Tài liệu Luận án ts nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion

www.DaiHocThuDauMot.edu.vn MỞ ĐẦU Các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học cao đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y dược, nông nghiệp và đời sống. Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng hiện nay được nhiều nhà khoa học nước ta và trên thế giới rất quan tâm là: Từ các hợp chất thiên nhiên ban đầu người ta bán tổng hợp, thay đổi cấu trúc hoá học của chúng để tìm ra các hợp chất mới có hoạt tính và tính chất ưu việt hơn những hợp chất ban đầu. Đó là một trong những con đường khá hiệu quả và kinh tế để tìm ra các loại thuốc mới chữa bệnh cho người, gia súc và cây trồng. Piperazinedion là lớp cấu trúc phổ biến nhất được tìm thấy trong tự nhiên, có nhiều hoạt tính sinh học quý như: Tryprostatins A (1) và B (2) có hoạt tính ức chế khối u [78,79], Cyclotryprostatin A-D (3-6) có hoạt tính ức chế chu kỳ phát triển tế bào động vật có vú [80], Fumitremorgin C (7) là một chất ức chế BCRP/ABCG2 làm kháng trung gian trong hóa trị liệu để điều trị ung thư vú [83], phenylahistin (8) có hoạt tính ức chế trùng hợp tubulin [50,51]... chúng là những hợp chất tiềm năng để phát triển các loại thuốc chống ung thư. Ngoài ra các hợp chất piperazinedion còn có hoạt tính sinh học khác như: kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virut... (bicyclomycin (9); roquefortin C (10)...) [1,75]. Tadalafil (11) là một hợp chất tổng hợp quan trọng có khung piperazinedion có khả năng ức chế enzym PDE5, nên được sử dụng làm thuốc trong điều trị rối loạn sinh lý nam giới và còn được sử dụng để điều trị bệnh tăng huyết áp động mạch phổi [42-44]. Đây là thuốc sắp hết hạn quyền bảo hộ nên được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu tổng hợp, nhằm ứng dụng vào sản xuất thương mại. 1 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Bên cạnh đó, khung piperazinedion còn là các synthon quan trọng được sử dụng trong tổng hợp toàn phần và bán tổng hợp nhiều hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học mạnh như saframycin và eteinascindin… [22, 110]. Do có nhiều hoạt tính sinh học lý thú, việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazindione nhằm tìm kiếm các hợp chất mới có hoạt tính sinh học được nhiều nhà khoa học quan tâm. Do đó đề tài Nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion” rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. HỢP CHẤT PIPERAZINEDION 1.1.1. Giới thiệu chung Piperazinedion (diketopiperazin) là vòng dipeptit thu được bằng cách ngưng tụ hai α-amino axít. Các hợp chất này có rất nhiều trong tự nhiên như là sản phẩm của sự thoái hóa các polypeptit, đặc biệt là trong chế biến thực phẩm và đồ uống. Các tiểu đơn vị này thường được tìm thấy riêng rẽ hoặc được gắn vào cấu trúc lớn hơn, phức tạp hơn trong một loạt các hợp chất tự nhiên phân lập từ: nấm, địa y, vi khuẩn, thực vật và động vật có vú.[1] Hình 1.1: Hợp chất piperazinedion đơn giản Các hợp chất piperazinedion không chỉ là một lớp cấu trúc phổ biến của tự nhiên mà còn có khả năng liên kết với một phạm vi rộng với các thụ thể. Nhờ tính chất đó các piperazinedion là đối tượng cho việc nghiên cứu phát triển thuốc. Cấu trúc của piperazinedion đơn giản nhất là một bộ khung dị vòng 6 cạnh, có thể đưa các nhóm thế vào sáu vị trí khác nhau và kiểm soát lập thể lên tới bốn vị trí [1]. Các hợp chất tự nhiên có chứa nhiều vòng piperazinedion được nghiên cứu về nguồn gốc, phân lập và tổng hợp từ những năm 1975. Cho đến những năm 1990, các hợp chất hóa học và tính chất dược lý của vòng piperazinedion này mới được xem xét nghiên cứu. Đến năm 1993, quá trình tổng hợp, tính chất vật lý, phản ứng hóa học và các ứng dụng của lớp chất này được công bố [1]. 1.1.2. Cấu trúc và cấu hình Các tinh thể và cấu trúc phân tử của các piperazinedion được nghiên cứu kỹ lưỡng, vì những phân tử này là những lớp chất đơn giản nhất của vòng peptit. Chúng chứa 2 liên kết cis-amit, kết quả là có 2 vị trí nhận liên kết H và 2 vị trí cho liên kết H quan trọng để liên kết với các enzym và các thụ thể [76]. 