Nghiên cứu tổng hợp Eserethol từ Metol - Khóa luận Dược sĩ Nguyễn Hải Linh

Khóa luận Dược sĩ nghiên cứu quy trình tổng hợp Eserethol từ nguyên liệu Metol. Tài liệu phân tích các phương pháp, thực nghiệm và kết quả chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Hải Linh
• Người hướng dẫn: Nguyễn Hòa Bình
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp Eserethol từ nguyên liệu Metol
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái quát chung về Eserethol và Metol

Eserethol là một hợp chất hữu cơ quan trọng có ứng dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm và hóa mỹ phẩm. Khóa luận tốt nghiệp này tập trung vào tổng hợp eserethol từ metol, một nguyên liệu chính trong quá trình sản xuất. Metol là một chất tiền chất quan trọng, được sử dụng như điểm khởi đầu cho nhiều phản ứng tổng hợp phức tạp. Eserethol sở hữu những tính chất hóa học và vật lý đặc biệt, làm cho nó trở thành mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Việc tổng hợp eserethol đòi hỏi sự kết hợp các kỹ thuật hóa dược tiên tiến và kiến thức chuyên sâu về hóa học hữu cơ. Nghiên cứu này được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Hóa dược và Chiết xuất của Trường Đại học Dược Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực này.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của Eserethol

Eserethol là một chất indol đã thế với cấu trúc vòng heterocyclic phức tạp. Cấu trúc phân tử của nó chứa một nhóm indolin-2-on được thế bằng các nhóm ethoxy và acetonitril. Những đặc điểm cấu trúc này quyết định các tính chất và hoạt tính sinh học của hợp chất. Sự hiểu biết về cấu trúc giúp xác định các con đường tổng hợp phù hợp và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng.

1.2. Ứng dụng của Eserethol trong ngành Dược

Eserethol được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo các loại thuốc sinh học và mỹ phẩm chăm sóc da. Hợp chất này có khả năng ức chế một số enzyme quan trọng, từ đó phát huy tác dụng trị liệu. Những ứng dụng này giải thích tại sao việc nghiên cứu tổng hợp eserethol lại có tầm quan trọng lớn đối với ngành dược phẩm hiện đại.

II. Các phương pháp Tổng hợp Eserethol từ Metol

Qua lịch sử phát triển, nhiều phương pháp tổng hợp eserethol đã được các nhà khoa học đề xuất và cải tiến. Phương pháp của P. L Julian năm 1935 là một trong những cách tiếp cận sơ khai, mở đường cho những nghiên cứu sau này. Harley-Mason và cộng sự năm 1954 đã phát triển một con đường tổng hợp hiệu quả hơn. Những năm 1990, Lee và Belli cùng các đồng nghiệp đưa ra những phương pháp tổng hợp mới với hiệu suất cao hơn và quy trình đơn giản hóa. Khóa luận này lựa chọn phương pháp dựa trên tiêu chí hiệu suất, chi phí và khả năng thực hiện tại phòng thí nghiệm.

2.1. Phương pháp tổng hợp cổ điển và hiện đại

Các phương pháp tổng hợp cổ điển sử dụng những tác nhân hóa học truyền thống như chloroacetonitrile và các chất xúc tác. Phương pháp hiện đại áp dụng kỹ thuật hóa dược tiên tiến, bao gồm sắc kí lớp mỏng (SKLM) để kiểm tra tiến độ và độ tinh khiết của sản phẩm trung gian.

2.2. Lựa chọn phương pháp cho nghiên cứu

Nghiên cứu này lựa chọn con đường tổng hợp có từ 6 bước phản ứng, bắt đầu từ metol để tạo ra eserethol. Phương pháp được chọn đạt hiệu suất tổng cộng cao, phù hợp với điều kiện thí nghiệm khả dụng và tuân thủ nguyên tắc hóa học xanh trong quá trình thực hiện.

