Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Cây nghệ vàng (Curcuma longa L.) thuộc họ Gừng (Zingiberaceae) là loài thực vật nhiệt đới được sử dụng truyền thống làm gia vị, chất bảo quản và dược liệu. Hợp chất tự nhiên chính tạo nên hoạt tính sinh học của củ nghệ là nhóm curcuminoid, trong đó curcumin chiếm tỷ lệ cao nhất (khoảng 77%), bên cạnh demethoxycurcumin (17%) và bis-demethoxycurcumin (3%). Các nghiên cứu dược lý hiện đại ghi nhận curcumin sở hữu nhiều hoạt tính sinh học như kháng oxy hóa, kháng viêm, kháng khuẩn và ức chế tế bào ung thư thông qua khả năng can thiệp vào các protein kinase, cytokines gây viêm và các yếu tố phiên mã. Mặc dù sở hữu dược tính đa dạng và độ an toàn cao trên cơ thể người cũng như động vật, nhược điểm lớn cản trở ứng dụng lâm sàng của curcumin là độ tan kém trong môi trường nước, độ hấp thu qua đường tiêu hóa thấp, quá trình chuyển hóa nhanh và tốc độ đào thải cao, dẫn đến sinh khả dụng thực tế rất thấp.
Trung tâm phản ứng quyết định hoạt tính cũng như độ bền của phân tử curcumin nằm ở cầu nối 1,3-diketone (tồn tại cân bằng giữa dạng ketone và dạng enol) và hai vòng thơm mang các nhóm phenolic. Nhằm cải thiện độ bền cấu trúc và hoạt tính sinh học, hướng biến đổi hóa học chuyển đổi nhóm 1,3-diketone thành các khung dị vòng năm cạnh như isoxazole và pyrazole nhận được sự quan tâm lớn. Khóa luận tốt nghiệp "Tổng hợp và docking phân tử các dẫn xuất curcumin từ benzaldehyde" của sinh viên Tạ Ngọc Thúy (ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, chuyên ngành Hóa hữu cơ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Minh Hảo) tập trung tổng hợp nhân tạo các dẫn xuất curcumin từ chất nền đơn giản benzaldehyde và đánh giá khả năng ức chế đích sinh học ung thư thông qua mô phỏng tính toán.
Theo văn bản giao nhiệm vụ khóa luận, đề tài thực hiện 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
- Tổng hợp thành công 04 dẫn xuất curcumin từ chất nền benzaldehyde.
- Tinh chế các sản phẩm bằng các phương pháp sắc ký cột và sắc ký bản mỏng.
- Xác định cấu trúc hóa học các dẫn xuất curcumin tổng hợp được bằng các phương pháp phổ nghiệm: phổ cộng hưởng từ hạt nhân ($^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR), phổ khối lượng (MS) và phổ tương quan dị nhân qua một liên kết (HSQC).
- Xác định các tương tác giữa các dẫn xuất tổng hợp với protein cyclin-dependent kinase 2 (CDK2, mã PDB: 2R3I) bằng phương pháp docking phân tử.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm 04 dẫn xuất curcumin được ký hiệu từ TT01 đến TT04 cùng cấu trúc tinh thể của protein CDK2 phối hợp với phối tử chuẩn. Phạm vi thực nghiệm tổng hợp và tinh chế được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Hóa hữu cơ thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; các phép đo phổ NMR và MS được thực hiện tại Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; phép đo nhiệt độ nóng chảy thực hiện tại Khoa Dược, Trường Đại học Lạc Hồng. Toàn bộ nghiên cứu hoàn thành trong khung thời gian từ ngày 22/02/2019 đến ngày 19/07/2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đề tài xây dựng trên hóa học các hợp chất curcuminoid và cơ chế ngưng tụ Aldol cải tiến. Phân tử curcumin tự nhiên có khung cấu trúc đối xứng heptanoid liên kết hai vòng benzene qua hệ liên hợp dienone. Khi thực hiện phản ứng ngưng tụ giữa acetylacetone và benzaldehyde, nhóm methylene hoạt động tại vị trí C-3 của acetylacetone rất dễ tham gia phản ứng ngưng tụ Knoevenagel ngoài ý muốn. Để ức chế phản ứng phụ này và định hướng phản ứng aldol hóa xảy ra chọn lọc tại hai nhóm methyl đầu mạch (C-1 và C-5), tác giả áp dụng nguyên lý tạo phức chelate giữa ion boron (từ boron oxide $\text{B}_2\text{O}_3$ và tri-$n$-butyl borate) với hệ 1,3-diketone. Phức chất trung gian bảo vệ vị trí C-3, cho phép xúc tác amine hữu cơ ($n$-butylamine) bứt proton ở nhóm methyl để ngưng tụ với benzaldehyde, sau đó giải phóng khung heptanoid đối xứng qua giai đoạn thủy phân bằng dung dịch acid loãng.
