Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


ORGANOMETALLIC CHEMISTRY OF RHENIUM


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet94/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   90   91   92   93   94   95   96   97   ...   115

44

ORGANOMETALLIC CHEMISTRY OF RHENIUM

AND TECHNETIUM FUELED BY BIOMEDICAL

APPLICATIONS

Ant ´onio Paulo, Goreti Ribeiro Morais, and Isabel Santos

*

Unidade de Ciˆencias Qu´ımicas e Radiofarmacˆeuticas, Campus Tecnol´ogico e Nuclear, Instituto Superior T´ecnico, Universidade de

Lisboa, Lisboa, Portugal

44.1

INTRODUCTION

Metal-based compounds play an important role in the design of drugs for diagnostic or therapeutic applications, namely,

anticancer agents, radiopharmaceuticals for nuclear imaging or radionuclide therapy, and contrast agents for magnetic

resonance imaging (MRI). Compared to purely organic molecules, metals offer several advantages as a result of their

structural diversity, varied reactivity pattern, and unique photo- and electrochemical properties. In this field, organometallic

complexes play an emerging role, mainly because of the encouraging results obtained with ferrocene-tamoxifen derivatives

for breast cancer therapy [1]. Since then, a variety of cyclopentadienyls or arenes of Fe, Ru, or Ti have been synthesized

and their therapeutic effect explored [2]. Radiopharmaceutical chemistry is another important field in which organometallic

compounds have a large potential, mainly after the introduction of the precursors fac-[M(CO)

3

(H



2

O)

3



]

+

(M



= Re, Tc)

by Alberto et al. [3–5]. These compounds can be obtained in aqueous solution starting from the respective permetalates,

[MO

4

]



, which are the starting materials available to synthesize radiopharmaceuticals of

99m

Tc or


186/188

Re. Since their

introduction, a plethora of M(I) tricarbonyl complexes with a large variety of ligands have been synthesized and evaluated

by many research groups, aiming the design of new diagnostic or therapy radiopharmaceuticals. This chapter reviews some

of the results obtained in the area, giving particular attention to the more promising results for biomedical applications. This

chapter will start with some basic concepts on radiopharmaceuticals, nuclear medicine imaging modalities, and radionuclide

therapy. Then the research efforts of the authors’ group in the field will be presented and discussed in context with the

major achievements reported by other groups worldwide.



44.2

BASIC CONCEPTS ON NUCLEAR MEDICINE AND RADIOPHARMACEUTICALS

Nuclear Medicine uses radioactive compounds for in vivo imaging and therapeutic purposes. Such compounds, named



radiopharmaceuticals, are used in very low concentration (10

–8

–10



–12

M), having no pharmacological effect. Depending

on the intrinsic physical characteristics of the radionuclide, the radiopharmaceuticals are used for in vivo imaging or targeted

radionuclide therapy (TRT).



Advances in Organometallic Chemistry and Catalysis: The Silver/Gold Jubilee International Conference on Organometallic Chemistry Celebratory Book,

First Edition. Edited by Armando J. L. Pombeiro.

© 2014 John Wiley & Sons, Inc. Published 2014 by John Wiley & Sons, Inc.

589


590

ORGANOMETALLIC CHEMISTRY OF RHENIUM AND TECHNETIUM FUELED BY BIOMEDICAL APPLICATIONS



TABLE 44.1

Relevant Radionuclides for Medical Applications

Nuclide


Physical Half-Life

Mode of Decay, %

Application

99m


Tc

6.0 h


IT (100)

SPECT


186

Re

3.72 d



β

(92)



Therapy

EC (8)


188

Re

17 h



β

(100)



Therapy

123


I

13.2 h


EC (100)

SPECT


131

I

8.02 d



β

(100)



Therapy

18

F



1.83 h

β

+



(97)

PET


EC (3)

11

C



20.3 min

β

+



(100)

PET


86

Y

14.7 h



β

+

(33)



PET

EC (66)


90

Y

2.67 d



β

(100)



Therapy

111


In

2.80 d


EC (100)

SPECT


67

Ga

3.26 d



EC (100)

SPECT


68

Ga

1.13 h



β

+

(90)



PET

EC (10)


60

Cu

23.7 min



β

+

(93)



PET

EC (7)


61

Cu

3.3 h



β

+

(62)



PET

EC (38)


62

Cu

9.67 min



β

+

(98)



PET

EC (2)


64

Cu

12.7 h



β

(40),



β

+

(19)



PET/therapy

EC (41)


67

Cu

2.58 d



β

(100)



Therapy

89

Zr



3.27 d

β

+



(22.7)

PET


EC (77)

153


Sm

46.3 d


β

(100)



