Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Tổng hợp và đánh giá khả năng ức chế tăng sinh tế bào của các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted benzimidazole

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -* -

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2022

PHAN NGỌC KIM NGÂN

TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨC CHẾTĂNG SINH TẾ BÀO CỦA CÁC DẪN XUẤT N-ALKYL-2-

SUBSTITUTED BENZIMIDAZOLE

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa HọcMã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG TP HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Hoàng Thị Kim Dung

TS Lê Xuân TiếnCán bộ chấm nhận xét 1: TS Phan Thị Hoàng Anh Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Trần Văn Hiếu

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày 13 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Bạch Long Giang - Chủ tịch hội đồng 2 TS Phan Nguyễn Quỳnh Anh - Thư ký hội đồng 3 TS Phan Thị Hoàng Anh - Ủy viên Phản biện 1 4 PGS.TS Trần Văn Hiếu - Ủy viên Phản biện 2 5 TS Nguyễn Trần Vũ - Ủy viên hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phan Ngọc Kim Ngân MSHV: 2070651 Ngày, tháng, năm sinh: 24/09/1998 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số : 8520301

I TÊN ĐỀ TÀI :

Tên đề tài tiếng Việt : Tổng hợp và đánh giá khả năng ức chế tăng sinh tế bào của các dẫn

xuất N-alkyl-2-substituted benzimidazole

Tên đề tài tiếng Anh : Synthesis and antiproliferative evaluation of N-alkyl-2-substituted

benzimidazole

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Tổng hợp các dẫn xuất 2-substituted benzimidazole

- Tổng hợp các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted benzimidazole - Xác định tính chất và cấu trúc của các dẫn xuất đã tổng hợp được

- Thử nghiệm hoạt tính ức chế tăng sinh tế bào ung thư vú (MDA-MB-231) của các dẫn xuất đã tổng hợp được

- Sử dụng mô hình docking đề xuất cơ chế gắn kết của các dẫn xuất benzimidazole trên phức hợp Topoisomerase I-DNA

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/06/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

CBHD 1 : PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung CBHD 2 : TS Lê Xuân Tiến

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung và TS Lê Xuân Tiến hướng dẫn, chỉ bảo, và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn Bên cạnh đó, em xin gửi lời cám ơn đến ThS Nguyễn Văn Thạnh, ThS.Huỳnh Thị Kim Chi và anh chị tại Phòng Hóa hữu cơ- Polymer, Viện Công nghệ Hóa học đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

Về phía nhà trường, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa-TP.HCM đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian ngồi trên ghế giảng đường làm nền tảng cho em có thể hoàn thành được luận văn này

Con xin cảm ơn cha mẹ và những người thân trong gia đình đã luôn tạo niềm tin, ủng hộ và động viên con trong suốt thời gian học tập

Đồng thời, cám ơn đến tất cả các anh chị, bạn bè trong Khoa Kỹ thuật Hóa học đã đồng hành và hỗ trợ mình trong quá trình học tập và thời gian thực hiện luận văn

Với thời gian thực hiện đề tài ngắn ngủi, em đã cố gắng chăm chỉ để hoàn thành đề tài nhưng do kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế và thiếu sót, kính mong sự nhận xét và góp ý của các thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Lời sau cùng, em xin kính chúc quý thầy cô Khoa Kỹ thuât Hóa học- Trường Đại học Bách Khoa-TP.HCM và Viện Công nghệ Hóa học dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp

Em xin chân thành cám ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 06 năm 2022 Học viên thực hiện

Phan Ngọc Kim Ngân

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này, 6 dẫn xuất 1H-benzimidazole và 51 dẫn xuất

N-alkyl-2-substituted-benzimidazole đã được tổng hợp; trong đó, có 4 hợp chất mới (tra theo Scifinder, tháng 6/2022) Tính chất và cấu trúc của các dẫn xuất được xác định bằng phương pháp đo điểm nóng chảy và các phương pháp phổ FT- IR, 1H-NMR, 13C-NMR và HRMS Hoạt tính gây độc tế bào của các hợp chất được đánh giá trên dòng tế bào ung

thư vú (MDA-MB-231) theo phương pháp SRB Mô hình docking phân tử đã được xây

dựng nhằm giải thích cơ chế ức chế tế bào ung thư của các dẫn xuất có hoạt tính tốt nhất, trên đối tượng tác động là Topoisomerase I-DNA (PDB ID: 1T8I)

ABSTRACT

In this study, six derivatives of 1H-benzimidazole and fifty-one derivatives of

N-alkyl-2-substituted benzimidazole were successfully synthesized, including 4 newly synthesized compounds (according to SciFinder in June, 2022) The physical properties and the structure of compounds were assigned via melting point analysis and spectroscopic analysis: FT-IR, 1H-NMR, 13C-NMR, HMBC, HSQC, NOESY, and HRMS Antiproliferative activity was also performed against the human breast cancer cell line (MDA-MB-231 cell line) by the SRB method Furthermore, the synthesized N-substituted benzimidazole derivatives showing good anticancer activity were screened through molecular docking model on the Topoisomerase I-DNA complex (PDB ID: 1T8I) to recognize the binding behavior

