Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:190

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp một số cyclobutane nucleoside là dẫn xuất của ribavirin nhằm mục tiêu tìm kiếm các dẫn xuất nucleoside mới có hoạt tính kháng virus, góp phần trong công cuộc đẩy lùi căn bệnh thế kỷ HIV/AIDS và các bệnh do virus gây nên. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGÔ NGỌC THẮNG TỔNG HỢP CÁC DẪN XUẤT CYCLOBUTANE NUCLEOSIDE MỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGÔ NGỌC THẮNG TỔNG HỢP CÁC DẪN XUẤT CYCLOBUTANE NUCLEOSIDE MỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGÔ NGỌC THẮNG TỔNG HỢP CÁC DẪN XUẤT CYCLOBUTANE NUCLEOSIDE MỚI Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 604427 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. ĐẶNG NHƯ TẠI Hà Nội – 2011
Lời Cám Ơn Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc: Tôi xin chân thành cám ơn Khoa Hóa học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội và phòng Hóa học các chất chống virus, Viện Hóa học đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này. Em xin đặc biệt cám ơn thầy GS. TSHK. Đặng Như Tại đã hướng dẫn em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cám ơn TS. Trần Thị Thu Thủy, người đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. Em xin cám ơn các thầy, cô tại Khoa Hóa – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã truyền đạt kiến thức và những kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong quá trình học tập. Cuối cùng, tôi xin cám ơn toàn thể lớp cao học K20 và bạn bè đã ủng hộ và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập. Hà Nội, ngày 21 tháng 12 năm 2011 Học viên Ngô Ngọc Thắng
MỤC LỤC Mở Đầu............................................................................................................................ 1 Giới Thiệu và Định Hướng Nghiên Cứu ....................................................................... 3 1.1. Giới thiệu: Các dẫn xuất nucleoside với hoạt tính chống virus.............................. 3 1.2. Định hướng nghiên cứu .............................................................................................. 7 1.3. Phương pháp tổng hợp .............................................................................................. 10 1.3.1. Tổng hợp phần vòng cyclobutane .................................................................. 10 1.3.2. Tổng hợp phần bazơ 1,2,3-triazole ................................................................. 13 1.3.3. Phản ứng acyl hóa chọn lọc lập thể với xúc tác enzyme ............................... 16 1.4. Định hướng tổng hợp ................................................................................................ 17 Kết Quả và Thảo Luận................................................................................................. 18 2.1. Tổng hợp hợp chất trung gian chìa khóa azide ...................................................... 18 2.2. Tổng hợp các dẫn xuất cyclobutane nucleoside...................................................... 21 2.3. Các đặc trưng cấu trúc của các cyclobutane nucleoside ......................................... 27 Thực Nghiệm.................................................................................................................. 37 Kết Luận ........................................................................................................................ 53 Tài Liệu Tham Khảo ...................................................................................................... 54 Phụ lục ........................................................................................................................... 61 i
