氯取代在药物开发中有何妙用？

chem药物研发2023-08-0456830

氟原子在药物开发中起到非常重要的作用，据统计，最近几年FDA批准的上市药物中，至少含有一个氟原子的药物比例达到了40%左右。

同样作为卤素主族的氯原子，尽管没有像氟原子那样飞龙在天，但也绝不是潜龙在渊的状态。氯原子在上市药和在研药中也经常出现。J. Med. Chem.的一片最新文章介绍了含氯原子的药物的情况，对于含氯原子的药物进行了深入的分析。

氯取代药物

作为一种最常见的含氯原子药物，抗疟药氯喹（chloroquine，图1）中被列入世界卫生组织的基本药物清单。Chloroquine分子中包含一个关键的4-amino-7-chloroquinoline骨架（图1中红色部分），在抗疟原虫的过程中产生重要的药理学作用。

图1. 氯喹化学结构。

氯喹和其它4-amino-7-chloroquinoline 相关分子的一种可能作用机制，是药物以其不带电荷的形式进入疟原虫的消化液泡。这种消化液泡是一种酸性的、类似溶酶体的隔室，对寄生虫的新陈代谢和生存很重要。由于 4-amino-7-chloroquinolines 是弱碱，它们会增加消化液泡内的 pH 值并破坏系统的平衡，最终导致寄生虫死亡。为此，7-氯取代基的吸电子特性，使得氨基喹啉的pK_a降低了约 0.5 个单位(碱性降低)，是该药物药效团中一个微妙但关键的元素（如果药物中基团的碱性过高，在进入寄生虫消化液泡之前就已经带上正电荷，因此成为了共轭酸，无法起到碱的作用）。

研究人员发现，通过引入 7-氯取代，母体氨基喹啉的活性提高了 29 倍。IC₅₀ 值的这种改善可能是由pKa₁（pKa₁来自喹啉上的氮）值降低的 0.5 差异贡献的。值得注意的是，当引入 7-硝基而不是7-氯时，这种效力会减弱，这是由于 pKa₁值下降太多，以至于分子的碱性过弱，不足以影响液泡的 pH 值。这是一种过犹不及的现象。7-氯取代提供了恰到好处的吸电子量，使氨基喹啉 pK_a 处于抗疟原虫活性的最佳范围内。

氯喹就这样为我们提供了一个氯取代提高药效的极佳例子。

图2. 核苷酸1结构: 1A, R=H; 1B, R=Cl。

在图2中描绘的示例中，核苷酸 1A（R=H，IC₅₀=43±22 µM）显示出对肿瘤过度表达的真核起始因子 4E (eIF4E) 的弱亲和力。[iv]1B (R=Cl, IC₅₀=0.059±0.02 µM) 中的对氯取代使抑制效力提高 729 倍。在分析化合物 1B 的蛋白质-配体 X射线共晶结构时，发现氯原子可能会增强化合物 1B与蛋白质结合口袋之间的相互作用。1B的氯原子与Pro¹⁰⁰ 之间的 5.52 Å 距离是范德华相互作用的上限。相比之下，1B的氯原子与Ser⁹² 的氧原子之间的 3.38 Å 距离接近氢键合的最佳范围 2.7–3.0 Å。[v]因此，这种Cl-O相互作用可能含有类似于氢键作用以及范德华作用的成分。此外，对位取代基与这些氨基酸残基的范德华相互作用，遵循 Br (IC₅₀=0.041±0.02 µM) > Cl (IC₅₀=0.059±0.02 µM) > F (IC₅₀=1.59 µM) 的趋势，这与它们的范德华半径一致。

图3. 抗HIV病毒药物2（R=H或Cl）。

在寻求发现对突变的HIV-1 有活性的药物时，研究人员检查了对具有 Y181C 或Y188L 突变的 NNRTI 抗性HIV-1 逆转录酶蛋白保持抑制效力的咪唑类小分子2（图 3）。氯取代物2B (R=Cl) 相对于无取代的咪唑2A（R=H）, 对Y181C 和 Y188L 突变体的抗病毒活性分别显著提高 1300 倍和 >179 倍。在分析2B的蛋白质-配体 X射线共晶结构时，很明显分子的咪唑-羧酰胺部分与蛋白受体结合口袋，通过两个2.66 和 2.86 Å 的氢键得到加强，它们都在氢键的最佳 2.7–3.0 Å 范围内。咪唑部分上的氯取代增强了蛋白质-配体结合，因为它位于氨基酸残基 Phe²²⁷、Pro²³⁶ 和Pro²²⁵之间的最佳位置。氯原子可能通过范德华相互作用增强与蛋白质的结合。氯取代的效力增强作用，其背后的第二个原因是其吸电子性质，它可以降低咪唑 NH 质子的pK_a（酸性增强），从而作为氢键供体与 Lys¹⁰³ 的酰胺羰基的氢键受体之间形成更强的氢键。⁶最后，氯原子可能是 2B优势构象的重要贡献者：(1) 2B 咪唑上的氯原子可能由于电子-电子排斥而避开酰胺羰基上的氧原子；(2) 氯原子可以与酰胺N-H 键形成分子内六元氢键，[vii]进一步稳定配体-受体复合物中的优势构象。

