CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2. Tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin (HBβCD)
1.2.1. 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin (HBβCD)
Cơng thức hóa học của HBβCD
(a) (b)
Hình 1.5. Cơng thức cấu tạo của HBβCD (a) và gốc thế (b)
Công thức nguyên: C42H70O35(C4H8O)n với n = 7 x MS.
Tính chất: HBβCD có tính chất hoạt động bề mặt, ngăn chặn sự kết tinh thuốc ở giai đoạn đầu [90].
Hoạt động bề mặt của HBβCD cao hơn so với HPβCD. Hấp thụ độ ẩm của HBβCD ít hơn so với HPβCD do nhóm 2-hydroxybutyl kỵ nƣớc trong phân tử.
1.2.2. Nguyên liệu dùng cho tổng hợp
HBβCD đƣợc tổng hợp bởi phản ứng ether hóa giữa βCD và 1,2-butylen oxid trong mơi trƣờng kiềm [43], [73], [111].
1,2-butylen oxid (1,2-epoxybutan)
Cơng thức hóa học: C4H8O, phân tử lƣợng 72,11. Tỷ trọng: 0,830 - 0,831.
Tính chất: 1,2-butylen oxid là chất lỏng khơng màu, mùi khó chịu, sơi ở 63 o
C, dễ hịa tan trong nƣớc và có thể phân hủy khi tiếp xúc với nƣớc, ổn định khi làm lạnh.
Hơi nặng hơn khơng khí. Sử dụng nhƣ một chất trung gian cho tổng hợp các polyme khác nhau [111].
1.2.3. Các nghiên cứu về tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin Trên thế giới:
Các nghiên cứu về tổng hợp 2-O-(2-hydroxybutyl)-β-cyclodextrin đƣợc ghép vào các cơng trình nghiên cứu kiểm nghiệm để tách các đồng phân quang học và cũng chƣa đƣợc công bố chi tiết [73], [111].
Phƣơng pháp phân tích cấu trúc của 2-O-(2-hydroxybutyl)-β-cyclodextrin: dựa vào phổ 1
H và 13C-NMR đo trong D2O [43], [73], [111] và phổ MS [43].
Các nghiên cứu về tổng hợp 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin (HBβCD) dùng làm tá dƣợc chƣa thấy công bố ở các tài liệu tham khảo.
Tiêu chuẩn kỹ thuật: HBβCD chƣa đƣợc đƣa vào các dƣợc điển.
Trong nƣớc:
Mới chỉ có 1 nghiên cứu về tổng hợp 2-O-(2-hydroxybutyl)-β-cyclodextrin cỡ lô dƣới 10 gam ứng dụng trong kiểm nghiệm thuốc đƣợc công bố [4]. Về đánh giá cũng giống nhƣ ở mục 1.1.4.1, sản phẩm này dùng trong phân tích kiểm nghiệm thuốc và khác hoàn toàn với 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin dùng làm tá dƣợc và cũng khơng thể áp dụng qui trình này vào tổng hợp HBβCD dùng làm tá dƣợc đƣợc.
Nghiên cứu về tổng hợp và ứng dụng 2-hydroxybutyl-β-cyclodextrin trong bào chế thuốc ở trong nƣớc chƣa thấy có một cơng trình nào đề cập tới.
1.3. TỐI ƢU HĨA CÁC THƠNG SỐ CỦA PHẢN ỨNG TỔNG HỢP
Sử dụng phần mềm JMP 4.0 với mơ hình Box Behnken kiểu thiết kế bề mặt đáp ứng (response surface design, DOE). Phần mềm này đƣợc ứng dụng cả trong lĩnh vực tổng hợp và bào chế thuốc [18], [25], [52], [116]. Trong lĩnh vực tổng hợp, các yếu tố độc lập thƣờng đƣợc chọn: nhiệt độ, thời gian của phản ứng. Một số qui trình lựa chọn tinh chế sản phẩm bằng phƣơng pháp thẩm tách, thời gian thẩm tách là yếu tố độc lập để khảo sát với yếu tố phụ thuộc thƣờng là hiệu suất và DS của sản phẩm tổng hợp [25].
