彭 程,馬云川,陳蕭蕭,李桂霞,李石磊,張淑婷,賀 勇,齊傳民

(1.首都醫(yī)科大學(xué) 宣武醫(yī)院 PET中心,北京 100053;2.教育部放射性藥物化學(xué)重點實驗室,北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院,北京 100875)

正電子發(fā)射斷層顯像(PET)是近年來迅速發(fā)展起來的一種核醫(yī)學(xué)診斷技術(shù),所用放射性核素18F具有相對較長的半衰期(t1/2=110 min),有較充足的藥物標記和顯像時間。18F標記的顯像劑由于具有診斷率高、特異性強、評價療效好的優(yōu)點,越來越受到重視,成指數(shù)倍增長[1-4],FET就是最常用的腫瘤診斷藥物之一。因標記成功與否對放射性藥物的制備至關(guān)重要,因此18F標記方法的研究成為當前放射性藥物研究的熱點之一[5-6]。目前大多數(shù)18F標記中采用冠醚(如 K ryptofix 2.2.2,K 2.2.2)絡(luò)合金屬離子,裸露18F-,同時起到相轉(zhuǎn)移催化劑作用,但K2.2.2不僅價格昂貴,且對某些反應(yīng)催化效果有限。杯芳烴(Calixarene)是由酚單體通過亞甲基在酚羥基鄰位連接而成的大環(huán)化合物,是繼冠醚和環(huán)糊精之后的第3代主體分子[7-8]。它由苯環(huán)單元通過碳原子連接而成,其疏水性強弱和空穴大小可以通過化學(xué)合成進行調(diào)節(jié),能配合識別離子型客體,熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性好,因此杯芳烴廣泛用作氟化反應(yīng)的相轉(zhuǎn)移催化劑,具有顯著的催化效果[8-10]。但物理性質(zhì)多樣性的杯芳烴僅在19F-取代反應(yīng)中有報道,還未見到有關(guān)在18F標記中采用杯芳烴作為絡(luò)合金屬離子配體及其相轉(zhuǎn)移催化劑研究的相關(guān)報道。

本工作擬參考文獻[11]合成對(對甲苯磺酸酯)乙基苯甲酰(BOC)氨基酸酯,并以其為活潑前體,分別以自行合成的兩種杯[6]芳烴(對磺酸基杯[6]芳烴和對叔丁基杯[6]芳烴)為催化劑研究催化活潑前體的19F取代反應(yīng)和18F標記活性,合成 O-(2-氟乙基)-L-酪氨酸甲酯(18FFET),研究這兩種杯[6]芳烴作為18F標記反應(yīng)催化劑的可行性。

1 主要試劑和儀器

1.1 試劑

H218O:豐度 95%,美國 Isotec公司產(chǎn)品;18F-:RDSⅢ回旋加速器制備,德國西門子公司產(chǎn)品;三氟乙酸(TFA):德國Merck公司產(chǎn)品;氫氧化鈉、碳酸鉀、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈、二甲基亞砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等均為分析純或光譜純試劑,北京化工廠產(chǎn)品。所有化學(xué)試劑均未經(jīng)進一步純化。

1.2 儀器

RY-1型熔點測定儀:天津市分析儀器廠;Nicolet 360 Avatar紅外光譜儀:美國Nicolet公司;Bruker-500 MH z及Bruker-400 MHz共振儀:德國 Brucke公司;HP1100 HPLC-MSD型質(zhì)譜儀:美國惠普公司;Pekin-Elm er240-C元素分析儀:美國Perkin Elmer公司;WIZARD1470型γ計數(shù)器:美國PE公司;Grace A lltech高效液相色譜分析柱(5μm,250 mm×4.6mm):美國Perkin Elmer公司;A lltech高效液相分析儀:中國計量科學(xué)研究院。

