Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Điều chế chất chìa khóa trong tổng hợp Coenzyme Q10 bằng phản ứng chuyển vị Claisen và phản ứng ghép chéo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Do có tính chất chống oxy hóa mạnh, trung hòa các gốc tự do nên CoQ10 ngày càng được sử dụng nhiều làm nguồn thực phẩm chức năng, giúp cải thiện sức khỏe và được đưa vào mỹ phẩm làm đẹp như một chất chống oxy hóa, chống lão hóa để giúp cơ thể trẻ hóa; ứng dụng trong y tế nhằm ngăn ngừa ung thư, điều trị nhiều bệnh về tim mạch, tiểu đường, Parkinson, tăng hệ thống miễn dịch… Đề tài tiến hành điều chế chất chìa khóa trong tổng hợp Coenzyme Q10 bằng phản ứng chuyển vị Claisen và phản ứng ghép chéo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Điều chế chất chìa khóa trong tổng hợp Coenzyme Q10 bằng phản ứng chuyển vị Claisen và phản ứng ghép chéo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- LÊ MINH ĐÔNG ĐIỀU CHẾ CHẤT CHÌA KHÓA TRONG TỔNG HỢP DẪN XUẤT COENZYME Q10 BẰNG PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ CLAISEN VÀ PHẢN ỨNG GHÉP CHÉO Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 60440144 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn: TS PHẠM VĂN PHONG Hà Nội - 2016
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................... 1 Chương 1 – TỔNG QUAN .............................................................................................................. 2 1.1 Lịch sử Coenzyme Q10................................................................................................................ 2 1.2Cấu tạo của Coenzyme Q10 ..................................................................................................... 3 1.3 Sinh tổng hợp và chức năng Coenzyme Q10 ......................................................................... 4 1.3.1 Coenzyme Q10 trong tự nhiên........................................................................................... 4 1.3.2 Sinh tổng hợp Coenzyme Q10 ........................................................................................... 5 1.3.3 Chức năng của Coenzyme Q10 ......................................................................................... 7 1.4 Ứng dụng Coenzyme Q10 trong y học ................................................................................... 8 1.4.1 Tác dụng đối với các bệnh về tim mạch .......................................................................... 9 1.4.2 Tác dụng với bệnh đau đầu kinh niên........................................................................... 10 1.4.3 Tác dụng trong điều trị các bệnh khác.......................................................................... 10 1.4.4 Trong mỹ phẩm .............................................................................................................. 12 1.5 Phương pháp hóa học tổng hợp Coenzyme Q10 ................................................................. 12 1.6 Mục tiêu luận văn................................................................................................................. 16 Chương 2 – THỰC NGHIỆM ....................................................................................................... 18 2.1 Thiết bị và hóa chất .............................................................................................................. 18 2.2 Phương pháp thực nghiệm .................................................................................................. 18 Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................................... 29 3.1 Tổng hợp chất chìa khóa trong tổng hợp dẫn xuất Coenzyme Q10.................................. 29 3.2 Phản ứng khử hóa ................................................................................................................ 31 3.3 Phản ứng acyl hóa ................................................................................................................ 31 3.4 Phản ứng thủy phân ............................................................................................................. 