Nghiên cứu bán tổng hợp kháng sinh cefotaxime từ axit 7 aminocephalosporanic

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o -NGUYỄN VIẾT TÚ N NGHIÊN CỨU BÁN TỔNG HỢP KHÁNG SINH CEFOTAXIME TỪ AXIT 7AMINOCEPHALOSPORANIC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHAN THANH BÌNH TS.VŨ ĐÌNH HOÀNG HÀ NỘI - 2010 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt luận văn, đạt mục tiêu đề ra, thời gian qua, nhận giúp đỡ tận tâm, nhiệt tình từ đồng nghiệp, thầy cô bạn bè Bằng lòng trân trọng biết ơn sâu sắc, xin gửi tới: TS Phan Thanh Bình – Giám đốc Trung tâm Hoá thực vật - Viện Hoá học công nghiệp Việt Nam, người trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt nhiều kinh nghiệm kiến thức, kỹ thuật tổng hợp hữu Đây điều quý báu không việc hoàn thành tốt luận văn này, mà công việc làm TS Vũ Đình Hoàng - Bộ môn Hóa Dược Hóa chất bảo vệ thực vật Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người thầy hướng dẫn thường xuyên động viên, tận tình hướng dẫn, bảo, tạo điều kiện đóng góp nhiều ý kiến giúp hoàn thành luận văn tiến độ Các anh, chị, bạn đồng nghiệp - Trung tâm Hoá thực vật - Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam tham gia thảo luận, giúp đỡ thời gian nghiên cứu thực nghiệm Trung tâm đóng góp ý kiến giúp quý báu Quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà nội, đặc biệt thầy cô tận tình dạy bảo cho suốt thời gian học tập trường Các bạn lớp Cao học Hoá Khóa 2008 -2010 giúp đỡ trình học tập tìm tài liệu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, ông bà người thân luôn động viên khích lệ, điểm tựa vững giúp vượt qua khó khăn thử thách học tập sống Mặc dù có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp quí báu quí thầy cô bạn Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Sinh viên Nguyễn Viết Tú LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ khoa học “Nghiên cứu bán tổng hợp kháng sinh cefotaxime từ axit 7-aminocephalosporanic” công trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Vũ Đình Hoàng TS Phan Thanh Bình Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thông tin trích dẫn cụ thể danh mục tài liệu tham khảo Kết nghiên cứu chưa công bố công trình nghiên cứu từ trước đến Hà nội, ngày 28/10/2010 Tác giả luận văn Nguyễn Viết Tú DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7-ACA 7-amino-cephalosporanic-acid MAEM S-benzothiazol-2-yl(2-amino-4-thiazolyl) methoxyimino) thioacetate TEA Triethylamine HMDS Hexamethyldisilazane TMSC Trimethylchlorosilane TMS Tetramethylsilane DMSO Dimethylsunfoxide DCC Dicychlorohexylcarbodiimid 1 H- NMR H – Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 13 13 IR Infrared Radiation spectroscopy (Phổ hồng ngoại) MS Mass Spectroscopy (Phổ khối lượng ) TLC Thin Layer Chromatography (Sắc ký mỏng) HPLC High performance liquid chromatography (Sắc ký lỏng hiệu cao) SEM Scanning electron microscope (Kính hiển vi điện tử quét) KLPT Khối lượng phân tử C- NMR C – Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các cephalosporin bán tổng hợp phân loại theo hệ Bảng 1.2 Các chất hoạt hoá nhóm cacboxyl 17 Bảng 1.3 Các tác nhân bảo vệ nhóm amino 18 Bảng 1.4 Các tác nhân silyl hóa thông dụng 19 Bảng 1.5 Các tác nhân axyl hóa thông dụng 20 Bảng 3.1 So sánh ảnh hưởng tỷ lệ mol 7-ACA/NaHCO3 7-ACA/TEA đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime 26 Bảng 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ mol 7-ACA-Na/MAEM đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime 28 Bảng 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi axeton/nước (v/v) đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime 29 Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian đến trình tổng hợp cefotaxime 32 Bảng 3.5 Ảnh hưởng pH trình trung hòa đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime 33 Bảng 3.6 Ảnh hưởng axit khác đến hiệu suất cefotaxime 35 Bảng 3.7 Ảnh hưởng nhiệt độ trình axit hóa tới hiệu suất 36 Bảng 3.8 Đặc trưng vật lý sản phẩm 41 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm điều chế cefotaxime 22 Hình 3.1 So sánh ảnh hưởng tỷ lệ mol 7-ACA/NaHCO3 7-ACA/TEA đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime 26 Hình 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ mol 7-ACA-Na/MAEM đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime 28 Hình 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi axeton/nước (v/v) đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime 29 Hình 3.4 Sắc ký đồ TLC hợp chất theo thời gian phản ứng 31 Hình 3.5 Ảnh hưởng thời gian đến trình tổng hợp cefotaxime 32 Hình 3.6 Ảnh hưởng pH trình trung hòa đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime 33 Hình 3.7 Ảnh hưởng axit khác đến hiệu suất cefotaxime 35 Hình 3.8 Ảnh hưởng nhiệt độ trình axit hóa tới hiệu suất 37 Hình 3.9 Ảnh SEM tinh thể cefotaxime lượng axeton tăng dần 37 Hình 3.10 Ảnh SEM tinh thể cefotaxime, (a) kết tinh nhiệt độ phòng, (b) kết tinh -10oC 38 Hình 3.11 Quy trình công nghệ tổng hợp cefotaxime 40 Hình 3.12 Phổ khối EI-MS sản phẩm 41 Hình 3.13 Phổ cộng hưởng từ proton 1H-NMR sản phẩm 42 Hình 3.14 Sắc đồ TLC sản phẩm so với cefotaxime chuẩn 43 Hình 3.15 Phổ khối EI-MS cefotaxime-Na (3) 44 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 CÁC KHÁNG SINH NHÓM CEPHALOSPORIN 1.1.1 Giới thiệu cephalosporin 1.1.2 Các cephalosporin bán tổng hợp 1.1.2.1 Cấu trúc hoá học hợp chất cephalosporin bán tổng hợp 1.1.2.2 Sự liên quan cấu trúc tác dụng 1.1.2.3 Phân loại cephalosporin bán tổng hợp 1.1.2.4 Phương pháp chung điều chế cephalosporin bán tổng hợp 1.2 KHÁNG SINH CEFOTAXIME 10 14 1.2.1 Danh pháp, tính chất vật lý, hoá học 14 1.2.2 Tác dụng dược lý 15 1.2.3 Tình hình sản xuất tiêu thụ cefotaxime Việt Nam 15 1.2.4 Các phương pháp tổng hợp cefotaxime 16 1.2.4.1 Tổng hợp cefotaxime theo hướng thứ 17 1.2.4.2 Tổng hợp cefotaxime theo hướng thứ hai 20 1.2.4.3 Lựa chọn phương pháp 21 1.2.4.4 Cơ chế phản ứng axyl hóa 21 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 22 2.1 Hóa chất, thiết bị 22 2.1.1 Hóa chất 22 2.1.2 Thiết bị 22 2.2 Các phản ứng chuyển hóa nghiên cứu 22 2.2.1 Phản ứng axyl hóa điều chế muối cefotaxime-Na (3) 22 2.2.2 Phản ứng trung hòa điều chế cefotaxime dạng axit tự (4) 23 2.2.3 Thu hồi sản phẩm phụ 2-mercaptobenzothiazol 23 2.3 Phân tích sản phẩm 23 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Nghiên cứu phản ứng axyl hóa điều chế muối cefotaxime-Na (3) 25 3.1.1 Ảnh hưởng tác nhân muối hóa 7-ACA 25 3.1.2 Ảnh hưởng tỷ lệ 7-ACA-Na/MAEM 27 3.1.3 Ảnh hưởng tỷ lệ dung môi axeton/nước 28 3.1.4 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 30 3.2 Phản ứng trung hòa điều chế sản phẩm cuối cefotaxime axit 32 3.2.1 Ảnh hưởng pH 33 3.2.2 Ảnh hưởng axit khác 34 3.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ 36 3.2.4 Ảnh hưởng dung môi kết tinh 37 3.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ kết tinh 37 3.3 Thu hồi sản phẩm phụ 2-mercaptobenzothiazol 38 3.4 Sơ đồ quy trình công nghệ 39 3.4.1 Các thông số công nghệ tối ưu 39 3.4.2 Đề xuất quy trình công nghệ 39 3.5 Xác định cấu trúc hóa học sản phẩm 40 3.5.1 Cấu trúc cefotaxime axit 40 3.5.2 Cấu trúc cefotaxime-Na 43 3.5.3 Sản phẩm phụ 2-mercaptobenzothiazol 44 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 50 MỞ ĐẦU Kháng sinh chất vi sinh vật tiết chất hóa học bán tổng hợp, tổng hợp, với nồng độ thấp, có khả đặc hiệu kìm hãm phát triển