基于吩噻嗪类抗精神病药物晚期电合成亚砜代谢产物的研究

《Organic and Biomolecular Chemistry》：Late-stage electrosynthesis of sulfoxide metabolites from phenothiazine-based antipsychotic drugsOpen Access

　　

基于吩噻嗪（PTZ）的抗精神病药物在体内被广泛代谢，其中S-氧化是主要的代谢途径之一。本文报道了一种电合成（ES）S-氧化策略在三类不同PTZ类药物类似物——含氨基烷基、哌啶及哌嗪衍生物中的应用。在温和的恒电流条件下，成功生成了含氨基烷基PTZ的亚砜代谢产物，包括氯丙嗪亚砜（2a，68%）、丙嗪亚砜（3a，34%）、三氟丙嗪亚砜（4a，36%）和异丙嗪亚砜（5a，11%）。对于含哌啶的PTZ，硫利达嗪（6）的电氧化选择性生成美索达嗪（7，15%），而7在PTZ环系统上的进一步S-氧化则生成了新型双亚砜7a（3%）。含哌嗪的PTZ三氟拉嗪（8）和氟奋乃静（9）分别提供了亚砜代谢产物8a（9%）和9a（5%），同时伴随前所未有的开环产物8b（1%）和9b（2%），这些产物源于哌嗪环的电化学裂解。研究人员提出了两种不同的开环机制：一种通过脱羧途径（N-去甲基化，Shono型路径），另一种通过α-裂解（邻基参与）。循环伏安法（CV）通过所有代谢产物中第一氧化波的特征性消失证实了S-氧化的成功。该方法进一步扩展至从商业剂型中提取的含硫醚活性药物成分（APIs）。

研究背景与意义

吩噻嗪（PTZ）类药物具有广泛的生物学效应，包括神经阻滞作用、抗菌活性和癌症化学预防特性。这些药物通过抑制中枢神经系统中的多种受体发挥抗精神病作用，尤其对多巴胺D₂受体具有强亲和力。然而，尽管具有治疗益处，此类抗精神病药物的治疗与严重肝毒性相关，有证据表明化学活性代谢物是毒性介质。PTZ衍生物在肝脏中通过细胞色素P₄₅₀同工酶（主要为CYP1A2和CYP3A4）的氧化过程被广泛代谢，其中5-磺化氧化约占32%。计算研究表明硫原子与血红素-Fe在3.0 ?处形成硫-离子对相互作用，支持S-氧化作为可能的代谢途径。人体内PTZ类药物主要代谢途径包括S-氧化、羟基化、结合反应、N-去甲基化和N-氧化。

目前制备药物代谢产物的传统方法存在产率低、条件苛刻、环境污染等问题。电合成（ES）是毒理学筛选领域的前沿技术，能够在温和、绿色条件下直接从母体药物制备药物代谢物样品。本研究旨在开发一种电合成S-氧化策略，应用于三类PTZ类药物类似物，生成其主要的人体代谢产物，并探索电化学方法在该类药物中发现新合成途径的潜力。

研究内容与结论

研究人员将电合成S-氧化策略成功应用于七种含PTZ的临床药物，生成了人体内PTZ衍生物的主要代谢产物S-氧化物。通过循环伏安法（CV）衍生的氧化电位与电合成结果的关联性分析，增强了代谢物形成的预测能力。此外，从含哌嗪的PTZ中分离并表征了两种新型化合物，它们源于不同的开环机制，展示了电化学方法在该类药物中发现新合成途径的潜力。

关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：恒电流批量电解（1.0 mA，MeCN溶剂，TBAPF₆支持电解质，25°C，24小时）进行电合成；循环伏安法（CV）使用玻碳电极（GCE）作为工作电极、铂丝作为对电极、银丝作为参比电极，以Fc/Fc⁺为内标；紫外-可见分光光度法（UV-Vis）监测电解过程；单晶X射线晶体学确证产物结构；核磁共振（NMR）波谱和质谱（MS）分析表征化合物。药物活性成分（APIs）从商业剂型中通过甲醇提取、过滤、浓缩和结晶获得。

研究结果

PTZ母核的批量电解研究：在1.2 V恒电压下对PTZ（1）进行批量电解，通过UV-Vis光谱监测显示453、534和644 nm处出现特征吸收带，表明自由基阳离子电荷转移跃迁和二聚体形成。从无色到深绿色的可逆颜色变化证实了过程的可逆性。电流衰减和累积电荷（F mol^?1）反映每个分子消耗一个电子。