34 3.5 Phản ứng ete theo Williamson ............................................................................................ 40 3.6 Phản ứng chuyển vị Claisen ................................................................................................ 44 3.7 Phản ứng bảo vệ nhóm hydroxy ........................................................................................ 49 3.8 Phản ứng ghép chéo sử dụng xúc tác Grubbs 2nd .............................................................. 51 KẾT LUẬN ..................................................................................................................................... 60 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............................................................................. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 62 PHỤ LỤC ........................................................................................................................................ 68
MỞ ĐẦU Coenzyme Q10 (2,3-dimethoxy-5-methyl-6-multiprenyl-1,4-benzoquinone) còn gọi là (ubiquinone, ubidecarenone, CoQ10) lần đầu tiên được phân lập từ tim bò bởi Frederick Crane (USA) năm 1957. Là một trong ba coenzyme quan trọng trong tổng hợp nên ATP – năng lượng sinh học của cơ thể sống.Do có tính chất chống oxy hóa mạnh, trung hòa các gốc tự do nên CoQ10 ngày càng được sử dụng nhiều làm nguồn thực phẩm chức năng, giúp cải thiện sức khỏe và được đưa vào mỹ phẩm làm đẹp như một chất chống oxy hóa, chống lão hóa để giúp cơ thể trẻ hóa; ứng dụng trong y tế nhằm ngăn ngừa ung thư, điều trị nhiều bệnh về tim mạch, tiểu đường, Parkinson, tăng hệ thống miễn dịch… Với nhiều ứng dụng có lợi như vậy nên nhu cầu về CoQ10 ngày một tăng lên, đặt ra yêu cầu đó là cần thực hiện được sản xuất quy mô công nghiệp bằng con đường tổng hợp toàn phần, tạo ra được các dẫn xuất mới có hoạt tính sinh học cao. Để đáp ứng nhu cầu đó, đã có nhiều giải pháp được đưa ra như tổng hợp hóa học, bán tổng hợp và công nghệ sinh học. Mặc dù, từ khi CoQ10 ra đời cho đến nay đã có nhiều nhà nghiên cứu tổng hợp, tuy vậy vẫn chưa có sản phẩm CoQ10 thương mại nào ra đời bằng con đường tổng hợp toàn phần. Hiện tại, các sản phẩm bán trên thị trường đều được sản xuất chủ yếu bằng con đường lên men vi khuẩn như Agrobacterium tumefaciens, Escherichia. Coli, Paracoccus denitrificans… Ở trong nước việc nghiên cứu CoQ10 chỉ dừng lại ở việc tối ưu hóa quá trình lên men các chủng tự nhiên hoặc cải biến chúng. Chưa có nhóm nghiên cứu nào tiến hành nghiên cứu và tổng hợp CoQ10 hoặc dẫn xuất CoQ10. Xuất phát từ những cơ sở lý luận và thực tiễn đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài : “Điều chế chất chìa khóa trong tổng hợp dẫn xuất coenzyme Q10 bằng phản ứng chuyển vị Claisen và phản ứng ghép chéo”. 1
Chương 1 – TỔNG QUAN CoenzymeQ10 (CoQ10) là một trong những coenzyme tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử12 bám màng ở cả prokaryote và eukaryote, được cấu tạo bởi vòng benzoquinone và chuỗi isoprenoid kỵ nước. CoQ10 còn có tên gọi khác là ubiquinone được đặt bởi giáo sư Morton, mang ý nghĩa là quinone tìm thấy ở mọi tế bào của cơ thể sống36. Ubiquinone có vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra ATP (adenosin triphosphat) – nguồn năng lượng sinh học của cơ thể, ước tính có đến 95% năng lượng ATP của con người được tổng hợp bằng con đường này. Trong đó, nồng độ CoQ10 cao nhất được tìm thấy ở các cơ quan cần nhiều năng lượng để hoạt động như tim, gan, thận46,3. 1.1 Lịch sử Coenzyme Q10 Năm 1957, Coenzyme Q10 lần đầu tiên được phân lập từ tim bò bởi Frederick Crane và cộng sự ở viện nghiên cứu Enzyme của trường Đại học Wisconsin- Madison. Từ dịch chiết của ty thể tim bò các nhà nghiên cứu đã phân lập được một chất mới có các tính chất oxy hóa – khử và được đặt tên là Coenzyme Q10. Năm 1958, CoQ10 đã được xác định chính xác cấu trúc bởi Karl Forkers và có tên theo danh pháp IUPAC là 2,3-dimethoxy-5-methyl-6-decaprenyl-1,4-benzoquinone11. Trong những năm tiếp theo, các nghiên cứu của tiến sỹ Gian Paolo Littarru và Karl Forkers đã chỉ ra rằng những người mà mắc bệnh tim thường liên quan đến thiếu CoQ10 trong cơ thể24. Năm 1974, công ty ở Nhật Bản đã thực hiện quá