Tối ưu hóa quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ N-(1-adamantyl)acetamid bằng phần mềm tin học modde 5.0

Mục tiêu nghiên cứu của bài viết nhằm tối ưu hóa quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ chất trung gian N-(1-adamantyl)acetamid. Phương pháp nghiên cứu: sử dụng các phản ứng hóa học cơ bản để tổng hợp amantadin hydroclorid, ứng dụng phần mềm tin học Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng.

tạp chí y - dợc học quân số 6-2016 TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH TỔNG HỢP AMANTADIN HYDROCLORID TỪ N-(1-ADAMANTYL)ACETAMID BẰNG PHẦN MỀM TIN HỌC MODDE 5.0 Vũ Bình Dương*; Nguyễn Văn Thịnh*; Nguyễn Thị Hồng Thắm* Phạm Văn Hiển*; Phan Đình Châu**; Nguyễn Thị Hồng Thanh*** TĨM TẮT Mục tiêu: tối ưu hóa quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ chất trung gian N-(1-adamantyl)acetamid Phương pháp nghiên cứu: sử dụng phản ứng hóa học để tổng hợp amantadin hydroclorid, ứng dụng phần mềm tin học Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa điều kiện phản ứng Kết quả: tìm điều kiện tối ưu cho tổng hợp amantadin hydroclorid gồm: tỷ lệ mol propylenglycol:natri hydroxid: N-(1adamantyl)acetamid (PG:NaOH:ADA) 6,8:7,5:1; nhiệt độ phản ứng 1300C; thời gian phản ứng 6,6 Với điều kiện tối ưu, hiệu suất quy trình đạt 71,60% Kết luận: xây dựng quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ chất trung gian N-(1-adamantyl) acetamid quy mơ phòng thí nghiệm Sản phẩm thu đạt tiêu chuẩn USP 37 * Từ khóa: Amantadin; N-(1-adamantyl)acetamid; Tối ưu hóa; Quy trình tổng hợp Optimization of Synthesis Process of Amantadine Hydrocloride from N-(1-Adamantyl)Acetamide by Modde 5.0 Software Summary Objectives: To optimize the synthesis process of amantadine hydrochloride from intermediator N-(1-adamantyl)acetamide Methods: Using the basic chemical reactions to synthesize amantadine hydrochloride, apply Modde 5.0 software to design the experiment, optimize the conditions of reactions Results: The optimal conditions of amantadine hydrochloride synthetic process including: ratio of PG:NaOH:ADA (6.8:7.5:1); reactive temperature (1300C); reactive duration (6.6 hours) was found At these conditions, the efficacy yield 71.60% Conclusions: Synthetic process of amantadine hydrochloride from N-(1-adamantyl)acetamide at lab-scale was established The finished product met the standard of USP 37 * Key words: Amantadine; N-(1-adamantyl)acetamide; Optimization; Synthetic process ĐẶT VẤN ĐỀ Amantadin hydroclorid chất kháng virut sử dụng điều trị bệnh cúm virut cúm A gây ra, đặc biệt hiệu điều trị bệnh Parkinson [4] Amantadin Wolfgang Haaf CS cơng bố quy trình tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu adamantan [2] * Học viện Quân y ** Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *** Đại học Y khoa Vinh Người phản hồi (Corresponding): Vũ Bình Dương (vbduong2978@gmail.com) Ngày nhận bài: 