TỔNG HỢP BETALACTAM BẰNG PHẢN ỨNG CỘNG 2+2 CSI VÀO VINYL ETHER

TỔNG HỢP BETA-LACTAM BẰNG PHẢN ỨNG CỘNG [2+2] CSI
VÀO VINYL ETHER

Tác giả

TRẦN LÊ NHƯ VŨ

Khóa luận được đệ trình để cấp bằng kỹ sư ngành công nghệ hóa học

Giáo viên hướng dẫn:
Ts.Tống Thanh Danh

Tháng 9/2010

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Tống Thanh Danh,
người thầy tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện
khóa luận này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trưởng Bộ môn Công nghệ hóa học, trường Đại
học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh- PGS.TS.Trương Vĩnh, và các thầy cô
trong bộ môn đã cung cấp kiến thức, kỹ năng giúp tôi thực hiện đề tài này.
Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả thầy cô, các anh, chị và các bạn
trong bộ môn Hóa Học Hữu Cơ, trường Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí
Minh đã nhiệt tình giúp tôi thực hiện các thí nghiệm trong đề tài này.
Và cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã hỗ trợ,
giúp sức tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 9 năm

2010.
Sinh viên

Trần Lê Như Vũ

ii


TÓM TẮT
Carbohydrate đã được nghiên cứu nhiều như nguyên liệu khởi đầu bất đối
xứng rẻ tiền trong mục tiêu kiểm soát lập thể định hướng tổng hợp hữu cơ.
Kháng sinh họ β-lactam vẫn được xem là tác nhân chính chống lại sự
nhiễm khuẩn nhưng việc nghiên cứu các dẫn xuất mới có hoạt tính cao chưa đạt
hiệu quả.
Tổng hợp β-lactam từ tiền chất carbohydrate đóng vai trò quan trọng trong
nền hóa dược hiện đại, nó là nền tảng để tổng hợp tất cả các thuốc kháng sinh
như: penicillin, carbacepham, oxacepham….
Trong luận văn này, thực hiện tổng hợp dẫn xuất β-lactam (oxacepham)
bằng phản ứng cộng [2+2] CSI (chlorosulfonyl isocyanate) vào vinyl ether – đi từ
nguyên liệu đầu α-D-glucose.
Các kết quả đạt được từ thực nghiệm:
- Tổng hợp β-lactam và oxacepham đạt hiệu suất cao.
- Xác định cấu trúc của sản phẩm bằng phương pháp phân tích phổ 1HNMR, 1H-COSY, 13C-NMR, 1H-ROESY và MS.

iii


ABSTRACT
Carbohydrates have gained much attention as cheap chiral starting
materials in stereocontrolled target oriented synthesis.

β-lactam antibiotics still remain the main tool against bacterial infections
but the search for new active compounds has not been the aim of reported
investigations.
Synthesis of β-lactam antibiotics from carbohydrate precursors played a
special role owing to the importance of these class of compounds in modern
chemotherapy, it is presented in all the antibiotics as penicillin, carbacepham,
oxacepham….
In this thesis, we carried out this subject to synthesize β-lactam derivative
(oxacepham) via [2 + 2] cycloaddition of chlorosulfonyl isocyanate (CSI) to vinyl
ether derived from carbohydrate (α-D-glucose).
Obtained results in this study research:
- Synthesizing β-lactam and oxacepham with high yield
- Identifing the structure of product by analizing spectrometry 1HNMR, 1H-COSY, 13C-NMR, 1H-ROESY and MS.

iv


MỤC LỤC
Trang
TRANG TỰA ............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................ii
TÓM TẮT ............................................................................................................... iii
ABSTRACT .............................................................................................................iv
Mục lục ..................................................................................................................... v
Danh sách sơ đồ - hình.............................................................................................. x
Danh sách bảng ......................................................................................................xiv
Danh sách các từ viết tắt ........................................................................................xvi
Chương 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
1. Giới thiệu ............................................................................................................. 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................... 1

3. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2
Chương 2: TỔNG QUAN ....................................................................................... 3
1 Đại cương về các β-lactam................................................................................... 3
1.1 Cấu trúc – phân loại....................................................................................... 3
1.2 Lịch sử hình thành β-lactam .......................................................................... 6
1.3 Đặc tính kháng khuẩn và cơ chế đề kháng .................................................... 6
1.4 Nhóm penicillin ............................................................................................. 7
1.4.1 Cấu trúc ................................................................................................. 8
1.4.2 Điều chế ................................................................................................ 8
1.4.3 Tính chất ............................................................................................. 11
1.5 Nhóm cephalosporin.................................................................................... 14
v


1.5.1 Đặc điểm chung .................................................................................. 14
1.5.2 Điều chế .............................................................................................. 16
1.5.3 Tính chất ............................................................................................. 17
2 Carbohydrate ..................................................................................................... 19
3 Các phương pháp tổng hợp β-lactam từ carbohydrate .................................. 24
3.1 Phản ứng cộng [2+2] giữa đường-dẫn xuất imine (isocyanate) với ketene
hoặc tương đương .............................................................................................. 25
3.2 Phương pháp vòng hóa ................................................................................ 28
3.3 Phản ứng cộng vòng [2+2] giữa isocyanate với vinyl ether bất đối xứng .. 29
3.4 Phản ứng cộng [2+2] CSI vào alkoxyallene................................................ 34
3.5 Tổng hợp 5-oxacepham sử dụng 4-vinyloxy-azetidin-2-one ...................... 37
3.6 Tổng hợp β-lactam dựa trên pha rắn ........................................................... 39
3.7 Nhận xét ...................................................................................................... 42
Chương 3: THỰC NGHIỆM .............................................................................. 44
1 Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 44
2 Sơ đồ phản ứng................................................................................................... 45

3 Hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm................................................. 46
3.1 D-glucose..................................................................................................... 46
3.2 Chất bảo vệ nhóm hydroxyl ........................................................................ 48
3.2.1 Trityl chloride ..................................................................................... 48
3.2.2 Tosyl chloride ..................................................................................... 49
3.3 Các chất đóng vai trò xúc tác ...................................................................... 50
3.3.1 Tetra-n-butylammonium bromide ...................................................... 50
3.3.2 Potassium tert-butoxide ...................................................................... 51
3.3.3 p-Toluenesulfonic acid ...................................................................... 52
vi


3.3.4 4-Dimethylaminopyridine.................................................................. 53
3.4 Chất đóng vai trò oxi hóa - sodium periodate (NaIO4) ............................... 54
3.5 Chất đóng vai trò khử .................................................................................. 55
3.5.1 Natri borohydride (NaBH4) ................................................................. 55

3.5.2 Natri bis (2-methoxyethoxy) aluminumhydride (Red- Al)................. 56
3.6 Tác chất khác ............................................................................................... 57
3.6.1 Allyl bromide ...................................................................................... 57
3.6.2 Chlorosulfonyl isocyanate .................................................................. 58
4 Phương pháp sử dụng trong quá trình thí nghiệm ......................................... 59
4.1 Sắc ký lớp mỏng .......................................................................................... 59
4.2 Sắc ký cột .................................................................................................... 60
4.3 Phương pháp phân tích cấu trúc của hợp chất ............................................. 61
4.3.1 Xác định nhiệt độ nóng chảy .............................................................. 61
4.3.2 Xác định góc quay cực........................................................................ 61
4.3.3 Khối phổ (MS) .................................................................................... 61
4.3.4 Phổ hồng ngoại (IR)............................................................................ 61
4.3.5 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) .................................................. 62

4.4 Thử hoạt tính kháng nấm............................................................................. 62
5 Phương pháp thí nghiệm ................................................................................... 64
5.1 Tổng hợp 1,2: 5,6-Di-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (2) .............. 64
5.2 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (3) .......................... 65
5.3 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-α-D-xylofuranose (5) ............................ 65
5.4 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl- α-D-xylofuranose (6) .......... 66
5.5 Tổng hợp 3-O-Allyl-1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-xylofuranose
(7) ...................................................................................................................... 67
vii


