文章信息
- 王 明,王民昌,赵小璟,苏鹏飞,潘 清,陈智群,李晓宇
- WANG Ming,WANG Min-chang,ZHAO Xiao-jing,SU Peng-fei,PAN Qing,CHEN Zhi-qun,LI Xiao-yu
- 阿糖胞苷HepDirect前药MB07133的波谱特征与晶体结构
- NMR Characteristics and Crystal Structure of Cytarabine HepDirect Prodrug MB07133
- 波谱学杂志, 2015, 32(3): 518-527
- Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2015, 32(3): 518-527
- http://dx.doi.org/10.11938/cjmr20150313
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文章历史
- 收稿日期:2014-08-27
- 收修改稿日期:2015-07-24
MB07133(化合物1)是一种新型的阿糖胞苷(araC)前体药物(CAS:685111-92-6),是阿糖胞苷(araC) 5'-单磷酸中间形式的一种HepDirect前药[1, 2],其基于肝靶向技术,使阿糖胞苷靶向浓集于肝脏,提高活性药物 的浓度,用于治疗肝细胞癌.作为新型有效的肝靶向肿瘤药物,该药在美国进行的I/II期研究显示[11, 12],可大幅降低阿糖胞苷给药的全身暴露,减少了血浆、骨髓及肝外组织的毒性,且对肝内肿瘤复发的控制率非常高,是目前最先进的抗肝癌药物之一,其化学结构如图 1所示.
国内外相关文献对MB07133临床和药理报道[2]较多,但对其波谱学特征和晶体结构的研究尚未见详细报道.本文对MB07133的氢谱、碳谱、氢-氢相关谱(1H-1H COSY)、碳氢相关谱(HSQC)、碳氢远程相关谱(HMBC)[13, 14]进行了详细报道,讨论了该化合物的1H NMR和13C NMR谱的特征,并对所有的1H NMR和13C NMR谱峰信号进行了准确归属.同时还用X-射线单晶衍射仪测定了单晶的晶体结构,得到了详细的晶胞参数和相关数据,验证了MB07133化学结构的正确性.同时探讨了其特殊的分子结构与药物特性的关系.上述工 作对该药物的定性和纯度分析提供重要科学依据,并对该类产品的进一步研究和应用具有一定的指导意义.
1 实验部分 1.1 仪器与试剂所有NMR实验均在Bruker AV500型超导核磁共振仪上测定,采用正向检测探头(BBFO多核宽带探头),Φ5 mm NMR样品管,氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)为溶剂,1H、13C NMR以TMS为内标(d 0),测试温度为25 ℃.1H NMR 观测频率为500.13 MHz,13C NMR为125.77 MHz,谱宽分别为10 000.00 Hz和30 303.03 Hz.二维谱包括2D梯度场1H-1H COSY、HSQC、HMBC谱,均采用标准脉冲程序.1H-1H COSY的F2 (1H)和F1 (1H)维的谱宽均为7 702.18 Hz,采样数据点阵t2 × t1 = 1 024×512;HSQC与HMBC的F2 (1H)和F1 (13C)维的谱宽分别为7 702.18 Hz和30 185.18 Hz,采样数据点阵t2 ×t1 = 1 024×512;单晶实验在Burker SMART APEX II型单晶衍射仪上测定.
1.2 样品MB07133样品,色谱纯度>99%,由西安新通药物研究有限公司提供;氘代二甲基亚砜(DMSO-d6),光谱纯,美国CIL公司.
