（生物物理学专业论文）多面体烷代氯乙基脲类化合物的合成研究.pdf

i 独创性声明 l i | i i l f i i | i i i | l i i i i l i i l i i | | | 咖 y 17 8 7 8 3 6 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名红声单日期：勿矽! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) _l 签名：纽羞坠新签名： j 摘要 氯乙基亚硝基脲是一类广泛应用于癌症治疗的抗肿瘤烷化剂类药物，但研究 发现该类药物存在着交叉耐药性、毒副作用以及可能造成二次肿瘤的副作用。因 此，寻找新型的氯乙基亚硝基脲类抗肿瘤药物，使其具有低毒高效的药理活性是 目前研究的热点。多面体烷类化合物具有独特的结构和较高的张力能，同时还有 抗肿瘤及抗病毒活性，使其作为治疗药物蕴藏着巨大的潜能。将多面体烷与氯乙 基亚硝基脲类化合物相结合，设计并合成新型的多面体烷代氯乙基亚硝基脲类化 合物对新型抗肿瘤药物的研究与开发有着重要意义。 在综述了氯乙基亚硝基脲以及多面体烷的研究进展的基础上，确定多面体烷 代氯乙基脲的合成为本论文的主要研究内容。其合成路线为：以多面体烷二羧酸 或单酯单羧酸为原料，通过异氰酸酯化和氯乙基化反应，得到目标的化合物。 通过对多面体烷二羧酸合成方法的综述，确定了立方烷( c u b a l l e ) 二羧酸、 高立方烷( h o m o c u b a n ) 二羧酸、轮烷( g a n l d a i l e ) 二羧酸的合成路线，并对合成 工艺进行改进。以多面体烷二羧酸为母体，通过酯化和选择性水解反应，合成出 金刚烷单酯单羧酸、立方烷单酯单羧酸、高立方烷单酯单羧酸和轮烷单酯单羧酸。 在综述了氯乙基脲类化合物合成方法的基础上，确定了多面体烷代氯乙基脲 类化合物及多面体烷酰氯乙基脲类化合物的合成路线。以多面体烷二羧酸及多面 体烷单酯单羧酸类化合物为母体，经过异氰酸酯化和氯乙基化合成出相应的多面 体烷代氯乙基脲类化合物2 个( 3 2 a 和3 2 c ) 个及多面体烷酰氯乙基脲类化合物9 个( 3 3 a 、3 3 b 、3 3 e 、3 3 f 、3 3 9 、3 3 h 、3 3 i 、3 3 m 和3 3 n ) 。 所合成的多面体烷代氯乙基脲类化合物及多面体烷酰氯乙基脲类化合物均 未见文献报道，其结构得到了核磁共振氢谱、碳谱、质谱和红外光谱的验证。 关键词：抗肿瘤药物；氯乙基亚硝基脲；氯乙基脲；多面体烷 i i ， a bs t r a c t c h l o r o 咄灿仃o s o w e a si sak i n do f 觚t i n l m o rd m go f b i o l o 百c a la l k y l a t i n ga g 锄t w h i c hw a sw i l d l yu s e di nt l l e 仃e a 衄e 1 1 to ft u 】m o r h o w e v m es i d e e 丘e c t so fc r o s s r e s i s t a i l c e ，t o x i ce 行缸a 苴l ds e c o n d a r yc a n c e r so fc _ h l o r o 甜l y l m 仃0 s o u r e 嬲h a v eb e e n r 印o r t e d i i lm e 仃e ：锄e n to fa i l t i t u m o r t b d e v e l o p an e w 娜e o f c h j o r o e t l y h l i 缸o s o u r e 嬲w i 廿lm o r ek 曲a c t i 、，i t ) ，a n dl e s sh a z a r d o l l si si i i l p o r t 锄ti n r e c e z l tr e s e a r c h p 0 1 y h e d r a l l e sh a v e 廿1 e u i l i q u es 仉l c t i 鹏a 1 1 d1 1 i 曲e re 1 1 e r g yo ft e i l s i l i 够 w i mp r e 衔a b l y a c t i 、，i 够o fa n t i t u 芏i l o r 锄da n t i - 、，i m s w 1 1 i c hh a v em ep o t e l l t i a l a p p l i c a t i o n s i i lm ef i e l do fm e d i