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ: “Tổng hợp và đánh giá khả năng ức chế

tăng sinh tế bào của các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted benzimidazole” là công trình

nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung và TS Lê Xuân Tiến Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong để tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào cùng cấp trước đây

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 06 năm 2022

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN iv

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1

3 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về ung thư 3

1.1.2 Ung thư vú 3

1.1.3 Phương pháp điều trị ung thư 4

1.2 Benzimidazole và các dẫn xuất benzimidazole 5

1.2.1 Benzimidazole 5

1.2.2 Dẫn xuất 2-substituted-1H- benzimidazole 12

1.2.3 Dẫn xuất N-alkyl-2-substituted benzimidazole 19

1.3 Mô hình gắn kết phân tử (molecular docking) 26

1.3.1 Giới thiệu mô hình gắn kết phân tử 26

1.3.2 Giới thiệu human DNA topoisomerase I 28

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN v 1.3.3 Những nghiên cứu về các dẫn xuất benzimidazole trên phức hợp

N-alkyl-2-2.2.1 Phương pháp tổng hợp dẫn xuất 1H-benzimidazole 35

2.2.2 Phương pháp tổng hợp dẫn xuất N-alkyl-2-substituted-benzimidazole 38

2.3 Phương pháp phân lập và xác định cấu trúc hợp chất hữu cơ 40

2.3.1 Phương pháp đo điểm nóng chảy 40

2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại 40

2.3.3 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 40

2.4 Phương pháp xác định tính độc tế bào (cytotoxic assay) đối với tế bào nuôi cấy dạng đơn lớp (SRB) 41

2.5 Mô hình docking phân tử 42

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 46

3.1 Tổng hợp các dẫn xuất 2-substituted-1H-benzimidazole và substituted-benzimidazole 46

N-alkyl-2-3.1.1 Tổng hợp các dẫn xuất 2-substituted-1H-benzimidazole 46

3.1.2 Tổng hợp các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted-benzimidazole 47

3.2 Xác định cấu trúc các dẫn xuất 2-substituted-1H-benzimidazole và substituted-benzimidazole 50

N-alkyl-2-HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN vi

3.2.1 Xác định cấu trúc các dẫn xuất 2-substituted-1H-benzimidazole 50

3.2.2 Xác định cấu trúc các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted-benzimidazole 53

3.3 Thử nghiệm hoạt tính gây độc tế bào ung thư của các dẫn xuất benzimidazole 95 3.4 Mô hình docking phân tử của các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted-benzimidazole 106