III. Quy trình Thực nghiệm và Kỹ thuật Phân tích

Quá trình tổng hợp eserethol trong nghiên cứu này bao gồm nhiều bước phản ứng tuần tự, mỗi bước được kiểm soát chặt chẽ về nhiệt độ, thời gian và điều kiện phản ứng. Các nguyên vật liệu được chọn lựa kỹ càng, đáp ứng tiêu chuẩn của Dược điển Việt Nam hoặc các chuẩn mực quốc tế. Thiết bị thí nghiệm bao gồm các dụng cụ hóa học cơ bản kết hợp với những thiết bị phân tích hiện đại. Mỗi chất trung gian được tách chiết, tinh chế và xác minh cấu trúc bằng các phương pháp phổ học. Khóa luận áp dụng kỹ thuật hóa dược toàn diện để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3.1. Tổng hợp các chất trung gian quan trọng

Quá trình bao gồm tổng hợp chất B (chất 2-cloro-N-(4-hydroxyphenyl)-N-methylpropanamid), rồi tiếp tục với các chất A1, A2, A3, và cuối cùng là noreserethol (D1). Mỗi giai đoạn được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất. Các phản ứng được kiểm soát bằng sắc kí lớp mỏng để theo dõi hoàn toàn độ.

3.2. Khẳng định cấu trúc bằng phương pháp phổ

Phổ NMR (1H-NMR và 13C-NMR) được sử dụng để xác nhận cấu trúc các chất trung gian và eserethol. Phổ IR xác định các nhóm chức năng, trong khi khối lượng/điện tích (m/z) từ phác đồ khối lượng xác nhận khối lượng phân tử chính xác của từng hợp chất.

IV. Kết quả Bàn luận và Ý nghĩa Khóa luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp tổng hợp eserethol được lựa chọn đạt hiệu suất tổng cộng đáng kể, với các chất trung gian đều đạt độ tinh khiết cao. Qua bàn luận chi tiết về mỗi phản ứng, khóa luận phân tích ảnh hưởng của dung môi, tỷ lệ mol, nhiệt độ và các yếu tố khác. Eserethol được cô lập cuối cùng với độ tinh khiết cao được xác minh bằng các phương pháp phổ học. Nghiên cứu này không chỉ hoàn thành mục tiêu tổng hợp eserethol từ metol mà còn cung cấp những kiến thức quý báu về các kỹ thuật hóa dược và tối ưu hóa phản ứng hóa học cho các sinh viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này.

4.1. Phân tích hiệu suất các bước phản ứng

Mỗi bước phản ứng được phân tích chi tiết về hiệu suất, các yếu tố ảnh hưởng và những cải tiến có thể thực hiện. Các phản ứng B, A1, A2, A3, D1 đều đạt hiệu suất tối ưu thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của các tham số phản ứng. Bàn luận cung cấp giải thích hóa học chi tiết cho từng kết quả quan sát được.

4.2. Kết luận và Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Khóa luận đã thành công trong việc tổng hợp eserethol từ nguyên liệu metol với hiệu suất cao. Những kiến nghị được đưa ra bao gồm: tối ưu hóa thêm các điều kiện phản ứng, mở rộng quy mô sản xuất, và ứng dụng hóa học xanh vào quá trình tổng hợp để phục vụ ngành dược phẩm phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Khái quát chung về eserethol Eserethol được tổng hợp đầu tiên vào những năm 1930. Hai nhóm nghiên cứu Percy Julian và Julian đã độc lập tổng hợp được d,l–eserethol như một bước trung gian quan trọng trong quá trình tổng hợp thuốc physostymin. Tuy nhiên, d,l–eserethol do nhóm của Julian báo cáo lại thể hiện các tính chất hoàn toàn khác so với tính chất của nhóm Robinson [4]. Cuối cùng, eserethol do nhóm của Julian tổng hợp đã được chứng minh là hợp chất thực tế dựa trên sự tương đương về điểm nóng chảy với eserethol thu được từ các nguồn tự nhiên [5].1 Đặc điểm cấu trúc Eserethol có công thức cấu tạo như sau [6, 7]: Hình 1.1 Công thức cấu tạo của eserethol - Tên chung quốc tế: Eserethol - Tên hóa học: 7–ethoxy–3,4,8b–trimethyl–2,3a–dihydro–1H–pyrrolo[2,3–b]indol - Số đăng ký CAS: 469–23–8 - Công thức phân tử: C15H22N2O - Khối lượng phân tử: 246,35 đvC - Thành phần nguyên tố (m): C (73,13%); H (9,00%); N (11,37%); O (6,49%) 1.2 Tính chất hóa học/vật lý Tính chất vật lý: - Cảm quan: Eserethol tồn tại dưới dạng chất bán rắn màu đỏ đến đỏ sẫm [8] - Độ tan: Ít tan trong dung môi không phân cực như clorofom và trong dung môi phân cực như ethanol.