c a m e n t i th 嬲m ei i n p o r t a i l ts i 班f i c a n c ei n d i s c o v e r i n gan e wt y p eo fd l l l o f o e t h y l n i 仃o s o u r e a u s 、) i r _ m l ec o m b i n ep 0 1 y h e d r a n e sa n d c h l o f o e l y l l l i t r o s o u r e a si n t oo n ec o m p o u n d b a s e do nt h er e s e a r c hp r o 伊e s so fa m i t u m o rd m g s ，c m o r o e t l l y l 血臼- o s 0 1 1 r e a sa n d p 0 1 y h e d r a i l e s ，吐l em a i nc o n t e l l to f 廿l i sp a p e rw 嬲饥s u r e d ni sn l es y n m e s i so f p 0 1 y h e d r a y l 砌o r o 劬y l u r e a sb yi s o c y a n a t i o na i l d 砌o r o e m y l a t i o no fp 0 1 y h e d 聊 d i c a r b o x y l i ca c i d sa i l dp 0 1 y h e d 叫m o n o c a b o x y l i ca c i d sd 耐v a t i v e b a u s e do nm e s y n m e s i s o fm e p 0 1 y h e d r y ld i c a r b o x y l i ca c i d ， m e 1 ，4 一c u b a n e d i c a r b o x y l i ca c i d ，2 ，4 - h o m o c u b a z l e d i c a r b o x y l i c a c i d sa n d 2 ，4 - g a m d a n e d i c a r b o x y l i ca c i dw e r eo b t a i n e da c c o r d i i l gm er 印o r t e dl i t e r a c u r e sa n d s o m e o fd e t a i l sw e r e i n l p r o v e d t h e m o n 0 - a c i dd e r a v i t i v e so f 1 ，3 - a d 锄a 1 1 t a n e d i c 砷o x y l i ca c i d ，1 ，4 一c u b a l l 础c 拍o x y l i ca c i d ， 2 ，4 - h o m o c u b a n e d i c a r b o x y l i c a c i da 1 1 d 2 ，4 一g 锄d a l l e d i c a r b o x y l i c a c i dw e r e s y n m e s i z e db ye s t 舐丘c a t i o na 1 1 ds e l e c t i v eh y d r o l y z a t i o n b a s e do nm er 印o r t e ds ) ，i l m e t i c 印p r o a c ho fc h l o r o e t h y l u r e a l s ，t h ep 0 1 y h e d r y l d i c m o r o 甜1 y l u r e a s a n dp 0 1 y h e d r y l 。h c y l c h l o r o e 吐l y l u r e a sw e r e s y l l t h e s i z e d 丘d ， i s o c y a l l a t i o na n d 咖o r o e m y l a t i o no fp 0 1 y h e d r y ld i c 砷o x y l i ca c i d sa 1 1 dp o l y h e d r y l m o n o c a r b o x y l i ca c i dd 舐v a t i v e t h e r ew e r e 铆op 0 1 y h 嘶ld i c m o r o e m y l u r e a s ( 3 2 a 孤d3 2 c ) a n dn i l l ep 0 1 y h e d 聊a c y l c h l o r o e m y l u r e a s ( 3 3 a ，3 3 b ，3 3 e ，3 3 f ，3 3 9 ，3 3 h ，3 3 i ， 3 3 ma 1 1 d3 3 n ) w e r eo b 诅i n e d t h es 咖c n 鹏so fm en e wc o m p o u i l d sh a v eb e e nc h 嬲l c t 丽z e db y1 hn m r ，1 3 c n m r m s 锄dr k e y w o r d s ： a n t i t u m o rd m g ；c h l o r o e t l l y l m 仃0 s o u r e a s ；6 m o r o e t h y l u r e a s ；p o l y h e d r a i l e s i i i 北京工业大学理学硕士学位论文 i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录。v 第1 章绪论1 1 1 课题背景与研究意义1 1 2 亚硝基脲类抗肿瘤化合物的研究进展4 1 2 1 氯乙基亚硝基脲的作用机理6 1 2 2 多面体烷代氯乙基亚硝基脲的构效关系研究8 1 2 3 氯乙基亚硝基脲类化合物的合成1 1 1 3 多面体烷类化合物的研究进展1 1 1 3 1 金刚烷类化合物的合成研究1 4 1 3 2 立方烷类化合物的合成研究15 1 3 3 高立方烷类化合物的合成研究1 6 1 3 4 轮烷类化合物的合成研究1 7 1 4 课题研究目的和内容18 1 5 本章小结19 第2 章论文的研究方案2 1 2 1 多面体烷二羧酸的合成方案2 1 2 1 1 立方烷二羧酸的合成路线2 1 2 1 2 高立方烷二羧酸的合成路线2 1 2 1 3 轮烷二羧酸的合成路线2 2 2 2 多面体烷单酯单羧酸的合成方案2 3 2 3 多面体烷代氯乙基脲的合成方案2 5 2 4 多面体烷酰氯乙基脲的合成方案2 5 2 5 本章小结。2 6 第3 章实验结果与讨论j 2 7 v 北京工业大学理学硕士学位论文 3 1 多面体烷二羧酸的合成2 7 3 1 1 立方烷二羧酸的合成2 7 3 1 2 高立方烷二羧酸的合成2 8 3 1 3 轮烷二羧酸的合成2 8 3 2 多面体烷单酯单羧酸的合成31 3 3 多面体烷代氯乙基脲的合成3 3 3 4 多面体烷酰氯乙基脲的合成3 3 3 5 图谱解析3 4 3 5 1 多面体烷代氯乙基脲的结构分析3 4 3 5 2 多面体烷酰氯乙基脲的结构分析_ 3 6 3 6 本章小结4 6 第4 章实验部分_ 4 9 4 1 试剂及仪器4 9 4 1 1 试剂来源和纯度4 9 4 1 2 实验仪器4 9 4 2 多面体烷二羧酸的制备4 9 4 2 1 立方烷1 ，4 二羧酸的制备4 9 4 2 2 高立方烷2 ，4 二羧酸的制备5 1 4 2 3 轮烷二羧酸的制备。5 2 4 3 多面体烷二羧酸酯的制备j j 5 4 4 3 1 金刚烷1 ，3 二甲酯( 3 0 a ) 的制备5 4 4 3 2 金刚烷1 ，3 二乙酯( 3 0 b ) 的制备5 4 4 3 3 金刚烷1 ，3 二丙酯( 3 0 c ) 的制备5 4 4 3 4 立方烷1 ，4 二甲酯( 3 0 d ) 的制备5 4 4 - 3 5 立方烷一1 ，4 二乙酯( 3 0 e ) 的制备5 4 4 3 6 立方烷1 4 二丙酯( 3 0 f ) 的制备5 5 4 3 7 高立方烷2 ，4 二甲酯( 3 0 9 ) 的制各5 5 4 3 8 高立方烷2 ，4 二乙酯( 3 0 h ) 的制备。j 5 5 4 3 9 高立方烷2 4 二丙酯( 3 0 i ) 的制备5 5 4 3 1 0 轮烷2 ，4 二甲酯的( 3 0 j ) 制备一5 5 4 4 多面体烷代氯乙基脲的制备5 5 。 4 4 1 金刚烷一1 ，3 二氯乙基脲( 3 2 a ) 的制备5 5 4 4 2 高立方烷2 ，4 二氯乙基脲( 3 2 c ) 的制备5 6 4 5 多面体烷代酰氯乙基脲的制备5 7 4 5 1 金刚烷1 酰氯乙基脲( 3 3 a ) 的制备5 7 4 5 2 金刚烷一1 甲酯3 酰氯乙基脲( 3 3 b ) 的制备5 8 4 5 3 金刚烷1 ，3 二酰氯乙基脲( 3 3 e ) 的制备5 9 4 5 4 立方烷1 甲酯4 酰氯乙基脲( 3 3 f ) 的制备5 9 4 5 5 立方烷1 一乙酯4 一酰氯乙基脲( 3 3 9 ) 的制各6 0 4 5 6 立方烷一1 丙酯4 酰氯乙基脲( 3 3 h ) 的制备6 1 4 5 7 立方烷1 ，4 二酰氯乙基脲( 3 3 i ) 的制备6 3 4 5 8 高立方烷一2 ，4 一二酰氯乙基脲( 3 3 m ) 的制各6 3 4 5 9 七环 7 5 i 0 2 v 0 3 0 4 ”0 6 1 2 0 1 0 ，1 4 】十五烷1 1 酮1 3 酰氯乙基脲( 3 3 n ) 的 制备6 3 结论6 5 参考文献一6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文一7 5 致谢7 7 v i i 北京1 = 业大学理学硕士学位论文 v i 万。