TỔNG HỢP BETALACTAM BẰNG PHẢN ỨNG CỘNG 2+2 CSI VÀO VINYL ETHER

3 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài thực hiện tổng hợp dẫn xuất β-lactam từ nguyên liệu đầu là glucose nhằm tạo ra tác nhân có hoạt tính sinh học và được sử dụng như là chất trung gian để tổng

Trang 1

TỔNG HỢP BETA-LACTAM BẰNG PHẢN ỨNG CỘNG [2+2] CSI

VÀO VINYL ETHER

Tác giả

TRẦN LÊ NHƯ VŨ

Khóa luận được đệ trình để cấp bằng kỹ sư ngành công nghệ hóa học

Giáo viên hướng dẫn:

Ts.Tống Thanh Danh

Tháng 9/2010

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Tống Thanh Danh, người thầy tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện khóa luận này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trưởng Bộ môn Công nghệ hóa học, trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh- PGS.TS.Trương Vĩnh, và các thầy cô trong bộ môn đã cung cấp kiến thức, kỹ năng giúp tôi thực hiện đề tài này

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả thầy cô, các anh, chị và các bạn trong bộ môn Hóa Học Hữu Cơ, trường Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp tôi thực hiện các thí nghiệm trong đề tài này

Và cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã hỗ trợ, giúp sức tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 9 năm

2010

Sinh viên

Trần Lê Như Vũ

Trang 3

Tổng hợp β-lactam từ tiền chất carbohydrate đóng vai trò quan trọng trong nền hóa dược hiện đại, nó là nền tảng để tổng hợp tất cả các thuốc kháng sinh như: penicillin, carbacepham, oxacepham…

Trong luận văn này, thực hiện tổng hợp dẫn xuất β-lactam (oxacepham) bằng phản ứng cộng [2+2] CSI (chlorosulfonyl isocyanate) vào vinyl ether – đi từ nguyên liệu đầu α-D-glucose

Các kết quả đạt được từ thực nghiệm:

- Tổng hợp β-lactam và oxacepham đạt hiệu suất cao

- Xác định cấu trúc của sản phẩm bằng phương pháp phân tích phổ 1NMR, 1H-COSY, 13C-NMR, 1H-ROESY và MS

Trang 4

Synthesis of β-lactam antibiotics from carbohydrate precursors played a special role owing to the importance of these class of compounds in modern chemotherapy, it is presented in all the antibiotics as penicillin, carbacepham, oxacepham…

In this thesis, we carried out this subject to synthesize β-lactam derivative (oxacepham) via [2 + 2] cycloaddition of chlorosulfonyl isocyanate (CSI) to vinyl ether derived from carbohydrate (α-D-glucose)

Obtained results in this study research:

- Synthesizing β-lactam and oxacepham with high yield

- Identifing the structure of product by analizing spectrometry 1NMR, 1H-COSY, 13C-NMR, 1H-ROESY and MS

Trang 5

H-MỤC LỤC

Trang

TRANG TỰA i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

Mục lục v

Danh sách sơ đồ - hình x

Danh sách bảng xiv

Danh sách các từ viết tắt xvi

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1 Giới thiệu 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

1 Đại cương về các β-lactam 3

1.1 Cấu trúc – phân loại 3

1.2 Lịch sử hình thành β-lactam 6

1.3 Đặc tính kháng khuẩn và cơ chế đề kháng 6

1.4 Nhóm penicillin 7

1.4.1 Cấu trúc 8

1.4.2 Điều chế 8

1.4.3 Tính chất 11

1.5 Nhóm cephalosporin 14

Trang 6

1.5.1 Đặc điểm chung 14

1.5.2 Điều chế 16

1.5.3 Tính chất 17

2 Carbohydrate 19

3 Các phương pháp tổng hợp β-lactam từ carbohydrate 24

3.1 Phản ứng cộng [2+2] giữa đường-dẫn xuất imine (isocyanate) với ketene hoặc tương đương 25

3.2 Phương pháp vòng hóa 28

3.3 Phản ứng cộng vòng [2+2] giữa isocyanate với vinyl ether bất đối xứng 29

3.4 Phản ứng cộng [2+2] CSI vào alkoxyallene 34

3.5 Tổng hợp 5-oxacepham sử dụng 4-vinyloxy-azetidin-2-one 37

3.6 Tổng hợp β-lactam dựa trên pha rắn 39

3.7 Nhận xét 42

Chương 3: THỰC NGHIỆM 44

1 Mục tiêu nghiên cứu 44

2 Sơ đồ phản ứng 45

3 Hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm 46

3.1 D-glucose 46

3.2 Chất bảo vệ nhóm hydroxyl 48

3.2.1 Trityl chloride 48

3.2.2 Tosyl chloride 49

3.3 Các chất đóng vai trò xúc tác 50

3.3.1 Tetra-n-butylammonium bromide 50

3.3.2 Potassium tert-butoxide 51

3.3.3 p-Toluenesulfonic acid 52

Trang 7

3.3.4 4-Dimethylaminopyridine 53

3.4 Chất đóng vai trò oxi hóa - sodium periodate (NaIO4) 54

3.5 Chất đóng vai trò khử 55

3.5.1 Natri borohydride (NaBH 4) 55

3.5.2 Natri bis (2-methoxyethoxy) aluminumhydride (Red- Al) 56

3.6 Tác chất khác 57

3.6.1 Allyl bromide 57

3.6.2 Chlorosulfonyl isocyanate 58

4 Phương pháp sử dụng trong quá trình thí nghiệm 59

4.1 Sắc ký lớp mỏng 59

4.2 Sắc ký cột 60

4.3 Phương pháp phân tích cấu trúc của hợp chất 61

4.3.1 Xác định nhiệt độ nóng chảy 61

4.3.2 Xác định góc quay cực 61

4.3.3 Khối phổ (MS) 61

4.3.4 Phổ hồng ngoại (IR) 61

4.3.5 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) 62

4.4 Thử hoạt tính kháng nấm 62

5 Phương pháp thí nghiệm 64

5.1 Tổng hợp 1,2: 5,6-Di-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (2) 64

5.2 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (3) 65

5.3 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-α-D-xylofuranose (5) 65

