Phương pháp tổng hợp mới cho sản phẩm tự nhiên Hypericum - Luận án tiến sĩ

PPAPs là một họ hợp chất thiên nhiên đặc biệt từ họ Guttiferae. Các hợp chất này bao gồm hyperforin, nemorosone, garsubellin A và papuaforin B. Hyperforin được phân lập lần đầu năm 1971 từ Hypericum perforatum. Nemorosone là thành phần chính trong nhựa của các loài Clusia. Garsubellin A có cấu trúc tương tự hyperforin nhưng có thêm vòng 2,2-dimethyl-2H-pyran. Papuaforin B cũng thuộc nhóm PPAP với cấu trúc đa vòng phức tạp. Tất cả các hợp chất này đều có khung acylphloroglucinol đặc trưng với các nhóm prenyl.

Hypericum perforatum được sử dụng rộng rãi như một phương thuốc tự nhiên chống trầm cảm. Hyperforin được coi là thành phần chịu trách nhiệm cho hoạt tính chống trầm cảm. Hợp chất này ức chế hấp thu synaptosomal của nhiều chất dẫn truyền thần kinh. Các chất bao gồm serotonin, noradrenaline, dopamine, GABA và L-glutamate. Nồng độ IC50 chỉ là 1 μM cho thấy hiệu quả cao. Hyperforin cũng ức chế vi khuẩn Staphylococcus aureus kháng penicillin và methicillin. Nemorosone có hoạt tính kháng khuẩn, độc tế bào và chống oxi hóa.

Garsubellin A tăng cường hoạt động của choline acetyltransferase (ChAT) lên 154% ở nồng độ 10 μM. ChAT tham gia vào sinh tổng hợp chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine (ACh). Bệnh Alzheimer liên quan đến sự thiếu hụt acetylcholine trong hệ thần kinh. Do đó, hoạt tính tăng cường ChAT của garsubellin A có tiềm năng phát triển liệu pháp hóa học. Cấu trúc của nó tương tự hyperforin với vòng 2,2-dimethyl-2H-pyran bổ sung. Vòng này có thể hình thành từ quá trình vòng hóa nhóm 3-methylbut-2-enyl với nhóm hydroxyl enolic.

Sinh tổng hợp acylphloroglucinol theo cơ chế polyketide. Hai đơn vị pyruvate là điểm khởi đầu của quá trình. Malonyl-CoA ngưng tụ với acyl-CoA tạo thành tetraketide. Tetraketide là tiền chất quan trọng cho vòng phloroglucinol. Quá trình vòng hóa tetraketide được xúc tác bởi enzyme đặc hiệu. Sản phẩm là acylphloroglucinol 5 với khung cơ bản. Khung này chứa ba nhóm hydroxyl và một nhóm acyl. Cấu trúc này là nền tảng cho các bước prenyl hóa tiếp theo.

Prenyl pyrophosphate được tổng hợp từ con đường không qua mevalonate. Con đường này khác với con đường mevalonate cổ điển. Enzyme prenyl transferase xúc tác gắn nhóm prenyl vào acylphloroglucinol. Quá trình này tạo ra hợp chất 6 với một hoặc nhiều nhóm prenyl. Vị trí prenyl hóa được kiểm soát bởi đặc hiệu của enzyme. Prenyl hóa lần đầu xảy ra tại vị trí ưu tiên trên vòng phloroglucinol. Các lần prenyl hóa tiếp theo tạo nên cấu trúc polyprenylated đặc trưng.

Sau khi prenyl hóa, các nhóm prenyl trải qua vòng hóa nội phân tử. Quá trình vòng hóa tạo ra các vòng bicyclo đặc trưng của hyperforin. Cơ chế vòng hóa có thể liên quan đến phản ứng điện tử vòng. Các enzyme đặc hiệu kiểm soát hình học và stereochemistry của sản phẩm. Kết quả là cấu trúc ba chiều phức tạp của hyperforin. Cấu trúc này chứa nhiều trung tâm chiral và vòng đa chiều. Hiểu biết về cơ chế này hướng dẫn thiết kế tổng hợp hữu cơ.

