CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Khái quát về hợp chất flavonoid Flavonoid là nhóm các hợp chất polyphenol có khung chung là C6-C3-C6 gồm 02 vòng thơm (vòng A và B) được liên kết với nhau bởi dị vòng 03 carbon (vòng C). Flavonoid là nhóm các hợp chất tự nhiên được tìm thấy trong hầu hết các loài thực vật, chúng có vai trò quan trọng đối với sự tăng trưởng, bảo vệ và phát triển của thực vật. Các tính chất đặc biệt hơn cả của các flavonoid là lợi ích đối với sức khỏe con người và hiện được coi là thành phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng như mỹ phẩm, y học và dược phẩm.
Điều này là do chúng có khả năng điều chỉnh hoạt động của các enzyme và ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của các tế bào, chúng có thể chống độc gan, kháng oxy hóa, kháng viêm và thậm chí ngăn ngừa ung thư [1]. Các dẫn xuất flavonoid phổ biến Dựa vào các nhóm chức gắn vào vòng C, flavonoid được chia thành các phân nhóm như: flavanone, flavone, flavonol, isoflavone, anthocyanin, chalconoid,. Khái quát về các dẫn xuất chalconoid Chalcone (C15H12O) là một ketone thơm có danh pháp IUPAC là 1,3-diphenyl-2-propen-1-one. Chalcone là một loại flavonoid dạng mở, cấu trúc cơ bản 1 gồm 02 vòng thơm (vòng A và vòng B) được nối với nhau bởi cầu nối 03 carbon α,β và carbonyl không bão hòa.
Trên 02 vòng thơm có thể gắn nhiều nhóm thế đa dạng như amino, hydroxyl, methoxyl tạo thành các dẫn xuất chalconoid (Hình 1. Trong tự nhiên, các dẫn xuất chalconoid phân bố rộng khắp trong các bộ phận thực vật như lá, hoa, trái cây, rễ và thân. Chalconoid là tiền chất giúp sinh tổng hợp các hợp chất quan trọng như flavonoid và isoflavonoid ở thực vật hoặc có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm [5, 6]. Khung sườn cơ bản của chalconoid Với các hoạt tính sinh học đa dạng, chalconoid đã trở thành đối tượng ngày càng được quan tâm.
Theo nhiều báo cáo đã được công bố, ghi nhận khả năng ngăn ngừa sự phát triển tế bào ung thư, kháng sốt rét, kháng khuẩn, kháng viêm, kháng ký sinh trùng, kháng virus, kháng oxy hóa của các dẫn xuất chalconoid [7-10]. Ngoài ra, chalconoid còn được sử dụng trong sản xuất mỹ phẩm, chất tạo màu thực phẩm, thuốc nhuộm và thuốc diệt côn trùng [9]. Tùy thuộc vào nhóm thế trên 02 vòng thơm mà chalconoid thể hiện các hoạt tính sinh học khác nhau [11]. Khái quát về các dẫn xuất flavonol Các dẫn xuất flavonol là một phân nhóm nhỏ của flavonoid, có trong nhiều loại trái cây và rau quả.
Tương tự các dẫn xuất flavone, cấu trúc của các dẫn xuất flavonol cũng chứa nhóm ketone ở vị trí số 4, một liên kết đôi ở vị trí 2 và 3 trên vòng C. Tuy nhiên, các dẫn xuất flavonol còn mang một nhóm hydroxyl tại vị trí số 3 do đó còn được gọi là các dẫn xuất 3-hydroxyflavone (Hình 1. Chúng được biết đến là chất có khả năng loại bỏ các gốc tự do mạnh mẻ, các dẫn xuất flavonol trong tự nhiên có hoạt tính sinh học được nghiên cứu nhiều nhất là quercetin, 2 kaempferol và icaritin. Các dẫn xuất flavonol đã được nghiên cứu về tiềm năng ứng dụng của chúng trong y học gồm khả năng kháng oxy hóa, kháng khuẩn, kháng virus, phòng ngừa và và điều trị các bệnh mãn tính, bệnh tim mạch, tiểu đường, ung thư [1, 12].
Quercetin và kaempferol ức chế sự hình hành tế bào ung thư ở cả tế bào ung tuyến tiền liệt và ung thư vú [13]. Năm 2015, kết quả nghiên cứu của Zhao và cộng sự cho thấy icaritin ức chế sự phát triển của các tế bào ung thư biểu mô tế bào gan (HCC) [14]. Khung sườn cơ bản của flavonol 1. Phương pháp tổng hợp các dẫn xuất chalconoid Chalconoid là chất trung gian để tổng hợp các hợp chất có dược tính hữu ích.
Do cấu trúc đơn giản, hoạt tính sinh học đa dạng nên việc tổng hợp các dẫn xuất chalconoid vẫn đang được quan tâm và thực hiện. Nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã báo cáo về việc tổng hợp các dẫn xuất chalconoid bằng các phương pháp như: phương pháp ngưng tụ Claisen-Schmidt với xúc tác acid hoặc base [15], phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt bằng phương pháp nghiền phi dung môi với xúc tác base, phản ứng Suzuki, phản ứng Wittig, phản ứng acyl hóa Friedel-Crafts, chiếu xạ vi sóng, chiếu xạ siêu âm [16]. Mặc dù có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp chalconoid nhưng phương pháp thuận tiện và phổ biến nhất là phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt. Đây là phản ứng có quy trình đơn giản, dễ thực hiện, hiệu suất tốt và ít sản phẩm phụ hơn so với các phương pháp thông thường khác [17].
Chính vì những lý do này, phương pháp ngưng tụ Claisen- Schmidt trong điều kiện có dung môi với xúc tác base được lựa chọn để tổng hợp các dẫn xuất chalconoid trong phạm vi nghiên cứu này. Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong điều kiện dung môi với xúc tác acid/base Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt đã được phát hiện hơn 140 năm về sự ngưng tụ aldol chéo giữa aldehyde và ketone khi có xúc tác base hoặc acid. Phản ứng này có quy trình đơn giản để điều chế các dẫn xuất chalconoid, trong đó các dẫn xuất acetophenone và benzaldehyde thực hiện ghép cặp C − C thông qua xúc tác là acid hoặc base, tạo thành cầu nối không bão hòa giữa 02 vòng thơm bằng cách tách nước. Phản ứng thường được thực hiện với xúc tác acid hoặc base trong dung môi phân cực như methanol, ethanol hoặc dichloromethane ở 50 − 100 C trong vài giờ, lượng benzaldehyde thường sử dụng với lượng dư (Hình 1.
Các chất xúc tác thường được sử dụng như KOH, NaOH, K2CO3, Ba(OH)2, HCl, H2SO4, SOCl2 [18]. Phản ứng ngưng tụ aldol trải qua 02 quá trình chính, hình thành enolate đối với xúc tác base và hình thành enol đối với xúc tác acid, cuối cùng là tách nước để tạo thành chalconoid [18]. Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt 1. Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt với xúc tác base Chất xúc tác base thường được sử dụng nhiều nhất để tổng hợp các dẫn xuất chalconoid bằng phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt là NaOH, KOH do dễ tìm và hiệu quả [19].
Các dẫn xuất acetophenone đóng vai trò là một tác nhân nucleophile, còn các dẫn xuất benzaldehyde là tác nhân electrophile. Bản chất và vị trí các nhóm thế trên vòng thơm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng phản ứng. Các nhóm hydroxyl tự do có tính acid yếu của tác chất hydroxyacetophenone trong môi trường base sẽ tạo thành dạng phenolate có tính ái nhân, có thể cạnh tranh với tâm ái nhân carbanion ở vị trí C, do đó làm giảm hiệu suất 4 tổng hợp. Các nhóm thế trên vòng thơm của dẫn xuất benzaldehyde có thể có hiệu ứng hút hay đẩy điện tử, từ đó gây ảnh hưởng đến mật độ điện tích trên carbon của nhóm carbonyl.
Nếu là các nhóm thế rút điện tử (-Cl, -Br, -NO2,…) thì mật độ điện tích trên carbon carbonyl giảm nên enolate dễ tấn công vào tạo thành phản ứng ghép cặp và có thể tăng hiệu suất phản ứng. Ngược lại, các nhóm thế đẩy điện tử (-OH, -NH2, -OCH3,…) ở vị trí ortho, para sẽ làm giảm tính ái điện tử của nhóm carbonyl do hiệu ứng cộng hưởng, làm giảm hiệu suất tổng hợp chalconoid [20]. Nhược điểm của phương pháp này là tốc độ phản ứng chậm, tạo sản phẩm phụ và tác chất ban đầu còn dư nhiều. Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong điều kiện dung môi với xúc tác base diễn ra theo các giai đoạn sau (Hình 1.
Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong điều kiện dung môi với xúc tác base 5 Giai đoạn 01: Trong môi trường base, dẫn xuất acetophenone sẽ tách loại H để hình thành carbanion (enolate), lúc này enolate đóng vai trò như một nucleophile. Giai đoạn 02: Tạo chất trung gian β-hydroxyketone thông qua phản ứng cộng nucleophile của carbanion vào nhóm carbonyl của dẫn xuất benzaldehyde. Giai đoạn 03: Cuối cùng là sự tách loại phân tử nước của hydroxy ketone tạo thành chalconoid. Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt với xúc tác acid Hoạt tính đa dạng của chalconoid phần lớn phụ thuộc vào số lượng và vị trí của nhóm hydroxyl, methoxyl và các nhóm thế khác trên cả hai vòng A và B.
Tuy nhiên, trong môi trường base dẫn xuất bezaldehyde chứa nhóm hydroxyl trên vòng thơm sẽ cản trở phản ứng aldol, làm giảm hiệu suất ngưng tụ do sự hình thành dạng phenoxide [11]. Vì vậy, cần phải sử dụng các nhóm bảo vệ tronng quá trình điều chế hydroxychalconoid với xúc tác base để ngăn chặn sự hình thành ion phenoxide. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng xúc tác acid như HCl, AlCl3, H2SO4, nhưng cũng gặp nhiều khó khăn như hiệu suất thấp, điều kiện phản ứng khắc nghiệt và gây ảnh hưởng đến môi trường [11]. Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong điều kiện dung môi với xúc tác acid diễn ra theo các giai đoạn sau (Hình 1.6) [15]: Giai đoạn 01: Trong môi trường acid, phản ứng bắt đầu bằng cách proton hóa ketone (nhóm chức carbonyl), sau đó tách proton từ carbon của ketone thành dạng enol hoạt động.
Giai đoạn 02: Enol tấn công vào nhóm carbonyl bị proton hóa của dẫn xuất benzaldehyde tạo sản phẩm trung gian. Sau đó, xảy ra sự chuyển vị proton đến nhóm hydroxyl. Giai đoạn 03: Xảy ra sự tautomer hóa giữa dạng enol và ketone. Enol có thể chuyển vị trở lại dạng ketone ban đầu.
6 Giai đoạn 04: Xảy ra quá trình tách nước và loại proton để tạo thành cầu nối 03 carbon αβ và carbonyl không bão hòa, hình thành sản phẩm cuối cùng là chalconoid. Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong điều kiện dung môi với xúc tác acid 1. Phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt trong điều kiện phi dung môi với xúc tác base Ngày nay, vấn đề môi trường ngày càng được quan tâm, trong đó có ngành công nghiệp hóa chất về việc phát triển các sản phẩm và quy trình thân thiện với môi trường dựa trên nguyên tắc “Hóa học xanh”. Phương pháp tổng hợp phi dung môi ra đời nhằm hạn chế các chất thải độc hại ra môi trường, chẳng hạn như dung môi hữu cơ.
7 Phương pháp tổng hợp chalconoid mới đã được báo cáo bởi Toda và cộng sự bằng phương pháp nghiền trong điều kiện phi dung môi, dựa trên cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt với sự có mặt của chất xúc tác NaOH rắn. Theo báo cáo này, các chalconoid đã được tổng hợp bằng cách nghiền hỗn hợp gồm gồm methyl ketone, các dẫn xuất benzaldehyde và NaOH rắn với điều kiện phi dung môi trong cối thạch anh ở nhiệt độ phòng. Nghiền trong khoảng 8 − 15 phút thu được khối chất rắn màu vàng và được chứng minh là chalconoid.