trình lên men tự nhiên và sản xuất quy mô công nghiệp chất Coenzyme Q10. Đến năm 1978, nhà hóa sinh người Anh Peter Michell nhận giải thưởng Nobel Hóa học cho những cống hiến của ông về CoQ10. Ông đã giải thích được chức năng vận chuyển điện tử và khả năng chống oxy hóa của CoQ10 trong cơ thể, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nguyên lý hình thành năng lượng sinh học của cơ thể sống33.Bắt đầu những năm 80 của thế kỷ XX, các nhà khoa học đã tiến hành rất nhiều các thử nghiệm lâm sàng và cho kết quả tốt. Từ đó các công ty dược phẩm của Nhật đã sử dụng CoQ10 như một loại thuốc điều trị các bệnh về tim mạch, tiểu đường, Parkinson, tăng hệ thống miễn dịch và ngăn ngừa ung thư. Từ khi phát hiện tìm ra Coenzyme Q10đến nay, các nhà 2
khoa học chỉ ra CoQ10 đóng vai trò quan trọng trong sức khỏe con người. Coenzyme Q10 đóng vai trò quan trọng trong cơ thể nên việc nghiên cứu về CoQ10 được triển khai ở nhiều nước. Ít nhất đã có hơn 10 hội nghị khoa học quốc tế, và các diễn đàn khoa học đề cập đến dược tính và việc ứng dụng CoQ10 trong y học. Cho đến nay đã xuất hiện nhiều loại thuốc chứa CoQ10, trong đó có viên Coenzyme Q10 của hãng dược phẩm chức năng Thụy Điển viết quảng cáo với tiêu đề: “Viên ngọc của tuổi trẻ” vì mang lại năng lượng hằng ngày và giúp “giữ mãi thời gian” (chống lão hóa). Hiện tạicó rất nhiều thực phẩm chức năng chứa chất CoQ10 được sản xuất và sử dụng. 1.2 Cấu tạo của Coenzyme Q10 Đến nay, đã có nhiều loại Coenzyme Q được phân lập và tìm ra, chúng chỉ khác nhau ở số lượng đơn vị isoprenoid ở phần đuôi.Thí dụ Coenzym Q6 có mạch R gồm 6 đơn vị isopren (tìm thấy ở một số vi sinh vật), và Coenzym Q10 có mạch R gồm 10 đơn vị isopren (ở ty thể của động vật), ở thực vật có chất tương tự là plastoquinon. Ở người chỉ có CoQ10, các Q6 – Q9 khi theo thức ăn vào cơ thể sẽ được biến đổi thành Q10.Khả năng sinh tổng hợp CoQ10 của cơ thể còn tùy thuộc vào sự có mặt đầy đủ của các acid amin, vitamin và các yếu tố vi lượng; nên nếu thiếu các yếu tố này thì lượng CoQ10 trong cơ thể bị giảm sút. CoQ10 hiện diện ở mọi tế bào của cơ thể, là yếu tố không thể thiếu được, vì nó cùng với 3 enzyme khác tổng hợp nên ATP ở ty thể -cung cấp năng lượng trong tế bào. Ubiquinone là hợp chất kỵ nước, tan tốt trong dung môi phân cực, có những tính chất tương tự như vitamin32,35. Cấu trúc hóa học của ubiquinone gồm một vòng quinone liên kết với chuỗi mạch bên isoprenoid. Coenzyme Q10 có công thức phân tử C59H90O4. Coenzyme Q10 có thể tồn tại dưới 3 trạng thái: dạng khử ubiquinol (CoQH2), dạng trung gian (CoQH·), và dạng oxy hóa ubiquinone (CoQ). Coenzyme Q10 được xác định chủ yếu nằm ở lớp màng trong ty thể của sinh vật nhân chuẩn và màng plasma của sinh vật nhân sơ. CoQH2 là một phần tử rất kỵ nước nằm ở giữa lớp phospholipid kép. Phần đầu cấu trúc quione, nó có thể chuyển giao điện tử và đuôi 3
là chuỗi isopreneoid dài bên trong màng ty thể hay màng tế bào chất của các sinh vật, chính phần đuôi này giúp cho phân tử CoQ10 có thể khuếch tán dễ dàng trong lớp màng lipid. Hình 1. Các trạng thái oxy hóa CoQ10 1.3 Sinh tổng hợp và chức năng Coenzyme Q10 1.3.1 Coenzyme Q10 trong tự nhiên CoQ10 hiện diện trong tự nhiên với số lượng nhỏ trong nhiều loại thực phẩm, nhưng mức độ đặc biệt cao trong các loại nội tạng như tim, gan, thận cũng như thịt bò, dầu đậu nành. Một số loài có chất béo như cá thu, cá trích là những tài nguyên chứa hàm lượng dầu và CoQ10 cao trong mô và cơ của chúng42,45. Ngoài ra CoQ10 cũng có trong trái cây, cây thuốc lá và rau quả nhưng với hàm lượng rất nhỏ53. Tuy có thể tách chiết từ động vật và thực vật nhưng nồng đồ CoQ10 trong tế bào rất thấp không thể chiết tách ở quy mô công nghiệp, bởi vì hiệu suất thấp và chi phí cao. Thông thường nguồn nguyên liệu của CoQ10 chủ yếu đến từ lên men sinh vật. 1.3.1.1 Coenzyme Q10 từ nấm Một số loại nấm men đã được nghiên cứu về khả năng sinh tổng hợp CoQ10, trong đó một vài giống có hàm lượng CoQ10 cao như Cyptococcus,Trichosporon, Dexomyces, Rhdoporium. Bên cạnh đó còn có chủng vi sinh vật khác có khả năng sinh tổng hợp CoQ10, nhưng với hàm lượng thấp hơn như:Bullera, Candida, 4