5.6 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(prop-1’-enyl)-5-O-trityl-α-Dxylofuranose (8) ................................................................................................ 68
5.7 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5O-trityl-α-D-xylofuranose (9) ........................................................................... 68
5.8 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-αD-xylofuranose (10) .......................................................................................... 69
5.9 Tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5O-tosyl-α-D-xylofuranose (11) ......................................................................... 70
5.10 Tổng hợp oxacepham (12) ........................................................................ 70
Chương 4: KẾT QUẢ - BÀN LUẬN .................................................................. 72
1 Phản ứng 1: tạo 1,2:5,6-Di-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (2).............. 72
2 Phản ứng 2: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (3) ......................... 74
3 Phản ứng 3: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-α-D-xylofuranose (5) ........................... 76
4 Phản ứng 4: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (6) .......... 78
5 Phản ứng 5: tạo 3-O-Allyl-1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-xylofuranose
(7) ............................................................................................................................ 80
6 Phản ứng 6: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(prop-1’-enyl) -5-O-trityl-α-Dxylofuranose (8) ...................................................................................................... 82
7 Phản ứng 7: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5O-trityl-α-D-xylofuranose (9) ................................................................................. 84
8 Phản ứng 8: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-αD-xylofuranose (10) ................................................................................................ 87
9 Phản ứng 9: tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on-4’-yl)-5O-tosyl-α-D-xylofuranose (11) ............................................................................... 89
10 Phản ứng 10: tạo oxacepham (12) ..................................................................... 92
Chương 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ .................................................................. 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 96

PHỤ LỤC ............................................................................................................... 99

viii


DANH SÁCH SƠ ĐỒ - HÌNH
Trang
Sơ đồ 2.1 Cấu trúc của penicillin ............................................................................... 8
Sơ đồ 2.2 Quá trình sinh tổng hợp penicillin từ các acid amin .................................. 9
Sơ đồ 2.3 Giai đoạn tạo 6-APA .................................................................................. 10
Sơ đồ 2.4 Giai đoạn tạo acyl hóa 6-APA ................................................................... 10
Sơ đồ 2.5 Tính không bền của vòng β-lactam đối với các tác nhân ái nhân .............. 12
Sơ đồ 2.6 Tính không bền của vòng β-lactam trong môi trường acid ........................ 14
Sơ đồ 2.7 Cấu trúc của cephalosporin ........................................................................ 15
Sơ đồ 2.8 Cấu trúc của cephalosporin C .................................................................... 16
Sơ đồ 2.9 Sơ đồ bán tổng hợp cephalosporin từ penicillin......................................... 17
Sơ đồ 2.10 Sự thủy giải nhóm thế R3 của cephalosporin .......................................... 18
Sơ đồ 2.11 Sự không bền của nhóm acetoxy ở C-3 trong cephalosporin ................ 19
Sơ đồ 2.12 Các D-aldose theo Fisher ......................................................................... 21
Sơ đồ 2.13 Các D-ketose theo Fisher ......................................................................... 22
Sơ đồ 2.14 Cấu hình R, S của D-erythrose và D-threose ........................................... 23
Sơ đồ 2.15 Cơ chế biến đổi α, β-D glucose vòng 6 cạnh thành vòng 5 cạnh ............. 24
Sơ đồ 2.16 Phản ứng cộng [2+2] giữa đường-dẫn xuất imine với ketene hoặc
tương đương ............................................................................................................... 26
Sơ đồ 2.17 Base Schiff dẫn xuất từ tiền chất carbohydrate 1-4 ................................ 27
Sơ đồ 2.18 Phản ứng chuyển hóa β-lactam thành oxazin và dẫn xuất o-anisidine .... 27
Sơ đồ 2.19 Phản ứng tạo carbapenem từ glucosamine- dẫn xuất imine.................... 28