2 结果与讨论 2.1 化合物1的NMR分析化合物1的1H NMR图谱中,设定峰d 8.61 (d,5.90 Hz)的积分值为2,则从图谱可得:图谱总积分值为21,这与预定分子结构中的H原子数目21相符.1H NMR图谱中,最容易辨认的为d 8.61 (d,5.90 Hz,2H)与d 7.43 (d,5.90 Hz,2H)为H-16,17,19,20的芳环(CH)信号,其偶合常数5.90 Hz为典型吡啶氢偶合常数,依据吡啶氮邻位氢化学位移大于间位的规律,归属d 8.61为H-17/19,d 7.43为H-16/20.而d 7.54 (d,7.45 Hz,1H)与d 5.60 (d,7.45 Hz,1H)处为H-25,26芳环(CH)信号,其偶合常数7.45 Hz也为典型氮杂芳环偶合常数,依据氮邻位氢化学位移大于间位规律,归属d 7.54为H-26,d 5.60为H-25.6.90~d 7.30 (b,2H)与d 5.62~d 5.68 (m,2H)则为活泼氢,结合结构可知其为氨基(NH2)与羟基(OH)基团.烷基区由于磷原子的影响及立体结构所致,出现复杂裂分,且CH2上原子均不对称.较易分析的谱峰为两个CH,d 6.12 (d,J = 3.70 Hz,1H)为H-11,仅受H-12裂分呈双峰,受氧原子影响出现在较低场;d 5.77 (1H,dt,10.78,2.81)为H-3,最大裂距达10.78 Hz,大于烷基典型邻位氢的偶合7 Hz,显然受磷原子裂分所致,该峰被H-4a与H-4b裂分为三重峰.其余烷基信号需要借助二维谱做具体归属.
目标化合物分子的碳原子数为17,其中C-17与C-19,C-16与C-20为对称结构,2个信号重合,所以分子中有15种碳原子,而13C NMR图谱显示有21个峰,与15种碳原子数不符合,这是因为分子中有信号裂分,与磷原子间隔较小的6个碳原子(C-3,C-4,C-5,C-8,C-9,C-15)被磷原子裂分为双峰,裂距在4~8 Hz,明显为远程偶合,裂分的双峰使13C NMR图谱中信号恰好多出6个,显示有21个峰.DEPT135图谱(CH3,CH正向,CH2反向,季碳不出峰)与DEPT90图谱(只出CH峰)结合可得到分子中应有3种亚甲基(CH2)信号:d 32.16 (d,7.16 Hz),67.26 (d,5.57 Hz),67.78 (d,6.31 Hz);应有11个CH,其中两个重合,显示有9个次甲基(CH):d 78.37 (d,4.82 Hz),82.40 (d,6.92 Hz),86.40,74.21,76.31,120.3,150.0,92.52,142.8;应有3种季碳:d 147.9 (d,7.75 Hz),155.1,165.6,符合预定结构式.从结构分析,季碳裂分的只可能是C-15,故d 147.9 (d,7.75 Hz)为C-15,未裂分的季碳C-24受氨基作用位移应大于C-22,故可归属d 155.1为C-22,d 165.6为C-24;而次甲基裂分的只可能为C-3与C-9,从化学位移分析,C-9应大于C-3,故d 82.40 (d,6.92 Hz)为C-9,d 78.37 (d,4.82 Hz)为C-3.另外,d 120.3,d 150.0信号明显较强,从化学位移判断分别应为对称结构中的C-16/20,C-17/19(受N影响而出现在低场),同样d 92.52与d 142.8则为C-25与C-26.其余CH信号较为容易指认的是d 86.40,同时受氧与氮的影响出在较低场,故可归属为C-11.3个亚甲基中C-4 (d 32.16),为典型烷基亚甲基,出现在最高场.其余信号可从下文的2D NMR谱图中解决.
在COSY谱(图 2)中可以提供化合物上两键或三键质子间的相关峰,将直接相邻的1H信号关联起来.从图中可以看出,d 6.12 (d,3.70 Hz,H-11)仅与3.98~4.03 (m,1H)有偶合,推断后者为H-12;而H-12还与3.88~3.93 (m,1H)相关,证实后者为H-13;依次可找到H-9为d 3.96 (1H,m),H-8为d 4.29 (1H,m)和4.31 (1H,m)的信号.与此类似,从H-3 (d 5.77)出发,可依次找到H-4 (2.10~2.30,m),H-5 (4.40~4.60,m).从COSY图中可以观测到H-13,H-12与d 5.62~5.68活泼氢有相关信号,证实该活泼氢信号为OH,在二甲基亚砜中由于慢交换谱峰较为显著,两个羟基(OH)位移应不同,但较为接近重合于d 5.63而难以准确指认.另一组活泼氢d 6.90~d 7.30 (b,2H)为NH2,由于常温下环上单键位阻较大,氨基(NH2)两个氢不等价而显示有2个信号,d 7.13 (1H,brs)与d 7.07 (1H,brs).
