Khóa luận tổng hợp Rilpivirin của Phan Minh Thảo - ĐH Dược Hà Nội

Khóa luận Dược sĩ Đại học Dược Hà Nội. Trình bày quy trình nghiên cứu, khảo sát các phản ứng điều chế chất trung gian tổng hợp Rilpivirin.

• Tác giả: Phan Minh Thảo
• Người hướng dẫn: Gs. Nguyễn Đình Luyện
• Trường học: Trường Đại Học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Tiếp tục nghiên cứu một số phản ứng điều chế (E)-3-(4-amino-3,5-dimethylphenyl)acrylonitril hydroclorid trong quy trình tổng hợp rilpivirin
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Rilpivirin và tầm quan trọng của nó

Rilpivirin là một loại thuốc kháng retrovirus thuộc nhóm ức chế men sao chép ngược không nucleosid (NNRTI), được sử dụng để điều trị HIV/AIDS. Đây là một chất hoạt tính dược học có cơ chế hoạt động đặc biệt, giúp ngăn chặn sự nhân lên của virus HIV trong cơ thể. Rilpivirin được FDA phê duyệt vào năm 2011 và đã trở thành một phần quan trọng trong liệu pháp điều trị tổng hợp chống HIV. Tầm quan trọng của rilpivirin nằm ở khả năng giảm tải lượng virus, cải thiện chức năng miễn dịch, và kéo dài sự sống của bệnh nhân. Việc tổng hợp rilpivirin đòi hỏi các phương pháp hoá học phức tạp, bao gồm nhiều bước điều chế với các chất trung gian quan trọng.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của Rilpivirin

Rilpivirin có công thức phân tử phức tạp với cấu trúc benzene thay thế đặc biệt. Phân tử này chứa nhóm cyano (-CN) và nhóm amino (-NH₂) trên vòng benzene, tạo nên những tính chất hóa học và hoạt tính sinh học độc đáo. Cấu trúc này cho phép rilpivirin kết hợp hiệu quả với HIV reverse transcriptase, ngăn chặn quá trình sao chép gen virus.

1.2. Ứng dụng lâm sàng của Rilpivirin

Rilpivirin được chỉ định cho bệnh nhân HIV dương tính ở các giai đoạn khác nhau của bệnh. Liều dùng thường là 25mg mỗi ngày kết hợp với các thuốc kháng virus khác trong liệu pháp tổng hợp. Tác dụng không mong muốn tương đối nhẹ bao gồm buồn nôn, mệt mỏi, và những phản ứng da. Hiệu quả lâm sàng đã được chứng minh qua nhiều thử nghiệm lâm sàng quốc tế.

II. Phương pháp tổng hợp chất trung gian E 3 4 amino 3 5 dimethylphenyl acrylonitril

Tổng hợp rilpivirin là một quy trình phức tạp bao gồm nhiều bước điều chế tuần tự. Chất trung gian chính trong quy trình này là (E)-3-(4-amino-3,5-dimethylphenyl)acrylonitril, một hợp chất hữu cơ có vai trò cực kỳ quan trọng. Điều chế chất này bắt đầu từ các nguyên liệu ban đầu như 1,3,5-trimethylbenzene, sau đó thông qua nhiều phản ứng hóa học để tạo thành cấu trúc mong muốn. Quy trình này yêu cầu kiểm soát điều kiện phản ứng cẩn thận như nhiệt độ, pH, thời gian phản ứng và tỷ lệ chất chuẩn bị. Mỗi bước tổng hợp được theo dõi bằng các phương pháp sắc ký lớp mỏng (TLC) để đảm bảo hiệu suất và độ tinh khiết của sản phẩm.

