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: kompozíciója konstitúciója konformációja konfigurációja Kristályszerkezet: hogyan épül fel a kristály molekulákból vagy ionokból hogyan illeszkednek a szimmetriák által 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
2011 Chemistry D. Shechtman for the discovery of quasicrystals 2009 Chemistry V. Ramakrishnan, T.A. Steitz, A.E. Yonath Studies of the structure and function of the ribosome 2006 Chemistry R.D. Kornberg Studies of the molecular basis of eukaryotic transcription 2003 Chemistry R. MacKinnon Potassium channels 1997 Chemistry P.D. Boyer, J.E. Walker, J.C. Skou Elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP) and discovery of an ion-transporting enzyme 1996 Chemistry R.Curl, H. Kroto, R. Smalley Discovery of the fullerene form of carbon 1994 Physics C. Shull and N. Brockhouse Neutron diffraction 1992 Physics G. Charpak Discovery of the multi wire proportional chamber 1991 Physics P.-G. de Gennes Methods of discovering order in simple systems can be applied to polymers and liquid crystals 1988 Chemistry J. Deisenhofer, R. Huber, H. Michel For the determination of the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre Krisztallográfiához kötödő Nobel-díjak 1962- A Nemzetközi Krisztallográfiai Unió honlapja alapján 1985 Chemistry H. Hauptman and J. Karle Development of direct methods for the determination of crystal structures 1982 Chemistry A. Klug Development of crystallographic electron microscopy and discovery of the structure of biologically important nucleic acid protein complexes 1982 Physics K.G. Wilson Theory of critical phenomena in connection with phase transitions 1976 Chemistry W.N. Lipscomb Structure of boranes 1972 Chemistry C.B. Anfinsen Folding of protein chains 1964 Chemistry D. Hodgkin Structure of many biochemical substances including Vitamin B12 1962 Physiology or Medicine F. Crick, J. Watson, M. Wilkins The helical structure of DNA 1962 Chemistry J.C. Kendrew, M. Perutz For their studies of the structures of globular proteins
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 O OH + NH 2 2: (+)-(R)-feniletilamin 1: Racém ibuprofén: 2-(4-izobutilfenil)-propionsav 3: Benzilamin NH 2 3 R 4(10) 3 R (10) 4 4 R 4(12) 2 R 4(8) 4: (+)-(R)-feniletilamin- (-)-(R)-(2-(4-izobutilfenil)-propionát 5: (+)-(R)-feniletilamin (+)-(S)-(2-(4-izobutilfenil)-propionát 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 N O OH O racém-n-formilfenilalanin + H 2 N S (S)-(-)-1-feniletilamin reszolválószer (S,R) konfiguráció nagyobb oldhatóságú diasztereomer kristálynövekedés radiális irányban gátolt (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 (S,R) konfiguráció kristálynövekedés radiális irányban gátolt hidrofób oszlopok 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 N O OH O racém-n-formilfenilalanin + H 2 N S (S)-(-)-1-feniletilamin reszolválószer (S,S) konfiguráció kristálynövekedést radiális irányban elősegíti az oszlopokat összekötő C-H...O kölcsönhatások
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 H 2 -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 C1 C4 C5 O5 C6 A: instabil (folytonos vonal) monoklin, P2 1 B: stabil (szaggatott vonal) rombos, P2 1 2 1 2 1 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 C1 C2 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 Illeszkedési állandó Stabilabb molekula geometria Szorosabb illeszkedés Kevésbé stabil molekula geometria Kevésbé szoros illeszkedés ρ Nagyobb sűrűségű Kisebb sűrűségű Tércsoport P2 1 P2 1 2 1 2 1 Taszító intermolekuláris kölcsönhatás H... H - 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 P2 1 /c Nagyon hasonló: O Cella paraméterek Különbség: A hidrogén kötés iránya a homokirális láncokban Oka: A makrociklus elfordulás kétfogású tengely mentén I. forma II. forma NH metanolból N-C=O N antiperiplanáris acetonból 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 OH OH Kristályszimmetriák : Pna2 1, Pn2 1 a Azonos : Cella paraméterek Különbség: A molekuláris rétegek elrendeződése Oka: Dipólus kioltások különbözősége Heterokirális rétegek Lehetséges illeszkedési mintázatok I. forma II. forma dibutil-éter + n-hexán 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 gyógyszerkutat gyszerkutatásbansban összetétel izostrukturalitás kiralitás makroszkópikus tulajdonságok polimorfia C10 C2 C1 O2 C4 C5 konformáció adatbank 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.