CN114105983A - 手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物及其金属螯合物的制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手性1,4,7,10‑四氮杂‑2,6‑吡啶环蕃衍生物及其金属螯合物的制备和应用，所述金属螯合物的结构式如式(Ⅲ)或式(Ⅳ)所示：
其中，R1和R2分别为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、羟甲基、羟乙基或α‑甲基羟乙基中的一种，R1和R2的构型为S或者R构型；R3为氢原子、卤原子、烷基或芳基中的一种；M为Gd、Mn或Fe金属离子。本发明的螯合物为手性大环结构，以1,4,7,10‑四氮杂‑2,6‑吡啶环蕃为基本单元，通过引入手性基团和增加配合物内层水分子数，实现其稳定性和弛豫率的提高；能解决磁共振成像造影剂的安全性问题，填补临床上高场MRI造影剂空白。
Description
技术领域
本发明属于有机合成和生物医学成像领域，具体涉及手性 1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物及其金属螯合物的制备和应用。
背景技术
磁共振成像(MRI)是临床上最有价值的无创诊断工具之一，但其灵敏度低，为了使病灶部位的信号对比度增强，得到更清晰的成像，临床上超过40％的MRI检查中要用到增强造影剂。Gd基造影剂(GBCAs)是最为重要的一类增强造影剂，自首个GBCA被美国食品及药物管理局(FDA)批准使用以来，近三十年使用了数亿剂的 GBCAs。近年来，研究者发现临床上GBCAs带来包括肾源性系统性纤维化(NSF)、金属钆脑中残留等一系列的安全性问题。普遍认为环状GBCAs比线性具有更高的稳定性，提高GBCAs的稳定性，或开发出更安全可靠的GBCAs替代品成为亟待需要解决的问题。
本发明以1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃(Pyclen)为基本结构，引入手性基团提高其稳定性，设计七配位结构的配体，使两分子的水进入配合物的金属内配位层，增加其弛豫率，且两分子内层水更加有利于高场MR成像，通过此方式开发出兼具高稳定性和高弛豫率的 GBCAs，解决MRI造影剂安全性问题，填补临床上高场MRI造影剂的空白。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物。
一种手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物，该衍生物的结构式如式(Ⅰ)或式(II)所示：
其中，R1和R2分别为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、羟甲基、羟乙基或α-甲基羟乙基中的一种，R1和R2 的构型为S或者R构型；R3为氢原子、卤原子、烷基或芳基中的一种。
本发明的第二个目的是提供一种可用作磁共振成像造影剂的兼具高稳定性和高弛豫率的金属螯合物。具体来说，本发明提供一种基于1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的金属螯合物，其结构式如式 (Ⅲ)或式(Ⅳ)所示：
其中，R1和R2分别为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、羟甲基、羟乙基或α-甲基羟乙基中的一种，R1和R2为R 或S任意构型；R3为氢原子、卤原子、烷基或芳基中的一种；所述M 为Gd、Mn或Fe金属离子。
优选的，所述R1和R2均为乙基，R3为氢原子，M为Gd金属离子。
本发明的第三个目的是提供手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物及其金属螯合物的制备方法，具体包括如下步骤：
式(Ⅲ)化合物制备方法：以手性(R)-氨基醇为原料，碱性条件下形成高反应活性的氮杂环丙烷类化合物，通过甲氧基苄胺对其开环，一步形成多取代的二乙烯三胺类化合物，然后与吡啶-2,6-二对甲苯磺酸甲酯在碱性条件下发生分子间的关环反应，得到了N-取代的手性Pyclen化合物。所得化合物在丙硫醇的作用下脱去3，9-N位置的保护基—对硝基苯磺酸基(Ns)，在三氟乙酸作用下脱去甲氧苄基，然后进一步与溴乙酸叔丁酯发生亲核取代反应，得到3，6，9-N-三乙酸叔丁酯取代的1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃，最后通过三氟乙酸脱去叔丁基得到手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃配体，最后与金属络合得到最终的金属配合物。
式(Ⅳ)化合物制备方法：以手性(S)-氨基醇为原料，利用磺酰氯对氨基进行保护，然后和等量的(2S)-2-氨基酰胺反应形成氨基酰胺，再利用硼烷的四氢呋喃溶液对酰胺进行还原，得到单苯磺酰基取代的二乙烯三胺，进一步通过苯磺酰氯对氨基的保护，合成了关键中间体三取代的二乙烯三胺；它与吡啶-2,6-二对甲苯磺酸甲酯发生关环反应，所得化合物在强酸作用下脱去苯磺酰基，进一步与溴乙酸乙酯发生亲核取代反应，最后通过氢氧化锂的醇溶液脱去乙基得到手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃配体，最后与金属络合得到最终的金属配合物。
