“TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH SINH HỌC CÁC ANALOG CỦA BENGAMIDE A VÀ E”.TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

Chính bởi vậy, tổng hợp hữu cơ là phương án lựa chọn hiệu quả trong việc tạo nguồn hoạt chất với lượng lớn hơn để phục vụ các nghiên cứu hoạt tính sinh học, cũng như việc đảm bảo khả năn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

PHÍ THỊ ĐÀO

“TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH SINH HỌC CÁC

ANALOG CỦA BENGAMIDE A VÀ E”

Chuyên ngành : Hóa hữu cơ

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

Hà Nội - 2018

Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS.Habil Phạm Văn Cường

2 TS Đoàn Thị Mai Hương

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến

sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ’, ngày … tháng … năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1 Thi Dao Phi, Huong Doan Thi Mai, Van Hieu Tran, Bich

Ngan Truong, Tuan Anh Tran, Van Loi Vu, Van Minh Chau, Van

Cuong Pham Design, synthesis and cytotoxicity of bengamide analogues and their epimers Med Chem Commun, 2017,8, 445-451

2 Thi Dao Phi, Huong Doan Thi Mai, Van Hieu Tran, Van

Loi Vu, Bich Ngan Truong, Tuan Anh Tran, Van Minh Chau and

Van Cuong Pham Synthesis of bengamide E analogues and their cytotoxic activity Tetrahedron Letters 2017, 58, 1830-1833

3 Phi Thi Dao, Doan Thi Mai Huong, Le Thi Phuong, Chau Van

Minh, Pham Van Cuong Synthesis of methyl ethylidene)-6,7,8,9-tetradeoxy-D-gulo-6-nonenonic acid (6E)- -

8-methyl-2-O-methyl-3,5-O-(1-lactone Vietnam Journal of Chemistry, 2015,53 (2e), 154-157

4 Phi Thi Dao, Doan Thi Mai Huong, Vu Van Loi, Chau Van

Minh, Pham Van Cuong Microwave-assisted synthesis of lactams from amino acids Vietnam Journal of Chemistry, 2015, 53 (2e), 198-201

5 Phi Thi Dao, Vu Van Loi, Nguyen Thi Bich, Doan Thi Mai

Huong, Nguyen Hien, Chau Van Minh, Pham Van Cuong Synthesis

of N-alkyl amino lactam derivatives Journal of Science and Technology, 2016, 54 (2C), 291-298

6 Phí Thị Đào, Đoàn Thị Mai Hương, Vũ Văn Lợi, Châu Văn

Minh, Phạm Văn Cường. Nghiên cứu quy trình tổng hợp và hoạt tính

gây độc tế bào của hợp chất

(2R,3R,4S,5R,6E)-3,4,5-trihydroxy-2-methoxy-8,8-dimetyl-N-((S)-2-oxoazepan-3-yl)non-6-enamide Tạp chí Hóa học, 2016, 54 (6e2),62-65

7 Phí Thị Đào, Đoàn Thị Mai Hương, Vũ Văn Lợi, Nguyễn

Thị Huệ, Phạm Văn Cường In vitro cytotoxic and antimicrobial

activities of some bengamide derivatives Tạp chí Hóa học 2017

55(3), 342-347

8 Giải pháp hữu ích Phương pháp tổng hợp các dẫn xuất của bengamit Đã được chấp nhận đơn hợp lệ

I GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1 Đặt vấn đề

Các hợp chất thiên nhiên được phân lập từ các loài thực vật trên đất liền đã được nghiên cứu từ rất lâu và đã thu được nhiều thành công Tuy nhiên, nghiên cứu về các hợp chất thiên nhiên biển mới chỉ được bắt đầu

