Luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu áp dụng phản ứng petrenko kritschenko tổng hợp các dẫn xuất crown ether mới có khả năng thể hiện hoạt tính gây độc tế bào trên dòng tế bào ung thư

Luận án tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất Crown Ether mới, ứng dụng phản ứng Petrenko-Kritschenko, đánh giá hoạt tính gây độc tế bào ung thư.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Tuấn Anh
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Áp Dụng Phan Ung Petrenko-Kritschenko Tong Hợp Các Dẫn Xuất Crown Ether Mới Có Khả Năng The Hiện Hoạt Tính Gay Độc Te Bao Tren Dong Te Bao Ung Thu
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hợp chất crown ether
• 1.2. Hợp chất azacrown ether
• 1.3. Các hợp chất polyether mạch thang – podand
• 1.4. Hợp chất azapodand. Hợp chất thiapodand. Hợp chất azacrown chứa dị vòng pyrrole (pyrrole azacrown)
• 1.5. Hợp chất azacrown ether với dị vòng sáu cạnh chứa nitơ
• 1.6. Phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Petrenko-Kritschenko
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp các dẫn xuất podand - tiền chất cho các phản ứng ngưng tụ
• 2.2. Tổng hợp podand 1,5-bis(2-formylphenoxy)-3-oxapentane (3a). Tổng hợp podand 1,5-bis(1-naphthaloxy)-3-oxapentane (3b). Tổng hợp podand 1,8-bis(1-naphthaloxy)-3,6-dioxaoctane (3e). Tổng hợp tiền chất N,N-bis(2-tosyloxyethyl)-N-tosylamine (6). Tổng hợp podand N,N-bis(2-formylphenoxyethyl)-N-tosylamine (7a). Tổng hợp podand N,N-bis(1-naphthaloxyethyl)-N-tosylamine (7b). Tổng hợp dẫn xuất 1,5-bis(2-formylphenthio)-3-oxapentane (10a). Tổng hợp dẫn xuất 1,8-bis(2-formylphenthio)-3,5-dioxapentane (10b). Tổng hợp 2,6-bis(tosyloxymethyl)pyridine (12). Tổng hợp podand 2,6-bis[(2-formylphenyl)oxymethyl]pyridine (13). Chuyển hóa các dẫn xuất podand trên cơ sở phản ứng ngưng tụ croton
• 2.3. Tổng hợp 1,5-bis-[2-(2-phenylcarbonylvinyl)benzenoxy]-3-oxapentane (15a). Tổng hợp 1,5-bis-{2-[2-(2-chlorobenzen)carbonylvinyl]benzenoxy}-3-oxapentane (15b). Tổng hợp 1,5-bis-[2-(2-phenylcarbonylvinyl)benzenthio]-3-oxapentane (16a). Tổng hợp 1,5-bis-{2-[2-(2-chlorobenzen)carbonylvinyl]benzenthio}-3-oxapentane (16b)
• 2.4. Tổng hợp các heterocrown ether mới trên cơ sở phản ứng đa tác nhân Petrenko-Kritschenko. Azacrown ether từ podand 1,5-bis(1-naphthaloxy)-3-oxapentane (3b). Azacrown ether từ podand 1,5-bis(1-naphthaloxy)-3-oxapentane (7a,7b). Azacrown ether từ 1,5-bis(2-formylphensulfanyl)-3-oxapentane (10a). Azacrown ether từ 2,6-bis[(2-formylphenyl)oxymethyl]pyridine (13). Tổng hợp azacrown ether mới chứa dị vòng y-aminopiperidine trên cơ sở ngưng tụ bất thường trong điều kiện phản ứng đa tác nhân Petrenko-Kritschenko
• 2.5. Tổng hợp ethyl 34-amino-12,15,18,21-tetraoxa-36-azahexacyclo-... Tổng hợp benzyl 23-amino-8,14-dithio-11-oxa-25-azatetracyclo-... Tổng hợp 31-oxo-12,15,18-trioxa-32,33-diazahexacyclo-... Khảo sát hoạt tính sinh học các hợp chất tổng hợp được
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp các dẫn xuất podand chứa hai nhóm aldehyde
• 3.2. Tổng hợp podand 1,5-bis(2-formylphenoxy)-3-oxapentane (3a), podand 1,5-bis(1-naphthaloxy)-3-oxapentane (3b) và podand 1,8-bis(1-naphthaloxy)-3,6-dioxaoctane (3e)
• 3.3. Tổng hợp podand N,N-bis(2-formylphenoxyethyl)-N-tosylamine (7a) và podand N,N-bis(1-naphthaloxyethyl)-N-tosylamine (7b). Tổng hợp podand 1,5-bis(2-formylphenthio)-3-oxapentane (10). Tổng hợp podand 2,6-bis[(2-formylphenyl)oxymethyl]pyridine (13). Phản ứng ngưng tụ croton từ các hợp chất podand (3,10) - tổng hợp dẫn xuất chứa nhóm E-chalcone
• 3.4. Tổng hợp các heterocrown ether trên cơ sở phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Petrenko-Kritschenko
• 3.5. Tổng hợp bis-(naphthalen-1-yl)aza-14-crown-4 ether chứa dị vòng 7-piperidone
• 3.6. Tổng hợp bis(aren)-1,7-diaza-14-crown-4 ether chứa dị vòng piperidone
• 3.7. Tổng hợp dithiaaza-14-crown-4 ether chứa dị vòng piperidone. Tổng hợp diaza-4,11-crown-4 ether chứa đồng thời dị vòng y-piperidone và dị vòng pyridine (22a-f)
• 3.8. Tổng hợp bis(naphtho)azacrown ether với dị vòng perhydro-1,3-diazin-4-one (26)
• 3.9. Tổng hợp bis(areno)azacrown ether chứa dị vòng y-aminopiperidine
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Crown Ether Tiềm Năng Ứng Dụng Mới

Hợp chất Crown Ether là những dẫn xuất vòng polyether được tạo thành từ 1,2-ethylenglycol, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các lĩnh vực đó bao gồm hóa học phối trí, hóa kỹ thuật, công nghệ vật liệu, kỹ thuật điện tử và tổng hợp hóa học. Chúng đóng vai trò là phối tử, chất xúc tác chuyển pha, và vật liệu cảm biến điện từ. Khi một hoặc một vài nguyên tử oxy trong vòng Crown Ether được thay thế bằng các dị tố khác như nitơ (N), lưu huỳnh (S), selen (Se), ta thu được các hợp chất heterocrown ether. Những hợp chất này thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong hóa học, kỹ thuật, dược học và mỹ phẩm nhờ vào tính chất hóa học đặc biệt của nhóm dị tố.

1.1. Ưu Điểm Của Dẫn Xuất Crown Ether So Với Hợp Chất Khác

Các hợp chất heterocrown ether có khả năng tạo phức tốt, tính bền vững và độ chọn lọc cao với nhiều ion kim loại, NH4+, các cation ammonium hữu cơ,. Sự có mặt của các dị vòng chứa dị tố nitơ (hoặc lưu huỳnh) đã góp phần nâng cao khả năng ứng dụng của heterocrown ether trong công nghệ vật liệu mới, ví dụ như vật liệu huỳnh quang, vật liệu cảm biến quang học. Chúng còn được sử dụng với vai trò chất xúc tác các quá trình oxy hóa khử. Các hợp chất tích hợp đồng thời vòng crown ether và các dị vòng chứa nitơ đã được nghiên cứu và bước đầu thể hiện các hoạt tính sinh học hữu ích.

1.2. Dị Vòng Piperidine 4 one Cấu Trúc Quan Trọng Trong Hóa Dược

Dị vòng piperidine-4-one là một trong những cấu trúc quan trọng của các hợp chất tự nhiên và hoạt chất tổng hợp với nhiều ứng dụng thực tiễn. Nó được sử dụng làm thuốc trong điều trị các bệnh liên quan tới tim mạch, thần kinh, có tác dụng giảm đau, chống ung thư. Vai trò khác của dị vòng piperidine-4-one là thuốc bảo vệ thực vật trong nông nghiệp. Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu tích hợp vòng crown ether với dị vòng piperidine-4-one và khảo sát đánh giá hoạt tính sinh học của hệ phức hợp y-piperidonoazacrown ether.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Hoạt Tính Gây Độc Tế Bào Ung Thư

Trong bối cảnh ung thư vẫn là một trong những thách thức lớn nhất đối với sức khỏe toàn cầu, việc tìm kiếm các phương pháp điều trị mới và hiệu quả trở nên vô cùng quan trọng. Các hợp chất dẫn xuất Crown Ether đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực này nhờ tiềm năng gây độc tế bào ung thư. Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu và phát triển các hợp chất này đối mặt với nhiều khó khăn.

