合成环状多氨多羧酸螯合物造影剂的新方法

摘要

本发明涉及一种属于医药学和化学技术领域的大环多氨多羧酸螯合剂或其盐及它们的顺磁性金属螯合物的新的合成方法，特别是1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四乙酸(DOTA)和1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸(DO3A)及它们的类似物的合成方法。比如以二乙三胺和二乙醇胺为原料，经对甲苯磺酰化之后用氢氧化钠固体直接使它们在N，N-二甲基甲酰胺溶液中成环，再经脱保护基、羧甲基化和螯合反应制得GdDOTA及其盐。

说明书

本发明涉及一种新的制备环状多氨多羧酸化合物或其盐以及它们的顺磁性金属离子螯合物造影剂的方法。本发明属于化学和医药学技术领域，其国际专利分类号分别为C07和A61。

核磁共振成像(MRI)是近年来发展起来的医学诊断新技术，也是目前唯一的一种非侵入性诊断术。它与用来检查人体的另一些技术如计算机断层扫描(CT)等相比具有许多优越之处。比如它不使用电离辐射，避免了X-射线对人体的损伤特别是诱发癌症的危险；它采用的参数多，给出的信息量多，能显示许多CT不能显示的病变等。

目前核磁共振成像主要是通过人体内不同器官或组织、正常组织和病变组织中的质子和这些组织或器官中所含水分子的质子的密度ρ和弛豫时间T₁(自旋—晶格弛豫时间)、T₂(自旋—自旋弛豫时间)三个参数来成像的，图像的质量也主要取决于它们。通常，改变人体器官和组织中的质子密度是不容易的，所以主要通过调节质子的弛豫速率来提高图像质量，而弛豫速率可以通过加入弛豫试剂即造影剂来调节。造影剂一般以顺磁性物质多见，当顺磁性物质接近被测核如质子时，它所产生的局部强磁场对质子的弛豫速率具有加速作用，提高了图像的清晰度和对比度，有助于病灶特别是微小病灶的检出。同时还能缩短成像时间。

原则上讲顺磁性金属离子比如过渡金属离子和镧系金属离子都能影响质子的弛豫速率，如钆离子Gd³⁺，它有七个未成对电子，有个大的磁矩，但在按临床诊断所要求的剂量使用时它对人体的毒性不容忽视。解决这个问题的有效方法是使这些金属离子与有机螯合剂形成稳定的、水溶性的、在人体内不易解离、能通过人体被排泄的螯合物(Chem.Rev.1987，87，901)。

已试验过的顺磁性金属螯合物造影剂有许多，较好的有非环(或称开链)的多氨多羧酸螯合剂如二乙三胺五乙酸的钆(III)螯合物(GdDTPA)(US 401,594；US 4,647,447；WO 91 079；WO 91 1,335)和环状的多氨多羧酸螯合剂如1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四乙酸的钆(III)螯合物(Gd-DOTA)(BE 898,708；WO 86 02,352；DE 3,625,417)，1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸的钆(III)螯合物(Gd-DO3A)(DE 3,625,417；EP 292,689；EP 232,615)等等。环状多氨多羧酸螯合剂如上述两种具有比非环多氨多羧酸螯合剂更强的络合能力，所形成的螯合物更稳定，特别是GdDO3A及其异丙醇衍生物GdDO3A-HP属于非离子型螯合物，避免了离子型造影剂引起的高渗透压产生的付作用，因而用于人体磁共振成像造影时的安全性更好。但这些环状多氨多羧酸螯合物造影剂的合成却是繁琐不便的。

德国Schering A-G公司在比利时专利BE 898,708中用1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四乙酸(DOTA)直接与氧化钆形成GdDOTA，但未涉及螯合剂DOTA的合成方法。Sherry在世界专利WO 86 02,352中提出了一种由三乙四胺和乙二醇为原料经对甲苯磺酰化、醇钠成盐、关环、脱保护基、羧甲基化和螯合等六步合成GdDOTA的方法；Tweedle等在美国专利US 4,885,363中描述了三种制备DO3A的路线：一是由1，4，7，10-四氮杂环十二烷(环楞胺)与三分子氯乙酸作用，经分离得DOTA和DO3A；二是由环楞胺经单甲酰化、羧甲基化和水解反应制备DO3A；三是由N，N-二(氨乙基)苄胺和二乙醇胺经对甲苯磺酰化、氢化钠成盐、关环、氨基钠脱保护基、羧甲基化、氢解去苄基合成DO3A。DO3A的另一种合成方法是Schering A-G公司提出的，由二乙三胺和N，N-二(羟乙基)苄胺经对甲苯酰磺酸化、钠盐化、关环、脱保护基、羧甲基化(用溴乙酸乙酯)，氢解去苄基得DO3A三乙酯，DO3A三乙酯直接与Gd(OAc)₃作用得GdDO3A(DE 3,625,417；EP 255,471)。利用DO3A分子中的仲胺基可以方便地合成各种DO3A衍生物，典型的有10-(2-羟基)丙基-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸(DO3A-HP)(EP 299,795)。

