Nghiên cứu tổng hợp beta-amino alcohol có hoạt tính sinh học

• Tác giả: Đỗ Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Đào Huy Toàn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dược
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Các Beta-amino Alcohol Có Hoạt Tính Sinh Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan về β-amino alcohol
• 1.2. Hoạt tính sinh học của β-amino alcohol
• 1.3. Một vài β-amino alcohol đã được dùng làm thuốc
• 1.4. Tổng quan về phương pháp sàng lọc ảo
• 1.4.1. Phương pháp sàng lọc ảo
• 1.4.2. Quy trình sàng lọc ảo bằng phương pháp ghép nối phân tử
• 1.5. Tổng hợp β-amino alcohol
• 1.5.1. Phương pháp tổng hợp β-amino alcohol
• 1.5.2. Các β-amino alcohol được tổng hợp trong đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Dụng cụ và hóa chất
• 2.2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân một chiều và hai chiều
• 2.3. Phổ GC-MS
• 2.4. Phổ khối phân giải cao dạng ESI/TOF-MS
• 2.5. Điểm nóng chảy đo trên máy Electrothermal 1101D
• 2.6. Hóa chất
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về tổng hợp beta amino alcohol có hoạt tính sinh học

Tổng hợp beta-amino alcohol là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong hóa học hữu cơ, đặc biệt là trong phát triển dược phẩm. Các hợp chất này không chỉ có vai trò trong việc điều trị các bệnh lý tim mạch mà còn thể hiện nhiều hoạt tính sinh học khác. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng beta-amino alcohol có thể hỗ trợ điều trị ung thư và kháng viêm. Việc tổng hợp các hợp chất này thường sử dụng các phương pháp hóa học hiện đại nhằm đảm bảo độ tinh khiết và hoạt tính sinh học cao.

1.1. Định nghĩa và cấu trúc của beta amino alcohol

Beta-amino alcohol là các hợp chất có chứa nhóm hydroxyl và amino trên khung alkane. Chúng thường được sử dụng như là các beta-blocker trong điều trị bệnh tim mạch. Cấu trúc của chúng cho phép tương tác với các thụ thể trong cơ thể, từ đó phát huy tác dụng sinh học.

1.2. Vai trò của beta amino alcohol trong y học

Các beta-amino alcohol đã được chứng minh có hiệu quả trong việc điều trị nhiều bệnh lý, bao gồm bệnh tim mạch và ung thư. Chúng hoạt động bằng cách ức chế các thụ thể adrenergic, từ đó giảm nhịp tim và huyết áp. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng một số hợp chất có khả năng kháng viêm và hỗ trợ điều trị ung thư.

II. Thách thức trong tổng hợp beta amino alcohol có hoạt tính sinh học

Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, việc tổng hợp beta-amino alcohol vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tinh khiết của sản phẩm, hiệu suất tổng hợp và khả năng dự đoán hoạt tính sinh học là những yếu tố cần được xem xét. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và hiệu quả hơn cũng là một thách thức lớn trong lĩnh vực này.

2.1. Độ tinh khiết và hiệu suất tổng hợp

Độ tinh khiết của các sản phẩm tổng hợp là yếu tố quan trọng quyết định hoạt tính sinh học của beta-amino alcohol. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp để đạt được độ tinh khiết cao và hiệu suất tốt là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu.

2.2. Dự đoán hoạt tính sinh học của beta amino alcohol

Dự đoán hoạt tính sinh học của các hợp chất tổng hợp là một nhiệm vụ phức tạp. Các phương pháp như ghép nối phân tử (molecular docking) được sử dụng để đánh giá khả năng tương tác của beta-amino alcohol với các thụ thể sinh học, nhưng vẫn cần nhiều nghiên cứu để cải thiện độ chính xác.

III. Phương pháp tổng hợp beta amino alcohol hiệu quả

Có nhiều phương pháp để tổng hợp beta-amino alcohol, trong đó phương pháp cộng nucleophile mở vòng epoxy bằng amine là phổ biến nhất. Phương pháp này cho phép tạo ra các hợp chất với độ tinh khiết cao và hoạt tính sinh học tốt. Việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng cũng rất quan trọng để đạt được sản phẩm mong muốn.

3.1. Quy trình tổng hợp cơ bản

Quy trình tổng hợp beta-amino alcohol thường bắt đầu bằng phản ứng giữa hợp chất phenolic và epichlorohydrin, sau đó mở vòng bằng amine. Phản ứng này cần được thực hiện trong điều kiện kiểm soát để tránh tạo ra sản phẩm phụ không mong muốn.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng và loại xúc tác có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tinh khiết của sản phẩm. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là cần thiết để đạt được các beta-amino alcohol có hoạt tính sinh học cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn của beta amino alcohol trong y học

Các beta-amino alcohol đã được ứng dụng rộng rãi trong y học, đặc biệt là trong điều trị các bệnh lý tim mạch và ung thư. Nghiên cứu cho thấy rằng một số hợp chất có khả năng kháng viêm và hỗ trợ điều trị ung thư, mở ra nhiều cơ hội mới trong phát triển dược phẩm.

4.1. Ứng dụng trong điều trị bệnh tim mạch

Nhiều beta-amino alcohol được sử dụng như là các beta-blocker trong điều trị bệnh tim mạch. Chúng giúp giảm nhịp tim và huyết áp, từ đó cải thiện tình trạng sức khỏe cho bệnh nhân.

4.2. Tiềm năng trong điều trị ung thư

Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng một số beta-amino alcohol có khả năng hỗ trợ điều trị ung thư. Chúng có thể tác động đến các thụ thể trong tế bào ung thư, từ đó ức chế sự phát triển của khối u.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu beta amino alcohol

Nghiên cứu về beta-amino alcohol có hoạt tính sinh học đang mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực dược phẩm. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả và nghiên cứu sâu hơn về hoạt tính sinh học của các hợp chất này sẽ là hướng đi quan trọng trong tương lai.

5.1. Tương lai của nghiên cứu beta amino alcohol

Với sự phát triển của công nghệ và phương pháp nghiên cứu mới, tương lai của beta-amino alcohol trong y học hứa hẹn sẽ rất tươi sáng. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và khám phá thêm các hoạt tính sinh học mới.

5.2. Định hướng phát triển dược phẩm từ beta amino alcohol

Định hướng phát triển dược phẩm từ beta-amino alcohol sẽ tập trung vào việc phát triển các hợp chất mới với hoạt tính sinh học cao hơn. Các nghiên cứu sẽ cần kết hợp giữa hóa học hữu cơ và công nghệ sinh học để đạt được những thành tựu mới.

Tổng quan nghiên cứu

β-amino alcohol là nhóm hợp chất có vai trò quan trọng trong lĩnh vực dược phẩm, đặc biệt được biết đến như các β-blocker điều trị các bệnh tim mạch như tăng huyết áp, rối loạn nhịp tim. Theo ước tính, các hợp chất này còn thể hiện nhiều hoạt tính sinh học đa dạng như hỗ trợ điều trị ung thư, kháng viêm và kháng vi sinh vật. Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá hoạt tính sinh học của β-amino alcohol có ý nghĩa lớn trong việc phát triển các thuốc mới với hiệu quả điều trị cao và độc tính thấp. Luận văn tập trung vào tổng hợp 17 hợp chất β-amino alcohol với độ tinh khiết cao, trong đó có 7 hợp chất mới, được thực hiện trong giai đoạn 2020-2022 tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Mục tiêu chính là phát triển quy trình tổng hợp hữu cơ hiệu quả, xác định cấu trúc sản phẩm bằng các phương pháp phổ hiện đại như 1H-NMR, 13C-NMR, GC-MS, HRMS, đo điểm chảy, đồng thời đánh giá hoạt tính gây độc tế bào và kháng vi sinh vật. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần mở rộng kho hợp chất β-amino alcohol có hoạt tính sinh học mà còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng các hợp chất này trong điều trị bệnh, đặc biệt là các bệnh ung thư và nhiễm khuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về cấu trúc và hoạt tính của β-amino alcohol trong vai trò β-blocker và mô hình ghép nối phân tử (molecular docking) để dự đoán hoạt tính sinh học. β-amino alcohol là các hợp chất chứa nhóm hydroxyl (-OH) và amino (-NH2, -NHR, -NR2) trên khung alkane, với nhóm hydroxyl ở vị trí β, đóng vai trò quan trọng trong tương tác với thụ thể β-adrenergic (β-AR). Các khái niệm chính bao gồm: β-AR là thụ thể protein màng thuộc họ G protein-coupled receptor (GPCR), đóng vai trò điều hòa chức năng tim; cơ chế đối kháng cạnh tranh của β-blocker với catecholamine; và các chỉ số đánh giá hoạt tính sinh học như IC50, MIC. Mô hình docking phân tử được sử dụng để mô phỏng tương tác giữa ligand (β-amino alcohol) và receptor (các protein mục tiêu như ADRB1, ADRB2, DNA topoisomerase IV, Enoyl-ACP-reductase), giúp dự đoán ái lực liên kết và vị trí tương tác quan trọng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các hợp chất β-amino alcohol được tổng hợp trong phòng thí nghiệm từ các nguyên liệu phenolic và amine, với 17 mẫu được xác định cấu trúc bằng phổ 1H-NMR, 13C-NMR, GC-MS, HRMS và đo điểm chảy. Phương pháp tổng hợp chủ yếu là phản ứng thế SN2 giữa phenolic và epichlorohydrin, tiếp theo là mở vòng oxirane bằng amine. Cỡ mẫu gồm 17 hợp chất, trong đó 7 hợp chất mới được công bố lần đầu. Phân tích hoạt tính sinh học bao gồm thử nghiệm gây độc tế bào trên 6 dòng tế bào ung thư (RD, Hep-G2, Lu, Fl, Hela, Jurkat) bằng phương pháp SRB, xác định IC50; và đánh giá hoạt tính kháng vi sinh vật trên các chủng vi khuẩn Gram âm, Gram dương và nấm men bằng phương pháp pha loãng trên phiến vi lượng 96 giếng, xác định MIC. Phương pháp docking phân tử sử dụng phần mềm MOE Dock 2015, với các protein receptor lấy từ Protein Data Bank, chuẩn bị ligand và receptor qua các bước tối ưu cấu trúc và loại bỏ phân tử không mong muốn. Timeline nghiên cứu kéo dài gần hai năm, từ 2020 đến 2022, bao gồm tổng hợp, xác định cấu trúc, thử nghiệm hoạt tính và phân tích docking.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công 17 β-amino alcohol với hiệu suất tổng hợp dao động từ 30% đến 64%, trong đó 7 hợp chất hoàn toàn mới được công bố lần đầu. Ví dụ, hợp chất 1b đạt hiệu suất 64%, 2b đạt 56%, và 5a đạt hiệu suất 44%. Các sản phẩm được xác định cấu trúc chính xác bằng phổ 1H-NMR, 13C-NMR, GC-MS và HRMS.

2. Hoạt tính gây độc tế bào: Các hợp chất từ 1b đến 4d không thể hiện hoạt tính gây độc trên 6 dòng tế bào ung thư kiểm định (CS% > 50%). Ngược lại, hai hợp chất bán tổng hợp 5a và 5b có hoạt tính gây độc tế bào đáng kể với IC50 trên Hep-G2 lần lượt là khoảng 3 µg/mL, cao hơn 3.1 lần và 4.7 lần so với hợp chất gốc. Hoạt tính trên các dòng tế bào khác như Hela, LU, Jurkat, SW 480 và MCF-7 cũng vượt trội so với chất chuẩn ellipticine.

3. Hoạt tính kháng vi sinh vật: 7 trong 16 hợp chất thể hiện khả năng kháng từ 1 đến 5 chủng vi sinh vật kiểm định. Hợp chất 5a có hoạt tính kháng mạnh nhất, ức chế được cả vi khuẩn Gram âm (Pseudomonas aeruginosa), Gram dương (Staphylococcus aureus) và nấm men (Candida sp.). Các dẫn xuất piperazine (1b, 1d) và coumarin (4b, 4d) cũng thể hiện hoạt tính kháng vi sinh vật đáng kể với MIC thấp.

4. Kết quả docking phân tử: Hợp chất 5a và 5b có docking score tốt nhất với các protein mục tiêu ADRB1, ADRB2, DNA topoisomerase IV và Enoyl-ACP-reductase, với giá trị docking score lần lượt đạt -9.034 kcal/mol và -9.408 kcal/mol cho ADRB1 và ADRB2, và -6.755 kcal/mol cho DNA topoisomerase IV. Các hợp chất chứa nhóm 2-OH piperazine cũng cho điểm docking cao nhờ cấu trúc cồng kềnh và khả năng tạo liên kết với amino acid quan trọng.

Thảo luận kết quả

Kết quả tổng hợp cho thấy phương pháp cộng nucleophile mở vòng oxirane là hiệu quả trong việc tạo ra các β-amino alcohol với độ tinh khiết cao và hiệu suất chấp nhận được. Hoạt tính gây độc tế bào thấp của phần lớn hợp chất gốc phản ánh tính an toàn, trong khi các hợp chất bán tổng hợp từ nguyên liệu tự nhiên như murrayafoline A và indirubin (5a, 5b) thể hiện hoạt tính sinh học vượt trội, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tính an toàn và hiệu quả của các hợp chất này. Hoạt tính kháng vi sinh vật tốt của các dẫn xuất coumarin và piperazine phù hợp với các báo cáo trước đó về khả năng kháng khuẩn của các nhóm này. Kết quả docking phân tử hỗ trợ giải thích cơ chế tương tác giữa β-amino alcohol và các protein mục tiêu, cho thấy nhóm hydroxyl tại vị trí β đóng vai trò then chốt trong liên kết với các amino acid quan trọng, đồng thời cấu trúc phức tạp của phần phenyl và amine giúp tăng ái lực liên kết. Biểu đồ so sánh docking score và IC50 có thể minh họa mối tương quan giữa cấu trúc phân tử và hoạt tính sinh học, giúp định hướng thiết kế các hợp chất mới.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển các hợp chất bán tổng hợp từ nguyên liệu tự nhiên: Tập trung nghiên cứu sâu hơn các hợp chất như 5a và 5b có hoạt tính sinh học cao, nhằm tối ưu hóa cấu trúc để nâng cao hiệu quả điều trị và giảm độc tính. Thời gian thực hiện trong 2-3 năm, do các viện nghiên cứu dược phẩm và trường đại học chủ trì.

2. Mở rộng thử nghiệm hoạt tính kháng vi sinh vật: Thực hiện đánh giá trên nhiều chủng vi sinh vật đa dạng hơn, đặc biệt các chủng kháng thuốc, nhằm xác định tiềm năng ứng dụng trong điều trị nhiễm khuẩn. Thời gian 1-2 năm, phối hợp với các phòng thí nghiệm vi sinh.

3. Ứng dụng phương pháp docking phân tử trong thiết kế thuốc: Sử dụng kết quả docking để thiết kế và tổng hợp các dẫn xuất mới có ái lực cao hơn với các protein mục tiêu, giảm thiểu tác dụng phụ. Thời gian 1-2 năm, do nhóm nghiên cứu hóa dược và tin sinh học thực hiện.

4. Nghiên cứu cơ chế tác động sinh học chi tiết: Tiến hành các thử nghiệm sinh học phân tử và in vivo để làm rõ cơ chế hoạt động của các hợp chất có hoạt tính, đặc biệt là các hợp chất bán tổng hợp. Thời gian 3 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu ung thư và dược lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu hóa dược và tổng hợp hữu cơ: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp chi tiết và phương pháp xác định cấu trúc hiện đại, giúp phát triển các hợp chất mới có hoạt tính sinh học.

2. Chuyên gia dược lý và sinh học phân tử: Thông tin về hoạt tính gây độc tế bào, kháng vi sinh vật và kết quả docking phân tử hỗ trợ nghiên cứu cơ chế tác động và phát triển thuốc.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật hóa dược, hóa học: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, phân tích và đánh giá hoạt tính sinh học, đồng thời áp dụng công nghệ sàng lọc ảo.

4. Doanh nghiệp dược phẩm và công ty nghiên cứu phát triển thuốc: Cơ sở khoa học để phát triển các sản phẩm thuốc mới dựa trên β-amino alcohol, đặc biệt trong lĩnh vực điều trị ung thư và nhiễm khuẩn.

Câu hỏi thường gặp

1. β-amino alcohol là gì và tại sao chúng quan trọng trong dược phẩm?
   β-amino alcohol là hợp chất chứa nhóm hydroxyl và amino trên khung alkane, đóng vai trò làm β-blocker điều trị bệnh tim mạch và có nhiều hoạt tính sinh học khác như kháng ung thư, kháng vi sinh vật. Chúng là tiền đề cho nhiều thuốc điều trị hiện đại.

2. Phương pháp tổng hợp β-amino alcohol trong nghiên cứu này là gì?
   Phương pháp chính là phản ứng thế SN2 giữa phenolic và epichlorohydrin tạo sản phẩm trung gian, sau đó mở vòng oxirane bằng amine để tạo β-amino alcohol. Phương pháp này cho hiệu suất từ 30% đến 64% và độ tinh khiết cao.

3. Các hợp chất tổng hợp có hoạt tính sinh học như thế nào?
   Phần lớn hợp chất gốc không gây độc tế bào, trong khi các hợp chất bán tổng hợp từ nguyên liệu tự nhiên như 5a và 5b thể hiện hoạt tính gây độc tế bào mạnh trên nhiều dòng ung thư và hoạt tính kháng vi sinh vật đa dạng với MIC thấp.

4. Phương pháp docking phân tử được áp dụng ra sao?
   Docking sử dụng phần mềm MOE Dock để mô phỏng tương tác giữa ligand và protein mục tiêu, đánh giá ái lực liên kết qua docking score, binding energy và RMSD, giúp dự đoán hoạt tính sinh học và hướng dẫn thiết kế thuốc.

5. Luận văn có đề xuất gì cho nghiên cứu tiếp theo?
   Luận văn khuyến nghị phát triển các hợp chất bán tổng hợp có hoạt tính cao, mở rộng thử nghiệm kháng vi sinh vật, ứng dụng docking trong thiết kế thuốc và nghiên cứu cơ chế tác động chi tiết để nâng cao hiệu quả và an toàn của thuốc.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công 17 hợp chất β-amino alcohol với 7 hợp chất mới, sử dụng phương pháp cộng nucleophile mở vòng oxirane hiệu quả.
• Các hợp chất bán tổng hợp từ nguyên liệu tự nhiên (5a, 5b) thể hiện hoạt tính gây độc tế bào và kháng vi sinh vật vượt trội so với hợp chất gốc.
• Kết quả docking phân tử cho thấy nhóm hydroxyl tại vị trí β và cấu trúc phức tạp của phenyl, amine đóng vai trò quan trọng trong tương tác với protein mục tiêu.
• Hoạt tính kháng vi sinh vật tốt của các dẫn xuất coumarin và piperazine mở ra tiềm năng ứng dụng trong điều trị nhiễm khuẩn.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp theo tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc, mở rộng thử nghiệm sinh học và ứng dụng công nghệ sàng lọc ảo để phát triển thuốc mới.

Luận văn cung cấp nền tảng khoa học vững chắc cho việc phát triển các β-amino alcohol có hoạt tính sinh học đa dạng, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị và an toàn cho người bệnh. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm được khuyến khích tiếp tục khai thác và ứng dụng kết quả này trong thực tiễn.