A 100 éves röntgendiffrakció a gyógyszerkutatásban Bombicz Petra és Kálmán Alajos
MTA Természettudományi Kutatóközpont Szerves Kémiai Intézet, Szerkezeti Kémiai Osztály
Röntgendiffrakció módszerével vizsgálható szerkezetek kismolekulák → makromolekulák szervetlen vegyületek, szerves vegyületek, proteinek, vírusok
Röntgen sugárzás viszonylag könnyen előállítható rövid hullámhosszú elektromágneses sugárzás, hullámhossza összemérhető az atomi távolságokkal röntgen, szinkrotron, neutron sugárzás
por vs. egykristály Az anyagigény 1-2 mg anyag néhány száz ml, esetleg 1-2 ml oldószer
Egykristály röntgendiffrakció: molekula- és kristályszerkezet megismerése atomi felbontású kép Molekulaszerkezet:
Kristályszerkezet:
kompozíciója
hogyan épül fel a kristály molekulákból vagy ionokból
konstitúciója
hogyan illeszkednek a szimmetriák által
konformációja konfigurációja
egymáshoz rendelt egységek milyen intermolekuláris kölcsönhatások vannak a molekulák között
⇒
kapcsolat a kristály fizikai / kémiai tulajdonságaival
⇒
megkívánt fizikai-kémiai tulajdonságú anyagok előállítása
Krisztallográfiai munkáért kapott Nobel-díjak 1901: W.C. Röntgen 1914: M. von Laue 1915: W.H. Bragg and W.L. Bragg 1936: P.J.W. Debye 1962: M.F. Perutz and J.C. Kendrew 1962: F.H.C. Crick, J.D. Watson and M.H.F. Wilkins 1964: D.C. Hodgkin 1976: W.N. Lipscomb 1985: H.A. Hauptman és J. Karle 1988: J. Deisenhofer, R. Huber and H. Michel 2009: V. Ramakrishnan, T.A. Steitz and A.E. Yonath 2011: D. Shechtman 12 évben 21 tudós
Krisztallográfiához kötödő Nobel-díjak 1962-
2011 Chemistry A Nemzetközi Krisztallográfiai Unió honlapja alapján D. Shechtman for the discovery of quasicrystals 1985 Chemistry 2009 Chemistry H. Hauptman and J. Karle V. Ramakrishnan, T.A. Steitz, A.E. Yonath Development of direct methods for the determination of crystal Studies of the structure and function of the ribosome structures 2006 Chemistry 1982 Chemistry R.D. Kornberg A. Klug Studies of the molecular basis of eukaryotic transcription Development of crystallographic electron microscopy and 2003 Chemistry discovery of the structure of biologically important nucleic acid– R. MacKinnon protein complexes Potassium channels 1982 Physics 1997 Chemistry K.G. Wilson P.D. Boyer, J.E. Walker, J.C. Skou Theory of critical phenomena in connection with phase Elucidation of the enzymatic mechanism underlying the transitions synthesis of adenosine triphosphate (ATP) and discovery of an 1976 Chemistry ion-transporting enzyme W.N. Lipscomb 1996 Chemistry Structure of boranes R.Curl, H. Kroto, R. Smalley 1972 Chemistry Discovery of the fullerene form of carbon C.B. Anfinsen 1994 Physics Folding of protein chains C. Shull and N. Brockhouse 1964 Chemistry Neutron diffraction D. Hodgkin 1992 Physics Structure of many biochemical substances including Vitamin G. Charpak B12 Discovery of the multi wire proportional chamber 1962 Physiology or Medicine 1991 Physics F. Crick, J. Watson, M. Wilkins P.-G. de Gennes The helical structure of DNA Methods of discovering order in simple systems can be applied 1962 Chemistry to polymers and liquid crystals J.C. Kendrew, M. Perutz 1988 Chemistry For their studies of the structures of globular proteins J. Deisenhofer, R. Huber, H. Michel For the determination of the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre
Krisztallográfia, Egykristály röntgendiffrakció 1669 Steno Lapszögek állandóságának törvénye: a kristálylapok ill. a síknormálisok által bezárt szögek a kristály habitusátol függetlenül azonos hőfokon és nyomáson állandók.