根据中国癌症协会统计，我国现有癌症患者数至少在4 5 0 万人以上，平均 每年有约1 6 0 1 7 0 万人死于癌症【l 】。人类至今尚不能从根本上治愈癌症，癌症 仍是最难对付的疾病之一。因此，研制和开发新的抗癌药物，寻找治疗癌症的 新理论、新方法和新技术仍然是人类将要面临的重要难题。 肿瘤治疗主要措施是手术、化学治疗、放射治疗。其它治疗措施如光动力 疗法、抗体和疫苗相关疗法、基因疗法等正在不断完善中。其中化学治疗方式 简单、剂型种类多样，并且在用药后，药物分布到全身大部分组织中，可以杀 灭如大脑等受生理保护区域的肿瘤细胞，也可以杀灭转移的肿瘤细胞，因此在 抗肿瘤的治疗中依然处于主导地位【2 】。 各国政府、科研机构以及制药公司长期以来一直对肿瘤研究和抗肿瘤药物的 研发予以高度重视，在抗肿瘤药物的研究上，取得了重大进展。目前全球各国已 经发明并获准使用的抗癌药物总数超过了1 5 0 种，配制成的各种抗癌制剂总数约 为1 2 0 0 一1 4 0 0 种。临床使用的抗肿瘤药物按作用原理和来源可分为生物烷化剂、 抗肿瘤抗生素、抗肿瘤激素、抗代谢药、植物来源的天然抗肿瘤药以及其它抗肿 瘤药物等六大类【3 】。 生物烷化剂是目前临床上最早也是最常使用的抗肿瘤药物，为细胞毒药物， 具有良好的抗癌活性。生物烷化剂也称烷化剂，在体内能形成缺电子活泼中间 体或其它具有活泼的亲电基团的化合物，进而与生物大分子( 如d n a 、r n a 或某些重要的酶类) 中含有丰富电子的基团( 如巯基、氨基、羟基、羧基、磷 酸基等) 发生共价结合，使其丧失活性或使d n a 分子发生断裂【4 5 】。生物烷化 剂在临床治疗中存在的不足主要有一下几个方面：对实体瘤的疗效差，不良反 应严重且易产生耐药性，如恶心、呕吐、骨髓抑制和脱发等【6 】。因此，针对上 述问题，各国科学家正在努力开发更好的烷化剂，如直接用于缺氧细胞的选择 性细胞杀伤剂、可生物降解的亚硝基脲氮芥聚合物制剂、用于脑瘤手术后在肿 瘤附近滞留从而持续发挥疗效的药物，如阿多来新、卡折来新等。按化学结构， 北京工业大学理学硕士学位论文 目前在临床使用的生物烷化剂药物可分为氮芥类、亚硝基脲类、磺酸酯类、铂 类化合物和氮烯咪唑类等，其代表药物结构见图1 1 。 刊 氮芥( 氮芥类) 星i 、p t ：； 顺铂( 铂类化合物) 麓 环磷酰胺( 氮芥类) #n n h叩o c l 八n v n c l o 卡莫斯汀( 亚硝基脲类) i 达卡巴嗪( 氮烯咪唑类) 白消胺( 磺酸酯类) 图1 1 生物烷化剂代表药物 f i g u r e1 - 1r - e p r e s e n t a t i v e so f “c y l a 血ga g e n t s 抗肿瘤抗生素是一类微生物培养液中提取的化学物质，通过与脱氧核苷酸 结合直接破坏d n a 或嵌入d n a 而干扰转录，从而起到化疗作用。常用的抗肿 瘤抗生素分为丝裂霉素和葸醌类抗生素两大类，常见的临床药物包括放线菌d 、 光辉霉素、正定霉素、多柔比星、表柔比星、博来霉素、阿柔比星等【7 ，8 填代表 药物结构见图1 2 。 o h h 2 n h 3 c oo c o n h 2 o h 3 n h 柔红霉素( 蒽醌类)丝裂霉素c ( 丝裂霉素类) 图1 2 抗肿瘤抗生素代表药物 f i g i 】l - 2i 【印r e s 即_ t a 矗v e so f 柚t i t i 瑚o r 觚t i b i o t i c s 抗肿瘤激素主要针对某些肿瘤如乳腺癌、前列腺癌、甲状腺癌、宫颈癌、 卵巢癌和睾丸癌等而研制，这类癌症均与相应的激素失调有判9 1 。应用某些激 素或其他拮抗剂药物来改变激素平衡状态，可抑制激素依赖性肿瘤的生长。目 前临床上常用的药物有抗雌激素、孕激素、芳香化酶抑制剂和促黄体生长激素 释放激素( u i m ) 类似物等，代表药物如图1 3 所示。 