5.4 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl- α-D-xylofuranose (6) 66

5.5 Tổng hợp 3-O-Allyl-1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (7) 67

Trang 8

5.6 Tổng hợp

1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(prop-1’-enyl)-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (8) 68

5.7 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (9) 68

5.8 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-α-D-xylofuranose (10) 69

5.9 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5-O-tosyl-α-D-xylofuranose (11) 70

5.10 Tổng hợp oxacepham (12) 70

Chương 4: KẾT QUẢ - BÀN LUẬN 72

1 Phản ứng 1: tạo 1,2:5,6-Di-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (2) 72

2 Phản ứng 2: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (3) 74

3 Phản ứng 3: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-α-D-xylofuranose (5) 76

4 Phản ứng 4: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (6) 78

5 Phản ứng 5: tạo 3-O-Allyl-1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (7) 80

6 Phản ứng 6: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(prop-1’-enyl) -5-O-trityl-α-D-xylofuranose (8) 82

7 Phản ứng 7: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (9) 84

8 Phản ứng 8: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-α-D-xylofuranose (10) 87

9 Phản ứng 9: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5-O-tosyl-α-D-xylofuranose (11) 89

10 Phản ứng 10: tạo oxacepham (12) 92

Chương 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 99

Trang 9

DANH SÁCH SƠ ĐỒ - HÌNH

Trang

Sơ đồ 2.1 Cấu trúc của penicillin 8

Sơ đồ 2.2 Quá trình sinh tổng hợp penicillin từ các acid amin 9

Sơ đồ 2.3 Giai đoạn tạo 6-APA 10

Sơ đồ 2.4 Giai đoạn tạo acyl hóa 6-APA 10

Sơ đồ 2.5 Tính không bền của vòng β-lactam đối với các tác nhân ái nhân 12

Sơ đồ 2.6 Tính không bền của vòng β-lactam trong môi trường acid 14

Sơ đồ 2.7 Cấu trúc của cephalosporin 15

Sơ đồ 2.8 Cấu trúc của cephalosporin C 16

Sơ đồ 2.9 Sơ đồ bán tổng hợp cephalosporin từ penicillin 17

Sơ đồ 2.10 Sự thủy giải nhóm thế R3 của cephalosporin 18

Sơ đồ 2.11 Sự không bền của nhóm acetoxy ở C-3 trong cephalosporin 19

Sơ đồ 2.12 Các D-aldose theo Fisher 21

Sơ đồ 2.13 Các D-ketose theo Fisher 22

Sơ đồ 2.14 Cấu hình R, S của D-erythrose và D-threose 23

Sơ đồ 2.15 Cơ chế biến đổi α, β-D glucose vòng 6 cạnh thành vòng 5 cạnh 24

Sơ đồ 2.16 Phản ứng cộng [2+2] giữa đường-dẫn xuất imine với ketene hoặc tương đương 26

Sơ đồ 2.17 Base Schiffdẫn xuất từ tiền chất carbohydrate1-4 27

Sơ đồ 2.18 Phản ứng chuyển hóa β-lactam thành oxazin và dẫn xuất o-anisidine 27

Sơ đồ 2.19 Phản ứng tạo carbapenem từ glucosamine- dẫn xuất imine 28

Trang 10

Sơ đồ 2.20 Phản ứng tạo carbacephem từ chuyển hóa β-lactam dẫn xuất

D-glucosamine 28

Sơ đồ 2.21 Tổng hợp β-lactam bằng phương pháp vòng hóa 29

Sơ đồ 2.22 Phản ứng imino aldol của ketene silyl acetal với imine bất đối xứng dẫn xuất từ acid tartaric 29

Sơ đồ 2.23 Quá trình kiểm soát lập thể cấu hình anti cho nhóm thế tại nguyên tử C-3 của phân tử đường 30

Sơ đồ 2.24 Phản ứng cộng [2+2] giữa CSI với vinyl ether bất đối xứng 31

Sơ đồ 2.25 Phản ứng cộng [2+2] giữa CSI với 5-O-vinyl 32

Sơ đồ 2.26 Phản ứng cộng giữa CSI với vinyl ether được tổng hợp từ acid L-tartaric 33

Sơ đồ 2.27 Phản ứng tạo cepham từ CSI với các chất phụ trợ đường 30 và 31 34

Sơ đồ 2.28 Phản ứng cộng [2+2] CSI với các alkoxyallene 36-40 35

Sơ đồ 2.29 Phản ứng tạo cepham 42 từ CSI với alkoxyallene 36 35

Sơ đồ 2.30 Phản ứng tạo cepham 45 từ alkoxyalene 43 36

Sơ đồ 2.31 Phản ứng tách nhóm bảo vệ benzylidene trong phân tử 45 37

Sơ đồ 2.32 Phản ứng tổng hợp 5-oxacepham sử dụng 4-vinyloxy-azetidin-2-one 38

Sơ đồ 2.33 Phản ứng tạo clavam trên pha rắn sử dụng nền nhựa Wang 39

Sơ đồ 2.34 Phản ứng tạo cepham trên pha rắn sử dụng nền nhựa Merrifield 40

Sơ đồ 2.35 Phản ứng tạo cepham sử dụng 4-vinyloxy-azetidinone gắn trên nền nhựa Wang 41

