Nghiên cứu tổng hợp và hoạt tính chống ung thư của các hợp chất indenoisoquinolin (Luận án tiến sĩ)

MỞ ĐẦU
Ung thư là một trong những căn bệnh nguy hiểm gây tỉ lệ tử vong hàng
đầu trên thế giới bởi ung thư có thể có ở bất kỳ bộ phận nào của cơ thể và
phát triển nhanh chóng cùng với nhiều diễn biến bất thường. Mỗi năm trên thế
giới có khoảng 14,1 triệu người được chẩn đoán mắc bệnh ung thư trong đó
có khoảng 8,2 triệu trường hợp tử vong. Ở Việt Nam, mỗi năm có khoảng
124.000 ca mắc ung thư mới với tỉ lệ tử vong chiếm gần 75% [79,80]. Tất cả
những số liệu trên cho thấy ung thư đang có ảnh hưởng lớn đối với sức khỏe và
tính mạng của con người không chỉ ở Việt Nam mà còn ở trên toàn thế giới.
Ngày nay, chúng ta có thể để điều trị ung thư trên cấp độ tế bào với độ chính
xác và hiệu quả khá cao. Trong đó, topoisomerase là đích đến hiệu quả trong
việc nghiên cứu và tổng hợp thuốc điều trị ung thư vì topoisomerase bị ức chế
sẽ gây chết tế bào ung thư do tế bào này phân chia rất nhanh chóng [1,59-68].
Ở sinh vật nhân chuẩn, topoisomerase I (Top1) là một enzym cần thiết
cho nhiều quá trình quan trọng của tế bào như phiên mã, sao mã và phân ly
vào nhiễm sắc thể. Vai trò của Top1 là giúp giãn xoắn DNA sợi kép khi DNA
thực hiện các quá trình tái bản và phiên mã, trong đó enzym sẽ liên kết cộng
hóa trị với DNA cho đến khi đóng xoắn. Do đó, nó là mục đích trị liệu tiềm
năng trong việc điều trị chống ung thư. Có hai con đường có thể ức chế Top1
đó là mất khả năng tháo xoắn các sợi DNA của Top1 và con đường thứ hai là
gây “ngộ độc” enzym bằng cách tạo liên kết cộng hóa trị với DNA dưới dạng
phức [1,28,42,44,68].
Camptothecin (1) được biết đến là chất có khả năng gây ức chế
topoisomerase I. Các sản phẩm tan trong nước được bán tổng hợp từ
campothecin như Topotecan (2), Irinotecan (3) là các chất gây ức chế Top1
duy nhất hiện được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (The
U.S. Foodand Drug Administration) cấp phép làm thuốc chống ung thư [1].

1

Tuy nhiên, hai hợp chất thuốc này còn có nhiều nhược điểm như rất nhanh
mất hoạt tính do thủy phân vòng E (vòng lacton) ngay cả trong môi trường pH
sinh lý và gây độc với tủy xương [6,8,14,25].

Hình 1. Camptothecin và một số dẫn xuất
Để khắc phục những nhược điểm của Camptothecin và các dẫn xuất,
các nhà khoa học đã nghiên cứu tìm kiếm các lớp chất mới có khả năng gây
ức chế Top1, trong đó indenoisoquinolin là lớp chất đang được các nhà khoa
học quan tâm bởi có tính chất ổn định, không bị thủy phân và không gây độc
giống như Camptothecin [10,13,18,19,27,30]. Một số dẫn xuất của
indenoisoquinolin như Indotecan (5) và Indimitecan (6) đã được đưa vào
nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng ở giai đoạn II cho thấy có hoạt tính cao hơn
so với thuốc chống ung thư hệ camptothecin nhưng không gây hiệu ứng phụ,
đặc biệt bền và không bị thủy phân vì không có vòng lacton [15,22,33].
Những nghiên cứu về lớp chất indenoisoquinolin cũng đã chỉ ra rằng
nhóm thế ở vòng B tại vị trí nguyên tử nitơ (N-6) là các nhóm aminopropyl,
morpholinopropyl, imdazolopropyl cho khả năng gây độc tế bào rất tốt, trong
đó có 2 thuốc đang được thử nghiệm lâm sàng giai đoạn II là Indotecan (5) và
Indimitecan (6) [6,8,15,22,42]. Bên cạnh đó các chất chứa hợp phần của
aminopropanol cũng được biết đến là các lớp chất cho nhiều hoạt tính sinh
học lí thú như hoạt tính chống ung thư, chống sốt rét, kháng khuẩn, kháng
nấm [74-77].

