二膦酸鹽類藥物合成范文

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【關鍵詞】二膦酸鹽;合成;衍生物

二膦酸鹽類(Bisphosphonates,BPs)藥物是上世紀70年代開發出來的一種抗代謝性骨病藥物，現已被廣泛應用于治療骨質疏松癥、惡性腫瘤引發的高鈣血癥、赫伯特氏病、骨轉移性疾病等代謝性骨病[1]。目前臨床上使用的二膦酸鹽藥物依據其年代先后和結構特點分為3代。藥物的發展帶來了作用強度的相對增強，但并未解決二膦酸鹽在臨床應用中的一些缺陷[2]。新型二膦酸鹽類藥物的合成及研究是近年的研究熱點。

1二膦酸鹽類藥物概述

二膦酸鹽類藥物(圖1)的基本結構(圖2)是由2個膦酸基團連接在1個中心碳原子上形成的“P??C??P”結構，此種結構為Fleisch最初于上世紀60年代受焦磷酸鹽的啟發而獲得，為焦磷酸鹽的類似物[3]。

論文百事通與焦磷酸的骨架“P??O??P”不同，BPs的“P??C??P”結構對酶和許多化學物質穩定。它能與骨質中的羥基膦灰石(HA)呈高親和力，與鈣離子形成螯合物，吸附于骨無機質表面，促進破骨細胞的凋亡、抑制骨吸收[4]，還能刺激成骨細胞的增殖、成熟[5]。

二膦酸鹽類藥物按照分子作用機理[6]的不同可分為兩類：不含氮二膦酸鹽以及含氮二膦酸鹽。不含氮的二膦酸鹽(如氯曲膦酸鈉)通過在破骨細胞形成毒性代謝產物或抑制酪氨酸蛋白磷酸酶的活性而發揮作用。含氮二膦酸鹽(如阿倫膦酸鈉、唑來膦酸)抑制破骨細胞甲羥戊酸途徑中的焦磷酸法尼酯合酶(FPPS)，這種酶對破骨細胞發揮功能所需的GTP酶信號蛋白的異戊二烯化起著重要作用，GTP酶信號蛋白對于細胞的形成、活性及凋亡是非常重要的，二膦酸鹽類藥物的這種作用促進了破骨細胞的凋亡和抑制骨吸收。也有研究表明[7]，含氮二膦酸鹽對于破骨細胞的作用可能實際是由于未異戊二烯化GTP酶的蓄積作用導致，而非減少了蛋白質的異戊二烯化作用。此外，二膦酸鹽類藥物在細胞學和組織學水平的作用包括以下幾個方面[6,7]：①誘導破骨細胞的程序性死亡;②抑制破骨細胞的生成和活性;③刺激成骨細胞的增殖、成熟。其作用從骨的整體平衡來說，使得骨的生成增加而代謝減少，從而使骨密度增加。BPs類藥物在這三個水平的作用是緊密聯系的。

2現有二膦酸鹽類藥物的合成

目前主要在臨床上應用的二膦酸鹽藥物分子結構中R1為羥基(1?摻腔???1,1?捕?膦酸鹽)，從第一代依替膦酸鈉發展到第三代唑來膦酸，其分子結構的變化主要體現在側鏈R2上[8]，包括以下方面：①引入雜原子;②引入氨基;③引入氮雜環;④脂肪鏈長短的變化。雖然結構存在著差別，但這些藥物的合成主要有著兩條基本的路線。

2.1經由羧酸出發的直接合成

1?摻腔???1,1?捕?膦酸鹽的合成首先制得相應的羧酸，然后與亞磷酸、PCl3(或PCl5、磷酰氯)反應得到膦酰化產物，水解而得(Scheme1)。單獨使用羧酸與亞磷酸反應得不到產物，PCl3、PCl5以及POCl3等酰化試劑是必須的。

此種路線雖然簡便，但我們在前期利用此種路線進行的一種結構的二膦酸鹽合成反應中發現，在反應進行一段時間后反應物固化，難于攪拌，起始反應物為兩相不相溶的試劑，因此會影響反應進程和產物的生成，收率較低。此種方法的缺點還包括對試劑的要求嚴格，反應要求較高的溫度。

Kieczykowski等[9]用甲基磺酸作為溶劑克服了上述缺點，從γ?舶被?丁酸出發獲得了較高產率的阿倫膦酸鈉。Divvela等[10]報道了1種新的一步反應合成二膦酸及其鈉鹽的方法(Scheme2)，由氰化物在甲基磺酸水溶液的作用下得到相應的羧酸，后者在PCl3的作用下得到的磷酸鹽化合物水解產生相應的二膦酸(pH<2)或其單鈉鹽(pH=4.2～4.5)。該方法產率較高、條件溫和，甲基磺酸既作為氰基水解的催化劑又作為反應溶劑，節約了成本，制得的利塞膦酸及其單鈉鹽的產率分別為79%和71%。此法同樣適用于其他二膦酸鹽的制備，例如伊班膦酸鈉等。