Sơ đồ 2.36 Phản ứng tạoβ-lactam trên pha rắn kết hợp với phản ứng Staudinger 42

Sơ đồ 3.1 Hướng phân tích chiến lược tổng hợp oxacepham 44

Sơ đồ 3.2 Sơ đồ phản ứng tổng hợp oxacepham bằng thực nghiệm 45

Sơ đồ 3.3 Quy trình tổng quát quá trình thực hiện các phản ứng 46

Sơ đồ 3.4 Các dạng cấu trúc của đường D-glucose 48

Trang 11

Sơ đồ 3.5 Phản ứng tạo 1,2: 5,6-Di-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (2) 64

Sơ đồ 3.6 Phản ứng tạo 1,2 -O- cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (3) 65

Sơ đồ 3.7 Phản ứng tạo 1,2 -O- cyclohexylidene-α-D-xylofuranose (5) 66

Sơ đồ 3.8 Phản ứng tạo 1,2-O- cyclohexylidene-5-O-trityl- α-D-xylofuranose (6) 66

Sơ đồ 3.9 Phản ứng tạo 3-O-Allyl-1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (7) 67

Sơ đồ 3.10 Phản ứng tạo 1, 2-O-cyclohexylidene-3-O-(prop-1’-enyl)-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (8) 68

Sơ đồ 3.11 Phản ứng tạo tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (9) 68

Sơ đồ 3.12 Phản ứng tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-α-D-xylofuranose (10) 69

Sơ đồ 3.13 Phản ứng tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5-O-tosyl-α-D-xylofuranose (11) 70

Sơ đồ 3.14 Phản ứng tạo oxacepham (12) 70

Hình 4.1 Sắc ký lớp mỏng tác chất (1) và sản phẩm (2) 73

Trang 12

DANH SÁCH BẢNG

Trang

Bảng 2 Bảng tóm tắt các nhân cơ bản của kháng sinh β-lactam 5

Bảng 3.1 Một số tính chất của D-glucose 46

Bảng 3.2 Một số tính chất của trityl chloride (TrCl) 49

Bảng 3.3 Một số tính chất của tosyl chloride (TsCl) 49

Bảng 3.4 Một số tính chất của tetra-n-butylammonium bromide (Bu4NBr) 51

Bảng 3.5 Một số tính chất của potassium tert-butoxide (t-BuOK) 52

Bảng 3.6 Một số tính chất của p-toluenesulfonic acid (TsOH) 52

Bảng 3.7 Một số tính chất của 4-dimethylaminopyridine (DMAP) 53

Bảng 3.8 Một số tính chất của sodium periodate (NaIO4) 54

Bảng 3.9 Một số tính chất của natri borohydride (NaBH4) 55

Bảng 3.10 Một số tính chất của natri bis(2-methoxyethoxy)aluminumhydride 56

Bảng 3.11 Một số tính chất của allyl bromide 57

Bảng 3.12 Một số tính chất của chlorosulfonyl isocyanate (CSI) 58

Bảng 4.1 Một số tính chất của sản phẩm (2) 73

Bảng 4.5 Dữ liệu phổ 1H NMR của 1,2-O- cyclohexylidene-5-O-trityl- α-D-xylofuranose (6) 79

Trang 13

Bảng 4.7 Dữ liệu phổ 1H NMR của 3-O-Allyl-1,

2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (7) 82

Bảng 4.9 Dữ liệu phổ của 1, 2-O-cyclohexylidene-3-O-(prop-1’-enyl)-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (8) 84

Bảng 4.11 Dữ liệu phổ NMR của β-lactam (9) 86

Bảng 4.13 Dữ liệu phổ NMR của sản phẩm thủy phân β-lactam (10) 89

Bảng 4.15 Dữ liệu phổ NMR của sản phẩm gắn nhóm Ts vào β-lactam (11) 91

Bảng 4.17 Dữ liệu phổ NMR của sản phẩm oxacepham (12) 93

Trang 14

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

6-APA: 6-amino penicillanicacid

7-ACA : 7-aminocephalosporinic acid

MeCO2H : acid acetic

IR: phổ hồng ngoại (infrared spectroscopy)

IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry

m: multiplets

MeOH : methanol

MS: khối phổ (mass spectrometry)

NaBH4: natri borohydride

NaIO4: sodium periodate

NMR: phổ cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance spectroscopy)

Trang 15

Red-Al: natri bis (2-methoxyethoxy) aluminumhydride

ROESY: Rotating-Frame Overhauser Enhancement Spectroscopy

t-BuOK: potassium tert-butoxide

TLC: sắc ký bản mỏng (thin layer chromatography)

TsCl: tosyl chloride

TsOH: p-toluenesulfonic acid

Trang 16

do mất tác dụng khi vào cơ thể.Vì vậy nghiên cứu chất kháng sinh mới đang là yêu cầu cấp thiết của nhiều nhà khoa học trong nước và quốc tế

