《Crystals》：Design and Construction of Novel Frustrated Lewis Pairs Based on Modified Lewis Acid B(C6F5)3
Quanwei Wang,
Zonggui Li,
Yanuo Cui,
Jiashuo Zhang,
Huilin Li and
Wei Li
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合成睾酮衍生物，即17α-烷基化蛋白同化雄激素类固醇（17α-alkylated anabolic–androgenic steroids, AAS），已被开发用于在保留蛋白同化效应的同时实现口服给药。本研究报道了新近发现的三类药物水合固体形态：氧雄龙半水合物
合成睾酮衍生物，即17α-烷基化蛋白同化雄激素类固醇（17α-alkylated anabolic–androgenic steroids, AAS），已被开发用于在保留蛋白同化效应的同时实现口服给药。本研究报道了新近发现的三类药物水合固体形态：氧雄龙半水合物（oxandrolone hemihydrate, C??H??O?·0.5H?O）、氟甲睾酮水合物（fluoxymesterone hydrate, C??H??FO?·H?O）以及美雄酮半水合物（methandienone hemihydrate, C??H??O?·0.5H?O）。研究人员利用单晶X射线衍射（single-crystal X-ray diffraction, SCXRD）确定了上述化合物的晶体结构，并辅以粉末X射线衍射（powder X-ray diffraction, PXRD）和热分析进行验证。此外，研究人员还采用计算方法探究了分子间相互作用与晶体堆积行为。晶格能（lattice energy）评估结果表明，水合形态在能量上较其无水对应物更不稳定，其晶格能负值显著较小（例如，氧雄龙半水合物为?113.4 kJ/mol，而无水形态为?164.4 kJ/mol）。能量分解分析（energy decomposition analysis）揭示，尽管水分子主要参与以静电驱动的氢键作用，但其破坏了无水相中存在的色散堆积效率。具体而言，分子间相互作用能分析显示，主体?主体氢键（host–host hydrogen bonds，在氧雄龙中最高达?62.2 kJ/mol）强于较弱的主体?水耦合作用（?8.9至?34.9 kJ/mol）。本研究新报道的晶体结构丰富了17α-烷基化类固醇的固态形态目录，并为这些水合物在气候应力条件下观察到的亚稳态特性及其脱水驱动相变（dehydration-driven phase transformations）提供了重要细节。
类固醇（steroids）是一类具有共同四环核心结构的生物活性化合物，其固态行为特别是多晶型现象（polymism）和溶剂化物/水合物的形成对于药物稳定性与生物利用度至关重要。由于类固醇核上存在羟基和羰基，易于形成复杂的氢键网络，常常需要水分子掺入以稳定晶格。发现与表征新的固态形态如水合物或多晶型，为优化甾体药物的物理化学特性提供了重要机遇。
17α-烷基化蛋白同化雄激素类固醇是一类从睾酮衍生的合成药物，临床用于治疗肌肉萎缩、骨质疏松、烧伤恢复、肌少症、性腺功能减退症、贫血及乳腺癌等疾病。这些化合物共有的C17α-烷基化结构特征可增强口服生物利用度，因其能抵抗肝脏代谢。然而，17α-烷基基团引入的空间位阻阻碍了类固醇核的紧密堆积，从而有利于水分子作为结构填充剂和氢键介导者掺入晶格以满足晶体的能量需求。此前，这些类固醇的无水形态晶体结构已有报道并临床应用，但其亚稳态水合物的鉴定与结构表征在很大程度上未被探索。因此，开展本研究旨在阐明三种新发现水合物的晶体结构，并通过计算方法研究其超分子合成子（supramolecular synthons），分析分子间相互作用与热稳定性，以理解类固醇骨架上的细微化学修饰如何转化为固态结构与药物货架期的显著差异。该论文发表于《Crystals》。