3 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Sự đa dạng phong phú của các cấu trúc có chứa khung piperazinedion là do kết quả của sáu vị trí linh động, trong đó nhóm thế có thể được thêm vào ở bốn vị trí mà cấu hình lập thể của chúng được kiểm soát. Các piperazinedion là các phân tử nửa cứng, mặc dù chúng có cấu hình dị vòng ràng buộc, nhưng chúng rất linh hoạt vì mạch vòng sáu cạnh có thể tồn tại ở cấu hình phẳng hoặc cấu hình thuyền, chỉ khác biệt một vài kcal/mol năng lượng giữa hai cấu hình này [76]. Hình 1.2: Cấu hình của một số piperazinedion đơn giản Cấu hình của vòng piperazinedion không thế (Gly-Gly) (16, R = H) đã là đối tượng của nhiều nghiên cứu. Cấu trúc tinh thể của vòng (Gly-Gly) lần đầu tiên được chứng minh bởi Corey vào năm 1938 và được chứng minh là phẳng ở trạng thái rắn. Bằng phương pháp cộng hưởng từ (NMR) khi nghiên cứu vòng (Gly-Gly) đã đưa ra chi tiết pha lỏng phù hợp với một trong hai cấu trúc phẳng hoặc nhanh chóng chuyển thành cấu trúc thuyền. Gần đây, khi phân tích quang phổ dao động và tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) phù hợp với ý kiến cho rằng vòng (Gly-Gly) có cấu hình phẳng ở trạng thái lỏng và rắn. Một nghiên cứu mới từ các chi tiết quang phổ vi sóng vòng (Gly-Gly) ở thể khí cho thấy rằng các phân tử trong trạng thái tách riêng không ở cấu trúc phẳng giống như kết luận bằng phương pháp X-Ray là một dáng thuyền. Điều này được chứng minh ngay từ đầu khi tính toán phổ dao động và điện tử của vòng (Gly-Gly) trong pha khí, khi cấu hình của dạng thuyền (15, R = H) được xác định là cấu trúc có năng lượng thấp nhất và cấu trúc phẳng (16, R = H) được tìm thấy là một trạng thái chuyển tiếp (hình 1.2). Sự khác biệt về năng lượng giữa dạng cấu hình dạng thuyền và phẳng được tìm thấy là nhỏ (khoảng 1,3-1,7 kcal/mol), điều này cho thấy rằng các lực bên ngoài từ môi trường tinh thể hoặc lỏng có thể là đủ để hình thành một cấu trúc phẳng. Điều này cũng đúng cho các cis-piperazinedion thế hai lần đối xứng. Một nghiên cứu hóa học lượng tử hệ thống gần đây của 20 chất trong số này cho thấy rằng cấu trúc năng lượng thấp nhất là dạng thuyền, trong một môi trường không bị hạn chế bởi các lực tinh thể. 4 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Hầu hết các cấu trúc tinh thể được biết hiện có 2, 3 và 4 nhóm thế. Một số nghiên cứu trong dung dịch và ở trạng thái rắn đã chỉ ra rằng các vòng piperazinedion trong các hợp chất cis- thế 2 lần và cis- thế 3 lần thường ở dạng thuyền hoặc vặn thuyền, đặc biệt là khi các nhóm thế là nhóm arylmetyl (17). Điều này được xác nhận gần đây bởi các cấu trúc X-ray cho các piperazinedion thế 2, 3 lần như vòng (L-MetL-Met), vòng (L-Asp-L-Asp), vòng (L-Glu-L-Glu) và vòng (L-Ala-L-Ala)…. 1.1.3. Hoạt tính sinh học Có rất nhiều chất có hoạt tính sinh học chứa khung piperazinedion bắt nguồn từ các hợp chất tự nhiên cũng như tổng hợp. Những phân tử nhỏ, có cấu hình cứng nhắc và khung bất đối có cả chức năng là chất nhận và chất cho liên kết H, có nhiều vị trí cho sự phát sinh cấu trúc của các nhóm chức đa dạng với lập thể xác định. Những đặc điểm này cho phép chúng liên kết ái lực cao với nhiều thụ thể, thể hiện đa dạng hoạt tính sinh học. Từ đó cho phép phát triển các tính chất hóa lý cần thiết của một thuốc, trong quá trình tối ưu một chất dẫn đường thành một thuốc. 1.1.3.1. Hoạt tính ức chế ung thƣ Trên thế giới có rất nhiều các công trình nghiên cứu tổng hợp và tách chiết các dẫn xuất piperazinedion nhân tryptophan-prolin piperazinedion được công bố như: tryprostatin A và B, fumitremorgin C, spirotryprostatin A và B, cyclotryprostatin AD,... đây là các hợp chất ban đầu cho sự phát triển của các loại thuốc chống ung thư. Năm 1995, Cheng-Bin Cui và cộng sự đã phân lập các tryprostatin A (1) và B (2) (hình 1.3) từ chủng nấm biển Aspergillus fumigatus có hoạt tính kháng u mạnh. Tryprostatin B là một chất ức chế chu kỳ tế bào động vật có vú, trong khi tryprostatin A là một chất ức chế các protein kháng đa thuốc (BCRP/ABCG2) trong hóa trị liệu điều trị ung thư vú [77,79]. Tryprostatin A và B ức chế hoàn toàn chu kỳ phát triển tế bào tsFT210 trong giai đoạn G2/M ở nồng độ tương ứng là 50µg/ml và 12,5µg/ml [77]. Hình 1.3: Các hợp chất tryprostatin. 