Tổng quan nghiên cứu

Lưu huỳnh nguyên tố là một nguồn nguyên liệu thứ cấp dồi dào với sản lượng công nghiệp toàn cầu vượt mức 70 triệu tấn mỗi năm từ quá trình lọc hóa dầu và khí tự nhiên. Việc khai thác nguồn nguyên vật liệu giá thành thấp này để tổng hợp các hợp chất hữu cơ dị vòng có giá trị sinh học cao là một hướng đi mang tính đột phá trong hóa học xanh. Khung cấu trúc 2-aminobenzoxazole là một dị vòng chứa nitơ và oxy có mặt phổ biến trong nhiều phân tử dược phẩm điều trị rối loạn hệ thần kinh trung ương (CNS), chống viêm, ức chế thụ thể sinh mạch VEGFR-2 và ức chế chọn lọc ChemR23 trong điều trị ung thư.

Trong suốt hơn 10 năm qua, các quy trình tổng hợp 2-aminobenzoxazole truyền thống chủ yếu dựa vào phản ứng ngưng tụ của các dẫn xuất o-aminophenol. Tuy nhiên, o-aminophenol thường kém bền, dễ bị oxy hóa ngoài không khí và đòi hỏi quy trình điều chế riêng biệt từ o-nitrophenol với nhiều bước khử tốn kém. Dù một số nghiên cứu gần đây đã sử dụng o-nitrophenol để đóng vòng trực tiếp, phần lớn các công trình này chỉ tập trung vào các dẫn xuất benzoxazole thế gốc carbon tại vị trí C2 mà bỏ qua nhánh 2-aminobenzoxazole.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học của tác giả Nguyễn Đức Thanh, thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-TP.HCM từ ngày 14/02/2022 đến ngày 01/05/2023, đã giải quyết triệt để rào cản này. Đề tài tập trung phát triển phản ứng đóng vòng khử trực tiếp giữa o-nitrophenol và aryl isothiocyanate dưới sự xúc tác của muối sắt và lưu huỳnh nguyên tố. Nghiên cứu không chỉ tối ưu hóa các thông số phản ứng mà còn chứng minh tính khả thi khi nâng cấp quy mô lên mức 1.0 mmol, mở ra giải pháp tổng hợp bền vững và tiết kiệm kinh phí cho ngành hóa dược.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của thuyết xúc tác cụm sắt - lưu huỳnh (Fe/S cluster catalysis) và lý thuyết phản ứng ngưng tụ khử (reductive annulation). Cụm Fe/S trong tự nhiên đóng vai trò như một tụ điện sinh học tại trung tâm hoạt động của nhiều enzyme, có khả năng linh hoạt tiếp nhận và giải phóng electron nhờ sự chuyển đổi trạng thái oxy hóa giữa Fe(II) và Fe(III). Khi đưa vào hóa học hữu cơ, cụm Fe/S đóng vai trò điều phối dòng dịch chuyển electron trực tiếp giữa hợp chất nitro và tác chất khử, giảm thiểu nhu cầu sử dụng các chất khử chuyên biệt đắt đỏ.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp khái niệm tổng hợp dị vòng một giai đoạn (one-pot tandem synthesis) thông qua tác chất tương đương C1-N-Ar synthon từ aryl isothiocyanate. Trong phản ứng này, các khái niệm chính bao gồm:

  • Tác chất nhận electron: Dẫn xuất o-nitrophenol đóng vai trò cung cấp khung phenol và nguyên tử nitơ sau khi nhóm nitro được khử in situ.
  • Tác chất cung cấp tâm carbon và amin: Aryl isothiocyanate cung cấp mảnh liên kết C1-N-Ar để tạo vòng oxazole.
  • Vai trò kép của lưu huỳnh nguyên tố: Vừa tham gia cấu tạo nên tâm hoạt tính xúc tác cụm Fe/S, vừa hoạt động như một chất khử bổ sung cung cấp các electron cần thiết để hoàn tất cân bằng oxy hóa khử.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm khảo sát đơn biến (One-factor-at-a-time) trên phản ứng mô hình giữa 2-nitrophenol (0.5 mmol) và phenyl isothiocyanate để tìm ra bộ điều kiện tối ưu. Sau khi thiết lập hệ điều kiện chuẩn, phương pháp mở rộng phạm vi cơ chất được áp dụng trên 18 dẫn xuất o-nitrophenol và aryl isothiocyanate mang các nhóm thế đa dạng. Tiền chất o-nitrophenol chức hóa được tổng hợp qua các phản ứng ghép cặp Suzuki-Miyaura hoặc thế ái nhân thơm (SNAr) với hiệu suất phân lập cao, điển hình như dẫn xuất 1f đạt 51% (55 mg từ 0.5 mmol), dẫn xuất 1i đạt 69% (126 mg từ 1.0 mmol), dẫn xuất 1j đạt 67% (79 mg), 1q đạt 88% (103 mg) và 1r đạt 87% (103 mg).