ix

Sơ đồ 2.20 Phản ứng tạo carbacephem từ chuyển hóa β-lactam dẫn xuất Dglucosamine ................................................................................................................ 28
Sơ đồ 2.21 Tổng hợp β-lactam bằng phương pháp vòng hóa ................................... 29
Sơ đồ 2.22 Phản ứng imino aldol của ketene silyl acetal với imine bất đối xứng
dẫn xuất từ acid tartaric............................................................................................... 29
Sơ đồ 2.23 Quá trình kiểm soát lập thể cấu hình anti cho nhóm thế tại nguyên tử
C-3 của phân tử đường................................................................................................ 30
Sơ đồ 2.24 Phản ứng cộng [2+2] giữa CSI với vinyl ether bất đối xứng .................. 31
Sơ đồ 2.25 Phản ứng cộng [2+2] giữa CSI với 5-O-vinyl......................................... 32
Sơ đồ 2.26 Phản ứng cộng giữa CSI với vinyl ether được tổng hợp từ acid Ltartaric ......................................................................................................................... 33
Sơ đồ 2.27 Phản ứng tạo cepham từ CSI với các chất phụ trợ đường 30 và 31 ........ 34
Sơ đồ 2.28 Phản ứng cộng [2+2] CSI với các alkoxyallene 36-40 ........................... 35
Sơ đồ 2.29 Phản ứng tạo cepham 42 từ CSI với alkoxyallene 36 ............................. 35
Sơ đồ 2.30 Phản ứng tạo cepham 45 từ alkoxyalene 43............................................ 36
Sơ đồ 2.31 Phản ứng tách nhóm bảo vệ benzylidene trong phân tử 45 .................... 37
Sơ đồ 2.32 Phản ứng tổng hợp 5-oxacepham sử dụng 4-vinyloxy-azetidin-2-one .... 38
Sơ đồ 2.33 Phản ứng tạo clavam trên pha rắn sử dụng nền nhựa Wang ................... 39
Sơ đồ 2.34 Phản ứng tạo cepham trên pha rắn sử dụng nền nhựa Merrifield ............ 40
Sơ đồ 2.35 Phản ứng tạo cepham sử dụng 4-vinyloxy-azetidinone gắn trên nền
nhựa Wang .................................................................................................................. 41
Sơ đồ 2.36 Phản ứng tạoβ-lactam trên pha rắn kết hợp với phản ứng Staudinger .... 42
Sơ đồ 3.1 Hướng phân tích chiến lược tổng hợp oxacepham .................................... 44
Sơ đồ 3.2 Sơ đồ phản ứng tổng hợp oxacepham bằng thực nghiệm .......................... 45
Sơ đồ 3.3 Quy trình tổng quát quá trình thực hiện các phản ứng ............................... 46
Sơ đồ 3.4 Các dạng cấu trúc của đường D-glucose .................................................... 48
x


Sơ đồ 3.5 Phản ứng tạo 1,2: 5,6-Di-O-cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (2) ...... 64
Sơ đồ 3.6 Phản ứng tạo 1,2 -O- cyclohexylidene-α-D-glucofuranose (3) ................. 65

Sơ đồ 3.7 Phản ứng tạo 1,2 -O- cyclohexylidene-α-D-xylofuranose (5) .................. 66
Sơ đồ 3.8 Phản ứng tạo 1,2-O- cyclohexylidene-5-O-trityl- α-D-xylofuranose (6).. 66
Sơ đồ 3.9

Phản ứng tạo 3-O-Allyl-1,2-O-cyclohexylidene-5-O-trityl-α-D-

xylofuranose (7) .......................................................................................................... 67
Sơ đồ 3.10 Phản ứng tạo 1, 2-O-cyclohexylidene-3-O-(prop-1’-enyl)-5-O-tritylα-D-xylofuranose (8) .................................................................................................. 68
Sơ đồ 3.11 Phản ứng tạo tổng hợp 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methylazetidin-2’-on-4’-yl)-5-O-trityl-α-D-xylofuranose (9) .............................................. 68
Sơ đồ 3.12 Phản ứng tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on4’-yl)-α-D-xylofuranose (10) ...................................................................................... 69
Sơ đồ 3.13 Phản ứng tạo 1,2-O-cyclohexylidene-3-O-(3’-methyl-azetidin-2’-on4’-yl)-5-O-tosyl-α-D-xylofuranose (11) ..................................................................... 70
Sơ đồ 3.14 Phản ứng tạo oxacepham (12) .................................................................. 70
Hình 4.1 Sắc ký lớp mỏng tác chất (1) và sản phẩm (2) ............................................ 73
Hình 4.2 Sắc ký lớp mỏng tác chất (2) và sản phẩm (3) ............................................ 75
Hình 4.3 Sắc ký lớp mỏng tác chất (3) và sản phẩm (5) ............................................ 77
Hình 4.4 Sắc ký lớp mỏng tác chất (5) và sản phẩm (6) ............................................ 78
Hình 4.5 Sắc ký lớp mỏng tác chất (6) và sản phẩm (7) ............................................ 81
Hình 4.6 Sắc ký lớp mỏng tác chất (7) và sản phẩm (8) ............................................ 83
Hình 4.7 Sắc ký lớp mỏng tác chất (8) và sản phẩm (9) ............................................ 85
Hình 4.8 Sắc ký lớp mỏng tác chất (9) và sản phẩm (10) .......................................... 88
Hình 4.9 Sắc ký lớp mỏng tác chất (10) và sản phẩm (11) ........................................ 90
Hình 4.10 Sắc ký lớp mỏng tác chất (11) và sản phẩm (12) ...................................... 92

