Tổng hợp một số hợp chất có hoạt tính sinh học - Phan Đình Châu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

B ộ MÓN CÔNG NGHỆ HOÁ

Dược -

HOÁ CHẤT BẢO VỆ THỰC VẬT

GS.TSKH PHAN ĐÌNH CHÂU

TỔNG HỢP MỘT SỐ HỢP CHAT

_*

_■

_•

CÓ HOẠT TÍNH SINH HỌC

ề ♦

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NỘI

TỔNG HỢP M ỘT SỐ HỢP CHẤT

CÓ HOẠT TINH SINH HỌC

Tác giả: GS.TSKH. PHAN ĐÌNH CHÂU

Chịu trách nhiệm xuất bản’. Biên tập

Sửa bài: Trình bày b ìa:

TS. PHẠM VĂN DIỄN ThS. NGUYỄN HUY TIÊN NGỌC LINH XUÂN DŨNG

N H À X U Ấ T BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội

In 700 cuốn, khổ 19 X 27 cm, tại Xưởng in NXB Văn hoá Dân tộc Số ĐKKHXB: 209-2009/C X B /l 8 5 - 10/K H K T -18/3/2009

Quyết định xuất bản số: 207/Q Đ XB-N X BKH K T-29/ 6/2009 In xong và nộp lưu chiểu Quý III năm 2009.

LỜI NÓI ĐẦU

Các hợp chất cố hoạt tính sinh học lả những hợp chất có tác dụng sinh iý được sử dụng vào một mục đích nào đó đ ể phục vụ cho cuộc sống của con người như làm thuốc chữa bệnh cho người, cho gia súc, cho bảo vệ thực vật hoặc váo mục đích kích thích sinh trưởng CÌIO cây trồng. N hư vậy các hợp chất có hoạt tính sình học bao trùm một phạm vi rất rộng lớn gồm hàng chục nghìn hợp chất có cấu trúc hoá học khác nhau. Trong phạm vi môn học “Tổng hợp m ột s ố hợp chất có hoạt tính sình h ọ c ” cho chuyên ngành Hoủ dược chúng (ỏi chỉ có tham vọng giới thiệu một phần rất hẹp về kỹ thuật tổng hợp một s ố hợp chất dừng làm thuốc, trong đó dặc biệt quan tâm tới các hợp chất chứa cỉị vồng nitơ. Trong s ố hơn ỉ 0.000 các hoạt chất làm thưấc, các hợp chất dị vòng chứa nìtơ cỉùểm mội s ố lượng rất lớn, kê’ cả hợp chất có nguồn gấc thiên nhiên lần các chất có nguồn gốc tổng hợp (ước tĩnh gần một nửa của s ố nảy).

Trong khuôn khổ cuốn giáo trình này chúng tôi chỉ có th ể giới thiệu việc tổng hợp một s ố hợp chất dị vòng chửa nitơ tiểu biểu với những bộ khung có cấu trúc khác nhau, cố tác dụng sinh học cao, đã và đang được sử dụng ỉàm thuốc đ ể phòng chữa bệỉih cho người; dã được điều c h ế bằng con đường tổng hợp ìioá học (bao hàm cả các chất khảng sinh có nguồn gốc lên men sinh học, các hợp chất ancaỉoit cỏ nguồn gổc từ dược liệu, các hợp chất có tác dụng kháng khuẩn nguồn gấc tổng hợp hoá học), Trong đó đi vào việc tổng ìiỢp các kháng sinh nhóm cephalosporin, năm ancaỉoìt thuộc năm nhóm có bộ khung khác lìhau là benzoquinolin, johimbin, ebunamenin, aspidospevma, bìsỉndoỉ V'ờ các hoạt chất nhóm kháng khuẩn tổng hợp có cấu trúc quinoỉiỉĩ.

Dù là gồm những nhóm khung hợp chất có cấu trúc khác nhau nhưng tất cà các bộ khung này đều được xây dựng trên cơ sà chiế/ì lược cơ bản của tổng hợp các hợp chất thiên nhiên hữu cơ ìà: bắt chước các quá trình sinh học (phỏng sinh tổng hợp) hoặc tái thiết lập các quá trình ngược của quá trình phân hủy cố th ể điều khiển được, hoặc chiến lược (ổng hợp định hướng theo kiểu thiết lập từng mảng đ ể tổng hợp ra các hợp chất ĩ hi é lì nhiên có cấu trúc phức tạp như cephaỉoporin, emetin, reserpin, vìncamin, vincadifformin, các ancaỉoit bisindoỉ và nhóm kháng khuẩn quinoỉon.

Nội dung cuốn sách không chỉ đơn giản đề cập một phương pháp tổng hợp một hợp chất cụ th ể mà chủ yểu còn nhằm mục đích giới thiệu một số chiến lược tổng hợp hữu cơ khác nhau: cách xem xét, đặt vấn đề trước khi bắt tay vào việc tổng hợp một họp chất có bộ khung và cấu hình phức tạp đã biết, một số vấn đề ììổi cộm cần quan tâm tới d ể giải quyết trong từng bước phản ứng (các khả năng hình thành sản phẩm, san phẩm phụ, các đồng phân, ảnh hưởng của dung mỗi, -xúc tác, nhiệt độ, tác nhân tới hướng lìíỉìlì thành của nản

phẩm cũng như trong chiên lược tổng hợp trong toàn bộ quá trình tổng hợp. Và đáy cũng là những công việc cần phải suy ngầm hàng ngày của bất kỳ một người làm nghiên cứu ỉìoá học tổng hợp hữu cơ nào, đặc biệt là tổng hợp hoá dược.

Sách chuyên đề này được soạn thảo với mục đích làm giáo trình học tập cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các ngành chuyên hoá như; hoá học hữu cơ, hoá các hợp chất thiền nhiên, hoá dược, cũng như làm tài liệu tham khảo cho những ai làm công tác nghiên cứu trong các lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, tổng hợp hoá dược.

Mặc dầu sách đ ã được sửa chữa kỹ ỉưỡng nhưng chắc chắn không th ể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong bạn đọc góp ý đ ể b ổ sung sửa chữa và hoàn thiện hơn cho các lần tái bản sau.

TỔNG HỢP TOÀN PHẦN CEPHALOSPORIN-C

VÀ CEPHALOTIN

1.1. MỞ ĐẦU

Nãm 1965 R. B. Woodward - Giáo sư của Đại học Harvard đã được nhận giải thưởng Nobeỉ hoá học vì có công lớn trong việc phát triển “Nghệ thuật tổng hợp hoá học”. Trong đó Hội đồng giải thưởng đặc biệt đánh giá cao về “nghệ thuật” tổng hợp chất clorophin của ông.

Một phần của nghệ thuật tổng hợp này được sử dụng một cách hiệu quả để tổng hợp toàn phần cephalosporin-C l11. Phương pháp tổng hợp này là một bài học vô cùng bổ ích cho các nhà làm công tác tổng hợp hoá học do đó đáng để chúng ta nghiên cứu một cách chi tiết và có hệ thống phương pháp này của Woodward.

Cephalosporin-C (1) là sản phẩm trao đổi chất của chủng Cephaỉosporỉum acremonium được Newton và Abraham phân lập được vào năm 1955 12 \ Cấu trúc hoá học của nó cũng được nhóm tác giả nêu trên [3] và những nhóm khác 141 xác định thành cồng vào năm 1961 nhờ vào các phương pháp hoá học và vật lý. Kết quả cho thấy cấu trúc này gần tương tự như cấu trúc của phân tủ penixillin (ví dụ penixillin G, (2)). Cũng như penixillin, cephalosporin cũng là kháng sinh thuộc nhóm p-lactam.

Sau khi xác định được cấu trúc, hàng trăm công trình nghiên cứu về hoá học, dược lý của cephalosporin-C và các dẫn xuất của nó được lần lượt công bố [5,61

Nhân đây cần kể thêm vài nét về việc nghiên cứu tổng hợp toàn phần phân tử penixillin:

Cho tới nay, việc tổng hợp phân tử penixiilin vẫn còn là một vấn đề hấp dẫn và cũng ià một vấn đề trăn trở nhất về mặt hoá học đối với các thế hệ khác nhau của các nhà khoa học hoá học. Trong chiến tranh th ế giói thứ hai, một chương trình nghiên cứu liên quốc gia giữa

COOH (-) o o c — 2 1 5

Mỹ và Anh được thành lập, tạp hợp lại một đội ngũ các nhà khoa học hàng đầu với nhiệm vụ

là xác định cấu trúc và tổng hợp toàn phần phân tử penixillin nhằm đẩy nhanh việc sản X-Uất để đủ phục vụ cho chu cầu chiến tranh. Nhiệm vụ thứ nhất (xác định cấu trúc phân tử) nhanh chóng được giải quyết trong vòng một vài năm, nhưng nhiệm vụ thứ hai (thực hiện tổng hợp toàn phần) thì hoàn toàn ngược lại - không đạt được điều mong m uốn - dù rằng chưa bao giờ người ta tập trung, huy động được một đội ngũ các nhà khoa học mạnh và đông đảo như vậy cho một vấn đề nghiên cứu. Với việc chiến tranh kết thúc, chương trình nghiên cứu cũng chấm dứt do các chính phủ đã không tiếp tục đầu tư kinh phí. Mặc dầu vậy nhiều nhà hoá học vần tiếp tục công việc nghiên cứu của mình, nhờ thế nhiều thành tựu khoa học cũng được mang lại. Cuối cùng vào năm 1959, sau hơn 10 năm nghiên cứu nỗ lực, J. c . Seehan và cộng sự [7i đã thành cồng tổng hợp toàn phần phân tử axit penixillinic, nhưng phương pháp tổng hợp này cho đến nay vẫn không thể đưa được vào sản xuất cồng nghiệp để sản xuất ra penixillin. Điều đó có nghĩa là phương pháp đó chưa đáp ứng được các yêu cầu của công nghệ.