研究人员开展研究时采用的主要关键技术方法包括：从武汉舒麦科技有限公司获得三种类固醇化合物样品，分别采用水-丁醇或乙醇-水混合溶剂体系，通过控制降温速率的缓慢蒸发法培养单晶；利用SuperNova单晶衍射仪（配备Cu/Mo双微焦点光源和Eos CCD检测器）进行单晶X射线衍射数据采集，采用SHELXT和SHELXL进行结构解析与精修；使用Bruker D8 Advance粉末衍射仪进行PXRD表征以验证相纯度；运用CrystalExplorer软件基于B3LYP/6-31G(d,p)波函数进行分子间相互作用能和晶格能计算，将能量分解为静电、极化、色散和交换-排斥四项分量；采用Shimadzu DTG-60H同步热分析仪进行差热分析（DTA）和热重分析（TGA），并在Memmert HCP105气候箱中（75%相对湿度、40°C）进行加速稳定性试验，通过定期PXRD监测相变行为。
研究结果部分：
3.1 晶体结构表征
Dbl·0.5H?O：美雄酮半水合物结晶于非中心对称的正交晶系P2?2?2?空间群，不对称单元中包含两个独立的类固醇分子和一个水分子，这与此前报道的无水美雄酮结构相似。美雄酮分子呈头尾排列，通过O2–H···O1氢键在c轴方向形成无限锯齿链；水分子通过O–H···O相互作用沿b方向桥接相邻链。A环双键（C1=C2和C4=C5）呈平面构象，B环和C环为扭曲半椅式构象，D环为信封式构象。研究人员指出剑桥结构数据库（Cambridge Structural Database, CSD）中CERVAX条目对应的是饱和类似物17α-甲基睾酮，与美雄酮在C1=C2双键存在根本化学差异，这影响了A环平面性。
Oxa·0.5H?O：氧雄龙半水合物结晶于正交晶系、非中心对称的P2?2?2空间群，不对称单元含一个类固醇分子和一个位于特殊位置（二重旋转反演轴）的水分子，贡献?个分子。与无水氧雄龙结构（ANSTER10）类似，分子通过O2–H2···O1氢键在a轴方向形成无限锯齿链；相邻链通过水分子O3–H3···O2氢键与类固醇羟基桥接，并有额外的C–H···O接触。A环内酯桥导致略微扭曲的半椅式构象，B环和C环为椅式构象，D环呈轻度扭曲信封式构象。
Flu·H?O：氟甲睾酮水合物结晶于P2?2?2?空间群，呈现1:1的类固醇-水化学计量比，有别于前两种化合物的2:1比例。其超分子结构特征为通过O2–H2···O1氢键连接的头尾分子链；水分子参与链间连接，形成O3–H3B···O2和O3–H3B···O1氢键，且因11β位羟基存在额外的O4–H4···O3氢键。弱的范德华相互作用包括C–H···O和C–H···F接触进一步稳定晶格。A环呈介导的沙发-半椅式构象，B环和C环为椅式构象，五元D环呈轻度扭曲信封形。
3.2 X射线粉末衍射分析：实验PXRD图谱与基于CIF文件计算的模拟图谱在衍射峰位置上高度一致，证实了研究样品为单一、定义明确的晶相。实验图谱中某些衍射峰的相对强度差异可归因于晶粒的择优取向效应。
3.3 气候箱中晶型稳定性评估：在75%相对湿度、40°C条件下，所有水合物均显示出不稳定性并在24小时内开始向其无水形态转化。氧雄龙半水合物在24小时后仅残留痕量水合物，两周后完全消失；氟甲睾酮水合物在24小时内转化较不显著，但在12周内持续转化，期末仍有相当量水合物存在；美雄酮半水合物在24小时内完全相转变并在整个12周研究中保持无水状态。该结果揭示了三种水合物亚稳态程度的不同。
