Phil S. Baran等人，最新Science！
学术
2024-12-21 22:07
上海
现代药物化学领域目前关注于复杂结构分子用于解决具有挑战性的生物靶点，这些复杂结构分子通常需要分子具有更显著的sp3结构，用于增强特异性和理化性质。虽然通常吡啶等分子具有较高平面特征结构且含有较多sp2结构的分子能够通过修饰亲电芳基取代基和Pd催化交叉偶联反应进行修饰，但是目前仍然没有合成衍生3D结构的饱和分子的普适性策略。有鉴于此，Scripps研究所Phil S. Baran教授、Yu Kawamata教授、莱斯大学Hans Renata教授等报道一种快速、模块化、立体选择性、非对映体选择性官能团化修饰哌啶化合物的普适性方法，这种方法将稳健的生物催化C-H键氧化反应和自由基交叉偶联反应结合，通过这种结合方法与亲电芳香取代反应类似，然后通过随后的Pd催化偶联反应，这种反应简化了3D结构分子的合成。![]()
图1. 将酶催化C-H键氧化和自由基偶联反应结合，实现流水线式合成官能团化的饱和杂环化合物首先，开发规模化的酶催化反应对2-羧酸化哌啶（11）、3-羧酸化哌啶（10）进行位点选择性C-H键羟基化。作者以往开发了克级量合成14和17的方法，但是仍然需要开发规模化和价格便宜的合成其他类型羟基化的方法。目前人们报道酶催化反应方法，使用反式-4-脯氨酸羟化酶（trans-P4H）能够合成反式-5-羟基-L-哌啶（12），能够以可制备的量（35 mg）合成，转化率达到68-78 %，12收率达到61 %。根据这种酶催化反应进行优化反应参数，最终得到>99 %的转化率。通过优化的反应条件能够进行克级量的大量合成，而且反应的浓度远比报道条件的浓度更高（15 mM vs 1 mM）。![]()
图2. 开发大批量合成的酶催化羟基化由于羟基化立体结构对于随后的官能团化反应具有显著影响，因此同样优化反应条件，合成cis-5-羟基-L-哌啶（13）。根据Codexis等报道的工作，使用来自 Xenorhabdus doucetiae（XdPH YR）的工程化α-kG依赖性L-哌啶酸羟化酶（P4H810），实现了位点选择性和立体选择性生成13号化合物，转化率达到80 %。通过优化反应条件（关键是反应的pH），将反应转化率提高至~100 %。以上报道的酶催化羟基化反应都具有较好的立体选择性，12、13、9产物的立体选择性达到>99:1。目前还没有酶催化反应能够进行3-羧酸化-哌啶的羟基化反应。因此，作者筛选了一系列酶催化剂，筛选了两种P450BM5的变体trans-P4H、P4H810（报道能够对N保护的杂环化合物进行羟基化转化），但是这些酶对(s)-哌啶酸、(R)-哌啶酸没有表现出催化反应活性。随后，考虑到L-哌啶酸的结构与四氢嘧啶（ectoine）的电荷分布类似，因此尝试四氢嘧啶5-羟基化酶SaEctD（Sphingopyxis alaskensis来源）。测试结果表明，SaEctD对4-羟基-D-哌啶酸的转化率达到90 %，而且通过NMR和XRD对产物进行结构验证。进一步优化反应参数，将转化率进一步提高至100 %，而且能够兼容更高的反应物浓度（15 mM）。对EctD对D-哌啶酸的Michaelis-Menten动力学参数进行研究，催化反应常数（kcat）达到19.9±0.6 min-1，Michaelis常数（Km）达到20.4±2.2 mM，Kcat/KM计算结果为0.98±0.1 mM-1min-1，这比本征反应物的动力学参数低7倍。通过分子对接研究发现D-哌啶酸分子与四氢嘧啶具有不同的位点结合模式，这是因为羧酸结构与Gin127、Arg129、Arg280位点之间的极性相互作用导致。通过以上方式，分别合成了Boc保护的5个关键哌啶化合物（14-18）。虽然14-18具有市售产品，但是价格非常昂贵（$773/g-$1737/g）。![]()