Phản ứng Claisen-Schmidt là công cụ quan trọng trong tổng hợp PPAP. Phản ứng này tạo liên kết carbon-carbon giữa aldehyde và ketone. Trong tổng hợp papuaforin B, phản ứng này xây dựng các nhóm prenyl. Điều kiện phản ứng được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao. Base mạnh như NaOH hoặc KOH thường được sử dụng. Nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng đến tỷ lệ sản phẩm. Sản phẩm α,β-unsaturated carbonyl là trung gian quan trọng. Trung gian này được sử dụng trong các bước tiếp theo.

Phản ứng Diels-Alder tạo vòng sáu cạnh một cách stereoselective. Phản ứng này là công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp sản phẩm thiên nhiên. Diene và dienophile được thiết kế cẩn thận cho tổng hợp PPAP. Điều kiện nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ và độ chọn lọc. Phản ứng có thể được xúc tác bởi acid Lewis để tăng tốc độ. Stereochemistry của sản phẩm phụ thuộc vào cấu hình của chất phản ứng. Phản ứng Diels-Alder tạo ra nhiều trung tâm chiral trong một bước. Điều này làm tăng hiệu quả tổng hợp đáng kể.

Kiểm soát stereochemistry là yếu tố then chốt trong tổng hợp PPAP. Các trung tâm chiral phải được tạo ra với cấu hình chính xác. Sử dụng chất xúc tác chiral giúp đạt enantioselectivity cao. Auxiliary chiral có thể được gắn tạm thời để kiểm soát stereochemistry. Phản ứng stereoselective được thiết kế dựa trên hiệu ứng steric và điện tử. Bảo vệ và khử bảo vệ nhóm chức được thực hiện cẩn thận. Mỗi bước được tối ưu hóa để duy trì cấu hình mong muốn. Kết quả là sản phẩm cuối cùng có stereochemistry giống tự nhiên.

Khung calamenene là cấu trúc sesquiterpene với vòng thơm. Tổng hợp bắt đầu từ các tiền chất thơm đơn giản có sẵn. Phản ứng alkyl hóa Friedel-Crafts được sử dụng để gắn nhóm isopropyl. Điều kiện acid Lewis như AlCl3 xúc tác phản ứng hiệu quả. Vị trí alkyl hóa được kiểm soát bởi hiệu ứng định hướng của nhóm thế. Sau đó, vòng hóa nội phân tử tạo ra khung tricyclic. Các điều kiện nhiệt hoặc acid thúc đẩy quá trình vòng hóa. Sản phẩm là khung calamenene với các vị trí sẵn sàng cho functionalization.

Đưa nhóm hydroxyl vào vị trí 7 và 8 đòi hỏi độ chọn lọc cao. Phản ứng hydroxyl hóa trực tiếp có thể sử dụng các chất oxi hóa như OsO4. OsO4 tạo ra diol cis một cách stereospecific từ alkene. Alkene được tạo ra tại vị trí mong muốn thông qua dehydrogenation. Các nhóm bảo vệ được sử dụng để ngăn hydroxyl hóa không mong muốn. Phương pháp thay thế sử dụng epoxide làm trung gian. Epoxide mở vòng cho diol với stereochemistry kiểm soát. Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng bảo vệ các nhóm chức nhạy cảm khác.

Mansonone C có cấu trúc liên quan đến 7,8-dihydroxycalamenene. Chiến lược tổng hợp tương tự có thể được áp dụng với một số sửa đổi. Sự khác biệt chính là sự hiện diện của nhóm quinone trong mansonone C. Nhóm quinone được tạo ra thông qua oxi hóa hydroquinone. Các chất oxi hóa như ceric ammonium nitrate (CAN) hiệu quả. Thứ tự các bước được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất. Bảo vệ nhóm được chọn để tương thích với điều kiện oxi hóa. Phương pháp tổng hợp trực tiếp này ngắn gọn và hiệu quả hơn các cách tiếp cận trước đó.