Đối với phần mô phỏng sinh học, đề tài tiếp cận dựa trên lý thuyết tương tác phối tử - thụ thể (ligand - receptor) theo mô hình "khóa và chìa" (lock and key) thông qua kỹ thuật docking phân tử. Thụ thể mục tiêu được lựa chọn là cyclin-dependent kinase 2 (CDK2) - một enzyme kinase phụ thuộc cyclin đóng vai trò cốt lõi trong việc điều phối chu trình phân chia tế bào, liên quan trực tiếp đến cơ chế tăng sinh khối u ác tính ở người. Dữ liệu cấu trúc ba chiều của CDK2 được trích xuất từ Ngân hàng Dữ liệu Protein (Protein Data Bank) với mã định danh PDB: 2R3I, có độ phân giải tinh thể tia X đạt 1,28 Å, chứa phối tử đồng kết tinh là hợp chất SCF: 5-(2-fluorophenyl)-$N$-(pyridin-4-ylmethyl)pyrazolo[1,5-a]pyrimidin-7-amine.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích bao gồm:
- Phương pháp tổng hợp hữu cơ: Tổng hợp hóa chất trung gian tri-$n$-butyl borate từ acid boric và $n$-butanol bằng hệ thống chưng cất hồi lưu; tổng hợp dẫn xuất curcuminoid mạch hở TT01 qua phản ứng aldol có xúc tác; tổng hợp các dẫn xuất dị vòng năm cạnh TT02, TT03, TT04 bằng phản ứng đóng vòng ngưng tụ giữa TT01 với các tác nhân chứa nitrogen (hydroxylamine hydrochloride, hydrazine hydrate và phenylhydrazine hydrochloride) trong môi trường acid acetic băng ở 80 °C.
- Phương pháp tách và tinh chế: Sắc ký lớp mỏng (TLC) trên bản mỏng tráng sẵn silica gel $60\text{ F}_{254}$ (Merck) để theo dõi tiến trình phản ứng và xác định hệ dung môi giải ly; sắc ký cột cổ điển (Column Chromatography) sử dụng pha tĩnh silica gel kích thước hạt 200–400 mesh để phân tách và thu nhận sản phẩm sạch.
- Phương pháp phân tích hóa lý và phổ nghiệm: Đo điểm nóng chảy trên máy đo tự động Kruss M5000; ghi phổ cộng hưởng từ hạt nhân $^1\text{H}$-NMR (500 MHz), $^{13}\text{C}$-NMR (125 MHz) và phổ tương quan HSQC trên thiết bị Bruker Advance 500 sử dụng dung môi DMSO-$d_6$; ghi phổ khối lượng phân giải thấp trên hệ thống Agilent LC-MSD Trap SL.
- Phương pháp mô phỏng tính toán: Sử dụng bộ phần mềm MOE 2008.10 (Molecular Operating Environment). Cấu trúc phối tử được xây dựng bằng ChemDraw, tối ưu hóa hình học và cực tiểu hóa năng lượng trên MOE với thuật toán Forcefield cho đến khi chênh lệch năng lượng giữa hai cấu dạng liên tiếp đạt ngưỡng dừng 0,05 kJ/mol. Cấu trúc protein 2R3I được chuẩn bị qua các bước proton hóa, loại bỏ các phân tử nước không tham gia liên kết mạng lưới và xác định khoang gắn kết của SCF. Độ tin cậy của giao thức docking được thẩm định thông qua quy trình redocking phối tử đồng kết tinh SCF với giải thuật Triangle Matcher và hàm chấm điểm London dG.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa các tư liệu khoa học về đặc tính thực vật học của cây nghệ vàng, cấu trúc hóa học của ba curcuminoid chính và các dạng đồng phân hỗ biến ketone - enol. Tác giả phân tích mối liên hệ cấu trúc - hoạt tính (SAR) của curcumin: nhóm para-hydroxyl trên vòng thơm chi phối tính kháng oxy hóa; liên kết đôi liên hợp $\text{C}=\text{C}$ và khung diketone tạo nên hoạt tính kháng viêm (ức chế các enzyme cyclooxygenase - COX và lipoxygenase - LOX) cùng khả năng ngăn chặn phát triển tế bào ung thư. Chương tổng quan phân tích sâu hạn chế sinh khả dụng thấp của curcumin và giới thiệu phương pháp docking phân tử như một công cụ dự đoán ái lực, cấu hình gắn kết tối ưu của các phân tử nhỏ lên đích sinh học nhằm định hướng thiết kế thuốc.