25/03/2016; Ngày phản biện đánh giá báo: 17/06/2016 Ngày báo ng: 28/06/2016 83 tạp chí y - dợc học quân sù sè 6-2016 Từ đến nay, có nhiều cơng trình nghiên cứu quy trình tổng hợp phương pháp khác bắt nguồn từ nguyên liệu adamantan trải qua nhiều hợp chất trung gian, số có hợp chất N-(1-adamantyl) acetamid [1, 3], phương pháp cho hiệu suất cao, dễ triển khai sản xuất quy mô lớn Ở Việt Nam, Học viện Quân y nghiên cứu quy trình tổng hợp amantadin từ adamantan Bài báo trước, thông báo kết điều chế hai hợp chất trung gian sử dụng tổng hợp amantadin adamantylnitrat N-(1-adamantyl)acetamid Trong báo này, cơng bố kết nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp amantadin HCl từ chất trung gian N-(1adamantyl)acetamid (ADA) phần mềm tin học Modde 5.0 - Máy khối phổ AutoSpec Primer (Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) - Máy đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân ( H-NMR 13C-NMR) Bruker-AV500 (Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp tổng hợp amantadin HCl: Dựa kết công bố IK Moiseeve [4], cải tiến khảo sát tối ưu hóa số thơng số Ngun liệu trung gian N-(1-adamantyl) acetamid (I) deacetyl hóa với NaOH dung môi PG Sản phẩm amantadin base thu cho phản ứng với HCl để tạo thành dạng muối hydroclorid theo sơ đồ phản ứng sau: NHCOCH3 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NaOH, H O, PG PG NaOH, H2O, HCl Nguyên liệu, hóa chất thiết bị * Nguyên liệu, hóa chất: N-(1-adamantyl)acetamid (ADA), ethanol o 96 , propylen glycol (PG), methanol, axít hydrocloric, natri hydroxyd, amantadin hydroclorid chuẩn (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Nhật Bản) * Thiết bị nghiên cứu: - Sắc ký mỏng silicagel Kieselgel 60 F254 (Merck), đèn soi sắc ký UV hai bước sóng 254 360 nm - Máy đo nhiệt độ nóng chảy Stuart, SMP-10 - Máy quang phổ hồng ngoại GXPerkinElmer, Mỹ 84 NH2 HCl I II Tiến hành khảo sát phản ứng điều kiện: nhiệt độ, tỷ lệ mol chất ADA:NaOH:PG, thời gian nhiệt độ phản ứng khác Hỗn hợp sau phản ứng chiết lấy pha nước, bốc dung môi kết tinh lại cồn 960 Sản phẩm kết tinh xác định nhiệt độ nóng chảy, sắc ký lớp mỏng, khối lượng tính hiệu suất phản ứng * Phương pháp thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa: - Thiết kế thí nghim: tạp chí y - dợc học quân số 6-2016 Sử dụng phương pháp thiết kế theo mơ hình mặt hợp tử tâm với trợ giúp phần mềm thiết kế thí nghiệm tối ưu hố Modde 5.0 [5] để khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất phản ứng bao gồm: nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, tỷ lệ mol ADA:NaOH:PG với mức khác mã hóa bảng Các yếu tố gọi biến độc lập hay tham số, hiệu suất phản ứng gọi biến phụ thuộc hay hàm số (Y%) Sử dụng phần mềm thiết kế tối ưu Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm, phần mềm đưa thí nghiệm cần tiến hành Bảng 1: Ký hiệu mức biến đầu vào Biến đầu vào Ký hiệu Các mức Mức -1 Mức sở Mức +1 Tỷ lệ mol EG:ADA