2 實驗部分

18F-FET的合成路線[13]示于圖1。在圖1的合成路線中,中間體4與F-的取代反應(yīng)是關(guān)鍵步驟,該步反應(yīng)需要相轉(zhuǎn)移催化劑。目前一般都采用價格昂貴的氮雜冠醚K 2.2.2為相轉(zhuǎn)移催化劑,本工作將其更換為杯芳烴,希望得到更為廉價、高效的催化劑。

2.1 催化劑杯芳烴的合成

2.1.1 對磺酸基杯[6]芳烴鈉鹽的合成[12,13]

(1)在100 m L三口瓶中加入2.0 g(3.1 mm ol)對氫基杯[6]芳烴和15.4 m L 98%的濃硫酸,在攪拌的同時將混合物加熱至 100℃。反應(yīng)3 h后冷卻至室溫。(2)將所得黑色反應(yīng)液過濾,將濾餅溶于100 m L水中。向所得水溶液中加入碳酸鋇,調(diào)至中性,濾除硫酸鋇沉淀。(3)向濾液中加入碳酸鈉調(diào)溶液的pH為8～9。過濾除去碳酸鋇沉淀,將濾液用活性炭進行脫色。濾除活性炭后,蒸除濾液中的水,得到的白色粉末狀產(chǎn)品即為對磺酸基杯[6]芳烴的鈉鹽1.8 g(1.44mmol),收率70.1%。

2.1.2 對叔丁基杯[6]芳烴的合成[12,13]

圖1 18F-FET的合成路線

將5.0 g(33.3 mmo1)對叔丁基苯酚、6.8m L(90 mmol)37%的甲醛溶液和0.755 g(12.5 mmol)粒狀氫氧化鉀的水溶液依次加入裝有通氮氣裝置、攪拌器、分水器、冷凝管的100 m L四口瓶中,攪拌加熱,通氮氣升溫至130℃,保持2 h,分水操作。加入50 m L二甲苯,加熱回流3.5 h后將混合液冷卻至室溫,過濾,用二甲苯洗滌,得到5.9 g無色固體,加入120 m L氯仿和40 m L(0.1 m ol/L)鹽酸溶液,分出有機相,用MgSO4干燥,過濾,濾液濃縮至100 m L,沸騰下加入100 m L熱的丙酮溶液,冷卻,過濾得到白色粉末狀對叔丁基杯[6]芳烴4.7 g,收率 86%(文獻[13]值:83%)。

2.2 O-(2-[19 F]氟乙基)-L-酪氨酸(19 F-FET)(6)的合成

2.2.1 N-叔丁氧羰基-(O-2-氟乙基)-L-酪氨酸甲酯(5)的制備

將1mmol杯芳烴溶解到1.5m L無水乙腈中,加入1 mmol KF,氮氣氣氛中加熱攪拌,不斷通入氮氣使乙腈蒸干,再加入1m L乙腈重復(fù)上述操作兩次,加入0.7 mmol化合物4的8m L無水二甲基亞砜(DMSO)溶液,攪拌下加熱160℃反應(yīng)5 h。TLC檢測反應(yīng),待反應(yīng)基本完全后,減壓蒸餾除去DMSO,經(jīng)硅膠柱層析純化(淋洗液為V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶1的混合液)得到白色固體。

2.2.2 O-(2-[19F]氟乙基)-L-酪氨酸(19FFET)(6)的合成

向含有80 mg化合物5的2m L二氯甲烷溶液中加入2m L三氟乙酸,室溫下攪拌5 m in,之后連續(xù)通入氮氣將溶液吹干,向殘留物中加入2m L甲醇和1 m L 0.5 mol/L的氫氧化鈉水溶液,80℃下攪拌反應(yīng)10 min,用0.5 mo l/L的鹽酸溶液中和反應(yīng)液,調(diào)節(jié)pH,直至析出白色沉淀。濾出沉淀,干燥,得到白色固體。用HPLC分析產(chǎn)物。

