摘要：本文介绍了阻转异构体的概念，并以抗痛经药物噁拉戈利（Elagolix）为例，演示了如何用Flare QM对模型分子进行扭转角分析，计算消旋化能垒。结果表明，计算的能垒对噁拉戈利的阻转异构体进行了正确的分类，并被文献报道的消旋半衰期T1/2所验证，可以用来解释噁拉戈利纯品在HPLC检测时观察到的双峰现象。

噁拉戈利阻转异构体的扭转角分析

肖高铿/2024-04-28

前言

阻转异构体（atropisomers）是由于单键旋转受阻而产生的立体异构体，也称为轴手性1。如图1所示，单键的两侧存在位阻较大的取代基A、A’、B和B’，这就导致旋转时基团之间存在相互排斥作用。当旋转需要克服的能垒足够大时，一对阻转异构体在室温下不能快速相互转化，就有可能通过手性拆分进行分离1。

阻转异构体示例

图1. 阻转异构体示例，图片来源于文献1

Laplante等人2,3根据轴手性分子在旋转时克服的能垒（⊿Erot）不同，发生消旋的半衰期（T1/2）也不同，将轴手性分子分为三类:

  • 第1类：⊿Erot \(\lt \) 20 kcal/mol，T1/2以秒为单位

    • 可以自由、快速地旋转，显示为单一化合物。

  • 第2类：20 kcal/mol \(\lt \) ⊿Erot \(\lt \) 30 kcal/mol，T1/2在小时和天之间

    • 能发生较快的旋转，能被手性SFC分离，但之后会快速消旋，以混合物状态存在。

  • 第3类：⊿Erot \(\gt \) 30 kcal/mol，T1/2以年为单位

    • 阻转异构体非常稳定，可以进行手性分离，开发单一化合物。

利用QM扭转角分析(Torsion profile)可以得到发生旋转需要克服能垒的大小，帮助我们判断阻转异构体互变速率，指导我们进行分子设计，判断在纯化具有轴手性药物分子时是否需要进行手性SFC分离，从而缩短实验周期1。

噁拉戈利（1）及其类似物（2）的化学结构

图2. 噁拉戈利（1）及其类似物（2）的化学结构，图片来源于文献6

噁拉戈利（Elagolix，1，图2-左）在2018年被美国FDA批准用于治疗因子宫内膜异位症导致的中度和重度疼痛（痛经）4，是首个非肽类口服有效的促性腺激素释放激素（GnRH）拮抗剂。

噁拉戈利的一对轴手性对映体

图3. 噁拉戈利的一对轴手性非对映异构体aR与aS的转化，图片来源于文献6

人们发现高纯度的噁拉戈利和对映异构体S-噁拉戈利在进行HPLC分析时出现了分离很好的双峰，这与噁拉戈利的阻转异构体相互转化有关5。如图3所示，噁拉戈利的C5-C16单键旋转（编号见图2）可产生阻转移构体aR与aS。Ciceri等人6还从高纯度样品的NMR谱图中指认出噁拉戈利aR与aS两种阻转异构体的特征峰，如图4所示。

阻转异构体aR，aS的NMR

图4. 噁拉戈利的NMR分析，图片来源于文献6

虽然人们已经通过HPLC，NMR等方法确认了噁拉戈利阻转异构体可以被分离出来，而且两者之间可以相互转化而消旋化，但是消旋化半衰期T1/2尚未可知。好消息是，人们已经获得了具有同样可旋转单键衍生物2（图2-右）的消旋半衰期6，T1/2=45min，按Laplante等人2,3分类规则属于2类阻转异构体。

本文的目的是，用一个简化的模型分子（图5）来代理噁拉戈利进行基于QM的扭转角分析，来演示Flare QM7的Torsion profile是如何便利地帮助您研究阻转异构体的消旋化及其分类，然后用来解释实验观察到的现象，也可用于指导具有新T1/2特性的分子设计。

结果

可靠的基于QM的扭转角分析只能是1D扫描，噁拉戈利（1）及其衍生物2具有多个柔性键，因此有必要将其简化为仅含一个单键的模型分子。在本研究中，所用的模型分子如图5所示。

模型分子的化学结构及其两面角

图5. 用于QM扭转角分析的模型分子及其两面角C5-C4-C8-C9

在Flare QM/Torsion profile模块里7对模型分子的两面角C5-C4-C8-C9（与噁拉戈利的C17-C16-C5-C4相对应）在BP86-D3BJ/DEF2-TZVP理论水平进行扭转角分析，结果如图6所示。

模型分子的QM扭转角分析结果

图6. 模型分子在BP86-D3BJ/DEF2-TZVP理论水平的扭转角分析结果

从图6可知，在BP86-D3BJ/DEF2-TZVP理论水平计算的消旋化能垒ΔErot=21.1kcal/mol，根据Laplante等人2,3的经验规则属于2类阻转异构体，其T1/2在小时和天之间。这与文献报道6衍生物2的T1/2=45min基本一致。这解释了为什么高纯度的噁拉戈利和对映异构体S-噁拉戈利在进行HPLC分析时会出现良好分离的双峰。此外，当噁拉戈利生物活性构象两面角C17-C16-C5-C4（编号见图2）为-120&deg（aR异构体）与120°（aS异构体）时均为全局极小点，相对张力能均为0kcal/mol，因此如果有足够长的时间达到平衡，aR与aS的异构体含量将达到一致。