本发明的第四个目的是提供一种手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的金属螯合物在磁共振成像造影剂中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明提供了手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物及其金属螯合物，该螯合物具有手性大环结构，以1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃作为基本单元，一方面在原大环1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃主环上引入手性取代基固定主环的结构，避免主环结构发生分子内结构扭动(δ与λ结构的变化，类似文献ChemPhysChem,2011,12,1490–1497 所述轮环藤宁及DOTA分子的异构现象)，从而大幅度提高所得金属配合物的稳定性，该策略类似专利WO2018051197中用于控制轮环藤宁衍生物Ln-DOTA的异构体的方法；另外一方面，该七配位配体与金属离子(如Gd离子)形成的配合物比临床上使用的MRI造影剂分子多一个内层配位水，可获得更高的弛豫率。通过手性基团的引入和配合物内层水分子数的增加，实现其稳定性和弛豫率的同时提高。有望能从根本上解决磁共振成像造影剂的安全性问题，填补临床上高场MRI造影剂的空白。
现有专利WO2020030618A1中所得Gd配合物同样可以获得稳定性的提高，其思路是以1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃为主结构，通过主环氮原子(胺基)上引入类谷氨酸支链，从而限制了金属配合物羧基配体自由旋转(无手性侧链时三个羧基可以发生顺时针旋转和逆时针旋转两种异构现象，Δ与Λ结构的变化)。该策略类似文献Inorg. chem.2011,50,7955-7965中用于控制轮环藤宁衍生物Ln-DOTA的异构体的方法，与本专利申请中的设计思路有本质不同。
附图说明
图1为Gd-X-Pyclen 1的HPLC图谱。
图2为Gd-X-Pyclen 2的HPLC图谱。
图3为Gd-X-Pyclen 1在0.1N HCl中的稳定性测试。
图4为Gd-X-Pyclen 2在0.1N HCl中的稳定性测试。
图5为小鼠注射Gd-X-Pyclen 2后的高场磁共振活体成像实验。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1制备Gd-X-Pyclen 1(化学结构如下所示)的方法
步骤(1)：将(R)-2-氨基-1-丁醇溶于二氯甲烷中，加入KOH，将反应体系冷却0-5℃，缓慢加入对硝基苯磺酰胺，然后继续冰浴下反应0.5小时，撤去冰浴，室温搅拌直至反应完全。二氯甲烷萃取三次，饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸除去溶剂，得无色油状物。无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(2)：将步骤(1)中所得到的化合物溶于乙腈中，加入(S)-2- 氨基丁酰胺盐酸盐，将反应液加热至70℃，HPLC监测直至反应完全。旋蒸除去溶剂，乙酸乙酯洗涤得白色固体。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(3)：将步骤(2)中所得到的化合物溶于DMF中，加入碳酸钾、吡啶-2,6-二对甲苯磺酸甲酯，室温反应，HPLC监测直至反应完全。将反应液加入大量水中，析出固体，过滤，干燥。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(4)：将步骤(3)中所得到的化合物溶于三氟乙酸中，80℃反应三个小时之后，减压除去溶剂，加入异丙基硫醇、碳酸铯和DMF，室温反应过夜，HPLC监测直至反应完全。过滤，柱层析得浅黄色油状物。
其反应式为：
步骤(5)：将步骤(4)中所得到的化合物溶于乙腈中，加入碳酸钾、溴乙酸叔丁基酯，油浴50℃下反应，HPLC监测直至反应完全。过滤，溶剂洗涤滤饼，旋蒸除去溶剂得产物。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(6)：将步骤(5)中所得到的化合物溶于三氟乙酸/二氯甲烷中，室温反应，HPLC监测直至反应完全。
其反应式为：
步骤(7)：调节步骤(6)中所得溶剂的pH至6.0，加入GdCl3·6H2O， 100℃保持5h，调节pH至9.0，过滤，重新调节pH至7.0，冻干，得白色固体。
其反应式为：
将白色固体经HPLC检测，结果如图1所示。Gd-X-Pyclen 1在 HPLC上主要只有一个峰，很可能的原因是手性取代基的引入，抑制了羧基逆时针旋转的配位，即抑制了产物Gd-X-Pyclen 1A的生成，从而主要得到产物Gd-X-Pyclen 1B。
实施例2制备Gd-X-Pyclen 2(化学结构如下所示)的方法