2 第1 章绪论 - 、户h 3 l n c h 3 他莫昔芬( 抗雌激素) 己酸孕诺酮( 孕激素) 图1 3 抗肿瘤激素代表药物 f i g i 】鹏1 3r 印r e s 枷v e s0 f 锄t i t i l m o r h o 肌o n c 抗代谢药是一种通过阻断或延缓细胞生长的重要代谢途径而起作用，亦称 抗增殖药。其在肿瘤的化学治疗上占有大的比重，约为4 0 左右。一般认为他 们的选择性作用于肿瘤细胞较正常的细胞较群( 骨髓、毛囊、部分胃肠道细胞 群除外) 生长迅速有关，也正因为如此，在其治疗过程中对增殖较快的正常组 织如骨髓、消化道粘膜等也呈现一定的毒性。【1 0 】。临床上常用的抗代谢药包括 叶酸拮抗酸药、嘌呤类和嘧啶类抗代谢药等，大部分是在分子水平上千扰脱氧 核糖核酸( d n a ) 的合成。抗代谢药还包括特异性胸苷酸合成酶抑制剂雷替曲 塞、腺苷脱氢酶抑制剂喷司他汀和核苷酸还原酶抑制剂羟基脲等。临床常见的 抗代谢药物如图1 4 所示。 s 妁h h 甲铲 3 一三邺：h 转n 心 5 - 氟尿嘧啶 6 - 巯嘌呤氨基蝶啶 图l - 4 抗代谢代表药物 f i g u r e1 4r e p 代s 曲t a t i v 铭o fa m i i n e t a b o l i t 植物来源的天然抗肿瘤药物是一种从植物中提取的化合物，其中最为人们 熟悉的是长春碱类( n c a 舢k a l o i d s ) 【1 1 】和紫杉烷类( t a x 赫e s ) 【1 2 】这两大类抗 肿瘤药物，其代表药物结构见图1 5 。这两类化合物通过不同机制干扰细胞中微 管动力学，如纺锤体的形成或去组装。微管是由微管蛋白形成的多聚体，微管 蛋白是有丝分裂纺锤体组成的重要成分。微管组装和微管去组装处于动态平衡， 从任何方面破坏这一平衡状态的化合物都能阻断细胞的有丝分裂，从而导致细 胞死亡。常用的长春碱类抗肿瘤药物有长春新碱( v c r ) 、长春地新( v d s ) 和 长春碱( v l b ) 等，紫杉烷类抗肿瘤药物有紫杉醇和多西他赛等。 。h n i 务 秋 北京工业大学理学硕士学位论文 o hp h 氍毽。嚣 1 2 亚硝基脲类抗肿瘤化合物的研究进展 美国癌症中心( n a t i o n a lc a i l c e ri n s t i t u t e ) 的研究者于二十世纪六十年代发 现对l 1 2 1 0 白血病有治疗效果的化合物n 甲基n t 硝基亚硝基胍( m n n g ) 【l3 1 ， 在试图对这一新药进行改进的过程中发现了n 甲基n 亚硝基脲( m m7 ) 具有 更好的抗颅内植入的l 1 2 1 0 细胞活性。当m 阿7 的n 位点的甲基被氯乙基基团 取代后，活性显著加强，进而人们合成了多种氯乙基亚硝基脲( c e n u s ) 类化 合物，其基本结构如图1 6 所示。该结构中n 1 位的氯乙基是药物发挥化学活 性的主要基团，而其物理特性由n 一3 位的取代基不同而有所差异。c e n u s 可以 通过分解直接形成高活性的叶位亲电活性中心与d n a 相结合，然后在所结合 的碱基自身临近基团的参与下使b 位活化发生交联作用【1 4 】。其中a 位活性过高 或过低均不利于d n a 的横向交联，b 位活性过高则可能导致较高的癌活性，也 不利于抗癌作用的发挥。 4 r 、三员二o c -r 、n 、n g i h 内门p 图1 6 氯乙基亚硝基脲( c e n u s ) 的基本结构 f i g u r e1 6t h e 咖c t l l 】陀o fc h l o r o e 也y l n i 缸d s o u r e 弱( c e n u s ) c e n u s 是一类双功能烷化剂，与d n a 双链的共价键连接可以通过多种途 径导致细胞死亡，烷化碱基可以导致异常碱基配对，使a t g c 的正常互补配 对关系改变，即在复制时引进错误的碱基，导致原来正常的遗传信息发生改变。 双功能烷化剂产生分子间连接后，可以阻止d n a 互补双链在复制时分开，因 而阻碍d n a 的正常复制过程，导致有丝分裂不能正常进行，也易导致d n a 双 链发生断裂【1 5 ，1 6 1 。 目前，人们已经合成各种不同结构的c d 叫s 来改造其特性，以提高其疗效。 1 ( 2 氯乙基) 3 肌氨酸酞胺1 亚硝基脲( s a 圮n u ) 是一种n 一3 位被甲基化的 c e n u ，已被国际癌症协会正式应用于恶性神经胶质瘤的治疗中【1 7 】。近年来人 们依据“联合靶点”的概念，将稳定的亚硝基脲与表皮生长因子受体( e g i 强) 酪 氨酸激酶( t k ) 抑制剂合成了被称为“联合分子”的化合物。亚硝基脲分子的引 入改变了e g r f t k 抑制剂的结构参数并影响了其活力【1 8 】。