Rhodoturola, Sporobolomyces, Utilago1,2. Schizosaccharomyces pombe cũng là một hệ thống phổ biến để sản xuất protein và chất CoQ106. Saccharomyces cerevisiae cũng đã được đưa vào nghiên cứu, tối ưu quá trình sản xuất CoQ1038. Trong một số loài nấm mốc khác cũng gây chú ý như Neurospora crassa và Aspergillus fumigatus về khả năng sinh tổng hợp CoQ10 nhưng với hàm lượng thấp. 1.3.1.2 Coenzyme Q10 từ vi khuẩn CoQ10 từ vi khuẩn đã được hai nhà khoa học là Carr và Exell nghiên cứu từ năm 19655. Đặc biệt, các nghiên cứu đã chọn lọc các chủng có khả năng sinh CoQ10 cao, và đã tìm được các loài A. tumefaciens8, Rhodopseudomonas spheroids và P. denitrificans31. CoQ10 cũng được tìm thấy ở một số vi khuẩn quang hợp như R sphaeroides, R.sulfidophilus51, Rhodospirillum rubrum49. Trong đó hàm lượng CoQ10 đạt cao nhất trong R. Rubrum đạt 10 mg/l. Ngoài ra CoQ10 cũng được thu nhận từ vi khuẩn Sphingomnas sp59, Rhizobium radiobacter44, P. dentrificans56, P. seudomonas. Các loài A. tumefaciens, R. sphaeroides, P. denitrificans đã được sử dụng cho sản xuất CoQ10 ở quy mô công nghiệp và đạt nồng độ từ 30÷130 mg/l19,51. Trong số các chủng vi sinh vật thì vi khuẩn A. tumefaciens là một trong những vi khuẩn đang được sử dụng để sản xuất CoQ10 hiện nay do chúng có nhiều ưu điểm như có hàm lượng CoQ10 tương đối cao so với các vi sinh vật khác, hơn nữa chúng chỉ tổng hợp CoQ10, môi trường nuôi đơn giản thích nghi với các môi trường khác nhau, rẻ tiền, phù hợp sản xuất ở quy mô công nghiệp7,9,18. 1.3.2 Sinh tổng hợp Coenzyme Q10 Con đường sinh tổng hợp CoQ10 từ sinh vật bao gồm 2 phần: tổng hợp mạch vòng quinonoid và biến đổi vòng quinonoid; Tổng hợp mạch nhánh decaprenyl diphosphate. - Tổng hợp vòng quinonoid Sự tạo thành 4-hydroxybenzoate (p-HBA) từ chorismate là bước đầu tiên trong quá trình sinh tổng hợp. Phản ứng được xúc tác bởi enzyme chorismate pyruvatelyase được mã hóa bởi gen ubiC. 5
Ở E.coli p-HBA, tiền chất của vòng quinonoid thu được tạo thành từ con đường shikimate, đây là con đường quan trọng để tổng hợp các acid amin thơm thông qua chorismate, p-HBA được sử dụng cho quá trình prenyl hóa và biến đổi vòng. Ở động vật có vú, p-HBA được tạo thành từ acid amin tyrosine do thiếu con đường shikimate. - Tổng hợp mạch nhánh (decaprenyl diphosphate) Isopentyl diphosphate (IPP) và đồng phân dimethylallyl diphosphate (DMAPP) là tiền chất quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp CoQ10, con đường sinh tổng hợp ở động vật là : con đường mevalonate16(MVA). 6
Sơ đồ 1. Sinh tổng hợp IPP theo con đường MEV Quá trình kéo dào mạch isoprenoid (6-10 đơn vị isoprene) được tổng hợp từ ngưng tụ FPP và phân tử IPP với xúc tác chuyển pha trans-prenyl, thu được 100% cấu hình trans50. Bước tiếp theo là phản ứng ngưng tụ giữa chuỗi polyisoprenoid và 4-hydroxybenzoate, thực hiện bởi enzyme polyprenyl-4-hydroxybenzoate. Ngoài ra, quá trình tổng hợp vòng quinone có thể đi từ tyrosine hoặc là phenylalanine.Hai phản ứng đầu tiên đều xảy ra ở trong màng lưới nội chất và peroxisomes ở tế bào động vật. Sau khi thực hiện phản ứng ngưng tụ, là quá trình biến đổi vòng quinone, ở đây xảy ra các phản ứng: phản ứng C-hydroxylation, decarboxylation, O- methylation và C-methylation. Quá trình sinh tổng hợp này trong tế bào cần 12 gen và quan trọng nhất là enzyme HMG-CoA reductase. 1.3.3 Chức năng của Coenzyme Q10 Như chúng ta đã biết, hầu hết các chuyển hóa trong cơ thể, trong tế bào của người đều cần sự xúc tác của các loại enzym khác nhau. Để tạo điều kiện cho các enzym này hoạt động có hiệu quả thì cần có các chất hỗ trợ (coenzyme). CoQ10 là một trong nhiều loại coenzyme có trong cơ thể người. Các nhà khoa học đã chứng minh CoQ10 là yếu tố kết hợp (cofactor) của ít nhất 3 enzyme tại ty thể của mỗi tế bào để tạo ra ATP cung cấp cho tế bào. Coenzyme Q10 có hai chức năng quan trọng nhất: vận chuyển điện tử (electron transport chain –ETC) cho quá trình sản xuất năng lượng sinh học ở ty thể của tế bào; chức năng chống oxy hóa28. Trong thời gian gần đây, Coenzyme Q10 được biết đến với nhiều chức năng khác trong quá trình đồng hóa và dị hóa. Ở trong lớp màng ty thể, điện tử từ NADH (Nicotinamide adenine dinucleotide) và succinate thông qua chức năng ETC kết hợp với oxy, từ đó tách ra một phân tử nước (trong chu trình Krebbs). Chức năng vận chuyển điện tử đó đưa ion H+ đi qua màng tế bào và từ đó kết hợp với enzyme ATP synthase để tổng hợp nên năng lượng sinh học của cơ thể sống là ATP. Chức năng sinh học quan trọng thứ 2 đó là khả năng chống oxy hóa28, được phát hiện bởi nhà hóa sinh người Anh Peter Michell. Coenzyme Q10 ức chế 7