Về mục tiêu sinh học, tác giả giới thiệu chi tiết cấu trúc phân tử CDK2 gồm hai thùy (thùy $\beta$ ở đầu amino và thùy $\alpha$ ở đầu carboxyl) với vị trí gắn kết ATP nằm tại khe rãnh giữa hai thùy. Điểm lại các công trình trong và ngoài nước, chương 1 trích dẫn nghiên cứu của Phan Thị Hoàng Anh (2013) về tổng hợp 30 dẫn xuất curcuminoid cho thấy các dẫn xuất isoxazole và pyrazole thể hiện độc tính tế bào cao hơn curcumin tự nhiên trên các dòng tế bào ung thư HepG2, Lu và RD; cùng các công bố quốc tế của C. Selvam, Chatchawan Changtam và Mahmood Ahmed chứng minh dị vòng pyrazole và isoxazole có hoạt tính kháng lao, chống viêm và kháng khuẩn vượt trội. Đáng chú ý, kết quả tổng quan về docking curcumin trước đây bằng phần mềm GOLD chỉ ra rằng curcumin tự nhiên không gắn kết thuận lợi vào khoang liên kết ATP của CDK2, CDK4 và CDK6, đặt ra yêu cầu cần biến đổi cấu trúc để gia tăng tính đặc hiệu lên thụ thể này.
Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, danh mục hóa chất, thông số dung môi và trang thiết bị nghiên cứu. Ban đầu, tác giả điều chế chất hút nước tri-$n$-butyl borate bằng cách đun hồi lưu 62 g (1,0 mol) boric acid với 555 mL (6,08 mol) $n$-butanol, thu dung dịch chưng cất, bổ sung tiếp 247 mL $n$-butanol và gia nhiệt đến 225 °C để đuổi hoàn toàn dung môi dư. Quy trình tổng hợp bốn dẫn xuất curcuminoid được tiến hành như sau:
- Hợp chất TT01: Cho acetylacetone (2,04 mL, 20 mmol) và boron oxide (0,7 g, 10 mmol) vào 50 mL ethyl acetate trong bình cầu hai cổ, thêm benzaldehyde (4,077 mL, 40 mmol) và tri-$n$-butyl borate (21,57 mL, 80 mmol), khuấy ở 80 °C trong 30 phút. Nhỏ giọt chậm dung dịch $n$-butylamine (0,986 mL, 10 mmol trong 5 mL ethyl acetate) qua xilanh trong 30 phút, tiếp tục khuấy phản ứng ở 80 °C trong 5 giờ (theo dõi qua TLC, hệ dung môi $n$-hexan : ethyl acetate = 95:5). Sau đó, thủy phân phức chất bằng 25 mL dung dịch HCl 1 M ở 80 °C trong 1 giờ, chiết phân đoạn bằng ethyl acetate ($3 \times 15\text{ mL}$), làm khan bằng $\text{Na}_2\text{SO}_4$, cô quay chân không và tinh chế bằng sắc ký cột silica gel.
- Hợp chất TT02: Hòa tan TT01 (200 mg, 0,725 mmol) trong 10 mL acid acetic ở 80 °C trong 30 phút, thêm hydroxylamine hydrochloride $\text{NH}_2\text{OH}\cdot\text{HCl}$ (0,1 g, 1,145 mmol), khuấy ở 80 °C trong 9 giờ (TLC $n$-hexan : EA = 9:1). Chiết bằng dichloromethane ($3 \times 15\text{ mL}$) và dung dịch $\text{NaHCO}_3$ bão hòa, làm khan và tinh chế qua cột sắc ký.
