Tổng quan nghiên cứu

Artemisinin là một secquiterpen lacton có hoạt tính kháng ký sinh trùng sốt rét rất mạnh, được sử dụng rộng rãi trong điều trị bệnh sốt rét. Tuy nhiên, artemisinin có nhiều hạn chế như độc tính với hệ thần kinh trung ương và thời gian bán hủy ngắn, dẫn đến nguy cơ nhờn thuốc. Do đó, việc tổng hợp và phân tích các dẫn xuất của artemisinin như dihydroartemisinin (DHA), metyl ete, etyl ete nhằm nâng cao hiệu quả điều trị và giảm độc tính là rất cần thiết. Luận văn tập trung phân tích cấu trúc và hàm lượng của một số dẫn xuất artemisinin bằng các phương pháp hóa lý hiện đại, đặc biệt là phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), phổ hồng ngoại (IR) và phổ khối lượng (MS).

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể gồm: (1) tổng hợp các dẫn xuất của artemisinin như DHA, NTD.01, NTD.031, NTD.039; (2) phân tích cấu trúc và tỷ lệ đồng phân lập thể của các sản phẩm chuyển hóa bằng phổ NMR; (3) đánh giá hiệu suất và độ chọn lọc lập thể của các phản ứng tổng hợp. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian năm 2015-2016 tại Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam, với nguyên liệu chính là artemisinin chiết xuất từ cây Thanh hao hoa vàng tại Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp phương pháp phân tích cấu trúc và đồng phân lập thể chính xác, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả sử dụng các thuốc chống sốt rét dựa trên artemisinin. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ phát triển các dẫn xuất mới có hoạt tính cao hơn và độc tính thấp hơn, đáp ứng nhu cầu y học hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Phương pháp phổ hồng ngoại (IR): Xác định các nhóm chức và liên kết đặc trưng trong phân tử thông qua dao động hóa trị và biến dạng, với vùng phổ quan trọng từ 4000 đến 1600 cm⁻¹ (vùng nhóm chức) và 1500 cm⁻¹ trở xuống (vùng vân ngón tay).

  • Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Sử dụng phổ 1H-NMR và 13C-NMR để xác định cấu trúc phân tử và đồng phân lập thể dựa trên độ chuyển dịch hóa học (δ, ppm) và hằng số tương tác spin-spin (J, Hz). Phổ NMR cho phép phân biệt các đồng phân α và β của DHA cũng như các đồng phân epoxit (S-oxiran và R-oxiran).

  • Phổ khối lượng (MS): Phân tích phân tử khối và cấu trúc phân tử thông qua ion hóa bằng dòng electron (EI) hoặc ion hóa hóa học (CI), giúp xác định các mảnh ion đặc trưng và quy luật phân mảnh.

  • Phân tích đồng phân lập thể: Sử dụng phổ NMR để xác định tỷ lệ các đồng phân trong hỗn hợp, tính độ chọn lọc lập thể (ee, de) dựa trên diện tích tín hiệu proton đặc trưng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu artemisinin được chiết xuất từ cây Thanh hao hoa vàng tại Việt Nam. Các hóa chất và dung môi mua từ các hãng uy tín như Merck và Aldrich.

  • Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp DHA bằng phản ứng khử nhóm cacbonyl của artemisinin với NaBH4 trong methanol ở -33°C, hiệu suất đạt 98%. Tổng hợp các dẫn xuất NTD.01, NTD.031, NTD.039 qua các phản ứng ete hóa, epoxit hóa và mở vòng epoxit với các tác nhân như allyl ancol, mCPBA, morpholin và xúc tác Ni-Salen.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng sắc ký lớp mỏng (SKLM) để theo dõi phản ứng và kiểm tra độ tinh khiết. Phân tích cấu trúc bằng phổ IR, phổ NMR (1H và 13C) trên máy Bruker XL-500 MHz với TMS làm chuẩn, phổ khối lượng trên máy Hewlett Packard Mass Spectrometer 5989 MS. Tỷ lệ đồng phân lập thể được tính dựa trên diện tích tín hiệu proton H-12 trong phổ 1H-NMR.