2.1. Tổng hợp 1 3 5 trimethyl 2 nitrobenzen

Bước đầu tiên của quy trình tổng hợp là nитрование (nitrification) của 1,3,5-trimethylbenzene để tạo thành 1,3,5-trimethyl-2-nitrobenzen. Phản ứng này sử dụng axit nitric (HNO₃) đã pha loãng và axit sulfuric (H₂SO₄) làm chất xúc tác. Nhiệt độ phản ứng được kiểm soát từ 0-5°C để đạt được lựa chọn isomer tốt nhất và tránh phản ứng phụ. Sau phản ứng hoàn tất, sản phẩm được tinh chế bằng kết tinh để loại bỏ tạp chất.

2.2. Điều chế 4 amino 3 5 dimethyl benzaldehyd bằng phản ứng DDQ

Phản ứng oxy hóa với 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinon (DDQ) là một phương pháp hiệu quả để chuyển đổi 2,4,6-trimethyl anilin thành 4-amino-3,5-dimethyl benzaldehyd. DDQ hoạt động như một tác nhân oxy hóa mạnh nhưng chọn lọc cao, cho phép oxy hóa nhóm methyl thành nhóm aldehyd mà không làm hư hại nhóm amino. Phản ứng này thường được thực hiện trong dung dịch với nhiệt độ kiểm soát để đạt hiệu suất tối ưu khoảng 70-85%.

III. Xác định cấu trúc bằng phương pháp phổ

Việc xác định cấu trúc của các chất trung gian tổng hợp là bước vô cùng quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm và độ tinh khiết của rilpivirin. Các phương pháp quang phổ hiện đại như phổ hồng ngoại (IR), phổ khối lượng (MS) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) được sử dụng để xác định chính xác cấu trúc phân tử. Phổ IR cho phép nhận diện các nhóm chức năng cơ bản như nhóm amino (-NH₂), nhóm aldehyd (C=O) và nhóm cyano (-C≡N). Phổ MS cung cấp thông tin về khối lượng phân tử và các mảnh vỡ đặc trưng, giúp xác định công thức phân tử. Phổ ¹H-NMR và ¹³C-NMR tiết lộ cấu trúc chi tiết của phân tử, bao gồm số lượng và vị trí của các hydrogen và carbon trong phân tử.

3.1. Phân tích phổ hồng ngoại IR

Phổ IR cho thấy các dải hấp thụ đặc trưng cho mỗi nhóm chức năng. Tại vùng 3300-3500 cm⁻¹ là độ rộng dao động N-H của nhóm amino. Tại vùng 1700 cm⁻¹ là dao động C=O của nhóm aldehyd. Tại vùng 2200 cm⁻¹ là dao động C≡N của nhóm cyano. Những dải hấp thụ này xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức năng mong muốn trong phân tử tổng hợp.

3.2. Phân tích phổ khối lượng MS và NMR

Phổ MS cung cấp giá trị M⁺ tương ứng với khối lượng phân tử chính xác. Phổ ¹H-NMR hiển thị số lượng proton ở mỗi vùng hóa dịch δ, giúp xác định số nhóm methyl, nhóm amino và proton thơm. Phổ ¹³C-NMR cho thấy số carbon và vị trí của chúng trong phân tử, đặc biệt là carbon của nhóm aldehyd và carbon thơm.

IV. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng thực tiễn

Khảo sát hệ thống các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng và độ tinh khiết sản phẩm là một phần không thể thiếu của nghiên cứu tổng hợp rilpivirin. Các yếu tố quan trọng bao gồm nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, tỷ lệ khối lượng các nguyên liệu, pH dung dịch và loại dung dịch sử dụng. Việc tối ưu hóa các điều kiện này thông qua các thí nghiệm có kế hoạch giúp cải thiện hiệu suất tổng hợp và giảm chi phí sản xuất. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp tổng hợp này là sản xuất rilpivirin với chi phí hợp lý và chất lượng cao cho các bệnh nhân HIV trong nước và quốc tế. Kết quả của khóa luận này có thể đóng góp vào công nghệ sản xuất dược phẩm Việt Nam.