Mục lục hình và bảng Hình 1.1: Cấu tạo của virus .................................................................... 4 Hình 1.2: Quá trình sao chép của retrovirus trong tế bào chủ ..................... 5 Hình 1.3: Cơ chế ức chế RT của các dẫn xuất nucleoside .......................... 7 Hình 2.1: Phổ 1H NMR của N3F1 ......................................................... 28 Hình 2.2: Phổ 13C NMR của N3F1 ........................................................ 29 Hình 2.3: Phổ hai chiều của N3F1......................................................... 30 Hình 2.4: Phổ 1H NMR của N3F2 ......................................................... 32 Hình 2.5: Phổ 13C NMR của N3F2 ........................................................ 33 Hình 2.6: Phổ hai chiều của N3F2 ......................................................... 34 Hình 2.7: Phổ NOESY của N3F1 .......................................................... 34 Hình 2.8: Phổ NOESY của N3F2 .......................................................... 35 Hình 2.9: Phổ MS của N3F1 ................................................................. 35 Hình 2.10: Phổ MS của N3F2............................................................... 36 Bảng 2.1: Các sản phẩm và hiệu suất của phản ứng “Click” 21 Bảng 2.2: Các dẫn xuất cyclobutane nucleoside thu được 25 Bảng 2.3: Dữ kiện phổ của N3F1 31 ii
Mở Đầu Virus là nguyên nhân gây ra các bệnh nguy hiểm như viêm gan B và C, cúm A và B, herpes, AIDS,.... Một số bệnh do virus gây ra có thể được ngăn ngừa bằng vaccine. Tuy nhiên, bệnh do nhiễm HIV hiện nay chưa có vaccine và không có liệu pháp chữa trị hoàn toàn, đặc biệt tỉ lệ người ở độ tuổi thanh niên mắc bệnh cao. Hiện nay các thuốc dùng trong liệu pháp chữa trị virus HIV gồm có: thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược là các nucleoside (NRTIs), thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược không phải nucleoside (NNRTIs), thuốc ức chế enzyme protease (PIs), thuốc ức quá trình dung hợp của virus. Trong khoảng 30 năm trở lại đây, trọng tâm phát triển thuốc chống HIV là nghiên cứu các thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược là các nucleoside (NRTIs). Cho tới nay, có 7 dẫn xuất nucleoside và 1 dẫn xuất nucleotide được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (Food and Drug Administration: FDA) cấp phép dùng trong điều trị HIV. Ngoài ra, rất nhiều dẫn xuất nucleoside khác đang được thử nghiệm lâm sàng trên người. Tuy nhiên do virus có khả năng tự biến đổi để kháng thuốc cho nên nỗ lực nghiên cứu và tìm ra loại thuốc mới là rất cần thiết và cấp bách. Mặt khác một số dẫn xuất nucleoside còn thể hiện hoạt tính chống ung thư. Trong khuôn khổ của bản luận văn này, tôi xin trình bày kết quả nghiên cứu tổng hợp một số cyclobutane nucleoside là dẫn xuất của ribavirin nhằm mục tiêu tìm kiếm các dẫn xuất nucleoside mới có hoạt tính 1
kháng virus, góp phần trong công cuộc đẩy lùi căn bệnh thế kỷ HIV/AIDS và các bệnh do virus gây nên. 2
Chương 1 Giới Thiệu và Định Hướng Nghiên Cứu 1.1. Giới thiệu: Các dẫn xuất nucleoside với hoạt tính chống virus Lây nhiễm virus là nguyên nhân gây ra các dịch bệnh rất nguy hiểm như cúm, viêm gan B & C, cúm loại A & B,… đặc biệt là AIDS. Dựa theo kết quả thống kê năm 2007, đã có khoảng 25 triệu người tử vong do mắc AIDS, 33 triệu người đang chung sống với HIV/AIDS. Mỗi ngày trung bình có khoảng 6.800 người mới bị nhiễm bệnh và hơn 5.700 người tử vong do AIDS [58]. Số người nhiễm virus viêm gan B chiếm một phần ba dân số thế giới. Tại Việt Nam, theo Bộ Y Tế, tính đến thời điểm năm 2009 có hơn 42.000 người bị chết do nhiễm HIV/AIDS và tỉ lệ người nhiễm viêm gan B nằm trong nhóm cao nhất thế giới [59]. Để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động và hạn chế của các thuốc chống virus, trước hết ta cần tìm hiểu về cấu trúc và sự lây lan của virus. 3