từ khoảng giữa thế kỷ trước Hiện nay, các hợp chất thiên nhiên biển đang được biết đến như một nguồn dược liệu đầy triển vọng và nhiều các hợp chất có hoạt tính sinh học cao với cấu trúc phức tạp đã được phát hiện từ các loài sinh vật biển khác nhau Khó khăn trong việc thu mẫu lượng lớn và đòi hỏi kinh phí cao là một trong những trở ngại đối với các nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học các hợp chất thiên nhiên biển Chính bởi vậy, tổng hợp hữu cơ là phương án lựa chọn hiệu quả trong việc tạo nguồn hoạt chất với lượng lớn hơn để phục vụ các nghiên cứu hoạt tính sinh học, cũng như việc đảm bảo khả năng ứng dụng của chúng Nhiều hoạt chất có nguồn gốc thiên nhiên biển đóng vai trò như chất dẫn đường

để từ đó các nhà khoa học tạo ra các dẫn xuất mới có hoạt tính sinh học cao hơn Lớp chất bengamides được phân lập từ hải miên biển được biết đến có hoạt tính chống ung thư rất tiềm năng Tuy nhiên, độ kém ổn định

về mặt cấu trúc là một trong các nguyên nhân hạn chế khả năng ứng dụng của lớp chất này Nhằm khắc phục hạn chế này của lớp chất bengamides, trong khuôn khổ luận án này, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Tổng hợp và khảo sát hoạt tính sinh học các analog của bengamide A và E”

2 Mục tiêu của luận án

Xây dựng quy trình tổng hợp các analog của bengamide A và E, tiến hành đánh giá hoạt tính sinh học của các analog tổng hợp được

3 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp mới của luận án 3.1 Ý nghĩa khoa học

- Luận án đã đóng góp tổng hợp được các analog mới của bengamide

A và E

- Ứng dụng phương pháp chiếu xạ vi sóng trong tổng hợp hữu cơ

3.2 Những đóng góp mới của luận án

Đã tổng hợp được 30 analog của bengamide A và E trong đó có

16 analog của bengamide E, 4 analog bengamide A và 10 hợp chất có chứa flo

Đã xây dựng được quy trình tổng hợp lập thể của các analog của bengamide A và E

Đã sử dụng phương pháp chiếu xạ vi sóng trong phản ứng đóng vòng nội phân tử acid amine, phản ứng bảo vệ nhóm chức amine bậc 1

và phản ứng kết nối chuỗi ketide và aminolactam giúp rút ngắn thời gian phản ứng, nâng cao hiệu suất phản ứng

Đã khảo sát hoạt tính gây độc tế bào của các analog tổng hợp

được trên các dòng tế bào ung thư thử nghiệm (Lu, NCI-H1975, A549,

MCF7, MDA-MB-231, HepG2, Hep3B, KB, HL60 và Hela) trong đó nhiều analog thể hiện hoạt tính mạnh với IC50 < 1µM Đã khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định của một số analog trên 7 chủng gram (+), gram (-) và nấm men Kết quả cho thấy một số analog cũng có hoạt tính với chủng gram (+)

4 Bố cục của luận án

Luận án dày 153 trang với 25 bảng số liệu, 65 hình và 57 tài liệu tham khảo được bố cục như sau:

Mở đầu: 2 trang

Chương 1: Tổng quan 32 trang

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu 64 trang Chương 3: Kết quả và thảo luận 41 trang

Kết luận, kiến nghị: 2 trang

Ngoài ra, luận án còn có phần phụ lục gồm các phổ của các analog bengamide tổng hợp được

II NỘI DUNG LUẬN ÁN

từ tự nhiên Các phương pháp tổng hợp các analog của bengamide và hoạt tính sinh học của chúng

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

Phương pháp nghiên cứu gồm 4 trang mô tả các phương pháp tổng hợp hữu cơ, các phương pháp xác định cấu trúc hóa học và các phương pháp thử hoạt tính sinh học

Thực nghiệm gồm 64 trang mô tả chi tiết quy trình tổng hợp các analog bengamide Các tính chất vật lý và số liệu phổ của các chất tổng hợp được Chúng tôi đã đưa ra phương pháp tổng hợp các dãy chất sau:

- Tổng hợp chuỗi ketide

- Tổng hợp các dẫn suất thế N-ankyl aminolactam vòng 6 và vòng 7

- Tổng hợp các analog của bengamide A và E

- Tổng hợp các analog bengamide chứa flo

Đã thử hoạt tính gấy độc tế bào của 30 analog tổng hợp được trên 10 dòng

tế bào (Lu1, NCI-H1975, A549, MCF7, MDA-MB-231, HepG2, Hep3B,

KB, HL60 và Hela) Đã thử hoạt tính kháng vi sinh vật kiểm định trên 7 chủng gram (+), gram âm (-) và nấm men

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Các nghiên cứu đã công bố về tổng hợp và đánh giá hoạt tính ức chế tế bào ung thư đối với các analog của bengamide cho thấy sự biến đổi cấu trúc của khung bengamide ảnh hưởng mạnh đến hoạt tính sinh học Đặc biệt, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự có mặt của các nhóm hydroxyl và cấu hình của C-3, C-4 và C-5 của chuỗi ketide đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với hoạt tính gây độc tế bào của lớp chất này Nhằm nghiên cứu mối tương quan giữa cấu trúc – hoạt tính gây độc tế bào của các analog bengamide, trong khuôn khổ luận án này, việc biến đổi cấu trúc khung bengamide được thực hiện theo các hướng sau: i) thay

thế nhóm isopropyl bằng nhóm nhóm tert-butyl tạo các chất có cấu trúc

ổn định hơn do tránh được sự dịch chuyển nối đôi từ C-7/C-8 sang vị trí C-8/C-9 (isomer hóa); ii) thay đổi cấu hình của cacbon C-2’ của vòng

lactam tạo các cặp đồng phân diastereomer, qua đó có thể đánh giá ảnh

hưởng của cấu hình C-2’ đến hoạt tính; iii) N-alkyl hóa nhóm amide của

vòng lactam, iv) tổng hợp một số analog với nhóm hydroxyl tại C-5’; v) thay đổi kích cỡ vòng lactam; vi) thay thế phần olefin cuối mạch bằng nhóm FCH2-CH(OH)- nhằm đánh giá vai trò của phần cấu trúc olefin cuối mạch (Hình 3.1)

Hình 3.1 Định hướng các biến đổi trên khung bengamide

Quy trình tổng hợp các analog mới của bengamide được thực hiện

từ chất thương mại α-D-glucoheptonic γ-lactone và các acid amine ornithine monohydrochloride, D-ornithine monohydrochloride, L-lysine,

(L-D-lysine và D,L-5-hydroxylysine hydrochloride) qua 3 giai đoạn chính 3.1 Tổng hợp chuỗi ketide

Quá trình tổng hợp ketide BG5 được thực hiện với việc sử dụng

hợp chất đầu đã được thương mại hóa, α-D-glucoheptonic γ-lactone

(Hình 3.2) Phản ứng acetonide hóa tạo ra BG1 sử dụng tác nhân acetone

với xúc tác acid sulphuric cho hiệu suất là 67,8 %

Hình 3.2 Sơ đồ phản ứng tổng hợp ketide BG5

Thủy phân chọn lọc một nhóm isopropylidene của BG2 bằng

acid acetic thu được hợp chất BG3 với hiệu suất phản ứng đạt 85%

Nghiên cứu phản ứng oxy hóa cắt mạch diol với tác nhân NaIO4 trong hỗn hợp các loại dung môi khác nhau cho thấy với việc sử dụng 1,2 eq NaIO4 trong hỗn hợp dung môi MeCN và H2O tỷ lệ 4/1 (v/v) thu được

sản phẩm aldehyde BG4 với hiệu suất phản ứng cao nhất (91%)