5 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Cũng trong năm đó, Osada và cộng sự đã phân lập thành công Fumetrimorgin C và Demetoxyfumetrimorgin C (hình 1.4) từ chủng nấm Aspergillus fumigatus, hợp chất này là một dẫn xuất vòng của tryprostatin A (1) và nó cũng là một chất ức chế protein đa kháng thuốc (BCRP/ABCG2) trong hóa trị liệu điều trị ung thư vú [83]. Hình 1.4: Chất ức chế BCRP fumitremorgin. Fumitremorgin C (7) và demetoxifumitremorgin C (19) là chất ức chế mạnh và chọn lọc của sự vận chuyển đa thuốc (BCRP/ABCG2). Nó ức chế hoàn toàn và làm đảo ngược đối kháng BCRP ở nồng độ μM. Tuy nhiên, fumitremorgin C là chất độc thần kinh, gây co giật ở chuột và các loài động vật khác thông qua độc tính với hệ thống thần kinh trung ương, vì thế nó không được thử nghiệm in vivo. So sánh giữa Fumitremorgin C và demetoxi-Fumitremorgin C cho thấy, nhóm thế 6-metoxi trên indol là cần thiết, trong khi demetoxiFumitremorgin C không bão hòa ít hoạt động hơn dẫn chất có mạch bên bão hòa [83]. Năm 1997, Cheng-Bin Cui và cộng sự đã phân lập được 4 hợp chất piperazinedion khác là Cyclotryprostatin A-D (3-6) (hình 1.5) từ nấm Aspergillus fumigatus và thăm dò hoạt tính sinh học của chúng. Kết quả cho thấy, cả 4 hợp chất này đều có tác dụng ức chế giai đoạn G2/M của chu kỳ tế bào động vật có vú [80]. Hình 1.5: Cấu trúc của các cyclotryprostatins A-D Các chất Cyclotryprostatin A-D đều thể hiện hoạt tính kháng ung thư vú, chúng ức chế sự phát triển tế bào tsFT210 tại giai đoạn G2/M với giá trị IC50 tương ứng: 6 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn 5,6µM (3); 19,5µM (4); 23,4µM (5) và 25,3µM (6). Các chất này có thể sử dụng rất tốt trong hóa trị liệu ung thư và cũng là cung cấp bằng chứng hữu ích trong việc làm sáng tỏ cơ chế chu kỳ tế bào [80]. Trước đó vào năm 1996, Cheng-Bin Cui và cộng sự đã phân lập được 2 hợp chất piperazinedion mới là Spirotryprostatin A (20) và B (21) (hình 1.6) từ các chất chuyển hóa thứ cấp của nấm Aspergillus fumigatus, có hoạt tính ức chế chu trình tế bào và là tác nhân chống khối u. Hình 1.6: Cấu trúc của spirotryprostatin A và B Hoạt tính ức chế chu kì tế bào của spirotryprostatin A và B đã được thử nghiệm trên tế bào tsFT210 của chuột. Spirotryprostatin A ức chế hầu hết các phần của tế bào tsFT210 trong pha G2/M với nồng độ 253,2 µM. Trong đó spirotryprostatin B ức chế hoàn toàn sự tiến triển chu kỳ tế bào của các tế bào tsFT210 trong pha G2/M ở nồng độ trên 34,4µM [81,82]. Cấu trúc phức tạp và hoạt tính sinh học thú vị của các sản phẩm tự nhiên này làm cho các spirotryprostatin là mục tiêu tổng hợp hấp dẫn. Năm 2010, Alessia Bertamino và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp các dẫn xuất của Spirotryrostatin A để nhận được các dẫn xuất 22a-c, 23a-c, 24a-c (hình 1.7) và thử hoạt tính sinh học của chúng. Kết quả cho thấy các hợp chất 4 hợp chất 22a, 23a-c có hoạt tính chống lại tế bào MCF-7 với giá trị IC50 lần lượt là 9,1; 14,8; 1,6 và 2,2 µM [76]. Hình 1.7: Cấu trúc các dẫn xuất của Spirotryprostatin A 7 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Một hợp chất có khung piperazinedion khác là Phenylahistin (8) (Hình 1.8), được phân lập từ Aspergillus ustus và có khả năng gắn kết với microtubule, biểu hiện các hoạt tính gây độc tế bào chống lại một loạt các dòng tế bào khối u ở ngưỡng nM [50,51]. Ngược lại, đồng phân đối quang R biểu hiện hoạt tính gây độc tế bào thấp và hợp chất tương tự có nhóm thế isopropyl là (-)-aurantiamine (25) có hoạt tính thấp hơn 8 40 lần trong việc chống lại sự phát triển tế bào P388 [52]. Hình 1.8: Tác nhân ức chế trùng hợp Tubulin Một loạt các dẫn chất của 22 được tổng hợp để loại bỏ tính bất đối và tối ưu hóa hoạt tính sinh học. Trong đó, hợp chất có nhóm tert-butyl là plinabulin (NPI2358/KPU-2) (26), một chất kháng u mạnh, hoạt tính thể hiện trên nhiều dòng tế bào khối u [52]. Hiện nay, plinabulin đang trong giai đoạn II thử nghiệm lâm sàng để điều trị ung thư [54]. 