天然化合物的氯取代也能带来优势效果。天然产物及其衍生物历来对药物发现做出了重大贡献，尤其是在癌症和传染病的治疗方面。与合成化合物库相比，天然产物的优势包括较低的亲脂性（较低的 logP/logD 值）和更高的分子刚性。作为一个缺点，天然产品通常具有更高的原子数和分子量，并且它们的结构复杂性，全合成的挑战较大。天然产物的其他独特特征包括更多数量的氢键受体和供体，以及更高的氧原子数。但与合成化合物相比，其氮原子和卤素原子数更少。

将卤素原子，特别是氯原子引入天然产品而增益其所不能，有时能带来意外之喜。一个简单的氯原子，有可能产生“蚍蜉撼大树”的重大影响。

图4. Dihydroartemisinin类似物3化学结构（3A: R=H; 3B: R=Cl; 3C: R=F; 3D: R=CH₃）

双氢青蒿素（dihydroartemisinin）类似物 3A (图4) 结合了含香豆素（coumarin）的结构，对人结直肠腺癌细胞系 HT-29 表现出很强的抗癌活性。化合物 3B 在香豆素部分引入了一个氯原子，其抗 HT-29 的效力是 3A 的1093 倍。[ix]这种效果可能主要由定位良好的亲脂性所决定的，因为甲基类似物 3D（R=CH₃）也显示出优于母体化合物 3A的良好效力。

图5. Kulokekahilide-2化学结构

Kulokekahilide-2（4A, R=H，图 5）是一种从夏威夷海洋软体动物中分离出来的环缩酚肽(cyclodepsipeptide)，对多种哺乳动物肿瘤细胞显示出强大的细胞毒性，尤其是对人类慢性粒细胞白血病癌细胞系 K562。在研究与kulokekahilide-2 相关的 SAR 期间，发现氯化衍生物 4B (R=Cl, 图5) 对K562 细胞系的效力是天然产物 4A的282 倍。据推测，卤素取代的天然产物具有增强的效力，因为氯取代基发挥了生产空间、吸电子和疏水性效应。

图6. Vancomycin化学结构。

受益于氯效应的另一个例子来自于万古霉素（vancomycin，图6），它是一种糖肽抗生素，用作静脉内给药的治疗剂，用于治疗复杂的皮肤感染、血液感染、心内膜炎、骨和关节感染，以及由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (MRSA) 引起的脑膜炎。万古霉素在两个芳环上含有两个氯取代基（图 6）。2013 年，Boger 等人证明，如果将这两个氯中间的一个或者两个都换成H，万古霉素的抗菌活性将大大降低，这是由氯原子在与细菌细胞壁蛋白末端的D-Ala-D-Ala结合过程中的重要作用决定的。[xii]万古霉素正是通过破坏细菌细胞壁生物合成来发挥其药效学作用的。结果发现，含有两个氯原子的万古霉素对金黄色葡萄球菌的效力，是双脱氯化合物的 16 倍。

氯取代优势分析

氟通常是用于药物化学目的的首选卤素原子，那么相对于同族的氟来说，氯具有哪些优势？表1分析和对比了H, F, Cl和甲基在重要物化性质上的数据。

表1. H, F, Cl, CH₃物化特征比较。

尽管氟、氯和甲基取代基各自具有独特的特性，但氯的特性结合了氟和甲基的优势（表 1）。比较氢、氟、氯和甲基的电负性值，氯更接近氟，因此可以作为良好的吸电子取代基。氟与氯通过 σ 键吸电子能力的相似性，反映在它们的哈米特常数σ_meta 的可比性上。但不同的是，氟通过π键系统具有一定的供电子能力（共轭效应）；相反，对于氯，最外层电子位于 3p 轨道中，与 π键系统重叠不佳，导致哈米特常数σ_para 仍然很高（相对于氟。因此氯的拉电子诱导效应强而给电子共轭效应弱）。因此，对位的氯取代(σ_para = 0.23) 比氟取代 (σ_para = 0.06) 更吸电子；而在间位，它们的表现相似，σ_meta值分别为0.37 和 0.34。