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN vii

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN viii

Phụ lục 37 Phổ FT-FTIR của hợp chất BAMM-PR 141

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN ix

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN x

Phụ lục 88 Phổ NOESY của hợp chất BATF-HEX 166

Phụ lục 89 Phổ FT-FTIR của hợp chất BATF-HEP 167

Phụ lục 95 Phổ NOESY của hợp chất BATF-HEP 170

Phụ lục 96 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-ME1 170

Phụ lục 102 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-ME1 173

Phụ lục 103 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-ME2 174

Phụ lục 104 Phổ HRMS của hợp chất BQMM-ME2 174

Phụ lục 105 Phổ 1H-NMR của hợp chất BQMM-ME2 175

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xi

Phụ lục 106 Phổ 13C-NMR của hợp chất BQMM-ME2 175

Phụ lục 107 Phổ HSQC của hợp chất BQMM-ME2 176

Phụ lục 108 Phổ HMBC của hợp chất BQMM-ME2 176

Phụ lục 109 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-ME2 177

Phụ lục 110 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-ET1 177

Phụ lục 116 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-ET1 180

Phụ lục 117 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-ET2 181

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xii

Phụ lục 144 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-BU1 194

Phụ lục 145 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-BU2 195

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xiii

Phụ lục 152 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-PE1 198

Phụ lục 158 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-PE1 201

Phụ lục 159 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-PE2 202

Phụ lục 165 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-PE2 205

Phụ lục 166 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-HEX1 205

Phụ lục 172 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-HEX1 208

Phụ lục 173 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-HEX2 209

Phụ lục 174 Phổ HRMS của hợp chất BQMM-HEX2 209

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xiv

Phụ lục 175 Phổ 1H-NMR của hợp chất BQMM-HEX2 210

Phụ lục 176 Phổ 13C-NMR của hợp chất BQMM-HEX2 210

Phụ lục 177 Phổ HSQC của hợp chất BQMM-HEX2 211

Phụ lục 178 Phổ HMBC của hợp chất BQMM-HEX2 211

Phụ lục 179 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-HEX2 212

Phụ lục 180 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-HEP1 212

Phụ lục 186 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-HEP1 215

Phụ lục 187 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQMM-HEP2 216

Phụ lục 193 Phổ NOESY của hợp chất BQMM-HEP2 219

Phụ lục 194 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-ME2 219

Phụ lục 195 Phổ HRMS của hợp chất BQTF-ME2 220

Phụ lục 196 Phổ 1H-NMR của hợp chất BQTF-ME2 220

Phụ lục 197 Phổ 13C-NMR của hợp chất BQTF-ME2 221

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xv

Phụ lục 198 Phổ HSQC của hợp chất BQTF-ME2 221

Phụ lục 199 Phổ HMBC của hợp chất BQTF-ME2 222

Phụ lục 200 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-ME2 222

Phụ lục 201 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-ET1 223

Phụ lục 207 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-ET1 226

Phụ lục 208 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-ET2 226

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xvi

Phụ lục 235 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-BU1 240

Phụ lục 236 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-BU2 240

Phụ lục 242 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-BU2 243

Phụ lục 243 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-PE1 244

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xvii

Phụ lục 249 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-PE1 247

Phụ lục 250 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-PE2 247

Phụ lục 256 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-PE2 250

Phụ lục 257 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-HEX1 251

Phụ lục 263 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-HEX1 254

Phụ lục 264 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-HEX2 254

Phụ lục 265 Phổ HRMS của hợp chất BQTF-HEX2 255

Phụ lục 266 Phổ 1H-NMR của hợp chất BQTF-HEX2 255

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xviii

Phụ lục 267 Phổ 13C-NMR của hợp chất BQTF-HEX2 256

Phụ lục 268 Phổ HSQC của hợp chất BQTF-HEX2 256

Phụ lục 269 Phổ HMBC của hợp chất BQTF-HEX2 257

Phụ lục 270 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-HEX2 257

Phụ lục 271 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-HEP1 258

Phụ lục 277 Phổ NOESY của hợp chất BQTF-HEP1 261

Phụ lục 278 Phổ FT-FTIR của hợp chất BQTF-HEP2 261

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xix Phụ lục 290 Phổ HMBC của hợp chất BLMM-PR2 267 Phụ lục 291 Phổ NOESY của hợp chất BLMM-PR2 268 Phụ lục 292 Phổ FT-FTIR của hợp chất BLMM-BU1 268 Phụ lục 293 Phổ HRMS của hợp chất BLMM-BU1 269 Phụ lục 294 Phổ 1H-NMR của hợp chất BLMM-BU1 269 Phụ lục 295 Phổ 13C-NMR của hợp chất BLMM-BU1 270 Phụ lục 296 Phổ HSQC của hợp chất BLMM-BU1 270 Phụ lục 297 Phổ HMBC của hợp chất BLMM-BU1 271 Phụ lục 298 Phổ NOESY của hợp chất BLMM-BU1 271 Phụ lục 299 Phổ FT-FTIR của hợp chất BLMM-BU2 272 Phụ lục 300 Phổ HRMS của hợp chất BLMM-BU2 272 Phụ lục 301 Phổ 1H-NMR của hợp chất BLMM-BU2 273 Phụ lục 302 Phổ 13C-NMR của hợp chất BLMM-BU2 273 Phụ lục 303 Phổ HSQC của hợp chất BLMM-BU2 274 Phụ lục 304 Phổ HMBC của hợp chất BLMM-BU2 274 Phụ lục 305 Phổ NOESY của hợp chất BLMM-BU2 275 Phụ lục 306 Mô hình 2D và 3D của BAB-HEX chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 275 Phụ lục 307 Mô hình 2D và 3D của BAB-PE chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 275 Phụ lục 308 Mô hình 2D và 3D của BAMM-HEP chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 276

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xx Phụ lục 309 Mô hình 2D và 3D của BLMM-BU1 chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 276 Phụ lục 310 Mô hình 2D và 3D của BQMM-BU1 chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 276 Phụ lục 311 Mô hình 2D và 3D của BQMM-BU2 chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 277 Phụ lục 312 Mô hình 2D và 3D của BQMM-HEP2 chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 277 Phụ lục 313 Mô hình 2D và 3D của BQMM-HEX1 chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 277 Phụ lục 314 Mô hình 2D và 3D của BQMM-HEX2 chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 278 Phụ lục 315 Mô hình 2D và 3D của BQTF-ET1 chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 278 Phụ lục 316 Mô hình 2D và 3D của BQTF-PR1 chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 278 Phụ lục 317 Mô hình 2D và 3D của Camptothecin chèn vào khoang gắn kết của phức hợp TopI-DNA 279 Phụ lục 318 Kết quả gây độc tế bào ung thư vú MDA-MB-231 279 Phụ lục 319 Kết quả docking trên phức hợp Topoisomerase I-DNA 284 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 285

