通过氧化还原活化柱运输211At实现芳基211At室温高效放射性标记

《ACS Organic & Inorganic Au》：High-Yield Room-Temperature Aryl 211At Radiolabeling via Redox-Activated Column-Shipped 211At

　　

通过氧化还原活化柱运输的²¹¹At实现高效的芳基–²¹¹At键后期构建，对于拓展靶向α治疗(TAT)放射性药物的研究范围具有重要意义。本研究中，研究人员评估了一种催化剂促进的脱硼砹化方法，该方法使用从运输的3-辛酮浸渍柱中通过湿化学再生回收的²¹¹At。一系列带有给电子基团(EDG)和吸电子基团(EWG)取代基的芳基硼酸酯在温和条件下进行放射性标记，并通过时间依赖性研究考察了反应参数。底物组的放射化学转化率(RCC)范围为68–97%。研究人员采用密度泛函理论(DFT)计算作为定性框架，以阐释相对B–C和At–C键合描述符。总体而言，本研究表明湿化学再生的²¹¹At可用于芳基硼酸酯的后期标记，并在温和条件下进行，为 future ²¹¹At放射性标记策略的探索提供了指导。

靶向α治疗（Targeted Alpha Therapy, TAT）是精准医学领域一种新兴的治疗模式，其利用α粒子高线性能量传递（Linear Energy Transfer, LET）特性，在短距离内产生高水平细胞毒性。α粒子射程约为50 μm，可在约100 μm直径范围内对邻近细胞造成致死剂量辐射，与微观肿瘤尺寸高度匹配，同时其短射程特性可限制对正常组织的 collateral损伤。目前已评估多种α发射体用于TAT应用，包括¹⁴⁹Tb、²¹¹At、²¹²Bi（来自²¹²Pb）、< substrate >213Bi、²²³Ra、²²⁵Ac、²²⁶Th、²²⁷Th和²³⁰U等，其中多种已进入临床或高级临床前评估阶段。在众候选核素中，²¹¹At因其适宜的半衰期（约7.2小时）及优异的衰变特性——每次衰变均伴随定量α发射——而备受瞩目。²¹¹At的衰变主要通过电子俘获（EC）至²¹¹Po（58.3%）发生，随后是更加稳定的²¹¹Po（半衰期0.516秒），其几乎完全通过α衰变至稳定的²⁰⁷Pb。然而，²¹¹At的常规获取仍面临挑战。其主要生产途径为中等能量回旋加速器上的²⁰⁹Bi(α,2n)²¹¹At核反应，需要精细的靶体设计及辐照后处理；而²¹¹Rn→²¹¹At发生器技术尚在发展成熟阶段，其实用性仍有待验证。7.21小时的半衰期对物流和放射合成提出了严格限制，因此 favoring 能够减少操作并实现即时下游应用的运输方式。

由于²¹¹At的生产量极低（皮摩尔量级），其直接物种分析尚未实现，但其反应性物种可通过氧化还原电位和pH调控进行推断。水溶液体系中，At(-I)、At(+I)和At(+III)被认为是稳定氧化态，已有相应的Pourbaix图被提出。该框架解释了At在不同反应体系中亲电或亲核行为的表观矛盾。萃取研究进一步表明，硝酸根等抗衡离子可通过改变局部电子环境而非作为被动旁观离子来影响At的物种形成与配位，从而影响硝酸介质中的分配行为和配体相互作用。含羰基配体的补充研究提示，部分共价特征可能有助于特定配位构型的稳定化，为理解示踪浓度下At反应性和萃取行为的因素提供了分子层面的见解。

当前²¹¹At标记策略主要包括三种途径：通过亲电异位取代有机锡前体的砹代脱锡法——这是最多样化分子骨架中验证最广泛的方法；基于二芳基碘鎓盐的亲核砹化法——可在温和条件下避免有机锡毒性；以及适用于无法直接砹化的生物分子的假体基团偶联法。在此背景下，铜介导的芳基硼酸及酯的脱硼砹化因其降低毒性、改善官能团耐受性和简化纯化等优势而备受关注。Reilly等研究人员基于铜介导的放射性碘化化学，展示了芳基和杂芳基硼酸酯在室温下10分钟内快速砹化，实现了温和条件下芳基–²¹¹At键的后期构建。Berdal等研究人员则展示了基于水相的一步法²¹¹At标记芳基硼酸，模型底物放射化学产率(RCY)定量，抗体偶联条件下>95% RCY。在这些反应中，活性标记物种最佳描述为亲核²¹¹At，需要还原态的²¹¹At及稳定目标物种的必要条件。近期综述强调其在产率一致性、底物通用性和机理明晰度方面既具前景又存挑战，同时强调芳基硼前体对亲电异位取代的内在倾向[(η])。由于²¹¹At的有限可得性和快速衰变，结合示踪浓度下溶液物种解析的实验困难，理论建模成为解释放射性标记行为和指导反应设计的重要工具。