当比较氢、氟、氯和甲基取代基的范德华半径、空间参数 (ES) 和摩尔折射率 (MR) 值时，氯更近似于甲基，而氟在大小上更类似于氢原子。此外，就疏水参数 π 而言，氯与甲基更相似。最后，C-Cl 键的偶极矩类似于（甚至略大于）C-F 键的偶极矩。尽管C-F 键的极性比 C-Cl 键更大，但C-Cl键比 C-F 键更长，从而导致更大的偶极矩。考虑到H的氟取代或者甲基取代可以导致效力提高 >500 倍，氯有可能受益于类似于氟和甲基的两种作用，这会导致显著的氯效应。
苯环的氯取代可以显著影响偶极矩，氯取代苯环的偶极矩可以接近杂芳烃（如吡啶或嘧啶）的偶极矩。这些增加的偶极矩反过来可以改善蛋白质-配体、偶极-离子、偶极-偶极和π-π 相互作用。相比之下，CH₃ 的修饰通常不会影响母体分子骨架的偶极矩，因此，就偶极效应而言，氯比甲基更接近氟。
带负电性的氯原子可以使（杂）芳香酸（或共轭酸）酸性更强，例如吡啶共轭酸，当氢被氯取代后，其 pK_a 值会降低。与2-氯吡啶阳离子相比，2-氟吡啶阳离子更低pK_a 说明，氟可以产生类似的效果。相比之下，甲基通常不会显著改变（杂）芳香酸的 pK_a 值，因此，氯在调节pK_a效应方面更类似于氟。
氯取代可以增加苯环的亲电性，氟也显示出类似的效果。但于氟不同的是，邻间对位的氯取代，都会产生增加苯环亲电性的效果，这是因为前面讨论过的，氯具有很强的拉电子诱导效应，但其共轭给电子效应，却因为其较大的原子尺寸和较差的与π键系统重叠，而比氟弱很多。因此相对于氟来说，氯可以看作一个纯粹的拉电子基团。反观氟，其间位取代是拉电子的，这可以从较大的间位哈米特常数看出，而其对位的哈米特常数却很低，显示对位的氟原子是一个较弱的拉电子基团，这是由于其对位的共轭给电子作用较氯强很多。而甲基无论在间位还是对位，都被视作一个给电子基团，增加了苯环的亲核性。
从空间构象角度来看，由于氯比氢的范德华半径大得多，氯取代可以引入空间相互作用，从而影响分子骨架及其取代基的空间拓扑。在这方面，氯取代比氟的影响更显著，并且在这方面，其表现与甲基相似。这些影响反映在表 1中的摩尔折射率和空间参数中。
氯的亲脂性也有利于通过范德华作用改善配体与目标蛋白质的结合。从疏水系数 π来看，氯与甲基的相似性远高于与氟的相似性。存在很多这样的例子，当H 键被 CH₃取代后，药物分子的活性得益于增强的药物-受体疏水性作用而得到了显著的提高。
氯原子最独特的特征是它可以进行卤素作用（卤素键，Halogen bond），这将它与氟和甲基区分开来。虽然卤素原子具有较强的电负性并携带 δ^- 电荷，但氯仍然可以与具有孤对电子的原子和富电子 π 系统结合。[xiii]氯的这种卤素键合（halogen bond）能力补充了它的氢键接受特性，两者可以相互依赖。当氯同时与肽酰胺的C=O 和 N-H 键结合时，卤素键（halogen bond）和氢键（H-bond）的同形成已经成为事实。由于其更大的电负性，氟没有可用的低位 C–F σ* 轨道，因此不能以这种方式与富电子原子相互作用。卤素键的形成可能是配体-蛋白受体作用增强的贡献因素之一。
氯取代颇有一些执两用中的哲学意味，它能够结合氟原子（例如电负性/吸电子能力、代谢稳定性、增加酸度）、甲基（例如亲脂性、范德华作用、空间效应），甚至溴原子（例如卤素键）的特点，并且可以说是这些取代基中更平和中庸的。因此，含氯的药物分子可能在与蛋白受体结合的过程中，充分发挥这种“善利万物”的特点，增加药物的药理学特征。

药物设计的氯取代建议

从数据到应用，氯取代在药物设计中可能产生的正面效果，可以通过以下几点药物设计思路进行彰显：

每个氯取代基的效力改进应超过 10 倍，以抵消亲脂性增加的影响，理想贡献为30 倍或更大。500倍甚至1000倍的氯效应往往是可遇而不可求的。但Cl取代并不是总能产生效力增强的结果，因此应在引入每个氯原子时仔细检查效力变化。

考虑到氯原子在批准的药物中的高出镜率，药物化学家应该了解他们放置在分子上的每个氯原子所带来的确切好处，以避免支架过度氯化。如果氯取代效果没有实现 1) 中的效果，则应考虑去除氯取代。

除了对位取代之外，研究人员应该加大对于邻位和间位取代的研究。

脂肪族氯化物，尤其是叔烷基氯化物和有些仲烷基氯化物，可能是有益的，不应过于忌惮它们的潜在的毒性而有投鼠忌器的感觉。

如果化合物的亲脂性已经很高，则不应过度动用氯取代。在这种情况下，氟可能是更好的选择。

最后，在可能的情况下，应通过蛋白质-配体 X 射线晶体结构或计算机模型，来深层次地评价氯取代的药效学。

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标签：药物设计

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