Mục tiêu nghiên cứu của bài viết nhằm tối ưu hóa quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ chất trung gian N-(1-adamantyl)acetamid. Phương pháp nghiên cứu: sử dụng các phản ứng hóa học cơ bản để tổng hợp amantadin hydroclorid, ứng dụng phần mềm tin học Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng.
Trang 1TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP AMANTADIN
HYDROCLORID TỪ N-(1-ADAMANTYL)ACETAMID
BẰNG PHẦN MỀM TIN HỌC MODDE 5.0
Vũ Bình Dương*; Nguyễn Văn Thịnh*; Nguyễn Thị Hồng Thắm*
Phạm Văn Hiển*; Phan Đình Châu**; Nguyễn Thị Hồng Thanh***
TÓM TẮT
Mục tiêu: tối ưu hóa quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ chất trung gian
N-(1-adamantyl)acetamid Phương pháp nghiên cứu: sử dụng các phản ứng hóa học cơ bản để
tổng hợp amantadin hydroclorid, ứng dụng phần mềm tin học Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm
và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng Kết quả: đã tìm được các điều kiện tối ưu cho tổng
hợp amantadin hydroclorid gồm: tỷ lệ mol giữa propylenglycol:natri hydroxid:
N-(1-adamantyl)acetamid (PG:NaOH:ADA) là 6,8:7,5:1; nhiệt độ phản ứng 1300C; thời gian phản
ứng 6,6 giờ Với các điều kiện tối ưu, hiệu suất của cả quy trình đạt 71,60% Kết luận: đã xây
dựng được quy trình tổng hợp amantadin hydroclorid từ chất trung gian N-(1-adamantyl)
acetamid quy mô phòng thí nghiệm Sản phẩm thu được đạt tiêu chuẩn USP 37
* Từ khóa: Amantadin; N-(1-adamantyl)acetamid; Tối ưu hóa; Quy trình tổng hợp
Optimization of Synthesis Process of Amantadine Hydrocloride
from N-(1-Adamantyl)Acetamide by Modde 5.0 Software
Summary
Objectives: To optimize the synthesis process of amantadine hydrochloride from intermediator
N-(1-adamantyl)acetamide Methods: Using the basic chemical reactions to synthesize
amantadine hydrochloride, apply Modde 5.0 software to design the experiment, optimize the
conditions of reactions Results: The optimal conditions of amantadine hydrochloride synthetic
process including: ratio of PG:NaOH:ADA (6.8:7.5:1); reactive temperature (130 0 C); reactive
duration (6.6 hours) was found At these conditions, the efficacy yield 71.60% Conclusions:
Synthetic process of amantadine hydrochloride from N-(1-adamantyl)acetamide at lab-scale
was established The finished product met the standard of USP 37
* Key words: Amantadine; N-(1-adamantyl)acetamide; Optimization; Synthetic process
ĐẶT VẤN ĐỀ
Amantadin hydroclorid là chất kháng
virut được sử dụng trong điều trị các bệnh
cúm do virut cúm A gây ra, đặc biệt rất
hiệu quả trong điều trị bệnh Parkinson [4]
Amantadin được Wolfgang Haaf và CS công bố đầu tiên về quy trình tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu là adamantan [2]
* Học viện Quân y
** Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
*** Đại học Y khoa Vinh
Người phản hồi (Corresponding): Vũ Bình Dương (vbduong2978@gmail.com)
Ngày nhận bài: 25/03/2016; Ngày phản biện đánh giá bài báo: 17/06/2016
Ngày bài báo được đăng: 28/06/2016
Trang 2Từ đó đến nay, đã có nhiều công trình
nghiên cứu về quy trình tổng hợp bằng
các phương pháp khác nhau nhưng đều
bắt nguồn từ nguyên liệu là adamantan
trải qua nhiều hợp chất trung gian, trong
số đó có hợp chất N-(1-adamantyl)
acetamid [1, 3], vì đây là phương pháp
cho hiệu suất cao, dễ triển khai sản xuất
quy mô lớn
Ở Việt Nam, Học viện Quân y đã và
đang nghiên cứu quy trình tổng hợp
amantadin từ adamantan Bài báo trước,
chúng tôi đã thông báo kết quả điều chế
hai hợp chất trung gian sử dụng trong
tổng hợp amantadin là adamantylnitrat và
N-(1-adamantyl)acetamid Trong bài báo
này, chúng tôi công bố kết quả nghiên
cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp
amantadin HCl từ chất trung gian
N-(1-adamantyl)acetamid (ADA) bằng phần
mềm tin học Modde 5.0
NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
* Nguyên liệu, hóa chất:
N-(1-adamantyl)acetamid (ADA), ethanol