Bên cạnh việc tổng hợp toàn phần, công tác bán tổng hợp cũng được triển khai. Từ phân tử penixillin G (2) với việc loại nhóm benzyl và thay vào đó các nhóm thế khác nhau, hàng trăm hợp chất bán tổng hợp được điều chế và được đưa vào thử nghiệm, nhiều hợp chất cũng đã trở thành thuốc có giá trị và cũng đã được đưa vào sử dụng trong điều trị.

Cũng tương tự như trường hợp của penixillin, từ hợp chất cephalosporin-C với việc loại đi nhóm ío-[D -(-)-a-am ino adipinoyl] và thay vào đó các nhóm axyl khác nhau, người ta đã điều chế ra nhiều dẫn xuất và tìm thấy nhiều chất có tác dụng tốt hơn cephalosporin-C và đã được sử dụng trong y dược. Bản thân cephalosporin-C có hoạt tính kháng khuẩn yếu nhưng nó có ưu điểm là có hoạt phổ rộng, tác dụng tới các loại vi khuẩn kháng lại tác dụng của penixillin. Các dẫn xuất khác của cephalosporin-C (ví dụ chất đơn giản nhất và tìm ra trước nhất là cephaỉotin 3) có tác dụng mạnh hơn chất chủ của nó, có hiệu lực trên cả vi khuẩn gram âm lẫn gram đương, độc tính lại thấp hơn cũng đã được khám phá và được đưa vào điều trị. Cho đến nay, hàng nghìn hợp chất khung cephalosporin đã được điều chế, trong số đó có tới gần 60 đẫn xuất đã và đang được sử dụng trong lâm sàng.

Thông thường khi hoạch định việc tổng hợp toàn .phần một phân tử có cấu trúc phức tạp, người ta thường hay sàng lọc, tìm kiếm, tích Iuỹ kinh nghiệm từ những thất bại hoặc thành công của việc tổng hợp một hợp chất có cấu trúc tương tự hoặc từ quá trình ngược của các phản ứng phân hủy có thể điều khiển được của bản thân chất đó.

COOH

-CH2OCOCH3

Trong trường hợp tổng hợp cephalosporin ở đây các nhà hoá học đã nghiên cứu và kiểm tra kỹ lưỡng những kết quả và thất bại trong tổng hợp penixillin để chọn lọc, thư nhặt những điều bổ ích cho quá trình tổng hợp này. Đáng tiếc suy nghĩ mang tính chất nguyên lý và logic này phải bị loại bỏ vì như trên đã nêu - phương pháp tổng hợp toàn phần penixìllin đưa ra không có khả năng thực thi trong quy mô sản xuất, ngoài ra phần vòng P-lactam có cả trong phân tử penixillin lẫn trong cephalosporin đều dễ dàng bị thủy phân.

Penixillin G (2) khi thủy phân tạo ra axit penixillinic (4):

Việc thủy phân này thực hiện một cách dễ dàng, sau đó từ sản phẩm thủy phân thu được bằng phản ứng dehidrat hoá (loại nước) penixillin G lại hình thành trở lại.

Ngược lại, đối với trường hợp cephalosporin thì hoàn toàn khác. Lúc thủy phân, vòng Ị3-lactam cũng dễ dàng mở ra nhưng sản phẩm thủy phân thu được không phải là hợp chất có cấu trúc axit 5 như mong đợi mà là một chất hoàn toàn xa lạ với cấu trúc dự đoán này. Sản phẩm thủy phân nhạy cảm và dễ phân hủy đến mức dù thủy phân ở điều kiện vô cùng nhẹ nhàng vẫn không tìm thấy dấu hiệu của hợp chất có cấu trúc 5.

Như vậy không thể nào thiết kế một con đường tổng hợp một hợp chất dựa trên một sản phẩm trung gian vừa không biết cấu trúc lại không ổn định và không thể phân lập được.

Vì thế việc tổng hợp hợp chất này cần phải tìm kiếm một giải pháp mới, vạch ra một định hướng mới, trước hết là phải chọn được chất khởi đầu phù hợp với các phản ứng tiếp theo thích hợp, linh hoạt.

Trong khi nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp các cephalosporin tự nhiên, một số tác giả cho rằng cần tới ba axit amin đó là L-cistein, a-am ino-adipic, L-valin. Có lẽ chính giả thiết đó đã giúp R. B. Woodward trong việc lựa chọn L-cistein làm nguyên liệu khởi đầu cho

COOH 2 thuỷ phân C 6H 5- C H 2- C O - N H 4 COOH n h3 (-) I OOC—CHCH2CH2CH2CGi>n

5

(+) CH2OCOCH3 7

công trinh tổng hợp toàn phẩn này. Sau đây là công trình tổng hợp cephalotin của R. B. Woodward.

Quá trình tổng hợp cephalotin theo Woodward 111 được chia thành hai giai đoạn quan trọng là xây dựng phần khung lactam và điều chế phân tử cephalotin.

1.2.1. XÂY d ụ n g p h ầ n k h u n g l a c t a m

Sáng kiến cơ bản mang tính chất quyết định có tầm chiến lược là chọn được chất khởi đầu tối ưu nhất cho quá trình tổng hợp. Nguyên liệu được lựa chọn ở đây là L -(+) cistein (6).

Cistein là một amino axit có ba nguyên tử cacbon, trong đó có nhóm cacboxyl, cacbon ở vị trí a có chứa nguyên tử nitơ và cacbon ở vị trí (3 có chứa nguyên tử lưu huỳnh, như vậy trên phân tử khởi đầu này đã chứa sẵn các nguyên tố đặc trưng có trong phần vòng p-lactam của phân tử cephalosporin. Ngoài ra hợp chất 6 có hoạt tính quang học và cấu hình khồng gian tuyệt đối tại các trung tâm cacbon bất đối hoàn toàn trùng hợp (hoàn toàn giống) với cấu trúc không gian của các trung tâm cacbon bất đối tương ứng chứa trong phân tử cephalotin. Với việc chọn được chất khởi đầu có các nhóm chức và đặc tính hoá học lập thể phù hợp này được coi là m ột thành công có tính quyết định trong việc định hướng tổng hợp hợp chất đích. Vấn đề tiếp theo là xây dựng thẽm một trung tâm cacbon bất đối còn lại nữa trên bộ khung của cephalotin.

Dù rằng việc chọn hợp chất khỏi đầu có được coi là lý tưởng đến đâu đi chăng nữa cũng không đươc phép bỏ qua những khó khăn sẽ gặp phải và sẽ nảy sinh trong quá trình tiến hànỊi từng bước tổng hợp. Trong phân tử nhò bé của cistein chứa tương đối nhiều nhóm chức có khả năng phản ứng, đó là nhóm cacboxylic, nhóm amino, nhóm mecapto và a -C -H , duy chỉ có nhóm p-m etylen là nhóm kém hoạt động hoá học, trong lúc đó theo hoạch định lại cần thiết đưa vào vị trí này một nguyên tử nitơ. Như vậy nhiệm vụ khá khó khăn đang đặt ra đối với các nhà nghiên cứu cần phải giải quyết.

Công việc thực nghiệm đầu tiốn phải tiến hành là làm giảm khả năng phản ứng của các nhóm cacboxylic, amino và mecapto chứa trong phân tử khởi đầu bằng cách cho amino axit này tác dụng với axeton để tạo ra đẫn xuất thiazolidin 7, tiếp đó cho hợp chất 7 tác dụng với tert-butyl clofom iat trong sự có mặt cùa piridin để được hợp chất 8. Như vậy đã khoá được hoạt tính hoá học cùa nhóm amino và nhóm mecapto của phân tử cistein.

1.2. T Ổ N G H Ợ P C E P H A L O T IN CỦA R. B. W O O D W A R D

HOOC

H T HOOC _{H !}

s

r-BuOCON

s

CH3' c h 3 c h3' c h 3

7 8

Cũng phải nhấn mạnh rằng hợp chất 8 được sinh ra trước hết qua việc tạo thành hợp chất anhidrit hỗn tạp 9, sau đó với việc dịch chuyển nội phân tử của nhóm axyl từ O—»N.