2.2經由酰鹵出發的間接合成

間接合成法(Scheme3)首先通過酰鹵和亞磷酸三烷基酯發生Michaehs??Arbuzov反應生成酰化膦酸烷基酯，隨后再和亞膦酸二烷基酯發生羰基加成反應生成相應的二膦酸鹽的烷基酯，后經二膦酸鹽烷基酯的脫烷基化得到相應的二膦酸鹽類。脫烷基化反應可用酸水解，酸水解1?摻腔???1,1?捕?膦酸酯條件較為強烈，用鹽酸溶液回流水解可得到產物。Mallard等[11]用6mol/L的鹽酸在室溫下水解卞苯基取代的1?摻腔???1,1?捕?膦酸酯，水解速率很快，只要45min即可完成。

Scheme3IndirectsynthesisofBPs間接合成法的優點在于不僅適合于合成對稱的二膦酸烷基酯，同時也適合于不對稱二膦酸烷基酯。但此種路線與直接合成法相比增加了反應步驟，中間處理繁瑣，且烷基酯在加熱或堿性條件下易發生重排(Scheme4)，因而有時得不到產物。

Mallard等[11]最初用酰氯和亞磷酸三烷基酯和亞磷酸二烷基酯的混合物進行反應(“一鍋法”)，合成了產率較高的1?摻腔???1,1?捕?膦酸酯(Scheme5)，避免了中間產物的分離過程，簡化了操作。

Scheme5One??potsynthesisofbisphosphonatesestersBenech等[12]合成了對稱的1?摻腔???1,1?捕?膦酸酯(Scheme6)，此種方法沒有使用亞磷酸二烷基酯，而在反應中引入了質子化試劑。在-10～0℃的條件下，酰氯和亞磷酸三烷基酯迅速發生反應生成酰基化烷基膦酸酯，然后向反應體系中加入約0.5倍量的甲醇，酰基化烷基膦酸酯發生作用，生成一種二烷基亞磷酸酯，然后與沒有的酰基化烷基膦酸酯反應生成產物。

2.3其他合成方法

Lecouvey等[13]在室溫下用酰氯與2倍量的亞磷酸三甲基硅酯反應(Scheme7)，后用甲醇水解得到1?摻腔???1,1?捕?膦酸鹽。只需一步反應得到產物，整個反應只需1h左右，操作簡便，反應條件溫和。

Scheme7SynthesisofBPsfromacylchloridesandtris(trimethylsilyl)phosphiteinthepresenceofproticreagent謝雨禮等[14]以醛為原料，通過亞膦酸二烷基酯在有機胺催化下進行加成反應得到羥基膦酸酯。然后用MnO2做氧化劑在乙醚等惰性溶劑中，于0～50℃下氧化得到酮基亞膦酸酯，后在有機胺的催化下與亞膦酸二烷基酯反應得到1?摻腔???1,1?捕?膦酸鹽的烷基酯。此種路線通過加成、氧化兩步溫和反應，操作簡單，產率較高。

Kenna等[15]研究發現，簡單烷烴或烷基格氏試劑與異丙基取代的4?餐?基亞膦酸酯發生加成反應，生成二膦酸鹽時重排率很低，反應生成1?摻腔???1,1?捕?膦酸鹽的烷基酯，然后水解即得相應的酸或鹽。

3二膦酸鹽衍生物的合成研究

二膦酸鹽類藥物分子極性大，在生理pH下電負性強，給藥后只有一小部分能到達骨組織，難以吸收利用，且毒副作用較大[2]。藥物學家們對它們的可修飾位點(側鏈、膦酸羥基等)進行了各種各樣的結構修飾或衍生化，制得了一系列的二膦酸鹽類似物及衍生物，對于設計出生物利用度高、組織靶向性強、全身毒性少的新型二膦酸鹽藥物提供了許多不同的思路。

阿倫膦酸鈉和帕米膦酸鈉由于側鏈氨基的存在，使得它們比較容易進行結構修飾。Xie等[16]由酰氯與氨基反應合成了阿倫膦酸鈉和帕米膦酸鈉的酰胺化衍生物，與原藥相比，衍生物的極性降低，其對破骨細胞的靶向性作用增強。體外活性研究結果顯示，該類衍生物對于骨形成具有促進作用，同時抑制了骨吸收。Ezra等[17]為解決二膦酸鹽口服利用率低的問題，將帕米膦酸和阿倫膦酸與脯氨酰?脖獎?氨酸二肽(Pro??Phe)進行酰胺化縮合，制得二膦酸鹽的前藥(Scheme8)。該方法主要利用腸道上特異性轉運二肽和三肽的系統(pept1)對脯氨酸?脖獎?氨酸二肽的識別，提高了二膦酸鹽的腸道吸收。大鼠口服給藥實驗顯示其吸收率和生物利用度均較原藥有所提高。Zinnen等[18]采用類似的原理合成了一種口服吸收迅速的維生素B6與阿倫膦酸鈉縮合的衍生物。

