Nghiên cứu điều chế rượu allylic dẫn xuất của piridin, chất trung gian tổng hợp kháng sinh nikkomycin Z - Bùi Thùy Trang

Hóa học và Kỹ thuật môi trường B.T.Trang, C.C.Hữu, Đ.H.Thanh, C.H.Thường,“Nghiên cứu điều chế nikkomycin Z.” 178 NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ RƯỢU ALLYLIC DẪN XUẤT CỦA PIRIDIN, CHẤT TRUNG GIAN TỔNG HỢP KHÁNG SINH NIKKOMYCIN Z Bùi Thùy Trang2, Chu Chiến Hữu3, Đỗ Huy Thanh1, Cao Hải Thường1* Tóm tắt: Nikkomycin Z là chất kháng sinh thuộc nhóm peptit, chất này đã được thử nghiệm pha I và pha II cho kết quả tốt, an toàn và ít tác dụng phụ. Dòng kháng sinh này có tính chất ức chế mạnh quá trình sinh tổng hợp chitin và có hoạt tính kháng nấm, diệt côn trùngMột trong những phương pháp mới, hiệu quả tổng hợp hoạt chất này là đi từ rượu allylic và N-tert-butylsulfinyl imin. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu điều chế rượu allylic, chất trung gian quan trọng trong quá trình tổng hợp Nikkomycin Z. Từ khóa: Nikkomycin Z, Chất kháng sinh, Chất ức chế, Sinh tổng hợp. 1. MỞ ĐẦU Nikkomycin là dòng kháng sinh thuộc nhóm peptit được phân lập từ Streptomyces tendae [1] and Streptomyces cacaoi [2]. Kháng sinh này là chất ức chế cạnh tranh quá trình tổng hợp chitin, kháng nấm và kháng côn trùng Phát triển từ năm 2005, Nikkomycin Z được đầu tư nghiên cứu tại Đại học Arizona làm vacine điều trị bệnh “Valley Fever”. Bệnh này thuộc loại nhiễm trùng phổi do một loại nấm, trong y học bệnh còn được gọi là coccidioidomycosis. Hiện nay, Nikkomycin Z đã được thử nghiệm lâm sàng ở pha I và pha II và được đánh giá là hiệu quả và an toàn trong điều trị bệnh [3]. Nikkomycin Z là phân tử phức tạp chứa nhiều nhóm chức và nhiều trung tâm bất đối trong phân tử. Hiện nay, phương pháp phổ biến tổng hợp Nikkomycin Z được thực hiện bằng phản ứng ngưng tụ giữa amino axit 2 và Uracin Polyoxin C 3 [4] (sơ đồ 1). Sơ đồ 1. Cấu trúc của Nikkomycin Z và các hợp chất trung gian quan trọng 2, 3. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 179 Chất quan trọng nhất trong quy trình tổng hợp này là amino axit 2 với 3 trung tâm lập thể có cấu hình (2S, 3S, 4S) gắn với dị vòng piridin. Hợp chất này có thể được điều chế từ ancol allylic và tert-butylsulfinyl imin [5]. Trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu qui trình tổng hợp dẫn xuất rượu allylic của piridin ứng dụng để điều chế amino axit 2 từ 6-methylpyridin-3-ol (sơ đồ 2). Sơ đồ 2. Điều chế ancol allylic dẫn xuất của piridin. 2. PHẦN THỰC NGHIỆM Tất cả các hóa chất sử dụng đều là hóa chất của Acros Organics có độ tinh khiết trên 98%. Dung môi sử dụng tinh khiết, khan đều được cất mới. Các phản ứng được thực hiện trong các bình cầu nhám ở nhiệt độ xác định có sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt. Tiến trình phản ứng được theo dõi bằng sắc ký bản mỏng sử dụng chất chỉ thị dung dịch KMnO4. Chất được tách và tinh chế bằng phương pháp sắc ký cột SiO2 kích thước hạt 0,040-0,063 mm. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H, 13C chụp bằng máy Brucker Avance 500 MHz trong dung môi CDCl3 tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Phổ IR chụp bằng máy Perkin Elemer Spectrum IR 400 tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Điều chế 5-(benzyloxy)-2-methylpyridine (I). Cho 3,7g 6-methylpyridin-3-ol (33 mmol, 1đl) và 35 ml DMF khan vào bình kín dung tích 100 ml trong môi trường khí nitơ. Dung dịch được khuấy rồi làm lạnh về 0oC, cho lần lượt 1,7g NaH 60%(43 mmol, 1,3 đl) và 6,4g benzyl bromua (37 mmol, 1,1 đl) vào bình. Duy trì nhiệt độ ở 0oC cho đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn (thời gian khoảng 1h, tiến trình phản ứng được kiểm tra bằng sắc kí bản mỏng). Sau khi kết thúc phản ứng thêm 20 ml H2O vào hỗn hợp rồi chiết bằng EtOAc (3 x 30 ml). Pha hữu cơ được thu hồi, làm khô bằng Na2SO4, cất quay ở áp suất thấp rồi tách bằng sắc ký cột SiO2 (Hexan/EtOAc: 1/1) thu được 5,91g sản phẩm I là chất lỏng màu nâu đậm (90%). Điều chế 5-(benzyloxy)-2-methylpyridine 1-oxide (II). Hòa tan hoàn toàn 3,85g chất I (19,3 mmol, 1 đl) trong CHCl3 (35 ml) ở 0 oC rồi cho từ từ 6,23g m- CPBA 75% (27 mmol, 1,4 đl) vào dung dịch. Đưa phản ứng lên nhiệt độ phòng rồi tiếp tục khuấy cho đến khi kết thúc phản ứng (khoảng 1h, kiểm tra tiến trình phản ứng bằng sắc kí bản mỏng). Sau khi kết thúc phản ứng, thêm 10 ml NaHCO3 bão hòa rồi chiết bằng dung dịch EtOAc (3 x 20 ml). Pha hữu cơ được thu hồi, làm khô Hóa học và Kỹ thuật môi trường B.T.Trang, C.C.Hữu, Đ.H.Thanh, C.H.Thường,“Nghiên cứu điều chế nikkomycin Z.” 180 bằng Na2SO4, tách bằng sắc ký cột (Hexan/EtOAc: 4/6) thu được sản phẩm II (3,61g, 87%). Điều chế (5-(benzyloxy)pyridin-2-yl)methyl acetate (III). Cho 7,96g chất II (37 mmol, 1đl) và 7,0 ml Ac2O (74 mmol, 2 đl) vào bình kín 50 ml. Hỗn hợp phản ứng được đun hồi lưu cho đến khi hợp chất II phản ứng hết. Làm lạnh về nhiệt độ phòng rồi thêm 10 ml H2O vào bình. Chiết hỗn hợp bằng EtOAc (3 x 20 ml), làm khô bằng Na2SO4, cất quay ở áp suất thấp rồi tách bằng sắc ký cột (Hexan/EtOAc: 8/2) thu được sản phẩm là III (7,41 g, 67%). Điều chế (5-(benzyloxy)pyridin-2-yl)methanol (IV). Cho 5,45g chất III (21 mmol, 1đl), 150 ml CH3OH và 2,93 g K2CO3 (21 mmol, 1đl) vào bình kín dung tích 250 ml. Hỗn hợp phản ứng được khuấy ở 0oC trong khoảng thời gian 3h thì phản ứng kết thúc (kiểm tra tiến trình phản ứng bằng sắc kí bản mỏng). Thêm 10 ml H2O vào hỗn hợp rồi chiết bằng EtOAc (3 x 30 ml). Thu hồi pha hữu cơ rồi làm khô bằng Na2SO4. Cất loại bỏ dung môi rồi tách bằng sắc ký cột (Hexan/EtOAc: 1/1) thu được 3,97g sản phẩm IV (88%). Điều chế 5-(benzyloxy)picolinaldehyde (V). Cho 2,0 ml oxalyl clorua (22,8 mmol, 2đl) vào 3,5 ml DMSO và 17 ml CH2Cl2 rồi làm lạnh về -78 oC trong bình chứa khí trơ nitơ. Nhỏ giọt dung dịch chứa 2,45 gchất IV (11,4 mmol, 1 đl) trong 10ml CH2Cl2, thêm tiếp 12,7 ml Et3N (91,2 mmol, 8 đl) vào bình rồi đưa hồn hợp lên nhiệt độ phòng. Duy trì phản ứng ở nhiệt độ này trong thời gian 2h cho đến khi xảy ra hoàn toàn. Sau khi kết thúc phản ứng thêm 10 ml NaCl bão hòa vào hỗn hợp và chiết bằng EtOAc (3 x 20 ml). Pha hữu cơ được thu hồi, làm khô, loại bỏ dung môi rồi tách bằng sắc ký cột SiO2 (Hexan/EtOAc: 8/2) thu được sản phẩm V là chất lỏng màu vàng (2,33 g, 96%). Dẫn xuất rượu 1-(5-(benzyloxy)pyridin-2-yl)prop-2-en-1-ol (VI). Hòa tan hoàn toàn 2,87 