Quá trình phân tích và giám định cấu trúc sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại:

  • Sắc ký khí với đầu dò ion hóa ngọn lửa (GC-FID, Shimadzu GC2010-Plus, cột mao quản SPB-5 dài 30 m, đường kính trong 0.25 mm) sử dụng diphenyl ether làm chuẩn nội để định lượng độ chuyển hóa và hiệu suất phản ứng nhanh chóng với độ lặp lại cao.
  • Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS QP2010 Ultra, cột ZB-5MS dài 30 m) xác định khối lượng phân tử và mảnh vỡ phân rã của các chất trung gian.
  • Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Bruker AV 500/600 MHz) ghi nhận phổ 1H, 13C và 19F NMR để xác định chính xác cấu trúc hóa học, vị trí liên kết và độ tinh khiết phân tử.
  • Khối phổ phân giải cao (HRMS, Agilent 6545 Q-TOF và Shimadzu LCMS-IT-TOF) ở chế độ ion hóa phun điện tử (ESI+) xác định công thức nguyên với sai số dưới 5 ppm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tối ưu hóa các thông số phản ứng đã mang lại những kết quả thực nghiệm nổi bật:

  • Phát hiện hệ xúc tác tối ưu: Phản ứng giữa 2-nitrophenol và phenyl isothiocyanate đạt hiệu suất GC trên 85% khi sử dụng xúc tác sắt(III) acetylacetonate [Fe(acac)3], lưu huỳnh nguyên tố (S8), bazơ NaOH và dung môi DMSO ở nhiệt độ từ 80 °C đến 120 °C. Trong điều kiện đối chứng không có lưu huỳnh nguyên tố, phản ứng chỉ tạo ra 8% sản phẩm mong muốn, chứng minh vai trò không thể thiếu của lưu huỳnh.
  • Mở rộng phạm vi cơ chất xuất sắc: Hệ phản ứng dung nạp thành công hơn 15 dẫn xuất 2-aminobenzoxazole mang các nhóm thế rút electron mạnh như -CF3, -CN, -NO2, -SO2Me cũng như các nhóm thế đẩy electron như amine bậc hai, morpholine, pyrrolyl và các dị vòng thơm. Nhiều dẫn xuất trong số này được công bố lần đầu tiên trên thế giới với hiệu suất phân lập đạt từ 50% đến 88%.
  • Tính khả thi khi nâng quy mô: Thực nghiệm nâng quy mô tổng hợp sản phẩm N-phenylbenzo[d]oxazol-2-amine (3aa) lên mức 1.0 mmol diễn ra thuận lợi, duy trì hiệu suất cô lập đạt trên 78%, chứng minh quy trình có tính ổn định cao và ít bị suy giảm hiệu năng khi tăng lượng tác chất.
  • Làm sáng tỏ vai trò kép của lưu huỳnh: Các thí nghiệm kiểm chứng cơ chế xác nhận lưu huỳnh nguyên tố vừa liên kết với ion sắt để tạo thành mạng lưới cụm Fe/S hoạt động, vừa cung cấp trực tiếp 2 đến 4 electron cho chu trình khử nhóm nitro thành amine nội tại.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu thực nghiệm có thể được hệ thống hóa rõ ràng thông qua đồ thị tương quan nhiệt độ - thời gian và bảng so sánh hiệu suất giữa các muối kim loại chuyển tiếp. Dữ liệu sắc ký GC cho thấy khi tăng nhiệt độ từ 80 °C lên 120 °C, tốc độ chuyển hóa của o-nitrophenol tăng gấp khoảng 2.5 lần, giúp rút ngắn thời gian phản ứng từ 12 giờ xuống còn 3 giờ mà không làm phân hủy các liên kết nhạy cảm.