本研究考察了使用从运输柱盒中通过先前验证的湿化学再生方案回收的²¹¹At对芳基硼酸酯进行放射性标记。单步预处理以近定量水平回收反应性²¹¹At，随后直接与铜介导脱硼砹化偶联，在温和条件（甲醇、室温、数分钟）下进行。回收²¹¹At与多种含给电子基团和吸电子基团取代基的芳基硼酸酯的反应性尤为引人关注，提供了一个简单且操作稳健的平台，可在生产地点和接收地点使用标准湿化学技术 readily 实施。

研究人员使用了以下主要关键技术方法：²¹¹At的运输与湿化学再生回收技术——²¹¹At从Texas A&M University运输至University of Alabama at Birmingham，使用3-辛酮浸渍Amberchrom CG300 M多孔珠填充柱，通过NaOCl氧化切割实现²¹¹At的回收；铜介导脱硼砹化反应体系——采用[Cu(OTf)₂(py)₄]作为催化剂、TMPhen（3,4,7,8-四甲基-1,10-邻啡啰啉）作为配体，在甲醇/NaOH体系（pH≈11.8，Eh≈?237 mV）中于室温进行反应；放射化学分析技术——包括放射薄层色谱（Radio-TLC）用于放射化学转化率（RCC）测定，以及高纯锗(HPGe)γ射线谱仪进行²¹¹At的定量分析；密度泛函理论（DFT）计算——采用B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVPP方法水平，结合SMD（Truhlar的 solvation model based on density）溶剂化模型，进行自然键轨道(NBO)和Wiberg键级指数(WBI)分析。

**2.1. 用于铜介导²¹¹At标记的给电子芳基硼酸酯**

研究人员首先考察了2-(3,4-二甲氧苯基)-4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼杂环戊烷作为EDG基准底物的脱硼砹化反应。该给电子活化的芳基硼酸酯含有间位和对位甲氧基取代基，与反应性异位(ipso)位置的邻位空间位阻较小。结果显示，放射化学转化率(RCC)随反应时间增加，5分钟时达约75%，30分钟时约83%。与苯胺衍生物相比，该甲氧基衍生物的标记效率更高，研究人员认为这是由于双甲氧基提供潜在的n(O)→Cu相互作用，预组织了底物-催化剂复合物。将[Cu(OTf)₂(py)₄]和TMPhen浓度加倍后，RCC增至约97±0.11%，与铜和配体富集条件下标记效率改善一致。研究人员认为这源于催化剂中Cu(II)–Cu(II)氧化还原反应形成Cu(III)，从而使还原消除步骤得以进行，释放出²¹¹At标记化合物。

随后，研究人员对4-(4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼杂环戊烷-2-基)苯胺进行了研究。此前在该底物上10分钟仅获得36±22%的²¹¹At标记率，而采用当前反应条件后，30分钟标记效率约为72%。与甲氧基衍生物的比较揭示了偏离简单Hammett预期的行为：苯胺底物带有单个强给电子基团（对位-NH₂，σ_p=?0.66），理论上应优于具有两个较弱甲氧基（累积电子给体能力仅Σσ≈?0.15）的二甲氧基苯类似物，但实际RCC呈现相反趋势（72% vs 83%）。这种逆转进一步支持甲氧基侧链参与Cu金属中心配位并增强催化效应的观点。增加催化剂浓度后标记效率再次提升，30分钟时催化剂浓度加倍可达约80%。该反应证明了对生物偶联和肽放射性标记关键的对位氨基取代基可整合入²¹¹At标记化合物中。

为拓展至非外环杂原子取代的芳基硼酸酯，研究人员考察了4,4,5,5-四甲基-2-(噻吩-2-基)-1,3,2-二氧硼杂环戊烷作为含硫杂环代表。标记效率从5分钟约38%升至30分钟约65%。增加催化剂和配体用量后显著增强，30分钟时达约92%，对应约1.7倍的改善，为底物组中催化剂负载敏感性最高者。该优化产率与Reilly等使用新鲜制备²¹¹At在10分钟内获得的噻吩RCC（约90%）相当。结果表明，运输柱回收的氧化还原再生²¹¹At可用于杂芳基底物的标记，这种行为可能反映硫介导的催化环境预组织以增强杂芳环局部反应性，类似于Reilly等观察到的氮基团效应。

**2.2. 用于²¹²At标记的吸电子芳基硼酸酯**

研究人员随后评估了芳环上吸电子取代基对标记效率和表观反应性的影响，包括酰基、-CH₂Br和-CF₃取代基。CF₃取代芳基硼酸酯的关键特征是其相对于给电子活化类似物RCC的显著衰减：给电子芳基硼酸酯通常在30分钟内RCC超过85–90%，而邻位-CF₃衍生物仅获得45%，即使[Cu(OTf)₂(py)₄]和TMPhen浓度加倍也仅达约69%，但仍在铜介导放射性氟化通常报道的60–75%范围内。

