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