lọc 3’-cyanoanhydrovinblastine
Trong mục này, chúng tơi báo cáo tổng hợp các nitrile mới có chứa vinca alkaloid từ 3’-cyanoanhydrovinblastine 94, sử dụng các phản ứng khử khác nhau (Sơ đồ 3.3,
Sơ đồ 3.3. Tổng hợp các nitrile mới có chứa vinca alkaloid từ 3’-
cyanoanhydrovinblastine 94
Bảng 3.1. Phản ứng khử 3’-cyanoanhydrovinblastine 94 [93]
Ban đầu, chúng tôi khảo sát sự khử của hợp chất 94 sử dụng phản ứng hydro hóa với xúc tác Pd/C và nguồn cung cấp hydro là bóng khí H2, khơng quan sát được bất kỳ sự hình thành sản phẩm nào thu được.
STT Chất khử Xúc tác Dung môi Nhiệt độ (οC) Thời gian phản ứng (giờ) Tỉ lệ sản phẩm 95a, 95b, 95c, 95d, 95e Hiệu suất (%) 1a HCOOH-NEt3 Pd/C THF 40 12 100:0:0:0:0 98(95a) 2b NaBH3CN Ni2B MeOH 40 12 10:90:0:0:0 72(95b) 3c NaBH4 CoCl2 EtOH 40 5 10:0:80:10:0 65(95c) 4c NaBH4 Ni2B EtOH 40 5 5:0:5:40:50 - 5c NaBH4 Co2B EtOH 40 5 5:0:5:40:50 - 6c NaBH4 NiCl2 EtOH 40 5 10:0:40:50:0 - 7d LiAlH4 - THF 0 οC-RT 3 0:0:0:50:50 37(95d/95e)
a nitrile (0,05 mmol), Pd/C (10 mol%), THF (0,2 mL) và HCOOH-NEt3 (0,2 mL, 18,5 : 1), 40 οC.
b nitrile (0,05 mmol), NaBH3CN (20 đương lượng), Ni2B (2 đương lượng) trong MeOH, 40 οC.
c nitrile (0,06 mmol), NaBH4 (20 đương lượng), xúc tác (2 đương lượng) trong EtOH, 40 οC.
Hình 3.6. Sự khử hợp chất 94 sử dụng xúc tác hydro hóa Pd/C.
Trong sự có mặt của Pd/C (10%) với HCOOH-NEt3 là nguồn cung cấp hydro ở điều kiện đã tối ưu trước đó [93], phản ứng hydro hóa xúc tác bằng Pd/C khử hóa chọn lọc nitrile thơm thành các amine bậc một tương ứng [93]. Trong trường hợp này, sự hình thành sản phẩm amine khơng được phát hiện, thay vào đó chúng tơi thu được một sản phẩm khử chọn lọc duy nhất ở vị trí C-4’ 95a với hiệu suất rất tốt (98%). Cấu trúc của hợp chất 95a được chứng minh bằng các phương pháp phổ IR, NMR và phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS. Cấu hình tuyệt đối tại vị trí C-4’ được xác minh trên phổ tương tác xa NOESY.
Hình 3.7. Phổ IR của hợp chất 3'R-cyano-(4’S,5’-dihydro)-anhydrovinblastine 95a
Phổ IR của 95a cho thấy sự biến mất của vân hấp thụ ở 1650 cm-1 của enamine, trong khi giải hấp thụ của cyano ở 2228 cm-1 vẫn còn hiện diện. Phổ 1H NMR của hợp chất 95a cũng chỉ ra sự vắng mặt của proton H-5’ ở 5,92 ppm. Trên phổ HR-ESI- MS của hợp chất 95a cho pic ion giả phân tử có m/z = 820,42383 ứng với hợp chất có cơng thức C47H58N5O8 với số khối chính xác [M+H]+ (m/z) theo lý thuyết là 820,42854. Sự kết hợp các số liệu phổ HR-ESI-MS , 1H NMR, 13C NMR và 2D NMR cho thấy sự hydro hóa của liên kết đơi ở vị trí C-4’. Ngồi ra, tương tác NOESY giữa H-4’ và H-3’ xác nhận cấu hình tuyệt đối S của C-4’ trong 95a.