1H-13C HSQC谱(图 3)它的交叉峰主要来源于质子连接于碳的一键相关,可以将直接相连的氢与碳信号关联起来,归属结构中的连氢碳的1H NMR和13C NMR信号,为确证其结构提供了进一步的证据.从图中可以看出d 6.90~d 7.30 (b,2H)与d 5.62~5.66 (m,2H)无相关碳信号,进一步证实其为活泼氢.由氢信号的归属,通过HSQC谱使得相应的碳信号归属明确.另外,从图 3中可知,亚甲基H均为不对称,每一个碳对应两个位置的H谱峰,分别将化学位移值小与大的原子记为a与b,其中H-8的偏移不大,而H-4与H-5均明显为2簇峰,从相关信号上可得到氢谱复杂裂分中心信号即为该氢原子化学位移值,如H-4a与H-4b分别为2.24 (1H,m)与2.17 (1H,m),从而将所有连氢碳数据列于表 1中.采用HMBC谱(图 4)可归属季碳信号,并验证结构片段.d 155.1与H-26相关,同时还与H-11有较弱的远程相关信号,证实其为C-22,而d 165.6只与H-25,H-26相关,证实其为C-24.图 4中d 147.9 (C-15)与H-17/19相关,同时还与H-3有相关信号,与分子结构一致;同理还可以找到结构中其他相应的片断,证实了化合物1结构的正确性.
至此,确证了化合物的结构,对化合物1的NMR谱图进行了全归属,其1H、13C NMR化学位移及相关原子间偶合常数列于表 1.且从表 1可知,化合物1碳谱中,C-4,C-9的裂分大于C-3,C-5,C-8,即磷酸酯结构中碳与磷的偶合存在以下关系:3JP-C > 2JP-C.该特征可作为该类化合物归属碳信号的依据之一.
Position | dC (JC-P/Hz) | dH (J/Hz) | HSQC | 1H -1H COSY | HMBC |
3 | 78.37(d,4.82) | 5.77 (1H,dt,10.78,2.81) | + | H-4a,H-4b | H-16/20,H-4a,H-5a, H-5b,H-17/19 |
4 | 32.16(d,7.16) | 2.24 (1H,m,H-4b); 2.17 (1H,m,H-4a) | + | H-3,H-4b,H-5b; H-3,H-5a,H-4a | H-3 |
5 | 67.26(d,5.57) | 4.57 (1H,m,H-5b); 4.45 (1H,m,H-5a) | + | H-5b,H-4a,H-4b; H-5a, H-4a,H-4b | H-3,H-4a |
8 | 67.78(d,6.31) | 4.31(1H,m,H-8b)), 4.29(1H,m,H-8a) | + | H-9 | H-13 |
9 | 82.40(d,6.92) | 3.96(1H,m) | + | H-8,H-13 | H-8,H-13-OH |
11 | 86.40 | 6.12 (1H,d,3.70) | + | H-12 | H-26,H-13,H-12-OH |
12 | 74.21 | 4.00(1H,m) | + | H-11,H-12-OH | H-12-OH,H-11 H-13 |
13 | 76.31 | 3.91(1H,m) | + | H-12,H-13-OH | H-9,H-13-OH |
15 | 147.9(d,7.75) | / | / | / | H-3,H-17/19, |
16/20 | 120.3 | 7.43(1H,d,5.90) | + | H-17/19 | H-3,H-17/19, |
17/19 | 150.0 | 8.61(1H,d,5.90) | + | H-16/20 | H-16/20 |
22 | 155.1 | / | / | / | H-26 |
24 | 165.6 | / | / | / | H-26,H-25 |
25 | 92.52 | 5.60(1H,d,7.45) | + | H-26 | H-26 |
26 | 142.8 | 7.54(1H,d,7.45) | + | H-25 | H-11,H-25 |
12-OH | / | 5.63(1H,m) | / | H-12 | / |
13-OH | / | 5.63(1H,m) | / | H-13 | / |
24-NH2 | / | 7.13(1H,brs),7.07(1H,brs) | / | / | / |
*:信号较弱. |
X-射线单晶衍射分析表明,标题化合物属斜方晶系,空间群为P2(1)2(1)2(1),晶胞参数为:a = 10.846(3) nm,b = 12.857(4) nm,c = 14.008(4) nm;V = 1 953.5(9) nm3,Z = 4,Dc = 1.497 g/cm3,F(000) = 920,m = 0.196 mm-1.化合物的晶体学数据列于表 2,晶体结构见图 5.
