Nghiên cứu tổng hợp các hợp chất Piperazinedion và hoạt tính sinh học - Luận án Tiến sĩ

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. 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 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. HỢP CHẤT PIPERAZINEDION 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: 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]. 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 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].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.

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 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-Met- L-Met), vòng (L-Asp-L-Asp), vòng (L-Glu-L-Glu) và vòng (L-Ala-L-Ala)…. 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. 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 A- D,. 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].3: Các hợp chất tryprostatin. 5 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].4: Chất ức chế BCRP fumitremorgin.

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].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 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.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].