阻转异构体2类的化合物存在生产与质量控制上的问题，比如批间质量的重现性差，药物安全性与有效性评价前后不一致等等问题。其中一个值得考虑的策略是消除阻转异构体的源头或进行刚性化设计以避免2类异构体的出现。目前已有文献报道采样此类策略来设计噁拉戈利的衍生物8,9。

材料与方法

蛋白结构与配体结构的准备

将1与GnRH的共晶结构PDB 7BR3下载到Flare V8，并用Protein Prep工具进行结构准备以添加氢原子、优化氢键、消除原子冲突并给蛋白结构与配体分配最佳质子化状态，并对截短的蛋白质链继进行封端。从准备好的复合物结构里将配体提取出来，得到1的生物活性构象与蛋白结构。

模型分子的准备

模型分子（图5）是从上一步准备好的活性构象配体基础上截取得到，截小后的模型分子保留其构象与生物活性构象一致，并作为后续Torsion Profile分析的起点。

QM几何优化

QM几何优化使用Flare QM的Minimize在BP86-D3BJ/DEF2-TZVP理论水平下计算。

QM扭转角分析（Torsion Profile）

用Flare QM的Torsion Profile在BP86-D3BJ/DEF2-TZVP理论水平下对模型分子的两面角进行扭转角分析，计算参数如下：

  • Method: DFT
  • DFT functional: BP86
  • Use dispersion correction：Yes
  • Basis set: def2-tzvp
  • Convergence: Medium
  • Max iterations: 500
  • Number of rotomers: 72
  • Degrees: 5.0°
  • Max Threads: Auto

其中Degrees是根据Number of rotomers自动生成，无需主动设置，这里意味着以5.0°为步长进行两面角扫描。

结论

本文介绍了阻转异构体的概念，并以抗痛经药物噁拉戈利（Elagolix）为例，演示了如何用Flare QM对模型分子进行扭转角分析，计算消旋化能垒。结果表明，计算的能垒对噁拉戈利的阻转异构体进行了正确的分类，并被文献报道的消旋半衰期T1/2所验证，可以用来解释噁拉戈利纯品在HPLC检测时观察到的双峰现象。在制药工业中应该尽量避免阻转异构体的出现，基于QM的扭转角分析可以对新设计的化合物计算能垒、进行准确的分类。

文献

  1. QM阻转异构体计算在药物分子设计中的应用.QM有机化学课堂.2024-04-28 retrieved from: https://chemistry.wuxiapptec.com/cn/qm-cn-43.
  2. Laplante SR, D Fader L, Fandrick KR, Fandrick DR, Hucke O, Kemper R, Miller SP, Edwards PJ. Assessing atropisomer axial chirality in drug discovery and development. J Med Chem. 2011 Oct 27;54(20):7005-22. doi: 10.1021/jm200584g. Epub 2011 Sep 15. PMID: 21848318.
  3. LaPlante SR, Edwards PJ, Fader LD, Jakalian A, Hucke O. Revealing atropisomer axial chirality in drug discovery. ChemMedChem. 2011 Mar 7;6(3):505-13. doi: 10.1002/cmdc.201000485. Epub 2011 Jan 5. PMID: 21360821.
  4. Lamb YN. Elagolix: First Global Approval. Drugs. 2018 Sep;78(14):1501-1508. doi: 10.1007/s40265-018-0977-4. PMID: 30194661.
  5. 广州研创生物技术发展有限公司. 痛经药-噁拉戈利相关杂质研究分享. 2024-04-28 retrieved from: https://zhuanlan.zhihu.com/p/646944976
  6. Ciceri S, Colombo D, Fassi EMA, Ferraboschi P, Grazioso G, Grisenti P, Iannone M, Castellano C, Meneghetti F. Elagolix Sodium Salt and Its Synthetic Intermediates: A Spectroscopic, Crystallographic, and Conformational Study. Molecules. 2023 May 3;28(9):3861. doi: 10.3390/molecules28093861. PMID: 37175271.
  7. Flare™, Cresset®, Litlington, Cambridgeshire, UK. https://www.cresset-group.com/flare
  8. Guo, Z.; Chen, Y.; Huang, C.Q.; Gross, T.D.; Pontillo, J.; Rowbottom, M.W.; Saunders, J.; Struthers, S.; Tucci, F.C.; Xie, Q.; et al. Uracils as potent antagonists of the human gonadotropin-releasing hormone receptor without atropisomers. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2005, 15, 2519–2522.
  9. Zhao, L.; Guo, Z.; Chen, Y.; Hu, T.; Wu, D.; Zhu, Y.-F.; Rowbottom, M.; Gross, T.D.; Tucci, F.C.; Struthers, R.S.; et al. 5-Aryluracils as potent GnRH antagonists-Characterization of atropisomers. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2008, 18, 3344–3349.

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