CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU : Húa học cỏc hợp chất isothioxianat
1.4. Ứng dụng của cỏc hợp chất isothioxianat
Nhiều nghiờn cứu trong và ngồi nước đó chỉ ra rằng cỏc hợp chất isothioxianat cú nhiều ứng dụng trong khoa học và thực tiễn.
1.4.1. Làm nguyờn liệu đầu trong tổng hợp hữu cơ
Như đó đề cập trong phần tớnh chất húa học, do cú nhiều trung tõm hoạt động nhúm N=C=S cú khả năng phản ứng với nhiều tỏc nhõn khỏc nhau thụng qua liờn kết C=S, hoặc C=N, hoặc cả hai để tạo thành cỏc hợp chất hữu cơ đa dạng như thioure, thiosemicacbazit, thiazolin, thiohidantoin, quinazolin…[19, 21].
1.4.2. Sử dụng isothioxianat như chỡa khúa để nghiờn cứu về protein 1.4.2.1 Để xỏc định cấu trỳc của protein 1.4.2.1 Để xỏc định cấu trỳc của protein
Một trong những phương phỏp hiệu quả để xỏc định cấu trỳc nhúm amino NH2 đầu mạch của chuỗi polipeptit là dựa trờn phản ứng Edman [26, 27], trong đú người ta cho phenylisothioxianat (tỏc nhõn Edman) tỏc dụng với nhúm amino tự do của chuỗi peptit tạo thành phenylthiocacbamoyl peptit. Khi xử lý với axit trong dung mụi hữu cơ, dẫn xuất phenylthiohidantoin (PTH) của hợp phần amino axit chứa nhúm NH2 đầu mạch và chuỗi peptit mới mất axit amin đầu mạch được tạo thành. Dẫn xuất PTH cú thể được xỏc định bằng phương phỏp phổ, thụng thường bằng phương phỏp sắc ký khớ - lỏng [40] (sơ đồ 1.68). Sơ đồ 1.68 NCS H2N C R1 H CONH C R2 H CO + N N N H S H R1 O H R2 O N N S H R1 O H+ H2N C R2 H CO + (B) (PTH)
Bằng cỏch tương tự, xỏc định được thành phần và cấu trỳc của axit amin đầu mạch tiếp theo của polipeptit (B) và so sỏnh với thành phần cấu tạo axit amin của peptit ban đầu. Như vậy, cú thể xỏc định được trật tự của chuỗi polipeptit. Edman sau đú đó thiết kế thiết bị tự động – “proton sequenator” cho phộp phõn tớch được
trật tự của 60 aminoaxit trong myoglobin của cỏ voi [27]. Rất nhiều cỏc dẫn xuất isothioxianat khỏc nhau đó được tiến hành nghiờn cứu ứng dụng kỹ thuật này [48].
1.4.2.2. Dựng để đỏnh dấu protein
Sản phẩm cộng được tạo thành từ phản ứng của isothioxianat với cỏc axit amin cũng như với peptit và protein là những hợp chất tương đối bền trong mụi trường axit yếu, mụi trường trung tớnh hoặc kiềm. Kaiser và cỏc cộng sự [53] nhận thấy rằng khi cho phenyl isothioxianat tỏc dụng với peptit, quỏ trỡnh biến đổi của axit amin trong phõn tử insulin khụng làm mất hoạt tớnh của hocmon peptit này. Sau đú, isulin đó gắn với isothioxianat huỳnh quang cú thể dựng để nghiờn cứu sự trao đổi chất và sự định vị của cỏc tế bào động vật [21, 46].
Isothioxianat huỳnh quang cũn cú một ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực nghiờn cứu về sự miễn dịch. Nú cho phộp quan sỏt thấy cỏc vị trớ của khỏng thể trong hỗn hợp khỏng nguyờn-khỏng thể và phỏt hiện chỳng bờn trong cỏc tế bào [111]. Cỏc isothioxianat đỏnh dấu phúng xạ cú thể được sử dụng trong húa học tế bào [17].