Muối (–)–eserethol ít tan hơn muối (+)–eserethol tương ứng [9] - Điều kiện bảo quản: Bảo quản ở –20°C trong điều kiện trơ [8] Tính chất hóa học: Dựa trên một số tài liệu tham khảo [3, 4]: - Eserethol chứa hệ thống vòng thơm pyrrolo–indol với một vòng pyrrol gắn vào một vòng indol - Eserethol có tính base yếu, có thể tạo muối với acid mạnh - Eserethol dễ dàng tham gia các phản ứng như nitro hóa, halogen hóa, sulfon hóa, ưu tiên tại vị trí ortho và para so với nhóm EtO– - Eserethol có hai trung tâm bất đối, tồn tại dưới dạng 4 đồng phân quang học 2 Hình 1.2 Bốn đồng phân quang học của eserethol 1.3 Ứng dụng của eserethol Eserethol chủ yếu được sử dụng làm hợp chất trung gian trong tổng hợp hóa học một số chất được ứng dụng làm thuốc trong ngành Dược. Eserethol và các dẫn xuất của nó được nghiên cứu rộng rãi về hoạt tính sinh học, đặc biệt là khả năng ức chế enzym acetylcholinesterase, có ý nghĩa trong điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh. Ngoài ra, một số nghiên cứu cho thấy eserethol có thể ức chế poly (ADP–ribose) polymerase 1 (PARP–1), một enzym quan trọng trong cơ chế sửa chữa DNA, tiềm năng ứng dụng trong điều trị ung thư [9]. Đồng phân (S)–eserethol được quan tâm đặc biệt hơn hơn so với dạng racemic do chỉ có đồng phân (S)–eserethol có hoạt tính sinh học mạnh với men acetylcholinesterase.

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, đồng phân (R) gần như không có hoặc có rất ít hoạt tính, do vậy không đóng góp đáng kể vào hiệu quả điều trị [2]. Ứng dụng của eserethol trong tổng hợp eserin (physostigmin) Physostigmin được tổng hợp bằng phản ứng của eserolin với tác nhân methyl isocyantat, với sự hiện diện của lượng nhỏ natri. Eserolin được tổng hợp bằng phản ứng deethyl hóa eserethol [10]. Quá trình tổng hợp được mô tả theo sơ đồ 1.1 Quy trình tổng hợp eserolin và physostigmin từ eserethol Eserethol được biết đến là chất trung gian chính để tổng hợp physostigmin, một loại ancaloid tự nhiên có tác dụng rất lớn trong việc điều trị bệnh Alzheimer do cơ chế kháng cholinesterase [11].

Thuốc được sử dụng trong lâm sàng như một loại thuốc cường phó giao cảm để điều trị nhiều loại rối loạn, bao gồm bệnh tăng nhãn áp, chậm làm rỗng dạ dày và tăng huyết áp tư thế đứng [12]. Thuốc được dùng trong nhãn khoa để điều trị bệnh thiên đầu thống. Ngoài ta còn điều trị chứng nhược cơ và liệt ruột [13]. Hơn nữa, physostigmin có thể đi qua hàng rào máu não và được sử dụng để chống lại 3 tác dụng lên hệ thần kinh trung ương của quá liều atropin, scopolamin và các thuốc kháng cholinergic khác [14, 15].