1781 Haüy morfológiai vizsgálatok: mechanikai, hőtani, optikai, elektromos tulajdonságok, kristályok anizotróp hasadása: parallelepipedonok rendelkeznek a kristály tulajdonságaival, a kristály felépíthető a parallelepipedonokból
1895 Röntgen sugárzás 1912 Laue, Friedrich, Knipping diffrakciós kisérlet sugárzás elektromágneses hullámtermészete, atomi rácsszerkezet 1913 Bragg egyszerűbb szerkezetek, pl. NaCl II. Világháború után robbanásszerű fejlődés gyorsabb számítógépek, automatizált diffraktométer 1961 Kitajgorodszkij szerves kémiai krisztallográfia 1970-es évek szerkezet meghatározás hónapok, évek 1980-as évek, 90-es évek eleje: hetek 1990-es évek vége: térdetektorok, órák - egy nap
Királis vegyületek vizsgálata:
anomális diszperzió abszolút konfiguráció
Az ibuprofén ionos és semleges formája egy ko-kristályon belül Ibuprofén: nem-szteroid gyulladáscsökkentő, fájdalom- és lázcsillapító hatású H OH
+
NH2
2: (+)-(R)-feniletilamin
O 1: Racém ibuprofén: 2-(4-izobutilfenil)-propionsav
NH2
3: Benzilamin
R43(10)
4: (+)-(R)-feniletilamin(-)-(R)-(2-(4-izobutilfenil)-propionát
R43(10)
5: (+)-(R)-feniletilamin (+)-(S)-(2-(4-izobutilfenil)-propionát
R44(12) R24(8)
6: benzilamin-(2-(4-izobutilfenil)-propionát) (2-(4-isobutilfenil)-propionsav ko-kristály
Molnár P, Bombicz P, Varga C, Bereczki L, Székely E, Pokol G, Fogassy E, Simándi B: Influence of an achiral additive on the resolution of ibuprofen by supercritical fluid extraction. Chirality 21, 628-636, 2009.
Enantiomerek elválasztása: az N-formilfenilalanin (S)-1-fenilatilaminnal történő reszolválása Diasztereomer sóképzéssel végzett reszolválás – racém vegyülettel rokon szerkezetű reszolválószer királis megkülönböztetés: stabilitás különbség a diasztereomer asszociátumok között másodlagos kölcsönhatások eltérő térbeli elrendeződése
O S OH N
O
+
racém-N-formilfenilalanin
(S,R) konfiguráció nagyobb oldhatóságú diasztereomer kristálynövekedés radiális irányban gátolt
H2N
(S)-(-)-1-feniletilamin reszolválószer
(S,S) konfiguráció kisebb oldhatóságú diasztereomer gyorsabban kristályosodik
A termék optikai tisztaságának időbeli változására: a reszolválás hatékonysága a kristályosítás idejének növelésével csökken Kristályosítás idejének figyelembe vétele az eljárás optimálásánál.
L Bereczki, E Pálovics, P Bombicz, G Pokol, E Fogassy and K Marthi: Optical resolution of N-formylphenylalanine succeeds by crystal growth rate differences of diastereomeric salts. Tetrahedron: Asymmetry 18, 260–264, 2007
Kinetikus kontroll: az N-formilfenilalanin (S)-1-fenilatilaminnal történő reszolválása
O S OH N
O
+
racém-N-formilfenilalanin
(S,R) konfiguráció kristálynövekedés radiális irányban gátolt hidrofób oszlopok
H2N
(S)-(-)-1-feniletilamin reszolválószer
(S,S) konfiguráció kristálynövekedést radiális irányban elősegíti az oszlopokat összekötő C-H...O kölcsönhatások
L Bereczki, E Pálovics, P Bombicz, G Pokol, E Fogassy and K Marthi: Optical resolution of N-formylphenylalanine succeeds by crystal growth rate differences of diastereomeric salts. Tetrahedron: Asymmetry 18, 260–264, 2007
Polimorfia és izostrukturalitás A polimorfok különböznek: molekula konformációjában vagy a molekulák kristályrácsban való elhelyezkedésében fizikai tulajdonságaikban (op, ρ, oldhatóság, keménység, optikai & elektomos tulajdonságok, stb.) A polimorfia gyakori jelenség, különösen fontos szempont az ipari alkalmazásoknál (pl. gyógyszer hatóanyagok) szükséges, hogy egy adott polimorfot kapjunk kontrollált és reprodukálható körülmények között.
