維格列汀的空間構(gòu)型與穩(wěn)定性的關(guān)系

楊 杰，朱 峰，李 黨

(1 海南海藥股份有限公司，海南 ?？?570311；2 海南通用三洋藥業(yè)有限公司，海南 ?？?570312；3 海南葫蘆娃藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，海南 海口 570311)

維格列汀(Vildagliptin)，化學(xué)名為(S)-1-[2-(3-羥基金剛烷-1-氨基)乙?；鵠吡咯烷-2-腈，是繼西他列汀(sitagliptin)后的又一個口服給藥的二肽基肽酶-IV(DPP-IV)抑制劑，由瑞士諾華(Novartis)制藥有限公司開發(fā)，于2008年獲準(zhǔn)在歐盟上市，用于治療Ⅱ型糖尿病[1]。

維格列汀制備以L-脯氨酰胺為起始物料，和氯乙酰氯發(fā)生N-乙酰化反應(yīng)、所得中間體不經(jīng)分離，其結(jié)構(gòu)中的酰胺基團(tuán)在三氟乙酸酐/N，N-二甲基甲酰胺作用下脫水制得關(guān)鍵中間體(2S)-1-(2-氯乙?；?-2-吡咯烷甲腈，中間體再與3-氨基-1-金剛烷醇發(fā)生親核取代反應(yīng)制備得到維格列汀粗品，最后經(jīng)純化、精制步驟制備得到維格列汀成品。維格列汀長期放置或與輔料微晶纖維素作用易降解成雜質(zhì)維格列汀環(huán)脒(化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示)，為進(jìn)一步確證維格列汀的絕對構(gòu)型和易降解的原因，本研究進(jìn)行維格列汀的晶體培養(yǎng)及結(jié)構(gòu)解析，從晶體排序及分子間相互作用的角度闡述該化合物晶態(tài)下的分子排列及分子間作用特征，了解其空間構(gòu)象，為該化合物易降解的原因提供參考。

圖1 維格列汀環(huán)脒化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 The chemical structure of vigliptin cyclic amidine

1 實 驗

1.1 實驗儀器

表1 X-射線單晶衍射儀參數(shù)Table 1 Parameters of X-ray single crystal diffractometer

1.2 單晶培養(yǎng)方法

稱取10.1 mg的化合物維格列汀合格樣品(批號：20210802)，置于3 mL玻璃瓶內(nèi)，加入0.3 mL的丙酮溶劑。超聲振蕩促進(jìn)固體樣品溶解后，采用過濾頭(0.45 μm的FTFE濾膜)進(jìn)行過濾，濾液轉(zhuǎn)移至一個潔凈的4 mL容積的單晶生長瓶(44.6 mm×14.65 mm)中。使用PE材質(zhì)的單晶瓶塞將該單晶生長瓶封口，隨后在塞子上扎一個針孔。將該單晶生長瓶裝入預(yù)先盛有3 mL甲基叔丁基醚的20 mL的玻璃瓶中。加蓋密封該20 mL玻璃瓶，并將其靜置于通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行室溫氣液滲透。氣液滲透七天后，觀察到體系中析出塊狀的單晶樣品，所得單晶樣品的顯微照片如圖2所示。

圖2 維格列汀單晶樣品的顯微照片F(xiàn)ig.2 The micrograph of vigliptin single crystal sample

1.3 晶體結(jié)構(gòu)的測定

從上述培養(yǎng)得到的塊狀單晶樣品切割并挑選出衍射質(zhì)量合適的一顆單晶，照《中華人民共和國藥典》2020 年版四部通則0451第一法測定，對其進(jìn)行單晶X-射線衍射表征并解析其晶體結(jié)構(gòu)。將該單晶裹上Paratone-N晶體保護(hù)油(一種油基晶體冷凍保護(hù)劑)并粘在Cryoloop上。隨后以隨機(jī)取向的方式將單晶樣品安置在載晶臺上，晶體浸沒在低溫(T=120 K)氮氣保護(hù)氣流中。單晶樣品的衍射預(yù)實驗及單晶衍射數(shù)據(jù)收集使用Rigaku XtaLAB Synergy R型單晶衍射儀(Cu靶光源，λ=1.541 84 A)在120 K溫度環(huán)境下進(jìn)行，衍射數(shù)據(jù)使用CrysAlisPro (1.171.40.67a，Rigaku，2019)軟件包進(jìn)行分析處理。

在120 K溫度下銜射數(shù)據(jù)收集的最低θ角度為5.164 9°，最高θ角度75.917°，基于5.137°<θ<75.767°角度范圍內(nèi)收集到18 561個銜射點，采用CrysAlisPro (1.171.40.67a，Rigakr，2019)程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析(T-vector算法)以確定該晶體的晶胞參數(shù)以及取向矩陣。數(shù)據(jù)收集完整度為9.72%，衍射數(shù)據(jù)最高分辨率D min (Cu)截斷至0.79 A。數(shù)據(jù)平均信噪比(/o)為88.8。

