Tóm tắt Luận án Nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion

1 A-GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án Piperazinedion là một trong lớp cấu trúc phổ biến được tìm thấy trong tự nhiên, có nhiều hoạt tính sinh học quý như: Tryprostatins A-B có hoạt tính ức chế khối u, Cyclotryprostatin A-D có hoạt tính ức chế chu kỳ phát triển tế bào động vật có vú [80], Fumitremorgin C là một chất ức chế BCRP/ABCG2 làm kháng trung gian trong hóa trị liệu để điều trị ung thư vú, phenylahistin có hoạt tính ức chế tubulin... chúng là những hợp chất tiềm năng để phát triển các loại thuốc chống ung thư. Ngoài ra, piperazinedion còn là các synthon quan trọng được sử dụng trong tổng hợp toàn phần và bán tổng hợp nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học mạnh như saframycin, eteinascindin, tadalafil Trong đó tadalafil là một dẫn xuất tổng hợp quan trọng có khả năng ức chế enzym phosphodiesterase nên được sử dụng làm thuốc trong điều trị rối loạn sinh lý nam giới và còn được sử dụng để điều trị bệnh tăng huyết áp động mạch phổi. Đây là thuốc sắp hết hạn quyền bảo hộ nên được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu tổng hợp, nhằm ứng dụng vào sản xuất thương mại. Do có nhiều hoạt tính sinh học lý thú, “nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion” nhằm tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính sinh học lý thú và xây dựng qui trình tối ưu cho tổng hợp thuốc tadalafil vẫn đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Từ những lý do được nêu trên, luận án này tập trung nghiên cứu tổng hợp dẫn xuất mới của piperazinedion và nghiên cứu xây dựng qui trình tổng hợp tadalafil với qui mô 100g/mẻ nhằm tìm kiếm các hợp chất mới có hoạt tính sinh học lý thú đồng thời tìm kiếm qui trình triển khai tổng hợp tadalafil có khả năng ứng dụng vào sản xuất. 2. Nhiệm vụ của luận án 2.1 Nghiên cứu tổng hợp các piperazinedion chứa khung tetrahiđro-β-cacbolin Tổng hợp các hợp chất piperazinedion chúng tôi đi tổng hợp các hợp chất tetrahydro- β-cacbolin làm khung cơ sở, sau đó hợp chất được axyl hoá bằng tác nhân cloaxetyl clorua và vòng hoá với các amin bậc 1 nhận được các piperazinedion. 2.2 Nghiên cứu tổng hợp các piperazinedion mô phỏng hợp chất thiên nhiên Việc đưa thêm các nhóm thế vào vị trí C3 của vòng piperazinedion nhằm tìm kiếm các hợp chất mới theo mô phỏng các hợp chất có nguốn tự nhiên có hoạt tính sinh học mạnh như (-)-phenylahistin (8), roquefortin C (10) 2.3 Nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion có khung hexahydropyperazin- [1, 2b]-isoquinolin Các hợp chất hexahydropyrazin-[1,2b]-isoquinolin được nghiên cứu tổng hợp qua năm bước phản ứng từ nguyên liệu đầu naphthalen-1,4-dion, etyl 2- (diphenylmetyleneamino) axetat và các amin bậc một. 2.4 Nghiên cứu quy trình tổng hợp tadalafil Nghiên cứu xây dựng qui trình tổng hợp tadalafil với qui mô 100g/mẻ nhằm tìm kiếm qui trình triển khai tổng hợp tadalafil có khả năng ứng dụng vào sản xuất. 2 2.5 Xác định hoạt tính gây độc tế bào của một số hợp chất piperazinedion Các hợp chất piperazinedion được thử hoạt tính gây độc tế bào trên 4 dòng tế bào ung thư thực nghiệm. Tế bào ung thư biểu mô KB (Human epidermic carcinoma), ung thư gan Hep-G2 (Hepatocellular carcinoma), ung thư phổi LU (Human lung carcinoma) và ung thư vú MCF-7 (Human breast carcinoma). 3. Những đóng góp mới của luận án 1. Luận án đã tổng hợp được 56 hợp chất piperazinedion mới chứa khung tetrahidro-β- cacbolin từ nguyên liệu đầu L-tryptophan qua 4 bước 2. Luận án đã tổng hợp được 10 hợp chất piperazinedion mới có khung hexahydropyrazin- [1,2b]-isoquinolin qua năm bước phản ứng. 3. Luận án đã tổng hợp thành công 2 hợp chất piperazinedion mới mô phỏng theo cấu trúc của hợp chất thiên nhiên (-)-phenylahistin. 4. Luận án xây dựng quy trình tối ưu tổng hợp tadalafil với quy mô 100g/mẻ với hiệu suất 86,5%. 5. Luận án đã xác định được 18 hợp chất piperazinedion mới chứa khung tetrahidro-β- cacbolin có hoạt tính ức chế sự phát triển của tế bào ung thư, tập trung vào hai dòng ung thư là KB và LU. Trong đó chất piperazinedion 119a gây độc tế bào tương đối mạnh với cả hai dòng KB (3,59 μg/ml) và LU (8,0 μg/ml), chất piperazinedion 116d gây độc tế bào mạnh với hai dòng Hep-G2 (8,0 μg/ml) và KB (4,4 μg/ml). 4. Bố cục của luận án Luận án có 145 trang bao gồm: Mở đầu: 2 trang Chương 1: Tổng quan 25 trang Chương 2: Thực nghiệm 60 trang Chương 3: Kết quả và thảo luận 55 trang Kết luận: 1 trang Phần tài liệu tham khảo có 116 tài liệu về lĩnh vực liên quan của luận án, được cập nhật dến năm 2015. Phần phụ lục gồm 80 trang gồm các loại phổ của các chất tổng hợp được. 5. Phương pháp nghiên cứu Các chất được tổng hợp theo các phương pháp tổng hợp hữu cơ hiện đại đã biết, có cải tiến và vận dụng thích hợp vào các trường hợp cụ thể. Sản phẩm phản ứng được làm sạch bằng phương pháp sắc kí cột và kết tinh lại. Cấu trúc của sản phẩm được xác định bằng các phương pháp phổ hiện đại như: IR, MS, 1H-NMR, 13C-NMR. Hoạt tính sinh học được thăm dò theo phương pháp của Mossman trên bốn dòng tế bào ung thư KB, Hep-G2, Lu và MCF7. 