2


Hình 2: Indotecan (5) và Indimitecan (6)
Trên cơ sở đó, luận án đã đưa ra mục tiêu là thiết kế tổng hợp các
indenoisoquinolin mới có nhóm thế khác nhau ở vòng B khi đưa thêm nhóm
hydroxyl vào vị trí thứ 2 của mạch nối propyl còn vị trí thứ 3 là các dị vòng

với hy vọng sẽ làm tăng khả năng gây độc tế bào ung thư. Đồng thời luận án
cũng thiết kế tổng hợp các indenoisoquinolin mới chứa nhóm thế giàu điện tử
ở vòng B, với ý tưởng làm tăng khả năng gây độc tế bào ung thư thông qua
các liên kết giữa indenoisoquinolin với DNA và Top1 tại vị trí phân cắt của
topoisomerase I [22,28,42-45,68].

Hình 3: Các indenoisoquinolin mục tiêu tổng hợp
Với những ý nghĩa cấp thiết và thực tiễn trên, luận án đã chọn đề tài là:
“Nghiên cứu tổng hợp và hoạt tính chống ung thư của các hợp chất
indenoisoquinolin”.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Các phương pháp tổng hợp indenoisoquinolin
1.1.1. Các phương pháp chính tổng hợp indenoisoquinolin
Hiện nay tổng hợp các dẫn chất của indenoisoquinolin được thực hiện
theo các phương pháp chính sau đây:
Phương pháp thứ nhất: Tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin thông
qua phản ứng ngưng tụ của anhiđrit homophtalic với các bazơ Schiff
[3,5,8,34].
Phương pháp thứ hai: Tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin dựa trên
phản ứng của indeno[1,2-c]isochromen-5,11-đion (59) với các amin bậc 1
[1,2,4,12,13,15,28÷33,35].
Phương pháp thứ ba: Tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin thông qua
phản ứng đóng vòng của 3–arylisoquinolin [14,16,17].
Phương pháp thứ tư: Tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin dựa trên
phản ứng đóng vòng của dẫn chất styrenic enamit [21,23].

OH
C

Sơ đồ 1.1.1: Các phương pháp chính tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin
[23].

4


1.1.2. Tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin nhờ phản ứng ngưng tụ
của anhiđrit homophtalic với các bazơ Schiff
Mark Cushman và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp các dẫn chất của
indotecan (5) và indimitecan (6) như mô tả trong sơ đồ 1.1.2. Bước chìa khóa
tổng hợp khung indenoisoquinolin là phản ứng ngưng tụ homophtalic
anhyđrit (20) với bazơ Schiff (22) nhận được axít 23 chọn lọc ở dạng cis. Tiếp
theo, cis axít phản ứng với SOCl2 tạo thành clorua axít, sau đó nhờ phản ứng
axyl hóa Friedel−Crafts (axyl hóa nội phân tử) nhận được chất 24. Sau cùng
hợp chất 24 được phản ứng với các amin nhận được các dẫn chất của
indotecan (5) và indimitecan (6) [8].

Sơ đồ 1.1.2. Tổng hợp dẫn xuất indenoisoquuinolin nhờ phản ứng ngưng tụ
của anhiđrit homophtalic với các bazơ Schiff khác nhau [8].
Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.2: a) H2CO, H2O, HCl, AcOH,
120°C đến nhiệt độ phòng; (b) (i) KOH, H2O, nhiệt độ phòng, (ii) KMnO4, H2O,
0°C đến nhiệt độ phòng, (iii) EtOH, đun hồi lưu; (c) AcCl, đun hồi lưu; (d) 3bromopropylamin, HBr, Et3N, Na2SO4, CHCl3, nhiệt độ phòng; (e) CHCl3, 0°C đến

5


nhiệt độ phòng; (g) SOCl2, nhiệt độ phòng; (f) imidazol hoặc morpholin, NaI, DMF,

70°C.

