Điều chế chất chìa khóa trong tổng hợp coenzyme q10 bằng phản ứng chuyển vị claisen và phản ứng ghép chéo

Là một trong ba coenzyme quan trọng trong tổng hợp nên ATP – năng lượng sinh học của cơ thể sống.Do có tính chất chống oxy hóa mạnh, trung hòa các gốc tự do nên CoQ10 ngày càng được sử d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ MINH ĐÔNG

ĐIỀU CHẾ CHẤT CHÌA KHÓA TRONG

CHUYỂN VỊ CLAISEN VÀ PHẢN ỨNG GHÉP CHÉO

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2016 Chuyên ngành : Hóa hữu cơ

Mã số : 60440144

LỜI MỞ ĐẦU

Coenzyme Q10 (2,3-dimethoxy-5-methyl-6-multiprenyl-1,4-benzoquinone) còn gọi là (ubiquinone, ubidecarenone, CoQ10) lần đầu tiên được phân lập từ tim bò bởi Frederick Crane (USA) năm 1957 Là một trong ba coenzyme quan trọng trong tổng hợp nên ATP – năng lượng sinh học của cơ thể sống.Do có tính chất chống oxy hóa mạnh, trung hòa các gốc tự do nên CoQ10 ngày càng được sử dụng nhiều làm nguồn thực phẩm chức năng, giúp cải thiện sức khỏe và được đưa vào mỹ phẩm làm đẹp như một chất chống oxy hóa, chống lão hóa để giúp cơ thể trẻ hóa; ứng dụng trong y tế nhằm ngăn ngừa ung thư, điều trị nhiều bệnh về tim mạch, tiểu đường, Parkinson, tăng hệ thống miễn dịch…

Với nhiều ứng dụng có lợi như vậy nên nhu cầu về CoQ10 ngày một tăng lên, đặt

ra yêu cầu đó là cần thực hiện được sản xuất quy mô công nghiệp bằng con đường tổng hợp toàn phần, tạo ra được các dẫn xuất mới có hoạt tính sinh học cao Để đáp ứng nhu cầu đó, đã có nhiều giải pháp được đưa ra như tổng hợp hóa học, bán tổng hợp và công nghệ sinh học Mặc dù, từ khi CoQ10 ra đời cho đến nay đã có nhiều nhà nghiên cứu tổng hợp, tuy vậy vẫn chưa có sản phẩm CoQ10 thương mại nào ra đời bằng con đường tổng hợp toàn phần Hiện tại, các sản phẩm bán trên thị trường đều được sản xuất chủ yếu

bằng con đường lên men vi khuẩn như Agrobacterium tumefaciens, Escherichia Coli,

Paracoccus denitrificans…

Ở trong nước việc nghiên cứu CoQ10 chỉ dừng lại ở việc tối ưu hóa quá trình lên men các chủng tự nhiên hoặc cải biến chúng Chưa có nhóm nghiên cứu nào tiến hành nghiên cứu và tổng hợp CoQ10 hoặc dẫn xuất CoQ10 Xuất phát từ những cơ sở lý luận

và thực tiễn đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài :

“Điều chế chất chìa khóa trong tổng hợp dẫn xuất coenzyme Q 10 bằng

phản ứng chuyển vị Claisen và phản ứng ghép chéo”