3 B-NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương 1. TỔNG QUAN Tổng quan gồm 25 trang, tổng kết tài liệu về tình hình nghiên cứu phân lập, hoạt tính sinh học và các phương pháp tổng hợp các hợp chất piperazinedion của các tác giả trong và ngoài nước. Chương 2. THỰC NGHIỆM Thực nghiệm gồm 60 trang, trình bày chi tiết về các phương pháp nghiên cứu, quy trình tổng hợp, tinh chế, các tính chất vật lý của các sản phẩm nhận được như: điểm chảy, hình thái, màu sắc, hiệu suất phản ứng và dữ liệu chi tiết các phổ IR, MS, 1H-NMR, 13C- NMR. Chúng tôi đã đưa ra phương pháp tổng hợp các hợp chất piperazinedion chứa khung tetrahiđro-β-cacbolin từ nguyên liệu đầu là L-tryptophan qua 4 bước. Chúng tôi đã đưa ra phương pháp tổng hợp các hợp chất piperazinedion mô phỏng hợp chất tự nhiên có hoạt tính chống ung thư mạnh, từ nguyên liệu đầu L-tryptophan qua 7 bước. Chúng tôi đã đưa ra phương pháp tổng hợp các hợp chất piperazinedion chứa khung hexahydropyperazin-[1,2b]-isoquinolin từ nguyên liệu đầu là 1,4-naphtoquinon. Chúng tôi đã nghiên cứu tổng hợp tadalafil từ đó đưa ra quy trình tổng hợp tadalafil quy mô 100g/mẻ từ nguyên liệu đầu là D-tryptophan metyl este hiđroclorua và piperonal. Chúng tôi đã xác định hoạt tính gây độc tế bào của một số hợp chất piperazinedion. Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tổng hợp các hợp chất tetrahydro-β-cacbolin Để tổng hợp các hợp chất piperazinedion chúng tôi phải tổng hợp các hợp chất tetrahydro-β-cacbolin làm khung cơ sở, sau đó hợp chất được axyl hoá bằng tác nhân cloaxetyl clorua và vòng hoá với các amin bậc 1 nhận được các piperazinedion. Ngoài ra, tetrahiđro-β-cacbolin còn là các synthon quan trọng cho tổng hợp nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học lý thú khác như tadalafil, do đó chúng tôi nghiên cứu tổng hợp các tetrahydro- β-cacbolin từ L-trytophan. Sơ đồ 1 3.1.1. Tổng hợp tetrahydro-β-cacbolin 112e Chất chìa khóa để tổng hợp các tetrahydro-β-cacbolin là L-tryptophan etyl este 111 được tổng hợp từ nguyên liệu L-tryptophan 110 và etanol trong sự có mặt của xúc tác TsOH và TsCl nhận được hợp chất L-tryptophan etyl este 111 với hiệu suất sản phẩm thô 98%. Tiếp theo, thực hiện phản ứng Pictet-Spengler giữa hợp chất 111 với 2-naphthadehyde nhận 4 được hai hợp chất 112e là hỗn hợp hai đồng phân cis-trans (sơ đồ 2) được tách riêng biệt nhờ sắc ký cột với hiệu suất lần lượt là 28% và 62%. Sơ đồ 2 Trên phổ 1H-NMR của hợp chất cis-112e thể hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng có mặt trong phân tử. Tín hiệu cộng hưởng ở vùng trường cao dạng triplet tại 1,34 ppm (3H, t, J = 7,0 Hz) là đặc trưng của nhóm metyl của nhóm etoxi, ngoài ra tín hiệu tại multiplet trong khoảng 4,24-4,31 ppm (2H, m) là đặc trưng của nhóm metilen của etoxi. Tín hiệu dạng doublet-doublet-doublet tại 3,06 ppm (1H, ddd, J = 2.5, 11.5, 15.0 Hz) được gán cho vị trí H-4a và tín hiệu doublet-doublet-doublet ở 3,26 (1H, ddd, J = 1.5, 15.0, 4.0 Hz) được gán cho vị trí H-4b. Tín hiệu doublet-doublet tại 4,00 ppm (1H, dd, J= 4,0, 11,0 Hz) được gán cho vị trí H-3. Tín hiệu singlet tại 5.39 ppm (1H, s) được gán cho H-1. Ngoài ra trên phổ 1H-NMR thể hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của 11 proton vùng thơm. Trên phổ 13C-NMR của hợp chất cis-112e thể hiện đầy đủ tín hiệu cộng hưởng của của 24 nguyên tử cacbon, trong đó nhóm CH3 cộng hưởng tại δ = 14,2 ppm, tín hiệu của hai nhóm CH2 cộng hưởng tại 25,6 ppm (C-4) và 61,2 ppm (OCH2), tín hiệu của hai nhóm CH cộng hưởng tại 56,9 ppm (C-3) và 58,8 ppm (C-1), tín hiệu của nhóm cacbonyl cộng hưởng tại 172,7 ppm. Các tín hiệu còn lại là của cacbon thơm. Từ các kết quả phân tích phổ 1H-NMR và 13C-NMR cho phép khẳng định cấu trúc của hợp chất cis-112e. Cơ chế của các phản ứng Pictet-Spengler giữa 111 và các anđehit được giải thích như sau [113,114]: Sơ đồ 3[113,114] 5 3.1.2. Tổng hợp các tetrahydro-β-cacbolin 112 Thành công của phản ứng tổng hợp chất 112e chúng tôi tiếp tục nghiên cứu tổng hợp các tetrahydro-β-cacbolin 112 khác. Nguyên liệu L-tryptophan etyl este 111 phản ứng với các anđehit khác trong điều kiện đun hồi lưu dung môi benzen nhận được các cặp đồng phân cis/trans tetrahydro-β-cacbolin, các đồng phân này được tách riêng biệt nhờ sắc ký cột. Cấu trúc của các sản phẩm được chứng minh bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (phụ lục 1-18). Hiệu suất phản ứng Pictet-Spengler giữa hợp chất 111 với các anđehit và tỷ lệ các đồng phân cis/trans được tóm tắt trong bảng 3.1. Sơ đồ 4 Bảng 3.1: Hiệu suất và tỷ lệ các đồng phân trong phản ứng Pictet-Spengler STT Hợp chất Nhóm thế Ar Hiệu suất (%) Tỉ lệ cis/trans δC1-H (cis/trans) 1 112a 3-metoxiphenyl 90 31/69 5,22/5,39 2 112b 3-bromphenyl 90 34/66 5,20/5,40 3 112c 4-metoxiphenyl 79 21/79 5,20/5,36 4 112d 4-bromphenyl 77 23/77 5,23/5,35 5 112e 2-Naphtyl 69 29/71 5,39/5,53 6 112f 3-furyl 78 32/68 5,24/5,33 Từ bảng 3.1 cho thấy, tỷ lệ đồng phân cis 112 thấp hơn đồng phân trans 112. Kết quả này phù hợp với các công bố trước đây về tổng hợp khung tetrahiđro-β-cacbolin bằng phản ứng Pistet-Spengler [112-113]. Cũng theo các kết quả công bố trước đây đã chứng minh rằng, dựa vào độ dịch chuyển hóa học (δ) của proton ở C1 nhận biết được các đồng phân cis và trans. Đồng phân cis thì δ (C1-H) dịch chuyển về phía trường cao, còn đồng phân trans thì δ (C1-H) dịch chuyển về phía trường thấp [112-113]. Như vậy, luận án đã tổng hợp được 12 hợp chất tetrahiđro-β-cacbolin từ nguyên liệu đầu là L-tryptophan qua hai bước phản ứng este hóa và phản ứng Pictet-Spengler. Đây là nguyên liệu quan trọng để tổng hợp các piperazinedion. 