2.1. Giới Hạn Về Độ Chọn Lọc và Độc Tính Của Các Dẫn Xuất

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chọn lọc của các dẫn xuất Crown Ether đối với tế bào ung thư, trong khi giảm thiểu tác động tiêu cực đến các tế bào khỏe mạnh. Nhiều hợp chất có tiềm năng gây độc tế bào, nhưng lại không đủ chọn lọc, dẫn đến tác dụng phụ nghiêm trọng và hạn chế khả năng ứng dụng trong điều trị lâm sàng.

2.2. Khó Khăn Trong Tổng Hợp Và Tối Ưu Hóa Cấu Trúc Hóa Học

Quá trình tổng hợp các dẫn xuất Crown Ether phức tạp và đòi hỏi nhiều bước, dẫn đến hiệu suất thấp và chi phí cao. Việc tối ưu hóa cấu trúc hóa học để tăng cường hoạt tính gây độc tế bào và cải thiện độ chọn lọc là một thách thức lớn, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về mối quan hệ cấu trúc-hoạt tính (SAR).

2.3. Thiếu Hiểu Biết Về Cơ Chế Tác Dụng Ở Cấp Độ Phân Tử

Mặc dù có nhiều nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của dẫn xuất Crown Ether trong việc tiêu diệt tế bào ung thư, nhưng cơ chế tác dụng chính xác ở cấp độ phân tử vẫn chưa được hiểu rõ. Việc thiếu thông tin này gây khó khăn cho việc phát triển các liệu pháp điều trị dựa trên các hợp chất này.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Dẫn Xuất Crown Ether Mới Đa Tác Nhân

Với sự phát triển của hóa học tổ hợp, tổng hợp hóa dược đã có những thành công trong việc phát triển các phương pháp mới. Những phương pháp này góp phần cung cấp số lượng lớn các thư viện chất phục vụ nghiên cứu khảo sát, đánh giá và phát triển các loại thuốc hóa dược mới. Trong các phương pháp tổng hợp mới, phương pháp tổng hợp đa tác nhân nổi trội với các ưu điểm. Luận án tập trung nghiên cứu áp dụng những ưu điểm của phản ứng đa tác nhân nhằm tổng hợp các dẫn xuất mới, đồng thời khảo sát và đánh giá hoạt tính sinh học hữu ích của các sản phẩm này.

3.1. Ưu Điểm Của Phản Ứng Đa Tác Nhân Petrenko Kritschenko

Phản ứng đa tác nhân có ưu điểm giảm thời gian tiến hành phản ứng, tiết kiệm năng lượng, vật tư tiêu hao như hóa chất, dung môi, phản ứng xảy ra đơn giản. Nó xảy ra trong một bước (một hệ phản ứng), đặc biệt không cần phân lập các sản phẩm trung gian và sản phẩm mong muốn thu được hiệu suất cao. Sản phẩm chính của luận án - các dẫn xuất piperidonoazacrown ether - là hợp chất crown ether có chứa dị vòng piperidine-4-one.

3.2. Tổng Hợp Piperidonoazacrown Ether Hợp Chất Tiềm Năng

Hợp chất piperidonoazacrown ether có chứa đồng thời dị vòng nitơ, không chỉ là đối tượng nghiên cứu của hóa học phức chất (khả năng tạo phức, độ bền và độ chọn lọc với các ion kim loại,.) mà còn là đối tượng nghiên cứu của tổng hợp hóa dược, dược học với khả năng thể hiện tính chất hóa học....

IV. Đánh Giá Hoạt Tính Gây Độc Tế Bào Ung Thư In Vitro In Vivo

Việc đánh giá hoạt tính gây độc tế bào ung thư của các dẫn xuất Crown Ether mới là bước quan trọng để xác định tiềm năng ứng dụng của chúng trong điều trị ung thư. Các thử nghiệm in vitro và in vivo được sử dụng để đánh giá hiệu quả và độ an toàn của các hợp chất này.

4.1. Thử Nghiệm In Vitro Trên Các Dòng Tế Bào Ung Thư

Các thử nghiệm in vitro được thực hiện trên các dòng tế bào ung thư khác nhau (ví dụ: HeLa, MCF-7, A549) để đánh giá hoạt tính gây độc tế bào của các dẫn xuất Crown Ether. Các phương pháp như MTT assay, SRB assay được sử dụng để đo lường khả năng ức chế sự phát triển và tiêu diệt tế bào ung thư của các hợp chất này.

4.2. Đánh Giá Độc Tính In Vivo Trên Mô Hình Động Vật

Các nghiên cứu in vivo được tiến hành trên mô hình động vật (ví dụ: chuột) để đánh giá độc tính và hiệu quả chống ung thư của các dẫn xuất Crown Ether trong môi trường sinh học phức tạp. Các chỉ số như sự thay đổi kích thước khối u, tuổi thọ của động vật và các dấu hiệu độc tính được theo dõi và đánh giá.

4.3. Xác Định IC50 Chỉ Số Quan Trọng Đánh Giá Hiệu Quả

Chỉ số IC50 (nồng độ ức chế 50%) là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả của các dẫn xuất Crown Ether trong việc gây độc tế bào ung thư. IC50 thể hiện nồng độ của hợp chất cần thiết để ức chế 50% sự phát triển của tế bào ung thư trong điều kiện thí nghiệm.

V. Nghiên Cứu Tương Quan Cấu Trúc Hoạt Tính SAR Chi Tiết

Nghiên cứu về tương quan cấu trúc-hoạt tính (SAR) là một phần quan trọng trong quá trình phát triển các dẫn xuất Crown Ether có hoạt tính gây độc tế bào ung thư mạnh mẽ hơn. Mục tiêu là tìm ra những thay đổi cấu trúc nào có thể cải thiện hiệu quả và độ chọn lọc của các hợp chất này.

5.1. Ảnh Hưởng Của Các Nhóm Thế Đến Hoạt Tính Gây Độc Tế Bào

Các nhóm thế khác nhau trên vòng Crown Ether có thể ảnh hưởng đến hoạt tính gây độc tế bào của hợp chất. Nghiên cứu SAR giúp xác định những nhóm thế nào có thể tăng cường khả năng tiêu diệt tế bào ung thư và những nhóm thế nào có thể làm giảm độc tính đối với tế bào khỏe mạnh.

5.2. Tối Ưu Hóa Cấu Trúc Để Cải Thiện Độ Chọn Lọc

Một trong những mục tiêu quan trọng của nghiên cứu SAR là tối ưu hóa cấu trúc của các dẫn xuất Crown Ether để cải thiện độ chọn lọc của chúng đối với tế bào ung thư. Điều này có thể đạt được bằng cách thay đổi kích thước vòng, thêm các nhóm chức đặc biệt hoặc thay đổi cấu hình không gian của phân tử.

5.3. Ứng Dụng Mô Hình Hóa Học Tính Toán Trong Nghiên Cứu SAR

Mô hình hóa học tính toán có thể được sử dụng để dự đoán hoạt tính gây độc tế bào của các dẫn xuất Crown Ether dựa trên cấu trúc hóa học của chúng. Điều này giúp các nhà nghiên cứu tiết kiệm thời gian và chi phí bằng cách tập trung vào các hợp chất có tiềm năng cao nhất.

VI. Tiềm Năng Hướng Phát Triển Của Dẫn Xuất Crown Ether Mới

Nghiên cứu về dẫn xuất Crown Ether và hoạt tính gây độc tế bào ung thư đang mở ra những hướng đi mới đầy hứa hẹn trong việc phát triển các liệu pháp điều trị ung thư hiệu quả và ít tác dụng phụ hơn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để hiện thực hóa tiềm năng này.

6.1. Phát Triển Các Phương Pháp Điều Trị Ung Thư Targeted

Các dẫn xuất Crown Ether có tiềm năng trở thành những tác nhân điều trị ung thư targeted, nhắm mục tiêu đặc hiệu vào các tế bào ung thư mà không gây hại cho các tế bào khỏe mạnh. Điều này có thể đạt được bằng cách gắn các dẫn xuất Crown Ether với các kháng thể hoặc các phân tử khác có khả năng nhận diện các tế bào ung thư.

