Поскольку облучение воды, обогащенной кислородом-18, происходит в металлических мишенях, противоион [18F]фторида, как правило, соответствует материалам, из которых они изготовлены. Если фторид-ион и противоион образуют достаточно устойчивые соединения, это может затруднить протекание реакций нуклеофильного замещения [8]. Например, в работе [14] замена материала корпуса мишени с титанового на серебряный позволила значительно увеличить выход продуктов радиофторирования. Это можно объяснить относительно малой энергией связи Ag-F (354,4 кДж/моль) по сравнению с Ti-F (569 кДж/моль).

1.4.1 Кинетика и механизм реакции

Проведение реакций ароматического нуклеофильного радиофторирования (SNAr) по сравнению с алифатическим требует некоторых дополнительных условий. Одно из них - наличие подходящей нуклеофугной группы в ароматическом кольце. Среди множества «уходящих» групп широко используются такие, как триметиламмониевые и нитрогруппы, сульфониевые соли и др. [15,16].

По литературным данным известно, что протекание реакций данного типа значительно облегчается в присутствии электроноакцепторных заместителей в орто- и пара- положениях к уходящей группе [17]. Из общего механизма ароматического нуклеофильного замещения (см. рис.2) следует, что такие заместители (-CHO, -CN, -NO2, -CF3 и др.) за счет -M эффекта участвуют в делокализации отрицательного заряда в промежуточном комплексе Мейзенгеймера, тем самым стабилизируя его и активируя ароматическое кольцо к атаке нуклеофила.

Рис.2 Механизм нуклеофильного ароматического замещения (SNAr), где X-уходящая группа, Y-нуклеофил

По способности активации нуклеофугной группы можно составить следующий ряд электроноакцепторных заместителей: p-NO2 > p-CF3 ? p-CN > p-CHO > p-Ac > m-NO2 [18].

Также при планировании синтеза необходимо обращать внимание на наличие "кислых" протонов в ароматическом кольце (то есть групп -OH, -COOH, NH2), способных образовать с фтором-18 водородные связи, что значительно снижает его реакционную способность [18]. В этом случае необходимо использовать защитные группы, которые будут удалены после проведения радиофторирования.

Обычно реакции нуклеофильного ароматического радиофторирования проводятся в среде апротонных полярных растворителей (ДМСО, ДМФА, ацетонитрил) [19]. При радиофторировании алифатических соединений иногда используют среду полярных протонных растворителей, например, трет-бутанола и трет-амилового спирта, небольшого количества воды [20, 21], что позволяет достичь большей по сравнению с апротонными средами эффективности радиофторирования. Это объясняют образованием водородных связей объемных молекул спирта и воды с уходящей группой, что повышает ее нуклеофугность. Однако при переходе к реакциям SNAr, использование протонных растворителей приводит к значительному уменьшению выхода реакции радиофторирования [22].

По сравнению с радиофторированием алифатических соединений, реакции нуклефильного ароматического радиофторирования требуют более высоких температур (обычно >100°C), поэтому для их проведения выбираются растворители с высокими температурами кипения: ДМСО (Tкип=189°C) и ДМФА (Tкип=153°C).

Радиоактивные изотопы, используемые для получения радиофармпрепаратов в ПЭТ, находятся в чрезвычайно малых количествах (нано- или пикомолярные концентрации) по отношению к субстратам (содержание на уровне миллимолей), вступающих с ними в реакции [23]. Это позволяет быстрее и эффективнее проводить соответствующие реакции по сравнению с традиционной органической химией, однако в этом случае даже малое количество примеси может привести к значительному снижению эффективности реакции.

Ввиду очень малых концентраций радионуклидов и соответственно меченых соединений, реакции с их участием являются реакциями псевдопервого порядка (см.рис.3).

Радиохимический выход продукта является функцией химического выхода и радиоактивного распада, поэтому максимальный радиохимический выход может быть достигнут до полного завершения реакции.

Рис. 3 Радиохимический выход (%) как функция времени (псевдопервый порядок реакции) [10]

1.4.2 Межфазные катализаторы (МФК)

Для перевода 18F- из водной фазы в среду полярного апротонного растворителя используются различные межфазные катализаторы (МФК). Ими могут выступать четвертичные аммониевые соли, краун-эфиры, криптанды и др.(см.рис.4).