3.2. Tổng hợp các hợp chất etyl-2-(2-cloroaxetyl)-1-aryl-2,3,4,9-tetrahydro-1H-β- cacbolin-3-cacboxylat (113) Các hợp chất 113 là chìa khóa quan trọng trong mắt xích tổng hợp các hợp chất piperazinedion. Các hợp chất 113 được tổng hợp nhờ phản ứng của các hợp chất 112 với tác nhân 2-cloroaxetyl clorua trong sự có mặt của dung dịch NaHCO3 bão hòa trong dung môi 6 phản ứng là EtOAc ở 0oC nhận được các sản phẩm etyl-2-(2-cloroaxetyl)-1-aryl-2,3,4,9- tetrahydro-1H-β-cacbolin-3-cacboxylat. Hai hợp chất đầu tiên được tổng hợp là cis-113a và trans-113a từ nguyên liệu là cis- 112a và trans-112a phản ứng với 1,2 đương lượng (eq) ClCH2COCl, trong dung môi etyl axetat có mặt của NaHCO3, hiệu suất lần lượt 95% và 91%. Sơ đồ 5 Cơ chế của phản ứng axyl hoá giữa hợp chất cis-113a với tác nhân 2-cloroaxetyl clorua được giải thích : Sơ đồ 6 Từ thành công của phản ứng tổng hợp 2 hợp chất cis-113a và trans-113a, chúng tôi tiến hành tổng hợp các hợp chất etyl-2-(2-cloroaxetyl)-1-aryl-2,3,4,9-tetrahydro-1H-β- cacbolin-3-cacboxylat 113b-f từ nguyên liệu 112b-f theo sơ đồ 7: Sơ đồ 7 Như vậy, luận án đã tổng hợp được 12 hợp chất trung gian etyl-2-(2-chloroacetyl)-1- aryl-2,3,4,9-tetrahydro-1H-β-cacboline-3-carboxylates 113 với hiệu suất cao từ 73-98%. 7 3.3. Tổng hợp các piperazinedion chứa khung tetrahiđro-β-cacbolin 3.3.1 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ hợp chất cis-113a Từ hợp chất cis-113a được đóng vòng lần lượt với các hợp chất metylamin hoặc etylamin, n-propyamin, n-butylamin, benzylamin, 4-metoxibenzylamin nhận được các hợp chất 114a-f với hiệu suất phản ứng đạt 92-97%. Các hợp chất được làm sạch bằng sắc ký cột. Cấu trúc của các hợp chất 114a-f cũng được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1 H-NMR và 13 C-NMR. Sơ đồ 8 Trên phổ IR của hợp chất 114a có các đỉnh hấp phụ đặc trưng của nhóm amin bậc II thể hiện ở đỉnh hấp phụ 3307cm-1, đỉnh hấp phụ của nhóm cacbonyl 1655cm-1. Ngoài ra, trên phổ IR còn xuất hiện các đỉnh hấp phụ của các liên kết C-H bão hòa, C-O, C-H và C=C của nhân thơm. Trên phổ ESI-MS cho pic ion phân tử ở m/z 376,1 [M+H]+ và 374,1 [M-H]+ phù hợp với công thức phân tử C22H21N3O3 của hợp chất 114a. Trên phổ 1H-NMR của hợp chất 114a xuất hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của proton có mặt trên phân tử. Tín hiệu cộng hưởng của ba proton singlet tại 2,95 ppm là đặc trưng của nhóm N-CH3. Tín hiệu cộng doublet-doublet với hằng số tương tác 11,5 và 16,0 Hz tại 3,10 ppm được gán cho proton H-12a. Tín hiệu của proton H-12b cộng hưởng tại 3,62 ppm với hằng số tương tác 4,5 và 16,0 Hz. Proton ở vị trí H-3 thể hiện cặp doublet tại 3,83 ppm và 4,03 ppm với hằng số tương tác 16,0 Hz. Proton ở vị trí H-13 là tín hiệu doublet-doublet tại 4,23 ppm với hằng số tương tác 4,0 và 11,5 Hz. Proton ở vị trí H-6 là tín hiệu singlet tại 6,11 ppm. Ngoài ra, trên vùng trường thấp trên 1H-NMR của hợp chất 114a thể hiện tín hiệu cộng hưởng của 8 proton thơm, tín hiệu của nhóm metoxi cộng hưởng tại 3,63 ppm. 8 Hình 3.3: Phổ 13C-NMR thể hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của 22 nguyên tử cacbon của chất 114a, trong đó có hai tín hiệu của nhóm cacbonyl. Phân tích phổ trên cho phép khẳng định cấu trúc của hợp chất 114a. Hình 3.4: Cơ chế đóng vòng giữa hợp chất cis-113a với metylamin được giải thích như sau: 9 Sơ đồ 9. Như vậy, từ hợp chất cis-113a, đã tổng hợp được 6 dẫn xuât piperazinedion 114a-f với hiệu suất cao, cấu trúc được chứng minh bằng các phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. 3.3.2 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ hợp chất trans-113a Bằng cách tương tự, hợp chất trans-113a phản ứng với 5 đương lượng metylamin, etylamin, n-propyamin, n-butylamin, benzylamin, 4-metoxibenzylamin trong dung môi EtOH ở nhiệt độ phòng trong 24h nhận được các hợp chất 115a-f với hiệu suất phản ứng đạt 87-96% (Sơ đồ 10). Cấu trúc của các hợp chất 115a-f được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR và 13C-NMR. Sơ đồ 10 So sánh phổ 1H-NMR của các sản phẩm piperazinedion cis 114a và trans 115a nhận thấy, độ dịch chuyển hóa học (δ) của proton ở C-6 khác nhau nhiều. Đồng phân cis 114a thì δ của proton C-6 dịch chuyển về phía trường cao, trong khi đồng phân trans 115a thì δ của proton C-6 dịch chuyển về phía trường thấp. Khi so sánh các cặp đồng phân cis 114 và trans 115 khác cũng thu được kết quả tương tự (bảng 3.2). Bảng 3.2: So sánh phổ 1H-NMR của hợp chất 114 và 115 Piperazinedion Nhóm thế R δC6-H Hợp chất 114 Hợp chất 115 10 Piperazinedion Nhóm thế R δC6-H Hợp chất 114 Hợp chất 115 Metyl 6,11 7,00 Etyl 6,21 7,00 n-Propyl 6,17 7,00 n-Butyl 6,17 6,99 Benzyl 6,20 6,96 4-metoxibenzyl 6,18 6,97 Kết quả ở bảng 3.2 phù hợp với khung tetrahidro-β-cacbolin ban đầu, từ đó rút ra nhận xét, có thể phân biệt cặp đồng phân cis/trans bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Tiếp theo hợp chất trans-113a phản ứng với 5 đương lượng dung dịch NH3 trong môi trường EtOH nhận được 115g với hiệu suất 90%. Cấu trúc của hợp chất 115g được chứng minh bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Sơ đồ 11 Nhóm NH của hợp chất 115g được bảo vệ nhờ phản ứng với anhidrit axetic trong sự có mặt của pyridin nhận được hợp chất 115h với hiệu suất 94%. Cấu trúc của hợp chất 115h được chứng minh bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Sơ đồ 12 Như vậy, từ dẫn xuất trans-113a chúng tôi đã tổng hợp thêm 8 dẫn xuât piperazinedion 115a-h với hiệu suất cao, cấu trúc được chứng minh bằng các phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. 11 3.3.3. Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ các hợp chất cis- 113b Tương tự, hợp chất cis-113b phản ứng lần lượt với các hợp chất metylamin hoặc etylamin, n-propyamin, n-butylamin, benzylamin, 4-metoxibenzylamin nhận được các hợp chất 118a-f với hiệu suất phản ứng đạt 90-97%. Cấu trúc của các hợp chất 118a-f được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR và 13C-NMR. Sơ đồ 13 Từ hợp chất cis-113b chúng tôi đã tổng hợp được 6 hợp chất piperazinedion 118a-f với hiệu suất cao, cấu trúc được chứng minh bằng các phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. 