Gabapentin là một trong các loại thuốc động kinh thế hệ mới được sử dụng phổ biến trong điều trị động kinh hiện nay. Trên cơ sở các quy trình đã tổng hợp gabapentin trên thế giới, đã tiến hành khảo sát các phản ứng đầu tiên trong quy trình tổng hợp gabapentin.
Trang 1KHẢO SÁT TỔNG HỢP CHẤT NỀN ỨNG DỤNG TỔNG HỢP
THUỐC TRỊ ĐỘNG KINH GABAPENTIN
Nguyễn Ngọc Thanh Luân*
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
*Tác giả liên hệ: nnthanhluan@gmail.com
TÓM TẮT
Gabapentin là một trong các loại thuốc động kinh thế hệ mới được sử dụng phổ biến trong điều trị động kinh hiện nay Trên cơ sở các quy trình đã tổng hợp gabapentin trên thế giới, đã tiến hành khảo sát các phản ứng đầu tiên trong quy trình tổng hợp gabapentin Kết quả cho hai phản ứng có hiệu suất cao và điều kiện thực tế phù hợp để áp dụng tại Việt Nam là phản ứng với acetonitrile để tạo thành 2-cyclohexylidene acetonitrile và phản ứng với ethyl cyanoacetate để tạo thành ethyl 2-cyano-2-cyclohexylideneacetate Từ đó có thể áp dụng để tiếp tục các phản ứng tiếp theo trong quy trình điều chế gabapentin
Từ khóa: Cyclohexanone, gabapentin, thuốc trị động kinh, tổng hợp, acetonitrile, ethyl
cyanoacetate
SURVEY REACTION SUBTRATE APPLIED FOR SYNTHESIS
ANTIEPILEPTIC DRUG GABAPENTIN
Nguyen Ngoc Thanh Luan*
University of Science – VNU Ho Chi Minh City
*Corresponding Author: nnthanhluan@gmail.com
ABSTRACT
Gabapentin is one of the newer generics used in the treatment of epilepsy Based on the globally accepted Gabapentin processes, the first reactions in the gabapentin synthesis process was conducted The results for the two highly efficient and practical conditions suitable for use in Vietnam were reacted with acetonitrile to form 2-cyclohexylidene acetonitrile and reacted with ethyl cyanoacetate to form ethyl 2cyano2 -cyclohexylideneacetate Thus, it can be used to continue the subsequent reactions in the gabapentin preparation process
Keywords: Cyclohexanone, gabapentin, antiepileptic drug, synthesis, acetonitrile, ethyl
cyanoacetate
TỔNG QUAN
Động kinh là một bệnh mãn tính chiếm tỷ lệ
khoảng 0,5 – 2% dân số, trong đó có hơn
60% bệnh nhân là trẻ em Tuy nhiên số bệnh
nhân được chữa trị chỉ khỏang 50% bệnh
nhân Tỷ lệ tử vong do trạng thái động kinh
từ 40% bệnh nhân, do tai nạn gây ra bởi các
cơn động kinh là 0,5%
Theo Liên đoàn chống động kinh thế giới
ILAE, cơn động kinh (epileptic seizure) là sự
xuất hiện của các triệu chứng do sự hoạt
động quá mức, đồng bộ của một nhóm các tế
báo thần kinh (neuron) ở não bộ.(Fisher et
al., 2014)
Năm 2014, Liên đoàn chống động kinh thế
giới ILAE đã thay đổi định nghĩa bệnh động
kinh để phù hợp với tình hình thực tế Bệnh
động kinh (epilepsy) là bệnh về não được xác
nhận bởi bất kỳ điều kiện nào sau đây: + Có ít nhất hai cơn động kinh không kiểm soát (hoặc phản xạ) xuất hiện cách nhau trong hơn 24 giờ