含氨基烷基PTZ代谢产物的电合成：在恒电流条件下（MeCN，TBAPF₆，1.0 mA，25°C）对四种含氨基烷基的PTZ进行24小时氧化，通过重结晶和快速色谱纯化，实现了多毫克级亚砜代谢产物的合成，分别获得2a（68%）、3a（34%）、4a（36%）和5a（11%）。法拉第效率范围为7.6%至47.1%，反映了生产性S-氧化与竞争性可逆过程和副反应之间的平衡。E_pa¹值与电合成结果的关系与电化学预测一致：3（E_pa¹ = 499 mV）比2（E_pa¹ = 595 mV）更易氧化，而4（E_pa¹ = 663 mV）因吸电子–CF₃基团需要更高氧化电位。5a产率较低（11%）归因于支链烷基桥单元中氮相邻的仲碳造成的空间位阻。4a的结构通过单晶X射线晶体学确证。

含氨基烷基PTZ及其代谢产物的循环伏安法研究：S-氧化导致E_pa¹缺失。2的CV显示三个氧化还原过程，而2a仅显示两个，与亚砜基团需要更高电位才能氧化一致。3a、4a和5a的CV同样显示第一氧化还原波缺失，表明其对应于S-氧化。E_pa²波指示2–5中二价阳离子的形成，而E_pa³波指示侧链胺的进一步氧化。

含哌啶PTZ代谢产物的电合成：含哌啶的PTZ 6（E_pa¹: 460 mV）以15%的分离产率生成美索达嗪（7，一种已获批药物）。6的侧链氧化生成7，具有新的锥形硫立体中心，产生非对映异构体（比例为57:43）。对市售7的进一步反应显示，PTZ环系统的芳基硫醚基团（S5位）发生额外S-氧化，生成新型双亚砜7a（3%），其八个可能立体异构体的非对映异构体比例为30:26:18:26。

含哌嗪PTZ代谢产物的电合成：对含哌嗪的PTZ 8和9应用电合成S-氧化，分别生成亚砜代谢产物8a（9%）和9a（5%），法拉第效率分别为14.2%和2.2%。在8a和9a的电合成过程中，观察到哌嗪环开环的进一步电氧化，生成新型代谢产物8b（1%）和9b（2%）。这些发现代表了首次报道电化学诱导的哌嗪开环反应。

开环机制推测：8b的形成涉及包含亚砜形成、N-去甲基化（Shono型反应）和半缩醛胺脱羧开环的七电子过程。顺序氧化生成亚胺离子中间体，原位水解为仲胺和甲醛。N4位进一步氧化、水亲核攻击和α-裂解导致部分开环、醛形成、氧化为羧酸和脱羧。9b的形成涉及五电子过程，羟甲基的存在通过邻基参与（NGP）稳定作用阻止了N-去烷基化，在N4位截获亚胺离子。水分子在两个氮位点（N1和N4）作为亲核试剂，引入羟基，发生α-裂解，断裂两侧的碳-氮键，生成9b和乙二醛副产物。

商业剂型中活性药物成分的电化学研究：从吡格列酮（11，Zentiva? 15 mg片剂）和地尔硫卓（12，Kenzem? 90 mg缓释胶囊）的商业剂型中提取含硫API。两者均表现出高E_pa¹值（分别为1151和1166 mV），接近MeOH:MeCN（1:1）溶剂体系的电化学极限。吡格列酮因溶解性问题无法进行电合成，而地尔硫卓经电氧化（3.21 V，24小时）后，通过LC-MS检测到亚砜代谢物12a（m/z 431.1643 [M + H]⁺）、脱甲氧羰基代谢物12b（m/z 373.1557 [M + H]⁺）及其他未归属代谢物。

讨论与结论

电合成S-氧化策略成功应用于三类PTZ类药物类似物：氨基烷基类（2a 68%、3a 34%、4a 36%、5a 11%）、哌啶类（7 15%、7a 3%）和哌嗪类（8a 9%、9a 5%）。首次分离并表征了两种源于不同哌嗪裂解机制的新型开环化合物（8b和9b），即N-去甲基化/脱羧和邻基参与辅助的α-裂解。该方法进一步应用于商业剂型中提取的含硫醚API，凸显了该方法的多样性和局限性（溶解性、溶剂电位窗口）。循环伏安法一致地通过第一氧化还原波的消失确认了S-氧化。此外，研究人员评估了近期报道的代谢物鉴定，提供了S-氧化是氯丙嗪主要电化学过程的证据。该研究展示了电化学方法在药物代谢物制备中的绿色、温和优势，并为发现该类药物中新的合成途径提供了可能性。