List | Information |
Formula weight | 440.35 |
Empirical formula | C(17) H(21) N(4) O(8) P |
Crystal size(mm) | 0.28×0.23×0.18 |
Crystal system | Orthorhombic |
a/(nm) | 10.846(3) |
b/(nm) | 12.857(4) |
c/(nm) | 14.008(4) |
α/(°) | 90 |
β/(°) | 90 |
γ/(°) | 90 |
V/nm3 | 1953.5(9) |
Space group | P2(1)2(1)2(1) |
Z | 4 |
Calculated density/(g·cm-3) | 1.497 |
Absorption coefficient/(mm-1) | 0.196 |
F(000) | 920 |
Temperature/ K | 296(2) |
Theta range for data collection (°) | 2.15~28.32 |
Limiting indices | -13<=h<=13,-7<=k<=17,-18<=l<=18 |
Reflections collected / unique | 12130 / 4741 [R(int) = 0.0265] |
Final R indices [I>2sigma(I)] | R1 = 0.0357,wR2 = 0.0784 |
R indices (all data) | R1 = 0.0497,wR2 = 0.0845 |
由图 5可知,由C(14),C(15),C(16),C(17),N(2),N(3)组成的六元环和由C(10),C(11),C(12),C(13),O(5)组成的五元环及环上官能团共同组成了阿糖胞苷(araC)结构单元,其键长、键角数据(表 3)与理论数据吻合,证明了araC结构单元的正确性. 而C(1),C(2),C(3),C(4),C(5),N(1)在同一平面组成了吡啶环结构,与其相联的是由C(6),C(7),C(8),P(1),O(1),O(2)组成的六元环.此六元环非同一平面,根据相关扭转角数据(表 4),其接近椅形结构.两个六元环组成了芳基环状磷酸酯结构,其空间位阻较小,相对稳定,保证了药物进入人体后在血液和非肝脏组织中的稳定性.而药物到达肝脏后,经过肝脏内特有的CYP3A酶[15, 16]活化生成阿糖胞苷三磷酸酯(araCTP)[1],从而直接作用于肝脏病灶,大大减少了araCTP在其他组织的暴露,减少了副作用[2].上述的芳基环状磷酸酯化学结构单元是标题化合物实现肝靶向的关键.
Bond | Bond length | Bond | Bond length | Bond | Bond length |
P(1)-O(4) | 1.5479(15) | C(7)-C(8) | 1.504(3) | C(13)-O(5) | 1.414(2) |
P(1)-O(2) | 1.5580(15) | C(8)-O(2) | 1.452(3) | C(13)-N(3) | 1.472(2) |
P(1)-O(1) | 1.5654(14) | C(9)-O(4) | 1.452(2) | C(14)-C(15) | 1.332(3) |
C(1)-N(1) | 1.324(3) | C(9)-C(10) | 1.497(3) | C(14)-N(3) | 1.362(2) |
C(1)-C(2) | 1.371(3) | C(10)-O(5) | 1.438(2) | C(15)-C(16) | 1.422(3) |
C(2)-C(3) | 1.380(3) | C(10)-C(11) | 1.521(3) | C(16)-N(4) | 1.325(3) |
C(3)-C(6) | 1.502(3) | C(11)-O(7) | 1.413(2) | C(16)-N(2) | 1.331(3) |
C(4)-C(5) | 1.381(3) | C(11)-C(12) | 1.512(3) | C(17)-O(8) | 1.241(2) |
C(6)-O(1) | 1.466(3) | C(12)-O(6) | 1.395(3) | C(17)-N(2) | 1.349(2) |
C(6)-C(7) | 1.509(3) | C(12)-C(13) | 1.540(3) | C(17)-N(3) | 1.400(2) |
Bond | Bond angle | Bond | Bond angle | Bond | Bond angle |
O(3)-P(1)-O(4) | 109.61(8) | C(8)-C(7)-C(6) | 112.55(19) | C(14)-C(15)-C(16) | 116.80(17) |