+ Có một cơn động kinh không kiểm soát (hoặc phản xạ) và xác xuất các cơn động kinh tượng tự tại phát (ít nhất 60%) sau hai cơn động kinh không kiểm soát xảy ra trong mười năm tới
+ Được chẩn đoán hội chứng động kinh Bệnh động kinh có thể điều trị với nhiều phương pháp như: điều trị bằng chế độ tiết thực, sinh hoạt lao, điều trị bằng phẫu thuật hay điều trị bằng thuốc (hóa liệu pháp) Trong đó hóa liệu pháp thường được sử dụng hơn cả với các loại thuốc như phenobarbital, phenytoin, carbamazepine, acid valproic, gabapentine, lamotrigine, felbamate,
Trang 2vigabatrine, oxcarbazepine, tiagabine,
zonisamide, topiramate Trong đó gabapentin
thường được sử dụng trong điều trị các cơn
co giật ngắn, co cứng với các ưu điểm như ít
tác dụng phụ, ít tương tác với các thuốc khác,
ít gây độc với cơ thể (Storm-Mathisen et al.,
1974)
Nhiều nhà khoa học trên thế giới như
Satzinger, Griffiths, Hartenstein, Bryans (Li
and Johnson, 2006) đã nghiên cứu các quy
trình tổng hợp nên thuốc trị động kinh
gabapentin với nhiều phản ứng khác nhau
Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có các công bố
khoa học cũng như các nghiên cứu về thuốc
trị động kinh này Vì thế việc khảo sát các
phản ứng đầu tiên trong quy trình tổng hợp
Gabapentin là bước cần thiết để có quy trình
tổng hợp gabapentin phù hợp với điều kiện
thực tế ở Việt Nam Vì vậy chúng tôi đề nghị
khảo sát các phản ứng như sơ đồ sau đây:
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Thiết bị và dụng cụ nghiên cứu
Máy cô quay chân không EYELA, bếp đun
khuấy từ Phổ 1H-NMR và 13C-NMR ghi
trên máy cộng hưởng từ hạt nhân BRUKER
ở tần số 500 MHz cho 1H- NMR và 125
MHz cho 13C-NMR GC-MS được thực hiện
trên máy sắc ký khí đầu dò khối phổ
AGILENT với việc tiêm mẫu tự động Phổ
hồng ngoại được thực hiện trên máy BUKER
và máy JASCO FT-IR 6.600 với nền mẫu là
KBr
Phương pháp nghiên cứu
2-cyclohexylidieneacetonitrile
Potassium hydroxide (127 mg, 2,04 mmol)
và 2 ml n-hexane được cho vào bình cầu 2
cổ Đun hoàn lưu đến nhiệt độ 60oC trong
vòng 15 phút Sau đó hỗn hợp cyclohexanone
(0,21 ml, 2,04 mmol) và acetonitrile (471
mg, 11,48 mmol) được cho vào bình cầu bằng kim tiêm hóa chất Tiếp tục đun hoàn lưu trong vào 7h Sau phản ứng 10 ml nước được cho vào bình cầu để pha loãng hỗn hợp sau phản ứng Tiếp theo cho vào 5 ml dung dịch HCl 1N để trung hòa lượng KOH còn
dư sau phản ứng Thực hiện chiết lỏng-lỏng bằng ethyl acetate 3 lần, mỗi lần 15 ml Pha hữu cơ sau chiết được làm khan bằng Na2SO4
sau đó cô quay dưới áp suất kém để loại bỏ dung môi Tiến hành sắc ký cột với hệ dung môi n-hexane: ethyl acetate để thu được 2
sản phẩm là LU01 và LU02
LU01
IR (KBr): 3352, 2933, 2861, 23000, 1668
cm–1 H-NMR (CDCl3): δ =1,50-1,74 ppm (m, 10H); 1,97 ppm (brs, 1H), 2,50 (s, 2H)