96o, propylen glycol (PG), methanol, axít
hydrocloric, natri hydroxyd, amantadin
hydroclorid chuẩn (Wako Pure Chemical
Industries, Ltd., Nhật Bản)
* Thiết bị nghiên cứu:
- Sắc ký bản mỏng silicagel Kieselgel
60 F254 (Merck), đèn soi sắc ký UV hai
bước sóng 254 và 360 nm
- Máy đo nhiệt độ nóng chảy Stuart,
SMP-10
- Máy quang phổ hồng ngoại
GX-PerkinElmer, Mỹ
- Máy khối phổ AutoSpec Primer (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)
- Máy đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR và 13C-NMR) Bruker-AV500 (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)
2 Phương pháp nghiên cứu
* Phương pháp tổng hợp amantadin HCl:
Dựa trên kết quả công bố của IK
Moiseeve [4], chúng tôi đã cải tiến và khảo sát tối ưu hóa một số thông số
Nguyên liệu trung gian là N-(1-adamantyl) acetamid (I) được deacetyl hóa với NaOH trong dung môi PG Sản phẩm amantadin base thu được cho phản ứng luôn với HCl để tạo thành dạng muối hydroclorid theo sơ đồ phản ứng sau:
2 HCl
2 HCl
1 NaOH, H2O, PG
I II
Tiến hành khảo sát phản ứng trong các điều kiện: nhiệt độ, tỷ lệ mol các chất ADA:NaOH:PG, thời gian và nhiệt độ phản ứng khác nhau Hỗn hợp sau phản ứng được chiết lấy pha nước, bốc hơi dung môi và kết tinh lại trong cồn 960 Sản phẩm kết tinh được xác định nhiệt độ nóng chảy, sắc ký lớp mỏng, khối lượng
và tính hiệu suất phản ứng
* Phương pháp thiết kế thí nghiệm và tối ưu hóa:
- Thiết kế thí nghiệm:
NaOH, H 2 O, PG
Trang 3Sử dụng phương pháp thiết kế theo
mô hình mặt hợp tử tại tâm với sự trợ
giúp của phần mềm thiết kế thí nghiệm tối
ưu hoá Modde 5.0 [5] để khảo sát các
yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất phản ứng
bao gồm: nhiệt độ phản ứng, thời gian
phản ứng, tỷ lệ mol ADA:NaOH:PG với
các mức khác nhau và được mã hóa như bảng 1 Các yếu tố này được gọi là biến độc lập hay tham số, hiệu suất của phản ứng được gọi là biến phụ thuộc hay hàm
số (Y%) Sử dụng phần mềm thiết kế tối
ưu Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm, phần mềm đưa ra các thí nghiệm cần tiến hành
Bảng 1: Ký hiệu và các mức của biến đầu vào
Các mức
- Tối ưu hóa:
Sau khi có kết quả làm thực nghiệm,
sử dụng phẩn mềm Modde để phân
tích ảnh hưởng các biến độc lập đến
hiệu suất phản ứng (biến phụ thuộc)
bằng thiết lập phương trình hồi quy bậc
2 về mối tương quan giữa biến phụ
thuộc và biến độc lập Phương trình có
dạng:
Y = b0+b1X1+b2X2+b3X3+b4X4+b1(X1)2+
b2(X2)2+b3(X3)2+b4(X4)2+b1,2,3,4(X1 X2 X3 X4)
Ngoài ra, phần mềm còn đưa ra dự
đoán các điều kiện tối ưu để hiệu suất
phản ứng cao nhất (Y = max) Sau khi
thu được điều kiện tối ưu từ phần mềm,
làm lại thí nghiệm để thẩm định kết quả
tối ưu
* Phương pháp xác định độ tinh khiết
và cấu trúc hóa học:
- Sơ bộ kiểm tra độ tinh khiết của sản phẩm bằng sắc ký lớp mỏng và đo nhiệt
độ nóng chảy
- Xác định cấu trúc của amantadin HCl tổng hợp dựa vào phân tích phổ tử ngoại (UV), phổ hồng ngoại (IR) và phổ khối lượng (MS), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H - NMR và 13C - NMR)
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ
BÀN LUẬN
1 Kết quả thiết kế thí nghiệm và thực nghiệm
Các biến độc lập sau khi đưa vào phần mềm thiết kế tối ưu Modde 5.0 Phần mềm đưa ra kết quả thiết kế gồm 27 thí nghiệm Tiến hành 27 thí nghiệm tổng hợp amantadin HCl theo thiết kế Sau mỗi thí nghiệm, cân xác định khối lượng sản phẩm và tính hiệu suất phản ứng
Trang 4Bảng 2: Kết quả thiết kế thí nghiệm và thực nghiệm thu được
(Y)
Sau khi nhập kết quả thực nghiệm vào phần mềm Modde 5.0, nhận được phương trình hồi quy như sau: Y = 57,63 - 1,66X 1 - 1,90X 2 + 7,43X 3 + 1,52X 4 + 2,14X 2
Trang 50,47X 2 X 3 - 1,81X 3 X 4 phương trình có hệ số tương quan R2 = 0,991 Điều này chứng tỏ mối tương quan chặt chẽ giữa các biến đầu ra theo phương trình hồi quy tìm được Phần mềm cũng đưa ra mặt đáp về ảnh hưởng các biến độc lập (yếu tố khảo sát) đến
hiệu suất phản ứng (hình 1).