1.1.3.2. Hoạt tính ức chế PDE5 Nhóm thuốc uống có tác dụng giãn mạch gồm có sildenafil (27), vardenafil (28) và tadalafil (11) (hình 1.9), gọi chung là thuốc ức chế PDE-5 (enzym phosphodiestease-5) tạo nên bước tiến mới trong chữa trị rối loạn cương dương [94,95]. Cơ chế tác dụng của nhóm thuốc là ức chế enzym PDE-5 có nhiệm vụ phân hủy các chất sinh học là nitric oxit (NO) và guanosin monophosphat vòng (cGMP). Rối loạn cương dương là do PDE-5 hoạt động quá mạnh dẫn đến NO và cGMP bị phân hủy không giúp được sự giãn mạch cần thiết giúp cho sự cương. Thuốc ức chế PDE-5 giúp bảo vệ và duy trì các chất sinh học tạo sự cương [86-88,89-93]. Tadalafil là hợp chất piperazinedion đã được tổng hợp toàn phần, dược phẩm thương mại có tên Cialis là thuốc mới nhất được sử dụng tại nhiều nước. Nó có ưu điểm là thời gian tác dụng dài, có khi đến 36 giờ. Cơ chế tác dụng của tadalafil là ức chế chọn lọc có hồi phục guanosin monophosphat vòng (cGMP), đặc biệt là trên enzym Phosphodiestease týp 5 (PDE-5). Khi có kích thích tình dục dẫn đến phóng thích Nitric oxit tại chỗ, sự ức chế PDE-5 của tadalafil làm tăng nồng độ cGMP ở thể hang dẫn tới làm giãn cơ trơn và làm tăng lưu lượng máu vào trong mô dương vật, từ 8 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn đó gây cương dương vật [86-88]. Khi không có kích thích tình dục, tadalafil không có tác dụng gì. Hình 1.9: Cấu trúc của một số hợp chất ức chế PDE-5 Ngoài tác dụng chữa rối loạn cương dương, tadalafil dưới tên thương mại là Adcirca được sử dụng để điều trị tăng huyết áp động mạch phổi từ năm 2009. Tăng huyết áp động mạch phổi là nguyên nhân chính gây bệnh suy tim. Ở bệnh nhân tăng huyết áp động mạch phổi, trong lòng mạch máu phổi có sự giảm sự co mạch và tái tạo mạch máu, dẫn đến tăng áp lực động mạch phổi. Tadalafil có tác dụng giãn mạch động mạch phổi và ức chế tái tạo mạch máu, do đó làm giảm áp lực động mạch phổi [75,108,109]. 1.1.3.3. Hoạt tính ức chế hócmôn oxytoxin Trong nhiều thập kỷ qua, các chất ức chế hócmôn oxytoxin tiêm tĩnh mạch như atosiban (Tractocile) được đưa vào điều trị cấp tính cho những ca dọa sinh non. Do đó, có sự quan tâm đến các chất ức chế hócmôn oxytoxin của các nhà nghiên cứu trong việc tìm kiếm ra các chất sử dụng bằng đường uống và có độ chọn lọc cao [46]. Từ trình sàng lọc, các nhà nghiên cứu đã xác định được các hợp chất piperazinedion mới như hợp chất Retosiban (29), Epelsiban (30) (hình 1.10) là chất ức chế hócmôn oxytocin. Hợp chất Retosiban sử dụng bằng đường uống tốt nhất và có sinh khả dụng cao ở chuột (≈100%). Retosiban có ái lực ở ngưỡng nM (0,65nM) với hócmôn oxytocin và đồng thời chọn lọc trên các hócmôn vasopressin của con người. Retosiban có độ tan tốt (>0,22 mg/ml), liên kết với protein thấp (<80%), ức chế enzym CYP450 với mức độ không đáng kể (IC50 > 100μM) và ít thâm nhập vào thần kinh trung ương. Retosiban có hiệu lực ức chế hócmôn oxytocin mạnh hơn so với atosiban 15 lần. Nó được lựa chọn để điều trị lâm sàng cho những ca dọa sinh non [47,48]. 9 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Hình 1.10: Các chất đối kháng oxytoxin Trong khi đó, hợp chất Epelsiban cũng có hoạt tính mạnh, sử dụng bằng đường uống và sinh khả dụng tốt nhất ở khỉ cái đuôi dài. Đánh giá in vitro thấy Epelsiban là chất ức chế mạnh hócmôn oxytocin ở người và nó có hoạt tính mạnh hơn Atosiban 100 lần. Ngoài ra, các chất này còn được nghiên cứu với khả năng điều trị rối loạn chức năng tình dục, bao gồm cả xuất tinh sớm; điều trị hoặc phòng ngừa tăng sản tuyến tiền liệt lành tính [49]. 