peroxide lipid bằng cách ngăn chặn sự tạo raperoxide lipid gốc (LOO·), ngoài ra CoQH2 khử hóa chất gốc perferryl4, sản phẩm của quá trình là hình thành ubisemiquinone và hydro- peroxide. Cơ chế của quá trình: ức chế và ngăn chặn hình thành chất gốc perferryl, từ đó làm ngăn chặn quá trình oxy hóa lipid. Ngoài ra, một số nghiên cứu mới đây còn chỉ ra rằng, CoQ10 không chỉ ngăn chặn quá trình oxy hóa ở lipid mà còn ở protein. Bên cạnh đó, chất khử CoQ· còn ảnh hưởng đến việc hình thành và sinh tổng hợp vitamin E bằng việc tái chế gốc α-tocopheroxyl. Hơn nữa, dạng oxy hóa CoQ tương tác với hydroperoxide và các ion kim loại, gắn chặt vào DNA và tạo ra các hydroxy gốc. CoQ10 còn hiệu quả trong việc ngăn chặn các tác nhânphá hủy bazơnitơtrong DNA, đây là chức năng quan trọng của của CoQ10 đối với DNA, từ đó dễ dàng bảo vệ DNA và giúp DNA sửa lỗi trong quá trình sao chép. Khả năng chống oxy hóa mạnh của CoQ10 góp phần quan trọng hỗ trợ cơ thể trong việc chống các gốc tự do; nó có tác dụng hiệp đồng với các chất chống oxy hóa khác như beta caroten, vitamin E, vitamin C…Do tác dụng này, CoQ10 có tác dụng làm chậm sự lão hóa của cơ thể, cải thiện khả năng làm việc và kéo dài tuổi thọ, tăng cường hệ miễn dịch, giúp cơ thể phòng chống được nhiều loại bệnh tật. Từ hơn 10 năm trở lại đây, trên thế giới có nhiều nước đã sử dụng CoQ10 bào chế dưới dạng viên nang mềm với một số tên biệt dược dùng như chất bổ sung dinh dưỡng và trị liệu. 1.4Ứng dụng Coenzyme Q10 trong y học Coenzyme Q10 có vai trò đặc biệt quan trọng đối với mọi tế bào ở trong cơ thể sống, để sản xuất ra năng lượng sinh học cho sự duy trì và phát triển của tế bào.Nồng độ CoQ10 trong cơ thể chịu ảnh hưởng bởi môi trường sống và các yếu tố cuộc sống như tình trạng stress, nồng độ hormon, tuổi tác, bệnh tật, và các hoạt động thể lực… Khi CoQ10 trong cơ thể bị giảm sút sẽ làm giảm năng lượng, đồng thời hạn chế sự hoạt động của các cơ quan và tuyến nội tiết. Thiếu CoQ10 thì trước hết tim bị ảnh hưởng, vì CoQ10 có nồng độ cao nhất là ở tim - trái tim chứa CoQ10 nhiều gấp 10 lần các mô khác14. Tim hoạt động liên tục nên lượng oxy tiêu thụ cũng rất lớn. Trong các bệnh tim mạch, bệnh nhân thường bị thiếu hụt nghiêm trọng CoQ10 - giảm đến 75% so với cơ tim bình thường. Nhiều nghiên cứu trên 8
thế giới cho thấy người bệnh tim nếu sử dụng đều đặn CoQ10 dạng viên nang 30mg/viên, 1-2 viên ngày sẽ giảm được triệu chứng như: phù, gan to, sung huyết tĩnh mạch, đánh trống ngực và cải thiện thông số tim (phân suất tống máu, cung lượng tim, chỉ số thể tích tâm trương…).Lợi ích của Coenzyme Q10 không chỉ cho tim mạch mà còn có rất nhiều lợi ích khác. 1.4.1 Tác dụng đối với các bệnh về tim mạch Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng lợi ích của việc bổ sung CoQ10 giúp cải thiện chức năng của tim mạch thông qua tăng cường sản xuất năng lượng, cải thiện sự co bóp của cơ tim và đặc biệt ngăn ngừa sự oxy hóa của lipoprotein LDL (Cholesterol xấu). Yalcin và cộng sự (2004) đã chỉ ra mối liên quan giữa nồng độ CoQ10 trong huyết tương thấp và bệnh động mạch vành, vì họ thấy rằng nồng độ CoQ10 ở những bệnh nhân bị bệnh động mạch vành (0,43 μmol/L) thấp hơn so với nhóm kiểm chứng (0,77 μmol/L)55. Munkholm và cộng sự (1999) đã điều trị bệnh nhân bị suy tim sung huyết với 200 mg CoQ10/ngày và thấy rằng có thể làm giảm nguy cơ về bệnh tim mạch37. Langsjoen và cộng sự (1999) cho rằng việc duy trì nồng độ CoQ10 trong huyết tương (> 3,5 μg/mL) cùng với cách bổ sung CoQ10 có thể cải thiện chức năng của tim21. Ngoài ra, Conklin (2000) cũng chứng minh trong quá trình hóa trị liệu, bệnh nhân cần được cung cấp Coenzyme Q10 bổ sung để ngăn chặn doxorubicin gây ra các bệnh về tim10. Nghiên cứu cũng cho thấy khi sử dụng CoQ10 kết hợp với fenofibrate làm giảm đáng kể huyết áp tâm thu