So với các phương pháp truyền thống sử dụng hệ oxy hóa mạnh như TBAI/H2O2 hoặc KIO4 (vốn đòi hỏi điều chế thiourea trung gian qua 2 bước phức tạp), phương pháp Fe/S trực tiếp này loại bỏ hoàn toàn giai đoạn khử trung gian, giảm tiêu hao hóa chất khoảng 40%. Cơ chế phản ứng diễn ra thông qua sự phối trí của o-nitrophenol và phenyl isothiocyanate lên bề mặt cụm Fe/S, tiếp diễn bằng quá trình khử chọn lọc nhóm nitro thành nitroso và hydroxylamine, sau đó đóng vòng nội phân tử kèm theo sự tách loại phân tử lưu huỳnh để giải phóng khung 2-aminobenzoxazole. Sự hiện diện của bazơ NaOH thúc đẩy quá trình deproton hóa nhóm phenol, gia tăng tính ái nhân để tấn công vào nguyên tử carbon trung tâm của isothiocyanate.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát triển và chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất hóa dược, các đề xuất cụ thể được định hướng như sau:

  • Mở rộng quy mô bằng công nghệ dòng chảy liên tục: Các kỹ sư công nghệ hóa học tại các viện nghiên cứu cần ứng dụng hệ phản ứng dòng chảy liên tục (continuous-flow microreactor) nhằm nâng công suất tổng hợp từ mức 1.0 mmol lên quy mô pilot 100 đến 500 mmol trong vòng 6 đến 12 tháng tới, giúp kiểm soát tốt quá trình truyền nhiệt và an toàn áp suất.
  • Mở rộng ứng dụng trên các khung dị vòng liên quan: Nhóm nghiên cứu tổng hợp hữu cơ nên tiếp tục áp dụng hệ xúc tác Fe(acac)3/S8 để tổng hợp các dị vòng 2-aminobenzothiazole và 2-aminobenzimidazole trực tiếp từ o-nitroaniline và o-nitrothiophenol, hướng tới mục tiêu đạt hiệu suất cô lập trên 85% trong lộ trình 12 tháng.
  • Tối ưu hóa thu hồi và tái sử dụng xúc tác: Các chuyên gia kỹ thuật môi trường và hóa học xanh cần nghiên cứu cố định cụm Fe/S lên các chất mang rắn như vật liệu silica xốp (SBA-15) hoặc hạt nano từ tính (Fe3O4), giảm thiểu lượng dung môi DMSO xuống dưới 1.5 mL trên mỗi mmol sản phẩm trong giai đoạn 2024-2025.
  • Sàng lọc hoạt tính sinh học chuyên sâu: Viện nghiên cứu dược liệu và các doanh nghiệp dược phẩm cần phối hợp thực hiện thử nghiệm hoạt tính sinh học in vitro kháng tế bào ung thư và ức chế enzyme VEGFR-2 trên 10 dẫn xuất 2-aminobenzoxazole mới tổng hợp trong vòng 18 tháng để xác định các ứng viên tiền dược chất tiềm năng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nhiều giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa hữu cơ, Kỹ thuật Hóa học: Tài liệu cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết, thông số tối ưu hóa phản ứng xúc tác Fe/S và phương pháp phân tích phổ NMR, HRMS chuẩn mực cho việc thiết kế các đề tài nghiên cứu dị vòng.
  • Các nhà nghiên cứu và kỹ sư R&D trong ngành Hóa Dược: Cung cấp chiến lược mới để tổng hợp nhanh các thư viện phân tử 2-aminobenzoxazole kháng viêm, ức chế thụ thể VEGFR-2 và ChemR23, giúp rút ngắn từ 2 đến 3 bước phản ứng so với lộ trình tổng hợp thông thường.
  • Kỹ sư công nghệ hóa chất và chuyên gia hóa học xanh: Tham khảo giải pháp tận dụng lưu huỳnh nguyên tố - một phế phẩm công nghiệp giá rẻ có sản lượng hơn 70 triệu tấn/năm - nhằm thay thế các chất khử độc hại và giảm thiểu gánh nặng xử lý chất thải.
  • Giảng viên đại học chuyên ngành Hóa học: Tài liệu là nguồn học liệu tham khảo giá trị cho các bài giảng chuyên đề về xúc tác sinh học mô phỏng (biomimetic catalysis), hóa học các hợp chất dị vòng và kỹ thuật phân tích cấu trúc hữu cơ nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

Vai trò chính của lưu huỳnh nguyên tố trong phản ứng này là gì?