9

Việc tiếp theo là khoá nhóm cacboxylic của hợp chất 8 bằng cách metyl hoá với diazometan để cho metyl este 10.

Cả ba bước phản ứng trên đây chỉ nhằm mục đích là khoá các nhóm có khả năng tham gia phản ứng trong phân tử 6, đồng thời hoạt hoá nhóm metylen ở vị trí (3 trong phân tử này. Ngoài ra với việc tạo vòng 5 cạnh làm mất khả năng quay tự do của liên kết C -C giữa (X, p, nhờ vậy mở ra khả năng tổng hợp lập thể đặc hiệu xảy ra trên nhóm metyỉen ở vị trí p,

Tuy nhóm m etylen ở cacbon vị trí Ị3 đã được hoạt hoá phần nào nhờ vào việc đóng vòng tạo hợp chất 10 nhưng nó vẫn còn rất trơ với nhiều phản ứng thử nghiệm, cuối cùng người ta

đã

thành công tạo ra được phản ứng với azodicacbonyl dimetyl este

11 ở 105°c

trong 45 giờ để cho hidrazo este 12 hầu như toàn lượng. /-BuOCON

s

h 3c c h 3 10 COOCH3

X

CH30 0 C N -N H -C O O C H 3 1 0 + 1 1 — — ► N /- BuOCON ■S COOCH3 h 3c c h 3 11 ₁₂

Người ta đã chứng minh rằng ở loại phản ứng mới này trước hết nguyên tử lưu huỳnh tấn công vào nhóm azo, hình thành liên kết S-N , đồng thời nguyên tử hidro địch chuyển từ nhóm metyỉen đến nguyên tử nitơ tạo ra quá trình chuyển hoá 13 -» 14 -> 15.

\ / N - N H <--H

s

/

15

Quá trình chuyển hoá này có thể chứng minh bằng các quá trình phản ứng sau đây: Nếu cho một hợp chất chứa nhân thiazolidin còn chứa hidro hoạt động (hợp chất 8 hoặc hợp chất benzen sunfonamid 16) phản ứng với azodicacbonyl dimetyl este 11 thì lúc đó không xảy ra sự tấn cồng trên nhóm metylen và sản phẩm tạo ra lúc này là các hợp chất chứa liên kết S-N (17 và 18), thông qua sản phẩm trung gian là hợp chất 19. Sự tạo thành hợp chất 19 được giải thích như sau: dưới tác dựng của hợp chất azodicacbonyl dimetyl este hidro hoạt động tách ra dưới dạng proton để lại anion, anion này như một tác nhân ái nhân tấn công vào cacbon nằm giữa nguyên tử nitơ và lưu huỳnh, cùng đồng thời azoni cation như một tác nhân ái điện tử tấn công vào đôi điện tử tự do của nguyên tử lưu huỳnh, hình thành nên luồng chuyển dịch điện tử như các mũi tên vẽ trong công thức 19. Kết quả tạo ra hợp chất 17 và 18.

HOOC V NBuOCON .8 CH3 8 'CH, NHS02C6H5 o c H, í-BuOCON

s

C H / V*CH3 16 c o o c h3

ĩ

ị

Ì0 0CH3 11 C O O C H 3

ỉ

■ Ổ00CH3 11 CH300C COOCH3 * ' S - c h2 H H /-BuOCO CH o 17 0 'CH3 CH300C COOCH3 x c o N H C O O C H 3 C O O C H 3

Cần chú ý rằng môi trường phản ứng là rất quan trọng, nếu phản ứng giữa hợp chất 10 và 11 được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn thì tốc độ hình thành của sản phẩm rất chậm nhưng ngược lại khi nâng nhiệt độ cao hơn thì sinh ra nhiều sản phẩm phụ, trong các sản phẩm phạ tạo ra phân lập được cả dẫn xuất metyl 20.

Bằng phản ứng của hợp chất 10 với hợp chất azo-dimetyl este 11 ta đã đưa được nhóm thế chứa nguyên tử nitơ vào vị trí mong muốn, nhưng thành công quan trọng hơn lại là làm sao để tạo được trung tâm cacbon bất đối có cấu hình không gian phù hợp (lập thể đặc hiệu). Cũng rất may mắn là do tác dụng che chắn cản trở không gian của nhóm thế metoxy- cacbonyl trong phân tử 10 nên azo-dimetyl este 11 chỉ có thể tấn công vào hợp chất 10 từ phía bên kia của mặt phẳng, vì thế sản phẩm nhận được có cấu hình trans như hợp chất 12 .

Tiếp theo, hợp chất 12 được oxy hoá với 2 mol chì-IV-axetat trong benzen sôi, sau đó sản phẩm nhận được đem thủy phân trong metanol sôi có xúc tác natri axetat khan trong 24 giờ và hợp chất íra/is-hidroxi este 21 được tạo ra.

Lẽ dĩ nhiên quá trình hình thành sản phẩm 21 không đơn giản như trên phương trình ta thấy. Có thể đưa ra giả thiết rằng hợp chất hidrazo 12 cũng giống như các dẫn xuất hidrazin khác dễ dàng cho chất oxy hoá 2 điện tử và tạo ra hợp chất cation 22. Trong hợp chất này nhóm metoxycacbonỵl tại vị trí có ký hiệu sao (*) dễ dàng tách ra trong trường hợp bị môt nhóm ái nhân (nucleophin) tấn công, lúc này hợp chất 23 sẽ tạo ra, và dưới tác dụng của chì-IV-axetat hợp chất axetoxi-azo 24 sẽ hình thành.

Thực tế sau khi kết thúc phản ứng oxy hoá với chì-IV-axetat, sản phẩm trung gian thu được có các loại phổ cũng phù hợp với công thức 24 đã dự kiến.

Để khẳng định thêm về sản phẩm oxy hoá người ta cho sunfonamid 25 tác dụng với chì-IV-axetat như điều kiện phản ứng ở trên, kết quả thu được hợp chất axetoxi 26 ở dạng tinh thể khá đẹp. CH3OOC CH1Ò0C SN - N/ COOCH3 /-BuOCOl c h / ‘CH3 20 C O O C H3

ĩ

CH3OOC N —NH-COOCH: 12 h 3c c h 3 21

* COOCH, 0 I á ____ CHiOOC N = N —COOCH3 1 i t- BuOCON ^ . s CH3OOC N=N-COOCH3_{1 I 5} H ^ j ___L -H /-B u O C O N \^ /S H ,c CH H,c CH1 22 23 CH3OOC OAc H-— i--- I - -N = N —COOCH, /- BuOCON

s

H3C 'c h 3 24 CH3OOC

H?

r-BuOCON OAc ^yN = N -C O O C H , s

L

B c6h5-s o2x N - C H 3 COOCH3 h 3c c h 3 24b C6H5- S 0 2x I o c H y -t- BuOCON h3c I N -N H -C O O C H 3 --H

s

CHi N -C H 3 I 3

o c

Pb(OAc) 4 _{H- 7} i-BuOCON h3c OAc --N =N -C O O C H 3

s

CHt 25 26

Sau đó hợp chất 24 bị sự tấn công của nhóm ái nhân, nhóm metoxi cacbonyl cũng bị tách ra (nhìn mũi tên trong cồng thức 24b). Kết quả việc tách ra này làm giải phóng nitơ phân tử (N2) và proton liên kết vào cacbon ở vị trí p tạo ra hợp chất 27.

Cần nhấn mạnh rằng tất cả các quá trình biến đổi này đều chỉ xảy ra trôn cùng một trung tâm bất đối và quá trình th ế này hầu như là một quá trình tổng hợp đặc hiệu lập thể, bởi vì sau phản ứng sản phẩm chủ yếu là đồng phân trans-axetoxi este 27, tất nhiên đồng phân cissLxttoxi este 28 cũng được phân lập ra, song với tỷ lộ không đáng kể.

CH3OOC ỌAc I /-BuOCON h3c 27

s

c h3 CH3OOC ọ Ac_{J I í} * I T T í-BuOCON h3c 28

s

CH3

Cũng cán phải khẳng định thêm về thực tế sự tồn tại của cấu trúc hợp chất 21.- Hợp chất này còn có thể điều chế từ hợp chất-8, sau khi đã bảo vệ nhóm cacboxylic tự do bằng

nhóm Ị3,ị3,ị3-tricloetyl để được hợp chất 29 và sau khi đưa nhóm axetoxi vào vị trí p thì có thể thủy phân một cách dễ dàng để loại đi thu được axit 30, axit này được este hoá bằng diazometan để được este 2 1. CCỊ3CH2OOC -► t-BuOCON 1.N— COOCH3 HOOC

\

h3c 29

s

-c h 3 N —COOCH3 2. Pb(OAc)4 --- --- » 3. CH3OH / NaOAc

r

OH — H í-.BuOCON h3c 30 CH.N, 2 - ^ 21 CH,

Cấu trúc của hợp chất axit 30 cũng đã được khẳng định nhờ phân tích nhiễu xạ Rơnghen ba chiều.