và huyết áp tâm trương, giảm glycosylated hemoglobin (HbA1C), cải thiện rõ rệt chức năng nội mô của động mạch cánh tay là yếu tố liên quan đến nguy cơ bệnh tim mạch. Trong một nghiên cứu khác22, tiến sĩ Langsjeon quan sát 424 bệnh nhân với các hình thức khác nhau của bệnh tim mạch trong khoảng thời gian tám năm (1985- 1993).Ngoài các loại thuốc họ đã dùng theo đơn, nhóm nghiên cứu đã cho thêm Coenzyme Q10 vào phác đồ điều trị của họ. Trong số 424 bệnh nhân, 58% cho thấy mức độ cải thiện rõ rệt của bệnh lý, 28% đã khỏi bệnh khi dùng cả 2 loại thuốc này, và chỉ 3% số bệnh nhân đã khảo sát là khỏi bệnh nếu chỉ dùng độc lập thuốc điều trị 9
bệnh đau tim. Những bệnh nhân này sau khi dùng kết hợp CoQ10 đã có thể giảm số lượng thuốc đặc trị bệnh tim, từ đó có thể giảm giá thành trong quá trình điều trị. 1.4.2 Tác dụng với bệnh đau đầu kinh niên Nhóm nghiên cứu ở Canada đã tiến hành thí nghiệm trên32 bệnh nhân (26 nữ, 6 nam giới) có lịch sử đau nửa đầu, tiến hành điều trị bằng 150 mg/ngày (thuốc chứa Coenzyme Q10)30,41. Phần lớn số bênh nhân sử dụng thuốc (61,3%) giảm triệu chứng đau nửa đầu. Trung bình, những bệnh nhân này có tiền sử đau nửa đầu nhiều hơn 7ngày trên mỗi tháng, và kết quả đã giảm xuống chỉ còn đau đầu ít hơn 3 ngày/tháng.Sau 3 tháng điều trị tần suất đau nửa đầu so với sau1 tháng điều trị là 13,1% và tăng lên 55,3% sau 3 tháng sử dụng thuốc điều trị. Điều đặc biệt hơn, trong quá trình khảo sát không có bệnh nhân nào có biển hiện phản ứng phụ với Coenzyme Q10. Các bác sỹ tham gia vào nghiên cứudựa trên kết quả điều tra kết luận rằng:Coenzyme Q10có khả năng phòng ngừa chứng đau nửa đầu tốt. 1.4.3 Tác dụng trong điều trị các bệnh khác Với chức năng là chất vận chuyển điện tử ở trong ty thể, từ đó làm cho CoQ10 có tác dụng trong điều trị một số bệnh như: bệnh tiểu đường48, bệnh về thần kinh47. Một số nghiên cứu cho thấy nồng độ CoQ10 ở các bệnh nhân tiểu đường type II thường thấp hơn so với người bình thường và bằng cách bổ sung CoQ10 có thể dùng để điều trị bệnh cơ tim – đái tháo đường lâm sàng34,52. Từ hoạt tính chống oxy hóa giúp cho CoQ10 có khả năng tăng cường chức năng miễn dịch của tế bào,dựa vào tăng cường hoạt động của đại thực bào và làm tăng sinh bạch cầu hạt. Barbieri và cộng sự (1999) đã chỉ ra rằng hàm lượng kháng thể của nhóm đối tượng sử dụng 90 mg và 180 mg CoQ10/ngày cao hơn so với nhóm dùng thuốc an thần43. Trong một nghiên cứu ở động vật, thí nghiệm sử dụng 150 – 750 μg CoQ10/ngày trên chuột cũng cho thấy sự miễn dịch của tế bào tăng lên, hàm lượng kháng thể đã được cải thiện một cách đáng kể19. Sự giảm nồng độ CoQ10 trong máu đã được phát hiện ở các bệnh nhân mắc hội chứng suy giảm miễn dịchAIDS40,58. Tức là, những người bị nhiễm HIV dương tính có nồng độ CoQ10 10
trong máu thấp hơn những người bình thường. Nồng độ CoQ10 chỉ thấp hơn với các bệnh phức tạp liên quan đến sự phát triển bệnh AIDS (ARC) và suy giảm hơn nữa khi phát triển thành AIDS. Zhang và cộng sự (1997) cho rằng, việc bổ sung 200 mg CoQ10/ngày có thể trì hoãn sự phát triển từ ARC tới AIDS và làm tăng tỷ lệ tế bào lympho T4/T8. Dựa trên những phát hiện trên cho thấy Coenzyme Q10 có thể làm tăng cường chức năng miễn dịch ở người, kéo dài tuổi thọ cho những người nhiễm virut HIV. Một số nhà nghiên cứu đã tìm hiểu khảo sát về khả năng chống ung thư26,27. Đến nay đã có những thử nghiệm lâm sàng về khả năng chữa trị ung thư. CoQ10 có vai trò quan trọng đối với hoạt động hô hấp và chức năng của tế bào. Bất kỳ sự thiếu hụt hoặc suy giảm quá trình sinh tổng hợp CoQ10 có thể làm ảnh hưởng chức năng tế bào. Do đó, điều mà chúng ta có thể theo dõi được đó là sự phân chia bất thường của tế bào sẽ gây nên bệnh ung thư. Hodges và cộng sự (1999) cũng đã chỉ ra rằng nồng độ CoQ10 ở những bệnh nhân bị ung thư vú, ung thư phổi và ung thu tuyến tụy thấp hơn so với những người bình thường. Một số báo cáo chứng minh rằng sử dụng liều lượng 390mg/ngày làm suy thoái khối u di căn và làm biến mất khối u từ 1 đến 3 năm sau đó, tùy từng trường hợp, di căn có thể không xuất hiện trở lại. Có thể cơ chế của CoQ10 trong điều trị bệnh ung thư bao gồm tăng cường hệ thống miễn dịch và các hoạt động chống oxy