4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng

Nhiệt độ là một yếu tố quyết định đối với tốc độ phản ứng và chọn lọc sản phẩm. Nhiệt độ thấp (0-5°C) giúp kiểm soát phản ứng phụ nhưng giảm tốc độ phản ứng. Nhiệt độ cao (50-60°C) tăng tốc độ nhưng có thể tạo tạp chất. Thời gian phản ứng tối ưu nằm trong khoảng 2-4 giờ tùy theo loại phản ứng cụ thể. Giám sát TLC giúp xác định thời điểm hoàn tất phản ứng.

4.2. Tối ưu hóa tỷ lệ nguyên liệu và dung dịch

Tỷ lệ mol giữa các nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất phản ứng. Tỷ lệ tối ưu thường là 1:1.2-1:1.5 (nguyên liệu:tác nhân) để đạt chuyển hóa cao nhưng không dư thừa tác nhân. Lựa chọn dung dịch như DCM, THF hay EtOAc phụ thuộc vào khả năng tan của các nguyên liệu và khả năng phân chia sản phẩm. Dung dịch tối ưu giúp tăng hiệu suất và dễ tinh chế sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ HIV- AIDS là căn bệnh của thế kỷ và hiện nay chưa có cách chữa khỏi hoàn toàn. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính vào năm 2022, khoảng 39 triệu người trên toàn thế giới nhiễm HIV. Trong số đó, khoảng 85% số trường hợp biết tình trạng nhiễm HIV của mình và 75% số trường hợp tiếp cận các phương pháp điều trị.000 người chết vì các bệnh liên quan đến AIDS trên toàn thế giới, so với 2,0 triệu vào năm 2004 và 1,3 triệu vào năm 2010 [24]. Tuy nhiên, thông qua các nỗ lực quốc tế, tính đến năm 2022, ước tính có khoảng 29,8 triệu người nhiễm HIV được điều trị bằng thuốc kháng virus (so với 7,7 triệu vào năm 2010), làm giảm đáng kể số ca tử vong và lây nhiễm ở nhiều quốc gia [24].

Một trong những loại thuốc kháng virus đó phải kể đến thuốc ức chế men sao chép ngược không nucleosid (NNRTIs). NNRTI ngăn chặn virus sinh sôi bằng cách liên kết và thay đổi 1 enzym gọi là enzym sao chép ngược, mà virus HIV sử dụng để sao chép và nhân lên. Rilpivirin là thuốc điều trị phổ biến thuộc nhóm này. Rilpivirin (tên thương mại là Edurant) được phát triển bởi Tibotec.

Đây là một chất ức chế men sao chép ngược không nucleosid thế hệ hai (NNRTI) với hiệu lực cao hơn, thời gian bán hủy dài hơn và giảm tác dụng phụ so với các NNRTI cũ, như efaviren. Rilpivirin đã được đưa vào thử nghiệm lâm sàng giai đoạn III vào tháng 4 năm 2008 và được chấp thuận sử dụng tại Hoa Kỳ vào tháng 5 năm 2011 với tên thương hiệu Edurant [22]. Các thuốc ức chế men sao chép ngược không nucleosid đã được sử dụng ở Việt Nam và đóng một vai trò quan trọng trong phác đồ ARV. Tuy nhiên phần lớn các thuốc điều trị HIV nói chung và rilpivirin nói riêng đều đang trong giai đoạn bảo hộ độc quyền, đồng thời cũng chưa có các nghiên cứu về tổng hợp thuốc này tại Việt Nam.