Thông thường trong một hợp chất trên cùng một nguyên tử cacbon có chứa nhiều nhóm thế mang điện tích âm thì những nhóm này làm cho hợp chất trở thành kém bền vững, vậy hãy xét xem điều gì CÓ thể có khả năng xảy ra với hợp chất 21 trong giai đoạn này,

Rõ ràng trước hết hidroxi este 21 có thể biến đổi thành dạng hỗ biến của nó thành hơp chất 31, và vì hợp chất 31 là một p-dicacbonyl nên nó có thể chuyển thành dạng enol 32.

CH3OOC /-BuOCON h3c OH V H S CH300C h

^ L ,

'CH í-BuOCON H3C o SH 'CH, CH3OOC 21 31 32

Một khả năng biến đổi khác còn có thể xảy ra ở hợp chất 21 nữa là loại đi một phân tử nước theo kiểu tách loại p để tạo thành hợp chất 33, chính hợp chất 33 này còn có thể nhận được từ dạng enol của hợp chất 31 là hợp chất 32 bằng việc dehidrat hoá đóng vòng.

CH3OOC . r v 21 -h2C) /-BuOCON CH3 33 s c h 3 H,0 32

Trong thực tế hợp chất 21 tương đối bền và ổn định. Dù rằng từ hợp chất 12 bằng việc oxi hoá với chì-IV -axètat bên cạnh hợp chất chính là đồng phân ĩrans-axetoxi este 27 còn nhận được một tỷ lệ nhỏ đồng phân cis-este 28, nhưngkhi thủy phân xong ta chỉ nhận được duy nhất hợp chất /7 ứ«5“hiđroxi este 21. Cũng tương tự như thế từ hợp chất tricloetyl este 29 cũng có thể điều chế được hợp chất cis 34 lẫn trans-axetoxi 35, cả hai đồng phân này đều được thủy phân để cùng cho hợp chất frtfrts-hidroxi 30.

/- BuOCON CH3-s CH3 29 CCl3CH2OOC O Ac 1. CH3OOON=N-COOCH3 2. Pb(OAc) 4 BuOCON CH3 34 CHlOH / NaOAc CCt,CH2OOC O A c H— i L -H CH, t-. BuOCON CH3 s c h3 35 CHlOH / NaOAc HOOC OH H' 7 N BuOCON - H s

X

c u f c h3 30

Điều này càng được chứng minh khi thủy phân đồng phân m -ax e to x i este 28 trong metanol có sự hiện điện của natri axetat, lúc đó nó chuyển thành đồng phân f/-ứ/ỉs-hidroxi este 21 với hiệu suất rất cao.

Bước tiếp theo của việc tổng hợp là cho hợp chất 21 phản ứng với metyl sunfoclorua trong dung môi dim etyl fomam it có mặt của diisopropylamin, sau đó cho sản phẩm này phản ứng với đung dịch nước của natri nitrua (natri azit) để được hợp chất cis-azido este 36, sau đó hợp chất này được khử hoá thành á í-a m in o este 37 bằng hỗn hống nhôm trong metanol ở

-15°c.

Cấu trúc hợp chất 37 được xác định bằng phân tích nhiễu xạ Rơnghen.

C H3O O C ỌH H

7

/- BuOCON H3C 21 - H

s

-CH C H3O O C N3

H' f r H

/-BuOCON

s

-/ \ h 3c c h 3 C H3O O C n h 2 r-BuOCON S / K h 3c c h 3 36 CH3OOC o s o 2c h 3 /-BuOCON 37

Quá trình chuyển hoá hoá học trên có thể giải thích chi tiết như sau: hợp chất ancol 21 phản ứng với metyl sunfoclorua để tạo ra hợp chất trung gian sunfonat 38, sau đó chất này tham gia phản ứng thế ái nhân với azit ion theo cơ chế SN2 để hình thành nên sản phẩm cấu hình nghịch đảo 36. C H3O O C o s o2c h3 H ^ j ___ /-BuOCONs ?S / \ h 3c c h 3 38

ở đây cũng có thể xảy ra một khả năng không thể loại trừ nữa đó là hợp chất trung gian 38 với cơ chế thế hình thành cation 39, bởi vì nhóm sunfonat là một nhóm tách loại đi (leaving group) rất tốt, và như vậy sản phẩm azit hoá không chỉ là đồng phân cũ'-azit 36 mà sẽ là hỗn hợp cả m -a z it và trans-azit. May mắn là trường hợp này đã không xảy ra. Nguyên nhân không xảy ra hỗn hợp đồng phân nêu trên có lẽ được giải thích là cation 39 mezome hoá tạo thành cấu trúc ổn định, giàu năng lượng, ít tham gia phản ứng hơn đó là cation 40 và chính vì vậy không sinh ra đồng phân trans-azit 41.

C H3O O C C H3O O C C H3O O C N3 H-— ___ © H -J ___ ^ -H H - ! __ I--H

T

\

T ^ e

T

\

/- B u O C O N ^ /S --- >- í-B u O C O N ^ /S ® / - B u O C O N ^ S H3C v‘c h 3 h 3c vc h 3 h 3c s'c h 3 39 40 41

Trong việc điều chế amin 37 người ta cũng đã thử nghiệm cho azido este 36 tác dụng với tri A ỉ-butyl-photphin để được photphinimit 42, sau đó hợp chất này dù được thủy phân cẩn thận với điều kiện nhẹ nhàng đến đâu cũng thu được hỗn hợp đồng phân c/s-aminoeste 37 lẫn tỷ lệ khá cao đồng phân trans 43. Đồng phân 43 rất bền vững và không thể nào đóng vòng được, do nó đồng phân hoá tạo ra hợp chất 44, rõ ràng các hợp chất này cũng mezome hoá như hợp chất 21 đã nêu ở trên.

CH3OOC N=P(«-Bu)3 CH3OOC NH2 CH3OOC NH2

H - i___L -H ___L - H L J

_____ / \ thuỷ phản _ _ > ' _____ / 'H

/- B uO C O N s v ' S — ỈLr- + 3 7 + í-B u O C O N n .S ---► í-B u O C O N SH

h 3c c h 3 h 3c c h 3 h 3c c h 3

42 43 44

Như vậy với việc tạo được hợp chất 37 coi như chúng ta đã giải quyết xong một cách căn bản vấn đề hoá lập thể phần lactam của phân tử cần tổng hợp.

Sáng kiến cơ bản thứ hai của việc tổng hợp phân tử cephalotin ỉà tạo ra lactam 45 từ amin 37, nghĩa là loại trừ đi một phân tử metanol từ hợp chất 37 bằng việc ngưng tụ giừa nhóm este với nhóm amino. Qua phân tích nhiễu xạ Rơnghen người ta nhận thấy, khoảng cách giữa nguyên tử nitơ của nhóm amino và nguyên tử cacbon của nhóm cacbonyl ngắn đến mức không bình thưòng, chỉ khoảng độ 2,82 Ả, như vậy việc đóng vòng lactam sẽ rất thuận lợi. Thực tế từ hợp chất 37 với triisobutylat nhôm trong toluen ta có thể đóng vòng để tạo được lactam 45.

1.2.2. ĐIÊU CHẾ CEPHALOTIN

Nhiệm vụ tiếp theo của việc tổng hợp là đưa vào những vị trí thích hợp của hợp chất p-lactam 45 những nhóm chức và những phần cần thiết khác của phân tử cephalotin, cụ thể là tìrtạ cách khai thác khả năng phản ứng của nguyên tử lưu huỳnh và nitơ lactam của phân tử này (ở các vị trí có m ũi tên chỉ vào) để có thể phản ứng với một tác nhân nhất định tạo nên vòng sáu cạnh thiazin.

Trước hết phải điều chế tác nhân tương ứng đó là dẫn xuất diandehit 49. Chất này được điều chế bằng cách cho oxy hoá este đi-p,p,p-tricloetyl của axit:

o. % — NH

/

37 -H 3C 'C H 3 45 COOCH2CCl3

48

H COOCH2C G 3 49

Đ -tactaric 46 với natri peiodat trong metanol thành este p,p,p-tricloetyl của axit glioxilic 47, tiếp đó hợp chất 47 được ngưng tụ với muối natri của m alondial để cho sản phẩm andol 48, chất này được làm mất nước trong rt-octan đun sôi tạo ra diandehit 49.

Anđehit 49 này là chất có khả năng phản ứng cao, với lactam 45 nó hoạt động như một tác nhân ái điện tử, nó tham gia vào quá trình phản ứng cộng đóng vòng một cách đễ dàng với hợp chất chứa hidro hoạt động thông qua sự tạo phức vòng 50 không cần tới bất kỳ một chất xúc tác nào. Phản ứng đổng vòng giữa andehit 49 và lactam 45 không phải dùng tới bất kỳ xúc tác axit hoặc bazơ nào là một yêu cầu hết sức quan trọng, vì cả axit lẫn bazơ xúc tác đều có thể dẫn tới nguy cơ làm phân hủy lactam.