Scheme8SynthesisofapeptideprodrugofBisphosphonatesMaelle等[19]報道了酰氯與脂肪族或芳香族的三甲基硅基磷酸酯反應，然后在甲醇的作用下得到的對稱的膦酸羥基部分酯化的二膦酸鹽衍生物(Scheme9)，其活性試驗未見報道，這種衍生物理論上增加了二膦酸鹽的親脂性，利于穿透細胞。然而Ebetino等[20]將一種含氮雜環的二膦酸鹽的1個膦酸基團上的羥基甲基化后，活性試驗顯示其骨親和力及抑制骨吸收作用完全喪失。

Larry等[21]合成了二膦酸鹽側鏈被類異戊二烯基取代的衍生物(Scheme10)，并對其理化性質及生物活性進行了研究。這些含類異戊二烯基的二膦酸鹽分子的極性較臨床使用的二膦酸鹽藥物低，同時這些帶有可識別法尼基焦磷酸酯合酶(FDPS)基團的BPs分子，可以作為蛋白質法尼基轉移酶的底物，能夠阻止細胞內焦磷酸牛龍牛兒基牛兒酯(GGPP)的合成，降低蛋白質的異戊二烯化，抑制異戊二烯通路，提高BPs的作用效果。

Scheme10SynthesisofisoprenoidbisphosphonatesAmal等[22]分別將二乙烯三胺五乙酸(DTPA)和5?卜?尿嘧啶(5??Fu)與二膦酸鹽偶合，用放射性同位素標記后對其進行鼠體內的生物分布實驗，結果顯示衍生物在骨組織特別是關節處有高攝取率，這顯示出了骨轉移病灶對藥物的選擇性吸收，且偶合后靶向性增加，減少了全身毒性。WrightJ等[23]將蛋白質如BSA與BPs通過二硫鍵共價結合，形成BSA??BPs復合物，有效地提高了BPs與HA間的親合力，使得藥物的靶向性增加，BPs的作用效果增強。Takahisa等[24]將二膦酸鹽偶聯脂質體作為一種骨靶向給藥系統進行研究，表明脂質體偶聯BPs組分對羥基磷灰石(HA)有高親和力，脂質體阿霉素吸附到HA表明顯著減少了人骨肉瘤MG63細胞的數量，這表明脂質體偶聯BPs可以作為一種抗癌藥物的載體定向釋放到骨組織。這種二膦酸鹽偶聯脂質體系統能被應用到多種治療骨相關疾病(如骨質疏松、關節炎、多發性骨髓瘤)的藥物。新晨

4結語

二膦酸鹽作為一類重要的治療骨質疏松癥的藥物已經顯示出了良好的效果，其治療骨代謝相關疾病的效果是穩固的，但其生物利用率較低，臨床上為了達到長久的效果必須經常服藥或加大劑量，從而引發了一些并發癥：一是易引起胃腸道反應，如惡心、嘔吐、腹瀉;二是抑制骨質礦化。要減少二膦酸鹽類藥物的副作用及長期服用的并發癥，提高二膦酸鹽類藥物生物利用是關鍵。BPs在骨無機質HA表面親合后，只有與骨細胞發生作用，穿透細胞膜后才能與細胞內的FDPS發生作用，所以BPs穿透細胞膜能力的大小，直接影響著藥物的作用效果，因而，親和力強、脂溶性高的BPs是今后研究的方向之一。通過改性二膦酸鹽分子結構，降低其極性，提高其親脂性，是增強其作用效果，減少并發癥的途徑之一。

過去在對側鏈R2結構改變時，通過引入脂肪烷基鏈段來延長側鏈R2的鏈長，僅考察了鏈長對作用效果的影響，而對引入烷基鏈段的結構如支化程度、飽和程度、芳香環的存在與否等因素研究較少。此外，如前所述，除單純對BPs的結構進行改造外，尋找合適的載體與BPs進行偶聯提高其生物利用率和靶向性也是提高其作用效果的一種研究方向。

隨著研究的深入，二膦酸鹽的作用機制以及構效關系逐漸明朗，相信不久的將來，親和力高、作用強、毒副作用小的新型二膦酸鹽藥物將會應用于防治骨質疏松癥等相關疾病。

【參考文獻】

[1]COXONFP,THOMPSONK,ROGERSMJ.Recentadvancesinunderstandingthemechanismofactionofbisphosphonates[J].CurrOpinPharmacol,2006,6:307-312.

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[3]GRAHAMR,RUSSELLG.Determinantsofstructure??functionrelationshipsamongbisphosphonates[J].Bone,2007,40:21-25.