6.2. Kết Hợp Với Các Phương Pháp Điều Trị Khác

Các dẫn xuất Crown Ether có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp điều trị ung thư khác, như hóa trị, xạ trị hoặc liệu pháp miễn dịch, để tăng cường hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ. Các nghiên cứu cần được tiến hành để xác định các phác đồ điều trị kết hợp tối ưu.

6.3. Cá Nhân Hóa Điều Trị Ung Thư

Trong tương lai, các dẫn xuất Crown Ether có thể được sử dụng để cá nhân hóa điều trị ung thư, bằng cách lựa chọn các hợp chất phù hợp nhất cho từng bệnh nhân dựa trên đặc điểm di truyền và phân tử của khối u. Điều này hứa hẹn sẽ mang lại hiệu quả điều trị cao hơn và ít tác dụng phụ hơn.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Hóa hữu cơ (mã số: 9440112.02) của nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Linh, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Tuấn Anh và PGS. Trần Thị Thanh Vân tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội (2022), mang tiêu đề: "Nghiên cứu áp dụng phản ứng Petrenko-Kritschenko tổng hợp các dẫn xuất crown ether mới có khả năng thể hiện hoạt tính gây độc tế bào trên dòng tế bào ung thư". Công trình đại diện cho bước tiến tiên phong trong lĩnh vực hóa học siêu phân tử (supramolecular chemistry) và hóa dược tổng hợp tại Việt Nam, tập trung giải quyết nút thắt then chốt: tích hợp cấu trúc vòng macrocycle crown ether với các dị vòng chứa nitơ, oxy, lưu huỳnh nhằm tạo ra các hệ phối tử đa năng mang hoạt tính sinh học chọn lọc cao.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi được xác định rõ: mặc dù crown ether cổ điển (Pedersen, 1967; Cram & Lehn, Nobel 1987) và dị vòng $\gamma$-piperidone (piperidine-4-one) đã được chứng minh có vai trò quan trọng trong điều trị tim mạch, thần kinh và kháng ung thư, việc kết nối đồng thời khung đại dị vòng heterocrown ether với dị vòng $\gamma$-piperidone đa thế qua phương pháp phản ứng đa tác nhân một bình (one-pot multicomponent reactions - MCRs) vẫn còn là bài toán chưa có lời giải toàn diện. Luận án đặt ra ba câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học trọng tâm:

1. Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Liệu phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Petrenko-Kritschenko có thể đóng vòng trực tiếp giữa các tiền chất podand dialdehyde với các hợp chất carbonyl và muối ammonium để tạo khung heterocrown ether chứa dị vòng $\gamma$-piperidone với hiệu suất cao hay không?
   • Giả thuyết 1 (H1): Sự phối hợp giữa podand difunctionalized và tác nhân enolizable ketone/ester dưới xúc tác acid-base thích hợp sẽ thúc đẩy quá trình ngưng tụ cascade đóng vòng đại chu kỳ mà không cần qua nhiều bước trung gian phân lập tốn kém.
2. Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Cấu trúc không gian, cấu hình lập thể các tâm bất đối và mạng lưới liên kết hydro của các tinh thể heterocrown ether mới tổng hợp được định hình như thế nào?
   • Giả thuyết 2 (H2): Kích thước khoang nội vùng đại chu kỳ (dao động từ 1,5 đến 4,0 Å) và sự định hướng không gian của các nhóm thế aryl/alkyl trên dị vòng piperidone sẽ kiểm soát cấu hình lập thể diastereomeric và khả năng solvat hóa đặc thù.
3. Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Các dẫn xuất $\gamma$-piperidonoazacrown ether mới có thể hiện hoạt tính gây độc tế bào (cytotoxicity) và kháng vi sinh vật kiểm định vượt trội so với các cấu trúc podand tiền chất không?
   • Giả thuyết 3 (H3): Sự cộng hưởng giữa khung nhận diện ion/màng sinh học của vòng crown ether và trung tâm dược lực học của nhân $\gamma$-piperidone/$\gamma$-aminopiperidine sẽ làm tăng đáng kể độ nhạy ức chế sinh trưởng các dòng tế bào ung thư người (HepG2, MCF7, RD, FL/HeLa, Lu1).

Khung lý thuyết của nghiên cứu tích hợp lý thuyết phối trí hóa học siêu phân tử (host-guest chemistry), hóa học tổ hợp (combinatorial chemistry) và nguyên lý kinh tế nguyên tử (atom economy). Luận án đã tổng hợp thành công hơn 30 hợp chất mới thuộc các hệ bis(naphtho)aza-14-crown-4, diaza-14-crown-4, dithiaaza-14-crown-4, pyridino-diazacrown, và phát hiện dòng sản phẩm bất thường chứa dị vòng $\gamma$-aminopiperidine, được minh chứng cấu trúc chính xác bằng hệ thống thiết bị đo đạc phổ hiện đại (NMR 500 MHz, HRMS ESI/Orbitrap, FTIR và nhiễu xạ đơn tinh thể tia X).

Literature Review và Positioning

Lịch sử phát triển của hóa học crown ether bắt đầu từ công bố nền tảng của Charles J. Pedersen (1967), người đầu tiên phát hiện khả năng tạo phức chọn lọc của các polyether vòng với ion kim loại kiềm và kiềm thổ thông qua tương tác tĩnh điện giữa cation và đôi điện tử tự do trên các nguyên tử oxy. Khám phá này đã đưa Pedersen cùng Donald J. Cram và Jean-Marie Lehn tới giải Nobel Hóa học năm 1987, thiết lập nền móng cho hóa học siêu phân tử và cấu trúc cryptand 3D ba chiều. Nghiên cứu của Pedersen chỉ ra quy luật tương thích kích thước: hệ 12-crown-4 (kích thước nội vùng 1,2–1,5 Å) tạo phức bền với $\text{Li}^+$ (đường kính 1,36 Å); 15-crown-5 (1,7–2,2 Å) chọn lọc với $\text{Na}^+$ (1,90 Å); và 18-crown-6 (2,6–3,2 Å) liên kết bền vững nhất với $\text{K}^+$ (2,66 Å) và $\text{NH}_4^+$ (2,86 Å). Khi tỷ lệ kích thước không tương thích, các cấu trúc dạng bánh kẹp (sandwich complex, tỷ lệ 2:1 ligand:cation) hoặc phức đa nhân (tỷ lệ 1:2) sẽ hình thành.

Trong dòng chảy phát triển các heterocrown ether, việc thay thế nguyên tử oxy bằng dị tố nitơ (azacrown) và lưu huỳnh (thiacrown) đã làm thay đổi căn bản tính chất phối trí và động học vận chuyển màng. Jan F. Biernat và cộng sự (1990s) đã tổng hợp các dẫn xuất pyrrole azacrown (hiệu suất 25–42%) và imidazole azacrown (hiệu suất 30–42%), ứng dụng làm màng điện cực chọn lọc ion (ion-selective membrane electrode). Tiếp nối hướng đi này, Ewa Wagner-Wysiecka và cộng sự (2000s) đã phát triển các azacrown mang khung pyrrole có khả năng nhận biết ion kim loại nặng độc hại như $\text{Pb}^{2+}$, làm chuyển màu dung dịch đặc trưng từ đỏ sang tím hoặc từ cam sang lam với giới hạn phát hiện quang học đạt tới nồng độ cực thấp $2,71 \cdot 10^{-6}\text{ M}$. Ở nhánh thiacrown, Meadow và cộng sự đã công bố quy trình alkyl hóa tuần tự đóng vòng dimercaptan với 1,2-dibromoethane tạo hexathia-18-crown-6 (36), trong khi các nghiên cứu màng điện cực của nhóm tác giả quốc tế khác ứng dụng dẫn xuất bis-phenylthiapodand (32, 33) để bẫy chọn lọc cation $\text{Ag}^+$.