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xxi

Bảng 3.1 Các dẫn xuất 2-substituted-1H-benzimidazole đã tổng hợp 46

Bảng 3.2 Các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted-benzimidazole đã tổng hợp 47 Bảng 3.3 Kết quả hoạt tính gây độc tế bào ung thư của các dẫn xuất benzimidazole 95 Bảng 3.4 Kết quả re-docking giữa ligand và phức hợp TopI-DNA (PDB ID:1T8I) 106 Bảng 3.5 Kết quả docking của 11 dẫn xuất N-alkyl-2-substituted-benzimidazole và

camptothecin trên phức hợp TopI-DNA (PDB ID: 1T8I) 108

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xxii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

13C-NMR 13C-Nuclear Magnetic Resonance Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C

1H-NMR 1H- Nuclear Magnetic Resonance Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H CPT Camptothecin

dd Doublet of doublets Mũi đôi đôi DMC Dimethyl carbonate

DMSO Dimethyl Sulfoxide DNA Deoxyribonucleic acid

ESI Electrospray Ionization Ion hóa phun điện tử FT-IR Fourier-transform infrared

spectroscopy Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier HMBC Heteronuclear Multiple Bond

NOESY Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy

PDB Protein Data Bank Ngân hàng dữ liệu protein

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN xxiii

RMSD Root-mean-square deviation Độ lệch gốc-trung bình-bình phương

SD Standard deviation Độ lệch chuẩn

TLC Thin Layer Chromatography Sắc ký lớp mỏng TMS Tetramethylsilane

TopI-DNA Topoisomerase I-DNA

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 1

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề

Theo thống kê của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), mỗi năm thế giới có thêm khoảng 12.7 triệu trường hợp ung thư mắc mới được phát hiện và 7.6 triệu bệnh nhân tử vong do ung thư Chính vì vậy, việc tìm kiếm và tổng hợp các tác nhân mới có hoạt tính cao là nhiệm vụ hàng đầu đối với các nhà khoa học Điều này mở ra một xu hướng đối với nghiên cứu tổng hợp và sàng lọc các hợp chất có hoạt tính sinh học cao để phát triển các dòng thuốc tiềm năng mới Gần đây, nhiều dẫn xuất benzimidazole nói chung, N-alkyl-2-substituted-benzimidazole nói riêng, được công nhận là một tác nhân trị liệu sáng giá với tác dụng sinh học và ứng dụng lâm sàng đa dạng như kháng khuẩn, kháng nấm, kháng viêm, kháng virus, kháng ung thư, ức chế bơm proton, ức chế kinase, … Tuy nhiên, các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm về nhóm N-alkyl-2-substituted-benzimidazole có hoạt tính kháng ung thư vẫn còn hạn chế nên việc tổng hợp và đánh giá hoạt tính của các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted-benzimidazole là rất cần thiết để thúc đẩy và làm tiền đề cho các nghiên cứu tìm kiếm các dược chất kháng ung thư hiệu

quả Từ cơ sở trên, đề tài “Tổng hợp và đánh giá khả năng ức chế tăng sinh tế bào

của các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted benzimidazole” được thực hiện

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu

1 Tổng hợp được các dẫn xuất 2-substituted-1H-benzimidazole bằng phản ứng ngưng tụ giữa o-phenylenediamine và aldehyde và tổng hợp các dẫn xuất N-alkyl-2-

substituted benzimidazole bằng phản ứng alkyl hóa

2 Tìm kiếm các dẫn xuất có hoạt tính ức chế tế bào ung thư từ các dẫn xuất benzimidazole đã tổng hợp được

Nội dung nghiên cứu

1 Tổng hợp các dẫn xuất 2-substituted benzimidazole

2 Tổng hợp các dẫn xuất N-alkyl-2-substituted benzimidazole

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 2 3 Xác định tính chất và cấu trúc hóa học của các dẫn xuất đã tổng hợp được bằng các phương pháp như: đo điểm nóng chảy, FT-IR, NMR, HRMS

4 Đánh giá hoạt tính ức chế tế bào ung thư vú (MDA-MB-231) của các dẫn xuất đã tổng hợp được

5 Sử dụng mô hình docking phân tử nhằm đề xuất cơ chế gây độc tế bào ung thư của các dẫn xuất tốt nhất trên phức hợp enzyme mục tiêu TopI-DNA (PDB ID: 1T8I)

3 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm 2 phần chính, bao gồm: phần cơ sở lý thuyết liên quan đến nghiên cứu (Chương 1) và phần kết quả thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu Trong chương 1, tổng quan tài liệu, phương pháp và lý thuyết liên quan đến tổng hợp, đánh giá hoạt tính sinh học và mô hình docking phân tử của các dẫn xuất benzimidazole được trình bày trong luận văn này Phần kết quả và phương pháp nghiên cứu được trình bày trong Chương 2 Thực nghiệm và Chương 3 Kết quả và bàn luận Phần kết luận và kiến nghị sẽ được trình bày trong Chương 4 Các thông số thí nghiệm, các thông tin bổ sung liên quan đến kết quả được thể hiện trong phần Phụ lục được đính kèm theo báo cáo luận văn này.