Therapy

166


Ho

26.8 d


β

(100)



Therapy

177


Lu

6.73 d


β

(100)



Therapy

For in vivo imaging there are two nuclear modalities: single photon emission computed tomography (SPECT) and positron

emission tomography (PET), which use

γ - or β


+

-emitting radionuclides, respectively (Table 44.1). In the case of SPECT,

the radionuclides decay by electron capture (EC) or isomeric transition (IT) with the emission of penetrating

γ photons

having energies in the range of 100–250 KeV. In PET, the

β

+



particles emitted by the radionuclide react with the electrons

from the medium releasing two photons of 511 KeV as a result of annihilation reactions. In both cases, the resulting photons

(100–250 or 511 KeV) are efficiently detected outside the body leading to clinically useful medical images (Fig. 44.1).

For therapy, the radiopharmaceuticals must contain radionuclides emitting ionizing particles (Auger electrons,

β



or



α

particles). These particles have a high linear energy transfer (LET) inducing damage to targeted tumor tissues. However,

their range in tissues is variable, following the order

β



> α > Auger electrons. Therefore, unlike β

- or



α-emitters, Auger-

emitting radionuclides need to be accumulated by the nucleus of tumor cells in order to elicit significant DNA damage and

therapeutic effect.

The biodistribution of radiopharmaceuticals can be determined by their chemical and physical properties, perfusion



radiopharmaceuticals, or by their biological interactions, target-specific radiopharmaceuticals (Fig. 44.2). The biological

distribution of perfusion agents is determined by blood flow and these agents target high capacity systems, such as

phagocytosis, hepatocyte clearance, and glomerular filtration. The target-specific radiopharmaceuticals target low capacity

systems, and their biodistribution is determined by specific protein interactions, for example, antigen, enzymatic, or receptor-

binding interactions.

Based on the use of target-specific radiopharmaceuticals, SPECT and PET can determine the concentration of biomarkers

in the human body in a noninvasive way, and these techniques are sensitive enough to visualize interactions between

physiological targets and ligands, enabling a variety of molecular imaging applications. For molecular imaging, SPECT

and PET present the advantage of high intrinsic sensitivity and unlimited depth penetration of the

γ -radiation, if compared



Re(I) AND Tc(I) TRICARBONYL PRECURSORS

591

(a)


(b)

γ

β

+

511 KeV photon



511 KeV photon

γ-Ray detection

Figure 44.1

Examples of SPECT (a) and PET (b) images obtained after injection of a

γ - or β

+

-emitting radiopharmaceutical.



Chelator

(a)


(b)

Metal


BFCA

Linker


Biomolecules

Biomarker



Figure 44.2

Schematic representation of (a) perfusion and (b) target-specific metal-based radiopharmaceuticals.

with other imaging modalities, such as MRI, computed tomography (CT), ultrasound (US), bioluminescence imaging, and

fluorescence imaging. PET has the additional advantage of being fully quantitative providing higher spatial resolution than

SPECT.

As shown in Table 44.1, of all the radionuclides relevant for medical applications, radiometals play an important role



either for imaging or therapy. In particular for SPECT imaging, the overwhelming majority of radiopharmaceuticals in

clinical use correspond to complexes of

99m

Tc, which remains the workhorse of nuclear medicine as a result of its ideal



nuclear properties, low cost, and convenient availability from commercial generators. Rhenium, the group 7 congener of

technetium, has two

β-emitting isotopes,

186


Re and

188


Re (Table 44.1), with nuclear properties suitable for the development

of therapeutic radiopharmaceuticals. In addition, Re complexes are commonly used as surrogates for

99m

Tc congeners. This



approach benefits from the physicochemical similarities of these two elements and avoids the use of the long-lived

β-emitter

99

Tc for the characterization of the



99m

Tc complexes. Despite their differences in the kinetics of ligand exchange reactions

and redox chemistry, Tc and Re can also be considered a matched pair suitable to obtain radiolabeled compounds for nuclear

imaging (

99m

Tc) or radionuclide therapy (



186/188

Re). On the basis of isostructural Re and Tc compounds, theranostic agents

can be achieved, which can deliver ionizing particles (

186


Re/

188


Re) to treat a tumor or provide images (

99m


Tc) for diagnosis.

Such possibility overcomes undesirable differences in biodistribution and selectivity, which currently exist between distinct

imaging and therapeutic tools.