3.4 晶格能评估：晶格能计算显示，所有水合形态的晶格能负值均小于其无水对应物，表明多组分形式的晶体堆积较弱。在CrystalExplorer框架下，掺入水分子的能量贡献可忽略不计，说明其与主体晶格的相互作用弱且 largely non-cooperative。能量分解分析进一步阐明，无水相主要由色散相互作用稳定，反映致密高效的分子堆积；而水合晶体形式显示静电和极化贡献增加，但这些相互作用不足以补偿色散稳定化的大幅损失。水合结构较不紧凑且本质上更易变，迅速向能量更稳定的无水相转化，即使在室温下亦如此。
3.5 分子间相互作用能计算：三种水合晶体的分子间相互作用分析揭示氢键接触主导不对称单元的稳定化。Dbl·0.5H?O中最强的Dbl–Dbl氢键总能量约为?35.4和?36.5 kJ/mol，而与水分子的接触较弱（Etot = ?21.9 kJ/mol）。Oxa·0.5H?O中强Oxa–Oxa氢键（Etot = ?62.2 kJ/mol）明显主导分子堆积，而涉及水的相互作用较弱（Etot = ?8.9 kJ/mol）。Flu·H?O中Flu–Flu氢键和Flu–水相互作用的Etot值相近（?27.7至?34.9 kJ/mol），这解释了为何并非所有水分子在12周气候箱暴露结束后都脱离晶格。总体而言，水分子虽参与氢键，但其能量贡献与强主体?主体相互作用相比为次要，支持了水合形式能量上较不稳定的结论。
3.6 DTA/TGA分析：热分析显示所有水合形式在相对较低温度下失去晶格水。无水氧雄龙在185°C有强吸热熔融峰，随后小放热峰和212°C小吸热峰完成熔化，分解约282°C。Oxa·0.5H?O在76°C有对应水蒸发的吸热峰，测量质量损失约1.5%（低于理论值，因部分脱水已在测量前发生）；186°C小吸热峰对应部分熔化，随后放热重排，226°C强吸热峰完成熔化，283.6°C分解。氟甲睾酮水合物在73°C有脱水吸热事件（质量损失1.7%，低于理论5%的5%，同样因预测量脱水），247°C尖锐吸热熔融峰，272.3°C分解；无水形态在254°C有小吸热峰后立即265°C尖锐熔融。值得注意的是，氟甲睾酮脱水后的熔融温度（247°C）显著低于原生无水形态的265°C，表明脱水导致较不稳定（可能为亚稳态或较低结晶度）的无水多晶型。
美雄酮半水合物的热行为显示70°C脱水吸热峰，实验质量损失3.8%超过理论值2.9%，额外0.9%归因于非化学计量间隙水或表面吸附水分。随后162°C单步熔化，296°C分解。无水美雄酮显示相似162°C熔融吸热峰，确认两相结构一致性。有趣地，无水形态在熔化前检测到1.7%质量损失但无明确脱水吸热峰，提示水分子弱结合于晶体表面或 residing于相对较大、无序的空隙中，这种构型导致宽温度范围内缓慢连续蒸发。两形态最终残余质量存在差异：无水形态300°C附近几乎完全挥发，而半水合物留下约18%稳定残渣，可能因初始脱水后结构重组改变了类固醇核的热降解途径，有利于脱水水合物相形成碳质残留物而非更完全分解。
讨论部分总结与结论翻译：
新获得的17α-烷基化睾酮衍生物固态形态，即氧雄龙半水合物、氟甲睾酮水合物和美雄酮半水合物，经结构学和能量学表征。单晶X射线衍射揭示了类固醇分子和水在晶格中的排布，凸显了连接分子链并贡献于超分子结构的氢键网络。
热分析（DTA/TGA）证实所有水合形式在相对低温下失去晶格水，转变为相应的无水相。水合物的熔化和分解温度与无水形态 closely match，表明脱水有效地将材料转化为更稳定的晶态。这些观察与受控气候条件下的稳定性研究一致，后者显示水合物快速脱水及相应结构重组向热力学上更优先的无水形式。
晶格能计算进一步支持这一趋势，表明水合晶体在能量上较其无水对应物更不稳定，原因是减少了色散相互作用和较弱的分子堆积。水分子的静电和极化贡献部分补偿了这一去稳定化，但不足以抵消晶格稳定性的整体降低。
总体而言，晶体学、热学和计算分析的结合表明，尽管水合物是定义明确的固态形式，但它们是亚稳态的，在环境或升温条件下易于脱水。这些发现为口服活性17α-烷基化睾酮衍生物的固态行为提供了深入认识，对其药物处理、储存和制剂具有重要启示。