g hợp chất V (13,5 mmol, 1 đl) trong 140 ml dung môi THF khan ở -78oC, thêm từ từ 26,9 ml vinyl magiebromua 1M (26,9 mmol, 2 đl) vào hỗn hợp phản ứng. Đưa phản ứng về nhiệt độ phòng rồi duy trì ở nhiệt độ đó trong thời gian 2h thì phản ứng kết thúc (tiến trình phản ứng được theo dõi bằng sắc kí bản mỏng). Sau khi phản ứng kết thúc, thêm 20 ml dung dịch NaCl bão hòa vào hỗn hợp rồi chiết bằng EtOAc (3 x 30 ml). Pha hữu cơ được thu hồi, làm khô bằng Na2SO4, cất quay ở áp suất thấp rồi tách bằng sắc ký cột (Hexan/EtOAc: 8/2) thu được sản phẩm VI là chất lỏng màu vàng nhạt (3,08g, 95%). 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Amino axit 2 được điều chế từ ancol allylic dẫn xuất của piridin và tert-butyl sulfinyl imin bằng phản ứng đồng phân hóa Mannich. Rượu allylic này được điều chế từ hợp chất 6-methylpyridin-3-ol qua 6 bước được thể hiện trong sơ đồ 2 như trên. Đầu tiên, hợp chất hidroxi piridin được bảo vệ nhóm OH bằng phản ứng với NaH, BnBr (benzyl bromua) trong DMF thu được hợp chất I là chất lỏng màu Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 181 vàng nhạt với hiệu suất 90%. Tiếp theo, thực hiện quá trình chuyển hóa nhóm metyl của hợp chất I thành nhóm andehit (hợp chất V). Ban đầu hợp chất I được phản ứng với m-CPBA (axit meta-Clopeoxibenzoic) trong CH2Cl2 tạo thành sản phẩm trung gian II là oxit nitơ với hiệu suất 87%. Hợp chất II được dễ dàng chuyển hóa thành este của axit axetic III bằng cách đun hồi lưu trong dung môi anhidrit axetic trong 3 giờ với hiệu suất 67%. Thủy phân hợp chất III trong dung môi CH3OH với xúc tác bazơ K2CO3 thu được ancol bậc một IV làchất rắn màu trắng với hiệu suất 88%. Oxi hóa chọn lọc ancol này thành andehit V được thực hiện bằng tác nhân oxalyl clorua ở -78oC trong dung môi hỗn hợp DMSO-CH2Cl2 (tỷ lệ 1/5) với hiệu suất 96%. Cuối cùng, phản ứng cộng hợp Grignard giữa vinyl magiebromua với andehit V trong THF tạo thành ancol allylic VI là chất lỏng màu vàng nhạt với hiệu suất 95%. Cấu trúc của VI được xác định bằng phương pháp vật lý hóa lí hiện đại, phương pháp phổ hồng ngoại IR và phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H, 13C NMR như được chỉ ra trong hình 1, 2,3. Hình1. Phổ hồng ngoại của rượu 1-(5-(benzyloxy)pyridin-2-yl)prop-2-en-1-ol. Trong phổ hồng ngoại có các dao động hóa trị νOH rượu 3400 cm -1; νC-H thơm 3100 cm-1 và 3000 cm-1; νC-O-C ete 1300 cm -1 và 1200 cm-1; νCH=CH nhân thơm 1600 cm -1; νC- OH 1100 cm -1. Trong phổ 1H-NMR có pic 7,40-7,20 (m,7H (5HAr + 2Hpyrin)); 8,27(s, 1H (CHN)); 5,99-5,93 (m, 1H, (CH=CH2)); 5,41-5,38 (m, 1H(-CHOH)); 5,07 (s, 1H (OH)). Trong phổ 13C-NMR có các pic tín hiệu 115,9 (C-1); 121,1 (C-2); 74,0 (C-3); 152,6 (C-4); 136,0 (C-5); 123,0 (C-6); 154,1 (C-7); 136,0 (C-8); 70,4 (C-9); 139,6 (C-10); 127,4 (C-11, C-15); 128,6 (C-12, C-14); 128,2 (C-13). Hóa học và Kỹ thuật môi trường B.T.Trang, C.C.Hữu, Đ.H.Thanh, C.H.Thường,“Nghiên cứu điều chế nikkomycin Z.” 182 Hình2. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân1H-NMR của 1-(5-(benzyloxy)pyridin-2-yl)prop-2-en-1-ol. Hình3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân13C-NMR của 1-(5-(benzyloxy)pyridin-2-yl)prop-2-en-1-ol. Các kết quả thu được cho thấy hợp chất thu được có cấu trúc hoàn toàn phù hợp với công thức đã đề nghị. N BnO OH Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 183 4. KẾT LUẬN Đã thiết lập được quy trình tổng hợp ancol allylic 1-(5-(benzyloxy)pyridin-2- yl)prop-2-en-1-ol (VI), chất trung gian quan trọng để điều chế chất kháng sinh Nikkomycin Z từ 6-methylpyridin-3-ol qua 6 bước với hiệu suất tổng cộng 42%. Các hợp chất trung gian cũng như sản phẩm cuối đều được phân lập, tinh chế và xác định cấu trúc bằng phổ hồng ngoại và phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H- NMR,13C-NMR. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. (a) U. Dahn, H. Hagenmaier, H. Hohne, W. A. Konig, G. Wolf, H. Zahner, “Stoffwechselprodukte von Mikroorganismen”, Archives. Microbiology. 1976, 107, 143–160; (b) H. Hagenmaier, A. Keckeisen, H. Zahner, W. A. Konig, “Aufklọrung der Struktur des Nukleosidantibiotikums Nikkomycin X”, Lieigs, Ann. Chem. 1979, 1494–1502. [2]. M. Uramoto, K. Kobinata, K. Isono, T. Higashijima, T. Miyazawa, E. E. Jenkins, J. A. McCloskey, “Chemistry of the neopolyoxins, pyrimidine and imidazoline nucleoside peptide antibiotics”, Tetrahedron 1982, 38(11), 1599– 1608. [3]. The Search for the Cure for Valley Fever Nikkomycin Z Development at the University of Arizona June 2011; http:// www.vfce.arizona.edu. [4]. Hiroyuki, Akita,Yoshiki Takano, Katsushi Nedu and Keisuke Kato; “First chiral synthesis of the N-terminal amino acid congener of nikkomycin Z based on lipase-catalyzed enantioselective acetylation of a primary alcohol possessing two stereogenic centers”, Tetrahedron: Asymmetry 2006, 17, 1705–1714. [5]. H. T. Cao, T. Roisnel, A. Valleix, R. Gree, “Nickel-Catalyzed Tandem Isomerization-Mannich Reaction”, Synthesis 2011, 10, 1088-1088. Hóa học và Kỹ thuật môi trường B.T.Trang, C.C.Hữu, Đ.H.Thanh, C.H.Thường,“Nghiên cứu điều chế nikkomycin Z.” 184 ABSTRACT STUDY ON SYNTHESIS OF THE ALLYIC ALCOHOL OF PYRIDINE DERIVATIVES, KEY INTERMEDIATE FOR THE ANTIBIOTIC NIKKOMYCIN Z Nikkomycin Z is a peptidyl nucleoside antibiotic, this moleculehas been tested in clinical phase I and phase II.This antibiotic is potent competitive inhibitor of chitin synthetase and exhibit antifungal, insecticidal and acaricidal activities. The new efficient method for asymmetric synthesis of this molecule is from allylic alcohol and N-tert-butylsulfinyl imine. In this paper, we decrisbe a method for synthesis of key intermediate for Nikkomycin Z from 6-methylpyridin-3-ol. Keywords: Antibiotic, Nikkomycin Z, Inhibitor, Synthetase, Key intermediate. Nhận bài ngày 09 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 30 tháng 07 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1Khoa Hóa Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ Quốc phòng; 2Khoa Khoa học Cơ bản, Học viện Hậu cần, Bộ Quốc phòng; 3Viện Hóa học - Vật liệu, Viện KH-CNQS, Bộ Quốc phòng; Liên hệ: Cao Hải Thường, Khoa Hóa Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Số 236 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Điện thoại: 0978.945.469. *Email: haithuongcao@yahoo.com, thuongch@.mta.edu.vn