Hình 3.8. So sánh tương quan phổ 1H NMR của 95a và 94
Hình 3.9. Phổ NOESY của 3'R-cyano-(4’S,5’-dihydro)-anhydrovinblastine 95ª
95a
Tiếp theo chúng tơi tiến hành nghiên cứu sự khử hóa bằng các tác nhân khử hóa hydride bao gồm NaBH4, NaBH3CN và LiAlH4 trong sự có mặt của muối halogen cobalt (II) và nikel (II) hoặc các borid tương ứng để khử một cách có chọn lọc nitrile, ester và nhóm chức olefin. Các nhóm chức này hầu như không tham gia phản ứng khử nếu khơng có mặt xúc tác [20, 43].
Hình 3.10. Sự khử hợp chất 94 sử dụng LiAlH4
Hình 3.11. So sánh một phần phổ 1H NMR (CDCl3) của hợp chất 94, 95d và 95e
Đầu tiên, với tác nhân khử LiAlH4, khơng có dấu vết của sự khử nitrile thay vào đó chúng tơi thu được đồng thời hai sản phẩm với tỉ lệ (50 : 50), bằng cách sử dụng phổ khối MS và sự biến mất của nhóm methoxycarbonyl CH3OCO- và nhóm
C18’-COOCH3 C3-COOCH3 C16-OCH3 N-CH3 C4-OCOCH3 21’ 21 95e 95d 94
acetate CH3COO- tại vị trí C-3, C-4 trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân chúng tôi xác nhận sản phẩm 4-deacetyl 95d và sản phẩm đồng thời deacetyl tại C-4 và khử ester tại vị trí C-3 95e. Các dẫn xuất khử tương tự cũng từng thu được khi vincristine được xử lý với NaBH4 [9].
Hình 3.12. Sự khử hợp chất 94 bằng NaBH3CN với xúc tác Ni2B.
Sử khử hóa với hệ xúc tác NaBH3CN/Ni2B không dẫn đến sản phẩm methylamino mà là các sản phẩm hydro hóa liên kết đơi tại vị trí C4’-C5’ 95a và 95b (10:90).
Hình 3.13. Phổ IR của 3'R-cyano-(4’R,5’-dihydro)-anhydrovinblastine 95b.
Trên phổ IR của hợp chất 95b chúng tôi vẫn quan sát thấy có vân đặc trưng của nhóm nitrile ở 2228 cm-1. Trên phổ 1H-NMR của hợp chất 95b, xuất hiện đầy đủ
các tín hiệu cộng hưởng từ của các proton trên khung cấu trúc của phân tử. Trong vùng trường thấp, tìm thấy tín hiệu cộng hưởng proton singlet ở 5,92 ppm đặc trưng cho tín hiệu proton vinylic tại vị trí 5' của hợp chất 94 đã bị mất. Sự kết hợp các số liệu phổ HR-ESI-MS , 1D NMR và 2D NMR cho thấy sự hydro hóa của liên kết đơi ở vị trí C-4’. Khơng giống như hợp chất 95a, khơng có sự tương tác NOESY giữa H- 4’ và H-3’ cho 95b, cho thấy cấu hình tuyệt đối R của C-4’ (Hình 3.21).
Hình 3.14. So sánh tương quan phổ 1H NMR (CDCl3) của 3'R-cyano-(4’R,5’-
dihydro)-anhydrovinblastine 95b và 94 95b
Hình 3.15. Phổ NOESY của 3'R-cyano-(4’R,5’-dihydro)-anhydrovinblastine 95b
Như vậy, tính chọn lọc hóa học (chemoselectivity) và tính chọn lọc lập thể (stereoselectivity) đã đạt được với cấu trúc olefin khi có mặt ester và nitrile trong trường hợp của 95a,b.
Xử lý hợp chất 94 với NaBH4 và CoCl2, NiCl2 hoặc các borid tương ứng trong EtOH thu được một sản phẩm amine mới cùng với các sản phẩm hydro hóa olefin (95a), khử ester (95e) hoặc deacetyl (95d) với các tỉ lệ khác nhau (Bảng 3.1). Amine
95c được hình thành làm sản phẩm chính với hiệu suất tốt sử dụng CoCl2/NaBH4.
