综述：用于放射性药物应用的放射性核素配位化学表征的化学工具

《Chemical Reviews》：Chemical Tools to Characterize the Coordination Chemistry of Radionuclides for Radiopharmaceutical Applications

本综述系统总结了放射性药物开发中关键放射性核素（如99mTc、68Ga、177Lu等）配位化学的先进表征策略。作者强调在纳摩尔至皮摩尔尺度下，需结合宏观表征（NMR、X射线晶体学、UV-vis、EPR、CV）与示踪水平兼容技术（radio-HPLC、radio-TLC），并详细探讨了热力学稳定性测定、动力学惰性评估、计算建模及体内外稳定性分析方案，为开发临床可转化放射性药物提供了严谨的方法学框架。

　　

2. 放射性核素生产

放射性金属通常通过加速器带电粒子轰击、反应堆裂变/中子俘获反应或光核反应生产。带电粒子反应（如⁶⁴Ni(p,n)⁶⁴Cu）可产生高摩尔活度的产物，因其与靶材料元素不同可化学分离。反应堆生产路线包括⁹⁹Mo/^99mTc发生器系统，其中⁹⁹Mo由裂变材料产生并衰变为SPECT同位素^99mTc。中子俘获反应可生产治疗性同位素如¹⁷⁷Lu和⁹⁰Y，但通常摩尔活度较低，除非采用间接路线（如¹⁷⁶Yb(n,γ)¹⁷⁷Yb→¹⁷⁷Lu）。光核生产途径利用电子加速器产生光子诱导核反应，对⁶⁷Cu、⁴⁷Sc和²²⁵Ac等同位素显示出潜力。

2.2. 放射性核素纯度与前体物种

放射性核素制备中需考虑稳定污染元素的存在，这会影响现代螯合剂的广泛亲和力。摩尔活性（单位活性所需螯合剂质量）是关键参数，可通过滴定反应（rTLC或HPLC分析）或痕量金属质谱法评估。前者简单易行，但无法识别未知污染物；后者更决定性，但忽略螯合剂与多种元素物种的相对亲和力差异。

3. 非放射性配合物的表征

新螯合剂的合成需详细报告实验条件、纯化方法和产率。表征技术至少包括核磁共振（NMR）、高分辨质谱（HRMS）和元素分析（EA）。分析型HPLC谱图和HRMS用于确定样品纯度，但可能无法显示盐分存在。

3.1. NMR光谱学

NMR是阐明分子连接性和身份的最有力技术之一。除常规¹H和¹³C NMR谱外，多种杂原子（³¹P、¹⁵N、¹⁹F、²⁹Si）和金属（⁷¹Ga、⁸⁹Y、⁴⁵Sc、¹⁰³Rh、¹⁹⁵Pt、²⁰⁷Pb、⁹⁹Tc等）可通过多核NMR方法探测，提供配位化合物的额外结构和电子信息。四极核（如⁴⁵Sc、⁷¹Ga或¹³⁹La）由于快速弛豫产生非常宽的信号。高对称性配位环境倾向于产生易于检测、分辨良好的信号。长寿命四极同位素锝-99（⁹⁹Tc）的NMR是探测氧化态或确定Tc配合物溶液结构的有力工具。过去几十年中，顺磁NMR的发展增强了表征含未配对电子配位化合物的能力，其理论和应用最近已被综述。

3.2. X射线晶体学

X射线晶体学是表征金属配合物的常用技术，可提供设计螯合剂与目标金属离子潜在配位模式的见解。然而，这些晶体结构不应被解释为唯一的构型确认。它们可能代表固态情况，但溶液中存在的几种可能构象中，往往只有一种在固态优先结晶。相关例子包括[Er(PYTA)]^–和[Bi(macropa)]⁺的已发表晶体结构。[Er(PYTA)]^–晶体包含一个九配位结构，其中一个乙酸酯侧臂指向远离金属中心的方向，这与记录的NMR谱（仅与具有D₂对称性的十配位结构兼容）形成对比。[Bi(macropa)]⁺的¹H NMR谱显示信号与有效C₂对称性兼容，但谱图显示比[Pb(macropa)]配合物更不明确的多重峰，表明Bi³⁺配合物具有更动态的行为。在这种情况下，使用计算模型（见第6节）探测溶液结构比将单一固态结构识别为唯一溶液相关结构异构体更合适。

3.3. 吸收光谱学

紫外、可见和近红外区域的吸收光谱是配位化学中最古老和最常用的表征方法之一。过渡金属配位化合物在可见或近红外（NIR）区域的吸收光谱通常由d轨道的能量决定，可采用配体场理论预测d-d跃迁。此外，紫外-可见（UV-vis）区域的电荷转移（CT）谱带可提供金属-配体相互作用强度和性质的见解。这对于第一行过渡金属离子（如Ti⁴⁺、V⁵⁺、Cu²⁺、Co^2+/3+和Mn^2+/3+）尤其具有诊断性，可使用UV-vis吸收光谱表征pH依赖性物种形成。虽然d¹⁰填充或空d轨道可导致许多主族和过渡金属离子在光谱可见部分没有CT或d-d吸收带，但配体特异性光谱特征的特征位移提供了配体结合的见解。这对于在仅有有限量配体可用时推导pH依赖性物种形成特别有用；第5节提供了关于此特定应用的更详细见解和几个案例研究。此外，具有[Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²电子构型的p区金属离子（Pb²⁺、Bi³⁺）在UV区域显示由于6sp←6s激发的特征吸收带，可提供配体结合的有用信息。电子吸收和发射光谱对于表征镧系离子配合物也极为有用。通常，过渡金属配合物中激发态的能最小值沿一个或多个简正坐标相对于基态发生位移，由于许多非零弗兰克-康登因子导致宽的d-d吸收带。相反，镧系离子的f-f吸收和发射带由于4f轨道的内部特性而狭窄。一些f-f跃迁对配位环境超敏感，在吸收和发射光谱中具有非常重要的诊断价值。镧系配合物中激发态的寿命也可提供重要的结构信息（即配位水分子数）。此外，确定配体的消光系数是确定精确配体浓度的有用方法。