xi


DANH SÁCH BẢNG
Trang
Bảng 2 Bảng tóm tắt các nhân cơ bản của kháng sinh β-lactam ............................. 5
Bảng 3.1 Một số tính chất của D-glucose ............................................................. 46

Bảng 3.2 Một số tính chất của trityl chloride (TrCl) ............................................. 49
Bảng 3.3 Một số tính chất của tosyl chloride (TsCl) ............................................. 49
Bảng 3.4 Một số tính chất của tetra-n-butylammonium bromide (Bu4NBr) ......... 51
Bảng 3.5 Một số tính chất của potassium tert-butoxide (t-BuOK) ....................... 52
Bảng 3.6 Một số tính chất của p-toluenesulfonic acid (TsOH) ............................. 52
Bảng 3.7 Một số tính chất của 4-dimethylaminopyridine (DMAP) ...................... 53
Bảng 3.8 Một số tính chất của sodium periodate (NaIO4) .................................... 54
Bảng 3.9 Một số tính chất của natri borohydride (NaBH4) ..................................... 55
Bảng 3.10 Một số tính chất của natri bis(2-methoxyethoxy)aluminumhydride ... 56
Bảng 3.11 Một số tính chất của allyl bromide ....................................................... 57
Bảng 3.12 Một số tính chất của chlorosulfonyl isocyanate (CSI) .......................... 58
Bảng 4.1 Một số tính chất của sản phẩm (2) .......................................................... 73
Bảng 4.2 Một số tính chất của sản phẩm (3) .......................................................... 75
Bảng 4.3 Một số tính chất của sản phẩm (5) .......................................................... 77
Bảng 4.4 Một số tính chất của sản phẩm (6) .......................................................... 79
Bảng 4.5 Dữ liệu phổ 1H NMR của 1,2-O- cyclohexylidene-5-O-trityl- α-Dxylofuranose (6) ...................................................................................................... 79
Bảng 4.6 Một số tính chất của sản phẩm (7) .......................................................... 81
xii


Bảng 4.7 Dữ liệu phổ 1H NMR của 3-O-Allyl-1, 2-O-cyclohexylidene-5-O-tritylα-D-xylofuranose (7) .............................................................................................. 82
Bảng 4.8 Một số tính chất của sản phẩm (8) .......................................................... 83
Bảng 4.9 Dữ liệu phổ của 1, 2-O-cyclohexylidene-3-O-(prop-1’-enyl)-5-O-tritylα-D-xylofuranose (8) ...................................................................................................... 84
Bảng 4.10 Một số tính chất của sản phẩm (9) ....................................................... 85
Bảng 4.11 Dữ liệu phổ NMR của β-lactam (9) ...................................................... 86
Bảng 4.12 Một số tính chất của sản phẩm (10) ...................................................... 88
Bảng 4.13 Dữ liệu phổ NMR của sản phẩm thủy phân β-lactam (10) ................... 89
Bảng 4.14 Một số tính chất của sản phẩm (11) ...................................................... 90
Bảng 4.15 Dữ liệu phổ NMR của sản phẩm gắn nhóm Ts vào β-lactam (11) .................. 91
Bảng 4.16 Một số tính chất của sản phẩm (12) ....................................................... 92

Bảng 4.17 Dữ liệu phổ NMR của sản phẩm oxacepham (12) ................................. 93

xiii


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
6-APA:

6-amino penicillanic acid

7-ACA :

