1.2. Phương pháp sản xuất berberin
1.2.3. Phương pháp tổng hợp hóa học
a. Phương pháp của AméPictet và AlfonsGams (1911)
Năm 1911, hai tác giả Amé Pictet và Alfons Gams đã đưa ra quy trình tổng hợp berberin theo sơ đồ hình 1.3 như sau [100]:
Điều kiện phản ứng: (a) PCl5; (b) KOH; (c) P2O5, 68 - 70oC; (d) Sn, HCl; (e) HCHO, HCl, Br2, CS2.
Hình 1.3. Sơ đồ tổng hợp berberin của Amé Pictet và Alfons Gams Quy trình tổng hợp: Hợp chất acyl clorid 5 thu được bằng cách clo hóa acid 2-(3,4-dimethoxyphenyl) acetic (4) bằng PCl5. Sau đó ngưng tụ 5 với homopiperonylamin (6) trong môi trường kiềm thu được amid 7. Đun nóng 7 với với P2O5 ở 68 - 70oC thu được 8. Khử hóa 8 bằng thiếc trong HCl thu được 9. Đem 9 ngưng tụ với HCHO, chất sinh ra cho tác dụng với brom và cacbon disulfid tạo thành berberin (1) [100].
Nhược điểm: Sử dụng tác nhân nhạy cảm với nước như PCl5, P2O5; quy trình nhiều giai đoạn khó nâng cấp tổng hợp ở quy mô lớn.
b. Phương pháp của T. Kametani và cộng sự (1969)
11
Năm 1969, T. Kametani và cộng sự đưa ra quy trình tổng hợp berberin theo sơ đồ hình 1.4 như sau [42]:
Điều kiện phản ứng: (a) 170oC, 4h; (b) POCl3, 2h; (c) NaBH4, 1h; (d) HCl/EtOH, 3h; (e) HCHO, HCl, 3h; (f) Zn, NaOH, 2h; (g) CH2N2, 48h; (h) I2, 1h.
Hình 1.4. Sơ đồ tổng hợp berberin của T. Kametani và cộng sự
Quy trình tổng hợp: Ngưng tụ ester 10 với homopiperonylamin (6) thu được amid 11. Đem 11 phản ứng tiếp với POCl3 trong 2h thu được sản phẩm đóng vòng 12. Khử hóa 12 bằng NaBH4 thu được 13. Loại bỏ nhóm bảo vệ benzyl của 13 bằng HCl đặc trong EtOH thu được 14. Chất 14 tham gia phản ứng Mannich đóng vòng tạo hợp chất 15. Xử lý 15 với Zn trong NaOH giúp loại bỏ nhóm thế (Br-) thu được 16. Sản phẩm 16 được methyl hóa trong
12
nitromethan, chất thu được phản ứng với I2 thu được berberin iodid. Hiệu suất cả quy trình là 3% [42].
Nhược điểm: Quy trình nhiều giai đoạn, hiệu suất thấp, sử dụng nhiều hóa chất đắt tiền (POCl3, NaBH4).
c. Phương pháp của Viện Y học cổ truyền Trung Quốc (1980)
Năm 1980, Viện Y học cổ truyền Trung Quốc đưa ra quy trình tổng hợp berberin từ phenol qua 17 bước theo sơ đồ hình 1.5 [103]:
Điều kiện phản ứng: (a) Cl2/C6H6, 24 - 28oC; (b) NaOH/CuSO4; (c) HCl; (d) DCM/NaOH, 110 - 115oC; (e) 1,3,5-Trioxan. HCl; (f) AcOH, hexamethylentetramin;(g) AcOH/H2O; (h) ClCH2CO2CH3, CH3ONa/CH3OH;
(i) NaOH/CH3OH; (j) AcOH; (k) NH3/CH3OH; (l) H2/Ni; (m) 2,3-
13
dimethoxybenzaldehyd, H2/Ni; (n) HCl/EtOH; (o) Glyoxal, CuSO4, NaCl, Ac2O, AcOH; (p) CaO/H2O; (q) HCl/H2O.