Cũng theo phương pháp này Gang Ahn và cộng sự đã tổng hợp được
các dẫn chất indenoisoquinolin từ 31a-31e một cách dễ dàng như mô tả trong
sơ đồ 1.1.3. Thực tế, đầu tiên của quá trình tổng hợp là O-ankyl hóa 2, 3 hoặc
4–hydroxyl–benzanđehit

(26)

với

2-đimetylaminoetyl

hoặc

3-

đimetylaminopropyl clorua được các dẫn chất hydroxybenzanđehit tương ứng
27. Tiếp theo ngưng tụ với đimetylaminoetyl-, propyl- và butylamin được các
hợp chất imin 28, sau đó cho phản ứng với anhiđrit homophtalic để được hỗn
hợp điastereome của 3-aryl-4-cacboxylisoquinolon 30. Tiếp theo, cis axít
phản ứng với SOCl2 tạo thành clorua axít, sau đó nhờ phản ứng axyl hóa
Friedel−Crafts (axyl hóa nội phân tử) nhận được chất từ 31a-31e [5].
R4

4
HO

a

3

H

R2
27

O
2-, 3-, or 426
hydroxybenzaldehyde
R4

b

H

3
R

2

O

O
c

+
3
R

O
R2
28

HO

N

4
R

O

3
R
N
O

29 O

R1

9

O

4
R
3
8 R

d, e

7 2
R

2
R
1
R
30

N

1
R

31

O
31a: R1 = (CH2)2-N(CH3)2;
31b: R1 = (CH2)3-N(CH3)2;
31c: R1 = (CH2)2-N(CH3)2;
31d: R1 = (CH2)3-N(CH3)2;
31e: R1 = (CH2)4-N(CH3)2;

R2 = O-(CH2)2-N(CH3)2; R3, R4 = H
R2 = O-(CH2)2-N(CH3)2; R3, R4 = H
R2 = O-(CH2)3-N(CH3)2; R3, R4 = H
R2 = O-(CH2)3-N(CH3)2; R3, R4 = H

R2, R4 = H; R3 = O-(CH2)2-N(CH3)2

Sơ đồ 1.1.3: Tổng hợp dẫn xuất indenoisoquuinolin theo Gang Ahn
và cộng sự [5].

6


Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.3: (a) đimetylamino ankyl chlorua Cl(CH2)n-N(CH3)2 (n = 2 hoặc 3), K2CO3, DMF, đun hồi lưu, 6 h; (b) R1-NH2, MgSO4,
CHCl3,nhiệt độ phòng,18 h. Đối với quá trình tổng hợp các hợp chất 28, bổ sung
TEA; (c) THF (MeOH cho quá trình tổng hợp các hợp chất 30e), 0 oC, 1 h; (d)
SOCl2, đun hồi lưu, 18 h; (e) AlCl3, CH2Cl2, 0 oC, 3 h.

Phương pháp tổng hợp indenoisoquinolin nhờ phản ứng ngưng tụ của
anhiđrit homophtalic với các bazơ Schiff này cũng được Muthukaman
Nagarajan và các cộng sự sử dụng để tổng hợp các dẫn chất chứa khung
indenoisoquinolin có chứa nhóm -CHO ở vòng A. Đi từ chất ban đầu là axít 4metylbenzen-1,2-đioic (32) thực hiện phản ứng vòng hóa nhóm nghiên cứu đã
thu được 5-metylanhiđrit homophtalic (33). Sau đó cho 33 phản ứng với bazơ
Schiff 34 thu được hợp chất trung gian 35 với sự có mặt của thionyl clorua, sử
dụng phản ứng Friedel−Crafts tạo ra indenoisoquinolin metyl- thay thế 36, cuối
cùng oxi hóa 36 để được anđehit 37 [3].