Xúc tác kim loại chuyển tiếp đã trở thành công cụ không thể thiếu. Palladium, ruthenium, copper là các kim loại được sử dụng phổ biến. Phản ứng Suzuki-Miyaura tạo liên kết C-C từ boronic acid và halide. Phản ứng Heck tạo alkene thế từ alkene và aryl halide. Metathesis olefin xúc tác bởi ruthenium tạo vòng và mở vòng. Các phản ứng này có độ chọn lọc cao và điều kiện nhẹ nhàng. Chúng cho phép tổng hợp các cấu trúc phức tạp trong ít bước hơn. Hiệu suất cao và khả năng mở rộng quy mô là ưu điểm lớn.

Bảo vệ nhóm chức là kỹ thuật quan trọng trong tổng hợp phức tạp. Orthogonal protection cho phép khử bảo vệ chọn lọc từng nhóm. Ví dụ, BOC và FMOC có thể được khử bảo vệ độc lập. BOC được khử bằng acid trong khi FMOC bằng base. Silyl ether như TBS, TIPS bảo vệ hydroxyl với độ ổn định khác nhau. Benzyl và allyl ether có thể được khử bảo vệ bằng hydrogenolysis. Acetal và ketal bảo vệ carbonyl với độ chọn lọc acid. Chiến lược này cho phép functionalization phức tạp nhiều bước. Kết quả là tổng hợp hiệu quả các phân tử đa chức năng.

NMR hai chiều như COSY, HMBC cung cấp thông tin cấu trúc chi tiết. Mass spectrometry độ phân giải cao xác định công thức phân tử chính xác. X-ray crystallography xác định cấu trúc ba chiều tuyệt đối. Computational chemistry dự đoán cơ chế phản ứng và năng lượng chuyển tiếp. Density functional theory (DFT) tính toán cấu trúc và tính chất phân tử. Molecular dynamics mô phỏng hành vi phân tử trong điều kiện khác nhau. Các công cụ này giúp thiết kế tổng hợp hợp lý và hiệu quả. Tích hợp thực nghiệm và lý thuyết tăng tốc nghiên cứu đáng kể.

Chất tương tự được thiết kế dựa trên cấu trúc sản phẩm tự nhiên. Mục tiêu là cải thiện hoạt tính, tính chọn lọc và dược động học. Các nhóm prenyl có thể được thay đổi để tăng độ hòa tan trong nước. Vòng phloroglucinol có thể được sửa đổi để tăng độ ổn định. Stereochemistry có thể được đảo ngược để nghiên cứu ảnh hưởng đến hoạt tính. Các nhóm chức mới có thể được thêm vào để tăng ái lực với target. Tổng hợp hữu cơ linh hoạt cho phép tạo ra thư viện hợp chất lớn. Screening hoạt tính sinh học xác định các ứng viên triển vọng nhất.

SAR studies xác định các phần cấu trúc quan trọng cho hoạt tính. Các nhóm chức thiết yếu được xác định thông qua sửa đổi có hệ thống. Vị trí và số lượng nhóm prenyl ảnh hưởng đến hoạt tính. Stereochemistry tại các trung tâm chiral có thể quyết định hoạt tính. Vòng bicyclo đóng vai trò trong tương tác với target sinh học. Các nghiên cứu này hướng dẫn thiết kế thế hệ tiếp theo của chất tương tự. Molecular modeling dự đoán tương tác với protein target. Kết hợp dữ liệu thực nghiệm và lý thuyết tối ưu hóa thiết kế thuốc.

Hoạt tính chống trầm cảm của hyperforin đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu. Cơ chế ức chế hấp thu neurotransmitter rộng là độc đáo. Điều này có thể hiệu quả hơn các thuốc chống trầm cảm hiện tại. Hoạt tính kháng khuẩn chống MRSA có giá trị trong thời đại kháng thuốc. Các hợp chất mới có thể phát triển thành thuốc kháng sinh thế hệ mới. Tiềm năng điều trị Alzheimer thông qua tăng ChAT rất hứa hẹn. Tổng hợp cung cấp đủ vật liệu cho thử nghiệm tiền lâm sàng và lâm sàng. Nghiên cứu này là bước đầu quan trọng trong phát triển thuốc từ sản phẩm thiên nhiên.