3.3.4 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ hợp chất trans-113b Tương tự, hợp chất trans-113b phản ứng lần lượt với các hợp chất metylamin hoặc etylamin, n-propyamin, n-butylamin, benzylamin, 4-metoxibenzylamin nhận được các hợp chất 119a-f với hiệu suất phản ứng đạt 89-93%. Cấu trúc của các hợp chất 119a-f được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR và 13C-NMR. Sơ đồ 14 Từ hợp chất trans-113b luận án đã tổng hợp thành công 6 hợp chất piperazinedion mới là 119a-f với hiệu suất cao, cấu trúc được chứng minh bằng các phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. Phổ 1H-NMR của các sản phẩm piperazinedion cis-118 và trans-119 cũng thu được kết quả giống như với các hợp chất cis-114/trans-115, nghĩa là đồng phân cis-118 thì độ chuyển dịch hoá học (δ) của proton tại vị trí C-6 dịch chuyển về phía trường cao, trong khi đồng phân trans 119 dịch chuyển về phía trường thấp. 3.3.5 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ các hợp chất cis-113d Hợp chất cis-113d phản ứng lần lượt với các hợp chất metylamin hoặc etylamin, n- propylamin, n-butylamin, benzylamin và 4-metoxibenzylamin nhận được các hợp chất 120a-f với hiệu suất phản ứng đạt 88-95% (sơ đồ 15). Cấu trúc của các hợp chất 120a-f được chứng minh bằng phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR và 13C-NMR. 12 Sơ đồ 15 Từ hợp chất cis-113d, luận án đã tổng hợp thành công 6 hợp chất piperazinedion mới 120a-f. Cấu trúc của các hợp chất được chứng minh bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. 3.3.6 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ các hợp chất trans-113d Tiếp tục tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ hợp chất trans-113d có chứa nhân thơm thế brom. Bằng cách tương tự, hợp chất trans-113d phản ứng lần lượt với các hợp chất metylamin hoặc etylamin n-propylamin, n-butylamin, benzylamin và 4- metoxibenzylamin nhận được các hợp chất 121a-f với hiệu suất phản ứng đạt 88-93% (sơ đồ 16). Cấu trúc của các hợp chất 121a-f được chứng minh bằng phương pháp phổ IR, MS, 1 H-NMR và 13 C-NMR. Sơ đồ 16 Tiếp theo, hợp chất trans-113d phản ứng với 5 đương lượng amoniac trong dung môi EtOH ở nhiệt độ phòng, nhận được hợp chất 121g với hiệu xuất 89% (sơ đồ 17). Cấu trúc của 121g được chứng minh bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Sơ đồ 17 Tiếp theo, để bảo vệ nhóm NH hợp chất 121g phản ứng với anhidrit axetic trong pyridin nhận được hợp chất axetyl hóa 121h (sơ đồ 18). 13 Sơ đồ 18 Trên phổ 1H-NMR của hợp chất 121h xuất hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của proton có mặt trên phân tử. So với phổ của hợp chất 121g, phổ của 121h xuất hiện thêm tín hiệu cộng hưởng của ba proton singlet tại 2,58 ppm là đặc trưng của nhóm axyl (Ac). Trên phổ 13C-NMR thể hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của 22 nguyên tử cacbon của chất 121h, trong đó có ba tín hiệu của nhóm cacbonyl. Phân tích phổ trên cho phép khẳng định cấu trúc của hợp chất 121h. Như vậy, từ hợp chất trans-113d chúng tôi đã tổng hợp thành công 8 hợp chất piperazinedion mới 121a-h. Cấu trúc của các hợp chất được chứng minh bằng các phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Khi so sánh phổ 1H-NMR của các sản phẩm piperazinedion cis 120 và trans 121 cũng thu được kết quả, đồng phân cis 120 thì δ của proton C-6 dịch chuyển về phía trường cao, còn đồng phân trans 121 thì δ của proton C-6 dịch chuyển về phía trường thấp. 3.3.7 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ hợp chất cis- 113e Đồng phân cis-113e phản ứng lần lượt với các hợp chất metylamin hoặc etylamin, n- propylamin, n-butylamin, benzylamin và 4-metoxibenzylamin nhận được các hợp chất 116a-f với hiệu suất phản ứng đạt 89-96% (sơ đồ 19). Cấu trúc của 116a-f được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR và 13C-NMR. Sơ đồ 19 Từ hợp chất cis-113e luận án đã tổng hợp thành công 6 hợp chất piperazinedion mới 116a-f. Cấu trúc của các hợp chất được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1H- NMR và 13 C-NMR. 3.3.8 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ hợp chất trans- 113e Tiếp tục hướng tổng hợp các hợp chất piperazinedion có nhóm thế napthalen nhằm tìm kiếm các hợp chất có cấu trúc mới và có hoạt tính lý thú, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ hợp chất trans- 113e. Hợp chất trans-113e phản ứng lần lượt với các hợp chất metylamin hoặc etylamin, n-propylamin, n-butylamin, 14 benzylamin và 4-metoxibenzylamin nhận được các hợp chất 117a-f với hiệu suất phản ứng đạt 92-96% (sơ đồ 20). Cấu trúc của các hợp chất 117a-f được chứng minh bằng phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR và 13C-NMR. Sơ đồ 20 Như vậy, từ hợp chất trans-113e luận án đã tổng hợp thành công 6 hợp chất piperazinedion mới 117a-f. Cấu trúc của các hợp chất được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR và 13C-NMR. Khi so sánh phổ 1H-NMR của các sản phẩm piperazinedion cis 116 và trans 117 cũng thu được kết quả, đồng phân cis 116 thì δ của proton C-6 dịch chuyển về phía trường cao, còn đồng phân trans 117 thì δ của proton C-6 dịch chuyển về phía trường thấp. 3.3.9 Tổng hợp các hợp chất piperazinedion từ các hợp chất cis/trans- 113f Ngoài hoạt tính sinh học quý được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, các hợp chất piperazinedion còn là nguyên liệu cho tổng hợp toàn phần nhiều hợp chất thiên nhiên có hoạt tính cao. Để chuyển hóa tiếp được các hợp chất piperazinedion, đầu tiên hợp chất cis/trans- 113f phản ứng với 5 đương lượng amoniac, trong dung môi etanol ở nhiệt độ phòng nhận được các hợp chất 122 và 123 với hiệu suất lần lượt là 95% và 92% (sơ đồ 21). Cấu trúc của 122 và 123 được chứng minh bằng các phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. Sơ đồ 21 Bước tiếp theo, các hợp chất 122 và 123 tiếp tục được axyl hóa nhóm NH nhờ phản ứng với anhiđrit axetic với sự có mặt của pyridin nhận được hai dẫn xuất axyl 124 và 125 nhằm bảo vệ nhóm NH cho chuyển hóa tiếp theo. Cấu trúc của 124 và 125 được chứng minh bằng các phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. 