X1 6,8 8,2 9,6 Tỷ lệ mol NaOH:ADA X2 7,5 10 12,5 Nhiệt độ phản ứng X3 110 120 130 Thời gian phản ứng X4 7,5 - Tối ưu hóa: Sau có kết làm thực nghiệm, sử dụng phẩn mềm Modde để phân tích ảnh hưởng biến độc lập đến hiệu suất phản ứng (biến phụ thuộc) thiết lập phương trình hồi quy bậc mối tương quan biến phụ thuộc biến độc lập Phương trình có dạng: Y = b0+b1X1+b2X2+b3X3+b4X4+b1(X1)2+ b2(X2)2+b3(X3)2+b4(X4)2+b1,2,3,4(X1 X2 X3 X4) Ngồi ra, phần mềm đưa dự đốn điều kiện tối ưu để hiệu suất phản ứng cao (Y = max) Sau thu điều kiện tối ưu từ phần mềm, làm lại thí nghiệm để thẩm định kết tối ưu * Phương pháp xác định độ tinh khiết cấu trúc hóa học: - Sơ kiểm tra độ tinh khiết sản phẩm sắc ký lớp mỏng đo nhiệt độ nóng chảy - Xác định cấu trúc amantadin HCl tổng hợp dựa vào phân tích phổ tử ngoại (UV), phổ hồng ngoại (IR) phổ khối lượng (MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H - NMR 13C - NMR) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN Kết thiết kế thí nghiệm thực nghiệm Các biến độc lập sau đưa vào phần mềm thiết kế tối ưu Modde 5.0 Phần mềm đưa kết thiết kế gồm 27 thí nghiệm Tiến hành 27 thí nghiệm tổng hợp amantadin HCl theo thiết kế Sau thí nghiệm, cân xác định khối lượng sản phẩm tính hiệu suất phản ứng 85 t¹p chÝ y - dợc học quân số 6-2016 Bng 2: Kt qu thiết kế thí nghiệm thực nghiệm thu STT Ma trận mã hóa Điều kiện thực nghiệm biến Hpư (%) X1 X2 X3 X4 X1 X2 X3 X4 (Y) -1 -1 -1 -1 6,8 7,5 110 50,27 -1 -1 -1 9,6 7,5 110 46,52 -1 -1 -1 6,8 12,5 110 47,06 1 -1 -1 9,6 12,5 110 43,33 -1 -1 -1 6,8 7,5 130 70,05 -1 -1 9,6 7,5 130 64,71 -1 1 -1 6,8 12,5 130 63,64 1 -1 9,6 12,5 130 62,03 -1 -1 -1 6,8 7,5 110 56,15 10 -1 -1 9,6 7,5 110 53,48 11 -1 -1 6,8 12,5 110 52,41 12 1 -1 9,6 12,5 110 50,80 13 -1 -1 1 6,8 7,5 130 69,52 14 -1 1 9,6 7,5 130 64,71 15 -1 1 6,8 12,5 130 63,10 16 1 1 9,6 12,5 130 59,89 17 -1 0 6,8 10 120 7,5 58,29 18 0 9,6 10 120 7,5 55,08 19 -1 0 8,2 7,5 120 7,5 57,22 20 0 8,2 12,5 120 7,5 56,15 21 0 -1 8,2 10 110 7,5 51,87 22 0 8,2 10 130 7,5 67,91 23 0 -1 8,2 10 120 55,08 24 0 8,2 10 120 59,89 25 0 0 8,2 10 120 7,5 58,28 26 0 0 8,2 10 120 7,5 56,68 27 0 0 8,2 10 120 7,5 57,22 Sau nhập kết thực nghiệm vào phần mềm Modde 5.0, nhận phương trình hồi quy sau: Y = 57,63 - 1,66X1 - 1,90X2 + 7,43X3 + 1,52X4 + 2,14X23 86 tạp chí y - dợc häc qu©n sù sè 6-2016 0,47X2X3 - 1,81X3X4, phương trình có hệ số tương quan R2 = 0,991 Điều chứng tỏ mối tương quan chặt chẽ biến đầu theo phương trình hồi quy tìm Phần mềm đưa mặt đáp ảnh hưởng biến độc lập (yếu tố khảo sát) đến hiệu suất phản ứng (hình 1) Investigation: toi uu hoa kt cua tham (MLR) 4D Response Surface of hieusuat tgian = nhiet = 110 nhiet = 120 nhiet = 130 Investigation: Untitled (MLR) 4D Response Surface of hieu suat tgia = 7.5 Nhiet = 110 Nhiet = 120 Nhiet = 130 Investigation: toi uu hoa kt cua tham (MLR) 4D Response Surface of hieusuat tgian = nhiet = 110 nhiet = 120 nhiet = 