Do có hoạt tính sinh học mạnh và cấu trúc độc đáo, physostigmin đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà hóa học hữu cơ [16]. Ứng dụng của eserethol trong tổng hợp eserolin Eserolin được tổng hợp bằng phản ứng deethyl hóa eserethol (sơ đồ 1. Eserolin thể hiện các đặc tính giảm đau mạnh giống như morphin [20]. Các dẫn xuất eserolin có tác dụng như các tác nhân tăng cường trí nhớ và giảm đau, được tiết lộ trong bằng sáng chế Hoa Kỳ số 5541216 cấp ngày 30 tháng 7 năm 1996 và là chất trung gian hữu ích để tạo ra các tác nhân tăng cường trí nhớ và giảm đau bổ sung [21].

Ứng dụng của eserethol trong tổng hợp physovenin Eserethol được biết đến là chất trung gian chính để tổng hợp physovenin. Physovenin có tác dụng tương tự physostigmin nhưng yếu hơn [22]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng (–)–physovenin tốt hơn dạng racemic, giúp sử dụng dược chất chọn lọc và giảm độc tính hơn [23]. Tuy nhiên, do tính độc và tác dụng mạnh trên hệ thần kinh, physovenin ít được sử dụng trực tiếp trong thực hành lâm sàng, thay vào đó, physostigmin (một alkaloid cùng nhóm) phổ biến hơn [24].

Các phương pháp tổng hợp eserethol 1.1 Phương pháp tổng hợp eserethol của P. L Julian và cộng sự năm 1935 Quá trình tổng hợp gồm 8 giai đoạn đi từ nguyên liệu N–methylphenetidin. Đầu tiên, tiến hành phản ứng N–acyl hóa với tác nhân 2–bromopropionyl bromid thu được dẫn chất chất A. Hợp chất A được xử lý với nhôm clorid khan, trong dung môi clorobenzen sẽ xảy ra quá trình đóng vòng nội phân tử và O–demethyl hóa thu được dẫn chất oxindol A1.

Tiếp tục thực hiện quá trình O–ethyl hóa A1 với tác nhân diethyl sulfat thu được A2, sau đó tiến hành phản ứng alkyl hóa A2 với tác nhân cloroacetonitril với xúc tác kiềm ancolat thu được A3. Chất A3 được khử hóa với khí hydro với xúc tác thu được amin A4. Tiếp tục xử lý A4 với benzaldehyd thu được dẫn chất imin, inmin thu được được phản ứng với methyl iodid, sau đó thủy phân thu được dẫn chất N– monomethyl A5. Tiến hành tách đồng phân quang học R/S của A5 thu được A6.

Tiếp tục xử lý chất A6 với natri trong ethanol thu được (S)–eserethol. Quá trình tổng hợp được mô tả ở sơ đồ 1. Phương pháp này có ưu điểm sử dụng các phản ứng cơ bản. Việc khử biến đổi A6 bằng natri và ethanol tạo ra eserethol giống hệt với eserethol có nguồn gốc tự nhiên, không phát hiện thấy “dấu vết” của racemic hóa [4].

Quy trình này có bước phân giải quang học rõ ràng (A5 sang A6) sử dụng acid hữu cơ có tính quang hoạt. Ngoài ra, quy trình này dễ ứng dụng trong tổng hợp dược chất do (S)–eserethol là đồng phân có hoạt 4 tính sinh học cao nhất (ví dụ chất ức chế cholinesterase), thì đây là quy trình phù hợp để triển khai thực tế.2 Quy trình tổng hợp eserethol theo P. L Julian và cộng sự Bên cạnh đó, nhược điểm của phương pháp này là nguyên liệu ban đầu không sẵn có, phải tổng hợp từ nguyên liệu acetophenetidin một loại thuốc giảm đau [26]. Quá trình N–monomethyl hóa phức tạp, quá trình tách đồng phân quang học thu A6 với hiệu suất thấp.

Ngoài ra, quá trình khử hóa tuần hoàn A6 cần sử dụng một lượng lớn natri và ethanol [27]. Việc sử dụng một lượng lớn natri rất nguy hiểm trong các quy mô lớn và việc trung hòa base bằng acid khi xử lý sẽ tạo ra một lượng lớn muối natri. Vì vậy, với phương pháp này khó triển khai tổng hợp được eserethol ở quy mô lớn. Theo tác giả Kobayashi và cộng sự, năm 1938, hỗn hợp đối quang của (R/S)– eserethol được tách bằng cách sử dụng (+)–acid tartaric với tỷ lệ mol 1:1, trong dung môi alcol.