2.3 O-(2-[18F]氟乙基)-L-酪氨酸(18F-FET)的制備

將30 mg相應(yīng)的杯芳烴和3mg K 2 CO3分別溶解在1 m L乙腈和0.5 m L水中,并配成混合液,淋洗捕獲18F-的QMA柱子,將18F-沖洗到反應(yīng)瓶中,測定活度;向反應(yīng)瓶中不斷吹入N2,加入1 m L無水CH3CN,120℃油浴下共沸除去H 2O,重復(fù)3次,以確定H2 O被完全除去。將3m g標記前體(化合物4)溶于DMF中,迅速轉(zhuǎn)移至反應(yīng)瓶中,在160℃下反應(yīng)30～55min。反應(yīng)液冷卻后,加入 10 m L水稀釋,通過Sep-Pak C18柱,濾液收集到1號瓶(主要是沒有參與反應(yīng)的18F-)中。再用10m L H2 O洗滌柱子,濾液收集到2號瓶(確保將沒有參與反應(yīng)的18F-徹底淋洗干凈)中,氮氣吹干Sep-Pak C18柱。此后,用2m LCH3 CN洗脫C18柱,收集產(chǎn)品濾液到3號瓶中。分別測量1、2、3號反應(yīng)瓶的放射性活度,計算標記產(chǎn)率。用HPLC分離粗產(chǎn)品。HPLC分析條件:流速為5 m L/m in,流動相為V(乙腈)∶V(水)=70∶30。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)鑒定

3.1.1 催化劑杯芳烴的結(jié)構(gòu)鑒定

1)對磺酸基杯[6]芳烴鈉鹽的結(jié)構(gòu)鑒定

產(chǎn)品熔點大于320℃。IR(KBr,cm-1):ν 3 440、1 176 、1 043、840;文獻[12]值為 IR(KBr,cm-1):ν3 440 、1 160 和 1 040 cm-1。1HNMR(D2O,400 MH z):δ4.15(s,12H,6CH 2)、7.56(s,12H);文 獻[12]值 為1HNMR(D2O,400 MHz):δ4.32(s,12H,6CH 2)、7.84(s,12H)。

2)對叔丁基杯[6]芳烴的結(jié)構(gòu)鑒定

產(chǎn)品熔點:374～377℃;(文獻[13]值:375～378 ℃)。1HNMR(CDCl3,300 MHz,):δ1.25(m,54H,CH3)、3.90(s,12H,CH 2)、7.25(s,12H,Ph—H)、10.53(m,6H,OH)。

3.1.2 O-(2-[19F]氟乙基)-L-酪氨酸(19FFET)(6)的結(jié)構(gòu)鑒定

1)N-叔丁氧羰基-(O-2-氟乙基)-L-酪氨酸甲酯(5)的結(jié)構(gòu)鑒定

1HNMR(400 MHz,DMSO):δ7.22(d,J=8.0 Hz,1H,NH)、7.13(d,J=8.4 Hz,2H,A r—H)、6.86(d,J=8.4 Hz,2H,A r—H)、4.70(dt,J=47.8 Hz,3.7 Hz,2H,—CH2CH2F)、4.17(dt,J=30.2 Hz,3.8 Hz,2H,—CH2CH2F)、4.10(d,J=4.7 Hz,1H,—CH—)、3.59(s,3H,—OCH3)、2.90(dd,J=13.8 Hz,5.2 Hz,1H,A r—CH —H —)、2.77(dd,J=13.6 Hz,10.0 Hz,1H,A r—CH —H —)、1.32(s,9H,—OC(CH 33)。

2)19F-FET的結(jié)構(gòu)鑒定

HPLC分析條件:流速為5 m L/min,流動相為 V(乙腈)∶V(水)=70∶30。19F-FET 的HPLC譜圖示于圖2。由圖2可見HPLC峰出時間 2.28 min,純度 ＞99%;1HNMR(500 MHz,DMSO):δ8.56(s,2H,—NH2)、7.22(d,J=8.6 Hz,2H,A r—H)、6.92(d,J=8.6 Hz,2H,A r—H)、4.73(d,J=47.8 Hz,3.7 Hz,2H,F —CH2—)、4.21(dt,J=30.3 Hz,3.7 Hz,2H,F—CH2—CH2—)、4.06(d,J=5.5 Hz,1H,NH2—CH —COOH)、3.11(d,J=6.2 Hz,2H,A r—CH2—)。