Phổ IR của amine 95c, không xuất hiện các dải hấp thụ cho enamine (1650
cm-1) và nhóm cyano (2228 cm-1). Phổ 1H-NMR cũng chỉ ra sự vắng mặt của proton H-5' ở 5,92 ppm. Phổ HR-ESI-MS của hợp chất 95c xuất hiện pic ion giả phân tử tại
m/z 824,4597 [M+H]+ (tính tốn lý thuyết cho công thức C47H61N5O8 824,4520).
Những dữ liệu này chứng tỏ cả nhóm nitrile và liên kết đơi C-4'-C-5' của hợp chất 94 đã được khử trong điều kiện của phản ứng. Giống như hợp chất 95a, tương tác giữa H-4' và H-3' đã được chỉ ra trên phổ NOESY, xác nhận cấu hình tuyệt đối S của sản phẩm amine 95c ở C-4’. Hình 3.17. Phổ IR của hợp chất 95c 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500450 100 79 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 cm-1 %T 1230.98cm-1 1737.16cm-1 3468.20cm-1 1 4 5 9 .0 5 c m -1 2959.83cm-1 1615.24cm-1 1502.87cm-1 1038.91cm-1 1433.09cm-1 1372.24cm-1 742.96cm-1 2922.1cm-1 2877.9cm-1 2851.8cm-1 1334.2cm-1 930.3cm-1 589.54cm-1 884.76cm-1 1143.3cm-1
Hình 3.18. Phổ khối phân giải cao HR-ESI-MS của hợp chất 95c
Hình 3.19. So sánh một phần phổ 1H NMR của hợp chất (3'S-aminomethyl)-(4’S,5'-
dihydro)-anhydrovinblastine 95c và 94 95c
Vinca alkaloid là các phân tử có cấu trúc phức tạp, mang nhiều nhóm chức phản ứng, do đó các phản ứng thực trên vinca alkaloid khó điều khiển về mặt hóa học. Chính vì vậy, việc tạo ra các đồng phân lập thể 95a, 95b có tính chọn lọc lập thể cao (stereoselectivity) có ý nghĩa rất lớn về mặt hóa học, hơn nữa việc điều khiển được cấu hình lập thể có thể dẫn tới các hợp chất có hoạt tính sinh học đặc biệt. Việc chọn lọc hóa học (chemoselective) cũng được thực hiện thành công bằng cách khử chọn lọc liên kết đơi tại vị trí C4’-C5’ mà khơng ảnh hưởng tới các nhóm chức nitrile, ester.
Sự khử nhóm nitrile thành amine khơng ảnh hưởng tới nhóm ester, tuy nhiên liên kết đơi tại C4’-C5’ lúc này cũng bị khử. Cơ chế của các phản ứng này rất phức tạp và chưa được kiểm chứng bằng các bằng chứng thực nghiệm, vì vậy chúng tơi xin đề xuất một cơ chế phản ứng khử bằng hệ xúc tác CoCl2/NaBH4 dựa trên cơ chế phản ứng bởi Hans-René Bjørsvik và các cộng sự[57] như trong sơ đồ 3.4:
Sơ đồ 3.4. Cơ chế phản ứng khử sử dụng xúc tác CoCl2/NaBH4
Trong cơ chế trên, bước đầu tiên là sự khử hóa CoCl2 bằng NaBH4 trong dung môi EtOH khan để thu được các phần tử borid cobalt với công thức giả định là Co2B.
Hans-René Bjørsvik và các cộng sự đã chỉ ra các bằng chứng thực nghiệm chứng minh cho sự liên quan của cobalt trong việc hoạt hóa hợp chất hữu cơ trong quá trình khử và tác nhân khử chính là NaBH4 mà khơng phải là H2 sinh ra trong phương trình (1)[57].