h o e s c h s t 3 3 2 5 8 的氯 乙基亚硝基脲衍生物用于乳腺癌细胞中的毒性研究，结果表明它们比母体 h o e s c h s t 3 3 2 5 8 有更强的活性，与双链d n a 结合更加紧密，同时具有更强的序 列识别性尤其是富含a t 的序列和对拓扑异构酶的抑制能力，从而减少了亚硝 基脲药物与细胞内其它成分反应而造成的活性损失【1 9 】。 临床上常用的亚硝基脲类抗肿瘤药物有卡莫司汀( b c n u ) 、洛莫司汀 ( c c n u ) 、司莫司汀( m e c c n u ) 、福莫司汀( f m ) 、尼莫司汀( a c n u ) 、 雷莫司汀( m c n u ) 、哌啶亚硝基脲( p c n u ) 、吡葡亚硝基脲( d c n u ) 和链 佐星素( s 仃印t o z o c i l l ) 等，代表药物结构见图1 7 。c e n u s 在治疗白血病和各 种实体肿瘤，包括脑瘤、恶性黑色素瘤、恶性淋巴瘤，有较好的疗效【2 0 ，2 1 1 。其 中卡莫司汀( b c n u ) 是最早应用于临床的c e n u s 类抗肿瘤药物。b q 哪具有 高亲脂性，能透过血脑屏障，主要用于恶性肿瘤及白血病或肺癌的脑转移病人。 主要毒副作用为骨髓抑制、胃肠道反应，其它有皮肤色素沉积、肝肾功能损伤 等。洛莫司汀( c q m ) 和司莫司汀( m 川c n u ) 通过将b c n u 中n 3 位氯 乙基换成环己基和对甲基环己基，从而提高了脂溶性，扩大了作用范围，抗癌 谱较广，其作用机制与c c n u 相，与b c n u 相比，而毒性更低。c c n u 对脑瘤 的疗效不及b c n u ，但对何杰金氏病、肺癌及若干转移性肿瘤的疗效优于 b c n u 。m e c c n u 主要用于脑瘤、大肠癌、胃癌及恶性黑色素瘤的治疗，且 m e c a 讯j 对脑瘤和恶性黑色素瘤的疗效与b c n u 和c c n u 相似，与一般烷化 5 北京工业大学理学硕士学位论文 剂无爻叉耐甄性o c i 、n 儿n c i h 内门 b c n u 心c n n 且n c 。 h 内 q n 曼n 飞c h 内 c c n u n 飞r n 儿n c h 2 n 义n 从n 慧 m e c c n ua c n u 图1 7 临床使用的氯乙基亚硝基脲类抗肿瘤化合物 f i g l l r e1 7 耽ec e n u s i nc l i i l i cf b r 锄t i t 哪o r 1 2 1 氯乙基亚硝基脲的作用机理 c d 叫s 与其它抗肿瘤药物如丝裂霉素c 、链黑霉素、博来霉素以及蒽醌类 抗肿瘤药的作用机理不刚2 2 讲】，该类烷化剂不需要预先与靶细胞作用进行生物 活化可以产生烷化基团。鉴于这一特性，为了阐明其作用机理，科学家们首先 对它的分解机理进行了研究。结果表明氯乙基亚硝基脲至少存在三种主要分解 途径【2 8 1 ，如图1 8 所示。 在p h 值为7 4 的生理条件下的分解机理如途径a 所示，亚硝基脲分子分 裂为异氰酸酯和重氮氢氧化物中间体，异氰酸酯能够导致胞内大分子中的氨基 基团甲氨酞化从而使细胞受到损伤，而重氮氢氧化物继续分解为氯乙基正离子 【2 9 1 。研究表明该分解途径是亚硝基脲在生理条件下分解的主要途径【3 0 3 2 1 。不论 氯乙基亚硝基脲经过何种途径代谢，最终都将生成一系列具有反应活性的小分 子产物，这些产物与生物大分子的相互作用决定了亚硝基脲化合物的抗癌作用 和毒性。 途径b 和c 的分解机理表明在p h 值为5 0 的酸性溶液体系中，氯乙基亚 硝基脲的分解可能经历了分子内环化。这两种机制的转移可能是由于途径a 中 生成氯乙基重氮氢氧化物的限速步骤是由碱催化引起的。r o b e r t 和m i c h e j d a 等 人 3 3 】的研究表明氯乙基亚硝基脲的亚硝基参与分子内的取代反应，产生了1 ，2 ，3 氧化二唑啉，该产物能够断裂生成中间体4 ，5 二羟基1 ，2 ，3 氧化二唑，进而生成 2 羟乙基重氮氢氧化物、乙二醇和甘油等主要产物。亚硝基脲取代分子内离去 基团的这种邻基参与作用在亚硝胺的代谢中表现的比较活跃【3 4 3 5 1 。 6 图1 8 氯乙基亚硝基脲的三种主要分解机制 f i g u r e1 - 8t h e 1 1 e em a i l ld e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s m so fc e n u s 亚硝基脲分解途径b 是羰基氧原子参与的分子内环化的过程，形成分子内 五元环结构，该化合物在p h 7 2 的水溶液中能够导致乙醛的形成，乙醛也可通 过与d n a 作用导致d n a 股间交联和其他损伤【3 6 1 。 