sp3杂化C-H键直接甲基化登上Science，光敏剂再度发力
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2024-04-26 09:13
上海
2000年在美国旧金山举行的ACS学术报告会标语为“Small atom with a big ego”，其间人们对有机氟化学在学术及工业界的重要应用进行了深入探讨。含氟有机化合物常常表现出非氟母体所不具备的理化特性。以药物化学研究为例，在生物活性分子中引入氟原子或含氟基团可改变其渗透性、代谢稳定性，调节其pKa及脂溶性，对药物分子的吸收、分布及与生物靶点的相互作用造成影响。这种称为“fluorine magic”的特殊效应吸引许多从事药物研发工作的人在该领域孜孜不倦地探索。一个原子可以改变世界，与此类似，分子给定位点的H原子换作甲基（CH3）同样会对其药理特性带来一定的影响。作为体积最小的烷基，这种基团在药物分子中颇为常见。甲基化反应作为一种重要的活性化合物筛选手段在新药研发中具有广泛的应用，在母体分子易代谢位点的附近引入CH3可通过增大空间位阻来改善其药代动力学及药效特性。以临床用于治疗高胆固醇血症、冠心病的simvastatin（1）为例，侧链酯基α位修饰另一个CH3后代谢速率降低，由此延长药物的半衰期。如果某一生物活性分子排出体外的时间过长，人们还可通过甲基化修饰引入新的代谢位点来缩短其半衰期，降低药物毒性（如非甾体抗炎药etoricoxib（2））。除此之外，在活性化合物合适的位点引入CH3还能改变其亲脂性、分子三维构型及构象灵活度，进而影响其溶解度、脱靶选择性，有时甚至可实现药效反转，将激动剂转变为拮抗剂。甲基化修饰（加重部分）对生物活性分子药代动力学及药效特性的影响（图片来源：参考资料[2]）今天要介绍的内容便与之有关。美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin, Madison）的Shannon S. Stahl教授与默沙东（Merck）公司的Shane W. Krska合作，开发了一种可见光引发的甲基化反应。二叔丁基过氧化物（DTBP）、过氧化二异丙苯（DCP）等三级烷基过氧化物同时用作氢原子转移（HAT）试剂和甲基化试剂，在光敏剂的作用下能直接将一系列不同结构的C(sp3)-H键选择性甲基化。相关工作发表在2021年的学术期刊Science上。想要在特定的C原子位点添加CH3，从原子、步骤经济性的角度来看，直接将分子中的目标C-H键甲基化是最为简单、高效的方法，但早年多数情况下都不是一件容易的事。理论上讲，如果某一C-H键具有一定的酸性，人们就可利用合适的Brønsted碱对其去质子化，再选择亲电甲基化试剂（CH3I、(CH3)2SO4等）完成相应的转化。例如，酮羰基的α位攫氢后可形成对应的烯醇化物，随后与CH3I混合便得到α-甲基化产物。但生物活性分子中通常存在多个竞争反应位点，完成甲基化前往往还涉及保护基修饰等其他操作，反应后再消除保护基。有时转化效率低，不少人只得从包含CH3的起始原料出发一步步从头合成。对于芳香烃C(sp2)-H键的甲基化，人们一般会采用两种策略：一种是邻位导向金属化，即借助芳香环上包含N、O、S等杂原子的基团作为导向基团，诱导nBuLi、tBuLi、LDA等强碱对其邻位的C-H键去质子化，得到的芳基锂中间体再与甲基化试剂作用。这类反应需要在强碱条件下进行，很多对碱敏感的官能团无法兼容，底物适用范围有限。此外，底物中包含苄位C-H键也会发生竞争甲基化。随着过渡金属催化领域研究的蓬勃发展，有人又开发了相应的C(sp2)-H键活化反应。其间同样依靠各类导向基团及模板分子拉近金属催化剂与目标C-H键的距离，此时反应条件更加温和，不仅能实现邻位甲基化，对位、间位亦有解决之道。实现芳香烃C(sp2)-H键甲基化的两种策略（图片来源：参考资料[2]）C(sp3)-H键甲基化也可通过上述两类方法来完成。2020年，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois, Urbana）的M. Christina White教授团队报道了一种氧化甲基化反应。他们利用以往设计的Mn配合物Mn(CF3PDP)(MeCN)2(SbF6)2（1）作为催化剂，可将多种不同氮、氧杂环化合物的α位C(sp3)-H键选择性甲基化。H2O2用作氧化剂首先在杂环化合物的α位引入OH，后者进一步转化为相应的亚铵或氧鎓亲电活性中间体，随后AlMe3作为亲核甲基化试剂与之反应，由此一锅两步得到目标产物。该方法不仅适用于简单结构的分子，还可完成复杂天然产物及药物分子的后期修饰，算得上是彼时选择性十分出色的甲基化反应。美中不足之处在于两步转化都要在低温条件下（低至-78 ℃）进行，并需使用易燃的AlMe3。Mn催化氮、氧杂环化合物α位C(sp3)-H键的氧化甲基化（图片来源：参考资料[5]）C(sp3)-H键氧化甲基化可能的反应机制（图片来源：参考资料[5]）DTBP、DCP等三级烷基过氧化物的O-O键均裂可形成相应的烷氧自由基，后者既能与底物的C(sp3)-H键发生HAT，又可通过自身的β-均裂产生甲基自由基（·CH3）。假使能合理调控这两种反应途径的速率，并将底物衍生的碳自由基与·CH3高效偶联，便可完成C(sp3)-H键的甲基化。