步骤(1)：将(S)-2-氨基-1-丁酸溶于二氯甲烷中，加入KOH，将反应体系冷却0-5℃，缓慢加入对甲苯磺酰氯，然后继续冰浴下反应0.5小时，撤去冰浴，室温搅拌直至反应完全。二氯甲烷萃取三次，饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸除去溶剂，得无色油状物。无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(2)：将步骤(1)中所得到的化合物溶于DMF中，将反应液冷却至0℃，加入HATU(2-(7-氮杂苯并三氮唑)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯)，然后再加入(S)-2-氨基丁酰胺盐酸盐、DIPEA， HPLC监测直至反应完全。旋蒸除去部分溶剂后加入水中，过滤、干燥得产物。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(3)：将步骤(2)中所得到的化合物溶于硼烷的四氢呋喃溶液中，油浴60℃反应，HPLC监测至反应完全。加入甲醇，回流。旋蒸除去溶剂，粗品经过柱层析得产物。
其反应式为：
步骤(4)：将步骤(3)中所得到的化合物溶于THF中，加入三乙胺，室温反应，TLC监测直至反应完全。旋蒸除去溶剂，二氯甲烷萃取，饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸除去溶剂，柱层析得白色半油状物。
其反应式为：
步骤(5)：将步骤(4)中所得到的化合物溶于DMF中，加入碳酸钾、吡啶-2,6-二对甲苯磺酸甲酯，室温反应，HPLC监测直至反应完全。将反应液加入大量水中，析出固体，过滤，干燥。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(6)：将步骤(5)中所得到的化合物溶于浓硫酸的中，油浴110℃下反应，HPLC监测直至反应完全。冰浴下加入水，氢氧化钾调节pH至13，加入乙醇，过滤，滤液浓缩，二氯甲烷萃取，合并有机相，旋蒸除去溶剂。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(7)：将步骤(6)中所得到的化合物溶于乙腈中，加入碳酸钾、溴乙酸乙酯，油浴50℃下反应，HPLC监测直至反应完全。过滤，溶剂洗涤滤饼，旋蒸除去溶剂得产物。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。
其反应式为：
步骤(8)：将步骤(7)中所得到的化合物溶于甲醇/水中，加入氢氧化锂，室温反应，HPLC监测直至反应完全。
其反应式为：
步骤(9)：调节步骤(8)中所得溶剂的pH至6.0，加入GdCl3·6H2O， 100℃保持5h，调节pH至9.0，过滤，重新调节pH至7.0，冻干，得白色固体。
其反应式为：
将白色固体经HPLC检测，结果如图2所示。配体分子X-Pyclen B与Gd离子配合过程中，配体分子左侧羧基可以自由选择顺时针或者逆时间旋转方向，因此可以得到两个等比例的异构体Gd-X-Pyclen 2A和Gd-X-Pyclen 2B。
实施例3
将(R)-2-氨基-1-丙醇溶于二氯甲烷中，加入KOH，将反应体系冷却0-5℃，缓慢加入对硝基苯磺酰胺，然后继续冰浴下反应0.5小时，撤去冰浴，室温搅拌直至反应完全。二氯甲烷萃取三次，饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸除去溶剂，得无色油状物。无需进一步纯化，直接用于后续合成中。其它步骤同实施例1。
其反应式为：
实施例4
将(R)-2-氨基-3-甲基-1-丁醇溶于二氯甲烷中，加入KOH，将反应体系冷却0-5℃，缓慢加入对硝基苯磺酰胺，然后继续冰浴下反应0.5 小时，撤去冰浴，室温搅拌直至反应完全。二氯甲烷萃取三次，饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸除去溶剂，得无色油状物。无需进一步纯化，直接用于后续合成中。其它步骤同实施例1。
其反应式为：
实施例5
将(R)-2-氨基-1-戊醇溶于二氯甲烷中，加入KOH，将反应体系冷却0-5℃，缓慢加入对硝基苯磺酰胺，然后继续冰浴下反应0.5小时，撤去冰浴，室温搅拌直至反应完全。二氯甲烷萃取三次，饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸除去溶剂，得无色油状物。无需进一步纯化，直接用于后续合成中。其它步骤同实施例1。
其反应式为：
实施例6
将实施例1中步骤(2)中所得到的化合物溶于DMF中，加入碳酸钾、吡啶-4-溴-2,6-二对甲基苯磺酸甲酯，室温反应，HPLC监测直至反应完全。将反应液加入大量水中，析出固体，过滤，干燥。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。其它步骤同实施例1。
其反应式为：
实施例7
将实施例1中步骤(2)中所得到的化合物溶于DMF中，加入碳酸钾、吡啶-3-羟基-2,6-二对甲磺酸甲酯，室温反应，HPLC监测直至反应完全。将反应液加入大量水中，析出固体，过滤，干燥。产物无需进一步纯化，直接用于后续合成中。其它步骤同实施例1。
其反应式为：
实施例8：1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的钆基螯合物的稳定性测试。