1.4. PHỨC THUỐC-HYDROXYPROPYL-β-CYCLODEXTRIN (thuốc-HPβCD) 1.4.1. Các nghiên cứu về phức thuốc-HPβCD trên thế giới 1.4.1. Các nghiên cứu về phức thuốc-HPβCD trên thế giới
HPβCD có khả năng tạo thành phức với nhiều loại thuốc. Khoang của HPβCD là một vi môi trƣờng kỵ nƣớc, các phân tử thuốc khơng phân cực với kích thƣớc phù hợp hoặc các phần không phân cực của phân tử thuốc, có thể đƣa vào khoang để tạo thành phức bao [67], [81], [86].
HPβCD với nhiều nhóm lƣỡng cực hydroxyl và 2-hydroxypropyl có thể sắp xếp xung quanh một phân tử thuốc dạng ion tạo thành phức không bao [107].
Động lực thúc đẩy cho sự hình thành phức bao gồm sự giải phóng các phân tử nƣớc giàu enthalpy từ khoang (ví dụ các phân tử nƣớc khơng có đầy đủ các liên kết hydro), liên kết giữa phân tử HPβCD với phân tử hoạt chất thông qua liên kết phối trí, lực Van Der Waals, tƣơng tác kỵ nƣớc, liên kết hydro, trong đó liên kết hydro là quan trọng nhất để hình thành phức [68], [88], [107], [117].
1.4.1.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự hình thành phức thuốc-HPβCD
Đối với thuốc: các loại thuốc thuộc nhóm II và một số thuộc nhóm IV theo hệ thống phân
loại sinh dƣợc học thích hợp tạo phức với HPβCD [65]. Thuốc tạo phức với HPβCD cần có một số đặc điểm: nhiệt độ nóng chảy dƣới 250 oC, độ tan trong nƣớc thấp hơn 10 mg/ml, các phân tử thuốc ít hơn năm vịng ngƣng tụ [14].
Những phân tử quá lớn, hợp chất ƣa nƣớc mạnh thƣờng không thể tạo phức.
Thuốc ở dạng muối sẽ hiệu quả hơn khi tạo phức với HPβCD [34]. Trong trƣờng hợp của thuốc ion hóa, sự hiện diện của các điện tích có thể đóng một vai trị quan trọng trong phức thuốc-HPβCD và do đó sự thay đổi pH dung dịch có thể làm thay đổi hằng số cân bằng của phức. Nói chung, dạng thuốc ion hình thành phức dễ hơn dạng khơng ion của nó [117].
Thƣờng khối lƣợng của thuốc viên nén và viên nang nằm trong phạm vi 500 - 800 mg và 1 phân tử gam của HPβCD có khối lƣợng khoảng 1400. Vì vậy, thuốc có khối lƣợng phân tử gam từ 100 - 400 phù hợp tạo phức để nó dễ dàng đƣa vào nang hoặc viên nén dùng đƣờng uống [14].
Nhiệt độ: có thể ảnh hƣởng đến phức thuốc-HPβCD, trong hầu hết các trƣờng hợp tăng
nhiệt độ làm giảm giá trị hằng số bền của phức thuốc-HPβCD, nhiệt độ tăng có thể làm giảm lực tƣơng tác chẳng hạn nhƣ lực Van Der Waals và tƣơng tác kỵ nƣớc. Tuy nhiên, những thay đổi nhiệt độ có thể khơng ảnh hƣởng đáng kể khi tƣơng tác thuốc-HPβCD thúc đẩy chủ yếu bởi entropy nhƣ việc giải phóng các phân tử nƣớc xung quanh điện tích của phân tử thuốc và HPβCD [26], [47], [78], [105].
Phƣơng pháp điều chế: nghiền, trộn, phân tán rắn, đồng bay hơi dung môi, đồng kết tủa,
phun sấy, đơng khơ có thể ảnh hƣởng đến sự hình thành phức thuốc-HPβCD. Hiệu quả của một phƣơng pháp phụ thuộc vào bản chất của thuốc và HPβCD.
Khi bổ sung một lƣợng nhỏ polyme tan trong nƣớc sẽ nâng cao độ tan của phức thuốc-HPβCD bằng cách tăng hằng số bền của phức. Một số chất phụ gia có thể cạnh
tranh với các phân tử thuốc vào khoang HPβCD do đó làm giảm hằng số bền của phức [86].
Đồng dung môi làm tăng khả năng hịa tan của thuốc do đó tạo phức dễ dàng hơn nhƣng đơi khi đồng dung mơi lại có thể cản trở tạo phức, bao gồm cả cạnh tranh tạo phức với thuốc.