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nhiều chất kháng sinh là những hóa trị liệu không có gì thay thế được để điều trị các bệnh nhiễm trùng hiểm nghèo, bệnh ung thư

Ngày càng có nhiều vi sinh vật gây bệnh kháng lại thuốc kháng sinh nên phải nghiên cứu tìm ra các chất kháng sinh mới thay thế các chất kháng sinh cũ ít còn tác dụng

Một vài kháng sinh dùng bảo quản có hiệu quả các thực phẩm như cá, thịt, phomát; một số mang lại hiệu quả cao cho cây trồng và vật nuôi

Kháng sinh họ β-lactam vẫn được xem là tác nhân chính chống lại sự nhiễm khuẩn nhưng việc nghiên cứu các dẫn xuất mới có hoạt tính cao chưa đạt hiệu quả Carbohydrate được nghiên cứu là nguyên liệu khởi đầu bất đối xứng rẻ tiền trong mục tiêu kiểm soát lập thể định hướng tổng hợp hữu cơ Trong các ứng dụng đa dạng thì tổng hợp thuốc kháng sinh β-lactam từ tiền chất carbohydrate đóng vai trò quan trọng trong nền hóa dược hiện đại Chức năng nổi bật là sự hình

Trang 17

thành trực tiếp vòng β-lactam bốn cạnh với độ chọn lọc lập thể cao thông qua phản ứng cộng [2+2] Chlorosulfonyl Isocyanate (CSI) vào vinyl ether có tính vượt trội hơn các phương pháp khác

3 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài thực hiện tổng hợp dẫn xuất β-lactam từ nguyên liệu đầu là glucose nhằm tạo ra tác nhân có hoạt tính sinh học và được sử dụng như là chất trung gian để tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học khác

Trang 18

α-D-Chương 2

TỔNG QUAN

1 Đại cương về các β-lactam

1.1 Cấu trúc – phân loại

Họ β-lactam là những kháng sinh có cấu trúc azetidin-2-on (còn được gọi là vòng β-lactam), là một amide vòng bốn cạnh (gồm ba nguyên tử cacbon và một nguyên

tử nitơ) [4]

Dị vòng azetidin-2-on thường được liên kết với một dị vòng khác:

- Azetidin-2-on kết hợp với thiazolidin có cấu trúc penam hay nhóm penicillin Trong nhóm này còn có các chất tương đồng với penicillin mang cấu trúc penem, carbapenam và oxapenam (nhân clavam) [4]

Trang 19

- Azetidin-2-on kết hợp với dihydrothiazin có cấu trúc cephem hay nhóm cephalosporin Trong nhóm này còn có những chất tương đồng với cephalosporin mang cấu trúc oxacephem và carbacephem [4]

N

H2C

O

H N

R2COOH

carbacephem

N O

O

H N

R2COOH

C O

R1

1

3 7

oxacephem

Trang 20

- Azetidin-2-on đứng riêng rẽ có cấu trúc monobactam

N

R3

R2H

Bảng 2 Bảng tóm tắt các nhân cơ bản của kháng sinh β-lactam [4]

Tên nhóm Cấu trúc hóa học

chung

Kháng sinh đại diện

tổng hợp

Nhân Clavam

Các penicillin kháng lactamase (acid clavulanic)

Các penicillin kháng lactamase (sulbactam, tazobactam)

cephamycin

Trang 21

Nhân Carbapenem

Các carbapenem bán tổng hợp

từ thienamycin (imipenem, meropenem)

1.2 Lịch sử hình thành β-lactam

Năm 1928, Alexader Fleming tiến hành theo dõi sự phát triển của khuẩn cầu chùm bị ức chế dưới tác dụng của penicilinium notatum Thuốc kháng sinh ức chế vi khuẩn này được gọi tên là penicillin Đầu những năm 1940, tiềm năng dược liệu học của penicillin được công nhận.Sau khi khám phá ra thuốc này, Fleming

sử dụng nó làm thuốc khử trùng và đã có một số kết quả khả quan Những năm sau đó, penicillin và dẫn xuất của nó trở thành nhóm thuốc kháng sinh có tầm quan trọng lớn [5]

Trong những năm 1940, các nhà khoa học đã nghiên cứu về cấu trúc của penicillin Ông Robert Robinson đã đề nghị cấu trúc của penicillin có dạng thiazolidine-oxazolone Trong khi đó, Ông Prof R B lại dựa vào vòng amid 4 cạnh để đưa ra cấu trúc cho penicillin Cuối cùng, vào năm 1949, Ông Dorothy Hodgkins và ông Barbara đã phân tích benzyl penicillin bằng tia X, xác minh sự tồn tại của amid vòng 4 cạnh trong cấu trúc β-lactam, có hoạt tính sinh học của thuốc kháng sinh Trong số những thuốc kháng sinh dạng hai vòng, penicillin và cephalosporin là một trong những loại quan trọng nhất Sau một thời gian khảo sát

và nghiên cứu về hoạt tính của vòng amid, dẫn đến các loại dẫn xuất của chúng đã được ứng dụng trong lĩnh vực y học [5]

1.3 Đặc tính kháng khuẩn và cơ chế đề kháng

Đặc tính kháng khuẩn chung của các kháng sinh β-lactam là tác dụng lên thành tế bào vi khuẩn, bằng cách ức chế hoạt động của các transpeptidase, enzym

Trang 22

tham gia vào quá trình tổng hợp peptidoglycan (thành phần chính của vách tế bào

vi khuẩn) [4]