- Hợp chất TT03: Phản ứng giữa TT01 (200 mg, 0,725 mmol) và hydrazine hydrate $\text{NH}_2\text{NH}_2\cdot\text{H}_2\text{O}$ (71,04 $\mu$L, 1,145 mmol) trong 10 mL acid acetic ở 80 °C trong 5 giờ (TLC $n$-hexan : EA = 8:2), xử lý sản phẩm tương tự TT02.
- Hợp chất TT04: Phản ứng giữa TT01 (200 mg, 0,725 mmol) và phenylhydrazine hydrochloride $\text{C}_6\text{H}_5\text{NHNH}_2\cdot\text{HCl}$ (0,2 g, 1,145 mmol) trong 10 mL acid acetic ở 80 °C trong 8 giờ (TLC $n$-hexan : EA = 95:5).
Chương 2 đồng thời trình bày các bước chuẩn bị cấu trúc thụ thể 2R3I, giao thức thẩm định redocking phối tử SCF và thiết lập thông số docking trên MOE 2008.10: thuật toán chọn vị trí Triangle Matcher, hàm tính điểm số liên kết London dG và giai đoạn tinh chỉnh cấu hình năng lượng bằng trường lực Forcefield.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Nội dung chương 3 tập trung vào ba phần chính: tối ưu hóa điều kiện phản ứng, giải thích cơ chế hình thành phân tử và biện luận dữ liệu phổ nghiệm kết hợp phân tích tương tác docking. Tác giả thảo luận vai trò của ethyl acetate như một dung môi thích hợp giúp phản ứng aldol hóa đạt hiệu suất 89% (theo tài liệu đối chứng) tại 80 °C trong 4 giờ khi kết hợp tác nhân hút nước tri-$n$-butyl borate nhằm ngăn chặn nước phân hủy phức chất boron diketonate. Cơ chế phản ứng của TT01 được làm rõ qua 3 giai đoạn: tạo phức chelate boron để khóa tâm C-3; xúc tác amine bứt proton ở nhóm methyl để tấn công nucleophile vào carbonyl của benzaldehyde tạo nối đôi liên hợp trans; và giai đoạn acid phân giải phóng sản phẩm. Cơ chế tổng hợp TT02, TT03, TT04 diễn ra trong môi trường acid acetic thông qua sự proton hóa nhóm carbonyl của TT01, tạo điều kiện cho cặp electron tự do trên nguyên tử nitrogen của amine tấn công ái nhân, tiếp tục đóng vòng ngưng tụ tách nước tạo vòng isoxazole hoặc pyrazole bền vững.
Dữ liệu phổ nghiệm khẳng định cấu trúc hóa học của các sản phẩm:
- TT01 ((1E,4Z,6E)-5-hydroxy-1,7-diphenylhepta-1,4,6-trien-3-one): Thu được 4,1 g (hiệu suất 64%), chất rắn màu vàng xanh, điểm nóng chảy 141,4 °C. Phổ $^1\text{H}$-NMR ghi nhận các tín hiệu đối xứng: $\delta = 7{,}642\text{--}7{,}674\text{ ppm}$ ($d, J = 16\text{ Hz}, 2\text{H}, \text{H}-7,13$) và $\delta = 6{,}937\text{--}6{,}969\text{ ppm}$ ($d, J = 16\text{ Hz}, 2\text{H}, \text{H}-8,12$) chứng minh sự hiện diện của hai nối đôi dạng trans; mũi đơn $\delta = 6{,}218\text{ ppm}$ (1H, H-10) đặc trưng cho proton enolic; các tín hiệu thơm tại $7{,}424\text{--}7{,}738\text{ ppm}$. Phổ $^{13}\text{C}$-NMR chỉ xuất hiện 8 tín hiệu do tính đối xứng, trong đó pic carbonyl enol hóa tại 183,18 ppm. Phổ khối MS có mũi cơ bản $m/z = 275$ tương ứng ion $[\text{M}-\text{H}]^-$.
- TT02 (3,5-di((E)-styryl)isoxazole): Thu được 89,4 mg (hiệu suất 45,2%), dạng bột màu trắng hơi vàng, điểm nóng chảy 168,3 °C. Mất đi tín hiệu proton enolic của diketone, xuất hiện mũi đơn proton trên vòng isoxazole tại $\delta = 7{,}035\text{ ppm}$ (1H, H-10) và hai cặp proton vinyl có hằng số ghép lớn ($J = 16{,}5\text{ Hz}$) giữ nguyên cấu hình trans. Phổ khối MS xác nhận mũi ion phân tử phù hợp với khối lượng tính toán $M = 273\text{ g/mol}$.
