研究目标与意义
本论文于2024年12月20日在线发表于Science。研究目标是开发一种新的策略,用于快速、模块化、对映选择性和非对映选择性地官能化化哌啶(piperidine),即吡啶的饱和类似物。之前对于这类具有更高sp3杂化特征(sp3 character, Fsp3)的三维分子,缺乏系统的衍生化方法,本文希望通过将鲁棒的生物催化C-H氧化(biocatalytic C-H oxidation)与自由基偶联(radical cross-coupling)相结合,来解决这一问题。
这个问题对产业发展有重要意义。现代药物化学正朝着开发拓扑结构更复杂、三维性更高的分子的方向发展,以增强特异性和理化性质。而目前对于这类分子的合成方法远不如平面分子(如吡啶)成熟。本文提出的策略与吡啶的官能化类似,有望简化三维分子的合成。
Fig. 1. Combination of enzymatic C–H oxidation and radical couplings streamlines access to functionalized saturated heterocycles
正如论文introduction所述:
From the standpoint of modern medicine, pyridines (and their benzannulated analogs) are perhaps the most important heteroaromatic unit owing to their prevalence in US Food and Drug Administration (FDA)–approved drugs. Generally, these flat two-dimensional (2D) structures are diversified through sequential functionalization (eg, halogenation, borylation), followed by transition metal–catalyzed cross-coupling. Complex piperidines, the fully saturated analog of pyridine, are becoming more popular as drug discovery campaigns gradually move toward more topologically complex, 3D space (increased Fsp3).
新思路与方法
本文提出了一个新策略,将生物催化C-H氧化与自由基偶联相结合,用于哌啶类化合物的快速衍生。这一策略的特点包括:
使用酶催化实现位点特异性的C-H键羟基化(hydroxylation),得到手性羟基哌啶building block。之前缺乏这些分子的高效合成方法。 利用自由基反应如脱羧偶联等,对羟基哌啶进行多样性修饰。与传统极性键断裂逻辑不同,自由基反应更加modular,避免了大量官能团和保护基操作。 整个策略与芳香族化合物的修饰逻辑类似,先引入官能团再偶联,但对象从平面分子拓展到立体分子,极大丰富了可供药物化学探索的分子空间。
论文以下内容体现了这一设计思路:
Modern medicinal chemists are targeting more complex molecules to address challenging biological targets, which leads to synthesizing structures with higher sp3 character (Fsp3) to enhance specificity as well as physiochemical properties. Although traditional flat, high-fraction sp2 molecules, such as pyridine, can be decorated through electrophilic aromatic substitution and palladium (Pd)–based cross-couplings, general strategies to derivatize three-dimensional (3D) saturated molecules are far less developed. In this work, we present an approach for the rapid, modular, enantiospecific, and diastereoselective functionalization of piperidine (saturated analog of pyridine), combining robust biocatalytic carbon-hydrogen oxidation with radical cross-coupling. This combination is directly analogous to electrophilic aromatic substitution followed by Pd- couplings for flat molecules, streamlining synthesis of 3D molecules.
可见,作者将生物催化C-H氧化类比为芳香族的亲电取代,自由基偶联类比为Pd催化的偶联,两者结合即可实现三维分子的系统性衍生。这一思路跨越了酶催化与化学合成的界限,开创性地简化了哌啶类化合物的合成难度。
酶催化C-H羟基化反应的开发与优化
本文的一个关键成果是开发出了高效、高选择性的酶催化C-H羟基化方法,用于制备手性羟基哌啶building block。
We have previously reported the gram scale syntheses of 14 and 17. However, a scalable and inexpensive synthesis of other building blocks with alternative hydroxylation patterns was still needed.
针对trans-4-hydroxy-L-pipecolic acid (12)的合成,作者通过优化反应条件,将转化率从最初的39%提高到>99%(表S1)。
对于cis-5-hydroxy-L-pipecolic acid (13)的制备,筛选了两种酶,发现P4H810在pH优化后可实现~100%转化率(表S2)。
To date, there are no examples of enzymes that catalyze the hydroxylation of 3-carboxylated piperidine (nipecotic acid). To address this gap, a select pool of enzymes were screened for reaction on nipecotic acid (Fig. 2 and table S3).