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về ung thư

1.1.1 Giới thiệu về ung thư [1]

Ung thư là một thuật ngữ y khoa dùng để chỉ một tập hợp các bệnh liên quan, đặc trưng bởi sự tăng sinh, phân chia và di cư mất kiểm soát của một nhóm tế bào, chúng xâm lấn các mô xung quanh và có thể di căn đi xa Ung thư có thể xuất hiện ở bất kỳ đâu trong cơ thể và khiến tế bào phát triển không theo chu kỳ tế bào

Các nghiên cứu đã xác định được sự khác biệt đặc trưng giữa các tế bào ung thư và tế bào lành thông qua sự phát triển và biểu hiện của chúng Hầu hết, các tế bào ung thư phân chia vô hạn bất kể sự ức chế tăng sinh phụ thuộc vào mật độ, vốn là đặc trưng của các tế bào bình thường trong cơ thể Nói cách khác, chúng vẫn trong pha M của chu kỳ tế bào cho đến khi cạn kiệt chất dinh dưỡng trong nội môi Trong khi, tế bào thường sẽ phản ứng với các yếu tố tăng trưởng ngoại bào thì một số tế bào ung thư lại tiết ra các yếu tố tăng trưởng để thúc đẩy sự tăng sinh và giảm sự phụ thuộc của chúng vào các yếu tố ngoại bào Các tế bào ung thư phát triển và di chuyển không kiểm soát bất kể sự tiếp xúc với các tế bào lân cận hoặc chất nền ngoại bào Tế bào ung thư tiết ra các protease nhằm phá vỡ vật chất ngoại bào tạo điều kiện cho chúng xâm nhập qua các mô lành xung quanh Thêm vào đó, các tế bào ung thư mất khả năng biệt hóa ở giai đoạn đầu và không trải qua quá trình chết theo chương trình của tế bào - có liên quan đến khả năng xâm lấn và di căn của bệnh ung thư Kết hợp lại với nhau, các đặc tính này đã góp phần vào sự tiến triển, xâm lấn và di căn của các khối u ác tính

1.1.2 Ung thư vú

Ung thư vú là tình trạng bệnh lý do sự phát triển bất thường của các tế bào lót biểu mô bề mặt ống tuyến hoặc tiểu thùy tuyến vú, là loại ung thư thường gặp nhất ở phụ nữ với nguy cơ mắc phải gia tăng theo độ tuổi [2]

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 4 Ung thư vú được phân loại dựa vào nhiều yếu tố khác nhau: loại mô, mức độ khối u, tình trạng hạch lympho và sự biểu hiện của các thụ thể (ER, PR, HER-2) Dựa vào tình trạng biểu hiện gen, người ta chia ung thư vú thành ít nhất 5 phân nhóm: lòng ống A (luminal A), lòng ống B (luminal B), HER-2 (Human epithelium receptor 2), bộ ba âm tính/ giống đáy (Triple-negative/basal-like) và loại thường [3, 4]

Mỗi phân nhóm có đáp ứng điều trị và tiên lượng khác nhau [5].Chẳng hạn, phân nhóm lòng ống A và B được điều trị bằng liệu pháp hormone vì có đích điều trị là ER (estrogen receptor) Tương tự, phân nhóm HER-2 có thể điều trị bẳng trastuzumab (Herceptin) [6]

Dòng tế bào MDA-MB-231 thuộc phân nhóm bộ ba âm tính/giống đáy Phân nhóm này không có sự biểu hiện của cả ba dấu ấn (ER, PR và HER-2) nên các liệu pháp hormone nhắm vào ER, PR và HER-2 đều không hiệu quả [6] Đây là loại ung thư nguy hiểm, bệnh nhân có diễn tiến lâm sàng xấu với tỉ lệ di căn cao, tỉ lệ tái phát sau 3 năm điểu trị và tỉ lệ tử vong sau 5 năm tương đối cao [5, 7] Thế nên, việc sử dụng hóa trị liệu trong điều trị ung thư nhóm bộ ba âm tính đang được ưu tiên [7] Chính vì vậy, nhiều tác nhân kháng ung thư vú tập trung vào phân nhóm này đang được phát triển mạnh mẽ

1.1.3 Phương pháp điều trị ung thư

Nhiều liệu pháp đã được phát triển trong điều trị ung thư và việc lựa chọn phương pháp điều trị phần lớn phụ thuộc vào bản chất và mức độ diễn tiến của của ung thư [8]

