陳賢勇, 周 順, 金 鑫, 葛真真,, 周鳴強,, 趙建強, 陳永正*, 袁偉成*

(1. 遵義醫(yī)科大學 藥學院 貴州省生物催化與手性藥物合成重點實驗室,貴州 遵義 563000; 2. 中國科學院 成都有機化學有限公司,四川 成都 610041; 3. 成都麗凱手性技術有限公司,手性藥物國家工程研究中心,四川 成都 610041; 4. 浙江金華康恩貝生物制藥有限公司,浙江 金華 321016)

氫(Hydrogen, H)是一種化學元素,在元素周期表中排第一位。氫通常的單質形態(tài)為氫氣,是一種無色無味且易燃的分子氣體。氘(Deuterium,D)是氫的穩(wěn)定性非放射性同位素,在自然界中,氘的豐度約占總量的0.015%,且大多以重水(D2O)的形式存在于海水與普通水中。氘代化是指通過化學反應來使有機化合物中的氫被氘取代,從而改變原有分子的各種特性來達到既定目的。由于氘代前后化合物的物理性質并未發(fā)生明顯的變化,且C—D鍵要比C—H鍵的鍵長短,這就使C—D鍵更加穩(wěn)定[1-2]。同時,氘化化合物由于其在質譜(MS)、核磁共振(1H NMR)和電子自旋共振譜(ESR)中顯示出獨特的信號,常作為標記化合物廣泛應用于生命科學、環(huán)境科學、農藥殘余檢測、污染物跟蹤以及物質科學等領域[3]。此外,氘代化合物還經(jīng)常用于藥物代謝研究和新藥研發(fā)[4]。

對人體而言,氘元素也是一種較為安全的元素。人體可以持續(xù)4個月耐受含量0.5%血藥濃度的氘元素而沒有任何毒性反應,而在人體液中含有高達23.0%的重水時,短期內也未見毒副作用[5]。氘代藥物是指對某種藥物分子上特定位點進行一個或多個氘-氫原子替換所獲得的藥物,其中應用最廣泛的是碳氫鍵替換成為碳氘鍵。然而對于早期開發(fā)的上市藥物通常存在一些缺點,如代謝快、吸收差、藥動學參數(shù)不理想和藥物間存在相互作用等,時常需要一天服用多次或較大劑量來保持有效血藥濃度,導致藥物毒副作用大[6]。與非氘代藥物相比,氘代藥物具有明顯的優(yōu)勢:(1)能夠引起血液內的藥物消除速度降低,從而延長藥物在體內的半衰期,有利于減少用藥劑量,降低藥物代謝負擔;(2)改變藥物代謝和改善藥代動力學性質,有效地降低藥物代謝速度,提高生物活性、臨床療效;(3)降低藥物在進入血液前的代謝速率(例如在腸道中),有助于讓更多未代謝的藥物進入血液循環(huán),降低其副作用、延緩耐藥性到來[7-11]。2017年,美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準了全球首個氘代藥物,梯瓦公司的氘代丁苯那嗪片(Deutetrabenazine,安泰坦)上市,用于治療罕見的常染色體顯性遺傳病亨廷頓舞蹈病[12],該藥物可以有效延緩其在體內的藥動曲線,且對于亨廷頓舞蹈病和遲發(fā)性運動障礙上有顯著的治療效果與可接受的安全性和耐受性。2020年5月,國家藥品監(jiān)督管理局(NMPA)也在優(yōu)先審評審批后,免于臨床試驗批準了該藥進口和在中國上市。

經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展,氘代化在藥物中的研究已經(jīng)取得了一些進展[6,13-14]?？紤]到心腦血管疾病具有高患病率、高致殘率和高死亡率等特點,開發(fā)抗心血管疾病氘代藥物無疑會給人類帶來福音,同時對于開發(fā)新藥具有重大意義。本文將按不同藥理作用藥物分類來簡述近年來抗血管疾病氘代藥物的合成進展。

1 抗高血壓藥

鹽酸埃他卡林(IptakalimHydrochloride)作為一種新型的抗高血壓藥物,可以有效的擴張動脈,近年來還有研究表明該藥對腦神經(jīng),腎臟及肺部亦有一定的保護作用[15-16]。但由于鹽酸埃他卡林化學結構中并無共軛體系或生色基團,因此常規(guī)的檢測方法難以測定藥物濃度。張城等[17]以2,3-二甲基-2-丁烯(1)為底物,在混酸的催化下與尿素攪拌反應生成2,3-二甲基-2-丁脲(2),然后在堿性環(huán)境下水解生成丁胺(3),最后與溴代異丙烷-d7化合物(4)縮合生成氘代鹽酸埃他卡林(5)(圖1)。此外,張振清課題組[18]以氘代鹽酸埃他卡林為內標物,通過GC-MS研究了該藥物的藥代動力學性質,表明大鼠和比格犬服藥后均表現(xiàn)為一級吸收二房室模型,藥代動力學參數(shù)均無顯著性差別。