Về hướng tích hợp dị vòng sáu cạnh chứa nitơ, hai trường phái nghiên cứu quốc tế tiêu biểu đã định hình bức tranh tổng quan:

1. Trường phái ngưng tụ đa tác nhân Hantzsch: Soldatenkov A. và cộng sự (2000–2010) đã áp dụng phản ứng Hantzsch giữa dialdehyde podand 1,5-bis(2-acetylphenoxy)-3-oxapentane với aldehyde thơm và ammonium acetate để tạo pyridinocrownophanes (59), đồng thời công bố hoạt tính gây độc tế bào trên các dòng ung thư: dòng rhabdomyosarcoma RD ($IC_{50} = 1,46 - 1,89\text{ }\mu\text{g/mL}$), ung thư gan HepG2 ($IC_{50} = 2,79 - 4,367\text{ }\mu\text{g/mL}$), ung thư vú MCF7 ($IC_{50} = 1,977 - 4,78\text{ }\mu\text{g/mL}$), và ung thư cổ tử cung FL/HeLa ($IC_{50} = 1,51\text{ }\mu\text{g/mL}$).
2. Trường phái tổng hợp bất đối và gắn pha rắn: P. Huszthy và cộng sự (1995–2015) tập trung tổng hợp và phân lập enantiomer tinh khiết của pyridino-18-crown-6 ether và cố định chúng lên giá thể silica gel qua cầu nối triethoxysilane ($(S,S)\text{-}\mathbf{65}$) nhằm tách chọn lọc đồng phân quang học của các amin hữu cơ và amino acid.

Tuy nhiên, cuộc tranh luận khoa học nảy sinh giữa phương pháp tổng hợp đa bước truyền thống (Phương pháp A) và ngưng tụ đa tác nhân (Phương pháp B - MCRs). Phương pháp cổ điển thường trải qua 3–4 giai đoạn phân lập với hiệu suất tích lũy sụt giảm nghiêm trọng (tổng hiệu suất thường chỉ đạt $12,5% = 0,5 \times 0,5 \times 0,5$), sử dụng lượng lớn dung môi và tác nhân bảo vệ nhóm chức. Luận án của NCS. Nguyễn Mạnh Linh định vị chính xác vào khoảng trống này bằng cách khai thác phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Petrenko-Kritschenko (được công bố lần đầu năm 1912 bởi P. Petrenko-Kritschenko trên Journal für Praktische Chemie). Thay vì tổng hợp các dị vòng riêng rẽ rồi ghép nối, luận án trực tiếp sử dụng dialdehyde podand làm "mỏ neo" hai đầu để thực hiện phản ứng cascade một bình tạo khung $\gamma$-piperidone azacrown ether, nâng hiệu suất tổng lên gấp 3–4 lần, tạo ra bước nhảy vọt về hiệu quả tổng hợp cấu trúc macrocycle phức tạp.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng và làm phong phú sâu sắc các lý thuyết cốt lõi trong hóa học hữu cơ hiện đại:

• Mở rộng lý thuyết phản ứng ngưng tụ đa tác nhân (MCRs Theory): Công trình chứng minh rằng nguyên lý Petrenko-Kritschenko vốn chỉ áp dụng cho các mono-aldehyde mạch hở kinh điển hoàn toàn có thể mở rộng cho các hệ phân tử bis-aldehyde podand có độ mềm dẻo không gian (conformational flexibility), thực hiện đóng vòng liên hợp đa tâm tạo dị vòng $\gamma$-piperidone nội vòng đại phân tử.
• Phát hiện chuyển hóa bất thường (Unusual Cascade Annulation): Khi sử dụng các $\beta$-ketoester như ethyl acetoacetate ($\mathbf{17d}$) hoặc benzyl acetoacetate ($\mathbf{17g}$), phản ứng không dừng lại ở cấu trúc $\gamma$-piperidone thông thường mà diễn ra sự chuyển vị ngưng tụ bất thường để tạo thành khung đại dị vòng chứa nhân $\gamma$-aminopiperidine ($\mathbf{23}, \mathbf{24}$). Đây là đóng góp lý thuyết mới, cung cấp bằng chứng thực nghiệm về cơ chế tạo vòng cạnh tranh phụ thuộc vào mật độ điện tích và nhóm thế rút/đẩy electron của tác nhân $\beta$-dicarbonyl.
• Lý thuyết phối trí và liên kết hydro siêu phân tử: Thông qua dữ liệu tinh thể học tia X, công trình đóng góp mô hình định lượng về mạng lưới liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử ($\text{C–H}\cdots\text{O}$, $\text{N–H}\cdots\text{O}$, $\text{C–H}\cdots\pi$), chứng minh cấu trúc không gian dạng dimer và sự solvat hóa có tổ chức của các phân tử azacrown trong dung môi phân cực và không phân cực (như $\mathbf{18a}\cdot\text{CH}_2\text{Cl}_2$, $\mathbf{22a}\cdot 2\text{CHCl}_3$, $\mathbf{23}\cdot\text{MeOH}\cdot\text{H}_2\text{O}$).

                             [ DIALDEHYDE PODANDS ]
                        (O-donor, S-donor, N-Ts, Pyridino)
      [ Petrenko-Kritschenko MCR ]                  [ Croton Condensation ]
      (Ketones + NH4OAc, 1-pot)                      (Aryl Methyl Ketones)
[ Standard Route ]  [ Unusual Pathway ]             (Derivatives 15a-b, 16a-b)
 [ γ-Piperidono-     [ γ-Aminopiperidino-            (Anticancer Scaffolds)
  Azacrown Ethers ]   Azacrown Ethers ]
 (18a-f, 20a-f,      (Compounds 23, 24)
     [ Pharmacophore Screening ]
     (SRB Assay on HepG2, MCF7, RD, FL/HeLa, Lu1)

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án kết hợp đa chiều ba nhánh cấu trúc:

1. Nhánh Oxa/Thia/Aza-Podand: Khai thác vai trò của các cầu nối linh hoạt $-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{X}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-$ ($\text{X} = \text{O}, \text{S}, \text{N-Ts}, \text{Pyridine}$) làm tiền chất định hình khoang phối trí.
2. Nhánh Bis(trans-chalcone): Thực hiện ngưng tụ croton giữa podand dialdehyde với các aryl methyl ketone ($\mathbf{14a}, \mathbf{14b}$) trong $\text{CH}_3\text{COOH}$ băng đun hồi lưu 8–10 giờ, tổng hợp các dẫn xuất liên hợp $\mathbf{15a}, \mathbf{15b}, \mathbf{16a}, \mathbf{16b}$ (hiệu suất 56–75%), tạo tiền đề cho các phản ứng cộng hợp Michael đóng vòng tiếp theo.
3. Nhánh Petrenko-Kritschenko Macrocyclization: Phản ứng trực tiếp 3 thành phần (podand dialdehyde + ketone đối xứng/bất đối xứng + muối $\text{NH}_4\text{OAc}$) trong dung môi ethanol đun hồi lưu 4–6 giờ.

Khung phân tích này thiết lập các điều kiện biên (boundary conditions) nghiêm ngặt: kiểm soát hiệu ứng lập thể của nhóm thế alkyl/aryl tại vị trí 3,5 trên nhân piperidone, kiểm soát tính base của dung môi và tương tác tĩnh điện của dị tố endo/exo-heteroatom nhằm điều khiển sự đóng vòng chọn lọc cao nhất.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được thiết kế trên lập trường triết học thực chứng (positivism) kết hợp chủ nghĩa hiện thực phản biện (critical realism), dựa trên thực nghiệm hóa học định lượng có thể tái lập hoàn toàn. Thiết kế nghiên cứu đa tầng (multi-level experimental design) bao gồm:

• Tầng 1 - Thiết kế tổng hợp hữu cơ: Tối ưu hóa phản ứng $S_N2$ alkyl hóa tổng hợp tiền chất tosylate và podand; tối ưu hóa phản ứng ngưng tụ croton; và tối ưu hóa phản ứng MCR Petrenko-Kritschenko một bình.
• Tầng 2 - Xác định cấu trúc vật lý: Khảo sát cấu trúc vi mô thông qua phân tích phổ đa chiều ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, HMBC, HSQC, FTIR, ESI-MS, Orbitrap HRMS) và nhiễu xạ đơn tinh thể tia X (X-ray).
• Tầng 3 - Đánh giá sàng lọc hoạt tính sinh học (In vitro Screening): Đánh giá độc tính tế bào trên các dòng tế bào ung thư người và xác định nồng độ ức chế vi sinh vật kiểm định (MIC).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa nghiêm ngặt qua các bước:

1. Tổng hợp tiền chất Podand chứa nhóm bis(aldehyde):
   • Hợp chất $\mathbf{3a}$ (1,5-bis(2-formylphenoxy)-3-oxapentane): Phản ứng giữa salicylaldehyde ($\mathbf{1a}$, 0,20 mol) với bis(2-chloroethyl) ether ($\mathbf{2a}$, 0,10 mol) có mặt $\text{K}_2\text{CO}3$ (0,22 mol) và xúc tác $\text{KI}$ (0,22 mol) trong DMF ở 115–120 °C trong 10–13 giờ; kết tinh lại trong ethyl acetate thu được tinh thể kim màu trắng, hiệu suất 53%, $t^\circ{nc} = 66 - 67\text{ }^\circ\text{C}$, $R_f = 0,85$ (EtOAc:n-hexane = 2:1).
   • Hợp chất $\mathbf{3b}$ (1,5-bis(1-naphthaloxy)-3-oxapentane): Tổng hợp từ 2-hydroxy-1-naphthaldehyde ($\mathbf{1b}$) với $\mathbf{2a}$, hiệu suất 75%, $t^\circ_{nc} = 164 - 166\text{ }^\circ\text{C}$, $R_f = 0,48$, MS $m/z: 415,22\text{ }[\text{M}+\text{H}]^+$.
   • Hợp chất $\mathbf{3c}$ (1,8-bis(1-naphthaloxy)-3,6-dioxaoctane): Tổng hợp từ $\mathbf{1b}$ với 1,8-dichloro-3,6-dioxaoctane ($\mathbf{2b}$), hiệu suất 82%, $t^\circ_{nc} = 174 - 175\text{ }^\circ\text{C}$, $R_f = 0,60$.
   • Tiền chất tosylate $\mathbf{6}$ (N,N-bis(2-tosyloxyethyl)-N-tosylamine): Từ diethanolamine ($\mathbf{4}$, 10,0 mmol) và 4-toluenesulfonyl chloride ($\mathbf{5}$, 30,0 mmol) với triethylamine (30,0 mmol) trong $\text{CH}_2\text{Cl}2$ ở 0 °C, hiệu suất 70%, $t^\circ{nc} = 148 - 152\text{ }^\circ\text{C}$.
   • Podand aza $\mathbf{7a}$ (N,N-bis(2-formylphenoxyethyl)-N-tosylamine): Hiệu suất 48%, $t^\circ_{nc} = 136 - 138\text{ }^\circ\text{C}$, ESI-MS $m/z: 466\text{ }[\text{M}-\text{H}]^-$. Podand $\mathbf{7b}$: Hiệu suất 47,7%, $t^\circ_{nc} = 144 - 146\text{ }^\circ\text{C}$, ESI-MS $m/z: 568\text{ }[\text{M}+\text{H}]^+$.
   • Thiapodand $\mathbf{10a}$ (1,5-bis(2-formylphenthio)-3-oxapentane): Từ 2-chlorobenzaldehyde ($\mathbf{8}$) và bis(2-mercaptoethyl) ether ($\mathbf{9a}$) trong DMSO với $\text{K}2\text{CO}3$ ở 110–115 °C trong 10–15 giờ, hiệu suất 60%, $t^\circ{nc} = 56 - 58\text{ }^\circ\text{C}$, MS $m/z: 346,7\text{ }[\text{M}]^+$. Thiapodand $\mathbf{10b}$: Hiệu suất 52%, $t^\circ{nc} = 60 - 61\text{ }^\circ\text{C}$.
   • Pyridinopodand $\mathbf{13}$ (2,6-bis[(2-formylphenyl)oxymethyl]pyridine): Từ 2,6-bis(tosyloxymethyl)pyridine ($\mathbf{12}$, hiệu suất tổng hợp 85%, $t^\circ_{nc} = 107 - 108\text{ }^\circ\text{C}$) và salicylaldehyde ($\mathbf{1a}$) trong acetonitrile đun sôi 16 giờ, hiệu suất 82,6%, ESI-MS $m/z: 348,25\text{ }[\text{M}+\text{H}]^+$.
2. Quy trình tổng hợp Heterocrown Ether theo Petrenko-Kritschenko:
   • Hỗn hợp gồm 0,36 mmol podand dialdehyde ($\mathbf{3b}, \mathbf{7a}, \mathbf{7b}, \mathbf{10a}, \mathbf{13}$), 0,36 mmol dẫn xuất ketone ($\mathbf{17a-f}$) và 7,2 mmol $\text{NH}_4\text{OAc}$ (tỷ lệ mol 1:1:20) được đun sôi hồi lưu trong 10 mL ethanol tuyệt đối trong 4–6 giờ. Theo dõi phản ứng bằng TLC (silica gel, hệ dung môi EtOAc/n-hexane). Tinh chế sản phẩm bằng sắc ký cột hoặc kết tinh lại.

Data và phân tích

Hệ thống thiết bị đo đạc và phân tích thống nhất bao gồm:

• Đo điểm nóng chảy: Máy vi đo mao quản Stuart SMP3 (Bibby Sterilin - Anh Quốc).
• Quang phổ hồng ngoại (FTIR): Máy Nicolet Magna 760 (Hoa Kỳ) và thiết bị tại Viện Hóa học - VAST (ép viên KBr, dải đo $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$).
• Quang phổ NMR: Máy Bruker Avance 500 MHz ($^1\text{H}$ tại 500 MHz, $^{13}\text{C}$ tại 125 MHz), dung môi $\text{CDCl}_3$ và $\text{DMSO-}d_6$, chất chuẩn nội tetramethylsilane (TMS).
• Khối phổ: Máy AutoSpec Premier và LC/MS LTQ Orbitrap XL (Thermo Scientific).
• Thử nghiệm sinh học: Đánh giá tại Phòng Sinh học thực nghiệm – Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên (VAST). Sử dụng phương pháp Sulforhodamine B (SRB assay) theo chuẩn của Viện Ung thư Quốc gia Hoa Kỳ (NCI) trên các dòng tế bào: ung thư biểu mô gan (HepG2), ung thư vú (MCF7), ung thư cơ vân (RD), ung thư cổ tử cung (FL/HeLa), và ung thư phổi (Lu1). Độc tính được định lượng qua chỉ số nồng độ ức chế 50% ($IC_{50}\text{, }\mu\text{g/mL}$).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Hiệu suất đóng vòng vượt trội của phản ứng Petrenko-Kritschenko: Phản ứng MCR một bình giữa các podand chứa nhân naphthalene ($\mathbf{3b}$), benzenoid ($\mathbf{7a}$), thiaphenylene ($\mathbf{10a}$) và pyridine ($\mathbf{13}$) với các ketone thế ($\mathbf{17a-f}$) tạo ra các dẫn xuất $\gamma$-piperidonoazacrown ether mới với hiệu suất phân lập đạt từ 45% đến 78%, vượt bậc so với phản ứng đóng vòng đa bước cổ điển (thường $< 20%$).
2. Xác lập cấu trúc không gian và cấu hình lập thể đơn tinh thể tia X: Nghiên cứu đã giải mã thành công cấu trúc tinh thể học của 5 phân tử đại diện:
   • Dẫn xuất $\mathbf{18a}\cdot\text{CH}_2\text{Cl}_2$: Kết tinh dạng solvat hóa với phân tử dichloromethane, khoang crown ether duy trì đường kính khoảng 4,02 Å, các nhóm thế phenyl trên nhân piperidone định hướng cis-equatorial bền vững.
   • Hợp chất $\mathbf{20a}$: Tồn tại ở dạng dimer trong mạng tinh thể nhờ liên kết hydro liên phân tử mạnh giữa nhóm carbonyl $\text{C}=\text{O}$ và các proton $\text{C}-\text{H}$ của dị vòng.
   • Hợp chất $\mathbf{22a}\cdot 2\text{CHCl}_3$: Cấu trúc solvat hóa kép với 2 phân tử chloroform, trong đó hai phân tử $\mathbf{22a}$ độc lập về mặt tinh thể học xếp chồng lên nhau thông qua các nguyên tử $\text{N28}, \text{O8}, \text{N27}, \text{O16}$.
   • Dẫn xuất $\gamma$-aminopiperidine $\mathbf{23}\cdot\text{MeOH}\cdot\text{H}_2\text{O}$: Hình thành mạng lưới tinh thể ngậm nước và methanol phức hợp qua hệ thống cầu hydro đa liên kết.
3. Phát hiện phản ứng ngưng tụ bất thường tạo khung $\gamma$-aminopiperidine: Khi phản ứng giữa podand $\mathbf{3b}$ hoặc $\mathbf{10a}$ với các $\beta$-ketoester ($\mathbf{17d}$ - ethyl acetoacetate, $\mathbf{17g}$ - benzyl acetoacetate), phản ứng diễn ra theo cơ chế cascade bất thường, loại nhóm carboxylate/alkoxy và ngưng tụ amino tạo thành dẫn xuất ethyl 34-amino-12,15,18,21-tetraoxa-36-azahexacyclo-[30...] ($\mathbf{23}$) và benzyl 23-amino-8,14-dithio-11-oxa-25-azatetracyclo[19...] ($\mathbf{24}$).
4. Hoạt tính gây độc tế bào ung thư đột phá: Các dẫn xuất $\gamma$-piperidonoazacrown ether mới tổng hợp thể hiện hoạt tính ức chế sinh trưởng mạnh trên nhiều dòng tế bào ung thư người (HepG2, MCF7, RD, FL/HeLa, Lu1). Đặc biệt, một số dẫn xuất diazacrown ether chứa nhân pyridine ($\mathbf{22a-f}$) và dithiaazacrown ($\mathbf{21a-d}$) đạt giá trị $IC_{50}$ ở mức micromolar ($1,2 - 4,5\text{ }\mu\text{g/mL}$), có hiệu lực ức chế tương đương hoặc cao hơn các hợp chất pyridinocrownophanes cổ điển của Soldatenkov et al. và vượt trội hoàn toàn so với các podand tiền chất ban đầu.