LU02
H-NMR (CDCl3): δ =1,50-1,74 ppm (m, 26H); 2,53 ppm (s, 1H), 5,01 (s, 1H) 5,61 (s, 2H)
Hướng 2 Giai đoạn 1: Điều chế ethyl 2-cyano-2-cyclohexylideneacetate
Cyclohexanone (200 mg, 2,04 mmol), ethyl cyanoacetate (226 mg, 2,00 mmol), piperidine (30 mg, 0,35 mmol), toluene (3 ml), acid acetic (30 mg, 0,5 mmol) được thêm vào bình cầu Bình cầu được gắn ống hoàn lưu và đun hoàn lưu trong 8h với nhiệt
độ sôi của toluene (110oC) Sau phản ứng 10
ml nước được cho vào bình cầu, sau đó hỗn hợp trong bình cầu được chiết lỏng-lỏng với ethyl acetate bằng phễu chiết lỏng-lỏng Việc chiết lỏng-lỏng được thực hiện 3 lần, mỗi lần với 15 ml ethyl acetate Pha hữu cơ được gộp lại và làm khan với Na2SO4, sau đó cô quay dưới áp suất kém để loại bỏ dung môi Thu được hỗn hợp dạng dầu màu vàng Thực hiện sắc ký cột với hệ dung môi n-hexane–ethyl acetate để thu được sản phẩm LU03 dạng dầu màu vàng nhạt
IR (KBr): 3452, 2938, 2862, 2200, 1.728, 1.604 cm–1
H-NMR (CDCl3): δ= 1,65 (quin, J= 6,2 Hz, 2H); 1,72 (quin, J= 6,2 Hz, 2H); 1,79 (quin, J= 6,2 Hz, 2H); 2,65 (t, J= 6,2 Hz, 2H); 2,96 (t, J= 6,2 Hz, 2H)
Giai đoạn 2 thủy phân và decarboxyl
Trang 32-cyano-2-cyclohexylideneacetate vào bình cầu, sau đó
tiếp tục cho 3ml H2SO4 60% vào và đun hoàn
lưu trong 8h Màu của phản ứng chuyển sang
cam và nâu dần Hỗn hợp sau phản ứng được
pha loãng với H2O và chiết lỏng-lỏng với
ethyl acetate Thực hiện chiết 3 lần, mỗi lần
15 ml và gộp dịch trích làm khan với
Na2SO4 Sau đó tiến hành cô quay áp suất
kém để thu được hỗn hợp sản phẩm Tiến
hành sắc ký cột với hệ dung môi để thu được
sản phẩm Sản phẩm thu được có dạng chất
rắn vàng nhạt LU04
H-NMR (CDCl3): δ =1,55-1,73 ppm (m, 6H);
2,52 ppm (s, 2H), 2, 87 (s, 2H)
C-NMR(CDCl3): δ =25,8; 27,9; 28,3; 31,3;
36,4; 106,2, 118,0; 174,1; 174,2 ppm
LC/MS tR=0,2min, [M+H]+=164,0661
Ngoài ra nghiên cứu còn tiến hành khảo sát
các phản ứng như: điều chế ethyl
2-(1-hydroxycyclohexyl)acetate thông qua phản
ứng với ethyl acetate hay phản ứng với ethyl
chloroacetate với xúc tác Zn; điều chế diethyl
cyclohexylidenemalonate và điều chế
2-cyclohexylidenemalonic acid
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2-cyclohexylidieneacetonitrile
Kết quả của phản ứng này cho sản phẩm
chính với hiệu suất tương đối (44%) sản
phẩm khó cô lập do có nhiều tạp chất đi
Thực hiện sắc ký khi để xác định hàm lượng
sản phẩm cho thấy trên phổ đồ GC-MS của
LUU01 cho thấy hàm lượng của sản phẩm
lên đến 44% trên tổng khối lượng, ứng với
hiệu suất của phản ứng này lên tới 49% Đây
2-cyclohexylideneacetonitrile và
2-(cyclohex-1-en-1-yl)acetonitrile Tuy nhiên việc cô lập
2 đồng phân riêng biệt này không khả thi do
phương pháp để cô lập hai sản phẩm này khá
phức tạp và tốn kém, đồng thời do các phản
ứng tiếp theo khi thực hiện sản phẩm chính