Hình 1.5. Sơ đồ tổng hợp berberin của Viện Y học cổ truyền Trung Quốc Quy trình tổng hợp: Xuất phát từ phenol (18) trải qua các quá trình clo hóa và thủy phân tạo hợp chất catechol (21). Từ 21 phản ứng với diclomethan trong NaOH được 22, đem 22 tương tác với 1,3,5-trioxan thu 23, chất này kết hợp với hexamethylentetramin, sản phẩm 24 thu được xử lý với acid acetic thu được piperonal (25). Đem 25 ngưng tụ với ClCH2CO2CH3, sau đó thủy phân trong môi trường kiềm và xử lý với acid acetic thu được aldehyd 28.
Ngưng tụ 28 với NH3 tạo thành imin 29, khử hóa 29 bằng H2 xúc tác Ni thu được homopiperonylamin (6). Tiếp theo, 6 được ngưng tụ với 2,3 – dimethoxybenzaldehyd tạo imin rồi khử bằng H2, xúc tác Ni cho 30. Muối hydroclorid của 30 tham gia phản ứng đóng vòng với glyoxal được 32. Xử lí trong điều kiện thích hợp sẽ thu được berberin clorid (1). Hiệu suất toàn bộ quy trình là 15%.
Ưu điểm: Độ tinh khiết cao (trên 99%) so với phương pháp chiết xuất (97%). Năm 1981, xí nghiệp dược phẩm Đông Bắc (Trung Quốc) đã sản xuất berberin theo quy trình này với sản lượng 30 tấn/năm.
Nhược điểm: Quy trình phức tạp, hiệu suất thấp, chi phí lớn, sử dụng nhiều tác nhân gây ô nhiễm môi trường như benzen, dimethyl sulfoxid nên năm 1994, phương pháp này đã bị ngừng lại [52], [103].
d. Phương pháp của W. Liu (1981)
Nghiên cứu của W. Liu và cộng sự tập trung vào rút ngắn giai đoạn chuyển hợp chất 23 thành homopiperonylamin (6), đồng thời xuất phát từ nguyên liệu ban đầu là catechol nên rút ngắn giai đoạn điều chế, giảm lượng hóa chất dung môi, nâng cao hiệu suất (tăng 20% so với viện y học cổ truyền Trung Quốc) [52], [103].
14
Quy trình tổng hợp được thể hiện trên sơ đồ hình 1.6 [52]:
Điều kiện phản ứng: (a) DCM, NaOH, H2O, Bu4NBr, 90 - 100oC; (b) 1,3,5- trioxan, HCl, PCl3, 70 - 90oC; (c) NaCN, NaOH, Bu4NBr, H2O; (d) NH3, H2/Ni, CH3OH; (e) 2,3-dimethoxybenzaldehyd, H2/Ni, CH3OH; (f) Glyoxal, CuCl2, NaCl, Ac2O, AcOH; (g) NH3, H2O.
Hình 1.6. Sơ đồ tổng hợp berberin của W. Liu
Quy trình tổng hợp: Catechol (21) được đem phản ứng với DCM trong môi trường kiềm thu được chất 22. Alkyl hóa 22 với 1,3,5-trioxan, HCl, PCl3
ở nhiệt độ 70 - 90oC thu được 23. Thực hiện phản ứng thế (-Cl) của 23 bởi (- CN) sau đó khử hóa bằng H2 xúc tác Ni thu được chất 6. Ngưng tụ 6 với 2,3- dimethoxybenzaldehyd, sau đó khử hóa tiếp bằng H2 xúc tác Ni thu được 30.
Đem 30 tạo phản ứng đóng vòng với glyoxal sau đó xử lý với NH3 thu được berberin.