Phẫu thuật là lựa chọn điều trị chủ yếu đầu tiên do giai đoạn đầu khối u chưa di căn nên có thể được loại bỏ hoàn toàn và do đó có khả năng chữa khỏi cao [9] Thật không may, hơn một nửa số ca ung thư tại thời điểm được chẩn đoán đã di căn và không thể chữa khỏi chỉ bằng phẫu thuật [1] Để nâng cao hiệu quả điều trị, việc kết hợp phẫu thuật với các liệu pháp khác là cần thiết

Xạ trị tương tự như phẫu thuật chủ yếu là điều trị ung thư khu trú hoặc được sử dụng để tấn công các tế bào ung thư đã lan rộng ra sau phẫu thuật [10] Ngoài ra, một số

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 5 bệnh ung thư đặc biệt dễ bị ảnh hưởng bởi bức xạ, nên nó được ưu tiên trong điều trị các bệnh này [1]

Hóa trị hiện là hình thức điều trị ung thư được sử dụng rộng rãi nhất [11] Không giống như phẫu thuật và xạ trị - phương pháp điều trị tại chỗ, ưu điểm chính của hóa trị là nó có thể nhắm vào các tế bào ung thư khắp cơ thể [12].Tuy nhiên, các loại thuốc chống ung thư được sử dụng hiện nay đều nhắm mục tiêu vào tất cả các tế bào tăng sinh nhanh chóng bao gồm cả tế bào bình thường cũng như tế bào ung thư nên có thể tạo ra các tác dụng phụ không mong muốn[1] Tính độc cao hơn và khả năng dung nạp kém của các loại thuốc hóa trị liệu hiện nay là những trở ngại lớn đối với việc điều trị hiệu quả bệnh ung thư [13] Do đó, thiết kế và tổng hợp các chất chống ung thư mới với hiệu quả được cải thiện và giảm tác dụng phụ là rất cần thiết cho phương pháp hóa trị liệu hiện nay

1.2 Benzimidazole và các dẫn xuất benzimidazole

1.2.1 Benzimidazole

1.2.1.1 Giới thiệu về benzimidazole

Benzimidazole là một hợp chất hữu cơ dị vòng thơm và là một hệ bicyclic được hình thành từ sự ngưng tụ giữa nhân benzene với nhân imidazole tại vị trí số 4 và số 5

Bên cạnh đó, benzimidazole còn được gọi là 1,3-benzodiazole, 1H- benzimidazole hay

1H-benzo[d]imidazole Quy tắc đánh số được thể hiện ở Hình 1.1

Hình 1.1 Quy tắc đánh số trên nhân benzimidazole

Trong lịch sử, dị vòng benzimidazole được tổng hợp đầu tiên vào năm 1872 bởi Hoebrecker và thu được 2,5 (hoặc 2,6)- dimethylbenzimidazole khi tiến hành khử 2-nitro-4-methylacetanilide [14]

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 6

Hình 1.2 Benzimidazole đầu tiên được tổng hợp bởi Hoebrecker [14]

Khi không có nhóm thế ở vị trí số 1 thì trên vòng benzimidazole sẽ xảy ra quá trình chuyển vị nội phân tử rất nhanh giữa hai nguyên tử niơ ở vị trí số 1 và số 3 Hiện tượng này gọi là hiện tượng hỗ biến (tautomerization) [15]

Hình 1.3 Hiện tượng tautomer hóa của benzimidazole

Do hiện tượng tautomer hóa nên các dẫn xuất 1H-benzimidazole tồn tại ở dạng

đồng phân Hai dẫn xuất 5-methylbenzimidazole và 6- methylbenzimidazole là minh họa cho một cặp đồng phân hỗ biến (tautomer) và mô tả cùng cho cùng một chất [14]

Tuy nhiên, khi có một nhóm thế ở vị trí N-1 lớn hơn hydrogen thì không xuất hiện hiện tượng hỗ biến mà tồn tại ở dạng đồng phân đặc trưng [15]

1.2.1.2 Tính chất vật lý

Các benzimidazole đơn giản là những chất rắn, có nhiệt độ nóng chảy khá cao

(1H-benzimidazole, 170 oC) Nhìn chung, khi thêm một nhóm thế vào vị trí N-1 thì điểm

nóng chảy của các benzimidazole giảm (1-methyl-1H-benzimidazole, 66oC) [14] do các benzimidazole không tạo được liên kết hydrogen liên phân tử vì hydrogen ở N-1 đã bị thế

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 7

Các 1H-benzimidazole tan nhiều trong dung môi phân cực và ít tan trong dung

môi không phân cực Khi gắn các nhóm thế có độ phân cực khác nhau vào vòng benzimidazole thì chúng sẽ tan trong dung môi tương ứng Ví dụ, 2-methylbenzimidazole tan tốt trong ether trong khi đó 2-aminobenzimidazole tan nhiều trong nước [14]