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết hóa học: Cung cấp cơ sở dữ liệu phổ và tinh thể học hoàn chỉnh, khẳng định khả năng linh hoạt của phản ứng MCRs trong việc kiến tạo các đại dị vòng dị nguyên tố đa chức năng.
• Về phương pháp tổng hợp: Mở ra một lộ trình tổng hợp xanh (green synthesis), rút ngắn thời gian phản ứng từ nhiều ngày xuống còn 4–6 giờ, loại bỏ các bước tinh chế trung gian độc hại, giảm thiểu tiêu hao dung môi và năng lượng.
• Về ứng dụng dược học: Khung cấu trúc $\gamma$-piperidonoazacrown ether được định vị là một "khung dược lực học ưu việt" (privileged scaffold) mới cho các nghiên cứu phát triển thuốc kháng ung thư, kết hợp đồng thời khả năng tương tác màng tế bào/vận chuyển ion và khả năng liên kết với các thụ thể protein nội bào.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được nhiều phát hiện có giá trị, luận án cũng ghi nhận một số giới hạn khoa học cần được tiếp tục hoàn thiện:

1. Giới hạn về phạm vi khảo sát cation phối trí: Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào cấu trúc hóa học và hoạt tính gây độc tế bào, chưa đo lường đầy đủ hằng số bền tạo phức ($K_s$) đối với dải rộng các cation kim loại chuyển tiếp và ion phóng xạ trong dung dịch.
2. Giới hạn về cơ chế tác động sinh học sâu: Đánh giá hoạt tính sinh học mới dừng lại ở mức độ thử nghiệm in vitro tế bào (SRB assay để xác định $IC_{50}$), chưa đi sâu vào cơ chế phân tử chi tiết như sự bắt giữ chu kỳ tế bào (cell cycle arrest), đo điện thế màng ty thể hay quá trình kích hoạt apoptosis qua caspase-3/9.
3. Tính tan trong môi trường sinh lý: Một số dẫn xuất chứa nhiều nhân naphthalene và phenyl ($\mathbf{18a}, \mathbf{20a}$) có độ tan trong nước hạn chế, đòi hỏi sử dụng hệ phân tán DMSO trong các phép thử sinh học.

Chương trình nghiên cứu tiếp theo (Future Research Agenda):

• Mở rộng thư viện cấu trúc bằng cách gắn các nhóm thế hướng đích sinh học (như peptide, đường hoặc kháng thể đơn dòng) vào vị trí nitrogen của vòng $\gamma$-piperidone.
• Thực hiện các nghiên cứu in vivo trên mô hình động vật và đánh giá dược động học (ADMET).
• Nghiên cứu khả năng tạo phức với các đồng vị phóng xạ (như $^{64}\text{Cu}, ^{68}\text{Ga}, ^{90}\text{Y}$) phục vụ chẩn đoán hình ảnh PET và xạ trị đích (theranostics).

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật (Academic Impact): Mở ra hướng nghiên cứu mới trong sự giao thoa giữa hóa học siêu phân tử và hóa dược tại Việt Nam. Các bài báo công bố từ luận án trên các tạp chí chuyên ngành uy tín của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và quốc tế tạo tiền đề gia tăng trích dẫn học thuật trong lĩnh vực tổng hợp MCRs macrocycles.
• Đổi mới công nghiệp Dược & Hóa chất (Industry R&D): Cung cấp quy trình công nghệ tổng hợp một bình hiệu suất cao, có khả năng mở rộng quy mô pilot để sản xuất các chất mang ion (ionophores), pha tĩnh sắc ký bất đối, và vật liệu cảm biến hóa học nhận biết kim loại nặng.
• Lợi ích y tế và xã hội: Đóng góp vào nỗ lực tìm kiếm các hoạt chất hóa dược mới điều trị ung thư, hướng tới giảm thiểu chi phí sản xuất hoạt chất thuốc trong nước.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà nghiên cứu Hóa hữu cơ / Hóa dược: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chi tiết, thông số phổ chuẩn xác ($^1\text{H-NMR}$, $^{13}\text{C-NMR}$, MS, X-ray) và cơ chế phản ứng Petrenko-Kritschenko đóng vòng macrocycle.
• Các chuyên gia Hóa học phối trí & Vật liệu cảm biến: Khai thác các cấu trúc heterocrown ether đa dị tố (O, N, S, Pyridine) để thiết kế màng điện cực chọn lọc ion và vật liệu huỳnh quang.
• Bộ phận R&D Dược phẩm: Ứng dụng khung cấu trúc $\gamma$-piperidone azacrown làm chất dẫn đường (lead compound) cho các chương trình phát triển thuốc kháng ung thư thế hệ mới.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Trả lời: Đóng góp độc đáo nhất là việc mở rộng thành công phạm vi của phản ứng ngưng tụ đa tác nhân Petrenko-Kritschenko (1912) vào việc tổng hợp đóng vòng đại phân tử macrocycle. Luận án đã chứng minh các dialdehyde podand linh động có thể tham gia phản ứng ngưng tụ 3 thành phần một bình với các ketone và muối ammonium để tạo khung $\gamma$-piperidonoazacrown ether với hiệu suất cao (lên tới 78%), đồng thời khám phá cơ chế ngưng tụ bất thường tạo khung $\gamma$-aminopiperidine ($\mathbf{23}, \mathbf{24}$) khi sử dụng $\beta$-ketoester.
2. Tính đổi mới về mặt phương pháp luận so với các nghiên cứu quốc tế trước đây? Trả lời: So với phương pháp ngưng tụ Hantzsch đa tác nhân của Soldatenkov et al. (chỉ tạo dị vòng pyridine phẳng với thời gian đun 5–8 giờ trong acetic acid) hay phương pháp đóng vòng đa bước có xúc tác dị thể của Huszthy et al. (đòi hỏi phản ứng hydro hóa áp suất cao và nhiều bước bảo vệ nhóm chức), phương pháp của luận án sử dụng phản ứng Petrenko-Kritschenko trong dung môi ethanol êm dịu, thời gian phản ứng ngắn (4–6 giờ), tạo trực tiếp dị vòng $\gamma$-piperidone chứa tâm lập thể bất đối mà không cần qua các giai đoạn phân lập trung gian.
3. Phát hiện thực nghiệm bất ngờ nhất được hỗ trợ bởi dữ liệu là gì? Trả lời: Phát hiện bất ngờ nhất là quá trình tạo thành sản phẩm azacrown chứa dị vòng $\gamma$-aminopiperidine ($\mathbf{23}$ và $\mathbf{24}$) khi cho podand $\mathbf{3b}$ tương tác với ethyl acetoacetate ($\mathbf{17d}$) hoặc benzyl acetoacetate ($\mathbf{17g}$) và $\text{NH}_4\text{OAc}$. Thay vì thu được dẫn xuất 3,5-dicarboxylate-$\gamma$-piperidone như lý thuyết cổ điển, phân tử đã trải qua quá trình ngưng tụ đóng vòng kèm chuyển hóa amin hóa bất thường, được khẳng định dứt khoát bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân và nhiễu xạ đơn tinh thể tia X của solvate $\mathbf{23}\cdot\text{MeOH}\cdot\text{H}_2\text{O}$.
4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập thực nghiệm (Replication Protocol) chi tiết không? Trả lời: Có. Luận án cung cấp đầy đủ thông số khối lượng (gam, mmol), thể tích dung môi (mL), nhiệt độ phản ứng chính xác (°C), thời gian phản ứng (giờ), hệ dung môi sắc ký bản mỏng (TLC, giá trị $R_f$), điểm nóng chảy ($t^\circ_{nc}$), hiệu suất tách phân lập (%), cùng toàn bộ tín hiệu phổ đặc trưng ($^1\text{H-NMR}$ độ dịch chuyển hóa học $\delta$, hằng số tương tác $J$, phổ $^{13}\text{C-NMR}$, khối phổ phân giải cao $m/z$ và phổ hồng ngoại $\nu\text{ cm}^{-1}$) cho từng chất tổng hợp ($\mathbf{3a-c}, \mathbf{6}, \mathbf{7a-b}, \mathbf{10a-b}, \mathbf{12}, \mathbf{13}, \mathbf{15a-b}, \mathbf{16a-b}, \mathbf{18a-f}, \mathbf{20a-f}, \mathbf{21a-d}, \mathbf{22a-f}, \mathbf{23}, \mathbf{24}, \mathbf{26}$).
5. Định hướng chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo từ kết quả luận án? Trả lời: Chương trình 10 năm gồm 3 giai đoạn: (i) Tối ưu hóa cấu trúc hóa dược (Lead Optimization) gắn phối tử hướng đích ung thư và khảo sát độc tính động học in vivo; (ii) Phát triển các phức chất phóng xạ theranostic dựa trên khung diaza- và dithiaazacrown với các ion kim loại xạ trị; (iii) Chế tạo cảm biến màng sinh học nano ứng dụng trong chẩn đoán y sinh và xử lý môi trường.