15 Sơ đồ 22 Trên phổ 1H-NMR của hợp chất 124 và 125 ngoài các tín hiệu cộng hưởng của các proton giống như hợp chất 122 và 123, còn xuất hiện thêm tín hiệu cộng hưởng singlet của 3 proton tại 2,6 ppm đặc trưng cho nhóm axyl. Ngoài ra, trên phổ 13C-NMR của hai hợp chất này đều xuất hiện thêm 2 tín hiệu cộng hưởng tại 171,9 ppm gán cho nhóm cacbonyl và 27,3 ppm gán cho nhóm metyl của nhóm axyl. Như vậy, từ nguyên liệu là hai đồng phân cis/trans-113f luận án đã tổng hợp được 4 hợp chất piperazinedion mới là 122-125. Cấu trúc của các hợp chất này đều được chứng minh bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Đây cũng là những nguyên liệu cho tổng hợp các hợp chất mới mô phỏng các hợp chất tự nhiên. Tóm lại, từ nguyên liệu đầu là L-tryptophan luận án đã tổng hợp thành công 56 hợp chất piperazinedion mới có khung tetrahidro-β-cacbolin với hiệu suất cao. Cấu trúc của các hợp chất này đều được chứng minh bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. 3.4. Tổng hợp các hợp chất piperazinedion mô phỏng hợp chất thiên nhiên Đầu tiên, tổng hợp hợp chất 121h qua hai bước (phần 3.3.6). Sau đó, hợp chất 121h phản ứng với ba đương lượng andehit trong sự có mặt của tác nhân kiềm Cs2CO3. Phản ứng được thực hiện trong hỗn hợp dung môi DMSO/EtOAC ở nhiệt độ 80oC, nhận được hợp chất 131 với hiệu suất 43%. Sơ đồ 23 Cấu trúc của sản phẩm 131 được chứng minh bằng cộng hưởng từ hạt nhân. Trên 1H- NMR của 131 mất đi tín hiệu singlet của hai proton ở 3,55 ppm, đồng thời xuất hiện tín hiệu singlet của proton olefin trong khoảng 6,8 ppm. Ngoài ra, trên phổ 1H-NMR còn xuất hiện thêm các tín hiệu của một nhóm metoxi và 4 proton của nhân thơm thế 1,3. Phân tích phổ 1 H-NMR cho phép khẳng định cấu trúc của hợp chất 131. Cơ chế của phản ứng andol giữa 121h và 3-metoxibenzandehit giải thích như sau: 16 Sơ đồ 24: Tiếp theo, hợp chất 131 tiếp tục được bảo vệ nhóm chức NH bằng anhidrit axetic trong sự có mặt của piridin nhận được hợp chất axyl hóa 131a. Hỗn hợp phản ứng này được khử hóa bằng hydro trong sự có mặt của xúc tác Pd/C, nhận được sản phẩm 132. Cấu trúc của 132 được chứng minh bằng các phương pháp phổ hiện đại. Sơ đồ 25 Phổ 1H-NMR của 132 xuất hiện đầy đủ tín hiệu cộng hưởng của các proton có mặt trên cấu trúc của phân tử. Tín hiệu cộng hưởng của một proton doublet-doublet-doublet tại 2,84 ppm với hằng số tương tác là 1,5, 12,0 và 15,0 Hz là đặc trưng của proton H-12a, trong khi proton H-12b cũng thể hiện dưới dạng tín hiệu doublet-doublet-doublet tại 2,99 pm. Phổ 1 H-NMR xuất hiện cặp tín hiệu doublet-doublet tại 3,49 và 3,57 ppm với hằng số tương tác J=4,5 và 15,0 Hz được gán cho nhóm metylen của mạch nhánh benzyl cho phép khẳng định liên kết olefin đã được khử hóa. Ngoài ra, tín hiệu cộng hưởng prton doublet-doublet tại 4,27 ppm với hằng số tương tác 4,0 và 12,0 Hz được gán cho proton H-3 (nhóm metin được tạo thành do phản ứng khử hóa olefin). Các tín hiệu của proton thơm và các proton khác có mặt đầy đủ trên phổ. Các dữ liệu phổ trên cho phép khẳng định cấu trúc của hợp chất 132. Chúng tôi đã tổng hợp thành công 2 hợp chất piperazinedion mới là 131 và 132 mô phỏng theo cấu trúc của các hợp chất thiên nhiên có nhóm thế ở C-3. Cấu trúc của các hợp chất được chứng minh bằng các phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. 3.5. Tổng hợp các hợp chất piperazinedion có khung hexahydropyperazin-[1,2-b]- isoquinolin Các hợp chất hexahydropyrazin-[1,2b]-isoquinolin được sử dụng làm khung cacbon chính cho tổng hợp toàn phần các hợp chất thiên có hoạt tính sinh học mạnh như saframycin và ecteinascidin... 17 3.5.1. Tổng hợp hợp chất tetrahydrobenzo[g]isoquinolin Đầu tiên, thực hiện phản ứng khử hóa naphthalen-1,4-dion được nhờ tác nhân khử thiếc (II) clorua trong axit clohydric trong dung môi metanol. Tiếp theo sản phẩm khử được metyl hóa nhờ tác nhân dimetyl sunfat có mặt của tác nhân kiềm K2CO3 trong dung môi axeton nhận được 1,4-dimetylnaphthalen (126). Sơ đồ 26 Cấu trúc của hợp chất 126 được chứng minh bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân nhờ xuất hiện tín hiệu của các nhóm metoxi tại 3,97 ppm và tín hiệu của vòng napthalen thế 1,4. Hợp chất 126 được metylenbrom hóa tại vị trí 2,3 nhờ phản ứng với parafocmandehit và HBr 33% trong axit axetic ở 70oC nhận được hợp chất 127. Sơ đồ 27 Cấu trúc của hợp 127 được chứng minh bằng phổ 1H-NMR. Trên phổ xuất hiện thêm tín hiệu của hai nhóm metylenbrom tại 5,00 ppm đồng thời mất đi tín hiệu của 2 proton thơm ở vị trí 2,3 của nhân naphthalen. Hợp chất 127 phản ứng với etyl 2-(diphenylmetyleneamino)axetat trong sự có mặt của xúc tác chuyển pha Bu4NHSO4 và dung dịch KOH 30%, ở nhiệt độ phòng. Sau xử lý, hỗn hợp được thêm THF và HCl 2N, khuấy ở nhiệt độ phòng nhận được hợp chất chìa khóa tetrahydrobenzo[g]isoquinolin 128. Sơ đồ 28 Cơ chế của phản ứng được giải thích như sau : 18 Sơ đồ 29 Cấu trúc của 128 được chứng minh bằng phổ 1H-NMR và 13C-NMR. Trên phổ 1H- NMR của 128 xuất hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của các proton có mặt trong phân tử. Tín hiệu cộng hưởng của 3 proton triplet tại 1.33 ppm (3H, t, J= 7, Me) và tín hiệu multiplet tại 4,27 ppm (2H, m, OCH2) là đặc trưng của nhóm etoxy. Cặp tín hiệu doublet- doublet tại 3,02 ppm và 3,40 ppm với các cặp tương tác tương ứng là J=10,0, 17,0 Hz và 5,0 và 17,0 Hz được qui gán cho cho hai proton của H-4. Proton H-3 là tín hiệu doublet-doublet tại 3,74 ppm có hằng số tương tác J= 5,0 và 10,0 Hz. Hai proton H-1 được thể hiện dưới hai cặp tín hiệu doublet tại 4,15 ppm và 4,50 ppm với cùng một hằng số tương tác J=16,6 Hz. Phổ 13C-NMR của 128 xuất hiện đầy đủ tín hiệu cộng hưởng của 18 nguyên tử cacbon. Trong đó, nhóm metyl cộng hưởng tại 14,26 ppm, hai nhóm metylen cộng hưởng lần lượt tại 26,75 ppm (C-4) và 43,09 ppm (C-1), tín hiệu tại 55,69 ppm được gán cho C-3, hai nhóm metoxy cộng hưởng lần lượt tại 61.24 ppm và 61.33 ppm, tín hiệu tại 61,20 ppm được gán cho nhóm C-1’, nhóm cacbonyl cộng hưởng tại 173,12 ppm, các tín hiệu của vòng thơm cũng được thể hiện đầy đủ trên phổ. Các dữ liệu phổ trên cho phép khẳng định cấu trúc của tetrahydrobenzo[g]isoquinolin 128. 