(acac)2 trong thời gian 18 đến 24 tháng. Hướng đi này nhằm kiểm soát chính xác thời gian tiếp xúc của chất phản ứng, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng quá nhiệt cục bộ và nâng hiệu suất oxy hóa lên trên 85%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa hữu cơ, Hóa dược và Công nghệ Hóa học. Luận văn cung cấp phương pháp luận chặt chẽ về khảo sát điều kiện phản ứng đa biến và bộ dữ liệu phổ 1H-NMR, 13C-NMR 500 MHz chuẩn xác để tra cứu, đối chiếu.

Thứ hai, kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các công ty sản xuất dược phẩm generic. Đây là tài liệu thực chứng giá trị giúp chuyển giao công nghệ tổng hợp hoạt chất điều trị viêm loét dạ dày tá tràng với hiệu suất 77%, thay thế nguồn nguyên liệu nhập khẩu.

Thứ ba, giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học khối khoa học và y dược. Công trình đóng vai trò là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong giảng dạy học phần Tổng hợp Hóa dược, Hóa học các hợp chất dị vòng và Kỹ thuật chiết tách - tinh chế hoạt chất.

Thứ tư, chuyên viên kiểm nghiệm và chuyên viên thẩm định hồ sơ đăng ký thuốc. Tài liệu cung cấp cơ sở nhận diện các tạp chất liên quan như dẫn xuất sulfone, hỗ trợ xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và thẩm định quy trình phân tích độ tinh khiết của thành phẩm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lại ưu tiên lựa chọn ethanol làm dung môi thay vì dichloromethane hay toluene?

Ethanol là dung môi phân cực thân thiện với môi trường, ít độc hại cho người thao tác và dễ xử lý nước thải công nghiệp. Về mặt hóa học, ethanol tạo môi trường đồng thể lý tưởng giúp phản ứng ghép mạch đạt hiệu suất tới 97%, đồng thời cho phép kết tinh sản phẩm sulfide trực tiếp khi làm lạnh ở 5°C mà không cần sử dụng các dung môi halogen độc hại.

Cơ chế nào giúp xúc tác VO(acac)2 kiểm soát phản ứng oxy hóa Omeprazole sulfide đạt hiệu suất 80%?

Xúc tác VO(acac)2 với hàm lượng 0.6% mol phối hợp cùng tert-butyl hydroperoxide tạo ra phức trung gian vanadyl-peroxo hoạt tính. Phức này có tính chọn lọc cao, ưu tiên chuyển hóa nguyên tử lưu huỳnh thành nhóm sulfoxide ở 25°C trong 3 giờ và hạn chế tối đa quá trình oxy hóa tiếp diễn lên sulfone, giúp hiệu suất tăng vượt trội so với xúc tác V2O5 chỉ đạt 60%.

Vì sao phản ứng tổng hợp Omeprazole sulfide cần sử dụng bazơ Na2CO3 mà không dùng NaOH?

Thực nghiệm chứng minh Na2CO3 với 2.2 đương lượng tạo môi trường kiềm yếu ổn định, vừa đủ để deproton hóa nhóm thiol mà không gây thủy phân hay phân hủy liên kết của dẫn chất pyridine. Ngược lại, kiềm mạnh NaOH khiến phản ứng xuất hiện nhiều sản phẩm phân hủy phụ, kéo hiệu suất phản ứng tạo sulfide giảm xuống mức 80%.

Yếu tố nào quyết định việc hạn chế hình thành tạp chất phụ sulfone trong phản ứng oxy hóa?

Hai yếu tố then chốt là duy trì môi trường khí trơ N2 và khống chế tỷ lệ tác nhân oxy hóa ở mức 1.1 đương lượng. Khi nâng tỷ lệ tác nhân oxy hóa lên 1.5 đương lượng hoặc để phản ứng tiếp xúc với oxy không khí, phản ứng oxy hóa sâu diễn ra mạnh mẽ, tạo ra lượng lớn tạp chất sulfone và làm giảm hiệu suất xuống 50% đến 60%.

Quy trình tổng hợp trong luận văn có thể chuyển giao công nghệ quy mô công nghiệp được không?

Quy trình hoàn toàn có khả năng nâng quy mô công nghiệp nhờ sử dụng hóa chất thông dụng, thao tác ở nhiệt độ thường 25°C hoặc hồi lưu 78°C êm dịu, không đòi hỏi hệ thống làm lạnh âm sâu -40°C đắt đỏ. Khâu tách sản phẩm chủ yếu bằng kết tinh và lọc chân không đơn giản, đã được kiểm chứng ổn định ở mẻ 5.0 gam.

Kết luận

  • Tối ưu hóa thành công quy trình tổng hợp 2 giai đoạn điều chế thuốc Omeprazole và Lansoprazole với hiệu suất toàn phần lần lượt đạt 77% và trên 66%.
  • Xác lập điều kiện tổng hợp hợp chất trung gian Omeprazole sulfide đạt hiệu suất kỷ lục 97% trong dung môi ethanol với bazơ Na2CO3 ở 78°C trong 3 giờ.
  • Thiết lập phản ứng oxy hóa chọn lọc sulfide thành sulfoxide ở nhiệt độ phòng 25°C với hệ tác nhân TBHP/VO(acac)2 đạt hiệu suất 80% cho Omeprazole và H2O2/V2O5 đạt 75% cho Lansoprazole.
  • Khẳng định độ tinh khiết và cấu trúc hóa học của các sản phẩm thông qua dữ liệu phổ khối ESI-MS và phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H/13C-NMR 500 MHz, làm rõ đặc trưng phổ của tạp chất sulfone.
  • Loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng dung môi halogen độc hại và kỹ thuật làm lạnh âm sâu -40°C, mở ra quy trình công nghệ xanh và tiết kiệm năng lượng.

Công trình đóng góp nền tảng công nghệ quan trọng cho ngành hóa dược Việt Nam trong định hướng tự chủ nguồn nguyên liệu sản xuất thuốc generic điều trị viêm loét dạ dày, tá tràng. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất dược phẩm được khuyến khích hợp tác triển khai thử nghiệm ở quy mô pilot 1.0 đến 5.0 kg nhằm sớm hoàn thiện hồ sơ thương mại hóa sản phẩm.