Sơ đồ 1.1.4: Tổng hợp dẫn xuất indenoisoquinolin theo Martin CondaSheridan và cộng sự [3].

7


Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.4: (a) AcCl, đun hồi lưu; (b) CHCl3;
(c) (i) SOCl2, PhH, (ii) AlCl3, PhNO2, (ClCH2)2; (d) (i) NBS, AIBN, hv, CCl4, đun
hồi lưu, (ii) AgNO3, đioxan.

Cũng theo phương pháp này Maris A. Cinelli và cộng sự đã tổng hợp nên
các indenoisoquinolin có nhóm thế thay đổi ở vòng A và vòng D. Đi từ
isovanillin (38), Vanillin (45) nhóm tác giả đã thu được các dẫn xuất
indenoisoquinolin 44a, 44b, 51a, 51b có hoạt tính gây độc tế bào và ức chế
topoisomerase I cao [8].
H3CO

H3CO
a

HO

b

CHO

BnO

CHO
39

38
H3CO

H3CO

O
c

+

N

O

BnO

H3CO
H

O

41

40

OCH3
Br

O
OCH3

OH

CO2H

H3CO
d

H3CO

N

OBn
N

Br

O

H3CO
O

Br

H3CO

43

42
OCH3

N

O

R=

44a

N

OH
H3CO

O

e
N

R

R=

H3CO
O

N

44b

44

Sơ đồ 1.1.5: Tổng hợp dẫn xuất indenoisoquuinolin theo Maris A. Cinelli và
cộng sự [8].
Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.5: (a) BnBr, DMF, K2CO3, nhiệt độ
phòng; (b) 3-bromopropylamin HBr, Et3N, Na 2SO4, CHCl3; (c) CHCl3, 10 °C tới

8

nhiệt độ phòng; (d) (i) SOCl2, nhiệt độ phòng, (ii) AlCl3 (2 đương lượng), 1,2đicloroetan, nhiệt độ phòng; (e)imidazol or morpholin, NaI, DMF, 70 °C.
BnO

BnO

HO

b

a
H3CO

N
H3CO

CHO

H3CO

CHO

H

47

46

45

Br

OBn
O

OBn
CO 2H

OCH3
H3CO

H3CO

c

d

OCH3
N

N

Br

Br

H3CO

H3CO

O

O
48

49

OBn

O

OH

O
OCH 3

H3CO

OCH3
H3CO

f

e
N

R

N

H3CO
O

N

R=

N

N

51

O

R=

50a

N

N

51a

O

O
R=

R

H3CO

50b

R=

N

51b

Sơ đồ 1.1.6: Tổng hợp dẫn xuất indenoisoquuinolin có nhóm thế khác nhau tại
vòng A và vòng D [8].
Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.6:(a) BnBr, DMF, K2CO3,
nhiệt độ phòng; (b) 3-bromopropylamin HBr, Et3N, Na 2SO4, CHCl3, nhiệt độ
phòng;(c) 41, CHCl3, 10 °C tới nhiệt độ phòng; (d) SOCl2, nhiệt độ phòng; (e)
imidazol or morpholin, NaI, DMF, 70 °C; (f), HBr, AcOH, H2O, 55−70 °C

Evgeny Kiselev, Mark Cushman và các cộng sự cũng đã sử dụng
phương pháp tổng hợp indenoisoquinolin nhờ phản ứng ngưng tụ của anhiđrit
homophtalic với các bazơ Schiff để tổng hợp thành công các

9


indenoisoqunolin với vòng D là dị tố, như là nitơ được tóm tắt trong sơ đồ
1.1.7 [34].

Sơ đồ 1.1.7. Tổng hợp hợp chất 7-aza-indenoisoquinolin [34].
Trong trường hợp này, hợp chất 7-aza-indenoisoquinolin 55 được
tổng hợp nhờ phản ứng ngưng tụ của 2-pyridyl Schiff với anhiđrit
homophtalic tạo thành hợp chất cis-axít 54, sau đó axyl hóa nội phân tử
nhờ phản ứng Friedel−Crafts. Phương pháp này cho phép tạo ra hợp chất
indenoisoquinolin với vòng D chứa dị vòng, để tạo ra các hợp chất mới.
Tuy nhiên, trong trường hợp này do pyridin có khả năng phản ứng thế
electrophin rất thấp nên phản ứng vòng hóa chất 54 thành chất 55 rất khó
khăn.