Phản ứng cuối cùng là quá trình olefin hóa aldehyde BG4 Phản

ứng được nghiên cứu việc sử dụng tác nhân (P(t-Bu)3HBF4) (1,5 - 3 eq) với sự có mặt của TEA, potassium t-butoxide ((CH3)3COK) hoặc với NaH (1,5 eq) trong dung môi THF ở nhiệt độ phòng trong thời gian từ 3

– 24 h Tuy nhiên các phản ứng trên đều không tạo thành sản phẩm BG5

Phản ứng sau đó được thực hiện thành công theo phương pháp của Takai (Takai reaction) với việc sử dụng tác nhân 1,1-diiodo-2,2 dimethylpropane và CrCl2 Kết quả nghiên cứu cho thấy, phản ứng sử dụng tác nhân 1,1-diiodo-2,2 dimethylpropane từ hãng Aldrich, hợp chất

ketide BG5 tạo thành với hiệu suất cao nhất đạt 45% Trong khi đó, hợp chất ketide BG5 thu được với hiệu suất cao hơn nhiều (73%), khi phản

ứng được thực hiện với tác nhân 1,1-diiodo-2,2 dimethylpropane tự tổng

hợp Cơ chế của phản ứng oxi hóa cắt mạch BG3 và sự hình thành BG5

từ BG4 với việc sử dụng phản ứng Takai được trình bày trong hình dưới

đây

Hình 3.3: Cơ chế phản ứng tổng hợp BG5

Theo đó, trong phản ứng oxi hóa với NaIO4 thì mức oxi hóa của iodine chuyển từ +7 (NaIO4) xuống +5 (NaIO3) Đối với phản ứng tổng hợp olefin theo Takai, đây là sự kết hợp giữa các aldehyde và dihaloalkan geminal để tạo thành olefin Trong phản ứng này Cr (II) đã

bị oxy hóa thành Cr (III) khi thay thế cả hai nguyên tử halogen Các geminal carbodianion hình thành phản ứng với aldehyde tạo thành anken Công thức cấu tạo của các chất được xác định dựa vào số liệu phổ

MS, 1H-NMR, 13C-NMR.và so sánh với tài liệu đã được công bố

α-cộng sự, phản ứng đóng vòng tạo BG14a từ L-lysine trong điều kiện đun

khuấy thông thường cho hiệu suất đạt 95% với thời gian thực hiện phản ứng là 48 h Trong một nghiên cứu khác, Blade-Front công bố quy trình

tổng hợp BG14a đạt hiệu suất 70% trong thời gian ngắn hơn (20 h) với

việc sử dụng tác nhân Al2O3 trong hỗn hợp toluene/pyridine Ngoài ra,

phản ứng tổng hợp BG14a từ L-lysine còn được thực hiện trong điều

kiện nhiệt độ và áp suất cao với hiệu suất sản phẩm đạt 88%

Để khắc phục những nhược điểm sử dụng tác nhân đắt tiền, độc hại, thời gian thực hiện phản ứng dài hoặc thực hiện phản ứng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, chúng tôi đã nghiên cứu phản ứng đóng vòng nội phân tử các acid amine với sự trợ giúp của vi sóng Theo đó,

hợp chất α-aminocaprolactam (BG14a) đạt hiệu suất 79% từ L-lysine với

điều kiện phản ứng được thực hiện trong ethylene glycone dưới chiếu xạ

của vi sóng ở 284 W trong vòng 1 h Trong khi đó, hiệu suất BG14a tạo

thành thấp hơn (48%) nếu thực hiện phản ứng trong dung môi butanol

Áp dụng điều kiện phản ứng tương tự, hợp chất BG14b được tổng hợp

với hiệu suất 82% từ D-lysine Đối với việc tổng hợp các hợp chất amino

lactam vòng 6 cạnh BG6a và BG6b, dưới sự chiếu xạ của vi sóng ở 284

W trong khoảng thời gian 60 phút trong ethylene glycol với sự có mặt của pyridine đạt hiệu suất 55,6% Khi thay thế pyridine bằng dung dịch NaHCO3 10% và thực hiện phản ứng tương tự với sự trợ giúp của vi