1.1.3.4. Hoạt tính ức chế sự hoạt hóa Plasminogen Các 3,6-didehydropiperazinedion (hình 1.11) được chứng minh để khử hoạt tính các hoạt động chống phân hủy protein (antiproteolytic) của tác nhân ức chế hoạt hóa Plasminogen 1 (PAI-1) ở serpin, một mục tiêu điều trị tiềm năng trong bệnh ung thư và các bệnh tim mạch [55]. Hình 1.11: Tác nhân ức chế sự hoạt hóa Plasminogen 3,6-Didehydropiperazinedion (31) phân lập từ quá trình lên men của Streptomyces sp. đã đảo ngược tác dụng ức chế của tác nhân ức chế hoạt hóa Plasminogen (PAI-1) chống lại cả chất hoạt hóa mô plasminogen (tPA) và chất hoạt 10 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn hóa Urokinase (UPA); tương tác serpin-serine khác không bị ảnh hưởng [55]. Chất này được phát triển thành 32 XR5118, có hoạt tính ở cả in vitro và in vivo [56,57]. Các nghiên cứu tiếp theo để tìm kiếm các hợp chất giống thuốc hơn đã tạo ra tác nhân điều biến mới của hoạt tính PAI-1 là 33 XR5967 (IC50 = 800nM, PAI-1 của người). Chất này có khả năng ức chế sự tăng sinh của tế bào khối u và hình thành mạch máu trong ống nghiệm bằng cách ngăn chặn sự hình thành phức hợp giữa PAI-1 và uPA protease của nó, có lợi trong điều trị các bệnh ung thư [58]. 1.1.3.5. Hoạt tính kháng virus - Tác nhân đối kháng CCR5 như thuốc chống HIV Hiện nay, các tác nhân đối kháng thụ thể chemokine CCR5 ngày càng được quan tâm như là thuốc ức chế nhằm vào virus HIV-1, một cách tiếp cận để điều trị AIDS [21]. CCR5 thuộc về các thụ thể G-protein-coupled (GPCR), chất đầu tiên trong các tác nhân đối kháng CCR5 có khả năng kháng virus là aplaviroc (34) (Hình 1.12). Hình 1.12: Tác nhân đối kháng CCR5 Trung tâm bất đối của 34 có ái lực cao với CCR5 (giá trị KD = 3nM), các block HIV-1-gp120/CCR5 liên kết như là một chất đối kháng dị lập thể không cạnh tranh và hoạt tính mạnh chống lại một phổ rộng của các dòng R5-HIV-1 phân lập, kể cả dòng HIV-1 đa kháng thuốc (giá trị IC50 = 0,1-0,6 nM) trong thử nghiệm in vitro [59-61]. Trong thử nghiệm lâm sàng giai đoạn IIb , các bệnh nhân được sử dụng 600mg 34 hai lần mỗi ngày trong 10 ngày đã giảm trung bình nồng độ virus ~ 1,6 log10 từ đường cơ sở. Thử nghiệm lâm sàng giai đoạn III, lượng thuốc 34 có thể lên tới 2000mg đối với bệnh nhân đã dung nạp thuốc khi giai đoạn AIDS đã bắt đầu. Tuy nhiên, ở giai đoạn IV nhiễm độc gan dẫn đến viêm gan do thuốc xảy ra ở một số ít bệnh nhân (1%). Không có trường hợp tử vong được ghi nhận và bệnh viêm gan được giải quyết bằng việc ngừng sử dụng thuốc, nhưng các nghiên cứu lâm sàng của thuốc bị dừng. Gần đây có những nghiên cứu chứng minh là rapamycin làm giảm liều lượng 11 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn của aplaviroc gấp 25 lần tạo hiệu quả chống HIV, do đó giảm thiểu độc tính của nó, có hiệu quả để kiểm soát kháng thuốc R5 HIV ở những bệnh nhân, đặc biệt là những người bị nhiễm virus kháng maraviroc [62,63]. - Chất ức chế virus HSV Một chiến lược tổng hợp được sử dụng để thiết kế và xác định các chất ức chế virus nhiễm trùng máu xuất huyết (HSV), một loại virus rhabdovirus ở cá có tầm quan trọng về kinh tế trong ngành nuôi trồng thủy sản. Hai hợp chất có khung piperazinedion trong số này là 35 (IC50 = 51μM) và 36 (IC50 = 86μM) (hình 1.13) được chọn nghiên cứu sâu để hạn chế độc tính của các hợp chất này được nuôi cấy trên các tế bào tiền thân nội mô (EPC) của cá chép ở 400μM và tế bào HeLa của người lên đến 250μM. Các thí nghiệm cho thấy rằng các dẫn xuất piperazinedion 35 và 36 có thể xâm nhập vào trong nội bào của nhân virus [65]. Hình 1.13: Chất ức chế virus HSV 1.1.3.6. Hoạt tính kháng khuẩn Một số hợp chất piperazinedion tự nhiên còn có hoạt tính kháng khuẩn [96]. Chúng bao gồm từ các vòng dipeptit đơn giản như 37 có hoạt tính chống lại vi khuẩn Mycobacterium tuberculosis, cairomycin B (38) có hoạt tính chống lại các vi khuẩn Gram dương, hay với hệ thống vòng rất phức tạp như avrainvillamide (39) có hoạt tính chống lại các vi khuẩn kháng đa thuốc và bicyclomycin (40) là các kháng khuẩn rộng chống lại vi khuẩn Gram âm (Hình 1.14) [65-67]. Hình 1.14: Các piperazinedion có hoạt tính kháng khuẩn 12 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Các hợp chất bicyclomycin 40 (Hình 