Kết luận

1. Tổng hợp thành công hệ tiền chất Podand đa dạng: Điều chế và định danh hoàn chỉnh 8 dẫn xuất podand chứa nhóm chức bis(aldehyde) hoạt động ($\mathbf{3a-c}, \mathbf{7a-b}, \mathbf{10a-b}, \mathbf{13}$) với hiệu suất từ 47,7% đến 82,6%.
2. Khai phá thành công phản ứng Petrenko-Kritschenko đóng vòng đại phân tử: Tổng hợp thành công hơn 20 dẫn xuất heterocrown ether mới thuộc các nhóm bis(naphtho)aza-14-crown-4, diaza-14-crown-4, dithiaaza-14-crown-4 và pyridino-diazacrown chứa dị vòng $\gamma$-piperidone với hiệu suất cao (45–78%).
3. Phát hiện phản ứng cascade bất thường: Tìm ra và giải thích cơ chế hình thành các dị vòng $\gamma$-aminopiperidine azacrown ($\mathbf{23}, \mathbf{24}$) từ phản ứng MCRs với $\beta$-ketoester.
4. Giải mã cấu trúc không gian đơn tinh thể: Xác định chính xác cấu hình lập thể, kích thước khoang nội vùng (khoảng 4,02 Å) và mạng lưới liên kết hydro tinh thể học của các đại diện $\mathbf{18a}, \mathbf{20a}, \mathbf{22a}, \mathbf{23}$ bằng nhiễu xạ tia X.
5. Chứng minh hoạt tính sinh học vượt trội: Xác lập phổ tác dụng gây độc tế bào của các dẫn xuất azacrown mới trên 5 dòng tế bào ung thư người (HepG2, MCF7, RD, FL/HeLa, Lu1), mở ra một lớp cấu trúc tiềm năng hàng đầu cho nghiên cứu phát triển thuốc hóa dược điều trị ung thư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - TONG QUAN 1. Hop chat crown ether Các hợp chất vòng polyether (1) với công thức cấu tạo được hình thành từ các nhóm I,2-ethylenglycol thường được gọi là các hợp chat crown ether. Năm 1967, lần đầu tiên các hợp chất crown ether được nghiên cứu có hệ thống và ứng dụng rộng rãi trong khoa học và kỹ thuật [67]. Ké từ đó, hàng nghìn hợp chất crown với cấu trúc tương tự đã được nghiên cứu, phát triển và công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín, trong các sách chuyên khảo và các đăng ký sở hữu trí tuệ (patent) [13.

14, 25, 33, 42, 104] mở ra nhánh mới trong lĩnh vực hóa học hữu cơ — hóa học các hợp chất đại phân tử - supermolercular chemistry [16, 27, 96, 98, 100]. Hai mươi năm sau khi công bố phương pháp tông hợp và ứng dụng đầu tiên của các hợp chất crown ether — Chalers Pedersen [67]- đã được trao giải thưởng Nobel cùng với hai nhà khoa học khác là Donald J. Cram và Jean-Marie Lehn về những đóng góp cho sự nghiên cứu, phát triên và ứng dụng của lĩnh vực hóa học mới — Hóa học các hợp chất crown ether [41, 99, 101, 102]. Một số vi du về các hợp chất crown: 1 — crown ether; 2 - azacrownophane; 3 — azacrown ether; 4 - thiocrown ether Các hợp chat crown ether được ứng dụng rộng rãi trong hóa hoc phân tích, chiết tách và phân lập các ion kim loại, đặc biệt là các ion kim loại kiềm và kiềm thô [25, 67, 103, 104].

Khi thay thế một hoặc vài nguyên tử oxy trong vòng crown bằng các dị tố khác thì chúng ta thu được các hợp chất heterocrown ether; ví dụ khi thay bởi nguyên tử nitơ thì chúng ta thu được các hợp chất azacrown ether (ví dụ, các chất 2 và 3); khi thay bởi các nguyên tử lưu huỳnh thì chúng ra có các hợp chất thiacrown ether (chất 4)[14, 25, 60, 98, 100]. Các hợp chất heterocrown ether thu hút sự quan tâm chú ý của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học, kỹ thuật, 14 dược học, mỹ phẩm,. do các tinh chất hóa học đặc biệt của nhóm heterocrown ether như kha năng tạo phức tốt, bền vững và độ chọn lọc cao với nhiều ion kim loại, NH¿” và các cation ammonium hữu cơ [32, 34, 78, 89]. Bên cạnh các ứng dụng trong hóa học phối trí, các hợp chất heterocrown ether với khả năng tích hợp các dị vòng chứa dị tố nitơ (hoặc lưu huỳnh) góp phan nâng cao khả năng thể hiện các hoạt tính sinh học hữu ích — hoạt tính gây độc tế bào trên các dòng tế bào ung thư [2, 5, 51, 52], ứng dụng trong nghiên cứu giả lập, mô phỏng co-enzyme NAD, ứng dụng trong hóa kỹ thuật, trong nghiên cứu huỳnh quang, trong các quá trình oxy hóa khử, trong vai trò chất xúc tác chuyên pha,.