7-aminocephalosporinic acid

MeCO2H :

acid acetic

Bu4NBr:

tetra-n-butylammonium bromide

CH2Cl2:

dichlorometan

CH3CN:

acetonitrile

CSI:

chlorosulfonyl isocyanate

d:

doublets

DMAP:

4-dimethylaminopyridine

DMSO:

dimethyl sulfoxide

Et3N:

triethylamine

EtOAc:

ethyl acetate

EtOH :

ethanol

Hex:

n-hexan

IR:

phổ hồng ngoại (infrared spectroscopy)

IUPAC:

International Union of Pure and Applied Chemistry

m:

multiplets

MeOH :

methanol

MS:

khối phổ (mass spectrometry)

NaBH4:

natri borohydride

NaIO4:

sodium periodate

NMR:

phổ cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance

spectroscopy)
xiv


Red-Al:

natri bis (2-methoxyethoxy) aluminumhydride

ROESY:

Rotating-Frame Overhauser Enhancement Spectroscopy

s:

singlet

t-BuOK:

potassium tert-butoxide

TLC:

sắc ký bản mỏng (thin layer chromatography)

TrCl:

trityl chloride

TsCl:

tosyl chloride

TsOH:

p-toluenesulfonic acid

xv


Chương 1
MỞ ĐẦU
1 Giới thiệu
Hiện nay các nhà khoa học đã thông báo phát minh ra hơn 8000 chất kháng
sinh, trong đó chỉ có hơn 100 chất đã được nghiên cứu kỹ và đưa vào sử dụng
trong y học và một số lĩnh vực khác. Các chất còn lại hoặc do độc tính cao, hoặc
do mất tác dụng khi vào cơ thể.Vì vậy nghiên cứu chất kháng sinh mới đang là
yêu cầu cấp thiết của nhiều nhà khoa học trong nước và quốc tế.
2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nhiều chất kháng sinh là những hóa trị liệu không có gì thay thế được để
điều trị các bệnh nhiễm trùng hiểm nghèo, bệnh ung thư.
Ngày càng có nhiều vi sinh vật gây bệnh kháng lại thuốc kháng sinh nên
phải nghiên cứu tìm ra các chất kháng sinh mới thay thế các chất kháng sinh cũ ít
còn tác dụng.
Một vài kháng sinh dùng bảo quản có hiệu quả các thực phẩm như cá, thịt,
phomát; một số mang lại hiệu quả cao cho cây trồng và vật nuôi.
Kháng sinh họ β-lactam vẫn được xem là tác nhân chính chống lại sự

nhiễm khuẩn nhưng việc nghiên cứu các dẫn xuất mới có hoạt tính cao chưa đạt
hiệu quả. Carbohydrate được nghiên cứu là nguyên liệu khởi đầu bất đối xứng rẻ
tiền trong mục tiêu kiểm soát lập thể định hướng tổng hợp hữu cơ. Trong các ứng
dụng đa dạng thì tổng hợp thuốc kháng sinh β-lactam từ tiền chất carbohydrate
đóng vai trò quan trọng trong nền hóa dược hiện đại. Chức năng nổi bật là sự hình
1


thành trực tiếp vòng β-lactam bốn cạnh với độ chọn lọc lập thể cao thông qua
phản ứng cộng [2+2] Chlorosulfonyl Isocyanate (CSI) vào vinyl ether có tính vượt
trội hơn các phương pháp khác.
3 Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài thực hiện tổng hợp dẫn xuất β-lactam từ nguyên liệu đầu là α-Dglucose nhằm tạo ra tác nhân có hoạt tính sinh học và được sử dụng như là chất
trung gian để tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học khác.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
1 Đại cương về các β-lactam
1.1 Cấu trúc – phân loại
Họ β-lactam là những kháng sinh có cấu trúc azetidin-2-on (còn được gọi là vòng
β-lactam), là một amide vòng bốn cạnh (gồm ba nguyên tử cacbon và một nguyên
tử nitơ) [4].

Dị vòng azetidin-2-on thường được liên kết với một dị vòng khác:
- Azetidin-2-on kết hợp với thiazolidin có cấu trúc penam hay nhóm
penicillin. Trong nhóm này còn có các chất tương đồng với penicillin mang cấu
trúc penem, carbapenam và oxapenam (nhân clavam) [4].