不过，直接实现两种瞬态自由基的偶联难度较大，人们还需结合过渡金属催化剂将其转化为相对稳定的有机金属物种，再设计相应的C-C键偶联过程。三级烷基过氧化物参与C(sp3)-H键甲基化涉及的关键转化过程（图片来源：参考资料[4]）早期这类过氧化物参与C(sp3)-H键的官能化通常要对体系加热，为其O-O键均裂提供必要的条件。但对应的官能化试剂一般用作限制试剂（limiting reagent），底物需大大过量（≥10当量），主要在于加热时形成的烷氧自由基发生β-均裂占据明显的优势，为了促进HAT必须加大底物的浓度。Stahl教授基于前人的研究发现，一些光敏剂在可见光的激发下跃迁至三线态，后者与过氧化物进行能量转移，室温下便可发生O-O键断裂。而降低体系温度有利于HAT过程，由此有望解决底物用量过大的问题。他首先以N-（3-苯丙基）邻苯二甲酰亚胺作为模板底物，DTBP作为烷氧自由基前体，探究不同可见光光敏剂对甲基化反应的影响。他发现底物的转化率与光敏剂三线激发态的能量直接相关，能量大于55 kcal/mol的Ir光敏剂参与反应时效果较好，不加入光敏剂转化率仅为12%，最终选择Ir[dF(CF3)ppy]2tBubpyPF6（Ir-F）作为光敏剂。上文提到，想要高效实现C(sp3)-H键的甲基化，烷氧自由基的HAT与β-均裂需同步进行，两者反应速率应尽可能匹配。他又进一步考察了其他反应参数对两种反应途径的影响，结论与以往的研究基本吻合：体系升温对β-均裂有利，反之HAT更有优势；升高底物浓度可提高底物的转化率，即有益于HAT。此外，使用不同的溶剂或过氧化物也会改变最终结果。不同反应参数对甲基化反应的影响（图片来源：参考资料[4]）以上反应均是在体系未加入过渡金属催化剂的情况下进行的，最终会得到一系列复杂的混合产物。Stahl教授团队参考以往报道的工作，使用NiCl2·dme作为Ni催化前体，4,4’,4’’-三叔丁基三联吡啶（tButpy）作为配体，能以60%的收率得到N-（3-苯丙基）邻苯二甲酰亚胺苄位C-H键甲基化的产物。他们还通过气相色谱分析不同反应体系中生成的气体产物，发现不加入Ni催化剂时，产生的·CH3会与溶剂或其他相关物种发生HAT得到大量的CH4，由此体现了Ni催化剂的重要性。Ni催化剂对甲基化反应的影响（图片来源：参考资料[4]）由于不同类型底物参与HAT的反应速率存在明显的差异，为了确保其与β-均裂的步调一致，还需根据实际情况对各个反应参数进行调整。他们通过高通量实验考察了多种结构的底物，最终确立了四种通用的反应条件。例如，大多数苄位或α-氨基C(sp3)-H键的甲基化可以使用tButpy作为配体，搭配a或b组合体系开设反应。氨甲酸酯、醚等α位C(sp3)-H键电子密度较高，宜选择三（2-吡啶甲基）胺（TPA）作为配体，联用c或d组合体系。活性低的分子可通过升高底物浓度提高反应的转化率，容易发生二甲基化则降低其浓度。四种通用的反应条件及底物适用范围的考察（图片来源：参考资料[4]）该方法具有良好的官能团兼容性及区域选择性，对各种复杂结构药物分子的后期修饰同样适用。值得一提的是，人们可通过在体系中加入适量的Brønsted酸来改变甲基化的选择性。例如，化合物32中N-Boc保护的哌啶α位C-H键的反应活性高于苄位，但如果将哌啶的N原子质子化（31），苄位更容于发生甲基化。根据美国亚利桑那大学（University of Arizona）Jόn Njarðarson教授团队统计的“2022年全球销售额前200位的小分子药物”，一半以上的结构中至少包含一个与C原子键连的CH3。在早期药物研发阶段，这种甲基化反应可帮助大家快速地构建目标分子，定能获得大范围的推广应用。体系中加入适量的Brønsted酸改变甲基化的选择性（图片来源：参考资料[4]）[1] Eliezer J. Barreiro et al., The Methylation Effect in Medicinal Chemistry. Chem. Rev. 2011, 111, 5215.[2] Heike Schönherr et al., Profound Methyl Effects in Drug Discovery and a Call for New C-H Methylation Reactions. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 12256.[3] Shaoyi Sun et al., Methyl-containing pharmaceuticals: Methylation in drug design. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2018, 28, 3283.[4] Aristidis Vasilopoulos et al., C(sp3)–H methylation enabled by peroxide photosensitization and Ni-mediated radical coupling. Science 2021, 372, 398.[5] Kaibo Feng et al., Late-stage oxidative C(sp3)–H methylation. Nature 2020, 580, 621.