Ngoài ra kháng sinh họ β-lactam còn thể hiện tác động diệt khuẩn do sự hoạt hóa hệ thống thủy giải ở tế bào vi trùng, gây tổn thương và giết chết vi trùng [4]

Vi khuẩn đề kháng với các β-lactam theo các cơ chế:

- Đề kháng enzym: vi khuẩn tiết ra beta lactamase, thủy phân vòng lactam tạo những dẫn chất không có hoạt tính

β Đề kháng không enzym: bằng cách thay đổi tính thẩm thấu của màng tế bào vi khuẩn; gây biến mất hoặc biến đổi các transpeptidase

Mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính thể hiện hoạt tính kháng khuẩn của β-lactam Hoạt tính kháng khuẩn phụ thuộc vào các yếu tố như:

- Sự nguyên vẹn của vòng β-lactam

- Sự hiện diện của một chức có tính acid trên nitơ hoặc C-2

- Sự hiện diện của nhánh bên acylamino

- Sự kết hợp dị vòng β-lactam với một dị vòng khác cũng như cấu dạng của hai hoặc nhiều carbon bất đối xứng đóng vài trò quan trọng trong hoạt tính kháng khuẩn [4]

1.4 Nhóm penicillin

Năm 1929, Flemming ly trích được benzyl penicillin từ môi trường nuôi

cấy Penicillium notatum, đến năm 1949 chất này được đưa vào sử dụng trong lâm

sàng Năm 1957, người ta tách được 6-amino penicillanic acid (6APA), mở đầu cho việc ra đời một loạt các penicillin bán tổng hợp [4]

Trang 23

1.4.1 Cấu trúc

Sơ đồ 2.1 Cấu trúc của penicillin

Theo danh pháp quốc tế: penicillin là amid-6 của acid (2S, 5R, 6R) amino- 6,

dimethyl- 3,3, oxo -7, thia- 4, aza- 1, bicyclo [3.2.0] heptan carboxylic

Cấu tạo: 2 vòng: vòng β-lactam và thiazolidin, và chỉ khác nhau ở gốc R của mạch ngang Tuy nhiên có ý nghĩa lớn nhất trong điều trị cũng như trong thương mại là Penicillin G và V Để đơn giản hóa người ta xem các penicillin như là những amid của 6-amino penicillanic acid (6-APA) [4]

Trang 24

Sơ đồ 2.2 Quá trình sinh tổng hợp penicillin từ các acid amin

Ngay nay bằng phương pháp đột biến (dùng tia X hoặc tia cực tím), có thể tạo chủng penicillium cho năng suất cao hơn so với chủng cổ điển

Phương pháp bán tổng hợp:

Từ 1950 nhiều nghiên cứu được thực hiện để có được những penicillin bán tổng hợp có thể uống được, kháng β-lactamase, phổ rộng hơn so với penicillin thiên nhiên Quá trình bán tổng hợp thường bao gồm 2 giai đoạn [4]:

Trang 25

- Giai đoạn tạo 6-APA:

• Thủy phân benzyl penicillin (thu được từ phương pháp sinh học) bằng cách dùng acylase (tiết ra từ Escherichia hay Alcaligenne) để cắt nhóm acyl, tạo 6-APA

• Hoặc thủy phân benzyl penicillin bằng phương pháp hóa học dưới tác động của dimethyldicloro silan (CH3)2SiCl2 ở -40oC thu được 6-APA

N S

H

N

H COOH O

H COO

RH2C

N S

H COOH O

N C O

RH2C

C4H9

0oC

H2O N

S

H COOH O

H2N

acid-6-aminopenicillanic (6APA)

Acylase

O

Sơ đồ 2.3 Giai đoạn tạo 6APA

- Giai đoạn acyl hóa 6APA:

Sơ đồ 2.4 Giai đoạn tạo acyl hóa 6-APA

Trang 26

1.4.3 Tính chất

Cơ chế tác dụng

Penicillin tác dụng lên tế bào vi khuẩn, ngăn cản việc tổng hợp thành tế bào ở vi khuẩn, có phổ kháng khuẩn hẹp: tác dụng lên cầu khuẩn gram (+) như tụ cầu, phế cầu, liên cầu, một số vi khuẩn gram (-) lậu cầu, màng não cầu và còn có tác dụng điều trị bệnh giang mai do xoắn khuẩn gây ra

- Penicillin dạng muối hoặc dạng acid có dạng bột màu trắng, không mùi khi tinh khiết

- Phổ UV: đa số các nhóm R acyl hóa trên 6APA đầu là vòng thơm nên cho phổ hấp thu ở vùng UV có thể ứng dụng được

- Phổ IR: ở vùng 1600-1800 cm-1 có các đỉnh đặc trưng với các nhóm sau đây: nhóm lactam ở giữa 1760 và 1730 cm-1, chức amid ngoại vòng ở giữa 1700

và 1650 cm-1; chức carboxyl ở khoảng 1600 cm-1

- Tính acid: các penicillin có khả năng tạo muối natri và kali tan trong nước, trong khi đó các muối kim loại nặng (ví dụ muối Cu++) thì không tan hoặc kích thích sự phân hủy

Các penicillin cũng có khả năng tạo muối với các amin, ứng dụng để tạo các penicillin thủy giải chậm như procain penicillin (tác động kéo dài 24-48 giờ), benethamin penicillin (tác động kéo dài 3-7 ngày), benzathin penicillin (tác động kéo dài 2-4 tuần)