sóng, hợp chất amino lactam BG6a thu được đạt hiệu suất 78% Áp dụng quy trình tương tự, hợp chất amino lactam BG6b được tổng hợp với hiệu

suất 72% từ D-ornithine hydrochloride

3.2.2 Phản ứng tổng hợp các chất rac-BG22a và rac- BG22b

(i): dd NaHCO 3 10%, ethylen glycon, pyridine, MW, 284W, 1h

(ii): (Boc) 2 O (1eq), TEA, THF, H 2 O, rt, 3h

Do các đồng phân quang học của 5-hydroxylysine không còn được thương mại hóa, nên các đồng phân 6-hydroxycaprolactam được điều chế

từ hỗn hợp racemic của 2 đồng phân diastereomer của hợp chất hydroxylysine Theo đó, phản ứng đóng vòng nội phân tử của hỗn hợp

5-D,L-5-hydroxylysine hydrochloride được thực hiện với sự chiếu xạ vi

sóng ở công suất 284 W trong thời gian 60 phút tạo thành hỗn hợp

racemic của 2 đồng phân diastereomer rac-BG22a và rac-BG22b Hỗn

hợp sản phẩm được tinh chế trên cột silica gel với hệ dung môi acetone/H2O/NH4OH tỷ lệ 9/1/0,1 thu được các hợp chất racemic rac- BG22a (53%, Rf = 0,49) và rac-BG22b (39%, Rf = 0,34) Do không thể

xác định trực tiếp cấu hình tương đối tại C-3 và C-6 của rac-BG22a và

rac-BG22b, nên các hợp chất này được chuyển hóa thành dẫn xuất

N-Boc nhằm so sánh với dữ liệu phổ NMR đã được công bố Phản ứng của

từng hợp chất rac-BG22a và rac-BG22b với tác nhân Boc2O được thực hiện trong hỗn hợp dung môi THF/HO với sự có mặt của TEA tạo ra các

hợp chất rac-BG23a và rac-BG23b tương ứng So sánh với dữ liệu phổ

NMR đã công bố cho thấy rac-BG23a có cấu hình 3,6-trans (3S*,6S*) Như vậy cấu hình 3,6-cis (3S*,6R*) được xác định cho hợp chất rac- BG23b Từ đó cho phép xác định cấu hình 3,6-trans (3S*,6S*) và 3,6-cis (3S*,6R*) tương ứng cho các hợp chất rac-BG22a và rac-BG22b 3.2.3 Phản ứng tổng hợp các N-ankylaminolactam

3.2.3.1 Phản ứng bảo vệ nhóm chức amine của các 2-aminolactam

Để bảo vệ nhóm chức amine bậc 1, các hợp chất 3-aminolactam

được cho phản ứng với anhydride phthalic Phản ứng giữa BG6a và

anhydride phthalic được thực hiện trong acid acetic ở nhiệt độ 100 oC

trong 6 giờ thu được hợp chất BG7a với hiệu suất thấp (30%) Sau đó thực hiện phản ứng với sự trợ giúp của vi sóng hợp chất BG7a thu được

với hiệu suất cao hơn (53%) và thời gian ngắn hơn (1 giờ) Sử dụng điều kiện phản ứng tương tự dưới sự chiếu xạ vi sóng, nhóm amine của các

hợp chất BG6b, BG14a và BG14b cũng được bảo vệ, thu được các hợp chất BG7b, BG15a và BG15b với hiệu suất trong khoảng 52 – 57%

a) anhydride phthalic, CH3COOH, rây phân tử 4Ǻ, MW, 284 W, 1 h

3.2.3.2 Phản ứng N-alkyl hóa các hợp chất

Sau khi bảo vệ nhóm amine bậc 1, phản ứng alkyl hóa được thực hiện lần lượt với các tác nhân alkylhalogen, (bromomethyl)cyclohexane,

benzyl bromide và cinnamyl bromide Hợp chất BG7a được lựa chọn cho

việc nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện phản ứng Phản ứng giữa BG7a và