10


1.1.3. Tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin dựa trên phản ứng của
indeno[1,2-c]isochromen-5,11-đion với các amin bậc 1.
Trước hết để tổng hợp các indenoisoquinolin theo phương pháp này,
Andrew Morrell, Mark Cushman và cộng sự đã tiến hành tổng hợp indeno[1,2c]isochromen-5,11-đion nhờ phản ứng ngưng tụ của 2-cacboxybenzanđehit
(56) và phtalit (57) với sự có mặt của NaOMe, MeOH tạo thành sản phẩm
trung gian 58, sau đó chuyển hóa thành indeno[1,2-c]isochromen-5,11-đion
(59) nhờ phản ứng vòng hóa trong môi trường axít chỉ trong một bước phản
ứng nhờ thiết bị loại nước Dean−Stark. Tiếp đó, indeno[1,2-c]isochromen5,11-đion (59) được chuyển thành indenoisoquinolin khi phản ứng với amin
bậc một (sơ đồ 1.1.8) [9].

Sơ đồ 1.1.8. Tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin bằng phản ứng ngưng
tụ 2-cacboxybenzanđehit và phtalit [9].
Phương pháp tổng hợp indenoisoquinolin dựa trên phản ứng của
indeno[1,2-c]isochromen-5,11-đion với các amin bậc 1, cũng được Mark
Cushman và cộng sự sử dụng để tổng hợp các dẫn chất khác nhau của
indenoisoquinolin khi cho etyl 3-oxo-1,3-đihyđroisobenzofuran-5-cacboxylat
(60) phản ứng với N-bromosuccinimit để được hợp chất trung gian 61. Thủy

phân 61 để được tiền chất 62, tiếp theo cho 62 ngưng tụ với phtalit (57) để

11


được metyl 5,11-đioxo-5,11-đihydroindeno[1,2-c]isochromen-3-cacboxylat
(63) sau đó cho 63 phản ứng với amin bậc 1 là metyl amin (64) thu được
indenoisoquinolin 65a. Khi thủy phân 65a thu được 6-metyl-5,11-đioxo6,11-đihydro-5H-indeno-[1,2-c]isoquinolin-3-cacboxylic axít (65b). Hợp chất
65b được chuyển đổi thành dẫn xuất clorua axít và được xử lý với ammoniac
để cung cấp các amit tương tự 65c (sơ đồ 1.1.9) [3].
Br
a

O

b

O

O

O
O

60

O

O

O

61, 79%

O

OH
O

O

57

O
O
O

62, 98%

H3CO

c

O

O

O

65a. R= OCH3 ,65%

NH2

H 3C

O
63, 18%

O
e

65b.R= OH , 76%

64

f
R

N

65c.R= NH2 ,83%

d

CH3
O

O

65

Sơ đồ 1.1.9: Tổng hợp các indenoisoquinolin theo Mark Cushman và cộng sự
[3].
Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.9: (a) NBS, CCl4, AIBN, hv, đun hồi
lưu; (b) H2O, đun hồi lưu; (c) (i) EtOAc, MeOH, NaOMe, đun hồi lưu, (ii) HCl, (iii)
PhH, pTsOH, đun hồi lưu; (d) THF; (e) KOH, THF, H2O, (ii) HCl, H2O; (f) (i)
SOCl2, PhH, đun hồi lưu, (ii) NH3, THF.

Các hợp chất khung indenoisoquinolin cũng được tổng hợp nhờ phản
ứng ngưng tụ của 6-xyano-3-hydroxyphtalit (68) với phtalit (57) nhận được
isochromenon 69, sau đó qua các phản ứng chuyển hóa như mô tả ở sơ đồ
1.1.10 tạo thành các dẫn xuất indenoisoquinolin 70 – 72 [28].