- TT03 và TT04: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân và phổ khối lượng xác nhận phản ứng đóng vòng pyrazole diễn ra hoàn toàn, trong đó TT04 mang thêm các tín hiệu cộng hưởng của nhóm thế phenyl gắn trực tiếp trên nguyên tử nitrogen của dị vòng pyrazole.
Về kết quả mô phỏng tính toán, quy trình redocking phối tử đồng kết tinh SCF vào cấu trúc 2R3I cho thấy vị trí tái lập trùng khít với cấu trúc tinh thể thực nghiệm, khẳng định bộ thông số tính toán có độ tin cậy cao. Kết quả docking 4 dẫn xuất cùng curcumin và các dẫn xuất dị vòng tự nhiên chỉ ra rằng các phối tử tổng hợp chiếm giữ hiệu quả khoang liên kết ATP của CDK2, thiết lập các tương tác liên kết hydro với các amino acid quan trọng trong vùng bản lề (hinge region) cũng như các tương tác kỵ nước với chuỗi bên của các gốc amino acid xung quanh.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
Chương 4 đúc kết toàn bộ khối lượng công việc hoàn thành trong đề tài: đã tổng hợp trọn vẹn 04 dẫn xuất curcuminoid mạch hở và dị vòng từ benzaldehyde với quy trình thực nghiệm rõ ràng, độ lặp lại tốt; cấu trúc hóa học của các sản phẩm được chứng minh sáng tỏ qua các phương pháp phổ hiện đại ($^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, MS, HSQC); bước đầu xác định được đặc tính tương tác và điểm số docking của 04 dẫn xuất trên enzyme CDK2 thông qua phần mềm MOE 2008.10. Tác giả kiến nghị tiếp tục mở rộng tổng hợp các dẫn xuất mang nhiều nhóm thế khác nhau trên vòng thơm và tiến hành thử nghiệm hoạt tính ức chế enzyme CDK2 cũng như độc tính tế bào ung thư trong điều kiện thực nghiệm sinh học in vitro.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp 4 dẫn xuất curcuminoid từ chất nền đơn giản ban đầu là benzaldehyde với hiệu suất phân lập từ mức trung bình khá đến khá. Các thông số đặc trưng hóa lý và hiệu suất tổng hợp của các hợp chất được tổng hợp trong bảng dưới đây:
| Ký hiệu |
Tên gọi hóa học theo IUPAC |
Công thức phân tử |
Khối lượng phân tử (g/mol) |
Dạng tồn tại |
Điểm nóng chảy (°C) |
Hiệu suất tổng hợp |
| TT01 |
(1E,4Z,6E)-5-hydroxy-1,7-diphenylhepta-1,4,6-trien-3-one |
$\text{C}{19}\text{H}{16}\text{O}_2$ |
276 |
Rắn màu vàng xanh |
141,4 |
64,0% (4,1 g) |
| TT02 |
3,5-di((E)-styryl)isoxazole |
$\text{C}{19}\text{H}{15}\text{ON}$ |
273 |
Bột màu trắng hơi vàng |
168,3 |
45,2% (89,4 mg) |
| TT03 |
3,5-di((E)-styryl)-4H-pyrazole |
$\text{C}{19}\text{H}{16}\text{N}_2$ |
272 |
Dạng rắn |
— |
Đã tổng hợp thành công |
| TT04 |
1-phenyl-3,5-di((E)-styryl)-1H-pyrazole |
$\text{C}{25}\text{H}{20}\text{N}_2$ |
348 |
Dạng rắn |
— |
Đã tổng hợp thành công |
Về mặt đóng góp học thuật, đề tài đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp bảo vệ tâm phản ứng 1,3-diketone bằng phức chất boron đối với chất nền benzaldehyde không mang nhóm thế, cho phép tổng hợp dẫn xuất heptanoid đối xứng với hiệu suất tốt (64%) mà không bị ảnh hưởng bởi phản ứng ngưng tụ Knoevenagel. Nghiên cứu cung cấp bộ dữ liệu phổ nghiệm cộng hưởng từ hạt nhân đầy đủ ($^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, HSQC) và phổ khối lượng MS có giá trị tham chiếu cao cho chuỗi dẫn xuất styryl isoxazole