(bromomethyl)cyclohexane, benzyl bromide hoặc cinnamyl bromide không tạo ra sản phẩm N-alkyl mong muốn khi sử dụng các tác nhân kiềm

như K2CO3, KOH hay NaH trong các dung môi DMF hoặc THF Tuy nhiên, khi phản ứng được thực hiện trong dung môi DMSO, sự hình thành các sàn

phẩm N-alkyl mong muốn BG8a-BG10a đã được ghi nhận Kết quả cho

thấy việc sử dụng dung môi DMSO và tỷ lệ tác nhân KOH (2 eq), K2CO3 (2 eq) và KI (1 eq) ở nhiệt độ 50 – 60 oC cho hiệu suất phản ứng cao nhất Sử

dụng điều kiện phản ứng tương tự, các hợp chất N-alkyl khác đã đuợc tổng

hợp với hiệu suất 45 - 55%

(a) (bromomethyl)cyclohexane hoặc (bromomethyl)benzene hoặc cinnamyl bromide, DMSO, KOH, K 2 CO 3 , KI, 23h; (b) hydrazine, MeCN, 1h

Cuối cùng, nhóm bảo vệ được loại bỏ thông qua việc xử lý các hợp

chất BG8a – BG10a, BG8b – BG10b, BG16a – BG18a, BG16b – BG18b với dung dịch hydrazine trong dung môi acetonitrile ở nhiệt độ

phòng thu được các N-ankylaminolactam tương ứng, BG11a-13a,

BG11b-13b, BG19a-21a và BG19b-21b

3.3 Tổng hợp các analog của bengamide E

Quá trình tổng hợp các bengamide được tiến hành thông qua phản ứng kết hợp giữa phần ketide và các aminolactam Thực tế, quá

trình phản ứng mở vòng lactone của ketide BG5 đã được nghiên cứu và

công bố trước đây Theo đó, David D Xu và cộng sự đã nghiên cứu tối

ưu hóa phản ứng của BG5 và amine LAF-A Các tác giả nhận thấy,

trong điều kiện sử dụng tác nhân sodium 2- ethyl hexanoate trong dung

môi THF ở nhiệt độ phòng, sản phẩm LAF-B tạo thành với hiệu suất từ

85 – 92% sau 20 giờ

Hình 3.9 Phản ứng kết hợp của BG5 và LAF-A do David công bố

Phương pháp của David D Xu và cộng sự có ưu điểm là sử dụng tác nhân rẻ tiền, điều kiện êm dịu, tuy nhiên thời gian phản ứng kéo dài (15 - 20 giờ) Trong khuôn khổ luận án này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu sự trợ giúp của vi sóng nhằm rút ngắn thời gian phản ứng

Phản ứng giữa BG5 và BG6a được sử dụng để nghiên cứu tối ưu hóa

điều kiện phản ứng Theo đó, với việc sử dụng sodium 2- ethyl hexanoate trong dung môi THF hoặc 1,4-dioxane, ở nhiệt độ từ 50 – 100 oC, trong

10 đến 24 giờ, hiệu suất sản phẩm BG24a thu được từ 50 – 58% Trong

khi đó, dưới sự chiếu xạ của vi sóng, thời gian phản ứng được rút ngắn

đáng kể và hiệu suất sản phẩm BG24a thu được đạt 87% Như vậy có thể thấy, phản ứng giữa BG5 và BG6a đạt được hiệu suất cao nhất khi sử

dụng 1,2 – 1,5 eq sodium 2- ethyl hexanoate, dưới chiếu xạ vi sóng tại

100 W trong 1 giờ

Bảng 3.7 Điều kiện phản ứng tổng hợp BG24a

Dung môi

sodium 2- ethyl hexanoate

gian

Hiệu suất