3.1.318F-FET的結(jié)構(gòu)鑒定

HPLC分析條件:流速為5 m L/m in,流動相為 V(乙腈)∶V(水)=70∶30。18F-FET 的HPLC譜圖示于圖2。由圖2可知,18F-FET的出峰時間2.67 m in與19F-FET的出峰時間2.28min相吻合(在儀器允許誤差范圍內(nèi)),放化產(chǎn)率約為11%(未經(jīng)衰變校正);HPLC測得放化純度＞99%。

3.2 杯[6]芳烴對FET前體的氟化催化反應(yīng)的影響因素

3.2.1 杯芳烴作用機理

使用相轉(zhuǎn)移催化劑(PTC)能很好地提高F-在有機溶劑中的濃度,從而提高反應(yīng)的收率,這是因為杯芳烴能和K+配合成為有機陽離子進入有機溶劑的同時也將F-帶入有機溶劑中,這種配合作用的結(jié)果:一是促進KF的電離,使F-游離出來,增加親核活性,易于進攻前體中與磺酸酯基相連的碳原子,發(fā)生取代反應(yīng);二是在有機陽離子進入有機溶劑時,會將部分F-帶入有機相中,從而與溶解在溶劑中的反應(yīng)物(前體)接觸,發(fā)生親核取代反應(yīng)。相轉(zhuǎn)移催化劑與KF的結(jié)合方式示于圖3。

由于KF是無機鹽,幾乎不溶于有機溶劑,而反應(yīng)中間體4易溶于有機溶劑而不溶于水,故反應(yīng)物不能很好接觸,導(dǎo)致反應(yīng)速度慢,反應(yīng)效率低,即使采用非質(zhì)子極性溶劑,增加KF的溶解性,效果仍不理想。因此上述相轉(zhuǎn)移催化劑的使用是必要的。

圖2 19 F-FET和18F-FET的HPLC

圖3 相轉(zhuǎn)移催化劑杯[6]芳烴、K rypto fix 2.2.2與K+的絡(luò)合方式

實驗證明,在任何溫度下使用對叔丁基杯[6]芳烴作為催化劑都沒有對FET前體顯示出氟代催化作用,它參與的18F標記中沒有產(chǎn)物生成,證明沒有催化作用。而對磺酸基杯[6]芳烴不僅在催化19F取代反應(yīng)中有催化作用(盡管收率不高),而且在催化FET前體18F標記中是有一定效果(但與K 2.2.2相比效果要差得多)。兩種杯芳烴的催化效果的差異原因可能是兩種杯[6]芳烴對K+的作用方式不同、極性不同、絡(luò)合能力不同等所致催化能力有本質(zhì)上的差異。而對位磺酸基的引入使得杯芳烴的極性大幅增強(極性接近冠醚),有助于杯芳烴分子與極性溶劑分子相互作用,增加溶劑和催化劑間的轉(zhuǎn)移效果,增大溶劑效應(yīng)。同時6個磺酸基負離子能夠直接與K+絡(luò)合,這種絡(luò)合作用帶來的影響甚至?xí)笥?個羥基與K+的絡(luò)合作用,因此6個磺酸基負離子能夠直接與K+絡(luò)合也可能對催化劑的催化活性具有重要的貢獻。由于對叔丁基杯[6]芳烴在18F標記中沒有催化活性,因此沒有對它進一步研究。只研究了對磺酸基杯[6]芳烴作催化劑在18F標記反應(yīng)中的催化作用。