Vì vậy, ta có thể giả thiết các bước tiếp theo của sự khử hóa như sau: đầu tiên, bề mặt Co2B được gắn thêm những nhóm borohydride như trên sơ đồ 3.4.2, tiếp theo
đó là sự hoạt hóa các chức hữu cơ thơng qua liên kết phối trí với ngun tử kim loại Co, đồng thời đem nhóm chức cần khử lại gần nguồn borohydride để sự khử được tiến hành một cách dễ dàng. Phản ứng khử kết thúc bằng sự thủy phân bằng EtOH để thu được sản phẩm khử và xúc tác Co2B bão hịa các nhóm chức -B(OEt)3. Cơ chế giả định trên dựa trên sự kết hợp giữa hai mơ hình hydro hóa xúc tác và hydro hóa bằng các hydride, vì vậy nó lý giải cho việc đồng thời khử liên kết đơi ở vị trí C4’- C5’ và nhóm nitrile, cũng như cấu hình khơng gian tương tự ở vị trí C3’ và C4’ của
95a và 95c.
Tóm lại, quy trình tổng hợp 3'S-cyanoanhydrovinblastine 94 từ hai Vinca-
alkaloid tự nhiên (catharanthine và vindoline) trong một bước với hiệu suất tốt đã được thực hiện. Sự khử chọn lọc lập thể hợp chất 94 dẫn tới sự hình thành hai alkaloid vinca mới 95a và 95b bằng hai phương pháp khác nhau. Sử dụng tác nhân hydride với sự có mặt của muối kim loại khử thành công hợp chất 94 thành dẫn xuất
methylamino 95c. Ngoài ra, sự khử hợp chất 94 bởi LiAH4 thu được đồng thời hai sản phẩm 4-deacetyl 95d và sản phẩm vừa deacetyl tại C-4 và khử ester tại vị trí C-3
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Tổng hợp được 5 chất hợp chất vinca-alkaloid nhân indole mới là dẫn xuất của vinblastine đi từ 3’-cyanoanhydrovinblastine 94 bằng các phương pháp khử hóa khác nhau, bao gồm:
Sự khử hóa chọn lọc lập thể đơn giản để thu được hai diastereomer 3'(R)-cyano-(4’(S),5’-dihydro)-anhydrovinblastine 95a và 3'(R)- cyano-(4’(R),5’-dihydro)-anhydrovinblastine 95b với hiệu suất cao.
Sự khử hóa bằng CoCl2/NaBH4 thu được dẫn xuất khử hóa chọn lọc lập thể 3'(R)-aminomethyl)-(4’(S),5’-dihydro)-anhydrovinblastine
95c
Sự khử hóa bằng LiAlH4 thu được các dẫn xuất khử acetyl 95d và 95e 2. Lần đầu tiên quy kết đầy đủ độ chuyển dịch hóa học proton và carbon đối với hợp chất 3’-cyanoanhydrovinblastine 94 và xác định cấu hình tuyệt đối tại vị trí C3’ của hợp chất 94. Luận văn cũng đưa ra được một phương pháp mới tổng hợp chất 94 cho hiệu suất cao hơn nhiều so với phương pháp tổng hợp cũ (74% so với 32%).
3. Cấu trúc của các chất mới được xác định bằng các dữ liệu phổ hiện đại 1D- NMR, 2D-NMR, IR và HRMS. Đặc biệt việc sử dụng các phổ 2D-NMR: COSY, HSQC, HMBC, NOESY đã xác định được cấu hình lập thể của 5 hợp chất mới tổng hợp được 95a-95e và chất đầu 94.
4. Trong tương lai chúng tôi sẽ tiếp tục mở rộng nghiên cứu, tổng hợp thêm nhiều dẫn xuất mới dựa trên 3’-cyanoanhydrovinblastine 94, đồng thời đánh giá hoạt tính sinh học đối với các dẫn xuất vinca-alkaloid đã tổng hợp được, mở ra khả năng nghiên cứu tiếp các chất trên định hướng sử dụng trong lâm sàng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Arai T., Takahashi K., Nakahara S., Kubo A. (1980), “The structure of a novel antitumor antibiotic, saframycin A”, Experientia, 36(9), pp. 1025–1027. [2] Banwell M.G., Harvey J.E., Hockless D.C.R., Wu A.W. (2000), “Electrocyclic
Ring-Opening/π-Allyl Cation Cyclization Reaction Sequences Involving gem- Dihalocyclopropanes as Substrates: Application to Syntheses of (±)-, (+)-, and (−)-γ-Lycorane”, The Journal of Organic Chemistry, 65(14), pp. 4241–4250. [3] Barnett C.J., Cullinan G.J., Gerzon K., et al. (1978), “Structure-activity
relationships of dimeric Catharanthus alkaloids. 1. Deacetyl vinblastine amide (vindesine) sulfate”, Journal of Medicinal Chemistry, 21(1), pp. 88–96. [4] Baxter E.W., Labaree D., Chao S., Mariano P.S. (1989), “Model studies probing
the amino-Claisen rearrangement approach to hydroisoquinoline synthesis. Development of methods for stereocontrolled introduction of reserpine E ring type functionality”, The Journal of Organic Chemistry, 54(12), pp. 2893–
2904.