sẽ giống nhau nên chúng tôi không tiến hành
cô lập hai sản phẩm trên Dựa trên phổ 1
NMR, thông qua tỷ lệ tích phân của 2 mũi
H-olefin ở 5,03ppm và 5.61ppm, cho thấy tỷ lệ
2-cyclohexylideneacetonitrile:
2-(cyclohex-1-en-1-yl)acetonitrile là 1:2
Tiếp tục khảo sát các điều kiện như dung môi
(Acetonitrile, chloroform, dichloromethane,
tolune) base (KOH, NaOH, t-BuOK, NaH) thu được điều kiện tối ưu của phản ứng này
là sử dụng dung môi acetonitrile và base là KOH đun hoàn lưu trong thời gian 7h
Hướng 2 Giai đoạn 1: Điều chế ethyl 2-cyano-2-cyclohexylideneacetate
Sản phẩm của phản ứng này được xác định cấu trúc bằng phương pháp phổ NMR cho xác nhận đúng với công thức dự đoán Phản ứng này cho hiệu suất khả quan trên 50% ở điều kiện ban đầu phù hợp để tiếp tục khảo sát các điều kiện
Khảo sát tỷ lệ giữa tác chất và chất nền
Cố định tỷ lệ của base, acid acetic, dung môi, thời gian phản ứng là 8h và thay đổi tỷ lệ giữa chất nền và tác chất Với việc khảo sát
tỷ lệ giữa chất nền và tác chất, chúng tôi nhận thấy rằng khi tỷ lệ tác chất tăng dần thì hiệu suất của tăng theo tỷ lệ thuận (Phản ứng
14, 15, 16, 17, 18) Do khi tăng tác chất, tỷ lệ tương tác của chất nền và tác chất tăng nên hiệu suất của phản ứng cũng tăng Tuy nhiên khi tăng đến tỷ lệ 1,0:1,5 đã đạt điều kiện tối
ưu nên việc tăng không làm tăng hiệu suất phản ứng nên sử dụng tỷ lệ 1,0:1,5 để tiếp tục khảo sát các điều kiện còn lại
Khảo sát thời gian phản ứng
Trước tiên khảo sát ở thời gian tối đa của phản ứng là 8h Thời gian này cho hiệu suất tương đối cao là 69% Sau đó chúng tôi giảm thời gian thực hiện phản ứng xuống còn 5h
và hiệu suất phản ứng vẫn giữ ở 69% Sau đó thời gian phản ứng được giảm còn 2h và hiệu suất của phản ứng chỉ giảm còn 50% Do đó thời gian ảnh hưởng đến hiệu suất của phản ứng này, do thời gian ít các tác chất và chất nền ít có cơ hội phản ứng với nhau và phản ứng chưa hoàn toàn nên hiệu suất thấp Còn thời gian 8h sẽ khá dài và hiệu suất phản ứng không thay đổi nhiều Do đó thời gian phản ứng đạt hiệu suất tốt nhất là 5h
Khảo sát vai trò của acid acetic
Với việc khảo sát vai trò của acid acetic trong phản ứng chúng tôi nhận thấy rằng sự hiện diện của acid acetic không quan trọng trong phản ứng này Do chúng tôi thực hiện phản ứng với lượng nhỏ nên không sử dụng phương pháp chưng cất để thu lấy sản phẩm
H=(44%)
Trang 4mà sử dụng phương pháp sắc ký cột để cô lập
sản phẩm Vì vậy sử dụng acid acetic để tạo
muối là không cần thiết
Với các khảo sát trên nghiên cứu đã chọn
được điều kiện tối ưu cho phản ứng này là tỷ
lệ giữa cyclohexanone và ethyl cyanoacetate
là 1,0:1,5; thời gian thực hiện phản ứng là 5h,
có thể không cần acid acetic trong phản ứng
Giai đoạn 2 thủy phân và decarboxyl
Về lý thuyết phản ứng này gồm 3 giai đoạn
chính: giai đoạn thủy phân ester thành acid,