称取5mg的Gd-X-Pyclen 1和Gd-X-Pyclen 2溶解于2mL的0.1 N HCl溶液中，通过HPLC观察其稳定性，如图3和图4所示。由图 3可以看出Gd-X-Pyclen 1的t1/2为73.5h，图4可以看出Gd-X-Pyclen 2的t1/2为379h，因此，Gd-X-Pyclen 1和Gd-X-Pyclen 2均具有较高的稳定性，其中Gd-X-Pyclen 2比Gd-X-Pyclen 1更加稳定。
实施例9：Gd-Pyclen、Gd-X-Pyclen 1和Gd-X-Pyclen 2体外弛豫性能的测试。
分别配置不同浓度的Gd-Pyclen、Gd-X-Pyclen 1和Gd-X-Pyclen 2 溶液，利用1.5T、3.0T和7.0T磁共振成像仪测定各个样品的纵向弛豫时间T1，根据Gd-Pyclen、Gd-X-Pyclen 1和Gd-X-Pyclen 2的1/T1和浓度拟合曲线，得出了它们的弛豫率，如下表所示。
实施例10：1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的钆基螯合物用于磁共振成像的造影剂实验。
利用异氟醚(1％-2％)对6至8周的雄性/雌性小鼠进行麻醉，然后通过尾静脉分别对其注射Gd-X-Pyclen 1和Gd-X-Pyclen 2，维持小鼠体温37℃。将小鼠放置在小动物磁共振成像扫描仪内时，分别在不同时间对其进行成像，结果如图5所示。可见，本发明的1,4,7,10- 四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的钆基螯合物具有较好的造影效果，能够获得较为清晰的磁共振成像。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (6)
1.一种手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物，其特征在于，所述衍生物的结构式如式(Ⅰ)或式(II)所示：
其中，R1和R2分别为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、羟甲基、羟乙基或α-甲基羟乙基中的一种，R1和R2的构型为S或者R构型；R3为氢原子、卤原子、烷基或芳基中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的金属螯合物，其特征在于，所述金属螯合物的结构式如式(Ⅲ)或式(Ⅳ)所示：
其中，R1和R2分别为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、羟甲基、羟乙基或α-甲基羟乙基中的一种，R1和R2的构型为S或者R构型；R3为氢原子、卤原子、烷基或芳基中的一种；M为Gd、Mn或Fe金属离子。
3.根据权利要求2所述的一种手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的金属螯合物，其特征在于，所述R1和R2均为乙基，R3为氢原子，M为Gd金属离子。
4.根据权利要求2所述的一种手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的金属螯合物的制备方法，其特征在于，所述式(Ⅲ)化合物的制备方法具体包括如下步骤：
以手性(R)-氨基醇为原料，在碱性条件下生成氮杂环丙烷类化合物，通过甲氧基苄胺对其开环，一步形成多取代的二乙烯三胺类化合物，然后与吡啶-2,6-二对甲苯磺酸甲酯在碱性条件下发生分子间的关环反应，得到N-取代的手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃化合物；所得化合物再在丙硫醇的作用下脱去3，9-N位置的保护基-对硝基苯磺酸基(Ns)，在三氟乙酸作用下脱去甲氧苄基，然后进一步与溴乙酸叔丁酯发生亲核取代反应，得到3，6，9-N-三乙酸叔丁酯取代的1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃，接着通过三氟乙酸脱去叔丁基得到手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃配体，最后与金属络合得到最终的金属配合物。
5.根据权利要求2所述的一种基于1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的钆基螯合物的制备方法，其特征在于，所述式(Ⅳ)化合物的制备方法具体包括如下步骤：
以手性(S)-氨基醇为原料，利用磺酰氯对氨基进行保护，然后和等量的(2S)-2-氨基酰胺反应形成氨基酰胺，再利用硼烷的四氢呋喃溶液对酰胺进行还原，得到单苯磺酰基取代的二乙烯三胺，进一步通过苯磺酰氯对氨基的保护，合成了关键中间体三取代的二乙烯三胺；再与吡啶-2,6-二对甲苯磺酸甲酯发生关环反应，所得化合物在强酸作用下脱去苯磺酰基，进一步与溴乙酸乙酯发生亲核取代反应，最后通过氢氧化锂的醇溶液脱去乙基得到手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃配体，最后与金属络合得到最终的金属配合物。
6.根据权利要求2所述的一种手性1,4,7,10-四氮杂-2,6-吡啶环蕃衍生物的金属螯合物在磁共振成像造影剂中的应用。
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