研究证明，亚硝基脲经a 途径分解生成的氯乙基正离子等活泼亲电试剂是 d n a 碱基的直接烷化剂，能够使d n a 发生碱基修饰、单双键断裂、股间交联 等损伤，最终导致细胞的凋亡或变异，如图1 1 0 所示【3 7 3 8 1 。通过对氯乙基亚硝 基脲与d n a 交联的研究发现b c n u ，c c n u 和m e c c n u 对d n a 的交联率达 到最大值的时间分别为5 、1 0 、8 小时。当亚硝基脲在溶液中与d n a 作用达到 最大交联时，其浓度降低到初始浓度的1 2 0 0 以下，此时溶液中亚硝基脲的浓 度已经十分低，而其分解生成的产物与d n a 的作用仍在进行之中。自此可见， 亚硝基脲的分解是启动其一系列生物活性作用的关键化学反应。 在c d s 分子中，其b 位被氯原子取代，使得该位置不需要经过代谢活 化即可在亚硝基氧原子的邻基参与作用下成为烷化活性中心。因此，c d 叫s 作 为双官能团烷化剂一方面可通过分解作用生成0 【位活性中心，另一方面可在亚 硝基的邻基参与作用下生成p 位活性中心。 氯乙基亚硝基脲通过a 位酰胺键断裂而发生分解反应，生成的重氮氢氧化 物，重氮氢氧化物可进一部分解成带有正电荷的亲电试剂，进而导致d n a 碱 基的烷基化。 7 北京工业大学理学硕士学位论文 c r o s s n n k e dd n a n c l h o n 、? hh - b a s e c c b a s e - hh 琏琏二鼋r 堋 蚪一树、n 一描f ；+ c 1 o 爿o d。! n h r 门h r j s a s e oh 斗b a s e c 瞒。i 删a 一陆e 一瞻e 竺 1 2 2 多面体烷代氯乙基亚硝基脲的构效关系研究 基于氯乙基亚硝基脲的抗癌与致癌机理的研究显示，当亚硝基脲和刚性的多 面体烷结合后，可以有效的提高亚硝基脲类化合物的抗癌活性。一方面多面体烷 基团的引入在一定程度上调节了亚硝基脲抗癌a 位点的活性，使其既能够避免因 活性过高而使得药物在到达靶细胞之前就过早分解，又可确保其具有足够的烷化 活性。另一方面，刚性结构的引入有助于在提高0 【位点烷化活性的同时降低b 位 点与d n a 交联的活性，从而达到在降低致癌活性的同时提高抗癌活性的目的。 赵丽娇博士【4 1 】在对4 4 种氯乙基亚硝基脲的构效关系的研究基础上，得到了亚硝 基脲的构效关系公式： c o n n o 儿 n h r 第1 章绪论 l o g k = 1 0 8 9 x1 0 3 ( i e ：一王0 6 。9 5 l - e ：) 一1 1 8 3 1 0 3x ( e ：) 一2 运用该公式预测了高立方烷、三高立方烷和四星烷代氯乙基亚硝基脲 ( c d 唧) 的构效参数，得到的构效关系参数见表1 1 。结果表明，抗癌活性预测 三种药物的治疗系数盼别为6 4 6 5 、1 0 1 8 4 和9 5 0 0 ，均在良好以上，说明多面体 烷氯乙基亚硝基脲在理论上具有抗肿瘤的活性。 表1 1 多面体烷类亚硝基脲的构效关系参数 1 a b l e1 - lp 啪m e t e r so fq s a r o f p 0 1 y h e d r y lc h l o r o e 也灿 1 i 缸d s o u r e k j m o r l脑m 0 1 1 b 妒 舻 ：治疗指数的评价标准：k s l 0 无抗癌活性，1 0 k 9 0 抗癌活性微弱，3 0 k 0 抗癌活 性一般，6 0 9 0 抗癌活性显著。 本实验室的邓鸿飞硕士通过量子化学、分子力学等方法研究了多面体烷代 氯乙基亚硝基脲的结构与其抗肿瘤活性的定量构效关系。利用神经网络通过3 种q s a r 模型对1 2 种多面体烷代氯乙基亚硝基脲的抗肿瘤药效学参数l o g ( 1 c ) 进行预测。预测结果表明，3 种q s a r 模型对多面体烷氯乙基亚硝基脲l 0 甙1 c ) 的预测结果均为良好，其中取代基为立方烷和三棱烷的氯乙基亚硝基脲的 l 0 9 ( 1 c ) 预测值最好，远高于金刚烷代氯乙基亚硝基脲抗肿瘤药效学参数 ( l o g ( 1 c ) 的实验值，平均值分别达到1 5 2 和1 6 3 【4 2 1 ，如表1 2 所示。 模型为多元线性回归模型，其方程为： l 。g0 = 1 4 7 55 + ( 一。2 2 2 x 1 ) 辱4 。3 x2 2 4 2 4 手x 3 + 36 2 2 8 x 4 模型为分子描述符为5 个，隐含层神经元数目为8 个的三层b p 神经网 络( s = o 1 1 9 ，r 2 = o 9 8 3 ) 模型。