và pyrazole. Bên cạnh đó, kết quả mô phỏng docking phân tử trên phần mềm MOE 2008.10 đã làm sáng tỏ cơ chế liên kết không gian của các dẫn xuất này trong khoang gắn kết của protein đích CDK2 (PDB: 2R3I), tạo cơ sở dữ liệu tính toán định hướng cho việc thiết kế các chất ức chế kinase kháng ung thư tiềm năng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế chính của khóa luận, như được cán bộ hướng dẫn và cán bộ phản biện chỉ rõ trong phiếu đánh giá, nằm ở việc phần thảo luận kết quả docking phân tử chưa thực sự đi sâu phân tích động học liên kết và các tương tác năng lượng chi tiết của từng cấu dạng. Ngoài ra, văn bản khóa luận còn tồn tại một số lỗi chính tả và cách diễn đạt chưa thật sáng ý. Về mặt nội dung khoa học, nghiên cứu dừng lại ở mức mô phỏng điện toán in silico, chưa thực hiện được các thử nghiệm hoạt tính sinh học thực tế trên mô hình enzyme (in vitro kinase assay) hoặc trên các dòng tế bào ung thư để kiểm chứng tương quan giữa điểm số docking và hoạt tính sinh học thực nghiệm.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất từ kết quả của đề tài gồm:
- Tiến hành thử nghiệm hoạt tính gây độc tế bào trên các dòng tế bào ung thư người và đánh giá khả năng ức chế trực tiếp enzyme CDK2 đối với 4 hợp chất đã tổng hợp.
- Phát triển dãy dẫn xuất mới bằng cách đưa các nhóm thế cho/rút electron (như nhóm methoxy, hydroxy, halogen, nitro) lên các vị trí khác nhau của vòng benzaldehyde để khảo sát sâu hơn mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính sinh học.
- Ứng dụng mô phỏng động học phân tử (Molecular Dynamics simulation) để đánh giá độ bền nhiệt động và sự biến đổi hình thể của phức hệ protein CDK2 - phối tử theo thời gian.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho sinh viên đại học, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa dược và Công nghệ Sinh học. Các nội dung thực nghiệm có giá trị ứng dụng thực tiễn cao bao gồm: quy trình kỹ thuật điều chế tri-$n$-butyl borate và cơ chế phản ứng aldol hóa có bảo vệ nhóm chức bằng phức boron; các bước tổng hợp đóng vòng dị vòng năm cạnh isoxazole và pyrazole trong môi trường acid; phương pháp giải tích và biện luận chi tiết phổ NMR ($^1\text{H}$, $^{13}\text{C}$, HSQC) đối với các hợp chất mang khung liên hợp styryl đối xứng; và quy trình chuẩn bị thụ thể, thẩm định redocking cùng các bước thiết lập thông số docking phân tử trên phần mềm MOE.
Câu hỏi thường gặp
1. Vai trò của boron oxide ($\text{B}_2\text{O}_3$) và tri-$n$-butyl borate trong phản ứng tổng hợp chất TT01 là gì?
Trong phản ứng tổng hợp dẫn xuất TT01 giữa acetylacetone và benzaldehyde, nhóm methylene ở vị trí C-3 của acetylacetone có tính acid cao và rất dễ tham gia phản ứng ngưng tụ Knoevenagel không mong muốn. Boron oxide phản ứng với acetylacetone tạo thành phức chất chelate boron bảo vệ vị trí C-3, định hướng xúc tác $n$-butylamine chỉ bứt proton ở hai nhóm methyl đầu mạch (C-1 và C-5) để phản ứng với benzaldehyde. Tri-$n$-butyl borate được thêm vào với vai trò chất hút nước sinh ra trong quá trình phản ứng, ngăn ngừa nước thủy phân sớm phức chất boron diketonate trước khi phản ứng ngưng tụ hoàn thành.