O(3)-P(1)-O(2) | 116.28(9) | O(2)-C(8)-C(7) | 110.85(18) | N(4)-C(16)-N(2) | 118.50(19) |
O(4)-P(1)-O(2) | 105.91(9) | O(4)-C(9)-C(10) | 109.37(16) | N(4)-C(16)-C(15) | 119.43(18) |
O(3)-P(1)-O(1) | 114.16(9) | O(5)-C(10)-C(9) | 109.06(15) | N(2)-C(16)-C(15) | 122.07(18) |
O(4)-P(1)-O(1) | 104.43(8) | O(5)-C(10)-C(11) | 104.84(15) | O(8)-C(17)-N(2) | 122.51(17) |
O(2)-P(1)-O(1) | 105.50(8) | C(9)-C(10)-C(11) | 117.49(17) | O(8)-C(17)-N(3) | 118.55(17) |
N(1)-C(1)-C(2) | 123.8(2) | O(7)-C(11)-C(12) | 115.20(15) | N(2)-C(17)-N(3) | 118.94(16) |
C(1)-C(2)-C(3) | 119.2(2) | O(7)-C(11)-C(10) | 114.29(16) | C(6)-O(1)-P(1) | 121.95(13) |
C(4)-C(3)-C(2) | 117.73(19) | C(12)-C(11)-C(10) | 101.76(16) | C(8)-O(2)-P(1) | 119.77(15) |
C(4)-C(3)-C(6) | 121.20(18) | O(6)-C(12)-C(11) | 116.81(19) | C(9)-O(4)-P(1) | 124.81(13) |
C(2)-C(3)-C(6) | 121.07(18) | O(6)-C(12)-C(13) | 110.25(16) | C(13)-O(5)-C(10) | 110.51(14) |
C(3)-C(4)-C(5) | 118.9(2) | C(11)-C(12)-C(13) | 103.11(15) | C(1)-N(1)-C(5) | 116.81(19) |
N(1)-C(5)-C(4) | 123.6(2) | O(5)-C(13)-N(3) | 110.38(15) | C(16)-N(2)-C(17) | 120.16(16) |
O(1)-C(6)-C(3) | 105.85(16) | O(5)-C(13)-C(12) | 106.27(15) | C(14)-N(3)-C(17) | 119.90(15) |
O(1)-C(6)-C(7) | 108.88(18) | N(3)-C(13)-C(12) | 111.28(15) | C(14)-N(3)-C(13) | 120.96(15) |
C(3)-C(6)-C(7) | 113.65(17) | C(15)-C(14)-N(3) | 121.91(17) | C(17)-N(3)-C(13) | 118.12(15) |
Bond | Torsion angles | Bond | Torsion angles |
C(4)-C(3)-C(6)-C(7) | -99.5(2) | C(7)-C(6)-O(1)-P(1) | 48.9(2) |
C(2)-C(3)-C(6)-C(7) | 80.7(3) | O(3)-P(1)-O(1)-C(6) | 89.74(16) |
C(4)-C(3)-C(6)-O(1) | 141.1(2) | O(4)-P(1)-O(1)-C(6) | -150.57(14) |
C(2)-C(3)-C(6)-O(1) | -38.7(2) | O(2)-P(1)-O(1)-C(6) | -39.16(17) |
O(1)-C(6)-C(7)-C(8) | -55.2(3) | C(7)-C(8)-O(2)-P(1) | -51.4(3) |
C(3)-C(6)-C(7)-C(8) | -172.88(19) | O(3)-P(1)-O(2)-C(8) | -88.13(18) |
C(6)-C(7)-C(8)-O(2) | 57.6(3) | O(4)-P(1)-O(2)-C(8) | 149.87(16) |
(1) 通过对MB07133化合物波谱学数据和晶体结构数据进行的详细测定和解析,验证了该化合物结构的正确性.
(2) MB07133结构中芳基环状磷酸酯单元的特殊结构,是该药物物实现肝靶向治疗的关键.
(3) 详细的波谱学数据和晶体结构数据为该药物的定性和纯度分析及进一步研究和应用提供了重要信息.
声明2015年第3期纸质版所刊登的“阿糖胞苷Hepdirect前药MB07133的波谱特征与晶体结构”一文中提到的MB07133药物样品为西安新通药物研究有限公司提供,此文的发表得到了该公司高中强、李旭等人的大力支持,在此表示衷心的感谢!