Thực tế khi cho andehit 49 phản ứng với hợp chất chứa hidro hoạt động lactam 45 trong /ĩ-octan ở

80°c

sau 16 giờ, như mong đợi thu'được sản phẩm 51 mà không cần bất kỳ một loại xúc tác nào, chất này để yên ở nhiệt độ phòng trong axit trifloaxetic sau 2,5 giờ thu được andehit 52.

Việc hình thành hợp chất 52 từ hợp chất 51 được giải thích bằng quá trình chuyển hoá sau: trước hết do sự tấn công của nguyên tử cacbon ái nhân mạnh ở nhóm cacbonyl được proton hoá tới nguyên tử lưu huỳnh mà hình thành nên vòng sáu cạnh (xem mũi tên trong công thức 53). Tiếp theo đó là các quá trình chuyển dịch dòng điện tử như hệ thống mũi tên vẽ trong công thức 54 và 55 để ổn định thành hợp chất 52.

Cũng phải lưu ý rằng từ hợp chất 54 trước khi nhóm amino được giải phóng khỏi nhóm bảo vệ terr-butoxicacbonyl thì hợp chất kiểu bazơ Schiff 56 cũng đã được tạo ra, chất này được thủy phân một cách dễ đàng dưới tác dụng của axit trifloaxetic để cho hợp chất amin 52.

Về mặt thực nghiêm việc chọn được hai nhóm re/7-butoxicacbonyl và isopropyl để bảo vệ nhóm amino và mecapto của cistein trong quá trình chuyển hoá trên quả là một thành công lớn, vì sau khi hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ bảo vệ của chúng và đã tạo được vòng sáu cạnh - công việc tổng hợp tiếp theo đã không cần tới sự có mặt của chúng nữa thì cũng đồng thời là lúc chúng được loại ra khỏi phân tử một cách nhẹ nhàng, đơn giản.

COOCH2CCI3

50

COOCH2CCl H

Cũng cần phải lưu ý rằng lẽ ra cùng với việc tạo ra một trung tâm bất đối mới (cacbon ở vị trí có dấu *) trong hợp chất 52 thì về mặt hoá học lập thể ta cũng phải tính tới sự hình thành đồng phân điastereom e của nó và cần phải nghĩ tới việc-phân lập, xác định cấu trúc, thế nhưng trong trường hợp này ta đã không cần chú ý đến vì cacbon bất đối này sẽ biến mất trong bước phản ứng tiếp theo do sự đồng phân hoá với việc chuyển dịch vị trí của dây nối đôi, và đồng thời tính bất đối của cacbon này cũng sẽ biến mất, thay vào đó sẽ là cacbon đối xứng (xem trong hợp chất 60).

Theo hoạch định, bước tiếp theo là axyl hoá nhóm amino của andehit 52 với thiophen-2-axetyIclorua trong benzen với sự có mặt của pirídin để được hợp chất 57. Sau đó nhóm fomyl của hợp chất vừa mới nhận được này (chất 57) được khử hoá thành hidroxym etyl bằng diboran để cho ancol 58, tiếp theo nhóm OH của hợp chất 58 được axetyl hoá với anhidrit axetic trong piridin để đi tới este 59, hợp chất này ngâm trong piridin khan ba ngày ở nhiệt độ phòng dẫn tới trạng thái cân bằng sản phẩm chuyển dịch nối đôi giữa 59 và 60.

Hệ số cân bằng giữa hai đồng phân 59 và 60 là 1 : 3 và bằng sắc ký trên silicagel có thể tách được đễ dàng hai đồng phân cấu trúc này.

53 COOCH2CCI3 o

%

— N H3C 'CH3 54 COOCH2CCl3

X

,CHO

H H N

o Q s -H, -N COOCH2CCl3 CH.OCOCH,

<

H c h2—c o n h COOCH2CCl3 c h2o c o c h3 CH2— CONH 59 60

Bước còn lại cuối cùng là phân cắt loại nhóm tricloetyl khỏi este 60 để được cephalotin 3. Việc cắt loại này được thực hiện nhẹ nhàng bằng bột kẽm trong axit axetic 90% ở nhiệt độ phòng. 60 Zn /A cOH

Q -

s COOH / L ^ C H 2OCOCH3 CH2— CONH

Cũng cần thiết nói thêm đôi chút về bước cắt loại nhóm p ,p ,p - tricloetyl trong bước cuối cùng này từ este 60. Theo thiết kế ban đầu thì rõ ràng nhóm bảo vệ này sẽ được lưu lại trong suốt quá trình tổng hợp, qua các bước phản ứng trung gian và sẽ phải loại ra trong bước cuối cùng sau khi đã hoàn thành nhiệm vụ. Vì vậy vấn đề quan trọng chủ yếu đặt ra là phải tìm được nhóm bảo vệ thế nào để cuối cùng khi không cần tới nó nữa thì viộc loại ra được thuận tiện, nhẹ nhàng, không gây ảnh hưởng tới vòng p-lactam rất nhạy cảm với việc thủy phấn. Chính nhóm p »p ,p -tricloety 1 là thích hợp cho yêu cầu này, vì trong môi trường khử, dưới tác dụng của kẽm kim loại, một dòng chuyển dịch điện tử xuất hiện trên phân tử này, (theo hướng các mũi tên trong công thức 61) giiíp cho quá trình tách loại thực hiện một cách dễ dàng.

C1 C[

61

Sơ đồ tóm tắ t quá trìn h tổng hợp cephalotỉn (3) HOOC HOOC HOOC h2n s h areton H -J ___

X

h3c c h3 f-BuOCON J s CH“N2' C0C12 2.

X

H ,c CH, 3. CH3OOC /- BuOCON^^S X . h3c c h3 CH3OOC OH H—I I ?-H N —COOCH-, II N —COOCH3 4. COOCH3 X . CH3OOC n- n h-c o o c h3 7 \ Pb(OAc)4 í- BuOCON v 's --- : --- ► NaOAc/ CH3OH H3C '*CH3 5 CH3OOC N3 H^J___ L -H CH3OOC H H-—i L -N H 2 ^ ^ ^ , C H ,0S02C1 ____ / \ AI (He)

í-BuOCON, ---- -- — > /-.BuOCON, ■ > /-BuOCON.

X

h3c c h3 NaN,

6

.

K

H3c CH3 7,

u x ;

h3c c h3 o . ^COOCH2CCl3 H--NH / \ A l(i-Bu), ì --- — V r-B uO C O N s .S 8. H , c CH * ---H "y V 0 0 o COOCH2CC13 H--N / 9. /-.BuOCON^^S • CH, CH r HCL .H V scr o CF3COOH ► R 10. H-iN COOCH2CCl3

. - V

” P " "

COCI o H„ 11. CH-rCONH c o o g h2c c u ^ X / C H O

k“J

COOCH2CCl3 c h2o h Ac2°] 13. O C H , -COOCH2CCl3 CH2OAc CONH COOCH2CCl3 COOH piriđin ^14. C "V -C H 2-CONH Ò

V

n

' V

CH2OAc Zn + ACOH % O - C H 2-C0NK c h,o c o c h Cephalotin

Tính chất tạo dòng chuyển dịch điện tử này của kẽm trên nhóm Ị3,Ị3,p-tricloetyl làm cho nhóm bảo vệ này được sử dụng một cách hữu hiệu để bảo vệ nhóm cacboxyl trong lĩnh vực tổng hợp các hợp chất nucleotid 18

Hợp chất cephalotin 3 tổng hợp theo phương pháp này có các hằng số vật lý, hoá học, cấu trúc và cấu hình hoàn toàn giống với cephalotin bán tổng hợp ra từ cephalosporin-C.

1.3. TỔNG HỢP CEPHALOSPORIN-C TỪ AMINOANDEHIT 52

Sau khi đã tổng hợp được cephalotin ta quay lại việc tổng hợp cephalosporin-C từ hợp chất trung gian quan trọng amino-andehit 52. Khi cho hợp chất 52 ngưng tụ với axit N-p,p,|3-tricloetoxy-cacbonyl D -(-)-a-am inoadipinic 62 trong tetrahidrofuran với sự có mặt của dicyclohexyl cacbodiimit (DCC) và piridin. Sản phẩm axit thu được đem este hoá với p,p,p-tricloetanol trong diclometan với sự có mặt của dicyclohexyl cacbodiim it và piridin thu được hỗn hợp gồm hai chất chính. Hai chất này được phân lập nhờ vào sắc ký trên silicagel hệ dung môi benzen-etylaxetat tỷ lệ 3 : 1 thu được chất phân cực mạnh là anđehit 63.

