ldquo氮原子rdquo在药物_城镇介绍

作为经典的生物电子等排替换法，用N原子替换芳香环或芳杂环系统中的CH基团，对相关分子的理化性质和药理参数具有许多重要影响。多数情况下，将CH基团替换为N原子后，能够显著改善各种药理参数。

苯与吡啶的理化性质差异

1.1相对分子量略微增大、范德华半径减小N原子和CH基团在药理参数上的差异，是由于N原子和C原子的半径和电负性的差异所致。

苯环由六个CH基团组成，使得芳环体系的电子云密度均匀分布，各个碳原子上不存在极性差异，因此苯环的偶极矩(μ)为零，环上每个碳原子的化学活性相同；而吡啶环由5个CH基团和1个N原子组成，N原子和CH基团的范德华半径的差异导致N原子核和C原子核对核外电子的约束不同。吡啶相对于苯，分子量会有略微增加(ΔMW=+1Da)，范德华半径缩短(CH的rW=1.77?，N的rW=1.55?)。

1.2永久偶极矩(μ)

苯环为富π-电子体系(IP=9.2eV)，吡啶为缺π-e电子体系(IP=9.eV)。相比苯环上电子云的均匀分布，由于吡啶上的N原子是C原子的“异类”，并且N原子核对核外电子的约束更强，使得每个CH基团上原本均分的电子云状态被破坏，C原子的电负性更低(χ=2.55)，具有未共用电子对的N原子电负性更高(χ=.0)，电子云更偏向于N原子，使得电子密度云的重新分配，造成吡啶环上各部位电子云密度分布不均，产生永久偶极性(μ=2.2D)。

相比苯环，吡啶环的C-2位和C-位由于电子云密度降低，其C-2和C-发生亲电反应需要获得比苯环更大的活化能。

1.强氢键受体、增加极性表面积、提高溶解度以及降低亲脂性(LogP)

N原子的极性也体现在其他方面：苯环上的CH基团，吡啶上存在的具有未共用电子对的N原子是良好的氢键受体(IE苯=?1.7kcal/mol，IE吡啶=?2.2kcal/mol)。

由于吡啶上N原子的存在，使得该芳杂环成为强氢键受体(pKBHX=1.86，其共轭酸的pKa=5.20)，导致极性表面积的增加(tPSA=12.9?2)，亲脂性降低(ΔCLogP=?1.50)，水溶解度改善(吡啶与水混溶，苯的S水=1.8g/L)。

药物分子中的N原子

在芳环和芳杂环体系中，以N原子代替CH基团是微小的结构修饰，但由于分子的理化性质变化，会改变分子间的相互作用，可能对药理上有很大的影响。

2.1增加体外亲和力

虽然相比单独一个苯环，用N原子替换复杂“类药”分子中的CH基团通常对理化性质产生影响相对较小，但这种结构修饰多数有利于配体与受体亲和力的改善。

通常引入的N原子对配体有效构象或有利的静电相互作用产生积极影响，或者有利于配体与受体之间形成活性所需的氢键作用。

化合物1和化合物2是新型纳曲酮类μ阿片受体拮抗剂。将纳曲酮与牛视紫红质μ阿片受体同源模型进行对接显示，衍生物中骨架C-1位羟基上的芳环和芳杂环，通过与受体上氨基酸残基形成氢键作用或π-π作用增加了配体的亲和力和选择性。

在竞争性结合能力测试中发现，相比纳曲酮(μ-ORKi=0.26nM)，化合物1的结合能力明显降低(μ-ORKi=nM)。将C-1羟基上的苯环改为吡啶环后，发现2-氮杂类似物(2，μ-ORKi=0.1nM)比化合物1的亲和力提高了倍，并且-氮杂和-氮杂衍生物(μ-ORKi分别为1.6nM和5.6nM)也有很大程度的提高。

同时，2-氮杂衍生物2也具有良好的选择性(κ-ORKi=26nM，δ-ORKi=nM)。分子对接结果发现，化合物2能够与μ-OR(绿色)的跨膜螺旋II中Gln2.60和Asn2.6形成良好的分子间氢键网络，导致选择性增加。这种氢键网络作用在κ-OR(黑色)和δ-OR(紫色)中是不存在的。

2.2增加体外活性

配体结合力的差异通常是由于配体的构象大小、形状和静电作用等差异，导致氢键作用、疏水性和去溶剂化效应等不同。将CH用N原子取代，会对配体的构象大小、形状和静电作用造成影响，进而优化化合物的生化活性、细胞活性和靶标选择性，甚至可能改变药理功能。

2.2.1生化活性化合物和5是细胞分裂周期7(Cdc7)激酶抑制剂，Cdc7参与Mcm复合物的磷酸化和活化。

化合物5是化合物的-吡啶基取代衍生物，其是靶点效力是化合物的倍。这是由于化合物5中吡啶的N原子能够与Cdc7的铰链区产生氢键相互作用，而化合物没有吡啶基，导致其与Cdc7铰链区缺乏相应的效力。