Virus điển hình gồm có lớp vỏ protein, còn gọi là capsid, bên trong chứa acid nucleic (hệ gene) có thể là DNA hoặc RNA. Điều quan trọng là bộ gene của virus không chỉ mã hoá cho các protein cần để bao bọc vật liệu di truyền của nó mà còn mã hoá cho các protein cần cho virus sinh sản trong chu kì xâm nhiễm của nó. Phức hợp bao gồm acid nucleic và vỏ capsid được gọi là nucleocapsid. Một số loại virus còn có màng bao (envelop). Hình 1.1: Cấu tạo của virus Virus có tính kí sinh nội bào bắt buộc, chúng chỉ có thể sinh sản bằng cách xâm chiếm tế bào sống khác vì chúng thiếu bộ máy ở mức tế bào để tự sinh sản. Trong số đó, các retrovirus có tính chất đặc biệt đó là khản năng phiên mã hệ gene RNA của nó thành DNA bởi enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase RT), DNA virus sau đó được tích hợp vào DNA của tế bào chủ. Do tính chất đặc biệt này mà RT là đích tấn công quan trọng trong việc nghiên cứu thuốc chống virus, đặc biệt là HIV. Quá trình sao chép của retrovirus, như HIV, cơ bản gồm có 5 giai đoạn chính. Đầu tiên, virus gắn và xâm nhập vào màng tế bào bằng cách dung hợp lớp vỏ của nó với màng tế bào chủ. Nhờ quá trình dung hợp (fusion), nucleocapsid được đưa vào và giải phóng bộ lõi gene RNA của virus vào tế bào bị nhiễm. Tiếp đó, RNA được phiên mã thành DNA nhờ enzyme phiên mã ngược RT. DNA này sau đó 4
được chèn vào DNA nhiễm sắc thể của tế bào chủ bởi enzyme integrase. Hệ gene của virus được biểu hiện trong quá trình sinh tổng hợp của tế bào tạo ra các protein virus. RNA và protein virus “lắp ráp” lại và thoát khỏi tế bào chủ bằng cách “nảy chồi” (budding), lớp vỏ bọc lipid được kéo theo ra từ màng tế bào. Các virus mới tạo ra tiếp tục đi lây nhiễm các tế bào lành bệnh; mỗi tế bào bị nhiễm virus có thể sản xuất ra hàng nghìn virus mới và nhanh chóng lây lan ra toàn bộ chủ thể nhiễm virus. Hình 1.2: Quá trình sao chép của retrovirus trong tế bào chủ [54] Dựa trên sự tác động vào chu trình sao chép của virus, có các loại thuốc chống HIV chính được phát triển đó là: thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược là các nucleoside (NRTIs), thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược không phải nucleoside (NNRTIs), thuốc ức chế enzyme protease (PIs), thuốc ức quá trình dung hợp của virus. Trong điều trị các loại thuốc khác nhau được dùng kết hợp (drug cocktail) nhằm tăng khả năng của thuốc, phương pháp này được biết đến là liệu pháp điều trị chống retrovirus hoạt tính cao (highly active antiretroviral therapy: HAART). 5
Như đã nói ở trên, đối với các retrovirus, enzyme phiên mã ngược RT là đích quan trọng trong việc phát triển thuốc chống HIV. Trong khoảng 30 năm trở lại đây, trọng tâm phát triển thuốc chống HIV là nghiên cứu các thuốc ức chế enzyme phiên mã ngược là các nucleoside (NRTIs). Cho tới nay, có 7 dẫn xuất nucleoside và 1 dẫn xuất nucleotide được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (Food and Drug Administration: FDA) cấp phép dùng trong điều trị HIV [12]. Ngoài ra, rất nhiều dẫn xuất nucleoside khác đang được thử nghiệm lâm sàng trên người [48]. Các dẫn xuất nucleoside cũng được dùng trong điều trị các bệnh do virus gây ra khác như bệnh thủy đậu và zona (varicella–zoster virus, VZV), HCMV (human cytomegalovirus), herpes simplex (HSV), hepatitis B (HBV) hoặc hepatitis C (HCV) [12, 13, 25]. Các dẫn NRTI được FDA thông qua Nhờ quá trình trao đổi chất, NRTIs được đưa vào trong tế bào. Sau đó nhóm 5’-hydroxyl được phosphoryl hóa thành 5’-triphosphate qua 3 bước nhờ các kinetase tương ứng. Triphosphate nucleoside, hay nucleotide, tương tác với enzyme phiên mã ngược RT, ức chế cạnh tranh với các cơ chất nucleotide tự nhiên. Tuy nhiên, dẫn xuất nucleotide của NRTIs có tác dụng như tác nhân kết thúc mạch (do không có nhóm 3’-OH), do đó nó làm dừng quá trình phiên mã RNA của virus. Quá trình nhân lên của virus do đó được ngăn chặn [4, 17]. 6