Một số chất có tính base như các aminosid, các alkaloid khi trộn chung với penicillin trong cùng một ống tiêm sẽ gây ra kết tủa

Nhóm acid của các penicillin có thể phản ứng tạo thành những este, đây là

những tiền chất có khả năng phóng thích trở lại các kháng sinh này in vivo [4]

Tính không bền của vòng β-lactam:

Trang 27

+ Sự phân hủy trong môi trường kiềm: ở pH ≥ 8 sẽ có sự tấn công của ion

OH- trên carbonyl lactam gây ra sự mở vòng theo quy luật chung, cuối cùng tạo thành acid penicilloic; sự decarboxyl có thể xảy ra tiếp theo để tạo acid penilloic

Sự phân hủy vòng β-lactam trong môi trường kiềm có thể được ứng dụng

để định lượng các penicillin (penicillin G, penicillin V, amoxicillin, ampicillin, cloxacillin, dicloxacillin, methicillin, oxacillin, nafcillin…) bằng phương pháp oxy hóa khử (phương pháp iod)

penicillinOH

N S O

H H N R O H

CO2H

HN S

COOH

C O HO

H H R

O

acid penicilloic

S

N COOH ROCHN

OH O

- CO2

S

N

H COOHROCHN

S

N H

acid penilloic

ROCHN

O H

penilloaldehyd

HS

COOH

H2N +

D-penicillamin

Sơ đồ 2.5 Tính không bền của vòng β-lactam đối với các tác nhân ái nhân

Trang 28

Các alcol và amin cũng đưa đến cùng một phản ứng mở vòng nhưng sản phẩm tương ứng sẽ là este và amid Nếu tác nhân ái nhân là hydroxylamine (NH2OH), sản phẩm tạo thành là dẫn xuất của acid hydroxamic, chất này sẽ tạo phức với Fe3+ (màu đỏ) hoặc với Cu2+ (màu xanh ngọc)

+ Sự phân hủy trong môi trường acid: trong dung dịch acid, sự thủy giải của penicillin phức tạp hơn nhiều Sự thủy phân vòng β-lactam có thể được chỉ ra trong những phân tích về động học bao gồm sự tham gia của oxy amid ở nhánh bên (do bởi tốc độ của phản ứng này khác nhau nhiều tùy thuộc vào bản chất của nhóm R) Đưa vào R nhóm hút điện tử sẽ làm giảm mật độ electron trên cacbonyl của nhánh bên và bảo vệ penicillin khỏi sự phân hủy của acid

Trang 29

Sơ đồ 2.6 Tính không bền của vòng β-lactam trong môi trường acid

Penicillin G bền ở pH = 6-7; ở pH ≤ 5,5 hay pH ≥ 8 hoạt tính kháng sinh giảm rất nhanh Những ion kim loại Hg, Zn, Cu xúc tác sự phân hủy penicillin Ngoài ra vòng β-lactam có thể bị mở bởi β-lactamase tiết ra từ vi khuẩn [4]

1.5 Nhóm cephalosporin

1.5.1 Đặc điểm chung

Trang 30

Năm 1948 lần đầu tiên người ta trích được cephalosporin C từ môi trường

nuôi cấy Cephalosporium acremonium, nhưng mãi đến năm 1961 cấu trúc của

cepha C mới được xác định [4]

Cấu trúc chung của các cephalosporin như sau:

Sơ đồ 2.7 Cấu trúc của cephalosporin

X = S phân biệt tùy thuộc R7 (R7=H: cephalosporin; R7=OCH3: cephamycin), X = O : oxacephem; X = CH2 : carbacephem

- Những cephalosporin bán tổng hợp sử dụng trong điều trị có các nhóm thế rất khác nhau trên C-3 và chuỗi acylamino ở vị trí 7

- Nhóm COOH có thể ở dạng acid, muối hay este

- Phân tử có hai C bất đối xứng C-6 (R), C-7 (R) mới có hoạt tính sinh học

- Nhóm R làm biến đổi đặc tính kháng khuẩn và tính bền của phân tử

- Sự kháng lại β-lactamase có thể có được bằng cách lựa chọn hợp lý R, R7

và X

- Sự thay đổi trên R3 làm thay đổi đặc tính dược động học của phân tử (điều này có thể làm gia tăng hoạt tính kháng khuẩn đặc biệt đối với

Staphylococcus và Pseudomonas)

Trang 31

Sơ đồ 2.8 Cấu trúc của cephalosporin C

Đặc điểm của cephalosporin C:

- Khó ly trích và tinh chế do bởi nhánh bên rất phân cực

- Tác dụng yếu (chỉ bằng 1/1000 penicillin G)

- Không hấp thu qua đường uống

- Không độc

- Nguy cơ dị ứng thấp

- Bền hơn penicillin G đối với sự thủy giải của acid

- Bền hơn penicillin G đối với penicillinase (tương đương với oxacillin)

- Hoạt tính trên cả vi khuẩn gram dương lẫn gram âm

Tuy không được sử dụng trong lâm sàng, nhưng sự phát hiện cephalosporin

có ý nghĩa quan trọng trong việc bán tổng hợp hàng loạt các cephalosporin về sau [4]

Trang 32

Sơ đồ 2.9 Sơ đồ bán tổng hợp cephalosporin từ penicillin

Bán tổng hợp từ cephalosporin C

Cephalosporin C từ sự lên men được thủy giải thành aminocephalosporinic acid (7-ACA), sau đó có thể biến đổi (hoặc không) ở R3, tiếp tục được acyl hóa bằng acid cloride thích hợp