130 Hình 1: Hình ảnh mặt đáp ảnh hưởng yếu tố đầu vào đến hiu sut phn ng 87 tạp chí y - dợc häc qu©n sù sè 6-2016 Kết phân tích ảnh hưởng yếu tố đầu vào đến hiệu suất phản ứng thể hình 60 65 65 65 60 hieu suat 58 60 56 55 55 55 50 10 11 12 60 54 50 50 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 ty le NaOH tgia Nhiet 9 ty le Pg Hình 2: Mặt đáp tối ưu thực nghiệm yếu tố đầu vào tới hiệu suất Phân tích ảnh hưởng yếu tố kết hợp yếu tố độc lập hình cho thấy: tăng nhiệt độ, hiệu suất phản ứng tăng lên nhiều Tăng tỷ lệ mol NaOH, hiệu suất giảm giảm Tỷ lệ mol PG ảnh hưởng tới hiệu suất phản ứng, tăng PG hiệu suất phản ứng lại giảm Khi kéo dài thời gian đến 7,5 giờ, hiệu suất tăng lên, kéo dài hiệu suất lại có xu hướng giảm Trong yếu tố khảo sát, mức độ ảnh hưởng tới hiệu suất xếp từ tới nhiều sau: tỷ lệ NaOH < tỷ lệ PG < thời gian < nhiệt độ Sau phân tích xác lập mơ hình liên quan biến đầu vào đầu ra, phần mềm Modde đưa giá trị tối ưu biến đầu vào, đồng thời dự đoán kết thu biến đầu Cụ thể: điều kiện tối ưu theo phần mềm cho phản ứng tổng hợp amantadin hydroclorid là: nhiệt độ 130oC, tỷ lệ mol PG:NaOH:ADA 6,8:7,5:1, thời gian phản ứng 6,6 hiệu suất phản ứng tổng hợp 69,77% Tiến hành thực nghiệm với điều kiện tối ưu để kiểm chứng lại kết dự đoán phần mềm Modde 5.0 đưa Bảng 3: Kết thực nghiệm kiểm tra kết tối ưu hóa Mẻ Nhiệt độ nóng chảy Dự đốn (1) Thực nghiệm (2) 69,77 70,59 Khơng chảy 360oC 69,77 71,12 Không chảy 360oC 69,77 72,05 Không chảy 360oC 69,77 72,67 Không chảy 360oC 69,77 71,66 Không chảy 360oC 69,77 71,52 Không chảy 360oC X 69,77 71,60 p 88 Hiệu suất phản ứng (%) p1, > 0,05 t¹p chÝ y - dợc học quân số 6-2016 Kt qu thc nghiệm tiến hành phản ứng theo điều kiện dự đoán phần mềm tối ưu cho thấy: hiệu suất phản ứng đạt 71,60% (dự đoán phần mềm 69,77%) Như vậy, khác biệt dự đoán phần mềm thực nghiệm khơng có ý nghĩa thống kê (p > 0,05) Do đó, sử dụng điều kiện tối ưu mà phần mềm đưa ra: tỷ lệ mol PG:NaOH:ADA 6,8:7,5:1, phản ứng thực 6,6 1300C Khi hiệu suất phản ứng đạt 71,60% * Thiết lập quy trình tổng hợp: Với điều kiện tối ưu hóa phần mềm đưa ra, chúng tơi xây dựng quy trình tổng hợp amantadin HCL quy mơ phòng thí nghiệm sau: cho 9,65 g (0,05 mol) N-(1-adamantyl)acetamid vào 25 ml propylen glycol bình cầu cổ đun bếp khuấy từ gia nhiệt, khuấy tan hoàn toàn Thêm từ từ 15 g NaOH 7,5 ml H2O đồng thời khuấy Đun hồi lưu cách dầu nhiệt độ 130oC thời gian 6,6 Sau kết thúc phản ứng, thêm 75 ml nước, lắc Chiết dicloromethan lần (75 ml, 50 ml, 25 ml) Gộp dịch chiết, lấy phần dịch chiết dicloromethan, rửa lại lần với nước (75 ml, 50 ml, 25 ml) Cơ bốc bớt dicloromethan khoảng 50 ml, sau cho thêm dung dịch HCl 18,5% hết 40 ml Khuấy máy từ 500C để amantadin base chuyển sang dạng muối clorid hồn tồn Chiết lấy pha nước đem bốc hoàn toàn áp suất giảm thu amantadin hydroclorid thô Kết tinh lại ethanol 96% theo tỷ lệ g/1 ml, sấy khô nhiệt độ 60oC vòng giờ, thu 