圖1 鹽酸埃他卡林的合成路線

2 血脂調節(jié)藥物

2.1 依替米貝

依替米貝(Ezetimibe)又稱伊折麥布,是一類新型的選擇性膽固醇吸收抑制劑,目前已被批準上市,在臨床中主要用于治療高血脂癥所引起的冠心病。陳禮勤課題組[19]為了輔助觀察并檢測藥物在體內的代謝情況,同時進一步開拓更多的藥物結構,在原有藥物的1個苯環(huán)上引入了4個氘原子,從而合成了含有4個氘原子的依替米貝-d4,該項研究以4-芐氧基苯甲醛、4-氟苯胺和氟苯-d5為起始原料,經(jīng)過大小12步反應,最終成功合成出含有4個氘原子的依替米貝-d4。具體合成路線如下(圖2):首先4-芐氧基苯甲醛(6)和4-氟苯胺(7)縮合形成N-(4-氟苯基)-4-芐氧基苯亞甲胺(8);化合物8在LDA的作用下與(S)-3-羥基-γ-丁內酯(9)反應,得到(3R,4S)-N-(4-氟苯基)-3-[(1S)1,2-二羥基乙基]-4-(4-芐氧基苯基)-2-氮雜環(huán)丁酮(10);化合物10在高碘酸鈉的作用下,氧化生成相應的醛(11);此外,五氘代氟苯(12)在三氯化鋁的作用下發(fā)生傅克?；磻?得到對氟-四氘代苯乙酮(13),然后形成相應的烯醇硅醚(14)?；衔?1和化合物14在三氟化硼乙醚的作用下,發(fā)生Aldol反應,得到(3R,4S)-N-(4-氟苯基)-3-[3-(4-氟-四氘代苯基)-1-羥基-3-羰基丙基]-4-(4-芐氧基苯基)-2-氮雜環(huán)丁酮(15);化合物15在對甲基苯磺酸的催化下發(fā)生分子內脫水反應,得到相應的(3R,4S)-N-(4-氟苯基)-3-[3-(4-氟-四氘代苯基)-3-羰基丙烯基]-4-(4-芐氧基苯基)-2-氮雜環(huán)丁酮(16);化合物16在三苯基膦氯化銠的催化下,發(fā)生選擇性氫化還原不飽和雙鍵,得到(3R,4S)-N-(4-氟苯基)-3-[3-(4-氟-四氘代苯基)-3-羰基丙基]-4-(4-芐氧基苯基)-2-氮雜環(huán)丁酮(17);化合物17在手性催化劑Cat.1的催化下,發(fā)生不對稱還原,得到(3R,4S)-N-(4-氟苯基)-3-[3-(4-氟-四氘代苯基)-3(S)-羥丙基]-4-(4-芐氧基苯基)-2-氮雜環(huán)丁酮(18),最后化合物18用Pd/C脫芐,得到目標藥物依替米貝-d4(19)。

圖2 氘代依替米貝的合成路線

2.2 阿托伐他汀

阿托伐他汀(Atorvastatin)又稱立普妥,是一種知名的血脂調節(jié)藥物,其有效成分為阿托伐他汀鈣鹽,主要用于治療高膽固醇血癥以及混合型高脂血癥,也可用于預防高血壓、冠心病等心血管疾病。2016年,李文保課題組[20]在經(jīng)典藥物的基礎上,研究合成了氘代阿托伐他汀鈣的路線,希望通過氘代的方式來改善阿托伐他汀在人體內的代謝。具體合成路線如下(圖3):首先異丁酰乙酸甲酯(20)和苯胺(21)發(fā)生酰胺化反應,得到酰胺化產(chǎn)物(22);化合物22和苯甲醛發(fā)生縮合反應,得到化合物(23);23在卡賓的催化下與對氟苯甲醛反應,得到化合物(24);24和伯胺(25)發(fā)生環(huán)化反應得到阿托伐他汀酯(26);最后,26發(fā)生水解,并與醋酸鈣成鹽,得到阿托伐他汀鈣(27)。

