Tổng hợp pha rắn và cách thức xây dựng thư viện tổng hợp hữu cơ

..:: HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH -SPECIALIZED CHEMISTRY KIẾN THỨC HOÁ LÝ - PHYSICAL CHEMISTRY FORUM
1

TỔNG HỢP PHA RẮN

  1. Sơ lược về tổng hợp pha rắn

Tổng hợp pha rắn hay tổng hợp bằng cách sử dụng polymer là một kỹ thuật cực kỳ quan trọng đã được Merrifield nghiên cứu và công bố vào khoảng 1963 với phương pháp tổng hợp peptit. Các phản ứng ở đây tương tự như các phản ứng được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ bình thường nhưng điểm đặc biệt là một đầu của chất phản ứng được gắn lên bề mặt của một polymer rắn và bề mặt này dễ dàng bị loại đi ở giai đoạn cuối của sơ đồ tổng hợp để cho ra chất cần tổng hợp. Ví dụ như ở sơ đồ sau là ví dụ của phương pháp tổng hợp pha rắn dùng để tổng hợp một loại dược phẩm là 1,4-benzodiazepin (Ellman, J. A. et al. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10997) với ký hiệu hình tròn tô đậm là bề mặt polymer rắn:

Lợi thế cơ bản của phương pháp này chính là polymer (gồm cả các mạch nhánh gắn vào với nó) dễ dàng được tách ra khỏi các hợp chất khác trong hỗn hợp sản phẩm do nó hầu như không tan trong dung môi được sử dụng. Mặc dù kỹ thuật tổng hợp pha rắn này được sử dụng để tổng hợp các chuỗi polipeptit nhưng hiện nay nó cũng được sử dụng để tổng hợp các mạch polysaccarit và polynucleotit. Trong trường hợp sau thì phương pháp mới này đã hoàn toàn thay thế cho phương pháp tổng hợp các polinucleotit thông thường trong dung dịch. Với phát kiến quan trọng này thì Merrifield đã được vinh dự nhận giải thưởng Nobel vào năm 1984 cho công trình này

  1. Nghiên cứu về polymer support

Vấn đề đầu tiên trong tổng hợp pha rắn chính là việc lựa chọn polymer thích hợp cho tổng hợp. Sau nhiều nghiên cứu thì cuối cùng Merrifield cũng đã chọn ra được polymer thích hợp nhất là một gel sinh ra do sự đồng trùng hợp styren (99%) với tác nhân khâu mạch là divinylbenzen (1%). Cấu trúc và ảnh SEM của polymer này như sau

Các hình tròn nhỏ trong ảnh SEM có đường kính khi làm khô polymer là 50 micromet nhưng khi cho vào trong các dung môi như diclometan thì thể tích các hạt hình cầu này tăng lên gấp 5, 6 lần thể tích thực. Điều này có nghĩa là polymer này bị solvat hóa mạnh trong tiến trình phản ứng và có khả năng di chuyển tự do để thâm nhập và khuếch tán chất phản ứng. Có hai kiểu solvat hóa như hình dưới (A: Một hạt thông thường; B: trạng thái solvat hóa của hạt hình cầu A khi A có độ khâu mạch cao và có các cấu trúc kiểu vi lỗ xốp (microporous) và C là trạng thái solvat hóa của hạt hình cầu A khi A có độ khâu mạch cao và có cấu trúc lỗ xốp lớn (macroporous) Tốc độ của một phản ứng tổng hợp pha rắn phụ thuộc vào vận tốc khuếch tán của chất phản ứng và của sản phẩm “đến và đi” khỏi các lỗ trống. Sự chênh lệch của các giá trị này cũng như giá trị độ thẩm điện môi của dung môi ảnh hưởng rất lớn đến vận tốc phản ứng. Như vậy thì câu hỏi đặt ra là polymer dạng nào là tốt nhất trong tổng hợp pha rắn? Tuy nhiên các dữ kiện để trả lời các vấn đề này hiện vẫn chưa được thống nhất. Ví dụ như việc Rapp đã lắc nhựa hay cho một dòng khí đi qua nhựa không gây ảnh hưởng đến vận tốc tổng hợp peptit nhưng khi lắc mạnh rồi thổi khí liên tục vào nhựa thì tốc độ phản ứng tắng

Hiện nay người ta cũng đã tổng hợp được nhiều loại nhựa khác nhau dùng cho tổng hợp pha rắn trong công nghiệp và trong nghiên cứu cơ bản như các loại nhựa phenolic; PMM; một vài polysaccarit; silica; thủy tinh xốp…

  1. Một vài ứng dụng của tổng hợp pha rắn 3.1 Tổng hợp polypeptit và các ribonucleotit Phương pháp tổng hợp pha rắn lúc ban đầu được sử dụng nhiều để tổng hợp các polypeptit, sau này cũng được áp dụng để tổng hợp các nucleotit. Một ví dụ như sau

3.2 Tổng hợp dược phẩm

3.3 Tổng hợp bất đối xứng Đã có những kết qủa nghiên cứu về việc epoxy hóa chọn lọc lập thể theo Sharpless bằng cách sử dụng polymer đồng trùng hợp giữa axit tactric và HO[CH2]8OH. Kết qủa thu được như sau

Ở đây mình chỉ giới thiệu sơ lược vài nét chính cũng như những ứng dụng to lớn của phương pháp tổng hợp pha rắn. Trong tương lai hướng này sẽ tiếp tục phát triển mạnh cùng với sự phát triển của ngành polymer. Với những ưu điểm sẵn có ngành này có nhiều triển vọng thay thế sự tổng hợp vốn lâu nay tiến hành trong dung dịch.