3.4. 电子顺磁共振光谱学

与NMR光谱相比，电子顺磁共振（EPR）光谱对于大多数合成实验室来说是一种较不常规的分析工具，但对于理解不同配体环境中顺磁金属中心的电子结构至关重要。EPR，也称为电子自旋共振光谱（ESR），提供具有未配对电子的金属中心电子结构以及与邻近核或电子自旋相互作用的详细信息。EPR信号是金属、氧化和自旋态的特征，可用于识别特定物种的存在并进行定量分析。最后，分子轨道计算（主要使用密度泛函理论）的进展极大地增强了对实验数据的解释（见第6节）。最常见的是，EPR用于表征Cu²⁺配合物（图4）的溶液结构，以确认或对比从计算和晶体学数据获得的结构见解。

3.5. 循环伏安法

电化学技术可用于配位化学中的广泛应用。一些放射性药物相关元素在生物相关条件下的水介质中显示电化学非 innocence，如Cu、Co、Mn、Tc、Re、Pt或Th。表征这些元素配位化合物的电化学行为、识别相关氧化还原事件以及评估各种氧化态物种的化学稳定性，提供了其溶液行为的全面图像。配位化学家进行电化学实验最常用的技术是：1) 瞬态（例如，循环伏安法）或稳态（例如，旋转圆盘或微电极）条件下的伏安法，需要解释电流-电位-时间（I-E-t）曲线；2) 光谱电化学测量，其中光谱或其他测量方法（例如，质谱法）与电化学结合使用以表征电极过程的中间体或产物；以及3) 用于电合成目的或用于与氧化还原反应或半电池反应相关的电子数库仑测定的批量电解。重要的是，此类电化学方法必须在与配位化合物用于生物应用的条件相似的情况下进行（即，在适当的pH值下在水性条件下）。此外，需要正确测量电极电位，并且在各种电极电位标度之间转换时必须使用适当的参考电位，以允许直接比较不同研究小组获得的结果。最常用的参考电位是标准氢电极（NHE），以及Ag/AgCl（当填充饱和KCl时相对于NHE为+0.197 V；当填充3 M KCl时为+0.210 V）和饱和甘汞电极（SCE，相对于NHE为+0.241 V）。

对于当代放射性药物应用，研究最广泛的氧化还原事件是Cu^2+/+、Mn^3+/2+和Co^3+/2+。代表性的循环伏安法实验报道用于Cu²⁺螯合物和Mn²⁺配合物，如图5所示，使用Ag/AgCl参比电极和玻碳工作电极记录。两种配合物提供准可逆波，阳极和阴极波的分离略高于预测的一电子可逆过程的57 mV。[Cu(CBTE1A)]⁺获得的还原半波电位（-0.92 V vs. Ag/AgCl填充3 M KCl，对应于相对于NHE的-0.61 V）明显超出体内常见还原剂的窗口。这预计将阻止在生物还原剂（如抗坏血酸）存在下配合物解离。[Mn(CHXPYAN)]²⁺观察到的半波电位为+0.57 V，对应于相对于NHE的+0.78 V。这表明Mn²⁺配合物相当耐氧化，因为氧气还原为水的电位在pH 7时相对于NHE为E_O2/H₂O = +0.82 V。对于Cu^2+/+、Mn^3+/2+和Co^3+/2+对，两种氧化态都可以在生物条件下稳定，并且与放射性药物应用兼容。这可以通过两种方式实现：a) 稳定一种氧化态而非另一种以防止任何体内氧化还原事件，或b) 采用可以稳定两种氧化态的螯合物。就电化学行为而言，这意味着在情景a)中，氧化还原电位位于谷胱甘肽和抗坏血酸的氧化还原电位之外，甚至超出氧气还原为水的范围，并且通常是可逆或准可逆的，具有紧密间隔的还原和氧化波。大多数Cu²⁺螯合物如NOTA^3–、CBTE1A^–和其他属于此类，以及几种Mn²⁺螯合物。对于情景b)，几种Co^2+/3+和Ni^2+/3+配合物已被表征为在体内两种形式下均稳定。它们的循环伏安图显示不可逆，或者还原和氧化波被大的电压差分隔；然而两种氧化态都是可及的。此类行为通常与螯合物的结构变化或相应金属配合物的配位几何和/或配位数变化相关，然而氧化还原事件实际上是可逆的，没有发生脱螯或其他配合物降解事件。

4. 无稳定同位素的核素化学表征

通常，观测稳定的或非正式地称为“冷”的配合物在宏观尺度上的表征数据提供了痕量化学行为的适当预测。然而，对于核医学中感兴趣的一些放射性同位素，不存在观测稳定的同位素（表2）。在这些情况下，可以使用同系物来获得结构信息，以指导和评估感兴趣配体对放射性金属的潜力。或者，可以进行不需要接触放射性同位素的计算研究，以进一步帮助化学发现和表征。最常研究的、没有稳定同位素的短寿命放射性核素是锝（^99mTc，t_1/2 = 6.0 h）、锕（²²⁵Ac，t_1/2 = 9.9 d）、镭（²²³Ra，t_1/2 = 11.4 d）、钍（²²⁷Th，t_1/2 = 18.7 d）和砹（²²¹At，t_1/2 = 7.2 h）。对于前四种同位素，可以找到具有相似化学性质的其他元素或同一元素的