圖3 阿托伐他汀鈣的合成路線

根據(jù)圖3所示的合成路線,將原料苯胺換成苯胺-d5,就可以合成氘代阿托伐他汀鈣(28);同樣的合成步驟,將苯甲醛用苯甲醛-d5代替,也可以氘代阿托伐他汀鈣(29);用氘代對氟苯甲醛代替對氟苯甲醛,就可以得到氘代阿托伐他汀鈣(30),如圖4所示。如果同時使用2/3種氘代原料,就可以得到多種氘代阿托伐他汀鈣。

圖4 氘代阿托伐他汀鈣的合成路線

3 抗凝血藥物

3.1 氯吡格雷

氯吡格雷(Clopidogrel)是一種血小板抑制劑,可以選擇性的抑制ADP與血小板受體的結合,從而抑制血小板的凝集,最終達到減少血栓形成的可能,目前在臨床中主要用于預防以及治療冠心病。但近日的臨床研究表明,該藥藥效性質受生物活化及代謝效率影響明顯,在受試者之間表現(xiàn)出較大的差異性[21]。為了解決藥物的代謝穩(wěn)定性和忍耐性,焦波課題組[22]通過在原藥的基礎上設計合成了氘代氯吡格雷。具體合成路線如下(圖5):首先噻吩乙酸甲酯(31)在甲醇鈉和氘代甲醇的作用下,發(fā)生氫氘交換反應,得到噻吩乙酸甲酯-d2化合物(32);化合物32用氘代硼氫化鈉還原,得到氘代化合物(33);33在三乙胺的作用下與對甲基苯環(huán)酰氯反應得到化合物(34);34和(S)-2-氨基-2-(2-氯苯基)乙酸甲酯(35)反應,得到胺化產(chǎn)物(36);最后化合物36和多聚甲醛發(fā)生環(huán)化反應,得到氯吡格雷-d4(37)。

圖5 氘代氯吡格雷的合成路線

3.2 替格瑞洛

替格瑞洛(Ticagrelor)同樣是一種常用的抗心血管血栓藥物,主要用于急性冠脈綜合征(不穩(wěn)定性心絞痛、非ST段抬高心肌梗死或ST段抬高心肌梗死)患者。替格瑞洛一般作為對氯吡格雷抵抗患者的替代療法,但替格瑞洛相對氯吡格雷來說,其半衰期明顯較短,通常替格瑞洛1天需要服用2次,而氯吡格雷只需1天1次,所以延緩替格瑞洛的體內代謝正是目前主要攻克目標之一。2020年,車金鑫等[23]為解決替格瑞洛半衰期短的問題,設計并合成了氘代替格瑞洛,且通過試驗表明氘代化減緩了藥物的代謝速率且改善了藥物的藥代動力學特性。具體合成路線如下(圖6):首先氘代乙二醇(38)和芐溴反應,生成化合物(39);39在四溴化碳和三苯基膦的作用下,得到溴化產(chǎn)物(40);40和氨基醇衍生物(41)發(fā)生親核取代反應,得到化合物(42);42在鈀碳催化下發(fā)生氫化脫芐反應,得到氘代氨基醇衍生物(43);化合物43和4,6-二氯-5-氨基嘧啶化合物(44)發(fā)生親核取代反應,得到化合物(45);45在Na2NO2和醋酸的作用下發(fā)生重氮化反應,得到氘代三氮唑嘧啶(46);最后46和(1R,2S)-2-(3,4-二氟苯基)環(huán)丙胺(47)發(fā)生親核取代反應,得到氘代替格瑞洛。根據(jù)氘代取代基的不同,分別可以得到替格瑞洛-d4化合物(48),替格瑞洛-d5化合物(49)和替格瑞洛-d11化合物(50)。

3.3 沃拉帕沙

沃拉帕沙(vorapaxar)是在一種從木蘭科植物Galbulimimabaccata樹皮中提取分離的生物堿喜巴辛的基礎上修飾研發(fā)而成的藥物,具有抑制凝血酶受體的藥理作用,通常用于心臟病發(fā)作或動脈堵塞的患者,以降低心臟病進一步發(fā)作、中風等死亡危險。2018年,張寅生等[24]為滿足臨床樣品檢驗分析的需要,直接以沃拉帕沙(51)為原料,通過在高溫加熱與氘代濃硫酸進行氫氘交換反應,合成了氘代沃拉帕沙(52),如圖7所示。