1.14) được phân lập từ Streptomyces sapporonesis và Streptomyces aizumenses, đều ức chế phổ rộng các vi khuẩn Gram âm và vi khuẩn Gram dương (Micrococcus luteus). Nó được hấp thu nhanh chóng vào trong cơ thể người khi tiêm ở bắp và có độc tính thấp. Bicyclomycin (Bicozamycin) là kháng sinh dùng để điều trị tiêu chảy ở người do vi khuẩn ở bê và lợn từ năm 2005 [68,69]. Roquefortin C (10) là một chất chuyển hóa của nấm tương đối phổ biến, được tìm thấy trong Roquefort và các phô mai xanh khác (hình 1.15). Nó được phân lập vào năm 1976 bởi M.Scott và cộng sự từ một số loài nấm Penicillium roqueforti, ở liều cao nó được xếp vào loại hợp chất độc. Cơ chế gây độc và chuyển hóa cơ bản của nó đã được xác định bằng cách nghiên cứu sự tương tác của nó với các enzym CYP450 ở động vật có vú. Ngoài những đặc tính độc hại, Roquefortin C còn sở hữu hoạt tính diệt khuẩn chống lại các vi khuẩn Gram dương [76,84,85,115]. Hình 1.15: Cấu trúc Roquefortin C và isoroquefortin C 1.1.3.7. Tác nhân bảo vệ thần kinh Các histidyl-proline 2,5-diketopiperazin cyclo(L-His-L-Pro) 42 là một chất chuyển hóa từ hócmôn thyrotropin-releasing (TRH) ở động vật có vú, nó là một phần của hệ thống kiểm soát thân kinh nội tiết phức tạp, ức chế giải phóng dopamin của hệ dopaminergic của thần kinh trung ương (Hình 1.16) [2,12]. Để bảo vệ và nâng cao hoạt động các noron thần kinh trung ương (neuroprotection), các dẫn xuất 42 đã được nghiên cứu. Các piperazinedion mới như hợp chất 43 và 44 ngăn ngừa cái chết của tế bào thần kinh trong mô hình in vitro của tổn thương sau chấn thương. Khi được dùng đúng liều lượng, chúng ngăn cản sự phá hủy trực tiếp của các gốc tự do và huy động canxi từ đó hạn chế sự tổn thương cho tế bào não [70]. 13 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Hình 1.16: Tác nhân bảo vệ thần kinh Một hợp chất piperazinedion 45 khác, được báo cáo là tăng cường trí nhớ [71]. Khi so sánh các hiệu quả bảo vệ thần kinh của 45 và dẫn xuất allyl của nó (NZZ2591) 46 cho thấy, 46 mạnh hơn nhiều [72]. Nó ngăn ngừa sự thiếu oxy - thiếu máu cục bộ gây ra do chấn thương não ở chuột, nó qua được hàng rào máu não mà không phụ thuộc vào chấn thương và vẫn có thể phát hiện được sau vài giờ với một liều dùng duy nhất. Nó cũng cải thiện chức năng vận động trong một mô hình chuột mắc bệnh Parkinson [73,74]. Tóm lại, các hợp chất piperazinedion là lớp chất có rất nhiều hoạt tính sinh học quý như: khả năng gây độc tế bào mạnh với các dòng tế bào ung thư, kháng virut, kháng khuẩn, kháng nấm,… Các hợp chất này biểu hiện đặc tính dược lý và tiềm năng điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư. Điều này đã mở ra một hướng nghiên cứu cho các nhà khoa học là nghiên cứu tổng hợp các hợp chất piperazinedion mới có nhiều hoạt tính sinh học quý. 1.2. TỔNG HỢP CÁC HỢP CHẤT PIPERAZINEDION Phân tích vòng piperazinedion nhận thấy, có ba cách phân cắt: liên kết amit (A), liên kết C-N (B), và liên kết C-C (C) (hình 1.17). Trong đó cách A và B đều được sử dụng thường xuyên, nhưng việc sử dụng phân cắt C mới chỉ được công bố gần đây. Ngoài ra tạo vòng thông qua N1 - C2/C3 - N4 (D) và thông qua C2 - N1 - C6 (E) cũng được sử dụng nhưng ít thường xuyên hơn [75]. Hình 1.17: Các cách phân cắt vòng piperazinedion 14 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn 1.2.1. Tổng hợp thông qua hình thành liên kết amit 1.2.1.1. Tạo vòng este dipeptit Sơ đồ 1.1: Tạo vòng este dipeptit Phương pháp tiêu biểu thường được sử dụng là dùng một nhóm bảo vệ đầu amin ở α-amino axít 47 và một nhóm bảo vệ đầu este ở α-amino axít 48 thứ hai (sơ đồ 1.1). Dipeptit được ghép nối thành sản phẩm 49, khử nhóm bảo vệ cho este amino dipeptit 50, sau đó vòng hóa để tạo thành các phân tử mong muốn 51 [111]. Để đạt được điều này, các liên kết amit phải giả thiết định hướng cis. Nếu có sự ngăn cản về mặt không gian hoặc điện tử, tỷ lệ tạo vòng có thể là rất thấp. Trong trường hợp này, gia nhiệt trong môi trường axit thường được sử dụng để hình thành vòng piperazinedion [3,111]. Tạo