3.5.2 Tổng hợp hợp chất Etyl 2-(2-cloroaxetyl)-5,10-dimetoxy-1,2,3,4- tetrahiđrobenzo[g]isoquinolin-3-cacboxylat Hợp chất tetrahydrobenzo[g]isoquinolin 128 chính là nguyên liệu đầu sử dụng cho phản ứng tổng hợp hợp chất trung gian 129 qua một bước phản ứng duy nhất với hợp chất 2-cloaxetyl clorua trong sự có mặt của trietylamin trong dung môi diclometan ở nhiệt độ phòng nhận được dẫn xuất axetyl hóa 129. Hiệu suất phản ứng đạt 70%. Sơ đồ 30: 19 Cấu trúc của 129 được chứng minh bằng phổ 1H-NMR. Trên phổ 1H-NMR của 129 xuất hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của các proton như trong hợp chất 128, ngoài ra trên phổ 1H-NMR của hợp chất 129 xuất hiện thêm tín hiệu của OCH2Cl tại vị trí 3.97-4.07 ppm (2H, m, OCH2). Như vậy, chúng tôi đã tổng hợp thành công hợp chất Etyl 2-(2-cloroaxetyl)-5,10- dimetoxy-1,2,3,4-tetrahiđrobenzo[g]isoquinolin-3-cacboxylat 129 với hiệu 70% nhờ phản ứng của 128 với cloaxetylclorua. 3.5.3 Tổng hợp các hợp chất hexahydropyrazin-[1,2b]-isoquinolin Hợp chất 129 được vòng hóa lần lượt với năm đương lượng 5 đương lượng amin bậc 1 khác như: metylamin; etylamin; n-propylamin; n-butylamin; benzylamin; 4- metoxibenzylamin; 2-metoxietylamin và xiclohexylamin trong dung môi etanol ở nhiệt độ phòng, nhận được 8 hợp chất 130a-h với hiệu suất tương ứng được tóm tắc như trong sơ đồ 31. Cấu trúc của các hợp chất được xác định bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1H-NMR và 13 C-NMR. Sơ đồ 31 Trên phổ IR của hợp chất 130a có đỉnh hấp phụ tại 2988 cm-1 và 2901 cm-1 đặc trưng của các liên kết C-H bão hòa, đỉnh hấp phụ tại 1658cm-1 đặc trưng cho nhóm C=O, đỉnh hấp phụ tại 1057 cm-1 đặc trưng cho C-O-C. Ngoài ra, trên phổ IR còn xuất hiện các đỉnh hấp phụ của các liên kết C-H và C=C của nhân thơm. Trên phổ ESI-MS cho pic ion phân tử ở m/z 341,0 [M+H] + phù hợp với công thức phân tử C19H20N2O4 của hợp chất 130a. Phổ 1H-NMR của hợp chất 130a xuất hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng. Tín hiệu cộng hưởng của proton nhóm N-CH3 thể hiện ở 3,05 (3H, s). Tín hiệu cộng hưởng dạng doublet-doublet tại 2,95 ppm với hằng số tương tác 12,0 và 16,5 Hz được gán cho vị trí H- 13a. Vị trí H-13b là tín hiệu doublet-doublet tại 3,84 ppm với hằng số tương tác 4,0 và 16,5 Hz. Tín hiệu của hai nhóm metoxy cộng hưởng tại 3,89 và 3,93 ppm. Tín hiệu singlet của hai proton tại 4,07 ppm là đặc trưng của nhóm metylen (H-3). Vị trí proton H-14 cộng hưởng tại 4,17 ppm, là tín hiệu doublet-doublet với hằng số tương tác 3,5 và 12,0 Hz. Hai tín hiệu doublet tại 4,45 ppm và 5,54 ppm đều có hằng số tương tác 17,5 Hz được qui gán cho vị trí H-6a và H-6b. Ngoài ra, trên phổ thể hiện đầy đủ tín hiệu cộng hưởng của 4 proton thơm có mặt trong phân tử. 20 Hình 3.28: Phổ 13C-NMR thể hiện đầy tín hiệu cộng hưởng của 19 nguyên tử cabon có mặt trong phân tử. Hình 3.29: Tiếp theo, hợp chất 129 được vòng hóa với năm đương lượng của amoniac trong dung môi etanol nhận được hợp chất 130i hiệu suất 81%. Cấu trúc của các sản phẩm được chứng minh bằng các phương pháp cộng hưởng hạt nhân. 21 Sơ đồ 32 Sau đó, hợp chất 130i được axyl hóa nhóm NH nhờ phản ứng với anhidrit axetic trong sự có mặt của pyridin nhận được dẫn xuất axyl hóa 130j. Sơ đồ 33 Cấu trúc của 130j được chứng minh bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. Cấu trúc được khẳng định rõ ràng trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR với sự xuất hiện thêm pic cộng hưởng singlet của 3 proton của nhóm axetyl tại 2,62 ppm. Như vậy, luận án đã tổng hợp thành công 10 hợp chất piperazinedion 130a-j có khung hexahydropyrazin-[1,2b]-isoquinolin từ nguyên liệu đầu là naphthalen-1,4-dion với hiệu suất cao. Cấu trúc của các hợp chất này đều được chứng minh bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân. 3.6 Tổng hợp tadalafil Tadalafil là một piperazinedion được tổng hợp toàn phần có khả năng ức chế enzym PDE-5 nên được sử dụng làm thuốc trong điều trị rối loạn sinh lý nam giới và còn được sử dụng để điều trị bệnh tăng huyết áp động mạch phổi [42-44]. Đây là thuốc sắp hết hạn quyền bảo hộ nên được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu tổng hợp, nhằm ứng dụng vào sản xuất thương mại. Xây dựng qui trình tối ưu cho tổng hợp thuốc tadalafil vẫn đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Do đó, luận án nghiên cứu xây dựng qui trình tổng hợp tadalafil với qui mô 100g/mẻ nhằm tìm kiếm qui trình triển khai tổng hợp tadalafil có khả năng ứng dụng vào sản xuất. 3.6.1 Tổng hợp hợp chất (1R,3R)-metyl 1-(3,4-metylendioxiphenyl)-2,3,4,9-tetrahiđro- 1H-pyrido[3,4-b]indol-3-carboxylat hydroclorua Bước chìa khóa trong qui trình tổng hợp tadalafil là giai đoạn tổng hợp cis 102a thông qua phản ứng Pictet-Spengler từ hai nguyên liệu đầu là metyl este của D-tryptophan với piperonal (sơ đồ 34). Trong luận án này chúng tôi đưa ra các kết quả nghiên cứu về điều kiện tối ưu để nhận được đồng phân