2.2.2细胞活性

化合物6和7是PORCN抑制剂，PORCN是细胞膜上的一种O-酰基转移酶，对于Wnt蛋白的激活和分泌至关重要。

化合物6含有吡咯基，化合物7含有多一个N原子的咪唑基，导致化合物7的细胞活性是化合物6的00倍。低能构象叠加表明，化合物7(灰色)和另外两种已知的PORCN抑制剂(绿色和粉色)具有相同的药效团，但7中咪唑的N原子可以作为PORCN中氨基酸残基的氢键受体，从而提高了其的细胞活性。

2.2.目标选择性

化合物8和9是FLT/CDK双重抑制剂，FLT和CDK这两种激酶具有相似的结合域，同时抑制这两种激酶能够使药物发挥出协同药效。

细胞周期蛋白依赖性激酶家族中有多个成员，FLT/CDK双重抑制剂化合物8含有氨基吡啶结构，除了对CDK表现出良好的抑制作用外，还发现8对CDK1也表现出选择性(FLTIC50=0.μM，CDK/D1IC50=0.μM，CDK1/BIC50=0.02μM)。

当氨基吡啶用氨基哒嗪替换后，化合物9不仅对FLT和CDK具有优异的效力，而且显着降低了对CDK1的选择性(FLTIC50=0.μM，CDK/D1IC50=0.μM，CDK1/BIC50=1.5μM)。

2.2.改变药理功能

化合物10是C6位为萘酰胺的纳曲酮修饰物，对μ-阿片受体具有拮抗作用。

化合物11是C6位为喹啉酰胺的衍生物，与化合物50的区别仅是将萘的α位的CH基团替换为N原子，却对μ-阿片受体表现出部分激动作用。

2.改善在药动、药物代谢性质

化合物的内在活性和成药性是创新药物的两个基本要素，活性是药物的基础和核心，成药性是辅佐活性发挥药效的必要条件。现代药物设计除了重点考察化合物的内在活性外，还需要同时优化分子组成、理化性质、药动学和药代性质，以使得活性化合物即具有类药性，又具有成药性。

通常将CH基团用N原子替换对碱性、亲脂性性、极性表面积和氢键能力的影响是可以预测的，但对溶解性、细胞膜透过性、血浆蛋白结合能力和代谢稳定性的影响可能比较反复无常。

水溶解性是药物穿越细胞膜、被吸收的前提。芳环或芳杂环上用N原子替换CH对溶解性的改善，是由于被引入N原子能够为化合物提供了更多的氢键受体。

脂溶性强的化合物过膜的速率较快。化合物的亲脂性对于细胞膜透过性、生物利用度和穿越血脑屏障是非常重要的。一般来讲，水溶性较强的化合物脂溶性较差，反之亦然。如果被引入的N原子可以适当调整亲脂性、氢键供体/受体强度、或者与配体结构中的氢键供体部分形成分子内氢键，那么用N原子替代CH基团是可以改善细胞膜透过性的。

2..1溶解度

化合物12是细胞周期蛋白依赖性激酶(CDKs)抑制剂，CDKs能够磷酸化参与细胞周期以及功能调节和转录调节的多种蛋白质。化合物12表现出良好的酶活性和细胞活性(CDK2/CyAIC50=0.μM；AcellIC50=0.9μM)，但其溶解性差(SpH7.01.0μM)。

以化合物12为先导物，将其苯环替换为吡啶环，获得-氮杂类似物1。化合物1表现出与12相似的酶活性和细胞活性(CDK2/CyAIC50=0.μM；AcellIC50=1.2μM)，同时其水溶解性是12的倍。此外，化合物5的2-氮杂和-氮杂类似物在pH7.0时的溶解度也明显提高(分别为和10μM)。

2..2细胞膜透过性

化合物1是代谢型谷氨酸受体(mGlu)的正性变构调节剂(PAM)，除了其细胞膜渗透性差外，PAM活性较弱(mGluEC50=2.2μM，Emax=%；PAMPAPappA→B0.10×10-6cm/s)。

化合物1的苯基替换为吡啶基，-氮杂衍生物15的渗透性提高了倍，但PAM活性完全丧失为代价(mGluECμM；PAMPAPappA→B=19×10-6cm/s)。研究发现，化合物1的2-氮杂衍生物细胞渗透性能够提高0倍，同时生物活性也提高了10倍(mGluEC50=0.22μM，Emax=％；PAMPAPappA→B=.0×10-6cm/s)。

2..血浆蛋白质的结合

在正常情况下，各种药物以一定的比率与血浆蛋白结合，在血浆中常同时存在结合型与游离型。药物进入循环后首先与血浆蛋白成为结合型药物，是药物在体内的运输形式，而游离型药物才具有药物活性。当药物与血浆蛋白结合能力过强时，会影响游离型药物的浓度，从而影响药效的发挥。