Hình 1.3: Cơ chế ức chế RT của các dẫn xuất nucleoside [13] Nhược điểm của NRTIs là triphosphate cũng như mono và diphosphate nucleoside đều có ái lực với các enzyme của tế bào, cho nên nó gây ra tác dụng phụ ở người được điều trị. Thêm vào đó, các virus có khả năng biến đổi cao dẫn đến giảm hiệu quả của thuốc và kháng thuốc [4, 21, 28, 49]. Nhiều loại thuốc với cơ chế tác dụng và mức độ kháng thuốc khác nhau được dùng kết hợp để làm tăng hiệu quả điều trị bệnh. Do những hạn chế đó, nỗ lực tìm ra các thuốc trị bệnh mới với hoạt tính mạnh hơn và ít gây tác dụng phụ hơn vẫn là rất cấp bách trong việc nghiên cứu và phát triển phương pháp điều trị HIV cũng như các bệnh khác do virus gây ra. 1.2. Định hướng nghiên cứu Rất nhiều các dẫn xuất nucleoside đã được tổng hợp dựa trên sửa đổi vòng carbohydrate và/hoặc phần bazơ. Đáng chú ý, khi phần đường được thay bởi vòng carboxylic, tức là nguyên tử oxi được thay bằng nhóm CH2, các dẫn xuất thu được có hoạt tính mạnh hơn và bền hơn dưới tác dụng của enzyme phosphorylase – enzyme làm phân hủy liên kết glycoside [14, 32, 56]. Rất nhiều các dẫn xuất của 7
nhóm hợp chất này đã được tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính, bao gồm các hợp chất chứa vòng cyclopropane [40], cyclobutane [20], cyclopentane [7], cyclohexane [20, 53]. Một số đã được dùng làm thuốc chống virus như aristeromycin A [46], neplanocin A [8], abacavir [29], baraclude [43], và lobucavir [24]. Các dẫn xuất cyclobutyl nucleoside được chú ý nghiên cứu khi oxetanocin A được phát hiện có hoạt tính chống virus mạnh [47]. Hướng nghiên cứu này đã dẫn đến sự phát hiện ra hai dẫn xuất mới là cyclobut-A và cyclobut-G [24], có hoạt tính kháng virus herpes và viêm gan B in vitro. Đồng thời rất nhiều phương pháp tổng hợp các dẫn xuất này đã được nghiên cứu và công bố và một số hợp chất thể hiện hoạt tính đáng chú ý như [6, 37, 51]: 8
Khi nghiên cứu sửa đổi phần bazơ, rất nhiều công trình nghiên cứu có kết quả khả quan đã được công bố. Một số hợp chất có hoạt tính đáng chú ý là kết quả của nỗ lực sửa đổi phần bazơ như: Bredinin -là một imidazole nucleoside được dùng làm thuốc ức chế miễn dịch [31, 34], Ribavirin - thuốc điều trị viêm gan [42], các dẫn xuất 1,2,3-triazole TSAO - được dùng trong điều trị hepatitis C và HIV [3, 50]. N R NH2 N N N NH2 TBDMSO N O N O N N O H2N O O OH HO OH O OTBDMS HO OH S HO HO O O Brevidin Ribavirin 1,2,3-triazole TSAO Thêm vào đó, dẫn xuất 1,2,3-triazole gần đây được chú ý nghiên cứu và tổng hợp nhiều do khả năng tổng hợp đơn giản và hứa hẹn nhiều hoạt tính quý báu như chống HIV, chống vi trùng, chống dị ứng [3, 10, 50, 52]. Mặt khác, một số dẫn xuất N- và C-nucleoside có chứa dị vòng, cũng là các tác nhân chống virut và chống khối u, điển hình là Showdomycin, Tiazofurin, Pyranomycin và Ribavirin. 9
Trên cơ sở đó, tôi đề xuất ý tưởng tổng hợp một số dẫn xuất cyclobutane nucleoside mới có phần bazơ là vòng 1,2,3-triazole. 1.3. Phương pháp tổng hợp 1.3.1. Tổng hợp phần vòng cyclobutane Hiện nay các phân tử có chứa vòng nhỏ, đặc biệt là vòng bốn, đang được quan tâm phát triển và dần nắm một phần quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Lý do thứ nhất là hiện nay các dẫn xuất cyclobutane và cyclobuten có thể tổng hợp được với những phương pháp đáng tin cậy với hiệu suất cao do đó làm tăng khả năng ứng dụng [39]. Thứ hai là do sức căng của vòng nhỏ dẫn đến khả năng phản ứng với nhiều hướng khác nhau tùy thuộc vào cơ chế phản ứng và đặc điểm của các nhóm thế. Khoảng 20 năm gần đây, theo thống kê thì trong hơn 10.000 sáng chế và công bố khoa học ở lĩnh vực tổng hợp hữu cơ thì có khoảng 3.000 là tổng hợp có liên quan tới hóa học các hợp chất cyclobutane. Vòng cyclobutane có thể được tổng hợp theo một số phương pháp như sau: (E) & (Z)-silyl và aryl thế của homoallylic methanesulfonate được chuyển thành cis- và trans-1-silyl-2-borylcyclobutane tương ứng cũng như 1-phenyl-2- borylcyclobutane với sự có mặt của CuCl/dppp làm xúc tác, bis(pinacolato)diboron, và K(O-t-Bu) trong THF [35]: 10