  • Cỡ mẫu và timeline: Các mẫu tổng hợp được chuẩn bị với khối lượng từ 2 đến 5 gam, phản ứng kéo dài từ 18 đến 24 giờ ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn. Toàn bộ quá trình nghiên cứu thực nghiệm và phân tích diễn ra trong vòng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp và phân tích DHA: Phản ứng khử artemisinin bằng NaBH4 thu được DHA với hiệu suất 98%. Phổ 1H-NMR cho thấy hỗn hợp hai đồng phân α-DHA (50,62%) và β-DHA (49,38%) với độ chọn lọc lập thể thấp 1,24%. Các tín hiệu proton H-12 của hai đồng phân được tách biệt rõ ràng tại 5,38 ppm (α) và 5,60 ppm (β).

  2. Tổng hợp và phân tích NTD.01: Phản ứng ete hóa DHA với allyl ancol trong dung môi diclometan, xúc tác TsOH, thu được sản phẩm NTD.01 với hiệu suất 40%. Phổ 1H-NMR xác nhận sự có mặt của nhóm allyl và cấu trúc tương tự β-DHA, cho thấy chỉ một đồng phân DHA tham gia phản ứng.

  3. Tổng hợp và phân tích NTD.031: Phản ứng epoxit hóa NTD.01 bằng mCPBA tạo ra hỗn hợp hai đồng phân epoxit S-oxiran (69,25%) và R-oxiran (30,75%) với độ chọn lọc lập thể 38,5%. Phổ 1H-NMR và 13C-NMR cho thấy sự tách biệt rõ ràng các tín hiệu của hai đồng phân.

  4. Tổng hợp và phân tích NTD.039: Phản ứng mở vòng epoxit NTD.031 với morpholin và xúc tác Ni-Salen thu được hỗn hợp hai đồng phân mở vòng với hiệu suất 60%. Phổ 1H-NMR phân biệt rõ tín hiệu proton H-12 của đồng phân R-NTD.039 (5,44 ppm) và S-NTD.039 (5,42 ppm).

Thảo luận kết quả

Việc tổng hợp DHA từ artemisinin bằng NaBH4 cho thấy phản ứng không chọn lọc lập thể cao, tạo ra hỗn hợp gần như cân bằng giữa hai đồng phân α và β. Điều này phù hợp với cơ chế tấn công của tác nhân khử ở cả hai mặt re-face và si-face của nhóm cacbonyl. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước đây về tổng hợp DHA.

Phản ứng ete hóa DHA chỉ xảy ra với một đồng phân, có thể do hiệu ứng không gian của nhóm OH trong đồng phân khác làm giảm khả năng phản ứng. Hiệu suất phản ứng thấp 40% cũng phản ánh tính chọn lọc cao của phản ứng.

Phản ứng epoxit hóa NTD.01 bằng mCPBA tạo ra hỗn hợp hai đồng phân epoxit với độ chọn lọc lập thể 38,5%, cho thấy tác nhân oxy hóa không hoàn toàn chọn lọc về mặt lập thể. Tỷ lệ đồng phân S-oxiran chiếm ưu thế, có thể do yếu tố không gian và tương tác điện tử trong phân tử.

Phản ứng mở vòng epoxit với morpholin tạo ra hỗn hợp hai đồng phân mở vòng với tỷ lệ đồng phân tương đối cao, chứng tỏ phản ứng mở vòng cũng không hoàn toàn chọn lọc. Các dữ liệu phổ NMR cung cấp bằng chứng rõ ràng về cấu trúc và tỷ lệ đồng phân, có thể trình bày qua biểu đồ cột thể hiện tỷ lệ phần trăm các đồng phân trong từng bước phản ứng.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế phản ứng và đặc điểm cấu trúc của các dẫn xuất artemisinin, hỗ trợ phát triển các thuốc chống sốt rét hiệu quả hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp DHA: Thực hiện các thử nghiệm thay đổi nhiệt độ, dung môi và tỷ lệ tác nhân khử để nâng cao độ chọn lọc lập thể, hướng tới sản xuất DHA đồng phân đơn α hoặc β nhằm giảm độc tính và tăng hiệu quả điều trị.

  2. Nghiên cứu xúc tác chọn lọc cho phản ứng ete hóa: Áp dụng các xúc tác mới có khả năng tăng hiệu suất và chọn lọc đồng phân trong phản ứng ete hóa DHA, nhằm nâng cao hiệu quả tổng hợp các dẫn xuất có hoạt tính cao.