3


- Azetidin-2-on kết hợp với dihydrothiazin có cấu trúc cephem hay nhóm
cephalosporin. Trong nhóm này còn có những chất tương đồng với cephalosporin
mang cấu trúc oxacephem và carbacephem [4].

R1

C

H2
C

H
N

R1

7

O

H
N
N

3

1

O
7

O
N

O

C

O

R2

3

R2

1

COOH

COOH

oxacephem

carbacephem
4

- Azetidin-2-on đứng riêng rẽ có cấu trúc monobactam
H

R2

R1OCHN

R3

monobactam

N
O

SO3H

Theo cấu trúc hóa học kháng sinh nhóm β-lactam được chia thành những
nhóm sau:
-

Nhóm penicillin

-

Nhóm cephalosporin

-

Nhóm carbapenem

-

Nhóm monobactam

-

Nhóm các chất ức chế β-lactamase

Trong đó hai nhóm kháng sinh quan trọng nhất là các penicillin và các
cephalosporin [4].
Bảng 2 Bảng tóm tắt các nhân cơ bản của kháng sinh β-lactam [4]
Tên nhóm

Cấu trúc hóa học
chung

Kháng sinh đại diện

Các penicillin tự nhiên và bán
tổng hợp

Nhân Penam

Các penicillin kháng βlactamase (acid clavulanic)
Nhân Clavam

Các penicillin kháng βlactamase (sulbactam,
tazobactam)

Các cephalosporin và
cephamycin

Nhân Cepham

5


Các carbapenem bán tổng hợp
từ thienamycin (imipenem,
meropenem)

Nhân Carbapenem

Aztreonam

Nhân Monobactam

1.2 Lịch sử hình thành β-lactam
Năm 1928, Alexader Fleming tiến hành theo dõi sự phát triển của khuẩn
cầu chùm bị ức chế dưới tác dụng của penicilinium notatum. Thuốc kháng sinh ức
chế vi khuẩn này được gọi tên là penicillin. Đầu những năm 1940, tiềm năng dược
liệu học của penicillin được công nhận. Sau khi khám phá ra thuốc này, Fleming
sử dụng nó làm thuốc khử trùng và đã có một số kết quả khả quan. Những năm
sau đó, penicillin và dẫn xuất của nó trở thành nhóm thuốc kháng sinh có tầm
quan trọng lớn [5].
Trong những năm 1940, các nhà khoa học đã nghiên cứu về cấu trúc của
penicillin. Ông Robert Robinson đã đề nghị cấu trúc của penicillin có dạng
thiazolidine-oxazolone. Trong khi đó, Ông Prof. R. B. lại dựa vào vòng amid 4
cạnh để đưa ra cấu trúc cho penicillin. Cuối cùng, vào năm 1949, Ông Dorothy

Hodgkins và ông Barbara đã phân tích benzyl penicillin bằng tia X, xác minh sự
tồn tại của amid vòng 4 cạnh trong cấu trúc β-lactam, có hoạt tính sinh học của
thuốc kháng sinh. Trong số những thuốc kháng sinh dạng hai vòng, penicillin và
cephalosporin là một trong những loại quan trọng nhất. Sau một thời gian khảo sát
và nghiên cứu về hoạt tính của vòng amid, dẫn đến các loại dẫn xuất của chúng đã
được ứng dụng trong lĩnh vực y học [5].
1.3 Đặc tính kháng khuẩn và cơ chế đề kháng
Đặc tính kháng khuẩn chung của các kháng sinh β-lactam là tác dụng lên
thành tế bào vi khuẩn, bằng cách ức chế hoạt động của các transpeptidase, enzym

