研究目标和意义
本文于2024年9月30日在线发表于Chem。主要研究目标是开发一种**立体发散合成(stereodivergent synthesis)策略,通过C-C键形成(C-C bond formation)在单个反应中高选择性地合成邻二氟化物(vicinal difluorides)的所有四个立体异构体。作者认为邻二氟化物是一类重要的有机含氟结构,可以通过两个氟原子之间的邻位交叉效应(gauche relationship)**来控制分子的构象,从而影响其生物活性。但目前合成邻二氟化物,特别是控制其立体构型仍然面临挑战。因此发展高效、高选择性的邻二氟化物合成方法具有重要意义。
正如作者在引言中提到的:
Vicinal difluorides often adopt a defined conformation about the C(sp3)–C(sp3) bond due to the electronic properties of fluorine. Therefore, they could be valuable for controlling the constellation of functional groups about acyclic C–C bonds in organic molecules if all stereoisomers of the difluorides could be synthesized.
邻二氟化物结构单元广泛存在于药物分子和生物活性化合物中。开发出立体发散合成邻二氟化物的方法,不仅可以丰富含氟有机化合物的合成方法学,还可以为药物分子和功能分子的精准构象调控提供新的思路,推动相关产业的发展。
创新性思路和方法
过去邻二氟化物的合成主要有两种策略:1)通过亲核取代引入氟原子;2)烯烃的双氟化反应。这些方法通常立体选择性较差,且底物适用范围有限。本文作者提出了一种全新的合成策略,即通过铜/铱双金属协同催化的不对称**烯丙基取代(allylic substitution)**反应,在邻二氟化物两个碳原子之间构建C-C键,从而实现邻二氟单元的高选择性构建(图1)。
To achieve such bond formation, we devised a strategy involving allylic substitution. Catalytic allylic substitution could form the carbon–carbon bond, and methods that combine one transition-metal catalyst to control the configuration of the nucleophile and another to control the configuration of the electrophile could, thereby, dictate the absolute and relative configurations of the two stereogenic centers.
图1
作者之所以选择烯丙基取代反应,是因为他们此前开发的一类三齿氮配体络合的铱催化剂可以很好地活化和控制烯丙基底物的立体构型。而亲核试剂的立体选择性可以通过手性双膦配体络合的铜催化剂来控制。通过调节两种过渡金属催化剂的匹配,有望实现邻二氟化物四个立体异构体的发散性选择性合成。
反应机理如图1D所示:Lewis酸性的铜催化剂与含氟亲核前体(pronucleophile)中的杂芳环上的N、O原子螯合,在碱的作用下生成手性Cu-烯醇式中间体。该中间体进攻由阳离子型Ir催化剂活化的含氟烯丙基底物,从而高选择性地构建C-C键和两个手性中心。反应的非对映选择性(diastereoselectivity) 和**对映选择性(enantioselectivity)**分别由两个催化循环中的手性配体控制。
一、实现了邻二氟化物四个立体异构体的高选择性合成
文章最重要的发现之一是建立了一种铜/铱双金属协同催化的不对称烯丙基取代反应,可以高效、高选择性地合成邻二氟化物的所有四个立体异构体。通过C-C键的高选择性构建,一步引入两个氟原子和两个手性中心,大大简化了合成步骤。
作者对该方法的底物适用范围进行了系统考察。结果表明,无论是带有吸电子还是供电子基团的烯丙基底物,都能顺利参与反应,以优秀的产率和非对映选择性得到目标产物(图2B)。含有吡啶、嘧啶、苯并噻唑等杂环结构的含氟亲核试剂也能兼容该催化体系,选择性地生成一系列官能团化的邻二氟化合物(图2A)。
图2
作者指出,过去邻二氟化物的合成主要采用亲核取代或双氟化策略,存在选择性差、底物适用范围窄等局限性。本文发展的方法克服了这些不足,为高选择性合成复杂的邻二氟化合物提供了新途径。
Current syntheses of saturated vicinal difluorides have followed two strategies, both involving the formation of C–F bonds with the connecting C–C bond in place: (1) two sequential nucleophilic substitution reactions between fluoride nucleophiles and an epoxide or a diol, and (2) the difluorination of alkenes. The route involving nucleophilic substitution often requires harsh, toxic reagents, such as HF or SF4, that cannot be used in a typical laboratory and are limited in their tolerance of functional groups even when used in a specialized facility, and the synthesis of a series of stereoisomers is challenging because the substitution reactions are stereospecific. The second approach involving enantioselective difluorination of alkenes is limited in scope and requires single olefin stereoisomers to occur with high diastereoselectivity.