hóa. Hiệp hội ung thư Hoa kỳ công bố: ubiquinone có thể làm giảm, thậm chí có thể không phải dùng phương pháp hóa xạ trị liệu trong điều trị ung thư. Trong báo cáo của tổ chức phi chính phủ Cochrane Collaboration đề cập đến việc sử dụng CoQ10 với những người mắc chứng bệnh Parkinson25. Đối với những người bị bệnh Parkinson thì hàm lượng CoQ10 ở trong máu, tiểu cầu ở ty thể và huyết tương có sự suy giảm đáng kể. Một số thử nghiệm đối với những người bị bệnh Parkinson bổ sung CoQ10 hàng ngày với liều cao từ 1.200 - 3.300 mg kết hợp với 1.200 IU vitamin E cho thấy nồng độ CoQ10 bổ sung hàng ngày là 2.400 mg có thể là liều hiệu quả tối đa trong điều trị bệnh Parkinson. Ngoài ra hoạt động của tiểu 11
cầu ở ty thể của các phức hợp I và III đã được tăng lên đáng kể đối với những bệnh nhân có sử dụng CoQ10 so với đối chứng. 1.4.4 Trong mỹ phẩm CoQ10 được bổ sung vào mỹ phẩm có tác dụng ngăn ngừa các nếp nhăn. Thí nghiệm đã chứng minh rằng CoQ10 có thể hoạt động như một chất chống oxy hóa chống lại tác động của hydroperoxide và tia UVA trong quá trình nuôi cấy tế bào biểu bì sừng và nguyên bào sợi da. CoQ10 có hiệu quả trong việc bảo vệ các tế bào sừng bởi sự phá hủy của tia UVA. CoQ10 cũng có hiệu quả đáng kể trong việc giảm sự lão hóa cơ thể người bằng cách làm giảm nếp nhăn thông qua khả năng làm tăng cường sức đề kháng của da, giảm sự lão hóa da và dọn dẹp gốc tự do. Một nhóm nghiên cứu của Đức thấy rằng CoQ10 cũng ức chế collagenase, một enzyme gây hại của các mô liên kết của da. CoQ10 có thể xâm nhập vào lớp biểu bì, nơi mà có sự biến đổi từ dạng oxy hóa sang dạng khử và hoạt động như một chất chống oxy hóa. Như chúng ta đã biết lớp biểu bì có hàm lượng tương đối cao NADPH quinone reductase – tiền đề sản sinh ra CoQ10 dạng khử. Vì vậy, CoQ10 có thể bảo vệ tế bào khỏi tác hại của tia UVA và khi sử dụng CoQ10 thì không có tác dụng phụ như dị ứng. Hiện nay CoQ10 được kết hợp với retinoic acid dùng để điều trị bệnh lão hóa. Tóm lại, những kết quả nghiên cứu CoQ10 biến thành một chất mỹ phẩm độc đáo để bảo vệ da khỏi lão hóa sớm, sự hình thành nếp nhăn và tăng cường hoạt động của tế bào15. 1.5 Phương pháp hóa học tổng hợp Coenzyme Q10 Như chúng ta đã biết có 3 phương pháp chính để thu được Coenzyme Q10 đó là: lên men nấm, tách chiết từ động thực vật và tổng hợp hóa học. Phương pháp lên men hiện tại vẫn đang được áp dụng trong sản xuất CoQ10 quy mô công nghiệp, với các ưu điểm giá thành rẻ, sản lượng lớn. Đối với phương pháp tách chiết từ động thực vật, phù hợp trong quá trình nghiên cứu, vì chi phí sản xuất quá cao, sản phẩm tinh chế phức tạp. Để sử dụng CoQ10 có hiệu quả hơn cho những ứng dụng trong y học, mỹ phẩm và hiểu rõ hơn những đặc tính của CoQ10, việc sản xuất 12
CoQ10 với chi phí thấp là một yêu cầu cấp thiết. Giảm chi phí sản xuất CoQ10 bằng cách tối ưu hóa các giai đoạn trong tổng hợp CoQ10, từ đó có thể ứng dụng sản xuất ở quy mô công nghiệp. Chúng tôi tin rằng, trong tương lai phương pháp tổng hợp toàn phần hay bán phần với những ý tưởng mới trong nghiên cứu có thể áp dụng vào sản xuất ở quy mô công nghiệp, và chi phí sản xuất có thể cạnh tranh với quá trình lên men sinh học. Hơn nữa, tính ưu việt của phương pháp tổng hợp hóa học: có thể tìm ra các dẫn xuất mới mang hoạt tính sinh học cao, đáp ứng với nhu cầu thực tế của con người trong điều trị các bệnh y học mới, và trong ngành thực phẩm chức năng tương lai. Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, đã và đang có rất nhiều nhà hóa học trên thế nghiên cứu, phát triển các phương pháp tổng hợp mới tạo ra các dẫn xuất có hoạt tính sinh học cao, khắc phục những nhược điểm của các nghiên cứu trước đó.Sử dụng các phản ứng kinh điển: phản ứng ghép chéo với xúc tác Ni(0), phản ứng cơ Grinha,…tất cả mục đích là tạo liên kết C–C của vòng quinone và chuỗi polyisoprene. Dưới đây là một số phương pháp tổng hợp Coenzyme Q10 tiêu biểu được các nhà hóa học công bố trước đây. 13