化合物16是代谢型谷氨酸受体5(mGlu5)的正性变构调节剂(PAM)，具有恶唑烷酮结构，具有高生物活性和血浆蛋白结合能力(mGluR5PAMEC50=0.0nM；fu=0.0%)

化合物17是16的-氮杂衍生物，虽然生物活性有所下降，但显著降低了血浆蛋白结合能力(mGluR5PAMEC50=1nM；fu=1%)。此外，66的2-氮杂和-氮杂衍生物表现较低的血浆蛋白质结合(分别为fu=6.和8.2％)

2..代谢稳定性

化合物18是通过虚拟筛选确定的含有硫脲结构的烟酰胺磷酸核糖转移酶(Nampt)抑制剂，Nampt是由烟酰胺生物合成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)的限速酶。化合物18具有适度的生物活性和溶解性(NamptIC50=0.7μM；S水=2.0μM)，但在小鼠肝微粒体中的稳定性差(MLM%remaining

0min=0.10)。

化合物19是18的氮杂衍生物，其生物活性、溶解性和肝微粒体稳定性都得到提高(NamptIC50=0.μM；MLM%remaining

0min=16；S水=82μM)。

2.增加体外安全性

药物的脱靶效应是造成毒副作用的原因之一，脱靶的分子可能对CYP、hERG等基因或酶产生作用。为避免药物对CYP的抑制和与hERG的结合，通常采用增加分子极性，降低亲脂性等方法。用N原子取代CH基团可以解决分子极性和亲脂性等问题。

2..1CYP抑制作用

参与药物代谢的酶主要以细胞色素P50(CYP50)为主。药物对CYP50的抑制剂可以使药酶活性减弱，使其本身或其他药物代谢减慢，延长药物作用时间。但药物在体内的过度蓄积会发生毒副作用。

化合物20是PIKδ选择性抑制剂(PIKδIC50=1.8nM)，对CYPA具有时间依赖性抑制作用。

化合物21是20的吲唑衍生物，能够保持对PIKδ的选择性效能(PIKδIC50=.1nM)，同时对CYPA不存在时间依赖性抑制作用。

2..2hERG活性

在心肌细胞中，hERG钾通道影响心脏动作电位的复极过程。有些化合物阻断该通道引起QT间期延长，这是引起心脏毒性的主要原因，因为hERG毒性而被撤市的药物有很多。

化合物22是一种电压门控钠离子通道拮抗剂(hNav1.7IC50=2.9μM)，含有-氨基吡啶结构，对hERG表现出较高的结合能力。

化合物2是22的2-吡嗪基衍生物，拮抗能力提高了.7倍(hNav1.7IC50=0.62μM)，同时对hERG的结合能力也明显降低。

2.5改善体内药理学性质

药物分子中以N原子代替CH基团，有许多化合物不只在体外活性筛选中表现出良好的生物活性，在体内测试中也表现良好。

2.5.1基质金属蛋白激酶1(MMP-1)抑制剂

化合物2和25是基质金属蛋白激酶1(MMP-1)抑制剂，基质金属蛋白激酶1(MMP-1)参与细胞外基质的降解。

通过高通量筛选，获得喹唑酮2与其氮杂衍生物吡啶并嘧啶酮25。化合物25中引入N原子的目的是限制CYP介导的对2中C7位的代谢反应。在大鼠的药代动力学研究中，25比2明显提高了生物利用度，清除率等药理学参数。

(注：化合物2%F=9.0，CL=20mL/min/kg，AUC0→∞=80ng/h/mL；化合物25%F=7，CL=7.6mL/min/kg，AUC0→∞=1ng/h/mL)

2.5.2PIKδ抑制剂

化合物26是含有苯并咪唑结构的PIKδ抑制剂，区别在于咪唑上N-1位引入吡啶基获得-氮杂衍生物27。分别对大鼠静脉注射0.50mg/kg剂量的26和0.71mg/kg剂量的27，27比26表现出显著降低的血浆清除率(化合物26CL=2.L·h-1·kg-1，CLu=27L·h-1·kg-1；化合物27CL=0.9L·h-1·kg-1，CLu=2.6L/h/kgfor27)。

在大鼠的血蓝蛋白测试中，氮杂衍生物27也便显出较高效力(IgGED50=0.mg/kg；IgMED50=0.12mg/kg)

总结

用N原子代替CH基团后改善药理学参数的文献报道有很多。为了使药物在药理学方便获得最大改善，应选择最恰当的CH基团用N原子替换，通常进行替换时可采用以下几种原则：

1.能够与受体特定氨基酸残基或通过水分子介导形成活性所需的氢键作用；

2.能够避免CH基团与受体的不利范德华作用；

.能够与抗靶受体形成不利的静电相互作用；

.有利于配体药效构象的形成；

5.能够掩盖配体的氢键受体；

6.配体中N原子存在时，降低碱性或氢键供体作用；

7.能够使配体的极性表面积平均分布；

8.能够适当调整配体的亲脂性

9.能够提高配体的化学稳定性；