一些非专利文献(如J.Am.Chem.Soc.1974，96，2268)描述了DOTA的前体化合物环楞胺的合成方法，即由二乙三胺和二乙醇胺经对甲苯、磺酰化、醇钠钠盐化、关环、脱保护基等步骤合成环楞胺。

从以往的研究来看，DOTA及其类似物的合成通常以线性多胺和二元醇类化合物如二乙三胺和二乙醇胺或三乙四胺和乙二醇经对甲苯磺酰化、钠盐化、关环、脱保护基、羧甲基化等步骤构成的路线为佳。但这条路线步骤多，尤其是线性多胺的对甲苯磺酰胺钠盐化反应需要严格的无水和/或无氧条件和强碱如氢化钠、乙醇钠等价昂、不易获得的原料。

本发明的目的是提供一种合成环状多氨多羧酸化合物特别是DOTA、DO3A及其衍生物的顺磁性金属螯合物造影剂的经济且简便的新方法。

本发明提供的合成环状多氨多羧酸螯合物造影剂的方法是：以线性多胺和二元醇类化合物为原料，经(1)对甲苯磺酰化反应、(2)关环反应、(3)脱磺酰化反应、(4)羧甲基化反应和(5)螯合反应等步骤合成环状多氨多羧酸化合物(四步)及其螯合物造影剂(五步)。

本发明建立的环状多氨多羧酸螯合剂及其顺磁性金属螯合物的合成路线以DOTA为例可用下面图式说明：

适于用本发明上述方法合成的环状多氨多羧酸螯合物造影剂中的螯合剂或配体具有式1代表的结构通式：其中Y是氧原子、硫原子或者NR；

R是氢原子、烷基、芳基、苄基、带有一个或多个羧基的烷基，

或者-CH₂COOH；

n是1或2；

m是0到3的任一整数；上述螯合物造影剂中的金属离子是原子序数为21到29、42、44或57到70的顺磁性金属离子。

起始原料中线性多胺和二元醇分别具有式2和式3代表的通式：式2和式3中，R¹是氢原子、烷基、芳基、苄基；

Q是氧原子、硫原子或者NR¹；

n是1或2；

p和q分别是0到4之间的任一整数；

X是羟基.用不同的起始原料可以制备相同的产物，也可以制备不同的产物，比如：由三乙四胺和乙二醇为起始原料，经同样的方法和步骤也可以制得DOTA及其顺磁性金属螯合物造影剂；

以二乙三胺和乙二醇为起始原料经同样的方法和步骤可制得1，4，7-三氮杂环壬烷-1，4，7-三乙酸(NOTA)；

以二丙三胺和1，3-丙二醇为起始原料经同样的方法和步骤可制得1，5，9-三杂环十二烷-1，5，9-三乙酸(DOTRA)；

以二乙三胺和N-取代二乙醇胺如N-苄基二乙醇胺(即N，N-二(羟乙基)苄胺)为起始原料可制得DO3A(增加氢解一步)及其衍生物；

以二乙三胺和二缩乙二醇为原料可制得1-氧杂-4，7，10-三氮杂环十二烷-4，7，10-三乙酸；

以二乙三胺和3-硫杂-1，5-戊二醇为原料可制得1-硫杂-4，7，10-三氮环十二烷-4，7，10-三乙酸；    此外，以二乙三胺和2，6-二取代吡啶此处X＝OTs，Br或Cl)为起始原料可制得含吡啶环的3，6，9，15-四氮杂双环[9，3，1]十五烷-1(15)，11，13-三烯-3，6，9-三乙酸(PCTA)：

本发明的关键步骤是关环反应，仔细探索的结果显示：在价廉易得的普通强碱如NaOH作用下，线性多胺的对甲苯磺酰胺和烃化剂二元醇的二对甲苯磺酸酯之间的关环反应能够在非质子极性溶剂中直接完成，并且产率良好。除此之外，本发明还对其它步骤进行了改进，这些改进将在实施例中加以说明。

这里所说的碱是指碱金属氢氧化物包括如：LiOH、NaOH、KOH、CsOH或C₁-C₁₀的季铵碱(R是C₁-C₁₀的烷基)中的一种，或几种的混合物。上述碱可以单独使用也可以与碱金属碳酸盐如Li₂CO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、Cs₂CO₃中的任一种或几种合并使用。NaOH由于其价格低廉、反应效果好而较其他碱或碱与碱的组合物为好。碱的使用量为线性多胺对甲苯磺酰胺的2—20倍。