1.1 Lịch sử Coenzyme Q 10

1.2 Cấu tạo của Coenzyme Q 10

1.3 Sinh tổng hợp và chức năng Coenzyme Q 10

1.3.1 Coenzyme Q 10 trong tự nhiên

1.3.2 Sinh tổng hợp Coenzyme Q 10

1.3.3 Chức năng của Coenzyme Q 10

1.4 Ứng dụng Coenzyme Q 10 trong y học

1.4.1 Tác dụng đối với các bệnh về tim mạch

1.4.2 Tác dụng với bệnh đau đầu kinh niên

1.4.3 Tác dụng trong điều trị các bệnh khác

1.4.4 Trong mỹ phẩm

1.5 Phương pháp hóa học tổng hợp Coenzyme Q 10

1.6 Mục tiêu luận văn

Chương 2 – THỰC NGHIỆM

2.1 Thiết bị và hóa chất

2.2 Phương pháp thực nghiệm

Quy trình tổng hợp chất trung hai dẫn xuất Coenzyme Q10 từ những chất đơn giản ban đầu là menadione và 2,3,5-trimethyl hydroquinone Sau khi nghiên cứu tổng hợp các tài liệu, nhóm đã sử dụng các phản ứng acyl hóa, phá bảo vệ chọn lọc, phản ứng ete – Williamson, chuyển vị Claisen và hoán vị olefin sử dụng xác tác Grubbs, thu được sản phẩm trung gian quan trọng trong tổng hợp các dẫn xuất CoQ10

Sơ đồ 1 Phương pháp tổng hợp chất trung gian 1

Sơ đồ 2 Tổng hợp chất trung gian 15

2.2.1 Tổng hợp 1,4-hydroxy-2-methylnaphthalene

Sơ đồ phản ứng:

Cho chất rắn 2-methyl-1,4-naphthoquinone (8,2 g, 47,6 mmol) vào bình cầu 50

ml, thêm ethyl acetate (100 ml) hòa tan hoàn toàn chất rắn, sau đó đưa nhiệt độ trong bình cầu về 0o

C Sau khi chất rắn tan hoàn toàn, nhỏ từ từ 100ml dung dịch Na2S2O4 (40

g, 230 mmol) Phản ứng được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ phòng và trong môi trường khí nitơ Tiến trình phản ứng được theo dõi bằng sắc ký bản mỏng, sau khoảng thời gian

10 giờ dừng phản ứng, sản phẩm được chiết bằng ethyl acetate Sản phẩm được rửa lại bằng nước muối bão hòa, làm khô bằng Na2SO4 Tiến hành cô quay áp suất thấp tách

dung môi thu được chất rắn màu tím 2 (8,24 g, 47,6 mmol); 1

H NMR (500 MHz, CDCl3)

δ ppm: 8,08 (d, J = 9.3 Hz, 2H); 7,74 – 7,71 (m, 1H); 7,49 – 7,47 (m, 1H); 6,64 (s, 1H);

4,86 (s, 1H); 4,68 (s, 1H); 2,36 (s, 3H)

2.2.2 Tổng hợp 1,4-diacetate-2-methylnaphthalene

Sơ đồ phản ứng:

Cho 1,4-dihydroxy-2-methyl- naphthalene (8,24 g, 47,6 mmol) vào bình cầu, sau

đó cho nhỏ từ từ acetic anhydride (23 ml, 244 mmol), tiếp tục nhỏ 1 ml sulfuric acid vào hỗn hợp phản ứng Hỗn hợp khuấy đều, phản ứng thực hiện ở nhiệt độ phòng, thời gian 1 giờ Sau đó dừng phản ứng bằng cách cho đá lạnh vào hỗn phản ứng, tạo thành kết tủa rắn màu trắng, lọc và rửa vài lần với nước cất lạnh Chất rắn thô thu được đem kết tinh lại

trong ethanol, thu được sản phẩm dưới dạng tinh thể màu trắng 3 (10,7 g, 41,4 mmol, đạt

hiệu suất 87%); 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ ppm: 7,81 (d, J = 10,8 Hz, 1H); 7,75 (d, J

= 8.0 Hz, 1H); 7,50 (m, J = 16,3; 6,9; 1,2 Hz, 2H); 7,15 (s, 1H); 2,47 (d, J = 13,7 Hz,

6H); 2,33 (s, 3H); 13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 169,39; 168,86; 144,11; 142,13;, 127,90; 127,08; 126,48; 126,16; 126,02; 121,45; 121,15; 120,70; 20,98; 20,57; 16,49