6


tham gia vào quá trình tổng hợp peptidoglycan (thành phần chính của vách tế bào
vi khuẩn) [4].
Ngoài ra kháng sinh họ β-lactam còn thể hiện tác động diệt khuẩn do sự
hoạt hóa hệ thống thủy giải ở tế bào vi trùng, gây tổn thương và giết chết vi trùng
[4].
Vi khuẩn đề kháng với các β-lactam theo các cơ chế:
- Đề kháng enzym: vi khuẩn tiết ra beta lactamase, thủy phân vòng βlactam tạo những dẫn chất không có hoạt tính.
- Đề kháng không enzym: bằng cách thay đổi tính thẩm thấu của màng tế
bào vi khuẩn; gây biến mất hoặc biến đổi các transpeptidase.
Mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính thể hiện hoạt tính kháng khuẩn của
β-lactam. Hoạt tính kháng khuẩn phụ thuộc vào các yếu tố như:
- Sự nguyên vẹn của vòng β-lactam
- Sự hiện diện của một chức có tính acid trên nitơ hoặc C-2
- Sự hiện diện của nhánh bên acylamino
- Sự kết hợp dị vòng β-lactam với một dị vòng khác cũng như cấu dạng của
hai hoặc nhiều carbon bất đối xứng đóng vài trò quan trọng trong hoạt tính kháng
khuẩn [4].

1.4 Nhóm penicillin
Năm 1929, Flemming ly trích được benzyl penicillin từ môi trường nuôi
cấy Penicillium notatum, đến năm 1949 chất này được đưa vào sử dụng trong lâm
sàng. Năm 1957, người ta tách được 6-amino penicillanic acid (6APA), mở đầu
cho việc ra đời một loạt các penicillin bán tổng hợp [4].

7


1.4.1 Cấu trúc

Sơ đồ 2.1 Cấu trúc của penicillin
Theo danh pháp quốc tế: penicillin là amid-6 của acid (2S, 5R, 6R) amino- 6,
dimethyl- 3,3, oxo -7, thia- 4, aza- 1, bicyclo [3.2.0] heptan carboxylic.
Cấu tạo: 2 vòng: vòng β-lactam và thiazolidin, và chỉ khác nhau ở gốc R của
mạch ngang. Tuy nhiên có ý nghĩa lớn nhất trong điều trị cũng như trong thương
mại là Penicillin G và V. Để đơn giản hóa người ta xem các penicillin như là
những amid của 6-amino penicillanic acid (6-APA) [4].
1.4.2 Điều chế
Phương pháp sinh học:
Các penicillin thiên nhiên có được từ môi trường nuôi cấy Penicillium
notatum. Có nhiều penicillin thiên nhiên, khác nhau do các nhóm R, chỉ có 2 chất
trong nhóm này được sử dụng để điều trị đó là penicillin G (benzyl penicillin) và
penicillin V (phenoxy methyl penicillin).
Để có được penicillin mong muốn, thêm vào môi trường nuôi cấy các tiền
chất tương ứng. Ví dụ thêm acid phenyl acetic hoặc amid tương ứng điều chế
penicillin G hay acid phenoxy acetic trong điều chế penicillin V [4].

8

Sơ đồ 2.2 Quá trình sinh tổng hợp penicillin từ các acid amin
Ngay nay bằng phương pháp đột biến (dùng tia X hoặc tia cực tím), có thể
tạo chủng penicillium cho năng suất cao hơn so với chủng cổ điển.
Phương pháp bán tổng hợp:
Từ 1950 nhiều nghiên cứu được thực hiện để có được những penicillin bán
tổng hợp có thể uống được, kháng β-lactamase, phổ rộng hơn so với penicillin
thiên nhiên. Quá trình bán tổng hợp thường bao gồm 2 giai đoạn [4]:

9


- Giai đoạn tạo 6-APA:
•

Thủy phân benzyl penicillin (thu được từ phương pháp sinh học) bằng cách
dùng acylase (tiết ra từ Escherichia hay Alcaligenne) để cắt nhóm acyl, tạo
6-APA.

•

Hoặc thủy phân benzyl penicillin bằng phương pháp hóa học dưới tác động
của dimethyldicloro silan (CH3)2SiCl2 ở -40oC thu được 6-APA.

R

H2
C C

H

N

S

O

Me2SiCl2
N

RH2C

C

H
COOH

O

N

S

Cl

N
H
COO SiMe2

O

R = phenyl: penicillin G

C4H9OH
- 40oC

Acylase
H2N

S
0C

N
O

RH2C

o

H
COOH

C

N

O

H2O

C4H9

N
O

acid-6-aminopenicillanic (6APA)

Sơ đồ 2.3 Giai đoạn tạo 6APA
- Giai đoạn acyl hóa 6APA:

Sơ đồ 2.4 Giai đoạn tạo acyl hóa 6-APA
10

S

H
COOH