1.4.2.3. Dựng isothioxianat để biến đổi enzim
Cỏc isothioxianat là những chất ức chế tiềm năng và tương đối riờng biệt của cỏc enzim cú nhúm thiol. Kết quả thực nghiệm đó cho thấy tỏc động ức chế của cỏc isothioxianat khỏc nhau khi phản ứng với glyxerandehit-3-photphat dehydrogenase,
glutamat dehydrogenase, glutathionereductase [22]… Sử dụng đồng vị 35S trong phõn tử hợp chất 4-bromphenyl isothioxianat cú thể chuẩn độ được 36 nhúm thiol của enzim (ở điều kiện pH ≤ 7). Ở pH = 10, đặc biệt sau thời gian dài phản ứng, isothioxianat cú thể kết hợp với 109 nhúm khỏc của enzim. Như vậy, cú thể xỏc định gần đỳng enzim chứa 36 nhúm thiol và 97-100 nhúm NH2 [23].
Cỏc isothioxianat đúng vai trũ như là những chất ức chế, hoặc những chất vận chuyển trong biến đổi húa học của enzim, hoặc đúng vai trũ là chất chuẩn húa học trong phộp đo độ hoạt động của enzim chứa nhúm SH. Điều này mở ra cơ hội cho việc nghiờn cứu cấu trỳc và chức năng của enzim. Cỏc đại phõn tử poliisothioxianat cú thể được dựng để định vị cỏc enzim và nghiờn cứu sự kết hợp cộng húa trị thuận nghịch của cỏc thiol enzim [23].
1.4.2.4. Hoạt tớnh sinh học của isothioxianat và dẫn xuất
Hoạt tớnh sinh học của cỏc hợp chất isothioxianat đó được cỏc nhà bỏc học Slovakia nghiờn cứu một cỏch hệ thống [21]. Cú thể chia cỏc isothioxianat thành 5 nhúm khỏc nhau, dựa trờn tớnh chất húa học và hoạt tớnh sinh học của chỳng. Nhúm
thứ nhất bao gồm toàn bộ cỏc isothioxianat tự nhiờn, trong đú chủ yếu là cỏc ankyl,
arankyl và hợp chất isothioxianat tổng hợp cú cấu trỳc gần giống như vậy. Cỏc chất thuộc nhúm này cú phổ hoạt tớnh sinh học rộng với khả năng ức chế vi khuẩn và ức chế nấm men [80]. Vớ dụ điển hỡnh là benzyl isothioxianat là một trong những thành phần của nhiều dược phẩm để chữa bệnh liờn quan đến đường hụ hấp và bài tiết, do nấm men và vi khuẩn gõy ra. Nhúm thứ hai bao gồm cỏc phõn tử aryl isothioxianat đơn chức nguồn gốc tự nhiờn hay tổng hợp, vốn đó tiềm ẩn khả năng ức chế vi khuẩn [24]. Vớ dụ 4-bromophenyl isothioxianat được dựng trong húa học xạ trị.
Nhúm thứ ba bao gồm cỏc poliaryl isothioxianat khụng ngưng tụ, thường cú chung
cấu trỳc R-C6H4-X-C6H4-NCS, là cỏc dẫn xuất của biphenyl, điphenyl metan, điphenylamin, điphenyl sunfua…Chỳng cú đặc điểm nổi bật là hoạt tớnh khỏng vi khuẩn cao [24]. Cỏc hợp chất aryl isothioxianat ngưng tự (dẫn xuất của naphtalen, anthracen, pyren…) tạo thành nhúm thứ 4 và rất nhiều isothioxianat dị vũng là
nhúm thứ 5. Đặc tớnh nổi bật của hai nhúm này là khả năng chống ung thư và chống
virut cao [24, 70].
Phần lớn cỏc hợp chất isothioxianat chỉ chứa duy nhất một nhúm NCS, thỡ hoạt tớnh chống vi khuẩn và gõy độc tế bào (antimicrobial and cytotoxic action) dựa trờn phản ứng của chỳng với cỏc thiol enzim. Từ đú giỳp loại bỏ cỏc quỏ trỡnh quan trọng trong giai đoạn chuyển húa tế bào trung gian và năng lượng [21]. Phản ứng của isothioxianat, đặc biệt với nhúm SH của protein phản ỏnh bản chất và mức độ ảnh hưởng của nú lờn chức năng sinh lý học và trao đổi chất của tế bào.
Một trong những tỏc động mạnh nhất của isothioxianat là cú thể gõy ra sự phỏ hủy hoàn toàn tế bào [21]. Ở liều lượng gõy chết người, isothioxianat sẽ chi phối tốc độ của quỏ trỡnh sinh tổng hợp và sự lớn lờn của tế bào bằng việc ức chế quỏ trỡnh thủy phõn glucose và cỏc quỏ trỡnh oxi húa sinh học nhiều hoặc ớt theo những cỏch riờng biệt.
Nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu đó chỉ ra rằng một số loại vi sinh vật như nấm mốc, nấm men, động vật nguyờn sinh lớn lờn trờn phõn tử glucose cú chứa khoỏng chất đơn giản. Vỡ vậy việc thờm cỏc isothioxianat cú khả năng chống nấm vào sẽ chấm dứt được quỏ trỡnh trao đổi glucose và ức chế vĩnh viễn sự lớn lờn của cỏc chủng vi sinh vật này [22]. Theo dừi sự thay đổi cỏc chất trung gian trong quỏ trỡnh thủy phõn glucose và hoạt động của enzym thủy phõn glucose trong quỏ trỡnh lờn
men nấm S.cerevisiae khi cú tỏc động của p-bromobenzyl và p-bromophenyl
isothioxianat trong một thời gian ngắn cho thấy, cỏc isothioxianat này cú thể làm suy yếu quỏ trỡnh biến đổi glucose theo nhiều cỏch khỏc nhau, mà trước hết là quỏ trỡnh làm mất hoạt húa cỏc thiol enzim bao gồm hexokinase, glyxerandehit 3- photphat dehydrogenase và ancol dehydrogenase. Enzim thứ hai tỏ ra là nhạy cảm nhất.
Do khả năng hoạt động húa học cao, isothioxianat cú thể tỏc dụng với nhiều tỏc nhõn khỏc nhau để tạo thành cỏc dẫn xuất cú ứng dụng rộng rói trong thực tế. Đặc biệt, cỏc dẫn xuất quinazolin, được tạo thành từ phản ứng giữa isothioxianat với octo-aminobenzoic thể hiện phổ hoạt tớnh rộng [10]. Hợp phần quinazolin thường xuất hiện trong phõn tử của cỏc tiền chất làm thuốc điều trị bệnh sốt rột, thuốc gõy ngủ, thuốc an thần và thuốc chống co giật [2]… Một họ hợp chất quan trọng khỏc được tổng hợp trờn cơ sở phản ứng của isothioxianat với cỏc α-amino
axit là cỏc dị vũng thiohidantoin. Chỳng khụng những được dựng để nghiờn cứu thứ tự sắp xếp cỏc axit amin trong chuỗi polipeptit theo phương phỏp Edman, mà cũn được ứng dụng làm thuốc điều trị bệnh mất trớ nhớ (Alzheimer’ disease) [72], làm chất chống đột biến, chất ức chế hoạt động quỏ mạnh của tuyến giỏp, đồng thời cũn sử dụng làm thuốc khỏng viờm nhiễm và ngăn ngừa bệnh ung thư [100]….
Như vậy, qua việc phõn tớch tài liệu cú thể thấy isothioxianat và dẫn xuất của chỳng là những hợp chất chứa lưu huỳnh hữu cơ đa ứng dụng, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và thực tiễn. Tuy nhiờn, tổng quan tài liệu cũng cho thấy những vấn đề cũn tồn tại trong lĩnh vực này. Một là, việc điều chế khú khăn, hiệu suất thấp, phải sử dụng cỏc tỏc nhõn độc hại như CS2 và CSCl2, như đó đề cập ở trờn. Hai là, hầu hết cỏc cụng trỡnh cụng bố đều tập trung nghiờn cứu cỏc hợp chất chỉ chứa một nhúm chức hoạt động. Những tồn tại đú đó hạn chế đỏng kể sự phỏt triển của húa học cỏc hợp chất isothioxianat và ứng dụng của chỳng vào thực tiễn.
Mục tiờu của luận ỏn này là nghiờn cứu hoàn thiện phương phỏp mới, hiệu quả kinh tế cao, thõn thiện hơn với mụi trường để tổng hợp cỏc hợp chất dị vũng chứa đồng thời 2 nhúm chức hoạt động là 5-isothioxianato-1,3,4-oxađiazol-2-thiol và trờn cơ sở cỏc chuyển húa của chỳng sẽ tiến hành tổng hợp cú định hướng cỏc hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh đa ứng dụng, trong đú cú cỏc dị vũng cú khả năng cú hoạt tớnh sinh học.