A famotidin monotróp polimorfiája Hisztamin H2-receptor antagonista, gyomorsav termelést gátolja
Yamanouchi, Richter
Melyik forma kristályosodik függ: kiindulási koncentráció, oldószer, hűtési sebesség, nukleációs hőmérséklet, beoltás.
A
B
Nyitott ‘transz’ konformáció, stabil Hajtű ‘cisz’ konformáció, metastabil Termodinamikailag stabilabb Kinetikailag kedvezőbb Nagyobb belső energia Alacsonyabb olvadáspont Kedvezőbb elektrosztatikus és polarizációs kölcsönhatási energiák Nagyobb intermolekuláris kölcsönhatási energiák Izolált monomer alacsonyabb belső energia, hasonló konformáció B Hegedűs, P Bod, K Harsányi, I Péter, A Kálmán, L Párkányi, Comparison of the polymorphic modifications of famotidine J. Pharm. Biomed., 7, 563-569, 1989. G.G.Ferenczy, L.Párkányi, J.G.Ángyán, A.Kálmán, B.Hegedűs: Crystal and electronic structure of two polymorphic modifications of famotidine. An experimental and theoretical study. J.Mol.Struct.:THEOCHEM ,503,73, 2003. J Lu, XJ Wang, X Yang, CB Ching: Polymorphism and Crystallization of Famotidine. Crystal Growth and Design, 7, 1590-1598, 2007.
Konformáció, intermolekuláris távolságok, kölcsönhatások, polimorfia
1,2,3,5-tetra-O-acetil-β-D-ribofuranóz az eltűnő dimorf módosulat
C10
O2 C2 C4 C1
C5 O5 C6
A: instabil (folytonos vonal) monoklin, P21 B: stabil (szaggatott vonal) rombos, P212121 Bombicz P, Czugler M, Tellgren R, Kálmán A.: A classical example of a disappearing polymorph and the shortest intermolecular H...H separation ever found in an organic crystal structure ANGEWANDTE CHEMIE – INT. ED. (17): 1957-1960 2003
Metán dimer intermolekuláris potenciális energia modell
C4 O4
C3
C1
C2
1.949(7)A C4 O4
C3
C2
C1
Form A Rowley, R.L.; Pakkanen, T.: J. Chem. Phys. 110, 3368-3377 (1999).
↑ form A Bombicz P, Czugler M, Tellgren R, Kálmán A.: A classical example of a disappearing polymorph and the shortest intermolecular H...H separation ever found in an organic crystal structure ANGEWANDTE CHEMIE – INT. ED. (17): 1957-1960 2003
1,2,3,5-tetra-O-acetil-β-D-ribofuranóz A: instabil B: stabil Molekula térfogat
Kisebb
Nagyobb
Számolt intramolekuláris potenciális energia
Stabilabb molekula geometria
Kevésbé stabil molekula geometria
Illeszkedési állandó
Szorosabb illeszkedés
Kevésbé szoros illeszkedés
Nagyobb sűrűségű
Kisebb sűrűségű
Tércsoport
P21
P212121
Taszító intermolekuláris kölcsönhatás
H...H
-
ρ
Bombicz P, Czugler M, Tellgren R, Kálmán A.: A classical example of a disappearing polymorph and the shortest intermolecular H...H separation ever found in an organic crystal structure ANGEWANDTE CHEMIE – INT. ED. (17): 1957-1960 2003
Egy β-laktám két polimorfja: transz-13-azabiciklo[10.2.0]tetradekán-14-on
A β-laktám gyűrű számos antibiotikum család központi magjának része (pl. penicillin), a baktériumok sejtfal bioszintézisének gátlásával hatnak.
Azonos: Kristályszimmetriák P21/c Nagyon hasonló: O Cella paraméterek Különbség: A hidrogén kötés iránya NH a homokirális láncokban Oka: A makrociklus elfordulás kétfogású tengely mentén I. forma
metanolból
N-C=O…N’ antiperiplanáris
acetonból
II. forma
N-C=O…N’ szünperiplanáris
L Fábián, A Kálmán, G Argay, G Bernáth, ZC Gyarmati: Two polymorphs of a β-lactam (trans-13-azabicyclo[10.2.0]tetradecan-14-one). Concomitant crystal polymorphism and isostructurality. Chem.Commun. 2114-2115. 2004.