苄基溴甲基取代芳基硼酸酯在早期反应时间显示的RCC超过邻位-CF₃类似物（5分钟约37%），30分钟效率相当（约46%）。催化剂浓度加倍后，30分钟时反应达约76%。与碘脱硼反应相比，这些结果颇具前景，后者通常需要更苛刻条件才能达到可比产率，这与C–At与C–I键形成在芳基硼酸酯前体中运作的distinct机理路径一致。

继观察到的邻位取代芳基硼酸酯反应性降低之后，对位酰基取代底物表现出标记效率的显著恢复：10分钟内快速升至>80%，随后30分钟达约93%的高产率平台。增加催化剂浓度未改善标记效率，表明催化剂可用性在这些条件下不是速率限制因素，与Wang和Stahl报道的Cu(OTf)₂共催化系统已优化、效率已近最大的情况一致。这表明观察到的产率平台反映接近热力学上限而非动力学限制。

**2.3. 支撑实验反应性的理论见解**

为理解标记反应性，研究人员进行了一系列DFT计算，包括硼酸酯及其砹化产物的NBO和WBI分析。尽管芳基-砹键形成伴随相对于前体B–C_ipso键的C–At键长增加，但相应的WBI值显著增加（从B–C_ipso的0.82–0.91增至At–C_ipso的0.98–1.12），表明砹化后共价特征显著增强。这种键长与键级的解耦是重元素键合的特征性表现，与WBI与键强间的 established 关系一致，凸显了放射性标记产物中C–At键的电子稳定化。NBO和WBI描述符在四种独立计算方案中的定性不变性进一步支持该方法用于比较性描述符分析的可靠性。

**2.4. 催化脱硼砹化的拟议机理**

基于砹的Pourbaix图指导，研究人员认为反应条件（pH~11.8，Eh~?237 mV）使体系处于还原At^?物种热力学可及的区域。在此框架下，噻吩、对位乙酰酮和3,4-二甲氧苯基衍生物的高效率（RCC分别为~92%、~93%和~97%）指向额外的机理贡献，即S或O原子对Cu(II)金属中心的配位。这些相互作用预组织底物-催化剂复合物并增强催化活性，这是铜催化反应中well-known的方面。[(η)]增加[Cu(OTf)₂(py)₄]和TMPhen浓度可增强所有六种衍生物的RCC，表明更高Cu(II)浓度促进催化Cu(II)金属中心氧化为Cu(III)，否则这是循环中不利的步骤。碘脱硼系统表现出更宽的电子耐受窗口，与C–I键形成相对于C–At偶联的较低能垒一致，为观察到的取代基敏感性提供了机理基础。

**讨论部分总结**

讨论部分围绕氧化还原再生²¹¹At的实用性、铜催化体系的机理特点以及底物结构与反应性关联展开。研究人员强调，从运输柱盒回收的²¹¹At通过简单的湿化学氧化还原操作即可获得高反应性，克服了²¹¹At短半衰期带来的物流挑战。值得注意的是，不同取代基底物的RCC差异远超预期Hammett趋势，尤其是邻位-CF₃底物的低反应性和对位酰基底物的高反应性，揭示了空间效应和杂原子配位在催化循环中的关键作用。C–At键WBI增加但键长同时增加的"反常"现象，被置于重元素键合的特殊性框架下理解，区别于轻卤素同系物的行为规律。研究人员还指出，增加铜/配体浓度对所有底物的促进作用支持了Cu(III)中间体在还原消除步骤中的关键作用，但明确避免做出定量机理结论。

**研究结论翻译**

总之，已从运输柱盒回收的²¹¹At被证明对芳基基团的铜介导脱硼砹化具有高反应性。这通过从3-辛酮运输柱进行²¹¹At的简单湿化学氧化还原再生而实现。反应性在多种模型化合物中进行了测试，从给电子基团（观察到高RCC，80–97%）到吸电子基团（RCC略低，68–93%）。改变催化剂浓度对RCC产生了同等大的影响。从这些结果来看，Cu(II)金属中心的弱配位似乎通过预组织复合物以促进提高RCC，推测是通过降低芳基–B键断裂和芳基-Cu(II)形成的活化能。正在进行和 future 的研究扩展底物范围并整合互补实验和计算探针，以更好理解结构与反应性之间的任何关系，这将是 future 研究的焦点。即使前体表现出较不理想的标记特性，RCC仍与其他标记途径相比具有竞争性可行性，并在快速发展中的TAT领域使用此方法进行放射性药物开发的进一步研究中展现前景。