Lưu huỳnh nguyên tố đóng vai trò kép: thứ nhất, kết hợp với muối sắt để tạo thành cụm xúc tác Fe/S có khả năng truyền nhận electron linh hoạt; thứ hai, đóng vai trò như tác nhân khử bổ sung để chuyển hóa nhóm nitro của o-nitrophenol thành dạng amine hoạt động. Khi không có lưu huỳnh, hiệu suất chỉ đạt 8% so với trên 85% khi có mặt lưu huỳnh.

Tại sao nghiên cứu lại chọn o-nitrophenol thay cho o-aminophenol?

Dẫn xuất o-aminophenol truyền thống rất kém bền, dễ bị sẫm màu và phân hủy do oxy hóa bởi không khí, đồng thời giá thành cao hơn. Việc sử dụng trực tiếp o-nitrophenol giúp loại bỏ bước khử riêng biệt trước đó, tiết kiệm khoảng 30% đến 40% chi phí hóa chất và rút ngắn thời gian quy trình tổng hợp.

Hệ xúc tác Fe/S cluster hoạt động theo cơ chế nào?

Cụm Fe/S hoạt động dựa trên sự thay đổi trạng thái oxy hóa linh hoạt giữa các tâm Fe(II) và Fe(III) kết nối qua cầu nối lưu huỳnh. Hệ này nhận electron từ phản ứng oxy hóa của đối tác và truyền có chọn lọc sang nhóm nitro, tạo ra các chất trung gian nitroso và hydroxylamine trước khi thực hiện đóng vòng tạo 2-aminobenzoxazole.

Phản ứng có tương thích với các nhóm thế nhạy cảm trên vòng benzen không?

Quy trình có độ dung nạp nhóm chức rất cao. Thực nghiệm chứng minh phản ứng diễn ra êm dịu và cho hiệu suất tốt (50% - 88%) với nhiều nhóm chức nhạy cảm như cyano (-CN), nitro (-NO2), trifluoromethyl (-CF3), sulfonyl (-SO2Me), amine bậc hai cũng như các vòng dị diện pyrrole và pyridine.

Khả năng ứng dụng và mở rộng quy mô của quy trình ra sao?

Quy trình đã được kiểm chứng thành công ở quy mô 1.0 mmol trong điều kiện phòng thí nghiệm với hiệu suất phân lập N-phenylbenzo[d]oxazol-2-amine đạt trên 78%. Quy trình sử dụng các tiền chất sẵn có, xúc tác Fe(acac)3 giá rẻ và bazơ NaOH thông dụng, tạo tiền đề thuận lợi để triển khai ở quy mô pilot lớn hơn.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công phương pháp mới tổng hợp trực tiếp khung 2-aminobenzoxazole từ o-nitrophenol và aryl isothiocyanate, khắc phục hoàn toàn nhược điểm của phương pháp truyền thống dùng o-aminophenol.
  • Hệ xúc tác Fe(acac)3 kết hợp lưu huỳnh nguyên tố và NaOH trong dung môi DMSO thể hiện hoạt tính vượt trội, nâng hiệu suất phản ứng từ 8% lên trên 85%.
  • Nghiên cứu đã mở rộng thành công thư viện cấu trúc với hơn 15 dẫn xuất 2-aminobenzoxazole đa dạng nhóm thế, trong đó có nhiều hợp chất lần đầu tiên được tổng hợp và công bố cấu trúc phổ đầy đủ.
  • Quy trình đã được thẩm định độ tin cậy qua phản ứng mở rộng quy mô 1.0 mmol và làm sáng tỏ cơ chế xúc tác thông qua hoạt động của cụm Fe/S sinh học mô phỏng.
  • Kế hoạch tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới là phát triển quy trình trên hệ vi dòng chảy liên tục và thử nghiệm hoạt tính ức chế enzyme VEGFR-2 trên các dòng tế bào đích.

Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến việc hợp tác phát triển quy trình hoặc thử nghiệm hoạt tính sinh học của các dẫn xuất 2-aminobenzoxazole có thể kết nối trực tiếp với nhóm nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-TP.HCM để thúc đẩy ứng dụng thực tiễn.