Sau khi kết tinh 5 lần thu được (R)–eserethol (+)–tartarat (50%). Nước cái chứa chủ yếu (S)–eserethol (+)–tartarat được cất loại dung môi và kết tinh lại trong alcol thu được (S)–eserethol (+)–tartarat với hiệu suất 9% [28].2 Phương pháp tổng hợp eserethol của Harley–Mason và cộng sự năm 1954 Phương pháp tổng hợp eserethol của Harley–Mason và cộng sự năm 1954 được mô tả theo sơ đồ 1. Quá trình tổng hợp đi từ nguyên liệu ban đầu là ceton F, trước tiên là phản ứng ngưng tụ của chất F với ethyl cyanoacetat thu được alken F1. Tiếp tục xử lý F1 với KCN thu được dinitril F2.

Tiến hành khử hóa dinitril F2, sau đó tiến hành quá trình N–monomethyl hóa (sử dụng phương pháp qua dẫn chất imin) thu được amin F4. Cuối cùng, tiến hành phản ứng oxy hóa F4 với tác nhân K3Fe(CN)6 thu được (R/S)– 5 eserolin. Tuy nhiên, tác giả không đề cập đến quá trình tách đồng phân quang học để thu được (S)–eserolin, công bố chỉ đề cập đến quá trình khẳng định cấu trúc bằng phản ứng của (R/S)–eserolin với ethyl p–toluensulfonat (EtOTs) để tạo (R/S)–eserethol. Phương pháp này có ưu điểm là tối thiểu được các phản ứng phải thực hiện.

Đồng thời sử dụng các tác nhân phổ biến, dễ tiếp cận. Các chất như PtO2, K3Fe(CN)6, CH3I, KHCO3. đều quen thuộc và dễ kiểm soát trong phòng thí nghiệm. Bên cạnh đó, nhược điểm của phương pháp là nguyên liệu không sẵn có, sử dụng cyanid độc hại, quá trình tổng hợp nhiều giai đoạn sử dụng sắc ký cột để tinh chế sản phẩm từ đó khó nâng cấp triển khai tổng hợp ở quy mô lớn.3 Quy trình tổng hợp eserethol theo Harley–Mason và cộng sự 1.3 Phương pháp tổng hợp eserethol của Lee và cộng sự năm 1994 Sơ đồ 1.4 Quy trình tổng hợp eserethol theo Harley–Mason và cộng sự 6 Sáng chế WO1994027963A1 công bố quá trình cải tiến quá trình tổng hợp (S) – eserethol bằng cách tổng hợp bất đối để tạo ra chất quang hoạt A3 đi từ chất A2.

Xúc tác sử dụng là dẫn chất N–[3,4–(dicloro)benzyl]cinchonidium clorid (N–DBCC), đây vừa là xúc tác chọn lọc cấu hình vừa có vai trò là xúc tác chuyển pha. Sau đó, khử hóa A3 và acyl hóa amin thu được với tác nhân ethyl cloroformat thu được hợp chất C. Cuối cùng, khử hóa C thu được (S)–eserethol. Quá trình được mô tả theo sơ đồ 1.

Phương pháp này có ưu điểm tăng được hiệu suất quá trình tạo (S)–eserethol, số lượng phản ứng cần thực hiện không nhiều. Đây là một quy trình tổng hợp (S)–eserethol bắt đầu từ chất trung gian A2, nổi bật với điểm đặc trưng là thiết lập lập thể sớm tại bước tạo A3. Tạo đồng phân (S)–eserethol sớm và xuyên suốt chuỗi phản ứng nhờ bước tạo A3 chọn lọc lập thể từ sớm, cấu hình S được duy trì đến cuối. Từ đó không cần tách đồng phân sau này như ở phương pháp phân giải quang học.