2. Hợp chất TT01 được tổng hợp với các thông số hóa lý và hiệu suất như thế nào?
Hợp chất TT01 có tên IUPAC là (1E,4Z,6E)-5-hydroxy-1,7-diphenylhepta-1,4,6-trien-3-one, công thức phân tử $\text{C}{19}\text{H}{16}\text{O}_2$, khối lượng phân tử 276 g/mol. Phản ứng sử dụng 40 mmol benzaldehyde và 20 mmol acetylacetone, xúc tác $n$-butylamine trong dung môi ethyl acetate ở 80 °C trong 5 giờ, sau đó thủy phân bằng dung dịch HCl 1 M. Lượng sản phẩm sạch thu được sau sắc ký cột là 4,1 g, đạt hiệu suất 64,0%, tồn tại ở dạng chất rắn màu vàng xanh với điểm nóng chảy thực nghiệm đo được là 141,4 °C.
3. Vì sao tác giả lại định hướng tổng hợp các dẫn xuất chứa dị vòng isoxazole và pyrazole thay vì giữ nguyên cấu trúc curcumin tự nhiên?
Cấu trúc 1,3-diketone mạch hở của curcumin tự nhiên là nguyên nhân chính dẫn đến tính kém bền hóa học, dễ bị phân hủy chuyển hóa nhanh và có độ tan rất thấp, làm giảm sinh khả dụng trong cơ thể. Việc đóng vòng 1,3-diketone thành dị vòng năm cạnh chứa dị tố nitrogen và oxygen (isoxazole) hoặc hai dị tố nitrogen (pyrazole) giúp cố định cấu hình không gian, tăng độ bền chuyển hóa, đồng thời duy trì hoặc gia tăng ái lực liên kết với các thụ thể sinh học đích như protein kinase.
4. Mục tiêu sinh học nào được lựa chọn để docking phân tử và thông số của thụ thể đó trong nghiên cứu là gì?
Mục tiêu sinh học được lựa chọn là protein Cyclin-dependent kinase 2 (CDK2) - một enzyme điều hòa chu trình tế bào liên quan mật thiết đến sự tăng sinh mất kiểm soát trong bệnh ung thư. Cấu trúc ba chiều của phức hợp protein CDK2 được lấy từ Ngân hàng Dữ liệu Protein với mã PDB là 2R3I, xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X với độ phân giải cao 1,28 Å, đồng kết tinh cùng phối tử ức chế chuẩn SCF (5-(2-fluorophenyl)-$N$-(pyridin-4-ylmethyl)pyrazolo[1,5-a]pyrimidin-7-amine).
5. Bằng chứng phổ nghiệm nào chứng minh phản ứng đóng vòng isoxazole của chất TT02 đã diễn ra thành công?
Trên phổ $^1\text{H}$-NMR của hợp chất TT02, tín hiệu proton enolic đặc trưng của nhóm 1,3-diketone ở chất nền TT01 ($\delta = 6{,}218\text{ ppm}$) hoàn toàn biến mất, thay vào đó xuất hiện mũi đơn đặc trưng của proton trên vòng isoxazole tại vị trí $\delta = 7{,}035\text{ ppm}$ (1H, H-10). Đồng thời, các proton của liên kết đôi vinyl vẫn xuất hiện dạng mũi đôi với hằng số ghép lớn ($J = 16{,}5\text{ Hz}$), chứng minh khung styryl giữ nguyên cấu hình trans và phổ khối lượng MS ghi nhận mũi ion phù hợp với phân tử lượng 273 g/mol của $\text{C}{19}\text{H}{15}\text{ON}$.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Tạ Ngọc Thúy đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu tổng hợp toàn phần 04 dẫn xuất curcuminoid mạch hở và dị vòng (TT01, TT02, TT03, TT04) xuất phát từ tiền chất benzaldehyde với hiệu suất thực nghiệm tin cậy. Cấu trúc không gian và độ tinh khiết của các dẫn xuất được xác định sáng tỏ thông qua hệ thống phổ nghiệm hiện đại gồm $^1\text{H}$-NMR, $^{13}\text{C}$-NMR, HSQC và phổ khối MS. Mô phỏng docking phân tử trên phần mềm MOE 2008.10 bước đầu làm rõ khả năng gắn kết và cơ chế tương tác của các phân tử phối tử trên thụ thể kinase CDK2 (PDB: 2R3I). Toàn bộ công trình đóng góp quy trình thực nghiệm chuẩn mực cho việc tổng hợp hóa học dị vòng dẫn xuất curcumin và đặt nền tảng dữ liệu cho các nghiên cứu sàng lọc thuốc kháng ung thư tiếp theo.