3.2.2 反應(yīng)溫度對催化的影響

氟代反應(yīng)活化能較高,而升高溫度是克服活化能最有效的方法,因此溫度對反應(yīng)的影響是顯著的。本實驗中反應(yīng)溫度對催化的影響結(jié)果列于表1。由表1可以看出,相轉(zhuǎn)移催化劑對叔丁基杯[6]芳烴和對磺酸基杯[6]芳烴在110℃下都沒有催化作用;在當溫度高到180℃時,催化劑對叔丁基杯[6]芳烴催化反應(yīng)液的HPLC顯示沒有氟代產(chǎn)物生成,它在催化18F標記中也沒有18F標記產(chǎn)物生成。而對磺酸基杯[6]芳烴催化19F取代反應(yīng)中要好得多,但收率也不高;在催化18F標記中也有一定效果(但與K2.2.2相比效果要差得多)。通常使用的PTC是季銨鹽,但是由于氟化反應(yīng)需要高溫,季銨鹽對高溫不穩(wěn)定,常發(fā)生很多副反應(yīng)。因此熱穩(wěn)定性好的杯芳烴與冠醚有更好的應(yīng)用前景。

表1結(jié)果表明,升高溫度對提高杯[6]芳烴的催化性能遠比其他相轉(zhuǎn)移催化劑重要,因為杯[6]芳烴與K 2.2.2相比含有6個苯環(huán),其非極性成分比K2.2.2要大得多,其剛性也大得多,隨著溫度的升高,分子的能量升高、自由能增大,相轉(zhuǎn)移催化性能增強,而杯芳烴自身與其他相轉(zhuǎn)移催化劑相比具有熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點[8]。因此加熱對杯芳烴的催化反應(yīng)是有利的。而它的反應(yīng)機理和與冠醚類化合物的反應(yīng)機理類似。與K2.2.2對K+的作用也逐漸接近,而到目前為止,K2.2.2對F-的催化作用仍是最強的。

3.2.3 其他因素對催化性能的影響

參考相關(guān)文獻[10]對杯芳烴催化劑性能的研究,考察了對磺酸基杯[6]芳烴用量對催化活性的影響,選擇對磺酸基杯[6]芳烴與原料的摩爾比為1∶1、5∶1和10∶1進行了探討,結(jié)果列于表1。表1結(jié)果顯示:對磺酸基杯[6]芳烴與原料的摩爾比為5∶1時,催化效果最好:在180℃下,反應(yīng)240m in,18F-FET的收率可達32%。

在對磺酸基杯[6]芳烴作催化劑的18F標記反應(yīng)中,溶劑的影響也很顯著。由表1可知,在極性很小的二甲苯中沒有反應(yīng),說明溶劑的溶劑化作用非常重要,非質(zhì)子極性溶劑對反應(yīng)更有利;沸點較低的溶劑無法在受熱時達到所需要的溫度,因此在乙腈等低沸點的極性溶劑中也不反應(yīng)。DMF和DMSO兩種溶劑沸點高、極性大,因此是上述反應(yīng)的最佳選擇。

反應(yīng)時間對磺酸基杯[6]芳烴催化氟化反應(yīng)的影響列于表1。由表1可知,在180℃反應(yīng)溫度和相同溶劑等條件下,反應(yīng)5 h基本達到平衡,反應(yīng)時間短,收率偏低,但延長反應(yīng)時間,收率并沒有進一步提高。18F的標記與普通氟的取代反應(yīng)有很大不同,主要是因為在18F標記反應(yīng)中,18F-用量很少,反應(yīng)時分子的接觸面積大,反應(yīng)速度快,因此反應(yīng)時間要短,一般在1 h內(nèi)就能完成。

表1 對磺酸基杯[6]芳烴對FET前體的氟化催化影響因素

4 結(jié) 論

1)對叔丁基杯[6]芳烴對FET的18F標記無催化活性,對磺酸基杯[6]芳烴鈉鹽對FET的18F標記有一定催化作用。

2)杯芳烴更適合在150～200℃的高溫下進行催化反應(yīng)。

本研究結(jié)果提示,通過改進杯芳烴的取代基、改變杯芳烴分子的性質(zhì)也許會找到有前景的18F標記相轉(zhuǎn)移催化劑。

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