Наибольшее применение в качестве МФК в реакциях радиофторирования нашел криптанд К 2.2.2 (4,7,13,16,21,24-гексаокса-1,10-диазабицикло [8.8.8]гексакозан или криптофикс 2.2.2), формирующий с катионами щелочных металлов устойчивые координационные соединения, в которых ион металла экранирован окружающими атомами криптанда от молекул растворителя и противоиона [24,25]. Наиболее по размеру к полости данного криптанда подходит катион калия, который образует шесть координационных связей с донорными атомами азота и кислорода аминополиэфира (см.рис.5).

Рис.4 Межфазные катализаторы

Рис.5 [К+/K 2.2.2]18F-

После удаления следов воды комплекс криптата калия с [18F]фторид-ионом, лишенным сольватной оболочки, становится чрезвычайно реакционноспособным агентом. В 1986 г. впервые было предложено использовать криптофикс 2.2.2. для получения фторирующего агента [K+/K2.2.2]18F- в синтезе 2-[18F]фтор-2-дезокси-D-глюкозы, известного радиотрейсера метаболизма глюкозы [26]. С тех пор К 2.2.2 стал широко применяться для получения фторированных радиофармпрепаратов, принадлежащих к различным классам химических соединений.

Криптанд K 2.2.2.BB (5,6,14,15-дибензо-4,7,13,16,21,24-гексаокса-1,10-диазабицикло [8.8.8]гексакозан), отличается от K 2.2.2 наличием двух бензольных колец (см.рис.6).

Рис.6 [К+/K 2.2.2BB]18F- Выражаем благодарность сотрудникам Института химии растворов РАН к.х.н. Крестьянинову М.А. и д.х.н Киселеву М.Г за расчеты конформаций криптанда K 2.2.2BB и его комплексов с катионом калия.

Эффективность радиофторирования при использовании этого лиганда не уступает таковой в случае применения K 2.2.2, как было показано в работе [27]. При этом он менее токсичен, имеет более низкий предел детектирования хроматографическими методами, легко удаляется из препарата экстракцией на одноразовых картриджах. На примере синтеза [18F]ФДГ было показано, что в качестве МФК K 2.2.2.BB может конкурировать с K 2.2.2. В реакциях ароматического радиофторирования он до сих пор не использовался.

1.4.3 Реакционноспособный фторирующий комплекс [К+/МФК]18F-

Для перевода [18F]фторид-иона в реакционноспособную форму необходимо удалить воду и солюбилизировать комплекс в подходящем органическом растворителе. Это обычно достигается за счет адсорбции радионуклида на анионообменной смоле с последующим элюированием 18F- небольшим объемом смеси ацетонитрил/вода, содержащей межфазный катализатор и слабо нуклеофильное основание (чаще всего карбонат, бикарбонат или оксалат калия). Далее при повышенной температуре и добавлении ацетонитрила (однократном или двукратном) происходит процедура азеотропной осушки комплекса МФК и 18F- под потоком инертного газа [10]. В качестве анионообменника широко используется смола на основе диоксида кремния, модифицированного четвертичными аммониевыми группами, смола упакована в одноразовый картридж QMA Sep Pak Light (Waters), имеющий луэровские коннекторы, позволяющие легко встраивать картридж в любую автоматизированную систему синтеза (см.рис.7).

Рис.7 Анионообменный картридж QMA Sep Pak Light (Waters)

Использование анионообменных смол также позволяет очистить радионуклид от возможных мишенных примесей, которые могут уменьшить реакционную способность 18F-фторид иона или выступить в качестве конкурирующих нуклеофилов.

Определение эффективности процедуры осушки комплекса МФК и 18F- представляется возможным только по оценке окончательного выхода продукта. Предполагается, что некоторое количество воды всегда присутствует в комплексе [К+/МФК]18F-, поэтому образование так называемого "голого" ("naked") [18F]фторид-иона (то есть полностью лишенного сольватной оболочки) не достигается. Но это не является критичным, так как и в этих условиях 18F- является достаточно сильным нуклеофилом для дальнейшего участия в реакции с субстратом. Стоит отметить, что наличие некоторого количества воды в реакционной смеси предотвращает адсорбцию радионуклида 18F на стенках реакционного сосуда [12].