[1] | Boyer, Serge H, Sun Z L, et al. Gomez D arabinofuranoside monophosphate for the treatment of hepatocellular carcinoma[J]. J Med Chem, 2006, 49(26): 7 711-7 720. |
[2] | Hecker S J, Erion M D. Prodrugs of phosphates and phosphonates[J]. J Med Chem, 2008, 51: 2 328-2 345. |
[3] | MacKenna, Deidre A, Montag, et al. Delivery of high levels of anti-proliferative nucleoside triphosphates to CYP3A-expressing cells as a potential treatment for hepatocellular carcinoma[J]. Cancer Chemoth Pharm, 2009, 64(5): 981-991. |
[4] | Erion Mark D, Van Poelje, Paul D, et al. Liver-targeted drug delivery using HepDirect prodrugs[J]. J Pharm Exp Ther, 2005, 312(2): 554-560. |
[5] | Schultz C. Prodrugs of biologically active phosphate esters[J]. Bioorg Med Chem, 2003, 11: 885-898. |
[6] | Krise J P, Stella V J. Prodrugs of phosphates, phosphonates, and phosphinates[J]. Adv Drug Deliv-Rev, 1996, 19: 287-310. |
[7] | Sofia M J, Bao D, Chang W, et al. Discovery of a β-d-2'-deoxy-2'-α-fluoro-2'-β-C-methyluridine nucleotide prodrug(PSI-7977) for the treatment of hepatitis C virus[J]. J Med Chem, 2010, 53: 7 202-7 218. |
[8] | Dang Q, Kasibhatla S R, Jiang T, et al. Discovery of phosphonic diamide prodrugs and their use for the oral delivery of a series of fructose 1,6-bisphosphatase inhibitors[J]. J Med Chem, 2008, 51: 4 331-4 339. |
[9] | Siddiqui A Q, McGuigan C, Ballatore C, et al. Design and synthesis of lipophilic phosphoramidate d4T-MP prodrugs expressing high potency against HIV in cell culture: structural determinants for in vitro activity and QSAR[J]. J Med Chem, 1999, 42: 4 122-4 128. |
[10] | Zhu Z J, Chen H G, Goel O P, et al. Phosphate prodrugs of PD154075[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2000, 10: 1 121-1 124. |
[11] | Chen Yue(陈玥), Li Jian-feng(李剑峰), Wei Ya-bing(韦亚兵), et al. Spectral data deduced structure of new drug lomerizine dihydrochloride(新药盐酸洛美利嗪的波谱特征与结构确证)[J]. Chinese J Magn Reson(波谱学杂志), 2006, 23(3): 341-348. |
[12] | Zhang Pei-xuan(张佩璇), Li Jian-feng(李剑峰), Wei Ya-bing(韦亚兵), et al. NMR characterization and structural elucidation of fluorine derivative of tetrahydroberberine(氟代四氢小檗碱的波谱特征与结构解析)[J]. Chinese J Magn Reson(波谱学杂志), 2009, 26(1): 111-119. |
[13] | Erion M D, Reddy K R, Boyer S H, et al. Design, synthesis, and characterization of a series of cytochrome P450 3A-activated prodrugs (HepDirect prodrugs) useful for targeting phosph(on)ate-based drugs to the liver[J]. J Am Chem Soc, 2004, 126: 5 154-5 163. |
[14] | Moosavi-Movahedi A A, Hakimelahi S, Chamani J, et al. Design, synthesis, and anticancer activity of phosphonic acid diphosphate derivative of adenine-containing butenolide and its water-soluble derivatives of paclitaxel with high antitumor activity[J]. Bioorg Med Chem, 2003, 11: 4 303-4 313. |
[15] | Erion M D, Van Poelje, Mackenna D A, et al. L iver-targeted drug delivery us ing hepDirect prodrugs[J]. J Pharm Exp Ther, 2005, 312(2): 554-560. |
[16] | Boyer S H, Sun Z, Jiang H J, et al. Synthesis and characterization of a novel liver-targeted prodrug of cytosine-1-β-D-arabinofuranoside monophosphate for the treatment of hepatocellular carcinoma[J]. J Med Chem, 2006, 49(26): 7 711-7 720. |