  3. Phát triển phương pháp phân tích đồng phân lập thể: Kết hợp phổ NMR với các kỹ thuật sắc ký chiral hiện đại để phân tích chính xác hơn tỷ lệ đồng phân trong hỗn hợp, phục vụ kiểm soát chất lượng sản phẩm trong công nghiệp dược phẩm.

  4. Khảo sát độc tính và dược động học của các dẫn xuất: Thực hiện các nghiên cứu in vivo để đánh giá độc tính hệ thần kinh và thời gian bán hủy của các dẫn xuất tổng hợp, từ đó lựa chọn dẫn xuất phù hợp cho ứng dụng lâm sàng.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm tiếp theo, phối hợp giữa các phòng thí nghiệm hóa học và dược lý, với sự hỗ trợ của các cơ quan quản lý dược phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu hóa học dược phẩm: Luận văn cung cấp phương pháp tổng hợp và phân tích cấu trúc các dẫn xuất artemisinin, hỗ trợ nghiên cứu phát triển thuốc chống sốt rét mới.

  2. Chuyên gia phân tích và kiểm nghiệm dược phẩm: Các kỹ thuật phổ NMR, IR, MS và sắc ký lớp mỏng được trình bày chi tiết giúp nâng cao kỹ năng phân tích đồng phân và kiểm soát chất lượng sản phẩm.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa học và Dược học: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về ứng dụng các phương pháp hóa lý hiện đại trong tổng hợp và phân tích hợp chất hữu cơ phức tạp.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển thuốc: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ đánh giá chất lượng và hiệu quả của các thuốc dựa trên artemisinin, góp phần xây dựng tiêu chuẩn và quy trình kiểm định.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần phân tích đồng phân lập thể của các dẫn xuất artemisinin?
    Đồng phân lập thể có thể có hoạt tính sinh học và độc tính khác nhau. Phân tích giúp xác định tỷ lệ đồng phân, đảm bảo hiệu quả và an toàn của thuốc.

  2. Phương pháp NMR có ưu điểm gì trong phân tích cấu trúc?
    NMR cho phép xác định cấu trúc chi tiết và tỷ lệ đồng phân trong hỗn hợp mà không làm thay đổi thành phần, chỉ cần lượng mẫu nhỏ.

  3. Hiệu suất tổng hợp DHA đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Hiệu suất tổng hợp DHA từ artemisinin bằng NaBH4 đạt khoảng 98%, cho thấy phản ứng hiệu quả và ổn định.

  4. Độ chọn lọc lập thể của phản ứng epoxit hóa NTD.01 là bao nhiêu?
    Độ chọn lọc lập thể của phản ứng epoxit hóa là 38,5%, với đồng phân S-oxiran chiếm 69,25% và R-oxiran chiếm 30,75%.

  5. Các dẫn xuất artemisinin có ưu điểm gì so với artemisinin gốc?
    Các dẫn xuất như DHA, metyl ete, artesunat có hoạt tính cao hơn, tan tốt hơn trong dầu hoặc nước, phù hợp cho các dạng bào chế tiêm và có thể giảm độc tính.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công các dẫn xuất artemisinin như DHA, NTD.01, NTD.031, NTD.039 với hiệu suất từ 40% đến 98%.
  • Phân tích cấu trúc bằng phổ NMR, IR, MS xác định rõ cấu trúc và tỷ lệ đồng phân lập thể của các sản phẩm.
  • Phản ứng khử tạo DHA cho hỗn hợp hai đồng phân α và β với tỷ lệ gần cân bằng và độ chọn lọc lập thể thấp 1,24%.
  • Phản ứng epoxit hóa và mở vòng epoxit tạo ra hỗn hợp đồng phân với độ chọn lọc lập thể trung bình, cần tối ưu hóa thêm.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho phát triển thuốc chống sốt rét dựa trên các dẫn xuất artemisinin, đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn.

Luận văn khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện tổng hợp và phân tích đồng phân, đồng thời mở rộng đánh giá dược lý để ứng dụng trong sản xuất thuốc. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm được mời gọi hợp tác phát triển các sản phẩm mới dựa trên kết quả này.