[5] Becker J., Butt L., von Kiedrowski V., Mischler E., Quentin F., Hiersemann M. (2013), “Total Synthesis of (−)-Ecklonialactone B”, Organic Letters, 15(23), pp. 5982–5985.
[6] Bélanger G., Dupuis M., Larouche-Gauthier R. (2012), “Asymmetric Total Synthesis of (+)-Virosine A via Sequential Nucleophilic Cyclizations onto an Activated Formamide”, The Journal of Organic Chemistry, 77(7), pp. 3215– 3221.
[7] Bettiol J.L., Sundberg R.J. (1993), “Regioselective addition of organozinc reagents to 5,6-dihydropyridinium ions and synthetic equivalents. Factors
effecting 1,2-versus 1,4-selectivity”, The Journal of Organic Chemistry, 58(4), pp. 814–816.
[8] Bölcskei H., Szántay C., Mák M., Balázs M., Szántay C. (1998), “New antitumor derivatives of vinblastine”, Acta Pharmaceutica Hungarica, 68(2), pp. 87–93. [9] Bölcskei H., Szántay Jr C., Mák M., Balázs M., Szántay C. (1997), “New Antitumor Hydroxymethyl Derivatives of Vinblastine”, Journal of the Indian
Chemical Society, 74, pp. 904–907.
[10] Bonazzi S., Cheng B., Wzorek J.S., Evans D.A. (2013), “Total Synthesis of (−)- Nakadomarin A”, Journal of the American Chemical Society, 135(25), pp.
9338–9341.
[11] Borch R.F., Bernstein M.D., Durst H.D. (1971), “Cyanohydridoborate anion as a selective reducing agent”, Journal of the American Chemical Society, 93(12), pp. 2897–2904.
[12] Borch R.F., Hassid A.I. (1972), “New method for the methylation of amines”,
The Journal of Organic Chemistry, 37(10), pp. 1673–1674.
[13] Brady S.F., Pawluczyk J.M., Lumma P.K., et al. (2002), “Design and synthesis of a pro-drug of vinblastine targeted at treatment of prostate cancer with enhanced efficacy and reduced systemic toxicity”, Journal of Medicinal Chemistry, 45(21), pp. 4706–4715.
[14] Brown C.A. (1973), “Kaliation. II. Rapid quantitative reaction of potassium hydride with weak Lewis acids. Highly convenient new route to hindered complex borohydrides”, Journal of the American Chemical Society, 95(12),
pp. 4100–4102.
[15] Brown H.C., Hess H.M. (1969), “Selective reductions. XIII. Reaction of 2- cyclopentenones with representative complex hydrides. Aluminum hydride as
a selective reagent for the reduction of the carbonyl group in 2- cyclopentenones”, The Journal of Organic Chemistry, 34(7), pp. 2206–2209. [16] Brown H.C., Ichikawa K. (1962), “The Rates of Reaction of Sodium
Borohydride with Some Representative Ketones”, Journal of the American Chemical Society, 84(3), pp. 373–376.
[17] Brown H.C., Krishnamurthy S., Hubbard J.L. (1978), “Addition compounds of alkali metal hydrides. 15. Steric effects in the reaction of representative trialkylboranes with lithium and sodium hydrides to form the corresponding trialkylborohydrides”, Journal of the American Chemical Society, 100(11), pp.
3343–3349.
[18] Burka L.T., Harris T.M., Wilson B.J. (1974), “Synthesis of racemic ipomeamarone and epiipomeamarone”, The Journal of Organic Chemistry, 39(15), pp. 2212–2214.
