Radiofluorinations in Homo- and Heteroaromatic Systems with Application in Two New Types of Metabolic PET-Tracers

Abstract

[18F]fluoride is easily produced at medical cyclotrons in very high yields and without addition of carrier. Therefore, [18F]-labelled tracers can be synthesized with high specific activities. Although aromatic amino acids such as 6-[18F]fluoro-L-DOPA, 2-[18F]Fluoro-L-tyrosine and 6-[18F]fluorophenylalanine are clinically well accepted since quite a while, yet easy and efficient radiofluorinations at benzene ring are still remained to be highly desirable. Since such amino acids possess electron rich aromatic ring, [18F]-labelling by SNAr has to be facilitated by means of an auxiliary group (EWG) that must be removed at EOS. However, in order to eliminate this additional step, an interesting alternative is the use of substituted pyridines in which nitrogen atom acts as an electron-withdrawing group (EWG). In present study, the rate of radiofluorinations in various substituted pyridines was studied. When compared to 2-nitrobenzaldehyde, the labelling yield of 2-nitropyridine (84±3%, 20 min) was almost similar to that of 2-nitrobenzaldehyde (83±1%, 20 min) at 140°C. In addition, [18F]-labelling reactions were also carried out in pyridines substituted in ortho position by electron-donating groups such as –CH3 and –OCH3. It was observed that pyridines having –NO2 as a leaving group showed almost 90% RCYs at all temperatures (140°C to 60°C) irrespective of being substituted by –OCH3 or –CH3 groups in ortho position. Energies of activations (Ea) were calculated for the substituted 2-nitropyridines. In case of all compounds, energies of activation were found in the range of 4-25 kJ / mol. Contrary to 2-nitrobezaldehyde (24 kJ / mol) and nitrobenzene (63.5 kJ / mol), Ea for 2-nitropyridine was clearly lower (6.5 kJ / mol). Another important aspect in [18F]-labelling is the protection of –OH. For this, the hydrolysis of new substituted benzyloxy protected groups for hydroxyl was carried out by acidic as well as catalytic transfer hydrogenation. Time and temperature dependent analysis showed that 2,4-dimethyl benzyl and p-xylyl groups can be easily cleaved at 120°C within 10 min after hydrolysis with 32% HCl by giving almost 80% RCYs. In addition, p-xylyl was hydrolysed under mild conditions with ca 75% of RCY at 70°C at 10 min by using ammonium formate as a hydrogenating reagent. [18F]-labelling was carried out in order to develope the new precursors for PET-imaging of hypoxia ([18F]FNT) and prostate cancer ([18F]FPy-DUPA-Pep). Hypoxia radiotracer ([18F]FNT) is a new compound that can utilize the amino acid transporter system to enter the hypoxic tissues and hence, its uptake can be expectedly enhanced for PET imaging. At EOS, 40±1% (decay uncorrected) of [18F]FNT was synthesized with radiochemical purity of > 98% within 90 min. For radiosynthesis via SNAr of a PSMA (prostate-specific membrane antigen) targeting ligand ([18F]Py-DUPA-Pep), the method involves one step radiosynthesis of prosthetic group [(18F)FPy-TFP] itself and one step for coupling with peptide. At the end of synthesis, 48±0.9% (decay uncorrected) of [18F]FPy-DUPA-Pep was synthesised with radiochemical purity of > 98% within 50 min. Hence, an efficient method of radiosynthesis for [18F]FNT and [18F]FPy-DUPA-Pep has been developed. Thus, both of these radiotracers can be used for PET imaging in clinical applications.

Fluor-18 (T1/2 = 110 min) ist an medizinischen Zyklotrons einfach und in sehr hohen Ausbeuten ohne Träger-Zusatz, d.h. praktisch ohne Isotopen-Verdünnung durch Fluor-19, herstellbar. Daher können [18F]-markierte Tracer in hohen spezifischen Aktivitäten synthetisiert werden. Die Konzentrationen können im nano- bis picomolaren Bereich liegen und ermöglichen somit PET-Messungen im Körper, so dass Stoffechselprozesse praktisch ohne konzentrationsbedingte Veränderungen in vivo untersuchbar sind. Aromatische [18F]-Aminosäuren wie [18F]Tyrosin oder [18F]DOPA werden seit langem klinisch als PET-Tracer angewandt, können jedoch über elektrophile Radiofluorierungen verfahrensbedingt nur in niedrigen Aktivitätsmengen und geringen spezifischen Aktivitäten hergestellt werden. Ein Verfahren zur einfachen nukleophilen [18F]-Fluorierung direkt am Benzolring existiert bisher nicht. Bei der betreffenden Verbindungsgruppe handelt es sich um elektronenreiche Aromaten, die einer nukleophilen Substitution (SNAr) nicht unmittelbar zugänglich sind. Im Gegensatz zur „klassischen“ organischen Chemie fehlten grundlegende Arbeiten zu SNAr, so dass wir in Tübingen mit entsprechenden Untersuchungen vor einigen Jahren begonnen hatten. Diese Arbeiten werden im Grundlagenteil dieser Dissertation an substituierten Benzolen weitergeführt und auf Pyridine ausgedehnt. Im zweiten Teil sind Radiosynthesen für zwei neue [18F]-Verbindungen als PET-Tracer für hypoxisches Tumorgewebe sowie als PSMA-Ligand für Prostata-Tumore mit neuartigen radiopharmazeutischen Konzepten entwickelt worden. Zur Realisierung von SNAr in elektronenreichen Aromaten sind elektronenziehende Substituenten notwendig. Bisher war die Substitution der quaternären Ammoniumgruppe praktisch nicht untersucht, lediglich war in dem Reaktionssystem die Bildung von [18F]CH3 als dominierende Nebenreaktion bekannt. Die Experimente an verschieden substituierten Benzaldehyden zeigen keine Nebenreaktion und auch hohe radiochemische Ausbeuten, wenn die quaternäre Ammoniumgruppe in ortho Position lokalisiert ist. Erwartungsgemäß entsprechen Substitutionsausbeuten im übrigen denjenigen der Nitrogruppe. Für [18F]-Markierungsstrategien bietet die quaternäre Ammoniumgruppe jedoch den in der Praxis wichtigen Vorteil der schnellen und effizienten Abtrennung vom [18F]-Produkt. Die grundlegenden Arbeiten zur SNAr mittels [18F]-Fluorid wurden auf Pyridine ausgedehnt, und führten u.a. zum prinzipiellen Resultat, dass [18F]-Pyridin-Derivate als Surrogate für Benzol bzw. als prosthetische Gruppe z.B. zur [18F]-Markierung geeignet sind. In Hinblick auf [18F]-Markierungsreaktionen ist es von großer Bedeutung, dass die SNAr an Pyridinderivaten in der Regel mit Ausbeuten von über 80% verläuft und im Gegensatz zu den korrespondierenden Benzolderivaten die Effekte von +M-Substituenten deutlich schwächer ausgeprägt sind. Die z.T. unerwarteten Ergebnisse der Dissertation liefern substantielle Informationen zu weitergehenden systematischen Anwendungen in der Entwicklung neuartiger Radiopharmaka für die Molekulare Bildgebung.