Trong một số trƣờng hợp khi bổ sung thêm amoniac hoặc acid hữu cơ dễ bay hơi nhƣ acid acetic để hòa tan thuốc sẽ làm tăng hiệu quả tạo phức. Sau đó, các thành phần này sẽ đƣợc loại bỏ trong q trình sấy khơ phức [64], [65].
Độ thế: DS và mô hình thay thế ảnh hƣởng đến khả năng tạo phức và sự ổn định của phức [78]. Các dẫn xuất HPβCD với DS thấp cho thấy tính chất tạo phức tốt nhất với hoạt động bề mặt thấp. Khi DS tăng sẽ cản trở về khơng gian của các nhóm thế làm giảm khả năng tạo phức [27].
HPβCD có khả năng làm tăng độ tan của hoạt chất ngay cả khi không tạo phức. Trong trƣờng hợp này, HPβCD đóng vai trị là chất hỗ trợ hịa tan [11].
1.4.1.2. Pha hòa tan
Phƣơng pháp pha hòa tan đƣợc nghiên cứu bởi Higuchi và Connors. Tuy nhiên phân loại pha hòa tan của hệ thống dựa trên nghiên cứu của phức không bao [85].
Dựa trên các nghiên cứu về các tác nhân tạo phức, HPβCD có thể nâng cao độ tan trong dung dịch nƣớc của thuốc kém hòa tan. Một phƣơng pháp đơn giản và thuận tiện cho phép xác định hằng số cân bằng gọi là biểu đồ pha hòa tan. Kỹ thuật này hiện nay là một trong những phƣơng pháp phổ biến nhất để xác định hằng số cân bằng K (hằng số bền của phức).
Biểu đồ 1.1. Pha hòa tan theo Higuchi và Connors
Theo Higuchi và Connors, có năm mối quan hệ pha hòa tan (biểu đồ 1.1): Loại AL: mối quan hệ tuyến tính giữa nồng độ thuốc hòa tan và HPβCD.
Loại AP: đại diện cho độ lệch dƣơng từ đƣờng tuyến tính đƣợc mơ tả bởi một hàm đa thức bậc hai.
Loại AN: đại diện cho độ lệch âm từ đƣờng tuyến tính, có thể khi ở nồng độ cao HPβCD tăng độ nhớt nên làm giảm độ tan.
Loại BS và BI tƣơng ứng với phức có độ tan hạn chế, phổ biến trong các trƣờng hợp của βCD, các cyclodextrin tự nhiên [12], [65], [69], [78].
Pha hịa tan khơng cung cấp thơng tin đầy đủ về sự hình thành phức. Đối với thuốc hòa tan kém (hòa tan trong nƣớc < 0,1 mmol) độ tan thực sự (S0) nói chung lớn hơn nhiều so với độ tan Sint (giá trị trên trục tung) tính từ sơ đồ pha hịa tan. Một phƣơng pháp chính xác hơn để xác định hiệu quả hịa tan của HPβCD là xác định hiệu quả tạo phức (CE) của nó, tức là tỷ lệ giữa nồng độ HPβCD trong phức và HPβCD tự do. Hiệu quả tạo phức đƣợc tính từ độ dốc của sơ đồ pha hịa tan, nó độc lập với cả S0 và Sint và đáng tin cậy hơn khi có những ảnh hƣởng khác nhau của tá dƣợc [38], [95], [96].
1.4.1.3. Tỷ lệ tạo phức giữa thuốc và HPβCD Xác định tỷ lệ tạo phức từ biểu đồ pha hòa tan:
Loại AL tƣơng ứng với tỷ lệ mol tạo phức giữa thuốc và HPβCD là 1 : 1 [12], [38], [68]. Loại AP tƣơng ứng với tỷ lệ mol tạo phức thuốc và HPβCD là 1 : 1 ở nồng độ thấp, 1 : 2 và 1 : 3 ở nồng độ cao, nhƣng thông thƣờng nhất là tỷ lệ 1 : 2 [65], [81].