Tài liệu tham khảo

  1. March’s Ađvance organic chemistry: Reaction, mechanism and structure - Michael B Smith, Jerry March - John Wiley & Sons Inc, 2001, 5th ed, 2001
  2. Organic Synthesis, Concepts and Methods - Jurgen-Hinrich Fuhrhop, Guangtao Li - Wiley VCH, 3re ed, 2003
  3. Merrifield Nobel lecture 1984
  4. Modern Organic Synthesis - Dale L. Boger, 1999
  5. High-Thoughtput synthesis - Irving Sucholeiki - Markel Dekker Inc, 2001
  6. Principles and application in asynmetric synthesis - Guo-Quian Lin, Yue-Ming Li, Albert S.C.Chan - John Wiley & Sons Inc, 2001
2

CÁCH THỨC XÂY DỰNG THƯ VIỆN TỔNG HỢP HỮU CƠ

1. Yêu cầu về việc xây dựng một thư viện tổng hợp hữu cơ

Theo như các cách tổng hợp truyền thống thì một quá trình tổng hợp chỉ có thể tổng hợp một chất hữu cơ. Quá trình này phù hợp cho việc tổng hợp một lượng lớn chất nhưng không thể áp dụng nó cho quá trình tổng hợp một lượng nhỏ của nhiều chất. Tuy nhiên vấn đề sau rất quan trọng trong công nghiệp dược phẩm, là ngành mà cần có những chất có bộ khung cấu trúc như nhau, chỉ khác nhau ở một vài vị trí để có thể tìm ra đươc một loại dược phẩm tối ưu thỏa mãn yêu cầu. Để thúc đẩy nhanh chóng quá trình tổng hợp thì một ngành Hóa học khác đã được phát triển, đó là Hóa học tổ hợp (combinatorial chemistry) để cho ra thư viện tổ hợp (combinatorial libraries). Với công việc này thì có thể tổng hợp được cả ngàn chất từ một vài chất ban đầu. Một ví dụ của Hóa học tổ hợp là mô hình sau.

Trong quá trình này chỉ đi từ một chất ban đầu, sau một loạt chuyển đổi ta thu được hơn 100 triệu chất. Câu hỏi ở đây là người ta làm được điều đó như thế nào?

2. Vai trò to lớn của tổng hợp pha rắn trong quá trình xây dựng thư viện tổng hợp hữu cơ 2.1. Mối liên quan giữa việc xây dựng thư viện tổng hợp hữu cơ và tổng hợp pha rắn Những vị trí mà các chất phản ứng gắn và polymer được gọi là “input”. Trong Hóa học tổ hợp thì cần phải có nhiều vị trí “input” để các hợp chất khác nhau có thể gắn vào, và chỉ có bề mặt polymer rắn mới có thể làm đươc điều này. Ví dụ như một lập phương 3x3x4 = 36 khối, mỗi khối gắn với một hợp chất khác nhau, như vậy sau quá trình tổng hợp ta thu được 36 sản phẩm. Để dễ hình dung mời xem hình dưới:

Có hai hướng tiếp cận chính trong Hóa học tổ hợp, đó chính là tổng hợp song song (parallel synthesis) và tổng hợp từng mảnh (split synthesis) 2.2. Tổng hợp song song Trong tổng hợp song song thì mỗi hợp chất được tổng hợp độc lập với nhau. Trong đó chất phản ứng sẽ được gắn lên bề mặt polymer rắn, sau đó cho vào một dụng cụ thủy tinh có đục sẵn nhiều lỗ. Các chương trình máy tính chuyên dụng sẽ cho thêm từng lượng khác nhau các tác nhân theo các trình tự khác nhau vào các lỗ khác nhau để có thể thu được các sản phẩm hoàn toàn khác nhau. Khi phản ứng kết thúc thì phần polymer rắn được loại đi và ta thu được sản phẩm. Một ví dụ về tổng hợp song song:

2.3. Tổng hợp từng mảnh Trong tổng hợp từng mảnh thì tác nhân ban đầu cũng được liên kết với bề mặt polymer rắn, sau đó chia thành nhiều nhóm. Mỗi tác nhân khác nhau được thêm vào từng nhóm rồi sau đó kết hợp các nhóm khác nhau này lại để tạo các nhóm mới rồi quá trình này được tiếp tục. Ví dụ một sơ đồ của tổng hợp từng mảnh như sau

Tài liệu tham khảo

  1. Organic Chemistry 6th ed - John McMurry - Thomson Brookscole, 2004
  2. Modern Organic Synthesis - Dale L. Boger, 1999
  3. High-Thoughtput synthesis - Irving Sucholeiki - Markel Dekker Inc, 2001