二、通过协同控制实现了邻二氟化物的立体发散合成
更令人印象深刻的是,作者利用铜/铱双催化体系,通过调节两种手性催化剂的组合,成功实现了邻二氟化物四个立体异构体的发散性合成(图3)。从同一对非手性或外消旋底物出发,通过改变催化剂的手性匹配,可以任意控制产物的非对映立体化学和绝对构型,实现了**"一锅法"的立体发散合成**。
例如,利用(R,R)-Ph-BPE/Ir和(S a ,S,S)-[Ir]催化剂组合,可以在中等收率和优秀选择性下合成邻二氟化物5a。当改用(R,R)-Ph-BPE/(R a ,R,R)-[Ir]催化剂组合时,则以83%的收率和15:1 dr, 99% ee的立体选择性生成其非对映异构体3a(图3A)。这种高度的立体发散性进一步拓展到了其他类型的烯丙基和亲核试剂底物(图3B-E),充分体现了该合成策略的一般适用性。
By simply permutation of the enantiomers of the Cu and the Ir catalysts, each stereoisomer of a given vicinal difluoride product in Figure 3 was synthesized in good yield (56%–96%) with synthetically useful to high diastereoselectivity (dr 4:1–18:1) and with excellent enantioselectivity (ee 97%–99%) from the same, optically inactive starting materials.
图3
立体发散合成可以最大程度地发掘分子骨架的功能多样性,对深入理解其构效关系至关重要。以往的合成方法很难做到一步构建多个立体异构体。本研究利用多金属协同催化的优势,通过"切换"不同手性的催化剂,巧妙地实现了产物立体化学的精准调控,突破了传统合成方法的限制。
三、合成的邻二氟化物表现出显著的"反式效应"
通过X射线单晶衍射分析和密度泛函理论(DFT)计算,作者研究了所合成邻二氟化物分子的构象特点。结果表明,两个C-F键倾向于采取反式(gauche)构象,且该构象在能量上比反式(anti)构象更加有利(图4)。
图4. (A)和(B) X射线单晶衍射分析表明邻二氟化物分子4g和ent-5d中两个C-F键呈反式(gauche)构象。(C) DFT计算得到反式构象与反式构象的相对Gibbs自由能。
The computed energies of the gauche conformers are lower than those of the other conformations (1.2–1.9 kcal/mol lower in energy than the anti conformers) in all cases (Figure 4C). These results indicate that the gauche conformation of the two adjacent C–F bonds dictates the most stable structure of these molecules, despite the potential steric repulsion between the heteroarene and the arene attached to the two adjacent carbons or the effect of the polarity of the alkoxycarbonyl unit.
作者认为这种构象偏好源于两个氟原子之间的超共轭相互作用。相比之下,含有一个氟原子的类似物则表现出完全不同的构象特点。DFT计算表明,单氟化合物中C–H键与C–F键反式(anti)排列比相应的反式(gauche)构象能量低0.6-3.1 kcal/mol。
这一发现有力证明了在高度官能团化的分子骨架中引入邻二氟基团,可以对C(sp3)-C(sp3)键两侧的空间位阻和电性环境进行精准调控,从而实现分子构象的锁定。这不仅加深了人们对氟原子立体电子效应的认识,也为药物分子和功能分子的设计提供了新策略。
四、不同构型的邻二氟化物探针表现出明显的蛋白质选择性结合
为了进一步评估邻二氟化物立体化学对功能的影响,作者将其应用到了化学蛋白质组学研究中。他们将邻二氟基团引入到含有光反应探针的分子骨架中,系统合成了一系列不同构型的光亲和性探针分子(图5)。
图5. (A)邻二氟化合物4d的四个立体异构体合成得到探针分子8a-d。(B)相应的含有一个氟原子的探针9a-d用于对照。(C)化学蛋白质组学探针分子的三个关键组成部分:反应位点、光反应基团和炔基标记。
随后,作者利用上述探针分子对人胚肾细胞(HEK293T)的蛋白质组进行了标记和富集分析。结果表明,不同立体构型的探针分子表现出明显不同的蛋白质结合模式(图6)。其中,异构体8c对蛋白质的标记能力最强,尤其是对硫氧还蛋白还原酶TXNRD2表现出显著的选择性富集。8c的非对映异构体8b虽然也表现出一定的蛋白质结合能力,但与8c相比,无论是结合蛋白质的种类还是丰度都明显减少。而另外两个非对映异构体8d和8a几乎检测不到任何特异性蛋白质结合。
图6. 化学蛋白质组学分析结果。(A) SDS-PAGE和荧光检测揭示探针8a-d与蛋白质的共价结合情况。(B)液质联用分析鉴定探针8a-d标记和富集的蛋白质。(C) Western blot实验验证探针8c与TXNRD2和GAPDH蛋白的选择性结合。
与此鲜明对比的是,相应的含有一个氟原子的探针9a-d均未检测到明显的蛋白质结合。作者由此推断,邻二氟基团引入的"构象锁定"效应可以显著提高小分子与蛋白质的亲和力和选择性,而这种独特的生物学效应是单氟化合物所不具备的。
This large difference in binding affinities between the monofluoro compounds and the vicinal difluorides is consistent with the latter compounds adopting defined conformations and is inconsistent with a difference in affinity resulting from changes in non-covalent intermolecular interactions, such as H-bonding, or changes in lipophilicity caused by the additional fluorine atom in 8a–d. The H-bonding to tertiary alkyl fluorides is known to be weak, the difference in hydrophobicity between monofluoro and difluoroalkyl motifs is known to be small, and these differences would be insensitive to stereochemistry.