Xác định tỷ lệ tạo phức bởi sự thay đổi nồng độ liên tục: phƣơng pháp thay đổi nồng
độ liên tục, cũng đƣợc gọi là phƣơng pháp lập biểu đồ, sử dụng để xác định tỷ lệ tạo phức. Pha các dung dịch thuốc và HPβCD có nồng độ khác nhau. Các dung dịch đƣợc trộn lẫn với điều kiện là tổng số nồng độ mol của thuốc và HPβCD đƣợc giữ không đổi. Các giá trị đo độ tan của phức đƣợc lập thành biểu đồ. Tỷ lệ tạo phức là tỷ lệ tại đó thuốc có độ tan cao nhất. Phƣơng pháp này chỉ áp dụng khi biểu đồ pha hịa tan có dạng AL, nhƣng cần kiểm chứng lại để loại bỏ ảnh hƣởng của sự hình thành phức từ dạng tự tập hợp [31], [44], [90], [110], [112].
1.4.1.4. Một số phƣơng pháp điều chế phức thuốc-HPβCD
Hỗn hợp vật lý: thuốc, HPβCD nghiền trộn với nhau thành hỗn hợp đồng nhất. Phƣơng
pháp này chỉ áp dụng và có hiệu quả khi dƣợc chất ở dạng lỏng nhƣ dầu, tinh dầu.
Phƣơng pháp nghiền ƣớt (phƣơng pháp tạo bột nhão): thuốc, HPβCD trộn trong cối sứ
thành hỗn hợp đồng nhất, thêm từ từ dung mơi thích hợp vào nghiền trong một thời gian nhất định để tạo thành bột nhão, sau đó sấy khơ và nghiền thành bột.
Phƣơng pháp đông khô: hoạt chất đƣợc thêm vào dung dịch HPβCD trong nƣớc và khuấy trong một thời gian nhất định. Sau đó dung dịch đƣợc giữ trong tủ lạnh sâu 24 giờ và chuyển qua máy đông khô.
Phƣơng pháp đồng bay hơi dung môi: chọn một dung mơi thích hợp hịa tan thuốc và
HPβCD, khuấy trộn trong một thời gian nhất định, cô loại dung môi và sấy khô.
Phƣơng pháp đồng kết tủa: hịa tan riêng thuốc và HPβCD vào các dung mơi thích hợp,
phối hợp từ từ dung dịch thuốc vào dung dịch HPβCD, khuấy trộn trong một thời gian nhất định, phức tạo thành sẽ kết tủa sau đó loại dung mơi, phức đƣợc sấy khơ và tán bột. Trong các phƣơng pháp điều chế, trộn vật lý không làm tăng sinh khả dụng của thuốc [72], [79], [80].
1.4.1.5. Các phƣơng pháp đánh giá phức thuốc-HPβCD
Hệ số phân bố octanol-nƣớc: P là tỷ lệ nồng độ của hoạt chất tan trong pha octanol và
nồng độ của nó trong pha nƣớc.
Đối với phƣơng pháp này, dung dịch nƣớc của mỗi hợp chất (thuốc và phức của nó) cho vào một loạt các bình tƣơng ứng sau đó trộn với cùng một khối lƣợng octanol ở nhiệt độ phòng. Các hỗn hợp đƣợc lắc mạnh dƣới siêu âm cho đến khi cân bằng. Sau khi ly tâm, hai phân đoạn đƣợc tách ra và đo độ hấp thụ ở các bƣớc sóng thích hợp.
Khả năng ƣa nƣớc tƣơng đối của thuốc gia tăng thông qua phức HPβCD có thể đƣợc thể hiện bằng giá trị Δlog P đƣợc định nghĩa là: Δlog P = log P (thuốc) – log P (phức) [65], [79], [109], [110].
Từ sự thay đổi trị số phân bố dầu nƣớc có thể suy ra hiệu quả của sự hình thành phức.
Phƣơng pháp hòa tan khác biệt: dựa trên độ tan khác nhau của thuốc (hòa tan) và
HPβCD (khơng hịa tan) trong acetonitril.
Khi một mẫu đƣợc xử lý đƣa vào dung môi là acetonitril, các thuốc đƣợc bao trong phức khơng hịa tan, trong khi các thuốc khơng bao đƣợc hịa tan. Hàm lƣợng thuốc tự do do đó có thể đƣợc xác định.