Важную роль при подборе оптимального состава раствора для элюирования радионуклида с анионообменного картриджа играет мольное отношение межфазного катализатора к основанию. В работе [28] при оптимизации синтеза 2-[18F]фтор-2-дезокси-D-глюкозы при использовании в качестве МФК криптанда K 2.2.2, а в качестве основания - карбоната калия, было показано, что для эффективного протекания реакции нуклеофильного радиофторирования оптимальным является соотношение криптофикса к карбонату 2:1 (см.рис.8).

Также в данной работе был подобран элюент, содержащий минимальное количество воды (4-5% от объема ацетонитрила), необходимое для растворения рассчитанного количества карбоната калия. Кроме высокой степени десорбции радионуклида использование данного элюента не требовало проведения дополнительной азеотропной осушки комплекса, что было подтверждено высокими выходами целевого продукта.

Рис. 8 Зависимость радиохимического выхода [18F]ФДГ (%) от мольного соотношения K 2.2.2/K2CO3 [28]

1.5 Синтез [18F]фторбензальдегидов

Условия реакций ароматического нуклеофильного радиофторирования являются слишком жесткими для прямого введения метки 18F в макромолекулы с подвижными водородами (пептиды и протеины). Использование интермедиатов, простетических групп (небольших фрагментов, меченных радионуклидом) - удобный метод включения фтора-18 в такие соединения в относительно мягких условиях. Эти 18F-меченные малые молекулы содержат в своем составе те или иные реакционноспособные функциональные группы, способные участвовать в дальнейших превращениях. Такие интермедиаты используются для синтеза более сложных биологических молекул.

Среди 18F-меченных арильных интермедиатов для введения в пептиды и протеины наиболее часто применяются 4-[18F]фторанилин, 4-[18F]фторбензиламин, 4-[18F]фторбензойная кислота и 4-[18F]фторфенол (см.рис.9). Эти молекулы содержат "кислые" протоны, поэтому не могут быть получены прямым радиофторированием, их синтезируют из молекул, активированных для введения метки фтора-18: 1-нитро-4-[18F]фторбензола, 4-[18F]фторбензонитрила и 4-[18F]фторбензальдегида соответственно.

Рис. 9 18F-меченные арильные соединения как интермедиаты для введения фтора-18 в сложные биологические молекулы [5]

[18F] фторбензальдегиды получают, как правило, при радиофторировании субстратов в среде апротонного полярного растворителя (ДМФА, ДМСО) при температурах >100°C с использованием криптанда K 2.2.2 и солей тетрабутиламмония как МФК. Общая схема получения 18F-меченных арильных интермедиатов ароматическим нуклеофильным радиофторированием приведена на рис.10.

Рис.10 Общая схема получения 18F-меченных простетических групп, LG - нуклеофугная группа, EWG - электроноакцепторный заместитель

Большое количество работ посвящено изучению оптимальных условий радиофторирования нитробензальдегидов с целью получения [18F]фторбензальдегидов и их метокси- замещенных аналогов [17, 29]. Было показано, что электронодонорная метокси-группа в орто- и пара- положениях к уходящей нитрогруппе сильно влияет на эффективность реакции, уменьшая ее выход за счет дестабилизирующего +M эффекта, а электроноакцепторная альдегидная группа в тех же позициях, наоборот, благотворно влияет на протекание процесса радиофторирования. Также было отмечено, что в мета- положении к NO2- для метокси- группы электроноакцепторный -I эффект становится более значимым по сравнению с +M, это приводит к увеличению реакционной способности нитро- замещенного углерода ароматического кольца к нуклеофильной атаке. Взаимное влияние этих двух групп на выход продукта оценить бывает довольно сложно (см.табл.4).

Табл.4 Выходы реакции радиофторирования для соответствующих субстратов (в качестве МФК во всех случаях использовался K 2.2.2) [17,29]