[19] Burkhardt E.R., Matos K. (2006), “Boron Reagents in Process Chemistry: Excellent Tools for Selective Reductions”, Chemical Reviews, 106(7), pp.
2617–2650.
[20] Caddick S., Judd D.B., Lewis A.K. de K., Reich M.T., Williams M.R.V. (2003), “A generic approach for the catalytic reduction of nitriles”, Tetrahedron, 59(29), pp. 5417–5423.
[21] Chaikin S.W., Brown W.G. (1949), “Reduction of Aldehydes, Ketones and Acid Chlorides by Sodium Borohydride”, Journal of the American Chemical Society, 71(1), pp. 122–125.
[22] Clive D.L.J., Hisaindee S. (2000), “Synthesis of Racemic Brevioxime and Related Model Compounds”, The Journal of Organic Chemistry, 65(16), pp. 4923–4929.
[23] Cloonan S.M., Keating J.J., Corrigan D., et al. (2010), “Synthesis and in vitro toxicity of 4-MTA, its characteristic clandestine synthesis byproducts and related sulfur substituted alpha-alkylthioamphetamines”, Bioorganic & Medicinal Chemistry, 18(11), pp. 4009–4031.
[24] Corey E.J., Albonico S.M., Koelliker U., Schaaf T.K., Varma R.K. (1971), “New reagents for stereoselective carbonyl reduction. Improved synthetic route to the primary prostaglandins”, Journal of the American Chemical Society, 93(6), pp. 1491–1493.
[25] Crimmins M.T., O’Mahony R. (1989), “A synthesis of (-)-talaromycin A”, The
Journal of Organic Chemistry, 54(5), pp. 1157–1161.
[26] Dai-Ho G., Mariano P.S. (1988), “Exploratory, mechanistic, and synthetic aspects of silylarene-iminium salt SET photochemistry. Studies of diradical cyclization processes and applications to protoberberine alkaloid synthesis”,
The Journal of Organic Chemistry, 53(21), pp. 5113–5127.
[27] Danieli B., Palmisano G., Gabetta B., Martinelli E.M. (1980), “Tabernaelegantinines C and D, two new bisindole alkaloids containing a cyano group from Tabernaemontana elegans stapf. Part 2.”, Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1, 0(0), pp. 601–606.
[28] Daniewski A.R., Kabat M.M., Masnyk M., Wicha J., Wojciechowska W., Duddeck H. (1988), “Total synthesis of rac-9,11-dehydrodigitoxigenin 3- tetrahydropyranyl ether”, The Journal of Organic Chemistry, 53(20), pp.
4855–4858.
[29] De Amici M., De Micheli C., Carrea G., Spezia S. (1989), “Chemoenzymatic synthesis of chiral isoxazole derivatives”, The Journal of Organic Chemistry,
[30] Di Nardo C., Varela O. (1999), “Enantioselective Synthesis of (2R,4S)- and (2S,4R)-4-Hydroxypipecolic Acid from d-Glucoheptono-1,4-lactone”, The Journal of Organic Chemistry, 64(17), pp. 6119–6125.
[31] Dutasta J.P., Gellon G., Leuchter C., Pierre J.L. (1988), “New strategy for the synthesis of polyazamacrocyclic compounds: use of a removable protecting and rigid group”, The Journal of Organic Chemistry, 53(8), pp. 1817–1819. [32] Eto K., Yoshino M., Takahashi K., Ishihara J., Hatakeyama S. (2011), “Total
Synthesis of Oxazolomycin A”, Organic Letters, 13(19), pp. 5398–5401. [33] Fahy J., Duflos A., Ribet J.-P., et al. (1997), “Vinca Alkaloids in Superacidic
Media: A Method for Creating a New Family of Antitumor Derivatives”,
Journal of the American Chemical Society, 119(36), pp. 8576–8577.
[34] Fleming F.F., Yao L., Ravikumar P.C., Funk L., Shook B.C. (2010), “Nitrile- Containing Pharmaceuticals: Efficacious Roles of the Nitrile Pharmacophore”, Journal of Medicinal Chemistry, 53(22), pp. 7902–7917. [35] Gemal A.L., Luche J.L. (1981), “Lanthanoids in organic synthesis. 6. Reduction