Các hợp chất cyclobutane chứa ba hoặc bốn nhóm thế không đối xứng có thể được tổng hợp với hiệu suất cao và chọn lọc lập thể bằng phản ứng dime hóa dị hợp [2+2] của hai enone mạch hở khác nhau khi được chiếu bằng ánh sáng nhìn thấy và có mặt chất xúc tác quang hóa [Ru(bipy)3]Cl2 [16]: Hay(33): Phản ứng giữa alkyne đầu mạch và alkene với sự có mặt của phức cation Au(I) án ngữ không gian làm xúc tác cho ra cyclobutene với khả năng chọn lọc cấu tạo cao [38]: Muối cobalt xúc tác cho phản ứng cộng hợp [2+2] giữa alkene vòng như cyclopropen hoặc cyclohexene và alkyne giữa mạch với độ chọn lọc hóa học cao tùy thuộc vào bản chất của alkene và phối tử tạo phức với xúc tác [26]: 11
Một trong các phương pháp thông dụng để tổng hợp các cyclobutane và cyclobuten là phản ứng quang hóa cộng hợp đóng vòng [2+2] của olefine và acethylen với enone vòng và lactone α,β-không no. Ưu điểm của phản ứng này là khả năng khống chế lập thể sản phẩm tạo ra, chất đầu đơn giản, và không cần xúc tác đắt tiền [2, 5, 15, 18, 45]: 12
1.3.2. Tổng hợp phần bazơ 1,2,3-triazole Phản ứng cộng hợp đóng vòng lưỡng cực 1,3 Azide-Alkyne Huisgen là phản ứng cộng hợp tạo vòng 5 1,2,3-triazole từ azide và alkyne. Phản ứng được phát hiện bởi Huisgen [30]. Alkyne 1 phản ứng với azide 2 tại 980 C không dung môi sau 18h cho ra sản phẩm 3 là hỗn hợp của 2 đồng phân thế 1,4 và 1,5 [44]. Phản ứng cộng hợp 1,3 trên tỏa nhiệt mạnh, tuy nhiên năng lượng hoạt hóa của phản ứng cao do đó tốc độ phản ứng chậm mặc dù được thực hiện ở nhiệt độ cao. Một nhược điểm nữa của phản ứng này là sản phẩm tạo ra là hỗn hợp 2 đồng phân vị trí 1,4 và 1,5. Vào năm 2002, Morten Meldal ở phòng thí nghiệm Carlsberg tại Đan Mạchvà Valery Fokin và K. Barry Sharpless ở viện nghiên cứu Scripps độc lập nghiên cứu sử dụng xúc tác Cu(I) vào phản ứng trên [27]. Nhờ sự có mặt của Cu(I) mà hai nhược điểm của phản ứng được loại bỏ. Tốc độ của phản ứng có xúc tác nhanh gấp 107 đến 108 so với phản ứng không có xúc tác. Hơn nữa, phản ứng chỉ tạo ra duy nhất đồng phân 1,4. Phản ứng xảy ra ở khoảng nhiệt độ rộng, có thể phản ứng hoàn toàn ở nhiệt độ phòng và ít bị ảnh hưởng bởi pH (khoảng 4 - 12), có thể thực hiện trong môi trường nước và nhiều loại dung môi hữu cơ, các nhóm chức của hợp chất phản ứng tương đối dung hòa với điều kiện phản ứng. Sản phẩm tạo ra dễ dàng được tách khỏi hỗn hợp phản ứng dưới dạng tinh khiết bằng quá trình chiết đơn giản mà không cần kết tinh lại hay tinh chế bằng sắc ký cột. 13
Xúc tác có thể dùng trực tiếp muối Cu(I) như CuI hoặc được tạo ra trong hỗn hợp phản ứng khi khử Cu(II) bằng muối natri ascobate hoặc Cu kim loại. Thuật ngữ “hóa học Click” được Sharpless sử dụng từ năm 2001 để chỉ những phản ứng có hiệu suất cao, ứng dụng rộng trong tổng hợp, sản phẩm tạo ra là duy nhất và có thể tinh chế đơn giản mà không cần qua sắc ký cột, qui trình thực hiện đơn giản, dung môi dễ loại và không gây hại. Phản ứng cộng hợp alkyne - azide với xúc tác Cu (I) thỏa mãn các điều kiện trên một cách hoàn hỏa nhất. Cơ chế của phản ứng được Sharpless đưa ra như sau [27]: Khác với quá trình cộng hợp đóng vòng đồng thời như ở trường hợp không có xúc tác, ban đầu đồng acetilide được tạo ra từ 1-alkyne. Hợp chất cơ đồng sau đó cộng hợp với azide để tạo ra hợp chất trung gian vòng 6 cạnh. Quá trình này làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng đi rất nhiều so với trường hợp không có xúc tác, do đó tốc độ phản ứng tăng và có thể xảy ra ở nhiệt độ thường. Do cơ chế không phải là phản ứng cộng hợp 1,3, phản ứng này được gọi là phản ứng cộng hợp 14