Vì vậy, để góp phần hướng tới tự chủ về mặt nguyên liệu phục vụ cho nghiên cứu và tiến xa hơn là sản xuất các dạng bào chế thuốc ở Việt Nam trong tương lai khi các thuốc hết hạn độc quyền, chúng tôi thực hiện đề tài : Tiếp tục nghiên cứu một số phản ứng điều chế (E)- 3-(4-amino-3,5-dimethylphenyl) acrylonitril hydroclorid trong quy trình tổng hợp rilpivirin với mục tiêu sau: Điều chế các chất trung gian quan trọng để tổng hợp (E)- 3-(4-amino-3,5-dimethylphenyl) acrylonitril hydroclorid từ mesitylen. Tổng quan về rilpivirin 1. Đặc điểm chung của rilpivirin Rilpivirin là thuốc dùng để điều trị HIV, đây là chất ức chế men sao chép ngược không nucleosid (NNRTI) thế hệ hai với hiệu lực cao hơn, thời gian bán hủy dài hơn và giảm tác dụng phụ so với các NNRTI cũ hơn như efaviren.  Tên khoa học: - Dạng base: 4-((4-(4-((E)-2-cyanoethenyl)-2,6-dimethylanilino) pyrimidin-2-yl) amino) benzonitril.

- Dạng muối: 4-((4-(4-((E)-2-cyanoethenyl)-2,6-dimethylanilino) pyrimidin-2-yl) amino) benzonitril monohydroclorid.  Công thức cấu tạo: Hình 1. Công thức cấu tạo của rilpivirin  Công thức phân tử: - Dạng base: C22H18N6-366,42 đvC - Dạng muối monohydroclorid: C22H19ClN6-402,89 đvC 1. Tính chất lý hóa:  Dạng base: - Cảm quan : bột tinh thể màu vàng nhạt - Điểm nóng chảy: 241-243oC [5] - Độ hòa tan: dễ tan trong DMSO ( >50mg/mL); hòa tan vừa phải trong PEG 400 (40mg/mL), thực tế không tan trong nước (20ng/mL tại pH 7.0) - Hằng số phân ly: pKa = 5.6 [10] - Hệ số phân bố octanol/nước: logP = 4.86  Dạng muối: - Cảm quan: bột kết tinh màu trắng [6],[20] - Nhiệt độ nóng chảy : 315oC - Độ tan: rất ít tan trong nước (0.01g/L) - Hệ số phân bố octanol/nước: logP = 4.

Tiêu chuẩn kiểm nghiệm rilpivirin: Tiêu chuẩn kiểm nghiệm rilpivirin monohydroclorid: Cảm quan, cấu trúc tinh thể, định tính bằng IR, định tính clorid theo dược điển Châu Âu, định lượng dược chất, hàm lượng tạp (HPLC), lượng dung môi tồn dư (GC), độ ẩm, kích thước tiểu phân, kim loại nặng, tro sulfat [6]. Biệt dược Edurant (Janssen-Cilag Ltd): Viên nén bao phim rilpivirin hydroclorid 25 mg. Chỉ định và liều dùng Phối hợp với các thuốc ARV khác để điều trị nhiễm HIV-1, khi tải lượng virus dưới 100.000 bản sao/ml. Không khuyến cáo dùng rilpivirin và dạng phối hợp có chứa rilpivirin cho trẻ em và thanh thiếu niên dưới 18 tuổi do chưa xác định được tính an toàn và hiệu lực [1].

Tác dụng không mong muốn và thận trọng Tác dụng không mong muốn thường gặp nhất khi dùng chế phẩm có chứa rilpivirin là rối loạn trầm cảm, mất ngủ, đau đầu, mẩn ngứa. Các tác dụng không mong muốn khác bao gồm: Đau bụng, khô miệng, buồn nôn, nôn, mệt mỏi, ngủ gà, mộng mị, chóng mặt. Tăng enzym gan, tăng bilirubin toàn phần, tăng creatinin huyết thanh, tăng cholesterol huyết thanh cũng đã được báo cáo trên người dùng rilpivirin. Hội chứng phục hồi miễn dịch đã được ghi nhận trong giai đoạn khởi đầu điều trị bằng phác đồ phối hợp thuốc kháng retrovirus (trong đó có rilpivirin) trên những bệnh nhân nhiễm HIV có suy giảm miễn dịch nặng [1].