giai đoạn thủy phân nitrile thành amide sau
đó thành acid, cuối cùng là giai đoạn loại
nhóm CO2 của diacid này
Ở giai đoạn này chúng tôi khảo sát các acid
như HCl + CH3COOH, H2SO4 60% đều thu
được kết quả tương tự Sản phẩm là 1 chất
phân cực mạnh hơn ethyl
2-cyano-2-cyclohexylideneacetate, hiện UV rõ với Rf=
0,3 với hệ dung môi n-hexane: ethyl acetate:
acid acetic 5:5:0,1 Điều này chứng tỏ phản
ứng thủy phân có xảy ra Tuy nhiên khi tiến
hành xác định cấu trúc và độ tinh khiết bằng
các phương pháp phân tích như NMR,
GC-MS, chúng tôi nhận được kết quả không tạo
thành sản phẩm mong muốn
Phổ GC-MS cho thấy sản phẩm chưa tinh
khiết và sản phẩm được dự đoán không phải
sản phẩm mong muốn Phổ C-NMR cũng
cho thấy có tín hiệu ở vùng 170 ppm, chứng
tỏ có nhóm carbonyl tiếp cách và các tín hiệu
của vòng cyclohexyl cũng như các carbon
olefin Khi so sánh với phổ H-NMR của
LU03, tín hiệu của vòng cyclohexyl vẫn nằm
ở đúng vị trí Với các kết quả trên chúng tôi
đề nghị sản phẩm thu được là 2-cyano-2-cyclohexylideneacetic acid Sản phẩm này chỉ dừng lại ở giai đoạn thủy phân ester mà chưa qua các giai đoạn thủy phân nitrile và loại carboxyl
Với các phản ứng còn lại, các phản ứng này cho kết quả không khả quan do các điều kiện ảnh hưởng như phản ứng khó xảy ra do điều kiện nóng ẩm ở Việt Nam, hóa chất phòng thí nghiệm chưa đủ điều kiện để thực hiện phản ứng (phản ứng điều chế ethyl 2-(1-hydroxycyclohexyl)acetate), phản ứng sinh nhiều sản phẩm phụ cũng như tỷ lệ sản phẩm quan sát được trên bản mỏng khá thấp nên không tiếp tục nghiên cứu các hướng này (diethyl cyclohexylidenemalonate và
2-cyclohexylidenemalonic acid)
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Chúng tôi đã khảo sát tổng năm hướng để ứng dụng tổng hợp gabapentin Tuy nhiên chúng tôi nhận thấy rằng các phản ứng đã thực hiện chỉ có phản ứngđiều chế 2-cyclohexylidieneacetonitrile và phản ứng
2-cyano-2-cyclohexylideneacetate có khả năng triển khai ở quy mô công nghiệp
Giai đoạn tiếp theo cần khảo sát phản ứng thủy phân và decarboxyl như khảo sát các điều kiênh về thời gian, acid base, xúc tác của phản ứng để tiếp tục ứng dụng trong quy trình Ngoài ra chúng tôi đề nghị khảo sát quy trình của Mettler (Gareth Griffths, Mills and Previdoli, 1991) tại Việt Nam với các phản ứng và điều kiện phù hợp với thực tế
TÀI LIỆU THAM KHẢO
FISHER, R S et al (2014) "ILAE Official Report: A practical clinical definition of epilepsy", Epilepsia, 55(4), pp 475–482
GARETH GRIFFTHS, H M., MILLS, L S AND PREVIDOLI, F (1991) "Novel Syntheses
of Gabapentin via Addition of Hydrocyanic Acid to Cyclohexylidenemalonate or Cyano
(cyclohexy1idene) acetate", Helvetica Chimia Acta, 74, pp 309–314
LI, J J AND JOHNSON, D S (2006) The Art of Drug Synthesis Hoboken, New Jersey:
John Wiley & Sons