Nhược điểm: Quy trình sử dụng hợp chất cyanid độc hại (NaCN) e. Phương pháp của Z. X. Chen (2007)
Năm 2007, Z. X. Chen và các cộng sự đã nghiên cứu quy trình sản xuất berberin gồm 6 giai đoạn đi từ nguyên liệu 2,3-dimethoxylphenylmethanol (34) hình 1.7. Quy trình này đã được đưa vào sản xuất trong công nghiệp bởi công ty dược phẩm Changzhou Yabang, Trung Quốc [52], [101]. Hiệu suất toàn bộ quy trình là 67% trong đó mỗi giai đoạn đều đạt hiệu suất trên 90%.
15
Điều kiện phản ứng: (a) NaOH 30%, (CH3)2SO4, 80°C; (b) (CH2O)n/HCl, toluen, 30°C; (c) NaCN, (Bu)4NBr, toluen, 100°C; (d) CH3OH, H2SO4, hồi lưu; (e) homopiperonylamin (6), 170°C; (f) PCl5, DCM, 40oC.
Hình 1.7. Sơ đồ tổng hợp berberin của Z. X. Chen
Quy trình tổng hợp: 2,3-dimethoxylphenylmethanol (34) được methyl hóa bằng dimethyl sulfat trong dung dịch NaOH 30% ở 80°C trong môi trường kiềm thu được 35. Tiếp theo 35 cho phản ứng với paraformaldehyd và HCl trong toluen ở 30°C thu được 36. Thực hiện phản ứng thế (-Cl) bằng (- CN) thu được 37, thêm tiếp CH3OH, H2SO4 thu được ester 38. Ngưng tụ 38 với homopiperonylamin (6) thu được amid 39 rồi thực hiện phản ứng đóng vòng 39 với PCl5 và DCM thu được berberin (1).
Ưu điểm: Hiệu suất cao, đã được đưa vào sản xuất trong công nghiệp.
Nhược điểm: Sử dụng hợp chất cyanid độc hại (NaCN), tác nhân nhạy cảm với nước (PCl5).
g. Phương pháp của Xiaolin Bian (2006) và Peng Yang (2008)
Sử dụng chất ban đầu là homopiperonylamin (6), hai tác giả X. Bian (2006) [13] và P. Yang (2008) [88] đã độc lập đưa ra quy trình tổng hợp berberin theo sơ đồ hình 1.8 như sau:
16
Điều kiện phản ứng: (a) 2,3-dimethoxyl benzaldehyd, 100oC, 8h; (b) NaBH4, MeOH, 5h, 60 - 80%; (c) (CHO)2, HCOOH, CuSO4, 5h; (d) CaO, MeOH, H2O, 2h; (e) HCl, EtOH, 0,5h.
Hình 1.8. Sơ đồ tổng hợp berberin của Xiaolin Bian (2006) và Peng Yang (2008)
Quy trình tổng hợp: Tạo imin 40 bằng cách ngưng tụ 6 với 2,3- dimethoxyl benzaldehyd ở 100oC trong 8h. Sau đó 40 được khử hóa với NaBH4 trong methanol trong 5h được 30. Lấy 30 cho phản ứng với glyoxal, CuSO4 trong axit formic tạo thành berberin dưới dạng muối format. Hòa tan sản phẩm trong methanol và nước, cho phản ứng với CaO rồi chuyển về dạng berberin clorid bằng HCl trong ethanol [13], [88].
Ưu điểm: Ít giai đoạn, hiệu suất cao, có thể nghiên cứu nâng cấp quy mô tổng hợp.
h. Phương pháp của Alice Gatland (2014)
Năm 2014, Alice Gatland và cộng sự thuộc Phòng thí nghiệm Hóa học - Trường đại học Oxford đã đề xuất quy trình tổng hợp berberin từ aldehyd 41 và acid 42 sử dụng xúc tác chứa Pd với hiệu suất 50% [30]. Quy trình được trình bày ở sơ đồ hình 1.9 như sau:
17
Hình 1.9. Sơ đồ tổng hợp berberin của Alice Gatland
Quy trình tổng hợp: Aryl bromid 43 thu được bằng cách methyl hóa 41 rồi bảo vệ nhóm aldehyd bằng ethylenglycol, xúc tác TsOH. Khử hóa acid 42 bằng BH3, tạo ester pivaloat rồi thực hiện phản ứng acyl hóa Friedel-Craft với Ac2O và ZnCl2 thu được 44.