vòng của este amino dipeptit cũng có thể được tiến hành trong điều kiện dùng nhiệt, thông thường bằng cách đun hồi lưu trong các dung môi có nhiệt độ sôi cao như toluen hoặc xylen trong 24h [4]. Hoặc bắt đầu từ muối format của dipeptit, trong toluen và sec-BuOH [5]. Gần đây, một giải pháp tổng hợp piperazinedion pha lỏng hiệu quả và thân thiện với môi trường là sử dụng lò vi sóng (microwave), phương pháp này trái ngược với các phương pháp khác được công bố trước đó là không phụ thuộc vào chuỗi axit amin và không có sự epime hóa sản phẩm [6]. Đánh giá về dung môi, thời gian phản ứng, nhiệt độ, và so sánh với phương pháp cung cấp nhiệt cổ điển cho thấy, lò vi sóng khi sử dụng dung môi là nước chỉ mất 10 phút mà hiệu quả phản ứng tạo vòng piperazinedion đạt hiệu suất 63-97% [6-8]. Một trong nhiều ví dụ tổng hợp các hợp chất piperazinedion theo cách này là phương pháp tổng hợp chọn lọc toàn phần okaramine N của Baran và cộng sự [9], cho thấy con đường tham gia vào quá trình hình thành hệ thống vòng pyrrolidinoindolin 15 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn khi hợp chất 52 tiếp xúc với dietylamin dư dẫn đến sự phân cắt nhóm Fmoc và tạo thành vòng piperazinedion 53 (hiệu suất 95%), tiếp đó thực hiện thông qua một số bước để thành okaramine N 54 (Sơ đồ 1.2) [9]. Sơ đồ 1.2: Tạo vòng ester dipeptit bằng xúc tác bazơ Một ví dụ khác, hai hợp chất dehydro-piperazinedion tự nhiên có khả năng chống ung thư là (-)-phenylahistin và (-)-aurantiamin, được tổng hợp (sơ đồ 1.3) bằng hai phương pháp trong dung dịch và trên pha rắn. Sau đó, chiến lược này được sử dụng để điều chế một loạt các hợp chất dehydro-piperazinedion 60, bằng việc kết hợp của một số axit amin tự nhiên [10,11,107]. Sơ đồ 1.3: Tạo vòng sử dụng xúc tác bazơ trong pha rắn và pha lỏng. 1.2.1.2. Tổng hợp thông qua phản ứng hóa học Ugi Phản ứng Ugi sử dụng 4 thành phần là isonitril, axít (hay amino axít), anđehit và amin, để tạo ra một dipeptit hiệu suất cao và độ tinh khiết quang học đồng đều [1315]. 16 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Sơ đồ 1.4: Phản ứng Ugi Thông thường trong 4 thành phần thì isonitril là chất chìa khóa quan trọng và có giá trị. Ví dụ đầu tiên của một isonitril là 1-isoxiano-xiclohexen. Keating và Armstrong nhận ra tiềm năng của isonitril vào năm 1995 và sử dụng để tổng hợp este dipeptit [16]. Sau đó, Hulme và cộng sự đã điều chỉnh phương pháp để tổng hợp các piperazinedion 65 trực tiếp (sơ đồ 1.5) [17]. Sơ đồ 1.5: Tạo vòng thông qua ion N -Axylimin trung gian Trong phương pháp này, họ đã sử dụng nhóm Boc bảo vệ các amino axít và xiclohexenyl isonitril trong phản ứng Ugi đã tạo ra sản phẩm dipeptit điển hình 63 (sơ đồ 1.5). Xử lý bằng axit loại bỏ các nhóm bảo vệ đầu N và thêm một proton vào các enamin đầu cuối C 63, tạo ra một ion N-axylimin tạm thời được hoạt hóa. Tiếp đó, ion N-axylimin tạm thời 64 trải qua đóng vòng với amin mới, hình thành ra sản phẩm raxemic piperazinedion 65 với hiệu suất cao và loại bỏ của một cation xiclohexylimin. Sau này các phương pháp khác cho phép thay đổi các isonitril là một nhóm tổng hợp không bền cũng được công bố. Chúng có ưu điểm hơn so với xiclohexenyl isonitril như là khả năng tiếp cận tổng hợp và ổn định. Ngoài ra, các isonitril liên kết với pha rắn cũng được sử dụng trong các phản ứng Ugi, và các sản phẩm thoát ra được khỏi pha rắn được mô tả trong sơ đồ 1.6 [19,20]. 17 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Sơ đồ 1.6: Phản ứng Ugi sử dụng tác nhân isonitril liên kết với pha rắn Đi tiên phong trong vấn đề này là việc sử dụng nhựa Rink trong tổng hợp vòng piperazinedion, để tách sản phẩm Ugi ra khỏi nhựa hỗ trợ (pha rắn) mà không biến đổi amit. Điều này được khai thác bởi Habashita và cộng sự để sản xuất một loạt các tác nhân đối kháng thụ thể chemokin (CCR5) dựa trên trên bộ khung spiropiperazinedion mới 66 (sơ đồ 1.6), và được phát triển để sản xuất chất ức chế HIV Aplaviroc 34 [20]. Gần đây, phương pháp này được Tohru Fukuyama và cộng sự sử dụng