文章首次实现了nipecotic acid的酶促羟基化。通过筛选一系列候选酶,发现SaEctD可催化D-nipecotic acid (10) 生成trans-4-hydroxy-D-nipecotic aicd,转化率90%。增加底物浓度至15mM,并调节α-酮戊二酸用量至5当量,转化率进一步提高到约100%。动力学研究表明,SaEctD对10的催化效率(kcat/Km)为0.98 ± 0.1 mM-1 min-1。
Fig 2. Development of scalable biocatalytic hydroxylation. (A) Enzyme discovery and optimization. (B) Overview of synthetic efficiency and the product value.
值得注意的是,所有羟基化反应的非对映选择性都很高,dr普遍>99:1。最终以最高克级规模制备了5种羟基哌啶building block (14-18),为后续衍生化奠定了基础。这些关键中间体的购买价格在$773-1737/g,而酶法制备可大幅降低成本。
羟基哌啶衍生物的多样性构建
作者利用生物催化制备的羟基哌啶中间体,通过自由基偶联反应实现了一系列复杂哌啶类化合物的简洁合成,极大缩短了传统路线的步骤。
以2-取代-3-羟基哌啶类化合物19、3、21的合成为例(Fig 3A):
N-Boc-3-hydroxy-2-phenylpiperidine 19 was used as a key intermediate in the synthesis of neurokinin NK1 receptor antagonists, such as (+)-L-733,060 and (+)-CP-99,994. The main synthetic strategy used involves the use of chiral pool strategy intermediates or chiral auxiliaries to achieve diastereoselective synthesis of the 1,2–amino alcohol fragment by using polar bond disconnections followed by ring closure. Among the 10 routes reported (see supplementary materials for summary), most suffer from a lack of diastereoselectivity, lengthy routes (7 to 17 steps), cryogenic temperatures, and expensive transition metals. By contrast, hydroxypiperidine 14 can simply engage in chemoselective Ni- electrocatalytic decarboxylative cross-coupling with iodobenzene to afford 19 directly (48% isolated yield, single diastereomer).
化合物19是NK1受体拮抗剂的关键中间体,先前路线普遍存在非对映选择性差、路线长(7-17步)、低温和贵金属使用等问题。而用化合物14与碘苯的镍催化脱羧偶联,可一步直接制得19,收率48%,dr > 20:1。
天然产物swainsonie (3)的合成中,利用14与碘代烯烃20的脱羧偶联得到21,再经Appel反应环化得到文献中的中间体22,最后双羟基化得到3。新路线仅5步,远优于文献6步路线。
Subsequent one-pot Appel reaction and cyclization affords the same intermediate 22 that can be converted to 3 after dihydroxylation, thereby avoiding experimentally time-consuming steps, cryogenic temperatures, and Pd catalysis.
类似地,通过自由基脱羧炔基化将17转化为31,与碘代芳烃30偶联再乙基化得到32,可用于LNP023的不对称合成(Fig 3B)。传统路线需9步,而新路线显著缩短,且可直接对后期中间体引入结构多样性。
对于34、4等2,4-二取代哌啶类化合物,生物催化不对称羟基化与自由基偶联的组合也展现出明显优势(Fig 3B)。SS20846A (4)的文献线路需6-17步,涉及Davis手性亚胺、不对称还原、LAH还原等,总收率很低。新路线以17为原料,经脱羧烯基化一步构筑碳骨架,收率51%,dr 7:1。
Fig 3. Diversification of pipecolic acid through biocatalytic C–H oxidation or radical coupling cascade. (A) 3-Hydroxypipecolic acid diversification. (B) 4-Hydroxypipecolic acid diversification. (C) 5-Hyroxypipecolic acid diversification.