1.2.1.3 Tính chất hóa học

Benzimidazole có tính lưỡng tính, thể hiện đồng thời tính acid khi tác dụng với NaNH2/NH3 và tính base khi tạo được muối với acid

Hình 1.4 Phản ứng minh hoạt tính lưỡng tính của benzimidazole

Benzimidazole có tính base yếu, yếu hơn cả imidazole và nhìn chung chúng vẫn có thể hòa tan được trong dung dịch acid loãng Benzimidazole có pKa= 5.4 thấp hơn đáng kể so với imidazole có pKa= 6.9 Tính base giảm do sự kết hợp giữa nhân benzene và nhân imidazole Do sự cộng hưởng của vòng benzene nên cấu trúc dị vòng benzimidazole có tính ổn định cao và làm giảm ái lực của nó với proton, chính sự liên hợp này đã làm giảm tính base và tăng tính acid [14]

Benzimidazole không bị thủy phân trong sulfuric acid đậm đặc, kể cả khi đun nóng đến 270oC, cũng như trong dung dịch hydrochloric acid và kiềm nóng Phản ứng oxy hóa phân cắt vòng benzene của benzimidazole cũng chỉ xảy ra ở điều kiện vô cùng khắc nghiệt [14]

Tính chất hóa học của benzimidazole thể hiện qua các phản ứng sau [16, 17]: a) Phản ứng alkyl hóa:

Benzimidazole khi alkyl hóa với alkyl halide tạo ra 1-alkyl benzimidazole và trong các điều kiện khắc nghiệt hơn tạo ra 1,3-dialkyl benzimidazolium halide

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 8

Hình 1.5 Phản ứng alkyl hóa benzimidazole

Quá trình alkyl hóa của các benzimidazole đã được nghiên cứu rộng rãi Quá trình alkyl hóa được thực hiện bằng các nhóm alkyl và aryl khác nhau Phản ứng được tiến hành bằng cách đun nóng benzimidazole với alkyl halide ở nhiệt độ khoảng 110-150oC Khi phản ứng alkyl hóa được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn với một lượng tương đương với alkyl halide, thu được 1-alkylbenzimidazole là sản phẩm chính Do đó, lượng đồng đều của benzimidazole và methyl iodide ở 90-100 oC cho sản phẩm chủ yếu là 1-methylbenzimidazole

Hình 1.6 Phản ứng giữa 2,5-dimethyl-1H-benzo[d]imidazole và methyl iodide

b) Phản ứng acyl hóa:

N-acyl benzimidazole được điều chế bằng phản ứng giữa acid chlorie hoặc anhydride với benzimidazole

1-acetyl benzimidazole đã được tổng hợp bằng cách đun

1H-benzimidazole-2-carboxylic acid thông qua quá trình decarboxyl hóa anhydride acetic để tạo thành sản phẩm

Hình 1.7 Phản ứng acyl hóa 1H-benzimidazole-2-carboxylic acid

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 9 c) Phản ứng halogen hóa:

Khi xử lý 2,5 hoặc 2,6-dimethyl benzimidazole trong dung dịch acid bằng CaOCl2

ở 0-5oC sẽ thu được 1-chloro- 2,5-dimethyl benzimidazole hoặc 1-chloro- 2,6-dimethyl benzimidazole

Hình 1.8 Halogen hóa benzimidazole

d) Phản ứng nitro hóa:

Hình 1.9 Phản ứng nitro hóa benzimidazole

Khi nitro hóa benzimidazole và các dẫn xuất thế N-1 benzimidazole sẽ ưu tiên thu được 5 (hoặc 6) – nitrobenzimidazole Tuy nhiên, nhóm thế nitro có thể gắn vào vị trí số 4 hoặc 7 khi vị trí số 5 và 6 đã bị khóa

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 10

1.2.1.4 Ứng dụng của benzimidazole

Hình 1.10 Cấu trúc của các chất nhóm purine

Cấu trúc dị vòng “6 + 5” của benzimidazole tương tự như một nhóm hợp chất hóa học khác tồn tại trong tự nhiên - nhóm purine, các hợp chất trong nhóm này được biết đến là các phân tử sinh học rất quan trọng như adenine, guanine - hai trong bốn nucleic

acid, uric acid và caffein [18] (Hình 1.10)

Hình 1.11 Ví dụ về các hoạt chất (a.b) kháng vi sinh vật, (c) chống ký sinh trùng và

(d) kháng ung thư chứa khung benzimidazole [19-22]

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 11 Hiện nay, nhiều dẫn xuất của benzimidazole có mặt trên thị trường được sử dụng rộng rãi trong điều trị lâm sàng như thuốc giảm đau [23], tẩy giun sán [24], cao huyết áp

[25], kháng nấm [26], viêm loét dạ dày [27], kháng ung thư [28] … (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các dẫn xuất của benzimidazole trong điểu trị lâm sàng