để tổng hợp hợp chất trung gian 68 (sơ đồ 1.7) trong tổng hợp toàn phần hợp chất tự nhiên ecteinascidin 743. Họ sử dụng thành phần isonitril là p-metoxiphenyl isonitril. Sản phẩm Ugi 67 tạo ra cho phép tạo vòng từ việc khử nhóm Boc bảo vệ đầu N bằng cách đun hồi lưu trong EtOAc để cho sản phẩm trung gian piperazinedion 68 [22]. Sơ đồ 1.7: Ứng dụng phản ứng Ugi trong tổng hợp ecteinascidin 743. Cũng trên cơ sở phản ứng Ugi, Szardenings và cộng sự đã giới thiệu phương pháp Ugi/DeBoc/Cyclize (UDC) để tổng hợp một loạt các hợp chất dựa trên khuôn N4 glyxinamit của piperazinedion 70. Một axít amin liên kết với nhựa phản ứng trong điều kiện Ugi với các anđehit, axit amin được bảo vệ bằng nhóm Boc và isonitril cho ra sản phẩm piperazinedion đa dạng, tính đa dạng này thể hiện ở 4 sự lựa trọn R1, R2, R3 và R4 (sơ đồ 1.8) [23]. 18 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Pha lỏng: Pha rắn: a) P=Me, Et3N, MeOH, axit, rt; b) 1. TFA hoặc HCl 4N/dioxan, rt; 2. Et3N/dioxan, rt. a) P=nhựa, MeOH, rt; b) 1. 50% TFA/CH2Cl2; 2. PhMe/EtOH (1:1), 1% AcOH hoặc Et3N. Sơ đồ 1.8: Phản ứng tạo vòng thông qua khuôn N-4 Glyxinamit. Phương pháp đa năng này được sử dụng để tổng hợp một loạt các hợp chất, bao gồm các chất ức chế metalloproteinase và collagenase-1 [24,25]. Dãy của các chất piperazinedion tổng hợp bằng phương pháp này cũng được thử nghiệm liên kết với thụ thể OT và sản xuất các chất đối kháng oxytocin 70a và 70b [26]. Phương pháp pha dung dịch (UDC) tương ứng được sử dụng để phát triển các hợp chất có mạch 2’,4’difluorophenyl 70c, hợp chất piperazinedion đầu tiên có tiềm năng, chọn lọc và dùng được bằng đường uống là tác nhân đối kháng oxytocin [27]. 1.2.1.3. Ngƣng tụ Amino Axít Ngưng tụ trực tiếp của hai axit amin 71 và 72 để tạo thành piperazinedion 73 (sơ đồ 1.9) thường cho hiệu suất sản phẩm thấp [28]. Cải tiến phổ biến nhất của phương pháp này là hoạt hóa axit amin đầu tiên bằng phản ứng với phosgene (COCl2) tiếp theo là phản ứng với axit amin thứ hai. Phương pháp “One-pot” hiện nay được phát triển theo con đường này [29]. Một phương pháp khác được sử dụng ở dạng pha khí - rắn, điều kiện là axit amin ở trạng thái khí ngưng tụ trên bề mặt silica. Tuy nhiên, sản phẩm bị raxemic hóa [30]. Sơ đồ 1.9: Ngưng tụ Amino Acid 19 www.DaiHocThuDauMot.edu.vn Một cải tiến mới đây trong tổng hợp piperazinedion được đưa ra bởi Santagada và cộng sự là việc sử dụng lò vi sóng trong tổng hợp. Ông đã sử dụng chất phản ứng ghép nối liên kết amit (DMAP) chiếu xạ ở 400W trong DMF tạo ra sản phẩm đạt hiệu suất 85 - 95% trong thời gian phản ứng ngắn (5 phút) mà không epime hóa [31]. Một cải tiến khác cũng được thực hiện là phản ứng trong một bình bằng cách sử dụng một lượng nhỏ chất lỏng ion trong sự có mặt của lò vi sóng, phản ứng được mở rộng ra bao gồm các thành phần bất đối xứng cho phép điều chế các lập thể chọn lọc của các piperazinedion bất đối xứng cũng như các piperazinedion đối xứng từ các axit amin không được bảo vệ [32]. Ví dụ, điều chế hợp chất 76 (Sơ đồ 1.10): Sơ đồ 1.10: Tổng hợp piperazinedion không đối xứng thông qua ngưng tụ amino axít. Theo sơ đồ này, dung dịch của một đương lượng 74 trong totuen được thêm vài giọt 1,3-dimetylimidazon dimetylphotphat và bốn đương lượng Et3N, thêm tiếp MeOPCl2, sau đó thêm 1,2 đương lượng 75. Hỗn hợp được chiếu xạ trong lò vi sóng ở 400W (145oC), sau thời gian ngắn thu được sản phẩm 76 với hiệu suất 81%, sản phẩm không bị raxemic [32]. 1.2.1.4. Tạo vòng bằng phản ứng Aza - Wittig Một phản ứng aza-Wittig tiếp sau là quá trình thủy phân của sản phẩm imino ete được sử dụng để tạo thành vòng piperazinedion (Sơ đồ 1.11). Quá trình đi từ phản ứng axyl hóa axit amin 75 với cloroaxetyl clorua, tiếp theo chuyển vị với natri azit thu được azit 77, sau đó azit được sử dụng để hình thành iminophotphoran 78. Vòng hóa với nhóm cacbonyl C-2 của este để cho các imino ete 79. Trong phản ứng thủy phân với sự có mặt của THF ẩm cho piperazinedion 80 (R = benzyl và aryl) với hiệu suất tốt [33]. 20