Các nghiên cứu sau này đã xác định được kha năng tạo phức bền của crown ether với các ion kim loại phụ thuộc vào mối liên quan giữa kích thước không gian nội phân tử và bán kinh ion — bản chất các cation (bảng 1. Thông thường, các hợp chất 12-crown-4 tạo phức bên với ion Li*, hợp chất 15-crown-5 tạo phức bền vững nhất với các ion Na”, các dẫn xuất 18-crown-6 tạo phức bền vững với các ion KỶ, Rb*, NHÍ [88].1 Đường kính cation và kích thước không gian nội vùng crown ether (A ) Cation | Đường kính cation Crown ether Đường kính nội vùng crown Li* 1,36 12-crown-4 12— 1,5 Na” 1,90 15-crown-5 17—2,2 K* 2,66 18-crown-6 2,6 — 3,2 NH,* 2,86 18-crown-6 2,6 — 3,2 Rb* 2,94 18-crown-6 2,6 — 3,2 Cs* 3,38 21-crown-7 34-43 Tuy nhiên, trong trường hợp vùng không gian nội vòng crown qua nhỏ so với kích thước ion và ngược lại, khi thể tích nội vòng quá lớn so với đường kính cation, sẽ xảy ra trường hợp tạo phức theo các tỷ lệ thích hợp giữa phối tử và cation.2 trường hợp phức (6) hai phân tử 12-crown-4 ether tạo phức với một ion K* dưới dang sandwich; trường hợp phức (7) do kích thước nội vòng crown ether quá lớn so với bán kính ion Na”, nên chúng ta thu được phức chất trong đó một phân tử crown ether tạo liên kết phối trí với hai cation Na” [76]. Crown ether và khả năng tạo phức: 5 - phức chat theo tỷ lệ 1:1 = ligand : ion KỶ; 6 — phức chat theo tỷ lệ 2:1 = ligand : ion K”; 7 — phức chất theo tỷ lệ 1:2 = ligand : ion Na” Với mục tiêu đánh giá định lượng độ bền của phức chất, người ta sử dụng thông sỐ hằng số bền (K,— stability constant) được xác định theo công thức sau: — [LM*) Š [LIIM*] Trong đó: [L.M*] — nồng độ của phức chat [L]— nồng độ của phối tử tự do [M*] — nồng độ của cation tự do 1. Hợp chất azacrown ether Nhờ ứng dụng thực tiễn của các hợp chất crown ether trong nhiều ngành công nghiệp và các lĩnh vực khác nhau, yêu cầu thường xuyên đặt ra đối với nghiên cứu đó là phát triển phương pháp tổng hợp đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp và tìm kiếm các ứng dụng hữu ich của chúng.

Nghiên cứu các tài liệu tong quan về các hợp chất crown trong giai đoạn 1967 — 2017, chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến các hợp chất thiaazacrown, trong đó một số nguyên tử oxy được thay thế bởi nguyên tử lưu huỳnh và sự kết hợp vòng crown ether với các dị vòng như pyridine va y-piperidone. Cac di vòng khi tích hợp với vòng crown ether, thì có hai khả năng đối với di nguyên tố, đó là: 1) Dị tố có thé trực tiếp tham gia vào vòng crown ether, khi đó được gọi là endo-heteroatom. 2) Di tố không tham gia vào vòng crown ether, có vi trí exo-heteroatom. ca = 8 - endo-heteroatom 9 - exo-heteroatom Hình 1.

Một số hợp chất heterocrown ether Nhờ các liên kết qua nhóm ethyl và nguyên tử nitơ với hóa trị ba, lai hóa sp” đã hình thành nhóm các hợp chất hữu cơ mới - các đại phân tử cryptand. Cryptand là một trong những cấu trúc không gian (3D) của các hợp chất aminoether no — dẫn xuất của crown ether. Ba nhà khoa học Donald Cram, Jean-Marie Lehn và Charles Pedersen đã duoc nhận giải thưởng Nobel vào năm 1987 nhờ những phát minh va ứng dụng các hợp chất cryptand, crown ether vào cuộc sông [76]. Hop chất cryptand va phức chất của chúng với các cation M* va NH„* Trong phần tông quan chúng tôi sẽ trình bày một số phương pháp tổng hợp và ứng dung các hợp chat polyether mach thắng (dạng mở vòng crown ether) — hợp chất podand, các hợp chất azacrown ngưng tụ với các dị vòng chứa nito, như pyrrole, imidazole, pyridine, y-piperidone.

Ngoài ra, luận án cũng trình bày tông quan về phản ứng ngưng tụ đa tác nhân — một trong những phương pháp tổng hợp hữu cơ hiện đại và hiệu quả được áp dụng pho bién hién nay. Các hop chất polyether mạch thang — podand Các hợp chất polyether mạch thắng, hay còn gọi là các hợp chất polyethylenglycol (-O-CH;-CH;-O-)„ được coi là các dẫn xuất mở vòng của crown ether, ví dụ hợp chất 12-crown-4 ether (14) có podand tương ứng (15) (hình 1. 2 4 ‘ so > É —> yc O07 Oo 9 1 2 O. CH 2 5 " ‘ oO ‘Oo ; 2,5,8,11-tetraoxadodecane (15) 12 crown 4 ether (14) Hình 1.

Hop chat podand đồng phân mach thang của vòng crown ether Podand được tích hợp từ “pod” (với nghĩa ban chân) va “ligand” (phối tử), bởi tương tự như hợp chat crown ether, ứng dụng phổ biến nhất đối với podand là kha năng tạo phức với các ion kim loại [79, 87]. Bên cạnh khả năng tạo phức với các ion kim loại, hợp chất podand còn là các tiền chất quan trọng trong tổng hợp các heterocrown ether mới [52, 53, 80-82]. -5 S CH3 He ON 0 SOY 0 8 Hạc 7 378NTM 2,5,8,11-tetraoxadodecane (16) 2,5,8,11- tetrathiadodecane (17) H HạC Bà)SON S as -CH 3 H 2,5- dithia-8,1 1-diazadodecane (18) Hình 1. Một số ví du vé hop chat heteropodand Dua vào sự xuất hiện của các di tố, podand có thể phân loại thành các nhóm oxopodand (podand thông thường), thiapodand và azapodand,.

Ngoài ra, các podand có thể phân loại dựa trên đặc điểm các nhóm đầu, cuối trên mạch. Tương tự các hợp chất crown ether, hợp chất podand có khả năng tạo phức với một số cation kim loại. Hợp chất bipyridinopodand (19) thé hién kha nang tao phức với ion kim loại chuyên tiếp Cu” và tao thành sản pham pseudocrown ether — cau trúc giả crown ether (20) (sơ đồ 1. ig ig Cut O mm l9) P P ứ y > heavy metal ) a oO Ø Podand (19) n Leon (20) n So đồ 1.

Tổng hop hệ phức chat bipyridinopodand với ion Cu” 18 nh O o À Tetrakis(benzo)-28-crown-6 ether (21) l§ ` S t 8Ó 14 ` 20 18 21 2 2 19 ' 25 24 26 O 2 CH Il HỆ 2 30 29 Hình 1. Một số hợp chat tetrakis(benzo)crown ether là sản phẩm ngưng tu aldol từ các podand thành phan Các hợp chất podand với các nhóm chức hoạt động ở hai đầu mạch dễ dàng tham gia vào các chuyên hóa hóa học như các phản ứng ngưng tụ aldol. Trong các công bó, bang phản ứng domino ngưng tu aldol từ các podand thành phan (thé hiện mau xanh và đỏ trên hình 1.7), nhóm nghiên cứu đã tổng hợp thành công các dai di vòng tetrakisbenzo-28(31)-crown-6(7) ether (21,22) và tetrakisbenzo-31(34)- crown-7(8) ether (23,24).[1, 49, 84] ce FOO (25a-g) dioxane, 3h, Tsoi dung môi (26a-g) a: R = C(O)-NHp, X = Cl, n= 1; b: R = C(O)-NHp, X = Cl, n=2; €:R=C(O)-NH;, X = Cl, n= R= C(O)-NH), X = OTs, n= 1; e: R = C(O)-NHp, X = OTs, n= 2; f: R =C(O)-NH¿, X = OTs, n= 3; g: R=H, X=OTs, n= 1; Sơ đồ 1. Tổng hợp dẫn xuất N-alkylpyridinium podand (26a-g) 19 Bên cạnh khả năng tạo phức tốt với các ion kim loại, một số podand với dị vòng pyridine cũng thé hiện một số hoạt tính sinh học hữu ích, như hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định.2 trình bay một số phương pháp tông hợp các podand chứa dị vòng pyridine [65].

Một số podand với dị vòng pyrazole (27) ở hai đầu đã được nhóm nghiên cứu của giáo sư Popova V. từ Viện Hàn lâm khoa học Liên bang Nga tổng hợp thành công. Các podand này có khả năng tạo phức tốt với các ion kim loại kiềm, kiềm thổ, và kim loại chuyền tiếp [68]. Dẫn xuất podand (27a,b) chứa dị vòng 1,2-dihydro-3H-pyrazol-3-one Xuất phát từ các đặc trưng hóa lý (độ âm điện, mật độ electron, khả năng lai hóa, .) của các nguyên tố N, S, .