7-1.5.3 Tính chất

- Tính không bền của vòng β-lactam:

Sự tấn công của các tác nhân ái nhân: các base mở vòng azetidin-2-on tạo

ra dẫn chất của acid cephalosporic không có hoạt tính sinh học Những tác nhân ái nhân có thể là:

* Các base (NaOH, KOH) tạo muối của acid cephalosporic

* Các alcol tạo các este của acid cephalosporinic

* Các amin tạo amid không có hoạt tính sinh học

Sự tấn công của các tác nhân ái điện tử: ngược lại với penicillin, các cephalosporin bền hơn trong môi trường acid

Trang 33

- Tính acid: do chứa nhóm COOH ở C-4, các cephalosporin thể hiện như các acid α, β bất bão hòa khá mạnh có thể:

* Tạo muối: thường là muối Na, được sử dụng dưới dạng thuốc tiêm vì tan được trong nước (dạng acid được sử dụng bằng đường uống)

* Tạo các este được xem là tiền chất, có 2 este được sử dụng trong điều trị

là cefuroxim acetyl và cefpodoxim procetyl

Dựa vào tính acid có thể định lượng các cephalosporin bằng phương pháp chuẩn độ môi trường khan

- Phản ứng của nhóm thế R3

* Nhóm bền: methyl, carbamoyloxymethyl (NH2-C-OCH2-)

* Nhóm dễ phản ứng – nhóm acetoxymethyl (CH3-C-OCH2-): sự thủy giải rất dễ xảy ra hoặc bằng con đường enzym hoặc bằng con đường hóa học tạo thành alcolallylic tương ứng (giảm hoạt tính) và tiếp theo là sự lacton hóa ngẫu nhiên với nhóm COOH tại C-2 để tạo dẫn chất không hoạt tính Nhóm này cũng là mục tiêu của phản ứng SN bởi các tác nhân ái nhân nitơ hoặc lưu huỳnh Phản ứng này được ứng dụng để điều chế nhiều cephalosporin bán tổng hợp

giảm hoạt tính không hoạt tính

Sơ đồ 2.10 Sự thủy giải nhóm thế R 3 của cephalosporin

* Ngoài ra nhóm acetoxy ở C-3 cũng góp phần làm cho vòng β-lactam của cephalosporin dễ vỡ

Trang 34

Sơ đồ 2.11 Sự không bền của nhóm acetoxy ở C-3 trong cephalosporin

- Phản ứng của chuỗi acylamino

Bản chất của chuỗi acylamino ở 7β xác định tính bền của cephalosporin Một sự cản trở không gian tạo ra ở gần vòng β-lactam thì không thuận lợi cho tác dụng của β-lactamase và vì vậy có tác dụng bảo vệ Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp các dẫn chất α-alcoxyimin

2 Carbohydrate

Carbohydrate là hợp chất hữu cơ phân bố rộng rãi nhất trên trái đất, có vai trò rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất ở sinh vật Carbohydrate là một loại thực phẩm căn bản, chiếm tỉ lệ lớn trong tổng nhu cầu dinh dưỡng của con người

Nó có thể là những chất tạo độ ngọt, chất tạo gel, tạo paste, tạo độ đặc, chất ổn định, là tiền chất của nhiều chất màu và mùi…

Carbohydrate đơn giản nhất là các monosaccharide (đường đơn) Monosaccharide là các aldose (polyhydroxy-aldehyde) nhận được từ glyceraldehyde hoặc ketose (polyhydroxy-ketone) nhận được từ dihydroxyacetone, bằng cách thêm các gốc CHOH vào mạch cacbon Tùy vào số phân tử cacbon các aldose được gọi tên là triose (glyceraldehyde), tetrose, pentose, hexose…và tương tự tùy thuộc số phân tử cacbon mà các ketose được gọi tên là dihydroxy-acetone, triulose, tetrulose, pentulose, hexulose…

Khi kết tinh monosaccharide tạo thành các mạch vòng năm cạnh (furanose) hoặc sáu cạnh (pyranose); ở dạng dung dịch cũng có sự cân bằng giữa hai dạng mạch hở và mạch vòng với tỉ lệ mạch vòng chiếm ưu thế

Trang 35

Disaccharide là hỗn hợp của hai phân tử monosaccharide, do thủy phân acid trisaccharide tạo thành 3 monosaccharide, tetrasaccharide tạo 4 phân tử monosaccharide….Giới hạn trên trong nhóm này (oligosaccharide) là một polymer có 10 đơn vị monosaccharide Monosaccharide và oligosaccharide đặc trưng bởi trọng lượng phân tử không đổi, khả năng hòa tan nước cao và có vị ngọt giống đường Nhóm không đường của carbohydrate là các polymer (polysaccharide) có rất nhiều đơn vị monosaccharide và trọng lượng phân tử của mỗi phân tử không nhất thiết phải có kích thước giống nhau; tùy thuộc vào hiệu suất thủy phân acid sẽ cho số lượng đơn vị monosaccharide thích hợp

Nhiều monosaccharide được sử dụng như nguồn nguyên vật liệu ban đầu rẻ tiền trong tổng hợp hữu cơ tạo sản phẩm tinh khiết Với những thuốc thử và nhóm chức thích hợp được gắn vào phân tử monosaccharide tạo ra sự đa dạng về sản phẩm trong tổng hợp hữu cơ [19]