Một số phương pháp tổng hợp 1. Phương pháp tổng hợp rilpivirin Theo các phương pháp tổng hợp đã được công bố, rilpivirin được hợp từ 3 hợp phần sau: Hình 1. Các hợp phần tạo nên rilpivirin 3 Phương pháp được dùng nhiều nhất là tổng hợp dẫn chất benzonitril (B) (ghép từ 2 hợp phần pyrimidin và benzonitril) trước, sau đó ghép với hợp phần (E)-3-(4-amino-3,5- dimethylphenyl) acrylonitril (A). Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm và có nguyên liệu đầu vào rẻ, dễ kiếm.

Năm 2021, Tao Zhang và cộng sự đã tổng hợp rilpivirin theo sơ đồ sau : Hình 1. Sơ đồ tổng hợp rilpivirin Sự tổng hợp chất rilpivirin bằng cách cho phép phản ứng giữa (E)-3-(4-amino-3,5- dimethylphenyl) acrylonitril (A) và 4-[(4-chloropyrimidin-2-yl) amino] benzonitril (B) trong acetonitril ở điều kiện hồi lưu trong 69 giờ. Điều kiện của phản ứng này tương đối đơn giản, nhưng thời gian phản ứng kéo dài hơn, kéo dài thời gian sản xuất chu trình công nghiệp và giảm hiệu suất cũng như chất lượng sản phẩm [27]. Ngoài ra, trong sáng chế WO 2016116074, NMP được sử dụng làm dung môi ở 95°C trong 17 giờ để sản xuất rilpivirin.

Hiệu suất đạt được là 71,4%, trong đó đồng phân Z chiếm 0,7%. Tuy nhiên, NMP có nhiệt độ sôi cao hơn nên để thu hồi vì vậy trong sản xuất công nghiệp gặp rất nhiều khó khăn [8], [27]. Phương pháp tổng hợp (E)-3-(4-amino-3,5-dimethylphenyl) acrylonitril (A) Theo tài liệu tham khảo [1], nhờ có nhóm thế (-cyanovinyl) rilpivirin mới có tiềm lực gắn và duy trì khả năng gắn của thuốc với đích, kể cả khi có một vài đột biến kháng thuốc. Điều này giúp cho rilpivirin phát huy được tác dụng của nó.

Vì vậy, việc tạo được nhóm thế này là vô cùng quan trọng. Phương pháp tổng hợp chất A của Guillemont và cộng sự Năm 2013, Guillemont và cộng sự đã tổng hợp (E)-3-(4-amino-3,5- dimethylphenyl) acrylonitril theo các hướng khác nhau bằng phản ứng Horner- Wadsworth-Emmon và phản ứng Heck như sau [8]: 4 Hình 1. Sơ đồ tổng hợp chất trung gian A theo Guillemont Tác nhân và điều kiện: (a) n-BuLi/THF; (b) diethyl (cyanomethyl)phosphonat, hoạt hóa bởi tert-BuOK/THF; (c) ZnCl2/ethanol, 24h; (d) acrylonitril, Pd/C 10%, CH3COONa, 130℃, 12h; (e) acrylamid, Pd(OAc)2 , tris(2-methylphenyl)phosphin, N,N-dimethylamin, 70℃; (f) POCl3, 20℃, 24h Hướng 1: Phản ứng bảo vệ nhóm amino của 4-bromo-2,6-dimethylphenylamin bằng cách chuyển đổi thành N,N-dimethylmethanimidamid, sau đó formyl hóa bằng n- butyl lithium và dimethylformamid. Dẫn chất formyl thu được được xử lý bằng dietyl (cyanometyl) phosphonat để tạo thành hợp chất cyanoethenyl, hợp chất này được khử bảo vệ bằng kẽm clorua để tạo ra chất trung gian 3-(4-amino-3,5-dimethylphenyl) acrylonitril có tỷ lệ E/Z chưa được tiết lộ.