cis 102a với độ chọn lọc lập thể cao và hiệu suất tốt nhất, nhằm tìm kiếm điều kiện tốt nhất cho qui trình phản ứng tổng hợp tadalafil ở qui mô 100g/mẻ. 22 Sơ đồ 34 Trên cơ sở của các công bố [108,109], chúng tôi lựa chọn dung môi cho phản ứng Pictet-Spengler là các dung môi cho độ chọn lọc lập thể cao nhất và hiệu suất tốt nhất, dung môi được lựa chọn là t-BuOH, nitrometan, axetonnitrin và THF thời gian phản ứng ban đầu là 48h (sơ đồ 34). Kết quả được đánh giá dựa trên hiệu suất phản ứng và tỷ lệ động phân cis/trans (102a/102b) thu được (bảng 3.3). Bảng 3.3: Dung môi và thời gian phản ứng Pictet-Spengler ở qui mô 5g/mẻ STT Dung môi Thời gian Hiệu suất Tỷ lệ cis / trans STT Dung môi Thời gian Hiệu suất Tỷ lệ cis / trans 1 t-BuOH 48h 80 96/4 7 Nitrometan 36h 98 99/1 2 Nitrometan 48h 98 99/1 8 Axetonitrin 36h 96 98/2 3 Axetonitrin 48h 97 98/2 9 Nitrometan 30h 96,5 99/1 4 THF 48h 56 95/5 10 Axetonitrin 30h 91 98/2 5 Nitrometan 42h 98 99/1 11 Nitrometan 24h 93 99/1 6 Axetonitrin 42h 96 98/2 12 Axetonitrin 24h 91 98/2 Từ bảng 3.3 nhận thấy, với dung môi nitrometan và axetonitrin có hiệu suất cao nhất, đặc biệt là sự chọn lọc lập thể rất cao, tỷ lệ đồng phân cis/trans đạt 99/1 đối với dung môi nitrometan và 98/2 đối với dung môi axetonitrin, kết quả này phù hợp với tài liệu đã công bố [108,109]. Tỷ lệ đồng phân cis/trans được xác định dựa trên phổ NMR, tín hiệu proton tại vị trí H-1 của hai đồng phân cis 102a và trans 102b là cơ sở để xác định tỷ lệ. Tín hiệu cộng hưởng proton H-1 của hai đồng phân được phân tách trong từ trường, trong đó H-1 của cis 6a (δH-1 = 5,17 ppm) chuyển dịch về phía trường cao hơn trans 6b (δH-1=5,29 ppm) (Hình 3.33), tỷ lệ diện tích của hai tín hiệu này tương ứng với tỷ lệ của hai đồng phân cis/trans trong hỗn hợp. Tiếp theo, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu tìm thời gian phản ứng Pictet-Spengler tốt nhất với hai dung môi có độ chọn lọc lập thể cao là nitrometan và axetonitrin. Các phản ứng được thực hiện tương tự ở các thời gian phản ứng khác nhau 42h, 36h, 30h và 24h, kết quả được chỉ ra trong bảng 3.3. Từ bảng 3.3 nhận thấy thời gian phản ứng không ảnh hưởng nhiều đến tỷ lệ hai đồng phân cis/trans đối với cả dung môi nitrometan và axetonitrin. Hiệu suất phản ứng đạt hiệu suất tốt nhất với dung môi nitrometan tại thời gian phản ứng 36h. Như vậy, dung môi nitrometan là dung môi tối ưu nhất cho phản ứng Pictet-Spengler cho độ chọn lọc lập thể cao nhất 99/1 và hiệu suất phản ứng đạt 98%, thời gian tối ưu để thực hiện phản ứng với qui mô 100g/mẻ là 36h. 23 3.6.2 Tổng hợp hợp chất (1R,3R)-metyl 1-(3,4-metylendioxiphenyl)-2-(2-cloroaxetyl)- 2,3,4,9-tetrahydro-1H-pyrido[3,4-b]indol-3-carboxylat Tiếp theo, hợp chất cis 102a được axyl hóa nhờ phản ứng với 1,5 đương lượng cloaxetyl clorua, có mặt của tác nhân kiềm nhận được dẫn xuất 103. Các điều kiện tối ưu cho phản ứng như lựa chọn tác nhân kiềm, dung môi phản ứng đều được nghiên cứu. Sơ đồ 35 Bảng 3.4: Điều kiện phản ứng tổng hợp chất 103 ở qui mô 100g/mẻ STT Dung môi Xúc tác Thời gian Hiệu suất 1 EtOAc Et3N 2h 95% 2 CH2Cl2 Et3N 2h 98% 3 CH3CN Et3N 2h 93% 4 EtOAc:H2O=1:1 NaHCO3 24h 98% 5 CH2Cl2:H2O=1:1 NaHCO3 24h 95% 6 CH3CN:H2O NaHCO3 24h 95% Các công bố trước đây dung môi cho phản ứng axyl hóa cis 102a chủ yếu sử dụng dung môi diclometan, xúc tác kiềm là trietylamin [108,109], trong công trình này chúng tôi thử nghiệm phản ứng trong nhiều loại dung môi khác nhau với nhiều hệ xúc tác kiềm để lựa chọn được điều kiện phản ứng phù hợp nhất và cho hiệu quả cao. Kết quả thực nghiệm được chỉ ra trong bảng 3.4. Từ bảng 3.4 nhận thấy các dung môi khác nhau đều cho hiệu suất cao trên 90%. Các phản ứng thực hiện trong điều kiện đồng thể với xúc tác kiềm là trietylamin và pyridin thời gian phản ứng xảy ra rất nhanh trong 2h. Phản ứng thực hiện trong hệ dị thể gồm dung môi hữu cơ và nước, xúc tác phản ứng là NaHCO3 thời gian phản ứng cần dài hơn lên đến 24h. Tuy nhiên, với hệ đồng thể sản phẩm cần phải có thời gian làm sạch lâu hơn bằng kết tinh lại nhiều lần trong metanol/nước (8/2), để loại bỏ trietylamin và pyridin, trong hệ dị thể chỉ dùng nước và chiết bằng dung môi etyl axetat hoặc diclomethan sau đó kết tinh lại trong metanol/nước (8/2) thu được sản phẩm sạch. 3.6.3 Tổng hợp tadalafil Cuối cùng, các dẫn xuất axyl 103 được đóng vòng β-cacbolin nhờ phản ứng với 5 đương lượng metylamin trong thời gian 48h nhận được tadalafil (sơ đồ 36). 24 Sơ đồ 36 Cấu trúc của các hợp chất tadalafil được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, MS, 1 H-NMR và 13 C-NMR. Trên phổ IR của hợp chất tadalafil (11) có đỉnh hấp phụ tại 3321 cm -1 đặc trưng của nhóm amin bậc hai, đỉnh hấp phụ tại 1674 cm-1 đặc trưng cho nhóm C=O, đỉnh hấp phụ tại 1040 cm-1 đặc trưng cho C-O-C. Ngoài ra, trên phổ IR còn xuất hiện các đỉnh hấp phụ của các liên kết C-H bão hòa, C-H và C=C của nhân thơm. Trên phổ ESI-MS cho pic ion phân tử ở m/z 390,0 [M+H]+ và 387,9 [M-H]+ phù hợp với công thức phân tử C22H19N3O4 của hợp chất tadalafil. Trên phổ 1H-NMR của hợp chất 11 xuất hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của proton có mặt trên phân tử. Tín hiệu cộng hưởng singlet của ba proton tại 2,97 ppm là đặc trưng của nhóm N-CH3. Tín hiệu cộng hưởng doublet-doublet với hằng số tương tác 12,0 và 16,0 Hz tại 3,14 ppm được gán cho proton H-12a. Tín hiệu cộng hưởng của proton H-12b tại 3,52 ppm với hằng số tương tác 4,5 và 16,0 Hz. Proton ở vị trí H-3 thể hiện là cặp doublet tại 3,87 ppm và 4,17 ppm với hằng số tương tác 17,0 Hz. Proton ở vị trí H-13 là tín hiệu doublet-doublet tại 4,19 ppm với hằng số tương tác 4,0 và 11,5 Hz. Proton ở vị trí H-6 là tín hiệu singlet tại 6,09 