而对于CP-293019的合成(Fig 3C),传统路线从吡啶出发,经12步才到达目标分子,涉及不对称还原、手性拆分等诸多低效步骤。新路线以化合物15为起点,经酰胺化、非对映选择性自由基偶联等7步反应,显著提高了合成效率。
This pathway avoids chiral resolution, epimerization, and the use of expensive metal catalysts to deliver both diastereomeric series for biological evaluation.
3,4-二取代pipecolic acid衍生物的高效合成
研究发现,生物催化的trans-4-hydroxy-D-nipecotic acid (18)是一类重要中间体,可经连续自由基偶联反应高效构建系列3,4-二取代哌啶(Fig 4)。
对于高活性单胺转运体配体8的制备(Fig 4A),新路线先用18与溴代丙二酸酯发生双脱羧偶联(dDCC),再用CEBO原位溴代后与丙烯酸酯偶联,最后还原Boc和酯基得到目标产物。总步数仅5步,且不涉及手性拆分、格氏试剂、LAH等危险操作,dr > 20:1。
By contrast, biocatalytically derived enantiopure 18 can be enlisted in doubly decarboxylative cross-coupling (dDCC) with 47 to afford intermediate 48 in high dr (>20:1). A dDCC was applied here rather than a Giese-type addition to acrylate to showcase how a medicinal chemist could use such an approach to easily modulate the length of the carbon chain if desired. Subsequently, 48 can undergo in situ bromination by using 2-chloro- 3-ethylbenzo[d]-oxazol-3-ium salt (CEBO) or tetrabutylammonium bromide followed by highly diastereoselectivie Ni-electrocatalytic coupling with 49. This in situ activation and electrocatalytic coupling protocol was modeled after the elegant studies of the Gong group and, in our hands, led to superior conversion relative to the use of chemical reductants.
Figure 4. Diversification of nipecotic acid through biocatalytic C–H oxidation or radical coupling sequence. (A) 4-Hydroxynipecotic acid diversification. (B) Concise, precious metal–free synthesis of renin inhibitor.
复杂手性3,4-二取代哌啶61的工艺路线虽已实现公斤级制备,但存在反应步骤长、贵金属使用多等问题(Fig 4B)。在新路线中,先用18与苄胺58(经电化学脱羧偶联制备)酰胺化,再Appel反应制备碘代物,然后在镍-银催化下与碘代吡啶酮60偶联。总步数缩短至5步,贵金属使用大幅减少。 正如文中所述:
The route outlined above is considerably shorter (five steps, eight steps total) than the current process route (10 steps, 14 steps total) and deletes six steps that use precious metal catalysis. It is a good example of the power of combining the efficiency of biocatalytic C–H oxidation with simplifying radical-based transforms.
总结
综上所述,本文的核心发现可总结为:
开发出高效、高选择性的酶催化C-H羟基化方法,克级制备了5种关键羟基哌啶building block,dr > 99:1。解决了此前合成难题。 利用生物催化中间体,通过自由基脱羧偶联等反应,大幅简化了一系列复杂哌啶类天然产物和药物分子的合成,如swainsonine、LNP023等。传统路线步骤大幅缩短,底物适用性和选择性也有明显提升。 创造性地将"酶催化不对称羟基化+自由基偶联"策略拓展到3,4-二取代pipecolic acid衍生物合成,大幅提高合成效率,缩短路线步骤,避免贵金属使用,为此类化合物的规模化制备开辟了新途径。
研究成果的应用与影响
本文的研究成果有望给医药工业带来深远影响:
极大丰富了药物化学家可以探索的分子空间,提供了一条通往sp3杂化更高的复杂哌啶化合物的捷径。这将加速新药研发,尤其是针对具有挑战性的生物学靶点的药物开发。 所开发的生物催化羟基化方法可在工业规模下应用,为关键中间体的制备提供了绿色、经济的新途径。通过定向进化等手段,可进一步拓展底物适用范围。 将自由基化学引入到复杂哌啶衍生物的后期修饰,为构效关系研究提供了powerful的新工具。研究人员可以快速衍生出一系列类似物,考察取代基的电子和位阻效应。 彻底改变了过去对哌啶类化合物进行官能团化的逻辑。传统工艺常常需要冗长的官能团互换,而本文的模块化策略使后期修饰变得直接而高效,大幅压缩了路线步骤。例如图4B的例子,仅用5步就完成了以往需14步的合成,且完全不依赖贵金属催化剂。
未来研究方向与机遇
基于本文的研究,未来在以下几个方面值得进一步探索:
- 酶催化C-H氧化反应的底物拓展
。目前的hydroxylation对象主要局限于pipecolic acid衍生物,天然和非天然氨基酸、以及其他类型含氮杂环都可作为候选底物进行考察。这将极大丰富合成路线的起始原料。 - 自由基反应类型的进一步拓宽
。除了脱羧偶联、Giese加成等已有反应外,光催化、电催化自由基反应的引入有望实现更多类型的偶联模式,如sp3-sp3偶联等。这可进一步拓宽哌啶骨架上官能团引入的可能性。 - 多酶级联催化反应开发
。将C-H氧化与还原胺化等生物转化串联,有望实现一锅法合成重要pharmaceutical building block。这需要解决酶之间的相容性问题。 - 自由基工艺的规模化
。自由基反应独特的官能团兼容性在制药工艺中极具吸引力。电化学等新型自由基技术在克级及以上规模的应用是一个值得攻克的难题,将决定其能否真正应用于药物生产。
Critical Thinking
- 底物适用范围有待进一步拓宽
,目前的例子主要集中在carboxylated piperidine衍生物,对于其他类型的官能团化哌啶(如alkylated、aminated等),方法的有效性还需进一步验证。 - 自由基偶联的非对映选择性控制仍有挑战
。虽然某些偶联可得到高dr,但总体看非对映选择性不如生物催化阶段。一些后期修饰得到的是非对映异构体混合物,可能还需要分离纯化。发展更高立体选择性的自由基反应将很有意义。 - 对映选择性合成的通用性需进一步论证
。虽然使用了D-或L-构型的原料,但并未系统考察不同构型底物在整个反应序列中的差异。官能团化是否会引起部分消旋,手性中心的构型能否完全保持,尚需更多实验数据支持。这对于不对称合成非常关键。 - 缺乏细致的机理研究
。酶催化羟化反应的机理,尤其是底物识别和结合模式的分子基础仍不清楚,需要蛋白结构和动力学等实验进一步阐明。而对于一些新颖的自由基反应,反应机理的细节也有待深入。
Biosyn导师：Phil S. Baran
https://www.scripps.edu/faculty/baran/
Philippe Baran是一位杰出的有机合成化学家,目前担任Scripps研究所化学系Richard A. Lerner讲席教授。他的研究聚焦于开发新颖、高效、经济的合成策略与方法学,用于构建结构复杂的天然产物与药物分子。
Baran教授秉承Hendrickson提出的"理想合成"理念,即一个理想的合成路线应该:
仅包含构建反应而无需官能团转换; 直接构筑目标分子的碳骨架与官能团,而非仅骨架。
这一理念体现了对原子、步骤与氧化还原经济性的高度重视,早于人们正式提出这些概念。Baran教授认为,尽管有机合成的能力与"艺术性"空前提高,但与自然界从容制备大量复杂分子(如万古霉素、紫杉醇)的能力相比,仍有很大差距。因此现代全合成的终极目标是用最少的人力物力实现复杂天然产物的克级制备。
追求这一目标的结果是要全面贯彻Hendrickson法则,并使有机合成化学家转变为"发明家"的角色。这也自然地将合成化学引向生物学领域,因为大量的手性分子可促进多方面的合作研究。
Baran教授本人于1997年在纽约大学获得化学学士学位,2001年在Scripps研究所获得博士学位,随后在哈佛大学Corey教授指导下从事博士后研究。2003年他作为助理教授加入Scripps,2006年晋升为终身副教授,2008年成为正教授。