diệt vi khuẩn [1] Việc phát minh thuốc kháng sinh để chữa bệnh bước đột phá lịch sử phát triển y học, nhờ sử dụng kháng sinh cứu sống nhiều người khỏi dịch bệnh nguy hiểm như: dịch tả, thương hàn, dịch hạch… [3] Ở Việt Nam, đặc điểm địa lý kinh tế - xã hội nên mô hình bệnh tật chủ yếu bệnh nhiễm khuẩn (nhiễm trùng, ký sinh trùng) chiếm khoảng 23% số ca bệnh Hàng năm, nước ta tiêu thụ khoảng 700 kháng sinh loại với tổng giá trị 200 triệu USD, kháng sinh nhóm β-lactam chiếm khoảng 50% [4] Vì vậy, sản xuất kháng sinh coi mục tiêu ưu tiên hàng đầu chiến lược phát triển công nghiệp Hóa dược Cefotaxime (7β-(2-(2-aminothiazol-4-yl)-(Z)-2-methoxyimino acetamido)-3acetoxy-methyl-3-cephem-4-carboxylic acid) kháng sinh cephalosporin bán tổng hợp hệ 3, có hoạt tính sinh học cao, khả kháng β-lactamase tốt cephalosporin hệ trước, dùng thay kháng sinh bị kháng thuốc Việc nghiên cứu bán tổng hợp cefotaxime theo quy trình đơn giản, sử dụng tác nhân thân thiện môi trường, triển khai sản xuất lớn, phục vụ cho nhu cầu chữa bệnh nước cần thiết Đã có cố gắng nghiên cứu áp dụng công nghệ tổng hợp kháng sinh phù hợp với điều kiện nước Trần Tựu cộng [4] (đề tài Nhà nước KC04-09) nghiên cứu bán tổng hợp cefotaxime từ chất đầu etylaxetoaxetat Kết nghiên cứu cho định hướng định việc phát triển công nghệ sản xuất loại thuốc kháng sinh Tuy nhiên, quy trình đề xuất qua nhiều giai đoạn bao gồm bước sử dụng tác nhân bảo vệ nhóm gỡ bỏ chúng với việc sử dụng dung môi dễ bay chứa clo không thân thiện với môi trường hạn chế tính khả thi công nghệ chuyển từ phòng thí nghiệm sang áp dụng quy mô sản xuất, đặc biệt triển khai điều kiện nước Với mục đích nghiên cứu góp phần cải tiến quy trình tổng hợp cefotaxime theo xu hướng “phát triển bền vững”, chọn đề tài: “Nghiên cứu bán tổng hợp kháng sinh cefotaxime từ axit 7-aminocephalosporanic” với nội dung sau: Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tổng hợp cefotaxime theo quy trình “one-pot” sử dụng hoá chất công nghiệp có sẵn thị trường 7-ACA (7aminocephalosporanic acid) MAEM (2-mercaptobenzotiazolyl)-2-(2-aminotiazol-4-yl)-2-metoxyimino-axetat) Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng, tìm thông số tối ưu tổng hợp cefotaxime Xác định cấu trúc sản phẩm phương pháp vật lý đại: phổ khối (MS), phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR, 13C-NMR) Hàm lượng cefotaxime sản phẩm xác định phương pháp sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) Đề xuất quy trình công nghệ bán tổng hợp cefotaxime Ưu điểm phương pháp không sử dụng tác nhân bảo vệ nhóm đắt tiền, khó bảo quản như: HMDS (hexamethyldisilazane), TMSC (trimethylsilylchloride), TMSI (trimethylsilyliodide) Quá trình axyl hóa cải tiến so với phương pháp truyền thống cách sử dụng natri bicacbonat thay trietylamin để muối hóa phân tử 7-ACA (tạo điều kiện phản ứng axyl hóa diễn thuận lợi: nhiệt độ phòng, độ chọn lọc hiệu suất cao…) Phản ứng tiến hành hệ dung môi axeton/nước thân thiện môi trường Ngoài ra, sản phẩm phụ 2-mercaptobenzothiazol nghiên cứu thu hồi với độ tinh khiết hiệu suất tốt ... chọn đề tài: Nghiên cứu bán tổng hợp kháng sinh cefotaxime từ axit 7- aminocephalosporanic với nội dung sau: Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tổng hợp cefotaxime theo quy trình “one-pot” sử dụng... acid) kháng sinh cephalosporin bán tổng hợp hệ 3, có hoạt tính sinh học cao, khả kháng β-lactamase tốt cephalosporin hệ trước, dùng thay kháng sinh bị kháng thuốc Việc nghiên cứu bán tổng hợp cefotaxime. .. xuất kháng sinh coi mục tiêu ưu tiên hàng đầu chiến lược phát triển công nghiệp Hóa dược Cefotaxime (7 -( 2-( 2-aminothiazol-4-yl )-( Z )-2 -methoxyimino acetamido )-3 acetoxy-methyl-3-cephem-4-carboxylic