Andehit 6 3 .được khử hoá bằng diboran trong tetrahidrofuran cho ancol, sau đó sản phẩm thu được đem axyl hoá với anhidrit axetic trong piridin thu được este Ị3,y khồng no - hợp chất 64. Cũng giống như trong trường hợp cephalotin 3, este không no 64 này dẻ dàng có thể chuyển sang dạng đồng phân có nối đôi liên hợp 65 bằng cách ngâm trong piridin ba ngày ở nhiệt độ phòng. Trong trường hợp này hệ số cân bằng giữa hai đồng phân cấu trúc 64 và 65 là 1 : 4. Hai đồng phân này được phân lập một cách dễ dàng bằng sắc ký trên silicagel. Đồng phân 65 được khử hoá loại nhóm bảo vệ (3,p,p-tricloetyl bằng bột kẽm trong axit

COOCH2CC !3 COOCH2CCỊ3 62 52 1. DCC+ piridin 2 CI3CCH2OH / DCC + piridin V COOCH2CCI3 / CCl3CH2O O C - ^ H~CH2- CH2- ^ H2-CONH NH r _______ 63 COOCH2CCI3

axetic 90% ở

0(1c

thu được cephalosporin-C (1). Sản phẩm cephalosporin-C tổng hợp và cephalosporin-C tự nhiên (phân lập từ kết quả nuôi cấy) có các hằng số vật lý, hoá học, có Rf trong các hệ dung môi khác nhau cũng như thử tác dụng kháng sinh trên các loại vi khuẩn hoàn toàn giống nhau. Ngoài ra muối bari của cả hai loại cephalosporin-C có độ quay quang và các loại phổ đều giống hệt nhau.

C0 0CH2CC13 1. diboran \ — — H r 2. Ac20 N ----CCI3C h2 o o c ~ ỹ h - c h2- c h2- c h2-con'h NH COOCH2CCI3 ° \ /

CCI3C H2OOC—Ỹ H -C H2-CH2-CH2-C ONH TịỉH ^Jv^ C H jOCOCHj

0 r

64 OOCH2CCl3 c h2o c o c h3 65 COOH 0 Zn / AcOH

\

H, -N

<

H CH2OCOCH3 0 OOC-'CH -CH 2-CH2-CH2-CONH n h3 1 © Cephalosporin-C

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. W oodward R. B. et al.: J. Am. Chem . Soc. 88, 852 (1966),

2. Newton G. G. F. và Abraham E. p.: Natura 175, 548 (1955), Abraham E. p. và Newton G. G. F.: Biochem. J. 62, 654 (1956),

3. Abraham E. p. và Newton G. G. F.: Bỉochem. / . 79, 377 (1961), 4. Hodkin và Maslen: Biochem. J. 79, 393 (1961),

5. Abraham E. p.: Quart. Rev. Chem. Soc. 21, 231 (1967),

6 . Abraham E. p. et al.: Cephalosporin and Penicillin E. H. Flynn. Ed (Academic Press. New York. 1972),

7. Sheehan J. c . và Henery - Logan K. R.: J. Am. Chem. Soc. 81, 5838 (1959), 8. Eckstein F.: Angew. Chemite 77, 912 (1965).

2

.

.

^

II

CÁe

KHÁNG SINH NHÓM CEPHALOSPORIN

2.1. M Ở ĐẦU

Có thể nói rằng việc phát hiện, sau dó phân lập, xác định được cấu trúc và bán tổng hợp thành công các cephalosporin là một thành tựu vô cùng to lớn cả về mặt lý luận lẫn về mặt thực tiễn của hoá học kháng sinh. Thời kỳ này được mở đầu từ năm 1945 khi Brotzu,

nhà khoa học người Ý , phân lập được từ nước biển một loại nấm có tên là Cephaỉospovium acremonìum và phát hiện thấy rằng dịch lọc của môi trường nuôi cấy nấm này có tác dụng ức chế sự phát triển của tụ cầu vàng in vitro và được dùng để điều trị các rĩííiễm khuẩn do tụ cầu và sốt thương hàn ở người. Ba năm sau đó từ dịch lên men này E. p. Abraham và cộng sự đã phân lập ra các hoạt chất có tác dụng và gọi đó là Cephalosporin-C. Có thể nói rằng cho đến ngày hôm nay lĩnh vực nghiên cứu này cũng vẫn chưa thể nói là đã kết thúc bởi hàng năm có tới hàng trãm công trình nghiên cứu vẫn được công bố. Ngày nay với việc biến đổi các nhóm thế trên khung cephalosporin-C người ta đã đi đến hàng loạt các hoạt chất có'tác dụng sinh học cao, hoạt phổ kháng sinh rộng đưa vào phục vụ cho điều trị trên lâm sàng. Nhiều chất trong số đó đã được sản xuất rộng rãi ở quy mô công nghiệp bằng con đường bán tổng hợp. Những hãng dược phẩm đi hàng đầu trong nghiên cứu và sản xuất các kháng sinh loại này phải kể đến Eli Lilly, Glaxo, Cíba Geigỵ, Merck, Hoechst, Fujisawa, Roussel - Uclaf. . m .

2.2. VÀI NÉT VỂ CEPHALOSPORIN T ự NHIÊN

Cũng tương tự như các penixillin, các chất được liệt vào các cephalosporin tự nhiên là các chất thuộc các chất chứa vờng |3-lactam l2'31 được E. p. Abraham và G. G. F. Newton {4Ỉ phân lập được vào năm 1948 và công bố vào năm 1955 từ địch lên men chủng Cephaỉosporỉum acremonium.

Thống thường trong quá trình lên men của vi sinh vật (m icroorganism) nhiều kháng sinh, nhiều chất chuyển hoá được sinh ra. Từ môi trường nuôi cấy Cephaỉosporium acremonỉum bên cạnh các beta-lactam (Ị3-lactam) là cephalosporin-C (1), desaxetyloxi- cephalosporin-C (2), desaxetyl oxi-cephalosporin-C (3) và penixillin-N (5) còn phân lập được cả một kháng sinh chứa khung Steran là cephalosporin-P (6) (hình 2.1). Trong sản phẩm lên men ngoài chất chính là cephalosporin-C (1) thì hợp chất đáng được quan tâm tới nữa là chất 2, chất này có hoạt lực kháng sinh chỉ bằng khoảng 20% hoạt lực của cephalosporin-C (1).

Mức độ hình thành hợp chất 2 phụ thuộc vào lượng D -glucozơ có trong quá trình lên men chìm (tác dụng tới men thuỷ phân axetylase) và tất nhiên phụ thuộc vào tính chất của vi sinh vật sử dụng trong quá trình sản xuất, vào mức độ sục khí, vào pH của môi trường. Nhưng hợp chất 2 này trong quá trình chiết, phân lập người ta không cần để tâm tới vì trong môi trường axit nó tạo ra dạng lacton 4 và lúc này hoàn toàn trở thành chất không có hoạt tính kháng sinh.

Theo một số tác giả thì hợp chất 2 là sản phẩm trung gian của quá trình sinh tổng hợp chất cephalosporin-C (1). Ngược lại một số tác giả khác lại cho rằng sự hiện diện của hợp chất 2 có thể là do sản phẩm thuỷ phân trong kiềm của cephalosporin-C (1) hay do kết quả làm mất hoạt lực của enzim đối với hợp chất 1 mà sinh ra.

o o c

NH H H NH? o -N-5 CH? c h 3 COOH

Có thể nói rằng cả 3 hợp chất cephalosporin tự nhiên chứa khung cephem (1, 2, 3) chỉ khác nhau ở nhóm th ế trên C-3 và dù rằng cephalosporin-C (1) - chất có hoạt tính kháng sinh tốt nhất trong số này thì hoạt iực của nó cũng chỉ mới bằng khoảng 1/10 hoạt lực của penixillin-N (5), nhưng các thê hệ sản phẩm bán tổng hợp của nó thì lại là niềm kiêu hãnh và hy vọng trong điều trị.

Có một số tác giả cho rằng dưới tác đụng của men oxigenase bản thân penixiìlin-N (5) chuyển hoá thành cephalosporin-C (1). Các tác giả cũng cho rằng quá trình sinh tổng hợp ra các cephalosporin tự nhiên loại p-lactam nêu trên (1, 2, 3, 4) cũng như penixillin-N (5) cần tới 3 axit amin đó là axit D -a-am inoadipic, L-cistein, L-valin. Quá trình sinh tổng hợp này được biểu diễn một cách tóm tắt theo sơ đồ 2.1.

Trong quy mồ công nghiệp việc phân lập cephalosporin-C được tiến hành bằng cả phương pháp tủa, phương pháp hấp phụ, bằng sắc ký trao đổi ion lẫn cả phương pháp chiết, trong đó phương pháp chiết quan trọng hơn cả. Trước khi thực hiện việc chiết thường người ta chuyển kháng sinh về dạng dẫn xuất N-axyl hoà tan trong dung môi hữu cơ không hoà tan với nước. Dung môi hay được sử dụng là amyl axetat hoặc butyl axetat.