2.2.3 Tổng hợp 4-hydroxy-2-methylnaphthaleny-1-acetate

Hòa tan chất rắn 3 (3,62 g, 14 mmol) trong methanol ở nhiệt độ 45o

C, sau khi chất rắn tan hoàn toàn giảm nhiệt độ về 35oC Hòa tan hỗn hợp chất rắn K2CO3 (0,97g, 7 mmol) và Na2S2O5 (1,825g, 9 mmol) trong 5ml nước cất, thu được hỗn hợp A Cho từ từ hỗn hợp A vào bình phản ứng Đun hồi lưu ở nhiệt độ 40oC, theo dõi phản ứng bằng sắc

ký bản mỏng, phản ứng thực hiện trong khoảng thời gian 1 giờ Sau đó, dừng phản ứng

và làm lạnh từ từ về nhiệt độ phòng, cho 50g đá lạnh vào bình phản ứng, trung hòa về pH

= 7 bằng acid acetic Hỗn hợp sản phẩm được tách chiết với dung môi ethyl acetate, sản phẩm được làm khô bằng Na2SO4, và cô quay tách loại dung môi thu được chất rắn màu

trắng Chất rắn thô được kết tinh lại trong hệ dung môi n- hexane: ethyl acetate, cho tinh

thể màu trắng 4 (1,87 g, 0,87 mmol, đạt hiệu suất 62%); 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ

ppm: 7,97 (d, J = 8,4 Hz, 1H); 7,64 (d, J = 8,4 Hz, 1H); 7,48 (t, J = 7,6 Hz, 1H); 7,38 (t, J

= 7,6 Hz, 1H); 6,31 (s, 1H); 6,13 (s, 1H); 2,49 (s, 3H), 2,16 (s, 3H); 13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 170,55; 149,49; 137,38;127,50; 126,92; 126,41; 124,55; 123,89; 122,17; 120,27; 110,94; 20,64; 16,26

2.2.4 Tổng hợp 4-allyloxy-2-methylnaphthalenyl-1-acetate

Sơ đồ phản ứng:

Tinh thể rắn màu trắng 4 (3 g, 13,9 mmol) được hòa tan trong 40ml DMF, đưa nhiệt

độ bình phản ứng về 0oC, quá trình phản ứng được thực hiện trong môi trường khí nitơ Khi nhiệt độ bình về 0oC, cho từ từ NaH (0,5g, 20,8 mmol), khuấy mãnh liệt cho đến khi thoát hết bọt khí trong bình cầu (thời gian khoảng 30 phút), sau đó nhỏ từ từ allyl bromide (1,5 ml, 17,4 mmol), thực hiện phản ứng ở nhiệt độ 40oC Quá trình phản ứng được theo dõi bằng sắc ký bản mỏng (khoảng 12 giờ dừng phản ứng), hỗn hợp phản ứng làm lạnh về nhiệt độ phòng, cô quay tách loại dung môi DMF Phân lập hỗn hợp sản

phẩm bằng cột sắc ký nhồi silica gel (dung môi chạy cột n-hexane:ethyl acetate = 50:1

v/v), thu được chất rắn màu trắng 4-allyloxy-2-methyl- naphthalenyl-1-1acetate (2, 9g, đạt hiệu suât 82%); 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ ppm: 8,26 (d, J = 8,3 Hz, 1H); 7,67 (d,

J = 8,4 Hz, 1H); 7,52 – 7,41 (m, 2H); 6,65 (s, 1H); 6,21 – 6,11 (m, 1H); 5,52 (dd, J =

17,3, 1,5 Hz, 1H); 5.34 (dt, J = 6,8, 3,4 Hz, 1H); 4,70 (d, J = 5,1 Hz, 2H); 2,45 (s, 3H);

2,30 (s, 3H); 13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 169,43; 152,12; 137,79; 133,22; 127,72; 127,09; 126,12; 125,11; 124,83; 122,41; 120,41; 117,44; 107,57; 69,19; 20,59; 16,83