其参数设置为：期望最小误差g o a l = o 0 1 ，循环 次数e p o c h s = 1 0 0 0 0 ，训练函数采用砌n 1 i i l ，学习规则为1 e 锄g d m ，隐含层传递 函数为t a i l s 适，输出层传递函数为p u r e l i i l 。 模型为分子描述符为5 个，隐含层神经元数目为5 个的三层b p 神经网 络( s = o 1 0 6 ，r 2 = 0 9 9 1 ) 模型。其参数设置为：期望最小误差g o a l = o 0 1 ，循环 次数印o c h s = 1 0 0 0 0 ；训练函数采用仃a i n l 】m ，学习规则为l e 锄鲷m ，隐含层传递 函数为t a l l s i g ，输出层传递函数为p u r e l i i l 。 9 r 、三员二o c i h 内门p 表l - 2 多面体烷代氯乙基亚硝基脲的分子结构及其抗肿瘤药效学参数( l o 甙l c ) ) t a b l e1 - 2s 仃u c t l l r e so f t h ep o l y h e d r y lc e n u sa n dm e i r 孤t i t l l m o ra c t i v 埘l o g ( 1 c ) + 实验值，8 模型预测值，5 模型预测值，。模型预测值 通过对多面体烷代氯乙基亚硝基脲的抗肿瘤活性的构效关系的研究可以看 出，该类化合物具有很好的抗肿瘤活性，对其合成方法的研究有着重要意义， 可以指导我们寻找选择性好、高效、低毒的新型抗肿瘤烷化剂。 1 0 1 2 3 氯乙基亚硝基脲类化合物的合成 氯乙基亚硝基脲类化合物的合成方法主要是经过氯乙基脲类化合物的亚硝 化制得，其合成的关键是氯乙基脲类化合物的合成。关于氯乙基脲类化合物的 合成路线归纳起来可以分为两大类，如图1 1 1 所示【4 3 4 5 1 。路线一是将烷基胺与 氯乙基异氰酸酯相结合得到氯乙基脲类化合物，路线二是将烷基异氰酸酯与氯 乙基胺相结合得到氯乙基脲类化合物【4 6 7 1 。 l 苷? ) h 且n ，r 器叭八 r 、n 氏+ c i 沙n h 2 一苫：! ：0 。h 。z o ： 路线一与路线二的主要不同在于，参与反应的烷烃所取代的官能团不同， 路线一中使用的是烷胺类化合物，路线二中使用的是异氰酸酯类化合物，而异 氰酸酯可以通过羧酸经过酰氯化，再与叠氮化钠反应获得，如图1 1 2 所示。 r c o o h ! ：皇里些，r n c o 2 n a n 3 图1 1 2 异氰酸酯的合成路线 f i g l l r e1 一1 2s c h 锄eo f i s o c y 锄a t e s 1 3 多面体烷类化合物的研究进展 多面体烷类化合物，是指由( c h ) n 构成三维多面体结构，每个次甲基( c h ) 占据多面体的一个顶角而形成的饱和化合物。多数多面体烷具有较高的张力能， 导致其热力学上的不稳定性。但由于其分子轨道对称性的缘故，它们在动力学 上又是相当稳定的。多面体烷类化合物高的张力能和特殊的稳定性，吸引并鼓 舞了有机化学家们对其合成方法及应用进行了深入细致的研究。目前为止，已 经有不同种类的多面体烷被合成出来，常见的多面体烷包括：金刚烷 ( a d 锄即t a i l e ) 、立方烷( c u b 锄e ) 、高立方烷( h o m o 甜b a l l e ) 、四星烷( a s t e r a n ) 和轮烷( g a r u d a n e ) 等，如表1 2 所示。 北京工业大学理学硕七学位论文 。 表1 2 多面体烷的基本结构 1 a b l el 一2t i l es 仃u c t u r eo f p 0 1 y h e d r a la l k a n e s 随着多面体烷类化合物合成方法的日趋成熟以及多面体烷类衍生物种类的 不断更新，关于他们药理活性方面的研究也在不断地吸引着科学家们。自从金 刚烷胺的抗病毒药活在1 9 6 4 年被d a v i e s 【4 8 】等人首先发现以来，关于该类化合 物的合成与药理研究得到了深入的发展。研究发现，金刚烷胺不仅可以治疗和 预防甲型流感，也可用于治疗带状疱疹和带状疤疹后的神经痛而且对治疗帕金 森神经障碍也有显著疗效【4 9 。5 3 1 。通过对金刚烷胺类化合物的结构修饰与改造， 合成的新型金刚烷胺类化合物，使其的药效学研究得到了更好的发展，临床常 见的金刚烷胺类似物包括金刚乙胺、曲金刚胺、索金刚胺、美金刚等，如图1 1 3 所示；全氟金刚烷毒性低，从人体中排出的速度比其它全氟化合物快得多，是 合成人造血的理想组分。此外，它在航空领域、高分子材料领域、石油加工领 域均有重要用途，尤其是在精细化工领域，金刚烷可用来制备高级润滑剂、照 相感光材料、表面活性剂、杀虫剂、催化剂等多种产品，因此被誉为下