Trang 36

Sơ đồ 2.12 Các D-aldose theo Fisher

Trang 37

Sơ đồ 2.13 Các D-ketose theo Fisher

Quan hệ cấu trúc của aldose và ketose được trình bày trong sơ đồ 1.12 và 1.13 Cấu trúc theo Fisher chứng minh quy ước cấu hình D hoặc L xác định cấu hình bất đối xứng có hoạt tính quang học từ nhóm chức cacbonyl

Tuy nhiên, công thức Fisher không phản ánh được đặc tính vật lý và tính chất hóa học của monosaccharide cho những cấu hình không gian khi cần thiết D-erythrose và D-threose cho cấu hình R, S tại những nguyên tử cacbon bất đối xứng thích hợp

Trang 38

Sơ đồ 2.14 Cấu hình R, S của D-erythrose và D-threose

Nghiên cứu cấu trúc của D-glucose là dựa vào tính chất vật lý và tính chất hóa học thể hiện qua công thức mở vòng của aldopentose, aldohexose, ketopentose và ketohexose

Ví dụ, trong dung dịch D-glucose tồn tại một trạng thái cân bằng hỗn hợp của 5 dạng Việc tạo ra dạng mạch vòng (hemiacetal) sẽ tạo ra một tâm bất đối xứng mới ở nhóm chức cacbonyl C-1 của kiểu mở vòng (3a/b) với cả nhóm hydroxyl trên C-5 (trong 3a) để cho hai cấu trúc vòng pyranose (1) α-D-glucopyranose và (2) β-D-glucopyranose hoặc nhóm hydroxyl trên C-4 (trong 3b)

để cho hai cấu trúc furanose (4) α- D-glucofuranose và (5) β-D-glucofuranose Cấu trúc mở vòng được đưa ra để làm nổi bật mối tương quan không gian của sự sắp xếp cấu trúc cacbon- skeletal và cách bố trí của nhóm hydroxyl cho quá trình hình thành hemi-acetal Cấu trúc pyranose hình thành cấu trúc dạng ghế của vòng

6 cạnh

Cấu trúc (1) và (2) khác nhau chỉ do cấu hình tại nguyên tử cacbon anomeric (C-1), nhóm hydroxyl nằm ở vị trí trục tạo cấu trúc α trong (1) và vị trí xích đạo tạo cấu trúc β trong (2) Trường hợp cấu trúc (3) và (4) tại nguyên tử cacbon anomeric có nhóm hydroxyl nằm dưới (α) trong (4), hoặc ở trên (β) trong (5)

Hiện tượng quay từ cấu hình α- sang β- được gọi là mutarotation và phụ

thuộc vào pH Như vậy trong dung dịch, mỗi đường đơn có thể tồn tại đồng thời dưới tất cả 5 dạng cấu hình: mạch hở, mạch vòng dạng pyranose (α-, β-) và furanose (α-, β-) Phụ thuộc loại monosaccharide mà cân bằng giữa các dạng cấu

Trang 39

hình này khác nhau Trong dung dịch D-glucose, do xu hướng tạo mạch vòng rất mạnh nên không tồn tại dạng mạch hở [19]

Sơ đồ 2.15 Cơ chế biến đổi α, β-D glucose vòng 6 cạnh thành vòng 5 cạnh

3 Các phương pháp tổng hợp β-lactam từ carbohydrate

Từ những năm 1970, đã có xu hướng sử dụng carbohydrate phân tử thấp như nguyên liệu khởi đầu bất đối xứng, rẻ tiền trong mục tiêu kiểm soát lập thể định hướng tổng hợp hữu cơ [36, 41]

Trang 40

Carbohydrate được dùng như chất phụ trợ bất đối xứng, quá trình chuyển hóa carbohydrate hoàn toàn có thể được kiểm soát về mặt lập thể cấu trúc mong muốn được hình thành Yếu tố quan trọng là lựa chọn mảnh phân tử đường thích hợp (nhóm hydroxyl, tâm bất đối xứng, liên kết đôi ) để tạo hợp chất có tâm bất đối xứng theo yêu cầu

Hơn 12 năm qua, sự hình thành trực tiếp vòng β-lactam 4 cạnh thông qua phản ứng cộng [2+2] của ketene với imine và của isocyanate với olefin vượt trội hơn các phương pháp khác Do cả hai sản phẩm cộng đạt độ chọn lọc lập thể rất cao Trong trường hợp cộng ketene (hay tương đương) với imine, sản phẩm cộng không chỉ được sử dụng để tổng hợp thuốc kháng sinh β-lactam mà còn là chất trung gian để tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học khác

3.1 Phản ứng cộng [2+2] giữa đường-dẫn xuất imine (isocyanate) với ketene hoặc tương đương

Nghiên cứu cho thấy các E-imine thu được từ phân tử đường mạch hở có

các nhóm hydroxyl đã được bảo vệ bằng isopropylidene và ketene (hay clorua

acid trong môi trường kiềm) tạo thành cis- β-lactam với định hướng bất đối xứng

cao và cấu trúc tương đối phụ thuộc vào cấu hình tuyệt đối nguyên tử C bất đối xứng cạnh nguyên tử cacbon imine; đặc biệt là imine dẫn xuất từ chất đồng phân

đối ảnh hình thành từ 2,3-O-isopropylidene-glyceraldehyde Hàng loạt các tác

nhân chống khuẩn được tổng hợp bằng phản ứng cộng [2+2] của imine dẫn xuất

từ isopropylidene D-glyceraldehyde [35]

Định dạng
Số trang	151
Dung lượng	2,99 MB