2.2.5 Tổng hợp 4-hydroxy-3-allyl-2-methylnaphthalenyl-1-acetate

Sơ đồ phản ứng:

Tinh thể rắn 5 (2,9 g, 11,3 mmol) được hòa tan hoàn trong 50 ml dung môi 1,2

dichlorobenzene Phản ứng được đun hồi lưu ở nhiệt độ 180oC trong môi trường khí trơ nitơ Quan sát phản ứng bằng sắc ký bản mỏng, khoảng thời gian sau 24 giờ dừng phản ứng, hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng có thể đưa trực tiếp lên cột silica gel để phân lập

(dung môi chạy cột n-hexane:ethyl acetate = 20:1 v/v), thu được sản phẩm là chất rắn

màu vàng nhạt 6 (1,6g, đạt hiệu suất 55%); 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ ppm: 8,13 – 8,09 (m, 1H); 7,67 – 7,64 (m, 1H); 7,50 – 7,41 (m, 2H); 6,07 – 5,98 (m, 1H); 5,36 (s,

1H); 5,19 – 5,06 (m, 2H); 3,59 (dt, J = 5,6, 1,7 Hz, 2H); 2,47 (s, 3H); 2,25 (s, 3H); 13C

NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 169,56; 147,55; 138,24; 134,87; 126,53; 126,39; 126,32; 125,11; 123,87; 121,59; 120,69; 118,02; 116,53; 31,24; 20,62; 13,30

2.2.6 Tổng hợp 1,4-diacetate-3-allyl-2-methylnaphthalene

Sơ đồ phản ứng:

Chất rắn màu vàng 6 (1,6 g, 6,2 mmol) được hòa tan bởi 10 ml pyridine trong bình

cầu 25 ml, đưa nhiệt độ bình phản ứng về 0oC trong môi trường khí nitơ Sau đó, thêm anhydride acetic (1,34 ml, 12 mmol) vào bình phản ứng, duy trì phản ứng ở điều kiện nhiệt độ 0oC Tiếp tục thêm từ từ xúc tác 4-dimethyl pyridine (0,16 g, 1,3 mmol), thực hiện phản ứng ở nhiệt độ phòng và trong môi trường khí nitơ Theo dõi phản ứng bằng sắc ký bản mỏng, trong thời gian khoảng một giờ dừng phản ứng Cho 30ml nước cất vào hỗn phản ứng, dùng 10 ml ethyl acetate chiết hỗn hợp sản phẩm và thực hiện chiết trong

3 lần Tiếp tục làm sạch sản phẩm với 20ml nước cất và dung dịch 20ml CuSO4 bão hòa

2 lần (tách loại được pyridine), sau đó dùng nước muối bão hòa tiếp tục rửa hỗn hợp Sản phẩm thô được làm khô bằng Na2SO4, tách sản phẩm bằng cột sắc ký silica gel (dung môi

chạy cột n-hexane:ethyl acetate = 20:1), thu được sản phẩm tinh khiết màu trắng 7 (1,66

g, 5,58 mmol, hiệu suất đạt 90%); 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ ppm: 7,75 – 7,69 (m,

1H); 7,68 – 7,63 (m, 1H); 7,51 – 7,43 (m, 2H); 5,89 (ddt, J = 16,1, 10,2, 5.9 Hz, 1H); 5,08 – 4,93 (m, 2H); 3,48 (s, 2H); 2,48 (d, J = 8,5 Hz, 5H); 2,27 (s, 3H); 13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 169,49; 168,47; 142,75; 142,63; 134,56; 128,25; 126,97; 126,54; 126,52; 126,31; 126,13; 121,47; 121,21; 116,19; 31,98; 20,72; 20,62; 13,03

2.2.7 Tổng hợp (E)2(4methoxy3methylbut2en1yl)3methylnaphthalene -1,4-diyl diacetate

Sơ đồ phản ứng:

Cho chất 7 (31 mg, 0,1 mmol) và methyl methacrylate (0.11ml, 1mmol) vào bình

phản ứng, thêm 6 ml dung môi dichloromethane, tiếp tục cho xúc tác Grubbs 2nd (8,7 mg, 0,01 mmol) vào bình phản ứng Phản ứng tiến hành hồi lưu trong thời gian 24 giờ ở nhiệt

độ 40oC, trong môi trường khí nitơ Cô quay áp suất thấp tách loại dung môi của hỗn hợp

sau phản ứng, tách hỗn hợp sản phẩm bằng cột sắc ký nhồi silica gel (dung môi n-hexane:

ethyl acetate = 9:1 v/v), thu được chất rắn màu trắng 8 (17 mg, 0,049 mmol, hiệu suất

40,7%); 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ ppm: 6,58 (td, J = 6,8, 1,4 Hz, 1H); 3,69 (d, J = 5,4

Hz, 3H); 3,36 (s, 2H); 2,33 (d, J = 16,3 Hz, 6H); 2,05 (d, J = 10,6 Hz, 9H); 1,96 (d, J = 1,1

Hz, 3H); 13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 168,24; 145,99; 145,57; 139,30; 128,56; 128,15; 127,83; 127,22; 51,74; 27,47; 20,55; 20,50; 13,24; 12,84; 12,65

2.2.8 Tổng hợp 2,3,5-Trimethyl-1,4-hydroquinone diacetate

Phương trình phản ứng:

Cho 2,3,5-trimethyl hydroquinone (10g, 66 mmol) vào bình cầu 100ml, sau đó thêm anhydride acetic (21,85ml, 198 mmol), nhỏ 1ml sulfuric acid vào hỗn hợp phản ứng Hỗn hợp được khuấy đều, phản ứng thực hiện ở nhiệt độ 100oC trong môi trường khí trơ nitơ Theo dõi phản ứng bằng sắc ký bản mỏng (thời gian phản ứng khoảng 1 giờ) dừng phản ứng Sau đó cho đá lạnh vào hỗn hợp phản ứng, thu được kết tủa rắn, lọc chất rắn và rửa sản phẩm bẳng nước lạnh cho đến khi dung dịch rửa có pH = 7 Chất rắn thô, được kết tinh

lại trong n-hexane:ethyl acetate, thu được tinh thể màu trắng 10 (14,9 g, 63 mmol, hiệu suất

90%); 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ ppm: 6,75 (s, 1H); 2,34 (s, 3H); 2,31 (s, 3H); 2,11 (s,

3H); 2,06 (d, 6H); 13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 169,52; 168,93; 146,48; 145,72; 130,23; 128,28; 127,45; 121,20; 20,82; 20,47; 16,28; 13,16; 12,81

2.2.9 Tổng hợp 4-hydroxy-2,3,6-trimethylphenyl acetate

Phương trình phản ứng:

Hòa tan chất rắn 10 (9,73g, 41,22 mmol) bằng 20 ml methanol trong bình cầu

100ml ở nhiệt độ 45oC, khuấy đều cho đến khi chất rắn tan hoàn toàn, đưa nhiệt độ bình cầu về 35oC Hòa tan hỗn hợp chất rắn K2CO3 (2,8 g, 20,3 mmol) và Na2S2O5 (5 g, 26,5 mmol) trong 15ml nước cất, thu được hỗn hợp A Cho từ từ hỗn hợp A vào bình phản ứng, tiến hành đun hồi lưu hỗn hợp phản ứng ở nhiệt độ 40oC Tiến trình phản ứng được theo dõi bằng sắc ký bản mỏng, sau thời gian khoảng 1 giờ thì dừng phản ứng và làm lạnh về nhiệt độ phòng Tiếp tục cho 50 g đá lạnh vào bình phản ứng, trung hòa về pH =