Sơ đồ 2.Quy trình tổng hợp ngược trong tổng hợp CoQ10 Phương pháp I, tổng hợp toàn phần CoQ10 được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu Bruce H.Lipshutz. Giai đoạn quan trọng nhất trong phương pháp này, đó là thực hiện phản ứng alkyl hóa sử dụng xúc tác nikel23. Bên cạnh đó, tác giả đã sử dụng phản ứng Negishi carboalumination của ankin đầu mạch để thu được chất 3 - một chất trung gian quan trọng39. Việc sử dụng dụng xúc tác Cp2ZrCl2 (dichloro- cyclopentadienyl-zirconium) tăng khả năng lựa chọn cấu hình của sản phẩm. Sơ đồ phản ứng của nhóm nghiên cứu Bruce H.Lipshuitz được trình bày dưới đây. 14
Sơ đồ 3. Phương pháp tổng hợp của B.H Lishutz Tóm lại, Bruce H.Lipshutz đã thực hiện phản ứng cross coupling liên kết giữa isoprene và quinone bằng sử dụng xúc tác nikel(0) với lựa chọn cấu hình cao. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp làphản ứng được tiến hành ở điều kiện khắc nghiệt, giá thành chi phí quá cao khi sản xuất ở quy mô công nghiệp. Phương pháp thứ II, nhóm tác giả Fen-Er Chen đã nghiên cứu phương pháp mới tổng hợp hiệu quả CoQ1057. Phản ứng chìa khóa ở đây: từ chất 4 thực hiện ghép chéo với {[(2E)-4-bromo-2-methylbut-2-enyl]oxy}(tert-butyl)dimethylsilane với xúc tác là cơ lithinium thu được sản phẩm 5, sau đó thêm 2 bước tổng hợp thu được chất trung gian quan trọng 6. Sơ đồ phản ứng được thể hiện dưới đây: Sơ đồ 4. Phương pháp tổng hợp của Fen-er Chen Phương pháp tổng hợp của Fen sử dụng dẫn xuất của silan và đạt được hiệu suất cao với khả năng khống chế cấu hình tốt (E/Z=99/1). Tuy nhiên, phản ứngthực hiện với nhiều bước và trong điều kiện khó khăn, hiệu suất của cả quá trình thấp và 15
kết quả nghiên cứu chỉ thích hợp trong quy mô nghiên cứu phòng thí nghiệm, khả năng ứng dụng trong thực tế thấp. Sơ đồ 5. Tổng hợp CoQ10 sử dụng xúc tác Lewis Phương pháp nghiên cứu III, nhóm tác giả Sangho Koo đã tổng hợp thành công Coenzyme Q10 sử dụng xúc tác Lewis acid cho phản ứng allylic chlorde C5 ghép chéo với vòng quinone13. Quá trình tổng hợp đi từ chất đầu đã được thương mại hóa là tetramethoxytoluen, hiệu suất tổng quá trình lên đến 53%. Tuy nhiên sự lựa chọn cấu hình thấp (Z/E=10/1), sản phẩm tinh chế phức tạp. Hiện nay, vẫn còn rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu phương pháp, con đường tổng hợp dẫn xuất Coenzyme Q10 với hoạt tính sinh hoạt cao, để đáp ứng nhu cầu của con người. 1.6 Mục tiêu luận văn Từnhững chức năng quan trọng và lợi ích Coenzyme Q10 trong lĩnh vực y học, chúng tôi mong muốn tạo ra được các dẫn xuất CoQ10 có hoạt tính sinh học cao, đáp ứng được nhu cầu trong tình hình mới hiện nay. Mục tiêu của luận văn: - Nghiên cứu tổng quan Coenzyme Q10, xây dựng phương pháp tổng hợp mới, hạn chế những nhược điểm của các phương pháp nghiên cứu trước đó. - Chúng tôi nghiên cứu và tiến hành tổng hợp thành công bước trung gian quan trọng của dẫn xuất CoQ10 bằng phương pháp tổng hợp mới. 16
- Xác định cấu trúc sản phẩm bằng các phương pháp phân tích hiện đại: phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân 1H và 13C. - Tối ưu hóa các điều kiện phản ứng, nghiên cứu và ưu tiên sử dụng các phản ứng hóa học đơn giản, hiệu suất cao. 17
Chương 2 – THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị và hóa chất 2.1.1 Thiết bị - Máy khuấy từ gia nhiệt (IKA – Đức) - Cân phân tích độ chính xác ± 0,0001g (Sartorious – Đức) - Đèn soi UV (CAMAG – Thụy sỹ) - Máy cất quay áp suất thấp (Buchi – Thụy sỹ). - Máy chụp phổ cộng hưởng từ 500Hz (Brucker Advance 500 spectrometer- Khoa Hóa học, trường đại học Khoa học Tự nhiên). 2.1.2 Hóa chất sử dụng - Hóa chất: 2-methyl-1,4-naphthoquinone, 2,3,5-trimethyl hydro- quinone, allyl bromide…( Sigma Aldrich, Đức). - Các chất xúc tác sử dụng: NaH, K2CO3, Grubbs 2nd…(Sigma Aldrich, Đức). - Dung môi: methanol, ethanol, n-hexane, ethyl acetate…(Tây Long, Trung Quốc), được chưng cất lại trước khi sử dụng. - Giấy sắc ký bản mỏng (Merck – Đức). - Silica gel (Trung Quốc) sấy khô và làm sạch trước khi sử dụng. 2.2 Phương pháp thực nghiệm Quy trình tổng hợp chất trung hai dẫn xuất Coenzyme Q10 từ những chất đơn giản ban đầu là menadione và 2,3,5-trimethyl hydroquinone. Sau khi nghiên cứu tổng hợp các tài liệu, nhóm đã sử dụng các phản ứng acyl hóa, phá bảo vệ chọn lọc, phản ứng ete – Williamson, chuyển vị Claisen và hoán vị olefin sử dụng xác tác Grubbs, thu được sản phẩm trung gian quan trọng trong tổng hợp các dẫn xuất CoQ10. 18