44.3

Re(I) AND Tc(I) TRICARBONYL PRECURSORS

For the majority of metals studied in radiopharmaceutical chemistry, for example, lanthanides, gallium, indium, or copper,

the most relevant compounds are coordination complexes [6–9]. However, for Tc and Re, as a result of their rich

chemistry, organometallic complexes have recently assumed a growing importance through the possibility of preparing

the precursors fac-[M(CO)

3

(H



2

O)

3



]

+

(M



= Re, Tc) in aqueous solution, as already mentioned in the introductory part [3–5].

The availability of these precursors brought renewed interest on the design of Tc(I) organometallic radiopharmaceuticals as

an alternative to classical strategies based on the [

99m


Tc(O)]

3

+



trans-[

99m


TcO

2

]



+

, [


99m

Tc(N)]


2

+

, or [



99m

Tc-HYNIC] (HYNIC

= 6-hydrazinonicotinic acid) cores [10–12].


592

ORGANOMETALLIC CHEMISTRY OF RHENIUM AND TECHNETIUM FUELED BY BIOMEDICAL APPLICATIONS

K

2

[H



3

BCO


2

], Na


2

(tartarate), Na

2

B

4



O

7

, Na



2

CO

3



, 98 

°C, 20 min, pH > 11

H

3

PO



4

 conc, K


2

[H

3



BCO

2

], BH



3

·NH


3

, 15 min, 60 

°C

M

OH



2

OH

2



OC

OH

2



OC

CO

+



3a M = 

99m


Tc

4a M = 

188


Re

188



Re

O

O



O

O

99m



Tc

O

O



O

O



1

2

Scheme 44.1

Aqueous synthesis of fac-[M(CO)

3

(H

2



O)

3

]



+

(M

=



99m

Tc (3a),

188

Re (4a)).



As referred earlier, for

99m


Tc and

188


Re, the synthesis of the compounds starts always from pertechnetate or perrhenate in

saline, obtained by elution of

99

Mo/


99m

Tc and


188

W/

188



Re generators, respectively. Initially, Alberto et al. showed that the

halide (NEt

4

)

2



[

99

TcCl



3

(CO)


3

] could be obtained directly from [

99

TcO


4

]



by reduction with BH

3

in refluxing tetrahydrofuran



(THF) saturated with CO [3]. It was also shown that the halides in (NEt

4

)



2

[MCl


3

(CO)


3

] are readily replaceable by water,

affording the corresponding aquo-tricarbonyl precursors fac-[M(CO)

3

(H



2

O)

3



]

+

(M



=

99

Tc (3), Re (4)). Later, it was also



shown that fac-[

99m


Tc(CO)

3

(H



2

O)

3



]

+

(3a) could be obtained by treating [



99m

TcO


4

]



(1) with NaBH

4

in the presence of



CO [4]. However, CO is a toxic gas, unsuitable for use in hospitals and in commercial radiopharmaceutical kits, a problem

that was overcome by the use of boranocarbonate, K

2

[H

3



BCO

2

]. This compound reduces the Tc(VII) and acts as a CO



source, through mechanisms not yet fully understood (Scheme 44.1) [13]. As shown in Scheme 44.1, the synthesis of fac-

[

188



Re(CO)

3

(H



2

O)

3



]

+

(4a) is only possible by reducing with a combination of K



2

[H

3



BCO

2

] and amine borane (BH



3

.NH


3

),

reflecting the different redox chemistry of Tc and Re [5].



44.4

ORGANOMETALLIC BUILDING BLOCKS FOR THE DESIGN OF RADIOPHARMACEUTICALS

Using the precursors fac-[M(CO)

3

(H

2



O)

3

]



+

(M

=



99

Tc (3),

99m

Tc (3a), Re (4),



188

Re(4a)), a multitude of building blocks

bearing the fac-[M(CO)

3

]



+

unit have been synthesized in the last few years. The d

6

low spin electronic configuration of



the metal in 3/3a and 4/4a leads to highly stable M–C bonds and to weakly bound water molecules, easily replaceable by

chelators with different donor atoms sets and denticity. Under physiological conditions, a variety of classical bi- or tridentate

chelators have been studied with these metal moieties [14–26]. From all the studies undertaken, it has been shown that, in

general, the complexes based on tridentate chelators presented a more favorable biodistribution profile and pharmacokinetics

to be further used as building blocks in the design of radiopharmaceuticals. Some examples of stable buildings blocks

containing the tricarbonyl core and tridentate chelators are shown in Fig. 44.3.

Other typically organometallic ligands explored in this area were cyclopentadienyls, carboranes, and bridging hydrides

[27–29]. All these ligands allowed the synthesis in aqueous medium of Re and Tc tricarbonyl complexes (Fig. 44.4).