Hợp chất 43 và 44 kết hợp tạo hợp chất 45 bằng phản ứng aryl hóa với xúc tác Cs2CO3 và (Amphos)2PdCl2. Xử lý 45 với NH4Cl ở 90oC thu được isoquinolin 46. Tiếp tục tăng nhiệt độ lên 110oC để loại nhóm pivaloat thu được berberin. Kiềm hóa bằng NaOH rồi chiết với DCM, xử lí dịch chiết với HCl thu được berberin clorid tinh khiết. Bên cạnh đó, có thể tiến hành phản ứng one-pot sử dụng dung môi THF, EtOH và H2O để thu được berberin
18
clorid từ hợp chất 43 và 44 với hiệu suất 40%. Hiệu suất toàn bộ quy trình là 68% tính theo 41 hoặc 50% tính theo 42 [30].
Nhược điểm: Hóa chất không sẵn có, phản ứng tiến hành phức tạp, khó triển khai nâng cấp ở quy mô lớn.
i.Phương pháp của Virshinha Reddy (2015)
Năm 2015, V. Reddy và cộng sự đưa ra phương pháp tổng hợp berberin gồm 4 giai đoạn, hiệu suất toàn bộ quá trình đạt 32% như sơ đồ hình 1.10 [68]:
Điều kiện phản ứng: (a) Bu4NF, THF, 1h; (b) PdCl2(PPh3)2, CuI, Et3N, 70oC, 3h; (c) NH4OAc, AgNO3, t-BuOH, 15h; (d) PPh3, DCM:CCl4
(1:2), 12h.
Hình 1.10. Sơ đồ tổng hợp berberin của Virshinha Reddy
Quy trình tổng hợp: Dẫn xuất của 2-alkynylarylethanol (49) thu được bằng cách thủy phân loại nhóm bảo vệ của 48 với tetrabutylamoni florid, hiệu suất 88%. Tiến hành phản ứng Sonogashira giữa 49 với 2,3-dimethoxy-5- bromo benzaldehyd 50 thu được hợp chất 51, hiệu suất 65%. Isoquinolin 52
19
tạo thành bởi phản ứng đóng vòng 51 sử dụng xúc tác AgNO3 và NH4OAc trong alcol tert-butylic, hiệu suất 78%. Cuối cùng, thực hiện phản ứng Apel 52 chuyển thành berberin, hiệu suất 72% [68].
Nhược điểm: Nguyên liệu 48 không sẵn có, sử dụng xúc tác đắt tiền, dung môi độc hại (CCl4), hiệu suất còn thấp, khó triển khai nâng cấp ở quy mô lớn.
k. Phương pháp của Chen Cheng (2016)
Năm 2016, Chen Cheng và cộng sự đưa ra phương pháp tổng hợp berberin xuất phát từ nguyên liệu ban đầu là pyrocatechol, hiệu suất toàn bộ quá trình đạt 13,6% như sơ đồ hình 1.11 [105]:
Điều kiện phản ứng: (a) CH2Cl2, DMSO, NaOH, 80oC, 4h; (b) (CH2O)n, HCl, PhCH3, 0 - 5oC, 9h; (c) C2H5ONa, CH2(COOC2H5)2, 60oC, 9h;
(d) NaOH, HCl, reflux, 6h; (e) C6H5Cl, 130oC, 5h; (f) HCONH2, 180oC, 8h;
(g) NaClO, C2H5OH, NaOH, 0 - 80oC, 24h; (h) 2,3-dimethoxybenzaldehyd, CH3OH, NaBH4, 70 - 105oC, 10,5h; (i) HCOOH, CHOCHO, CuSO4, 60oC, 4,5h.