反应溶剂是指一般常见的非质子极性溶剂如乙腈、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲亚砜、六甲磷酰胺等。

线性多胺的对甲苯磺酰胺和烃化剂二元醇的二对甲苯磺酸酯的投料比可以在1∶0.1到1∶10之间变动。烃化剂除二元醇的二对甲苯磺酸酯外，也可以是二元醇的苯磺酸酯、甲烷磺酸酯或者二氯代、二溴代或二碘代化合物(即式3中X＝PhSO₃、CH₃SO₃、Cl、Br或l)。投料时起始原料的浓度范围可以是0.001M—1M。反应温度可以在室温到140℃之间，或者在室温到反应溶剂沸腾的温度之间。

与已有的技术相比，本发明已达到的技术效果是：由于本发明用碱金属氢氧化物或季铵碱使线性多胺的对甲苯磺酰胺和烃化剂如二元醇的二对甲苯磺酸酯在非质子极性溶剂中一步关环，避免了以往有关技术中使用的昂贵的氢化钠或醇钠和严格的无水和/或无氧条件，并使在以往技术中本来两步进行的反应一步完成，简化了反应步骤和操作。而且，由于醇钠需要用昂贵且危险的金属钠和无水的甲醇或乙醇等新鲜制备，这些不安全的因素也在本发明中不复存在。总之，经济、简便、安全是本发明显而易见的优点。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1 DOTA的合成

1、二乙三胺的对甲苯磺酰化：

57.3g(0.3mol)对甲苯磺酰氯溶于150ml甲苯中。在冰浴冷却和激烈搅拌下将此溶液滴入由10.3g(0.1mol)二乙三胺、100ml 12％的氢氧化钠溶液和200ml甲苯构成的混合物中。滴加完毕后继续搅拌5小时。抽滤、滤饼用水洗至无碱性、烘干。与乙醇共煮2h。过滤、干燥，得白色粉末固体。产率86％，熔点：173—5℃

2、二乙醇胺的对甲苯磺酰化：

57.3g(0.3mol)对甲苯磺酰氯溶于200ml二氯甲烷中，冷却并搅拌下滴入10.5g(0.1mol)二乙醇胺、0.8g四丁基溴化铵、100ml 15％的氢氧化钠溶液和200ml二氯甲烷的混合溶液中，反应4—6h。将反应混合物倾入200ml水中，分去水层，有机层用水洗至中性，无水Na₂SO₄干燥。去除溶剂后用乙醇重结晶，得白色粉末晶体。收率90％，mp 98—100℃。

3、1，4，7，10-四(对甲苯磺酰基)-1，4，7，10-四氮杂环十二烷的合成

56.5g(0.1mol)N，N′，N″-三(对甲苯磺酰基)二乙三胺，10g氢氧化钠细粉，加于1500ml干燥的N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌下升温至110℃。然后滴加56.7g(0.1mol)N，N-二(对甲苯磺酰氧乙基)对甲苯磺酰胺溶于1000ml N，N-二甲基甲酰胺的溶液。搅拌反应9h。去除溶剂，倾入水中。粘性灰白沉淀抽滤，水洗、干燥，重结晶。产率75—83％，mp 270—90℃。

4、1，4，7，10-四氮杂环十二烷四硫酸氢盐的合成：

15g 1，4，7，10-四对甲苯磺酰-1，4，7，10-四氮杂环十二烷溶入100ml浓H₂SO₄中，加热，搅拌10h后冷至室温，用乙醇-乙醚溶液使沉淀析出。过滤、洗涤、干燥，得灰白固体，产率90％，熔点104—9℃。

5、1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四乙酸(DOTA)的制备和纯化

38.6g上述产物溶于水，以氢氧化钠溶液中和，并在热水浴中保持60—70℃。搅拌下滴入37.8g氯乙酸的水溶液，保持pH～9。再于室温反应2h，去除溶剂，残渣用水-乙醇重结晶，并在强酸性阳离子效换树脂柱(H⁺型)上纯化。得高纯DOTA的白色粉末晶体，收率80—90％，mp250℃。

实施例2 GdDOTA钠盐的制备

40.4g(0.1mol)DOTA用适量水溶解，加入18.2g(0.05mol)氧化钆粉末，搅拌、回流24h，用氢氧化钠溶液仔细调pH＝7.0，去除溶剂，得白色固体GdDOTANa，产率接近理论量。

实施例3 GdDOTA N-甲基葡胺盐的合成

40.4g(0.1mol)DOTA溶于适量水，加入18.2g(0.05mol)氧化钆粉末。搅拌、回流24h，用N-甲基葡胺(NMG)仔细调pH＝7.0。去除溶剂。以接近理论量产率得GdDOTA·NMG白色固体。