Alberto et al. have shown that complexes of the type fac-[

99m


Tc(

η

5



-Cp-R)(CO)

3

] can be synthesized in aqueous conditions



starting from fac-[

99m


Tc(CO)

3

(H



2

O)

3



]

+

(3a) and using carboxylic and amide derivatives of cyclopentadienyls with a keto



group in

α position. They further extended the scope of the aqueous chemistry of cyclopentadienyls, showing that Diels–Alder

dimerized CpH derivatives also react directly with 3a affording the same type of half-sandwich complexes [27, 30, 31].

Valliant et al. [32–34] studied the aqueous chemistry of carborane

99m

Tc tricarbonyl complexes and confirmed their relevance



for the design of target-specific radiopharmaceuticals, despite the initial difficulties that have been found in the synthesis of

this type of complexes using 3a as the starting material.

The first examples of Re(I) and Tc(I) complexes containing coordinated hydrides stable in aqueous medium have been

reported by our group. These complexes were obtained by reacting dihydrobis(2-mercaptoimidazolyl)borates and trihydro(2-

mercaptoimidazolyl)borates with fac-[M(CO)

3

(H



2

O)

3



]

+

(M



= Re,

99

Tc,



99m

Tc), as for example complexes and (Schemes



PERFUSION AGENTS

593

Carbon


Rhenium

Nitrogen


Oxygen

Sulphur


Figure 44.3

Selected examples of Re(I) tricarbonyl complexes with tridentate Werner-type ligands [14–18]. (See insert for color



representation of the figure.)

Carbon


Technetium

Nitrogen


Oxygen

Sulphur


Boron

Figure 44.4

Selected examples of

99

Tc(I) tricarbonyl complexes stabilized by a cyclopentadienyl, a carborane, and a dihydro-



bis(mercaptoimidazolyl)borate [27–29].

44.2 and 44.3). The coordination mode of the respective boron-containing ligands (

κ

3

-S,S,H or



κ

3

-S,H,H) was assessed by



X-ray structural analysis, multinuclear NMR and IR spectroscopy of the

99

Tc and Re complexes [29, 35, 36]. At tracer level



(

99m


Tc), the complexes are formed at room temperature with low ligand concentrations, and are remarkably stable under

physiologic conditions. The water and the

∼10

5

fold excess of Cl



present in solution does not compete with the bridging

hydrides. Biodistribution in mice of the

99m


Tc congener of has shown that this class of complexes cross the blood–brain

barrier (BBB). Such in vivo behavior motivated their use as building blocks to design target-specific complexes for imaging

of brain receptors [37].

The B–H


· · ·M bonds in complexes and (Schemes 44.2 and 44.3) resist to physiologic conditions, but are cleaved

by neutral and unidentate substrates (L), such as pyridine, isonitriles, and phosphines, yielding monomeric mixed-ligand

complexes (e.g., and 9) of the type fac-[Re

2



-(R)H

2

B(tim



Me

)

}(CO)



3

(L)] (R


= H, tim

Me

) (Schemes 44.2 and 44.3) [38–40].



The reaction of with 1,2-ethylenediamine (en) led to the replacement of both B–H

· · ·Re bonds with the formation

of complex 7, stabilized by a

κ

1



-S-scorpionate [38]. Reactions of with different azoles, such as mercaptoimidazoles,

mercaptobenzothiazoles, and pyrazoles, were also studied (Scheme 44.3). These reactions gave complexes anchored by

tridentate poly(azolyl)borates generated in situ most probably by metal-assisted processes [41]. For pyrazoles, these reactivity

studies allowed the synthesis of complexes anchored by unprecedented hybrid poly(azolyl)borates (10 and 11). The

99m

Tc

congeners with hybrid scorpionates could not be obtained using this approach but their synthesis was achieved in high yield



by reacting precursor 3a with the sodium salt of the corresponding dihydrobis(azolyl)borate [42].

44.5

PERFUSION AGENTS

To replace some established

99m

Tc-perfusion agents in clinical use, several research groups worldwide have recently



investigated

99m


Tc tricarbonyl complexes as perfusion agents for kidney or myocardium imaging, with encouraging in

vivo results [43–52]. For myocardial imaging, several research groups have searched for lipophilic and cationic

99m


Tc

complexes of greater efficiency than those in clinical use [

99m

Tc-Sestamibi and



99m

Tc-Tetrofosmin (Fig. 44.5)] [47–52].



594

ORGANOMETALLIC CHEMISTRY OF RHENIUM AND TECHNETIUM FUELED BY BIOMEDICAL APPLICATIONS

H

2

N(CH



2

)

2



NH

2

7



8

5

NC

Carbon



Rhenium

Nitrogen


Oxygen

Sulphur


Boron

Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   90   91   92   93   94   95   96   97   ...   115




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling