CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Khái quát Chalcone (C 15H12O, danh pháp IUPAC: 1,3-diphenyl-2-propen-1-one) là một ketone thơm có cấu tạo từ hai vòng thơm liên kết với nhau thông qua cầu nối ba carbon gồm và carbonyl không bão hòa (Hình 1. Chalconoid là các dẫn xuất của chalcone mang các nhóm thế khác nhau như –OH , –OCH3, glycoside trên hai vòng thơm. Chúng được tìm thấy nhiều trong rễ, lá, trái của các loài thực vật và có các hoạt tính sinh học tiềm năng trong lĩnh vực dược học như khả năng ức chế tế bào ung thư, gây độc tế bào, kháng oxy hóa, kháng viêm, … [1, 2] Hình 1.
Công thức cấu tạo của chalcone Các dẫn xuất chalconoid thường được tổng hợp thông qua phản ứng ngưng tụ Claisen– Schmidt với xúc tác acid/base [3, 4], hỗ trợ chiếu xạ vi sóng [5], hỗ trợ chiếu xạ siêu âm [6],… Trong đó, phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt là một phương pháp phổ biến với mục đích tổng hợp các dẫn xuất chalconoid vì tính đơn giản và tiết kiệm hơn so với các phương pháp khác. Bên cạnh đó, để đáp ứng các nhu cầu về hóa học xanh, các nghiên cứu về xúc tác phản ứng hỗ trợ chiếu xạ vi sóng hay chiếu xạ siêu âm đang dần được quan tâm rộng rãi nhờ vào môi trường tổng hợp phi dung môi, do đó sẽ giảm thiểu lượng hóa chất thải ra môi trường. Một nghiên cứu để tối ưu hóa điều kiện phản ứng các dẫn xuất chalconoid cho thấy khi sử dụng xúc tác I2/Al 2O3 trong điều kiện chiếu xạ vi sóng cho hiệu suất tổng hợp từ 79 – 95% [5]. Một nghiên cứu khác của Manef Chtourou và cộng sự cho hiệu suất tổng hợp các dẫn xuất chalconoid từ 80 – 96% sử dụng xúc tác đất sét KSF dưới sự hỗ trợ của kỹ thuật chiếu xạ siêu âm [6].
1 Các dẫn xuất 2-hydroxychalconoid đang được quan tâm nghiên cứu như một tiền chất để tổng hợp các dẫn xuất flavonoid. Khung sườn cơ bản của flavonoid bao gồm 15 carbon, có khung chung là C6–C3–C6 gồm 2 vòng thơm A và B liên kết với nhau thông qua dị vòng C. Các dẫn xuất flavonoid được phân loại dựa trên sự thay đổi liên kết trên vòng C bao gồm flavanone, flavonol, flavone,. Các dẫn xuất flavonoid phổ biến Các dẫn xuất flavonoid được biết đến với các hoạt tính kháng ung thư, kháng oxy hóa, kháng viêm và là một chức ức chế mạnh đối với các enzyme như –glucosidase, – amylase, xanthine oxidase, … [7-9].
Tại Việt Nam, một số dẫn xuất chalconoid đã được tổng hợp trong một nghiên cứu sử dụng phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt và được thử nghiệm độc tính trên 3 tế bào ung thư. Hiệu suất tổng hợp dao động từ 70 – 90% và 2 dẫn xuất trong số đó có hoạt tính kháng dòng tế bào ung thư Hep–G2 tốt với giá trị IC50 lần lượt là 10,46 0,09 μg/mL và 6,82 0,21 μg/mL [10]. Một nghiên cứu khác đã chứng minh được tiềm năng của các hợp chất chalconoid để thiết kế và phát triển thành thuốc với khả năng kháng ký sinh trùng, kháng virus, kháng vi khuẩn, kháng nấm, kháng ung thư [11]. Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Văn Sơn và cộng sự đã cho thấy tiềm năng của các dẫn xuất flavone 2 như một chất ức chế tăng sinh trên dòng tế bào ung thư Hela.
11 dẫn xuất flavone đã được tổng hợp và thử hoạt tính, 03 dẫn xuất trong số đó thể hiện tiềm năng ức chế tốt hơn các hoạt động của cis–Platin – một chất đối chứng dương [12]. Phương pháp tổng hợp chalconoid Dựa trên việc biến đổi khung sườn cơ bản của chalcone cho phép tạo nên nhiều dẫn xuất chalconoid với các nhóm thế khác nhau với các hoạt tính sinh học đáng mong chờ. Hiện nay, nhiều phương pháp tổng hợp đã được nghiên cứu và báo cáo với mục đích nâng cao hiệu suất và tính chọn lọc bằng cách thay đổi kỹ thuật, điều kiện phản ứng và xúc tác sử dụng. Phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt Phương pháp tổng hợp theo phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt là một phương pháp phổ biến trong tổng hợp hợp chất hữu cơ nhờ vào tính đơn giản trong quy trình tổng hợp.
Phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt có thể được thực hiện trong các điều kiện phản ứng khác nhau như sự ngưng tụ dẫn xuất acetophenone và benzaldehyde trong dung môi phân cực ở điều kiện 50 – 100 °C trong vài giờ sử dụng xúc tác acid hoặc base [13]. Một loạt các dẫn xuất chalconoid chứa fluorine đã được tổng hợp và báo cáo sử dụng phương pháp ngưng tụ Claisen–Schmidt cho hiệu suất trong khoảng 80 – 90% [3]. Phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt với xúc tác acid/base 1. Phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt với xúc tác acid/base trong điều kiện có dung môi Trong phương pháp này, dẫn xuất acetophenone và dẫn xuất benzaldehyde sẽ thông qua quá trình ghép cặp C–C sử dụng các xúc tác acid hoặc base.
Trong điều kiện xúc tác base, dẫn xuất chalconoid được hình thành từ sản phẩm trung gian là aldol thông qua cơ chế tách nước của enolate. Trong khi đó, với sự hiện diện của xúc tác acid, sản phẩm được hình thành từ cơ chế enol. 3 Trong môi trường base, dẫn xuất acetophenone sẽ tách loại H để tạo thành carbanion là một tác nhân nucleophile. Tiếp đến, carbanion này sẽ tấn công vào nhóm chức carbonyl của dẫn xuất benzaldehyde để hình thành sản phẩm trung gian là –hydroxy ketone.
Cuối cùng là sự tách loại phân tử nước của hydroxy ketone để tạo thành dẫn xuất chalconoid. Cơ chế phản ứng được biểu diễn trong Hình 1. Việc thay đổi các nhóm thế mang tính hút hay đẩy điện tử trên dẫn xuất benzaldehyde sẽ ảnh hưởng đến mật độ điện tích trên carbon carbonyl dẫn đến làm tăng hay giảm hiệu suất tổng hợp. Bên cạnh đó, sự xuất hiện của nhóm thế –OH trên dẫn xuất benzaldehyde có thể mang lại hiệu suất kém hơn do sự hình thành dạng phenoxide.
Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt xúc tác base Trong môi trường acid, cơ chế phản ứng được biểu diễn trong Hình 1. Đầu tiên là sự proton hóa ketone, tiếp đến là sự tách loại proton để hình thành enol. Tác nhân ái nhân enol sẽ tiếp tục tấn công vào nhóm carbonyl của dẫn xuất benzaldehyde tạo sản phẩm trung gian. Tiếp đến là sự tách loại nước và tạo thành chalconoid.
Phản ứng thông thường 4 được thực hiện sử dụng xúc tác acid HCl trong dung môi ethanol, tuy nhiên hiệu suất khá thấp chỉ nằm trong khoảng 10 – 40% [14]. Một nghiên cứu khác sử dụng xúc tác acid Lewis BF3–Et2O trong khoảng 3 giờ phản ứng cho hiệu suất tổng hợp trong khoảng 75 – 95% [15]. Cơ chế phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt xúc tác acid 1. Phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt với xúc tác rắn trong điều kiện phi dung môi Thông thường, phản ứng ngưng tụ Claisen–Schmidt được tiến hành trong dung môi EtOH hay MeOH, tuy nhiên, một số nghiên cứu sử dụng xúc tác rắn đã được tiến hành.
Cụ thể, với xúc tác rắn được sử dụng là triphenylmethyl chloride, dẫn xuất acetophenone được hấp phụ lên xúc tác và sau đó được phản ứng với tác chất benzaldehyde [16]. Hỗn 5 hợp sau đó được xử lý với trifluoroacetic acid để giải hấp. Ưu điểm của việc sử dụng xúc tác này là không có sản phẩm phụ bởi khả năng phản ứng tức thì. Tổng hợp chalconoid dưới sự hỗ trợ của microwave Bên cạnh đó, để phù hợp với tiêu chí của “Hóa học xanh”, các phương pháp tổng hợp phi dung môi đang dần được nghiên cứu rộng rãi.
Trong đó, phải kể đến phương pháp tổng hợp hỗ trợ chiếu xạ vi sóng hay chiếu xạ siêu âm sử dụng các xúc tác rắn như I2/Al 2O3 [5], đất sét KSF [6],…Ưu điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng ngắn, ít sản phẩm phụ và cho hiệu suất cao [17]. Trong một nghiên cứu sử dụng xúc tác là I2/Al 2O3 cho hiệu suất tổng hợp lên tới 94%, phân tử iodine với vai trò là acid Lewis hoạt hóa nhóm carbonyl của dẫn xuất benzaldehyde trong khi Al 2O3 đóng vai trò là một xúc tác bề mặt. Phương pháp tổng hợp flavonoid 1. Phương pháp tổng hợp flavonol Flavonol hay 3–hydroxy flavone lần đầu được tổng hợp vào năm 1908 bởi Karl von Auwers bằng cách xử lý aurone bởi Br2 và KOH [18].
Theo nghiên cứu này, đầu tiên, aurone sẽ được xử lý với Br 2 để hình thành sản phẩm trung gian là 1,2–dibromo. Sản phẩm này sẽ bị tấn công bởi các nhóm hydroxyl và tách loại hydrohalogen để hình thành sản phẩm cuối cùng là flavonol. Phương trình phản ứng được biểu diễn qua Hình 1. Phản ứng tổng hợp flavonol theo Karl von Auwers Một phương pháp tổng hợp khác đã được đề xuất vào năm 1934.
Sự hình thành flavonol theo phương pháp Algar–Flynn–Oyamada (AFO) được thực hiện bằng cách oxy hóa dẫn xuất 2–hydroxychalconoid trong sự có mặt của xúc tác là H2O2. Sản phẩm trung 6 gian của quá trình này là sự hình thành của dihydroflavonol và ngay lập tức bị oxy hóa thành flavonol. Phương trình phản ứng được biểu diễn qua Hình 1. Phản ứng tổng hợp flavonol theo Algar–Flynn–Oyamada 1.
Phương pháp tổng hợp flavanone Phương pháp đơn giản để tổng hợp flavanone là thực hiện quá trình đồng phân hóa từ dẫn xuất 2–hydroxychaconoid bằng các xúc tác như rắn ZnO, MgO, silica gel, đất sét Montmorillonite K10, CuO… hay các xúc tác acid như H2SO4, HX, CF3COOH,…[19, 20]. Vào năm 2005, một nghiên cứu về khả năng tổng hợp các dẫn xuất flavanone sử dụng các xúc tác oxide kim loại hấp phụ trên nền ZnO trong điều kiện phi dung môi đã được công bố. Theo đó, tỷ lệ và thành phần xúc tác được khảo sát và cho hiệu suất trong khoảng 29,82 – 41,37%. Tuy nhiên, với tỷ lệ thành phần MgO/ZnO 10% w/w cho hiệu suất cao nhất và có khả năng rút ngắn thời gian phản ứng đi 1 giờ [20].
Một phương pháp tổng hợp phi dung môi khác được đề xuất sử dụng xúc tác trifluoroacetic acid hấp phụ trên nền silica gel dưới sự hỗ trợ chiếu xạ vi sóng trong 9 phút. Kết quả tổng hợp cho thấy hiệu suất tổng hợp khá cao nằm trong khoảng 69 – 80% [21]. Phương pháp này có hiệu suất phản ứng nâng cao, thời gian phản ứng ngắn và thân thiện với môi trường. Phương pháp tổng hợp flavone Các hợp chất flavone được quan tâm nghiên cứu khi có hàng loạt cấu trúc được biết đến với các hoạt tính sinh học đáng kinh ngạc và đã được đưa vào điều trị trong các loại thuốc khác nhau.
Nhiều phương pháp tổng hợp đã được đề xuất khi hợp chất flavone ngày càng được chú trọng.