Phương pháp này là một trình tự tổng hợp phức tạp bao gồm bảo vệ amin bằng cách chuyển đổi nó thành imid, sử dụng base tự cháy và nhạy cảm với độ ẩm cao như butyl lithium và phản ứng formyl hóa hiệu suất thấp. Tất cả những yếu tố này làm cho quy trình khó có thể thực hiện được ở quy mô công nghiệp. Hướng 2: Sử dụng 4-iodo-2,6-dimethylphenylamin làm nguyên liệu ban đầu, phản ứng của dẫn chất dimethylphenylamin với acrylonitril trong ít nhất 12 giờ ở nhiệt độ 130° C trong natri acetat và chất xúc tác như Pd/C. Phương pháp này cũng không cung cấp bất kỳ chi tiết nào về tỷ lệ E/Z của sản phẩm trung gian này.

Mặc dù quy trình này tránh sử dụng các phosphin nhưng thời gian phản ứng kéo dài và vấn đề về nguồn nguyên liệu của các dẫn chất halo-phenylamin tinh khiết cùng với hiệu suất thấp khiến quy trình này khó có thể thực hiện ở quy mô công nghiệp. Hướng 3: Phản ứng của 4-bromo-2,6-dimethylphenylamin với acrylamid với sự có mặt của palladi acetat, tris (2-methylphenyl) phosphin và N,N-diethylethanamin. Amid tạo thành được khử nước bằng cách sử dụng phosphoryl clorua để tạo ra 3-(4-amino-3,5- dimethylphenyl) acrylonitril với hiệu suất vừa phải là 67% mà không đề cập đến tỷ lệ E/Z. 5 Mặc dù tỷ lệ đồng phân E/Z của dẫn chất cyanoethenyl thu được từ các hướng này không được cụ thể trong tài liệu tham khảo.

Tuy nhiên, độ tái lặp của các phản ứng nêu trên được nhận thấy là mang lại tỷ lệ E/Z nằm trong khoảng từ 70/30 đến 80/20 [8]. Những con đường trên đều có nhược điểm sau: - Tỷ lệ đồng phân Z cao, đòi hỏi phải tinh chế phức tạp bằng cách sử dụng kỹ thuật sắc ký cột, kết tinh hoặc xử lý liên tục bằng nhiều dung môi, làm giảm hiệu suất tổng thể. - Việc đưa nhóm cyanoethenyl vào các dẫn xuất benzenamin đã formyl hóa liên quan đến thuốc thử nhạy cảm với độ ẩm như n-butyl lithium, chất này không được ưu tiên ở quy mô công nghiệp. Hơn nữa, phương pháp này sử dụng este cyanomethyl phosphonat và không đề cập đến tỷ lệ đồng phân Z và tỷ lệ tạp chất cao hơn đòi hỏi phải tinh chế phức tạp và cuối cùng làm giảm hiệu suất, - Các phương pháp này sử dụng các phosphin đắt tiền, độc hại với môi trường chưa phù hợp khi nâng cấp quy mô lớn và sử dụng chất xúc tác chuyển pha như tetrabutyl amoni bromua với các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ rất cao lên tới 140-150°C.

 Phản ứng Horner-Wasworth-Horner và phản ứng Heck: Hình 1. Phản ứng Horner-Wasworth-Emmons và phản ứng Heck 1. Phương pháp tổng hợp chất A của Mukund và cộng sự Năm 2018, Mukund và cộng sự đã tổng hợp A theo cách sau [9]: Hình 1. Sơ đồ tổng hợp chất trung gian A theo Mukund 6 Tác nhân và điều kiện: (i) NaNO2/HCl, 15-20oC; (ii) acrylonitril/Pd acetat, methanol/50- 70oC; (iii) CF3COOH/45-60oC, HCl Chất trung gian 4 được xử lý bằng natri nitrit với sự có mặt của acid hydroclorid trong môi trường nước ở nhiệt độ từ 0 đến 25°C để thu được hợp chất diazoni, hỗn hợp phản ứng được xử lý bằng dung dịch tetrafluoroborat trong nước để thu được 5.