1 Tẩy giun sán, kí sinh trùng [24]

Albendazole Mebendazole Thiabendazole *

2

Kháng histamine [29]

Astemizole Clemizole *

3 Ức chế bơm proton [27]

Lansoprazole Omeprazole* Pantoprazole

4 Giảm đau [23]

Etonitazene* Clonitazene Bezitramide

5 Hạ huyết áp [25]

Candesartan * Manidipine Mibefradil

6 Kháng nấm [26]

Benomyl Carbendazine* Chlormidazole

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 12 7 Điều trị ung thư

[28]

Abemaciclib * Bendamustine Nocodazole

1.2.2 Dẫn xuất 2-substituted-1H- benzimidazole

1.2.2.1 Tổng hợp dẫn xuất 2-substituted-1H- benzimidazole

Hiện nay, hầu hết các dẫn xuất benzimidazole thường được tổng hợp từ các dẫn

xuất của vòng benzene có hai nhóm thế chứa nitrogen ở vị trí ortho với nhau Một trong những phương pháp phổ biến là phản ứng ngưng tụ giữa o-phenylenediamine và dẫn

xuất của nó với carboxylic acid [14, 30], aldehyde [31-35], acid anhydride [36] hoặc ester [14]

a) Phản ứng giữa o-phenylenediamine và carboxylic acid

Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, các dẫn xuất o-phenylenediamine phản

ứng với hầu hết carboxylic acid cho sản phẩm là các dẫn xuất 2-substituted benzimidazole với hiệu suất cao

Hình 1.12 Phản ứng tổng hợp dẫn xuất benzimidazole từ o-phenylenediamine và

carboxylic acid

Theo phương pháp Phillip [30], benzimidazole được tổng hợp từ phản ứng ngưng

tụ o-diaminobenzene với dẫn xuất carboxylic acid với tác nhân hydrochloric acid đậm

đặc Đây là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp benzimidazole và dẫn xuất tương ứng

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 13

Ngoài ra, các dicarboxylic acid cũng tham gia phản ứng với o-phenylenediamine,

sản phẩm tạo thành phụ thuộc vào tỉ lệ mol giữa các tác chất và điều kiện phản ứng Khi

tỉ lệ mol giữa o-phenylenediamine/dicarboxylic acid ≥ 2, phần lớn thu được

bisbenzimidazole [14]

Hình 1.13 Phản ứng tạo dẫn xuất bisbenzimidazole

Mặc dù vậy, phương pháp Phillip vẫn còn hạn chế khi các carboxylic acid có chứa vòng thơm và nhóm thế phức tạp hay dị nguyên tố [37]

b) Phản ứng giữa o-phenylenediamine và aldehyde

Phản ứng ngưng tụ giữa o-phenylenediamine và aldehyde cho sản phẩm

benzimidazole mang nhóm thế ở vị trí số 2 ở nhiều điều kiện khác nhau Trong đó, tốt nhất là khi có sự oxy hóa, thường là điều kiện phản ứng có không khí hoặc có mặt các tác nhân oxy hóa [36]

Binh Phung và cộng sự (2017) đã tổng hợp các dẫn xuất benzimidazole từ

o-arylenediamine và 4-hydroxy-5,8-dimethoxy-2-naphthaldehyde trong DMSO ở 100oC với sự hiện diện của Na2S2O5 [31]

Hình 1.14 Tổng hợp dẫn xuất benzimidazole với sự có mặt của Na2S2O5

Các dẫn xuất benzimidazole (a-f) được tổng hợp với sự hiện diện cùa NaHSO3

trong dimethylformamide ở 80oC [35]

HVTH: PHAN NGỌC KIM NGÂN 14

Hình 1.15 Tổng hợp dẫn xuất benzimidazole với sự có mặt của NaHSO3

Một phương pháp khác được đề xuất bởi Lin gồm một bước tổng hợp đi từ

o-phenylenediamine và aldehyde sử dụng khộng khí như chất oxi hóa [32]

Hình 1.16 Tổng hợp dẫn xuất benzimidazole theo đề xuất của Lin

Năm 2008, Bahrami đã mô tả phương pháp mới đi từ o-arylenediamine và

aldehyde thơm trong acetonitrile với H2O2/HCl ở nhiệt độ phòng [33] Đồng thời, dưới sự hỗ trợ của vi sóng ở 1000W, các dẫn xuất của benzimidazole đã được tổng hợp thành công [34]

Hình 1.17 Tổng hợp dẫn xuất benzimidazole theo phương pháp của Bahrami

Hình 1.18 Tổng hợp dẫn xuất benzimidazole có sự hỗ trợ vi sóng

Ngoài ra, nhằm đạt hiệu suất cao, phản ứng ngưng tụ này còn có sự hiện diện của các xúc tác như (CH3COO)2Cu [38], LaCl3 [36] và Na3AlF6 [39]…