1.4 單晶衍射數(shù)據(jù)還原

單晶 X 射線衍射分析結(jié)果表明，維格列汀化學(xué)計量式為 C17H25N3O2，相對分子質(zhì)量為 303.40。該晶體屬正交晶系，P212121空間群，其單胞參數(shù)為：{a=10.153 88(4)?，b=10.609 60(5)?，c=14.516 49(8)?，α=90°，β=90°，γ=90°，V=1 563.843(13)A3}。采用CrysAlisPro(1.171.40.67a，Rigaku，2019)程序?qū)μ綔y器所采集得到的每一幀衍射圖像同步進(jìn)行還原整合并進(jìn)行洛倫茲極化校正(Lorentz and polarization corrections)，共收集得到19 631個銜射點。其中獨立銜射點 3 159個。使用CrysAlisPro (1.171.40.67a，Rigaku，2019)程序中的SCALE3 ABSPACK算法對衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗吸收矯正(Spherical Harmonies方法)，該晶體樣品對波長λ=1.542 A的X-射線的線性吸收系數(shù)為0.683 mm-1，最小透過系數(shù)(Tmax)為0.944 01，最大通過系數(shù)(Tmax)為1.000 00所有等效衍射點的強(qiáng)度在實驗誤差范圍內(nèi)基本相等，其Rm為2.62%。

2 單晶結(jié)構(gòu)解析和精修的方法[2-6]

單晶結(jié)構(gòu)解析采用OLEX2軟件，以ShelXT初解程序?qū)ρ苌鋽?shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)初解(采用Intrinsic Phasing方法)并確定晶體所屬空間群為P212121。隨后采用ShelXZ (Version：2018/3)程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)精修。以數(shù)輪差值Fourier合成確定全部非氫原子的坐標(biāo)，繼而以全矩陣最小二乘法對所有非氫原子進(jìn)行各向異性精修。與碳原子相連的氫原子采用理論加氫方式(riding model)精修得到，與氮原子以及氧原子相連的氫原子則根據(jù)Fourier Map精修其原子坐標(biāo)及位移參數(shù)。

圖3 單晶結(jié)構(gòu)的不對稱單元圖Fig.3 The asymmetric unit of single crystal structure

該晶體結(jié)構(gòu)的不對稱單元僅由一個維格列汀分子所組成，表明該維格列汀晶體為無水晶型。

單晶結(jié)構(gòu)解析確證了化合物維格列汀的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)與目標(biāo)分子相一致，其分子中手性中心(C16)的絕對構(gòu)型為S。

圖4 所示為單晶結(jié)構(gòu)中維格列汀分子的ORTEP圖Fig.4 The vigliptin molecule ORTEP figure of single crystal structure

圖5 維格列汀晶體結(jié)構(gòu)的單胞示意圖Fig.5 The single cell schematic diagram of vigliptin single crystal structure

該晶體的每個單胞中包含有4個維格列汀分子。該單晶結(jié)構(gòu)中的氫鍵信息列于表2。

表2 格列汀單晶結(jié)構(gòu)中的氫鍵表Table 2 The hydrogen bond table of vigliptin single crystal structure

相鄰的維格列汀分子間通過分子間氫鍵作用(O1-H1…N1#1)2相互連接，如圖6所示示。

圖6 維格列汀單晶結(jié)構(gòu)中的氫鍵連接示意圖Fig.6 The hydrogen bonding schematic diagram of vigliptin single crystal structure

圖7 晶體結(jié)構(gòu)中分子的堆積結(jié)構(gòu)示意圖 (沿晶體學(xué)b-軸觀察)Fig.7 The molecular stacking structure schematic diagram of vigliptin single crystal structure (observation along crystallographic b-axis)

圖8 維格列汀單晶結(jié)構(gòu)的計算XRPD、單晶樣品的 實測XRPD以及維格列汀起始樣品實測XRPD的對比圖Fig.8 The comparison diagram of calculated XRPD and measured XRPD of vigliptin single crystal structure and measured XRPD of starting sample

對比顯示：單晶樣品的實測XRPD與起始樣品的實測XRPD相一致。單晶結(jié)構(gòu)的計算XRPD與單晶樣品的實測XRPD也基本一致，僅在部分衍射峰上存在一定偏移。推測該現(xiàn)象是由于不同測試溫度下(單晶衍射數(shù)據(jù)在120 K下收集，單晶樣品的實測XRPD數(shù)據(jù)在室溫下收集)品體的晶胞的熱脹冷縮引起的。

表3 維格列汀單晶樣品的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)精修參數(shù)Table 3 The crystallographic structure data and structure refinement parameters of vigliptin single crystal sample

續(xù)表3

3 結(jié) 論

維格列汀為一種DPP-IV抑制劑，為口服有效的降血糖藥物，市場前景較好。 為了解其易降解或和輔料微晶纖維素的相容性的原因，本試驗進(jìn)行了其單晶結(jié)構(gòu)的研究，運用 X 射線單晶衍射技術(shù)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。結(jié)果表明，該晶體屬正交晶系，P212121空間群，維格列汀分子間通過分子間氫鍵作用(O1-H1…N1#1)2相互連接，以范德華力和氫鍵來維系空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定排列。若此穩(wěn)定性被破壞，則金剛烷上的氮原子堿性增強(qiáng)，其易進(jìn)攻吡咯烷上的氰基進(jìn)而環(huán)合，這可能是長期放樣或加入微晶纖維素，易產(chǎn)生雜質(zhì)維格列汀環(huán)脒的原因。