12


OH

Br
a

O

b

NC
66

O

O
NC

NC

O

67

68

O

O
57

70 R=

N

O

N

NH2
71 R=

N

O

N

R

NC
72 R= N(CH 3)2

O
c

O
O

R
d (e)

O
NC

69

O

O

Sơ đồ 1.1.10. Tổng hợp các indenoisoquinolin bằng phản ứng ngưng tụ của 6xyano-3-hydroxyphtalit với phtalit [28].
Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.10: (a) NBS, hν, CCl4; (b) H2O,
đun hồi lưu; (c) (i) NaOMe, MeOH, EtOAc, (ii) HCl, (iii) p-TsOH, PhH; (d) THF,
Et3N, đun hồi lưu; (e) CHCl3, Et3N, đun hồi lưu.

Adina Ryckebusch và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp các dẫn chất
của indenoisoquinolin được mô tả trong sơ đồ 1.1.11. Mạch nhánh được tổng
hợp là các este và amit của các axít amin khác nhau có độ dài n từ 2 đến 3
cacbon và đã phát hiện dẫn chất amit với axít amin Arginine (n = 2) và glyxin
(n = 2) có hoạt tính ức chế topoisomerase II cao nhất [32].

Sơ đồ 1.1.11. Tổng hợp các dẫn chất của indenoisoquinolin có mạch nhánh là
các este và amit của các axít amin [32].

13


Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.11: (a) NH2(CH2)nOH, CHCl3,
nhiệt độ phòng; (b) N-Boc amino axít, EDCI, DMAP, CH2Cl2, nhiệt độ phòng, c)
NH2(CH2)2NHBoc, d) HCl, isopropanol, CHCl3, nhiệt độ phòng, (e) N-Boc amino
axít, EDCI/HOBt hoặc HBTU/HOBt, DMAP, CH2Cl2, nhiệt độ phòng.

Martin Conda-Sheridan và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp các dẫn
xuất indenoisoquinolin sunfonat và sunfonamit như mô tả trong sơ đồ 1.1.12
[29].

Sơ đồ 1.1.12. Tổng hợp các dẫn xuất indenoisoquinolin sunfonat và
sunfonamit [29].
Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.12: (a) CHCl3, HO-(CH2)n-NH2
đun hồi lưu; (b) TsCl, DMAP,CH2Cl2, Et3N, nhiệt độ phòng; c) NH2(CH2)2NHBoc;
d) HCl, isopropanol, CHCl3, nhiệt độ phòng; e) RSO2Cl, Et3N, CHCl3, 70 °C.

Qinglong Guo và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp các dẫn chất có
nhóm thế NO2 ở vòng A và các nhóm thế halogen như Cl, F và R1 là các

nhóm amin vòng, amin bậc một và bậc 2 ở vòng B và vòng D, sau đó nghiên
cứu hoạt tính ức chế Top I của chúng. Trong số các dẫn xuất tổng hợp được,

14


hợp chất 83a (R=F, R1= N-metyl-piperazin) có hoạt tính và gây độc tế bào
trên hai dòng Hep-G2 và HCT-116 với giá trị IC50 lần lượt là 0,019 và 0,093
µM. Ngoài ra, các chất 83b và 83c có hoạt tính gây độc tế bào trên một số
dòng tế bào ung thư và hoạt tính ức chế Top1 tương đương và thậm chí cao
hơn so với các thuốc Topotecan (2), Irinotecan (3) (hình 1.1.1) [6,26].

Hình 1.1.1. Các dẫn chất có nhóm thế NO2 ở vòng A và các nhóm thế
halogen như Cl, F và OMe ở vòng D [6,26].

Sơ đồ 1.1.13. Tổng hợp các dẫn chất indenoisoquinolin có chứa mạch nhánh
là các ancol, aminoancol [4].
Tác nhân và điều kiện phản ứng sơ đồ 1.1.13: (a) CHCl3, đun hồi lưu.

15


Luận án đủ ở file: Luận án full