Nhưng do các cephalosporin tự nhiên có hoạt tính thấp không đáp ứng cho điều trị lâm sàng vì thế các nhà hoá dược, hoá học đã tìm cách bán tổng hợp ra các dần xuất mới của nó nhằm tạo ra các hợp chất có hoạt lực mạnh hơn, phổ tác dụng rộng hơn. Chính nhờ điều này đã hình thành ra các cephalosporin bán tổng hợp.

D-or-aminoadipic (6) L-cistein (7) L-valin (8)

Ỷ HOOC COOH 0/ " N' Y ^ C H 2OCOCH3 COOH 5 1 oxigenase S ơ đồ 2.1

2.3. CÁC CEPHALOSPORIN BÁN TỔNG HỢP

2.3.1. ĐẠI CUƠNG p '81

Do hoạt tính kháng sinh của các cephalosporin tự nhiên thu được từ sản phẩm lên men quá thấp, không đáp ứng cho nhu cầu điều trị trong lâm sàng nên người ta đã nghiên cứu điều chế ra các sản phẩm bán tổng hợp của cephalosporin cổ chứa các nhóm thế khác nhau trên những vị trí khác nhau của bộ khung cephem, nhằm tìm ra những chất mới có hoạt lực cao hơn, phổ tác dụng rộng hơn để phục vụ cho viộc chữa bệnh.

Trước khi đi vào tổng hợp các hợp chất cụ thể phải nghiên cứu một cách tổng quát về cấu trúc hoá học và Hên quan tác đụng của bộ khung mang hoạt tính kháng sinh này.

2.3.1.1. Cấu trúc hoá học các hợp chất cephalosporin

Các hợp chất nhóm cephalosporin được biểu diễn một cách tổng quát trong công thức chung

la

sau đây:

Nhìn vào công thức thấy rằng:

- Đây là một bộ khung gồm hai vòng, có một vòng p-lactam 4 cạnh (azetidinon-2) gắn với một dị vòng 6 cạnh (2,3-dihidro-6H -l,3-thiazin).

- Có 2 cacbon bất đối ở vị trí C-6 và C-7, để có hoạt tính kháng sinh thì cấu hình của hai cacbon bất đối này nhất thiết phải là 6R, 7R. Các hợp chất không có cấu hlnh này thi không có hoạt tính kháng sinh.

- Liên kết đồi nhất thiết phải ở vị trí C3-C4 (À3) còn nếu nằm ở C2-C3 (A2) thì hợp chất không mang hoạt tính.

- Các nhóm th ế ở vị trí 2, 4, 5, 6, 8 là cố định, cho đến nay khồng có gì thay đổi. - Vị trí C-4 luôn luôn là nhóm COOH (hoặc muối hay este đễ thủy phân của nó). - R-2 trên vị trí C-7 có thể là H hoặc OCH3.

- Ở vị trí C-3 luồn có một nhóm th ế R ị thay đổi theo từng hợp chất.

- Nhóm amino trên vị trí C-7 luôn luôn có chứa nhóm axyl và R của axyl này thay đổi tùy theo từng hợp chất.

Tóm lại các nhóm R và Rị thay đổi tùy theo m ồi dẫn xuất của cephalosporin.

Nếu trong công thức chung l a mà R2 là H thì bộ khung có tên chung là “Cephem” hoặc “Cephalosporin” , còn nếu R2 là nhóm OCH3 thì bộ khung có tên “Cephamycin” . Khi

o

nguyên tử

s

trong bộ khung được thay bằng

o

thì bộ khung có tên là “oxacephem” còn khi

s

thay bằng CH2 thì gọi là “Cacbacephem” .

2.3.I.2. Một số tính chất hoá học dặc trưng của các hạp chất nhóm cephalosporin

Các hợp chất chứa khung cephalosporin có các đặc tính sau: - Tính không bền vững của vòng p-lactam:

Giống với các penixillin vòng (3-lactam của cephalosporin cũng không bền, dễ bị mở vòng, tính không bền vững này có thể giải thích bằng sự tương tác cộng hưởng của các nguyên tử

o ,

N,

c

trong vòng p-lactam cũng như liên kết enamin có trong bộ khung. Vòng p-lactam nhạy cảm với sự tấn công của các tác nhân ái nhân (bazơ) hơn là các tác nhân ái điện tử (axit).

- Các tác nhân ái nhân Nu (bazơ) mở vòng p-lactam tạo ra các dẫn xuất của cephalosporoic không có hoạt tính kháng sinh.

RCONH-COOH Nu

RCONH-r

Nu I COOH H +

RCONH-r

A Ỵ >

COOH dẫn xuất của axit cephalosporoic Nu c’ó thể là:

+ bazơ (NaOH, KOH): “thuỷ phân” tạo muối cùa axit cephalosporoic + ancol: “ancol phân” tạo ra este của axit cephalosporoic

+ amin: “amin phân” tạo các amit của axit cephalosporoic.

- Khác với các penixillin, các cephalosporin khá bền vững với axit, sự bền vững này liên quan đến liên kết của vòng p-lactam. Với vòng 6 cạnh thiazin (90° trong penixillin và 133° trong khung các cephalosporin, nghĩa là trong các cephalosporin ít gấp, ít câng hơn).

- Các cephalosporin có nhóm cacboxylic ở vị trí C-4 nên có tính chất axit khá mạnh của một axit khống no (1,5 < pKa < 2,7), nên có thể tạo muối (thường là tạo m uối natri để tao dang tan trong nước làm thuốc tiêm) hoặc tao muối nội (dang betain) khi vi trí Rj có chứa nhóm bazơ ( Rị=C H 2~ ^~ ~ ^ ) hay tạo ra các este dễ thuỷ phân trong một số hoạt chất (cefuroxin axetyl).

Tùy theo bản chất của nhóm Rj trong phân tử l a mà người ta có thể chia thành: + Nhóm bền vững: nhu metyl, clo, hidro, cacbamoyloximetyl (NH2COOCH2—);

+ Nhóm dễ phản ứng: đặc biệt là nhóm axetoximethyl (CH3COOCH2—) có những tính chất của một axetat của ancol allylic. Việc thủy phân nhóm này rất dễ dàng bằng enzim esterase hoặc bằng con đường hoá học để tạo ra dẫn xuất desaxetyl-cephalosporin. Nhóm axetoximetyl cũng là đối tượng của phản ứng thế ái nhân bởi các tác nhân ái nhân chứa N hoặc

s,

và đây cũng là phản ứng được sử dụng khá nhiều ĩrong quá trình điều chế cephalosporin bán tổng hợp. R C O N H am idase CO O H cephalosporin esterase

axit 7 -am in o ce p h alo sp o ram ic d esaxetyl cephalosporin

H + * (-H20 )

H+ (-H20 )

lacton cùa axit desaxetyl cephalosporin hoặc

O H “, H+

axit c ep h alo sp o ro ic axit an h id ro d esax ety ỉ c ephalosporoic

- Nhóm thế R trong axyl có trên nhóm p-amino ở vị trí C-7 đã tạo ra tính bền vững cho các cephalosporin. Sự cản trở khống gian ngay cạnh vòng (3-lactam đã ngăn cản không cho enzim p-lactam ase tác dụng tới vòng p-lactam nên đã bảo vệ được vòng này khỏi sự tấn công của enzim p-lactamase. Các quá trình biến hoá hoá học và sinh học của các hợp chất cephalosporin được minh hoạ tóm tắt trong sơ đồ 2.2.

2.3.1.3. Sự liên quan cấu trúc và tác dụng

Qua sử dụng trong lâm sàng gần 40 năm nay người ta nhận thấy rằng:

- Tác dụng kháng sinh luôn đi đôi với độ bền vững của vòng Ị3-lactam, trong tất cả các trường hợp mở vòng đều làm mất tác dụng kháng sinh của hợp chất. Các nhóm thế có vai trò quan trọng trong tính chất, tác dụng của kháng sinh cephalosporin.

- Trong phân tử cephalosporin la , nhóm th ế R làm thay đổi tác dụng kháng khuẩn của phân tử.

- Sự kháng p-lactamase có thể đạt được bằng cách thay đổi lựa chọn các nhóm thế R và R 2, nói chung nhờ vào việc tạo ra sự cản trở không gian xung quanh vòng p-lactam.

- Nhóm th ế R ị làm thay đổi tính chất dược động học của phân tử (ví dụ làm tăng, tác dụng kháng khuẩn đặc biệt là đối với tụ cầu và Pseudomonas).

2.3.1.4. Phân loại các cephalosporin

Người ta có thể phân ỉoại các kháng sinh cephalosporin bán tổng hợp theo công thức hoá học (chủ yếu dựa vào cấu trúc của R hoặc R] trong công thức tổng quát la ) hoặc theo đặc tính tác dụng của nó (theo thế hệ). Trong điều trị, chủ yếu sử dụng cách phân ỉoại theo thế hộ. Cho tới nay đã có tới 4 thế hệ cephalosporin được ra đời:

- Các cephalosporin th ế hệ một gồm các hợp chất dễ bị thuỷ phân bởi các cephalosporinase. Trong các phân tử cephalosporin thế hệ này đều còn chứa nhóm Rj là axetoximetyl (-CH2OCOCH3) ở vị trí C-3 (nhóm axetoximetyl này có ảnh hưởng lớn đến tính chất dược động học của các hợp chất này đo nó bị tác dụng của các enzim esterase) hoặc ở những phân tử có nhóm R là thienyl, tetrazolyl, hay các chất mà nhóm R là dẫn xuất của amino, phenyl-methyl.