Dipólus indukálta polimorfok: transz-2-Hidroxicikloheptánkarboxilsav
O
Kristályszimmetriák : Pna21, Pn21a Azonos : Cella paraméterek Különbség: A molekuláris rétegek elrendeződése Heterokirális rétegek Oka: Dipólus kioltások különbözősége
OH OH
I. forma
dibutil-éter + n-hexán
Lehetséges illeszkedési mintázatok
II. forma
parallel
bután-2-on + n-hexán
antiparallel
A Kálmán, L Fábián, G Argay, G Bernáth, Z Gyarmati: Dipole-Induced Polymorphs of trans-2-Hydroxycycloheptanecarboxylic Acid with Virtually the Same Unit Cell. J. Am. Chem. Soc. 125, 34-35, 2003.
A szerkezet és a fizikai-kémiai tulajdonságok kapcsolata
A 4-(1-hidroxi-1,2-difeniletil)piridin sójának szublimációja
NB Báthori, P Bombicz, SA Bourne, G Venter: Investigation of sublimation with and without dissociation in the chloride and nitrate salts of 4-(1-hydroxy-1,2-diphenylethyl)pyridine. New Journal of Chemistry, 34, 405-413, 2010. (cover page March 2010)
Adatbankok Szerkezetek gyűjteményei: • fémek és ötvözetek CRYSTMET® www.tothcanada.com/). • szervetlen szerkezeteket Szervetlen Szerkezeti Adatbank www.fiz-informationsdienste.de/en/DB/icsd/ • Szerves és fémorganikus vegyületek, komplexek Cambridge-i Krisztallográfiai Adatbázis (CSD) www.ccdc.cam.ac.uk • a 24 egységnél nagyobb polipeptideket és poliszacharinok Protein Adatbank (PDB) www.rcsb.org/pdb/ • oligonukleotidok Nukleinsav Adatbank (NADB) ndbserver.rutgers.edu/
Cambridge Szerkezeti Adatbázis szerves és fémorganikus vegyületek (legalább egy szénatom) röntgen vagy neutron diffrakció egykristály vagy pordiffrakcióval kapott kristályszerkezetek Cambridge Szerkezeti Adatbázis leggyakoribb felhasználási területei: •Főbb molekuláris dimenziók, fém koordinációs szféra geometriájának meghatározása. •Modell koordináták szolgáltatása szerkezet validáláshoz, szerkezet finomításban használt megkötésekhez nyújt adatokat. •Konformációs analízis és háromdimenziós farmakofor elrendeződések meghatárosása. •Hidrogén kötések és más nem-kötő kölcsönhatások előfordulásának, geometriájának vizsgálata. •Szerkezeti korreláció és reakcióút analízis. •Kristály építészet (crystal engineering) és kristályszerkezet jóslás. •Molekula modellezés és racionális gyógyszerhatóanyag tervezés. Protein-ligandum kölcsönhatások tanulmányozása.
Gyógyszerformulálás
Kristályhabitus Kristálytan 1. törvénye: Lapszögek állandóságának törvénye 1669 Steno A kristálylapok ill. a síknormálisok által bezárt szögek a kristály habitusátol függetlenül azonos hőfokon és nyomáson állandók.
A Bacchi, G Cantoni, D Cremona, P Pelagatti, F Ugozzoli: Exploration of Supramolecular Synthons and Molecular Recognition Starting from Macroscopic Measurements of Crystal Dimensions. Angewandte Chemie, 50, 3198-3201, 2011.
Kutatási irányok a röntgendiffrakció 100 éve alatt: egyszerű sók és ásványok kovalens molekulák kismolekulás szerkezetkutatás: intermolekuláris kölcsönhatások Az anyag tulajdonsága függ: alkotóelemek természetétől és közöttük lévő kölcsönhatásoktól (Lehn, 1988). Szupramolekuláris kémia Nem-kovalens kölcsönhatásoknak szerepük van: molekuláris felismerési folyamatokban biológiai makromolekulák aktivitásában
A röntgendiffrakció a gyógyszerkutatásban összetétel
izostrukturalitás
kiralitás makroszkópikus tulajdonságok polimorfia
C10
O2
C4 C1
adatbank
konformáció
C2
C5 O5 C6
kristály mérnökség
másodlagos kölcsönhatások
morfológia
Röntgendiffrakció, a gyógyszerkutatás műszeres módszere
Sasvári Kálmán 1912 -
Simon Kálmán 1946 – 2012
Minerológia, metallográfia, kémia, szilárdtest fizika, molekuláris biológia, anyagtudomány stb.