综上所述,本文发展的合成方法不仅实现了高选择性地构建邻二氟化合物骨架,还可以通过调控其立体化学,精准调节分子的构象和生物活性。这一发现为今后进行构效关系研究和药物分子设计提供了新思路。
五、小结:
通过系统的实验和理论分析,本文在合成化学和化学生物学领域取得了一系列重要发现:
建立了一种铜/铱双金属协同催化的不对称烯丙基取代新方法,可以高效、高选择性地合成邻二氟化合物;
利用不同手性催化剂的匹配组合,实现了邻二氟化物立体异构体的发散性合成,突破了传统方法的局限;
通过构象分析和理论计算证实了氟原子的"反式效应",揭示了超共轭作用在分子构象调控中的重要作用;
在化学蛋白质组学研究中,系统考察了含邻二氟基团探针分子与蛋白质的选择性结合行为,展现了立体化学调控在药物分子设计中的应用潜力。
研究意义和潜在应用
本文建立的合成方法学突破了以往邻二氟化合物的合成限制,可以方便、高效、高选择性地合成这一类重要的含氟结构单元。同时,该方法还实现了底物和催化剂匹配下的立体发散合成,这在学术上具有重要创新性。从应用角度看,本文的研究成果有望在以下几个方面产生积极影响:
药物化学:邻二氟化物广泛存在于含氟药物分子中,新方法可用于后期药物分子的修饰和构效关系研究,加速药物研发进程。
功能分子:通过在特定位点引入邻二氟基团,可以精准调控分子构象,进而影响分子的物理化学性质和功能,用于开发新型功能材料。
化学生物学:高选择性地在复杂分子中引入邻二氟化物,可以研究构象变化对生物大分子识别、结合过程的影响。
此外,文章还利用所开发的方法合成了一系列含**光反应探针(photoreactive probe)的邻二氟分子。通过化学蛋白质组学(chemoproteomic)**实验,揭示了不同立体构型的邻二氟探针与蛋白质的选择性结合行为(图6)。这说明通过精准调控分子立体化学,可以影响小分子与蛋白质的相互作用,为药物分子设计和生物活性研究提供重要启示。
我们可以合理预见,本文开创性的合成方法学思路将在药物化学、化学生物学、功能分子设计等领域得到广泛应用,催生出一系列相关的新技术和投资机会。作为该领域的研究人员,我们应密切关注以下几个方面:不对称催化方法学创新、构象调控策略、高通量合成与筛选技术、生物正交反应在蛋白质标记中应用等。
未来挑战和展望
尽管本文在邻二氟化合物的不对称合成领域取得了突破性进展,但仍然存在一些有待进一步研究的问题:
反应类型有限,目前仅局限于烯丙基取代反应。能否发展出普适性更强的不对称双氟化方法?
底物仍以芳香类化合物为主,脂肪类底物的适用性有待拓展。邻二氟脂肪化合物的选择性合成是一大挑战。
尽管实现了立体发散合成,但非对映选择性仍有进一步提升的空间。发展更高效的手性催化体系仍是今后努力的方向。
目前的反应规模较小,放大到克量级别尚需进一步条件优化。发展出快速、经济、绿色的工业化生产工艺将是一个挑战。
研究集中在构象调控方面,而对生物活性的影响研究相对较少。下一步应加强邻二氟化物的生物学评价,充分发掘其在药物研发中的潜力。
Critical Thinking
对反应机理的探讨不够深入,缺乏动力学和理论计算方面的支持证据,特别是双金属协同催化的作用机制尚不明确。
在探针分子与蛋白质的相互作用研究中,没有给出具体的解离常数等定量数据,结合强度还有待进一步量化。
对于立体发散合成的底物普适性论证不够充分,目前仅局限于几类含氮杂环化合物,其他类型化合物的适用性仍需进一步验证。
At the same time, we recognized that application of this strategy to form vicinal difluorides would confront several challenges when joining two fluorine-containing units, particularly with stereochemical control.
从文章中也可以看出,作者自己也意识到了在两个含氟片段之间高选择性构建C-C键面临的挑战。因此在理论研究和机理探索方面,本文还有进一步深化的空间。对于反应的底物适用范围,特别是一些复杂结构中的应用,也需要更多实验数据支持。
此外,从工业化应用的角度看,铜、铱等过渡金属催化剂的成本较高,反应条件对水、氧比较敏感,放大生产可能会受到一定限制。
Biosyn导师：John F. Hartwig https://hartwig.cchem.berkeley.edu/john/
John F. Hartwig是加州大学伯克利分校化学系的Henry Rapoport有机化学讲席教授。他在有机合成、有机金属化学和催化领域做出了许多开创性的工作,被公认为是这一领域最有影响力的科学家之一。
Hartwig教授1986年在普林斯顿大学获得学士学位,师从Maitland Jones Jr.教授。1990年在加州大学伯克利分校获得博士学位,师从Richard A. Anderson教授和Robert G. Bergman教授,研究方向为有机金属化学。随后,他在美国麻省理工学院进行博士后研究,师从Stephen J. Lippard教授,获得美国癌症协会博士后奖学金。