nhiet = 110 nhiet = 120 nhiet = 130
Investigation: toi uu hoa kt cua tham (MLR) 4D Response Surface of hieusuat
tgian = 6
Nhiet = 110 Nhiet = 120 Nhiet = 130
Investigation: Untitled (MLR) 4D Response Surface of hieu suat
tgia = 7.5
Investigation: toi uu hoa kt cua tham (MLR) 4D Response Surface of hieusuat
tgian = 9
Hình 1: Hình ảnh mặt đáp về ảnh hưởng của yếu tố đầu vào đến hiệu suất phản ứng
Trang 6Kết quả phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến hiệu suất phản ứng được
thể hiện ở hình 2
50
55
60
65
8 9 10 11 12
ty le NaOH
50 55 60 65
110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130
Nhiet
54 56 58 60
tgia
50 55 60 65
ty le Pg
Hình 2: Mặt đáp tối ưu thực nghiệm các yếu tố đầu vào tới hiệu suất
Phân tích ảnh hưởng yếu tố kết hợp
và từng yếu tố độc lập ở hình 1 và 2 cho
thấy: khi tăng nhiệt độ, hiệu suất phản
ứng tăng lên nhiều Tăng tỷ lệ mol NaOH,
hiệu suất giảm đi nhưng giảm ít hơn Tỷ
lệ mol PG cũng ảnh hưởng tới hiệu suất
phản ứng, khi tăng PG thì hiệu suất phản
ứng lại giảm Khi kéo dài thời gian đến
7,5 giờ, hiệu suất tăng lên, nhưng kéo dài
hơn nữa thì hiệu suất lại có xu hướng
giảm Trong 4 yếu tố khảo sát, mức độ
ảnh hưởng tới hiệu suất được sắp xếp từ
ít tới nhiều như sau: tỷ lệ NaOH < tỷ lệ
PG < thời gian < nhiệt độ
Sau khi phân tích và xác lập mô hình liên quan giữa các biến đầu vào và đầu
ra, phần mềm Modde đã đưa ra giá trị tối
ưu các biến đầu vào, đồng thời dự đoán kết quả thu được của biến đầu ra Cụ thể: điều kiện tối ưu theo phần mềm cho phản ứng tổng hợp amantadin hydroclorid là: nhiệt độ 130oC, tỷ lệ mol PG:NaOH:ADA
là 6,8:7,5:1, thời gian phản ứng 6,6 giờ và hiệu suất phản ứng tổng hợp 69,77% Tiến hành thực nghiệm với các điều kiện tối ưu trên để kiểm chứng lại kết quả
dự đoán trên phần mềm Modde 5.0 đưa ra
Bảng 3: Kết quả thực nghiệm kiểm tra kết quả tối ưu hóa
Hiệu suất phản ứng (%)
Mẻ
Nhiệt độ nóng chảy
Trang 7Kết quả thực nghiệm tiến hành phản
ứng theo các điều kiện dự đoán của phần
mềm tối ưu cho thấy: hiệu suất của phản
ứng đạt 71,60% (dự đoán của phần mềm
69,77%) Như vậy, sự khác biệt giữa dự
đoán của phần mềm và thực nghiệm
không có ý nghĩa thống kê (p > 0,05)
Do đó, có thể sử dụng các điều kiện tối
ưu mà phần mềm đưa ra: tỷ lệ mol
PG:NaOH:ADA là 6,8:7,5:1, phản ứng
được thực hiện trong 6,6 giờ ở 1300C
Khi đó hiệu suất phản ứng đạt 71,60%
* Thiết lập quy trình tổng hợp:
Với các điều kiện tối ưu hóa do phần
mềm đưa ra, chúng tôi xây dựng quy trình
tổng hợp amantadin HCL quy mô phòng
thí nghiệm như sau: cho 9,65 g (0,05 mol)