9,39 g amantadin HCl Kết xác định độ tinh khiết, nhận dạng cấu trúc hóa học kiểm nghiệm sản phẩm Kết xác định độ tinh khiết mẫu thu gồm: - Đo điểm chảy: nhiệt độ chảy sản phẩm amantadin HCl không chảy đo đến 360oC, kết phù hợp với tài liệu công bố [4] - Số liệu phân tích phổ: + Phổ IR (KBr), (cm-1): 3458 (NH2); 3048 (CH); 1360 (C-N) + Phổ MS, m/z: 151,1[M-HCl]+; 135 [MNH2.HCl] + + Phổ 1H-NMR (500 MH, CDCl2), δ (ppm): 8,263(bs,s, 3H, NH2.Cl); 2,143(s, 3H, C3-H, C5-H C7-H); 2,033(s, 6H, C4H2,C6-H C9-H2); 1,681-1,641(m, 6H, C2-H2, C8-H2, C10-H2) + Phổ 13C-NMR (D2O), δ (ppm): 52,456(C1); 40,099(C3+C5 C7); 34,949(C2+C8 C10); 28,876(C4+C6 C9) Từ kết đo điểm chảy phân tích phổ IR, MS,1H - NMR 13C - NMR hợp chất tổng hợp chất chuẩn, kết luận amantadin HCl tổng hợp tinh khiết có cấu trúc dự kiến - Chất lượng amantadin HCl tổng hợp được: kiểm nghiệm theo Dược điển Mỹ 37 (USP 37) Kết mẫu gửi kiểm nghiệm đạt yêu cầu chất lượng USP 37, với phiếu trả lời kết kiểm nghiệm số 1226/VKN-YC2015 ngày 14 tháng 09 năm 2015 Viện Kiểm nghiệm Thuốc Thành phố Hồ Chí Minh 89 tạp chí y - dợc học quân số 6-2016 KẾT LUẬN Đã ứng dụng phần mềm tin học Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa điều kiện quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ chất trung gian N-(1-adamantyl)acetamid Kết quả: tìm điều kiện tối ưu cho tổng hợp amantadin hydroclorid gồm: EG:NaOH:ADA 6,8:7,5:1; nhiệt độ phản ứng 1300C; thời gian phản ứng 6,6 Với điều kiện tối ưu tìm hiệu suất quy trình đạt 71,60% Sản phẩm amantadin hydroclorid thu đạt tiêu chất lượng theo Dược điển Mỹ 35 (USP 35) với phiếu kiểm nghiệm số 1226/VKN-YC2015 ngày 14 tháng 09 năm 2015 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO George K Method for the synthesis of adamantane amines US pat 5599998A 1997 Haaf W Process for production of Ntert alkyl amines and if desired N-tert alkyl amines US Pat 3152180 A 1964 Hubsher G et al Amantadine: The journey from fighting flu to treating Parkinson disease Neurology 2012, Vol 78, No 14, pp.1096-1099 Moiseeve IK, Doroshenko RI, Ivanova VI Synthesis of amantadine via the of 1-adamatanol Khimico-Farmatsevticheskii Zhurnal 1976, Vol 10, No 4, pp.32-33 Sartorius Stedim Biotech Company User guide Bio Pat Modde 5.0 2013  ... chÝ y - dợc học quân số 6-2016 KT LUN Đã ứng dụng phần mềm tin học Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa điều kiện quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ chất trung gian N-(1-adamantyl)acetamid. .. 71,60% * Thiết lập quy trình tổng hợp: Với điều kiện tối ưu hóa phần mềm đưa ra, chúng tơi xây dựng quy trình tổng hợp amantadin HCL quy mơ phòng thí nghiệm sau: cho 9,65 g (0,05 mol) N-(1-adamantyl)acetamid. .. adamantylnitrat N-(1-adamantyl)acetamid Trong báo này, công bố kết nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp amantadin HCl từ chất trung gian N-(1adamantyl)acetamid (ADA) phần mềm tin học Modde 5.0 - Máy