ppm. Ngoài ra, trên vùng trường thấp trên 1H-NMR của hợp chất 11 thể hiện tín hiệu cộng hưởng của 8 proton thơm, tín hiệu cộng hưởng của nhóm etylen tại 5,80 ppm. Độ dịch chuyển hóa học và các hằng số tương tác phù hợp với cấu trúc của tadalafil đã được công bố trong tài liệu [108,109]. Phổ 13C-NMR thể hiện đầy đủ các tín hiệu cộng hưởng của 22 nguyên tử cacbon của chất 11, trong đó có hai tín hiệu của nhóm cacbonyl. Phân tích phổ trên cho phép khẳng định cấu trúc của hợp chất 11 là tadalafil. Từ kết quả này và kết quả tổng hợp hợp chất 102a và 103, chúng tôi rút ra quy trình sản xuất tadalafin qua 3 bước. Như vậy, từ việc tổng hợp các hợp chất piperazinedion chứa khung tetrahidro-β- cacbolin và nghiên cứu những công bố trước đây về tổng hợp tadalafil. Luận án đã đưa ra quy trình tối ưu tổng hợp tadalafil quy mô 100g/mẻ với hiệu suất 86,5% từ nguyên liệu D- tryptophan metyl este hidroclorua. 3.7. XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH GÂY ĐỘC TẾ BÀO CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT PIPERAZINEDION Phương pháp thử khả năng gây độc tế bào in vitro được Viện Ung thư Quốc gia Hoa kỳ (NCI) xác nhận là phép thử gây độc tế bào chuẩn nhằm sàng lọc, phát hiện các chất có khả năng kìm hãm sự phát triển hoặc diệt tế bào ung thư ở điều kiện in vitro. Các hợp chất piperazinedion được chúng tôi thử nghiệm gây độc tế bào trên các dòng tế bào ung thư ở người được cung cấp từ bộ sưu tập giống chuẩn Hoa Kỳ (American Type Culture Collection – ATCC) gồm: Tế bào ung thư biểu mô KB (Human epidermic carcinoma), ung thư gan 25 Hep-G2 (Hepatocellular carcinoma), ung thư phổi LU (Human lung carcinoma) và ung thư vú MCF-7 (Human breast carcinoma), nhằm tìm kiếm các hợp chất có hoạt tính mạnh. Kết quả thử hoat tính gây độc tế bào được tóm tắt như bảng sau: Bảng 3.5: Kết quả xác định độc tính trên 4 dòng tế bào ung thư STT Hợp chất Giá trị IC50 (µg/ml) LU Giá trị IC50 (µg/ml) KB Giá trị IC50 (µg/ml) Hep_G2 Giá trị IC50 (µg/ml) MCF-7 1 114a >128 >128 >128 >128 2 114b >128 >128 >128 >128 3 114c >128 >128 >128 >128 4 114e 22.96 7.58 32 >128 5 114f 128 8 >128 >128 6 115d >128 >128 >128 >128 7 115c >128 117.3 >128 >128 8 114d >128 >128 >128 >128 9 115a 30.85 24.59 118 >128 10 115b 71.36 88.1 >128 >128 11 115f >128 >128 >128 >128 12 116b >128 >128 >128 >128 13 116c >128 62.31 >128 >128 14 116d 99.2 4.4 8 >128 15 116e >128 >128 >128 >128 16 116f >128 >128 >128 >128 17 117a >128 >128 >128 >128 18 117b >128 >128 >128 >128 19 117c >128 >128 >128 >128 20 117d >128 >128 >128 >128 21 117e >128 >128 >128 >128 22 117f >128 >128 >128 >128 23 118b >128 32 >128 >128 24 118c >128 27.5 >128 >128 25 118d >128 9.16 38.5 >128 26 118f >128 >128 >128 >128 27 119a 8 3.59 12.36 >128 26 STT Hợp chất Giá trị IC50 (µg/ml) LU Giá trị IC50 (µg/ml) KB Giá trị IC50 (µg/ml) Hep_G2 Giá trị IC50 (µg/ml) MCF-7 28 119c >128 >128 >128 >128 29 119d 107 102.5 >128 116.61 30 119f >128 >128 >128 >128 31 120a 116.5 17.7 >128 >128 32 120b >128 27.5 >128 >128 33 120c >128 29.73 >128 >128 34 120d 23.69 23.71 128 >128 35 120e 27.28 32 >128 >128 36 120f >128 >128 >128 >128 37 121a 90.28 32 >128 >128 38 121b >128 >128 >128 >128 39 121c >128 >128 >128 >128 40 121d >128 >128 >128 >128 41 121e >128 >128 >128 >128 42 121f >128 >128 >128 >128 Từ bảng 3.5 nhận thấy có 18/42 mẫu có hoạt tính ức chế sự phát triển của tế bào ung thư đáng lưu ý, tập trung vào hai dòng ung thư là KB và LU. Trong đó các mẫu 114e, 114f, 118d, 119a và 116d thể hiện hoạt tính với dòng KB tương đối mạnh với giá trị IC50 trong khoảng 3.59-9.16 µg/ml. Mẫu 119a gây độc tế bào tương đối mạnh với cả hai dòng KB và LU, trong khi mẫu 116d gây độc tế bào mạnh với hai dòng Hep-G2 và KB nằm trong khoảng IC50 < 10 µg/ml. Hình 3.36: Một số hợp chất có hoạt tính mạnh với dòng tế bào KB 27 Kết quả này cho thấy, những hợp chất piperazinedion tổng hợp được có cấu trúc đơn giản hơn các hợp chất piperazinedion thiên nhiên có cùng bộ khung tetrahydro-β-cacbolin, tuy nhiên nó vẫn có được hoạt tính gây độc trên một số dòng tế bào. Kết quả này cũng khẳng định, nghiên cứu thiết kế tổng hợp các hợp chất piperazinedion lược giản mô phỏng theo cấu trúc của các hợp chất piperazinedion thiên nhiên có ý nghĩa khoa học. Từ 5 hợp chất 114e, 114f, 116d, 119a và 118d có hoạt tính mạnh với dòng tế bào KB (hình 3.36), tiếp tục nghiên cứu cải tiến cấu trúc để có các hợp chất có hoạt tính cao hơn. Đây là những kết quả rất lý thú cho nghiên cứu sâu hơn về hoạt tính của lớp chất này. 28 KẾT LUẬN 1. Đã tổng hợp thành công 6 cặp đồng phân cis/trans chứa khung tetrahidro-β- cacbolin từ nguyên liệu đầu là L-tryptophan và các anđehit bằng phản ứng Pictet-Spengler. Từ nguyên liệu trung gian này, đã nghiên cứu tổng hợp được 56 hợp chất piperazinedion mới chứa khung tetrahidro-β-cacbolin với hiệu suất cao. 2. Từ các nguyên liệu đầu naphthalen-1,4-dion, etyl 2-(diphenylmetyleneamino) axetat và các amin, đã nghiên cứu tổng hợp được 10 hợp chất piperazinedion mới có khung hexahydropyrazin-[1,2b]-isoquinolin qua năm bước phản ứng. 3. Đã tổng hợp thành công 2 hợp chất piperazinedion mới mô phỏng theo cấu trúc của hợp chất thiên nhiên (-)-phenylahistin. 4. Đã nghiên cứu và xây dựng quy trình tối ưu tổng hợp tadalafil với quy mô 100g/mẻ với hiệu suất 86,5%. 5. Đã khảo sát hoạt tính gây độc tế bào của 42 mẫu hợp chất piperazinedion tổng hợp, nhận thấy có 18/42 mẫu thử có hoạt tính ức chế sự phát triển của tế bào ung thư đáng lưu ý, tập trung vào hai dòng ung thư là KB và LU. Đáng chú ý, mẫu 119a gây độc tế bào tương đối mạnh với cả hai dòng KB (3,59 μg/ml) và LU (8,0 μg/ml), trong khi mẫu 116d gây độc tế bào mạnh với hai dòng Hep- G2 (8,0 μg/ml) và KB (4,4 μg/ml).