N-(1-adamantyl)acetamid vào 25 ml
propylen glycol trong bình cầu 3 cổ và
đun trên bếp khuấy từ gia nhiệt, khuấy
đều cho đến khi tan hoàn toàn Thêm từ
từ 15 g NaOH và 7,5 ml H2O đồng thời
khuấy đều Đun hồi lưu cách dầu ở nhiệt
độ 130oC trong thời gian 6,6 giờ Sau khi
kết thúc phản ứng, thêm 75 ml nước, lắc
đều Chiết bằng dicloromethan 3 lần (75
ml, 50 ml, 25 ml) Gộp dịch chiết, lấy phần
dịch chiết dicloromethan, rửa lại 3 lần với
nước (75 ml, 50 ml, 25 ml) Cô bốc hơi bớt
dicloromethan còn khoảng 50 ml, sau đó
cho thêm dung dịch HCl 18,5% hết 40 ml
Khuấy đều trên máy từ 1 giờ ở 500C để
amantadin base chuyển sang dạng muối
clorid hoàn toàn Chiết lấy pha nước và
đem cô bốc hơi hoàn toàn dưới áp suất
giảm thu được amantadin hydroclorid thô
Kết tinh lại trong ethanol 96% theo tỷ lệ
2 g/1 ml, sấy khô ở nhiệt độ 60oC trong
vòng 1 giờ, thu được 9,39 g amantadin
HCl
2 Kết quả xác định độ tinh khiết, nhận dạng cấu trúc hóa học và kiểm nghiệm sản phẩm.
Kết quả xác định độ tinh khiết của mẫu thu được gồm:
- Đo điểm chảy: nhiệt độ chảy của sản
phẩm amantadin HCl không chảy khi đo đến 360oC, kết quả phù hợp với tài liệu công bố [4]
- Số liệu phân tích phổ:
+ Phổ IR (KBr), (cm-1): 3458 (NH2);
3048 (CH); 1360 (C-N)
+ Phổ MS, m/z: 151,1[M-HCl]+; 135 [M-NH2.HCl] +.
+ Phổ 1H-NMR (500 MH, CDCl2), δ (ppm): 8,263(bs,s, 3H, NH2.Cl); 2,143(s, 3H, C3-H, C5-H và C7-H); 2,033(s, 6H, C4-H2,C6-H và C9-H2); 1,681-1,641(m, 6H, C2-H2, C8-H2, C10-H2)
+ Phổ 13C-NMR (D2O), δ (ppm): 52,456(C1); 40,099(C3+C5 và C7); 34,949(C2+C8 và C10); 28,876(C4+C6 và C9)
Từ kết quả đo điểm chảy và phân tích phổ IR, MS,1H - NMR và 13C - NMR của hợp chất tổng hợp được và chất chuẩn, chúng tôi kết luận amantadin HCl tổng hợp được tinh khiết và có cấu trúc đúng như dự kiến
- Chất lượng của amantadin HCl tổng hợp được: kiểm nghiệm theo Dược điển
Mỹ 37 (USP 37) Kết quả mẫu gửi kiểm nghiệm đạt yêu cầu chất lượng USP 37, với phiếu trả lời kết quả kiểm nghiệm số 1226/VKN-YC2015 ngày 14 tháng 09 năm 2015 của Viện Kiểm nghiệm Thuốc Thành phố Hồ Chí Minh
Trang 8KẾT LUẬN
Đã ứng dụng phần mềm tin học
Modde 5.0 để thiết kế thí nghiệm và tối
ưu hóa các điều kiện trong quy trình tổng
hợp amantadin hydroclorid từ chất trung
gian N-(1-adamantyl)acetamid Kết quả:
đã tìm được điều kiện tối ưu cho tổng
hợp amantadin hydroclorid gồm:
EG:NaOH:ADA là 6,8:7,5:1; nhiệt độ phản
ứng 1300C; thời gian phản ứng 6,6 giờ
Với các điều kiện tối ưu tìm được hiệu
suất của cả quy trình đạt 71,60% Sản
phẩm amantadin hydroclorid thu được đạt
các chỉ tiêu chất lượng theo Dược điển
Mỹ 35 (USP 35) với phiếu kiểm nghiệm
số 1226/VKN-YC2015 ngày 14 tháng 09
năm 2015
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 George K. Method for the synthesis of adamantane amines US pat 5599998A 1997
2 Haaf W Process for production of N-tert alkyl amines and if desired N-N-tert alkyl amines US Pat 3152180 A 1964
3 Hubsher G et al Amantadine: The journey from fighting flu to treating Parkinson disease Neurology 2012, Vol 78, No 14, pp.1096-1099
4 Moiseeve IK, Doroshenko RI, Ivanova
VI Synthesis of amantadine via the of 1-adamatanol Khimico-Farmatsevticheskii
Zhurnal 1976, Vol 10, No 4, pp.32-33
5 Sartorius Stedim Biotech Company User guide Bio Pat Modde 5.0 2013