圖7 氘代沃拉帕沙的合成路線

3.4 洛沙坦

洛沙坦(LosartanPotassium)是第1個上市的非肽類血管緊張素Ⅱ受體拮抗劑。洛沙坦不僅能夠有效的拮抗血管緊張素Ⅱ的受體,從而有效控制血壓,還能夠延緩慢性腎臟病的惡化,而且其不良反應發(fā)生率也比較低。洛沙坦于1994年首次上市,目前已在90多個國家被批準使用,用于治療高血壓。為了研究洛沙坦及其類似物的藥理及藥代動力學,陳禮勤課題組[25]在2012年成功合成了氘代洛沙坦,具體合成路線如下(圖8):首先四氘代-4-溴甲苯(53)和1-(2-甲氧基苯基)噁唑啉(54)發(fā)生格氏反應得到氘代化合物(55);55于三氯氧磷中回流得到噁唑啉水解產(chǎn)物(56);56和NBS反應得到溴代化合物(57);57和咪唑衍生物(58)發(fā)生親核取代反應得到化合物(59);59與疊氮化鈉在三乙胺作用下發(fā)生反應環(huán)化,得到四氮唑產(chǎn)物(60);最后60用高錳酸四丁基銨氧化得到氘代洛沙坦(61)。

圖8 氘代洛沙坦的合成路線

3.5 利伐沙班

利伐沙班(Rivaroxaban)作為一種Xa因子活性位點的選擇性阻斷劑,是一種新型的抗凝藥物,主要用于下肢深靜脈血栓、肺栓塞以及非瓣膜病的房顫的抗凝治療,且目前副作用較小。但目前測量利伐沙班血藥濃度的內標物與利伐沙班之間仍存在差異,因此在分析鑒定時仍需要更合適的內標來輔助鑒定。吳小艾課題組[26]選擇以苯胺-d5為原料,經(jīng)過縮合、環(huán)化、硝化、還原、取代和?；确磻铣闪穗ド嘲?。具體合成路線如下(圖9):首先五氘代苯胺(62)和2-溴乙醇發(fā)生親核取代反應得到化合物(63);63和氯乙酰氯發(fā)生?；磻玫交衔?64);64在堿的作用下發(fā)生分子內親核取代環(huán)化反應得到化合物(65);65在強酸的作用下發(fā)生硝化反應得到苯環(huán)上硝化產(chǎn)物(66);66上的硝基用鐵粉還原得到化合物(67);67和(R)-環(huán)氧乙烷衍生物發(fā)生親核開環(huán)反應得到化合物(68);68用羰基二咪唑(CDI)關環(huán)得到噁唑酮衍生物(69);69用三氟醋酸脫去叔丁氧羰基(Boc)得到化合物(70);最后70和5-氯-2-噻吩酰氯發(fā)生酰胺化反應得到目前產(chǎn)物氘代利伐沙班(71)。

圖9 氘代利伐沙班的合成路線

鹽酸美西律(MexiletineHydrochloride)又叫做慢心律,實際上是一類鈉通道抗心律失常的阻斷劑,主要用于治療室性早搏,對于室性早搏能起到一定的抑制作用。如果室性早搏是勞累或者其它應激因素造成,鹽酸美西律可以對癥進行治療,但不宜長期使用,長期使用反而會有促心律失常,甚至有降低心功能和影響心功能的副作用。2021年,Cashman課題組[27]在鹽酸美西律的基礎上,設計合成了多種氘代鹽酸美西律衍生物,并通過細胞實驗表明氘代鹽酸美西律衍生物不會改變分子的心血管特性,同時可以延長心臟動作電位。具體合成路線如下(圖10):化合物(72)中的羰基用氘代硼氫化鈉還原得到相應的氘代醇化合物(73);73通過光延反應得到化合物(74);74用水合肼脫去鄰苯酰亞胺保護基得到相應的胺(75),最后成鹽得到氘代鹽酸美西律衍生物(76～79)。

圖10 氘代鹽酸美西律衍生物的合成路線

氘代化合物目前已經(jīng)廣泛應用于生命科學、環(huán)境科學、農藥殘余檢測和污染物跟蹤等領域,在醫(yī)藥領域的應用也引起廣泛的關注。將氘代技術應用于心腦血管疾病,得到抗心腦血管疾病氘代藥物,對于研發(fā)新型的抗心腦血管疾病藥物具有重要的學術意義和應用前景。然而目前合成氘標記的抗心腦血管病藥物非常有限,且合成步驟冗長、成本高,極大阻礙了其商品化的進程。因此,一方面發(fā)展可商業(yè)化的氘代試劑,減少化學合成步驟,優(yōu)化合成工藝,從而高效合成抗心腦血管疾病氘代藥物;另外一方面,發(fā)展新型催化體系,能夠在原來藥物的基礎上精準氘代化,無疑是發(fā)展合成抗心腦血管疾病氘代藥物的最優(yōu)方法,這也必將推到氘代藥物的快速發(fā)展。