Nếu sử dụng một hỗn hợp dung môi nƣớc : acetonitril là 1 : 1 (tt/tt) thay vì 100% acetonitril, HPβCD trở nên hòa tan và phức bây giờ hịa tan hồn tồn, và điều này cho phép xác định tổng lƣợng thuốc [41], [87], [93]. Năng suất tạo phức η có thể đƣợc xác định nhƣ sau:
( )
Phân tích nhiệt vi sai (DSC): một kỹ thuật để đánh giá độ tinh khiết của các hợp chất hữu cơ, thƣờng xuyên đƣợc sử dụng trong ngành công nghiệp dƣợc phẩm là DSC. Các ƣu điểm chính của phƣơng pháp này là thời gian phân tích tƣơng đối ngắn và lƣợng mẫu cần thiết cho 1 lần phân tích chỉ khoảng 5 mg. DSC khơng xác định trực tiếp độ tinh khiết của các thành phần chính, nhƣng nó định lƣợng (phát hiện) đƣợc tổng số các thành phần tạp chất, dựa trên nguyên tắc của nhiệt độ nóng chảy và phân hủy (biến dạng, chuyển trạng thái) [100], [106].
Phạm vi ứng dụng của DSC hẹp, kết quả DSC thƣờng cho độ tinh khiết cao hơn các phƣơng pháp khác. Dùng DSC để định lƣợng khi các hợp chất có độ tinh khiết tối thiểu 0,985 mol/mol-1 và các thành phần chính ổn định với nhiệt trƣớc và trong q trình nóng chảy. Các tạp khơng tan chảy, dễ bay hơi không phát hiện đƣợc bằng phƣơng pháp này. Khi các tạp trong mẫu tan chảy trong q trình nóng chảy nhƣng khơng tạo thành dung dịch với thành phần chính, khơng tham gia vào thay đổi enthalpy của phân tử mẫu, khi đó kết quả đo sẽ thấp [100]. Dùng phƣơng pháp DSC không phân biệt đƣợc phức bao và phức tự tập hợp không bao dạng nano [108].
Cũng nhƣ các phƣơng pháp phân tích khác, DSC không nên sử dụng nhƣ một phƣơng pháp duy nhất để xác định độ tinh khiết mà phải kết hợp nhiều phƣơng pháp khác nhau [72], [93], [100].
Phƣơng pháp quang phổ: dựa vào sự thay đổi độ hấp thụ trong phổ UV hoặc phổ huỳnh
quang trong sự hiện diện của HPβCD và thuốc tự do có thể tính đƣợc hằng số cân bằng của phức. Cƣờng độ huỳnh quang tăng cùng với sự gia tăng nồng độ HPβCD, tuy nhiên khi nồng độ HPβCD tăng quá giới hạn cân bằng, cƣờng độ huỳnh quang giảm [28], [66], [88].
Phổ hồng ngoại (IR): dùng để xác định sự tƣơng tác của các nhóm chức giữa phân tử
HPβCD và phân tử thuốc [28], [72], [109].
Phổ cộng hƣởng từ hạt nhân (1H-NMR): ngồi thơng tin định tính và định lƣợng về sự
hình thành phức, 1
H-NMR có thể đƣợc sử dụng để thăm dị cấu trúc không gian của phức thuốc-HPβCD cũng nhƣ cung cấp thông tin về động học của sự liên kết và phân ly của phức.
Thơng số rất quan trọng trong phân tích 1
H-NMR bao gồm độ dịch chuyển hóa học (δ), hằng số ghép (j), tƣơng tác spin-spin (τ)… [10], [16], [28], [36], [68], [74], [76].
Cấu hình của phân tử HPβCD có dạng hình nón cụt, hydro gắn với C-3 và C-5 của glucopyronose (H-3 và H-5) nằm bên trong khoang và rất nhạy cảm với những thay đổi liên quan đến tƣơng tác với thuốc chèn trong khoang. Những tƣơng tác này, đặc biệt liên quan đến phức với vòng thơm, dẫn đến che chắn bất đẳng hƣớng của các tín hiệu HPβCD và kết quả là có sự dịch chuyển đến vùng từ trƣờng cao của cộng hƣởng từ. Proton ở mặt
ngồi của hình nón cụt (H-1, H-2 và H-4) nói chung khơng bị ảnh hƣởng bởi phức, có nghĩa là sự dịch chuyển tín hiệu từ vùng từ trƣờng thấp đến vùng từ trƣờng cao của H-3 và/hoặc H-5 có thể đƣợc sử dụng nhƣ một tính chất để xác định sự hình thành phức. Các proton H-5 nằm sâu trong khoang hơn proton H-3, do đó sự thay đổi của 2 tín hiệu này có thể chứng minh các phân tử thuốc nằm sâu hay nông trong khoang HPβCD [58], [80]