Hình 1.11. Sơ đồ tổng hợp berberin của Chen Cheng
20
Quy trình tổng hợp: Đầu tiên catechol (21) phản ứng với CH2Cl2
trong dung môi DMSO, môi trường kiềm ở nhiệt độ 80oC trong 4h thu được 22. Alkyl hóa 22 với paraformaldehyd, toluen, acid clohydric đậm đặc ở 0 - 5oC trong 9h được 23. Cho 23 phản ứng với C2H5ONa, CH2(COOC2H5)2 ở 60
oC trong 9h thu được ester 53. Thủy phân ester 53 với NaOH, HCl hồi lưu trong 6h thu được dẫn xuất của acid malonic 54. Cho 54 phản ứng với C6H5Cl ở 130oC trong 5h thu được dẫn xuất của acid propionic 55. Amid 56 được tạo thành bằng phản ứng giữa 55 và formamid ở 180oC trong 8h. Loại bỏ nhóm CO của amid 56 bằng NaClO, C2H5OH, NaOH giữ ở 0 - 80oC trong 24h thu được homopiperonylamin (6). Đem 6 ngưng tụ với 2,3- dimethoxybenzaldehyd, khử hóa bằng NaBH4 thu 30, sau đó đóng vòng 30 với glyoxal thu berberin clorid (1).
Nhược điểm: Quy trình gồm nhiều giai đoạn, hiệu suất thấp, khó triển khai nâng cấp ở quy mô lớn.
l. Phương pháp của Chen Cheng (2017)
Năm 2017, Chen Cheng và cộng sự tiếp tục đưa ra phương pháp tổng hợp berberin gồm 5 giai đoạn, hiệu suất toàn bộ quá trình đạt 33% xuất phát từ 1,2-methylenedioxybenzen như sơ đồ hình 1.12 [104]:
21
Điều kiện phản ứng: (a) (Boc)2O, Et3N, CH2Cl2, r.t., 4h; (b) CAN, LiBr, CH3CN, 32oC, 8h; (c) Mg, I2, THF, CuBr•SMe2, 0oC, 20 phút; (d) TFA, CH2Cl2, r.t.,17h; (e) 2,3-dimethoxybenzaldehyd, CH3OH, NaBH4, 70 - 105oC, 10,5 h; (f) HCOOH, CHOCHO, CuSO4, 60oC, 4,5h.
Hình 1.12. Sơ đồ tổng hợp berberin của Chen Cheng
Quy trình tổng hợp: Sản phẩm thế brom 59 thu được bằng cách cho 22 phản ứng với acetonitril, LiBr, CH3CN ở 32oC, trong 8h, hiệu suất đạt 77%. Ziridin (57) ngưng tụ với di-tert-butyl dicarbonat trong môi trường diclometan và triethylamin khuấy trộn ở nhiệt độ phòng trong 4h thu được 58, hiệu suất đạt 93%. Tiếp theo tạo thuốc thử Grignard và cho 58 tác dụng 59 thu được 60, hiệu suất đạt 78%. 60 đem cho phản ứng với axit trifluoroacetic, CH2Cl2 ở nhiệt độ phòng trong 17h thu được 6 với hiệu suất đạt 94%. Ngưng tụ 6 với 2,3-dimethoxybenzaldehyd tạo imin sau đó khử bằng NaBH4 thu được 30, hiệu suất đạt 96%. 30 đóng vòng với glyoxal trong môi trường acid formic và CuSO4 ở 60oC trong 4,5h thu được 1, hiệu suất đạt 60%.
Nhược điểm: Sử dụng hóa chất đắt tiền, dẫn chất cyanid độc hại (CH3CN), khó triển khai nâng cấp ở quy mô lớn.