- Các cephalosporin th ế hệ hai là những chất có tác đụng kháng các Ị3-lactamase. Tác dụng kháng cấc Ị3-lactamase là do cản trở không gian xung quanh vòng p-lactam được tạo ra bởi chuỗi axyl (RCO) trên amino ở vị trí C-7 có chứa cả nhóm hidroxi (trong trường hợp axit mandelic), [nhóm này ngăn cản không cho các enzim đến gần Ị3-lactam (trong phân tử cefamandol)] hay nhóm ankoxi-imin bảo vệ vòng p-lactam đối với các phản ứng thuỷ phân bằng enzim (trong phân tử cephuroxim) hoặc nhóm metoxi (R2) ở vị trí C-7.

+ Tác dụng kháng Ị3-lactamase mạnh hơn,

+ Có tác dụng mạnh hơn với các chủng vi khuẩn gram (-), + Có nồng độ tác dụng tối thiểu (MIC) thấp hơn,

+ Có khả năng khuếch tán tốt tới những bộ phận mà các cephalosporin hai thế hệ trên không thâm nhập đến được,

+ Thời gian bán phân hủy dài hơn.

- Các cephalosporin th ể hệ bốn ỉà những chất có tính bền vững với (3-lactamase và có

hoạt tính mạnh trên các vi khuẩn gram ( - ) hơn các chất thế hệ ba.

2.3.2. ĐIỀU CHẾ CÁC CEPHALOSPORIN BÁN T ổN G HỢP

2.3.2.I. Đại cương

Nếu như coi 6-amino-penixillanic axit (6-APA) là chất chìa khoá trong việc điều chế các kháng sinh penixillin bán tổng hợp thì các axit 7-amino-cephalosporanic (7-ACA) và 7-am ino-desaxetoxi-cephalosporanic (7-ACDA) cũng được coi là những nguyên liệu then chốt của việc bán tổng hợp các kháng sinh chứa bộ khung cephem này. Như vậy quá trình điều chế các cephalosporin bán tổng hợp sẽ bao gồm hai giai đoạn chính. Giai đoạn thứ nhất là điều chế ra các nguyên liệu then chốt như 7-ACA, 7-ACDA hoặc các chất có thành phần tương đương chứa nhân cephem (các hợp chất này đa số chỉ mới mang hoạt tính kháng sinh rất thấp và được điều chế ra từ cephalosporin tự nhiẽn hoặc từ penixilIin-V hoậc G). Giai đoạn thứ hai là đưa các nhóm thế khác nhau vào các vị trí tương ứng ở C-7 hoậc C-3 của hợp chất chứa khung cephem kể trên nhằm tạo ra các cephalosporin bán tổng hợp. Các sản phẩm bán tổng hợp này vừa có hoạt phổ rộng hơn lại có hoạt lực cao hơn các cephalosporin tự nhiên hàng trăm đến hàng nghìn lần.

Nếu trong điều chế các kháng sinh penixillin bán tổng hợp một vị trí duy nhất có hoạt tính hoá học được khai thác là nhóm amino ở vị trí C-6 thì trong bán tổng hợp các cephalosporin có tới 3 vị trí có hoạt tính hoá học được đưa vào khai thác đó là nhóm amino ở vị trí C-7, nhóm axetoxi-m etyl ở C-3 và hiđro ở vị trí C-7 bên cạnh nhóm amino. Chính nhờ trên khung cephem có chứa nhiểu nhóm có khả năng hoạt động hoá học như thế nên số kháng sinh điều chế ra từ hợp chất chứa bộ khung cephem cũng đa dạng hơn nhiều so với các kháng sinh bán tổng hợp chứa khung penixillin. Cho đến nay có hàng ngàn hợp chất chứa khung cephem được bán tổng hợp ra, trong số đó có tới hơn 50 chất đã thành dược phẩm đã và đang được sử đụng trong điều trị. Các cephalosporin này được liệt kê theo bốn thế hệ trong bảng 2. 1 .

Sau đây chúng ta lần lượt nghiên cứu từng giai đoạn cơ bản của việc điều chê các cephaỉosporin bán tổng hợp.

Bảng 2.1. Các cephalosporin bán tổng hợp R-2 H 1 ^ 1 c

RCONH-o

-N. 'R, COOR-Số T T T hế hệ Tên thông dụng R R 1 r 2 r 3 CĐ vào .cơ thể, ĐNC với p-lac.* TL T K ** 1 I cephalothine (10) ^ ^O C O M e H H tiêm, nhạy cảm [9] 2 I cephaỉorindin (1 1)

o

_^

O

_{v y} H H tiêm, nhạy cảm [ 10] 3 I cephapirin (1 2) \ = ư

^

's^.O C O M e H H tiêm, nhạy cảm [ 11] 4 I cephacetriỉe (13) N sC ''7 ^ ^ ^ O C O M e H H tiêm, nhạy cảm [12] 5 I cephaỉogỉycin (14) NH, x^^O CO M e H H uống, nhạy cảm [13] 6 I cephalexin (15) nh2

0

^

-Me H H uống, nhạy cảm [14]

Bảng 2.1 ị tiếp í heo) Số T T T h ế hệ Tên th ô n g dụng R R 1 r 2 r 3 CĐ vào cơ thể, ĐNC với p-lac.* TLTK ** 13 I cefaparole (22) n h 2 HO N--- N s Me H H tiêm, nhạy cảm [2 1] 14 I cefazedone (23) Cl °y V N--- N M e H H tiêm, nhạy cảm [22] 15 II cefamandole (24) OH P " N----N j * 1 Me H H tiêm, bền vững [23] 16 II cefamandole-nafate (25) OCHO _N----N 1 M e H H tiêm, bền vững [23] 17 II cefonicid (26) OH N— N CH2SOjH H H tiêm, bền vững [25] 18 II eefazafiur (27) c f 3s ^ ^ N— N 1 Me H H tiêm, bền vững [26] u> u>

Bảng 2.1 (tiếp theo) Sô TT Thế hệ Tên thông dụng R Ri r2 r3 CĐ vào cơ thể, ĐNC với p-lac.* TLTK ** 19 II ceforanide (28)

©G*

N— N 1 ch2cooh H H tiêm, bền vững [27] 20 II cefuroxime (29) N -O M e _{\ ^ o c o n h 2 H H tiêm,} bền vững [28] 21 II cefoxitin (30)

Ú T

\^O C O N H -, _{o c h3} H tiêm, bền vững [29] 22 II cefotetan (31) nh2 0= < A c = c >----HOOC s N--- N 1 Me OCH, H tiêm , bền vững [30] 23 II cefm ino x (32) n h 2 HOOC N--- N & 1 Me o c h 3 H tiêm , bền vững [31] 34 III cefsulodin (33) SO,H O Q - C O N H , H H tiêm , bền vững [32] 25 III cefotiam (34) N--- N 1 (CH2)2NMe2 H H tiêm , bển vững [33]

Bảng 2.1 (tiếp theo) Số T T T h ế hệ T ên th ông d ụng R R. r 2 r 3 CĐ vào cơ thể, ĐNC với P-lac.* TL T K ** 26 III cefotaxim e (35) N -O M e ^ ^ O C O M e H H tiêm , bền vững [34] 27 III cefuzonam (36) N—OMe N H . - O ’1 ' ^ s J O L H H tiêm, bền vững [35] 28 III ceftizoxim (37) N—OMe — o H H H tiêm , bền vững [36]

29 III cefm enoxim

(38) N—OMe M . x f ' .s N---- N 1 Me H H tiêm , bền vững [37]

30 III cefpiram ide (39) OH /CONH^ / ặ OH N----N / N X N 1 Me H H tiêm , bển vững [38]

Bảng 2.1 (tiếp theo) Số T T T h ế hệ T ên th ô n g d ụ n g R Ri r 2 R3 CĐ vào cơ thể, ĐNC vói P-lac.* T L T K ** 31 III cefop era zo ne

(40) c> o Y A . 0= c; v _ y C2H’ NH HO N---- N / N 1 Me H H tiêm , bền vững [39]

32 III cefbu pera zon e (41) ^ n- c o n h - ^ 0 N---- N ^ j XN 1 Me OMe H tiêm , bền vững [40]

33 III cefm eta zo le (42) NCTH2SX^ N---- N Me OMe H tiêm , bền vững [41] 34 III ceftria xo n e (43) N-OMe « , - Q Me- N - NY ° H H H tiêm , bền vững [42] 35 III ce ftio fu r (44) N—OMe X ^ S - c J Ụ I H H tiêm , bền vững [43]