7 bằng acetic acid Hỗn hợp sản phẩm được tách bằng ethyl acetate, sản phẩm thô được làm khô bằng Na2SO4 và cô quay tách loại dung môi, thu được chất rắn màu trắng Chất

rắn thô được kết tinh lại trong dung môi n-hexane:ethyl acetate, cho tinh thể màu trắng 11

(4,56 g, 23,5 mmol, hiệu suất 57%); 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ ppm: 6,39 (s, 1H); 4,96 (s, 1H); 2,32 (s, 3H); 2,08 (s, 3H); 2,04 (s, 3H); 2,02 (d, 3H); 13C NMR (126 MHz,CDCl3) δ ppm: 170,56; 151,98; 141,76; 130,14; 127,58; 121,81; 114,9; 20,96; 16,61; 13,46; 12,27

2.2.10 Tổng hợp 1-acetyloxy-4allyloxy-2,3,6-trimethylbenzene

Phương trình phản ứng:

Tinh thể màu trắng 11 (2 g, 10,3 mmol) ở trên được hòa tan trong 40ml DMF, đưa

nhiệt độ bình về 0oC, tiến trình phản ứng được thực hiện trong môi trường khí nitơ Sau

đó, cho từ từ NaH (0,52 g, 20,2 mmol), khuấy mãnh liệt cho đến khi bọt khí ngừng thoát

ra từ dung dịch phản ứng (thời gian khoảng 30 phút), nhỏ từ từ allyl bromide (1,2 ml, 13,9 mmol), tiến hành phản ứng nhiệt độ 40oC Sau thời gian 12 giờ dừng phản ứng, đưa

về nhiệt độ phòng và cô quay tách loại dung môi DMF Sản phẩm thu được chạy sắc ký

cột nhồi silica gel (dung môi chạy cột n-hexane:ethyl acetate = 50:1 v/v) thu được chất

lỏng màu vàng 12 (2,02 g, 8,65 mmol, hiệu suất đạt 84%);1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ ppm: 6,56 (s, 1H); 6,07 (m, 1H); 5,40 (s, 1H); 5,26 (s, 1H); 4,49 (s, 2H); 2,33 (s, 3H); 2,16 (s, 3H); 2,11 (s, 3H); 2,05 (s, 3H); 13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 169,45; 154,09; 141,74; 133,72; 129,64; 127,03; 124,20; 116,80; 111,53; 69,33; 20,47; 16,57; 13,02; 12,00

2.2.11 Tổng hợp chất 3-Allyl-4-hydroxy-2,5,6-trimethylphenyl acetate

Phương trình phản ứng như sau:

Chất lỏng 12 (0,5 g, 2,13 mmol) cho vào bình cầu chứa 30ml dung môi

1,2-dichlorobenzene Phản ứng được đun hồi lưu ở nhiệt độ 180oC trong môi trường khí trơ nitơ Sau thời gian 1 ngày phản ứng, hỗn hợp sản phẩm được đưa trực tiếp lên cột silica

gel để tách hỗn hợp sản phẩm (dung môi chạy cột n-hexane:ethyl acetate = 20:1 v/v), thu

được chất rắn màu vàng nhạt 13 (0,19 g, 1,67 mmol, hiệu suất 78%);1

H NMR (500 MHz, CDCl3 ) δ ppm: 5,96 (s, 1H); 5,08 (s, 2H); 4,78 (s, 1H); 3,41 (s, 2H); 2,34 (s, 2H); 2,16 (s, 5H); 2,05 (s, 3H); 2,11 (s, 3H); 2,05 (s, 3H) ;13C NMR (126 MHz, CDCl3) δ ppm: 169,62; 150,04; 141,77; 135,40; 127,53; 127,53; 126,311; 121,60; 115,90; 31,11; 20,37; 13,14; 12,66; 12,16

2.2.12 Tổng hợp chất 2-Allyl-3,5,6-trimethyl-1,4-phenylene diacetate