图3. 通过生物催化C-H键氧化或者自由基偶联串联反应合成衍生化的哌啶酸通过合成的关键羟基化哌啶，进一步研究了这些羟基化哌啶化合物的自由基交叉偶联反应。首先对2-取代-3羟基化哌啶进行研究（图3），这种分子结构是一系列天然产物和生物化合物中的代表性结构。以N-Boc-3-羟基化-2-苯基哌啶（19）作为关键中间体，合成了神经激肽NK1受体拮抗剂（neurokinin NK1 receptor antagonists），包括(+)-L-733060和(+)-CP-99994。这种合成的化合物具有多种生物活性，比如神经源性炎症、疼痛的传播和调节免疫反应，与多种疾病有关，如偏头痛、类风湿性关节炎和疼痛。与现有报道的合成方法相比，这项研究使用羟基哌啶（14）能够直接合成19号化合物，产率达到48 %，且获得单一立体结构的非对映异构体。通过这种策略能够合成3号化合物（生物碱苦马豆素, swainsonine），是从真菌植物病原菌豆类丝核菌中分离出的一种天然中氮茚生物碱。α-D-甘露糖苷酶和甘露糖苷酶II的强效抑制剂，具有抗癌和其他有用的生物活性，这些活性很可能与它抑制糖蛋白加工的能力有关。目前超过40个报道合成swainsonine通常需要6步骤或者>20步骤（平均需要14步）。通过开发的这种方法，能够在5步合成swainsonine。使用羟基哌啶（14）和烯基碘（20）通过电催化脱羧烯基化反应，得到21号。随后通过一锅法阿佩尔反应和成环反应，得到22号中间体，随后通过二羟基化反应得到3号化合物。这个方法避免了耗时的反应步骤，液氮冷却温度，避免Pd催化剂。2,4-双官能团取代哌啶化合物是重要的生物活性分子。通过这种发展的生物催化反应，能够简单的得到17号化合物。对于一种天然产物SS20846 A（4）的合成，目前报道的合成方法通常需要6-17步，作者发现这种方法通过17和烯基溴化物（29）之间的自由基Ni电催化脱羧烯基化，能够以较高的dr选择性（7:1）和51 %的产率得到4号化合物，这种合成方法避免了使用易燃性试剂、手性配体、复杂的还原反应。LNP023是一种受到FDA认证的药物，能够用于治疗阵发性睡眠性血红蛋白尿症。目前的方法需要通过9步合成关键中间体38，其中需要使用格氏试剂对4-甲氧基吡啶进行Comins吡啶脱芳构化，随后使用手性超临界流体色谱分离技术和多种官能团和氧化还原反应。通过这种新方法，17和芳基碘（30）通过Ni电催化交叉偶联、随后烯基化，直接得到中间体32，反应得到较好的dr选择性，而且不必对羟基进行保护。CP-293019是辉瑞公司开发的多巴胺D4受体强效选择性拮抗剂，以往报道的合成方法中，合成2,5-二吡啶甲基酯（43）需要氢化和成环反应，随后还原、手性拆分、差向异构化、Mitsunobu反应、亲核芳香取代反应等，共需要12步。这项工作通过一锅酰胺还原和亲核芳香取代，能够在7步合成CP-293019。开发的反应方法避免了手性拆分、差向异构化和昂贵的金属催化剂。3,4-双取代哌啶是医药化学领域常见的结构，通常3,4-双取代哌啶的合成需要复杂的步骤，通过这种生物催化反应方法，通过连续的自由基交叉偶联反应，能够合成各种各样的3,4-双取代哌啶衍生物。比如8号化合物是高活性的单胺转运蛋白配体，在以往的合成方法中，需要价格昂贵的不饱和哌啶6通过手性筛分和差向异构化生成中间体7，随后再通过酯还原、氧化、Horner-Wadsworth-Emmons反应，而且需要再发生酯还原反应，共需要八个步骤合成8。但是，这种这种生物催化反应方法能够通过与47发生双重脱羧交叉偶联反应（dDCC）以较高的dr（>20:1）生成中间体48。随后48发生原位溴化反应、与49之间Ni电催化偶联。通过Boc还原和酯还原生成产物，该反应仅需要五步就能够从10号化合物生成产物，避免手性拆分、避免易燃性试剂（Grignard, LAH x2）、避免多个氧化还原步骤。![]()
图4. 生物催化C-H键氧化、自由基偶联进行哌啶酸的衍生化这种可调节酶催化C-H键氧化反应是目前报道最合适且价格最合理的立体选择性、位点选择性合成羟基化结构砌块的方法。在以往的方法中，这种中间体官能团化反应通常需要切断极性化学键，这导致难以快速的合成这种化合物。通过生物催化反应，能够更加简单模块化的合成复杂结构3D化合物。而且，连续的进行亲电芳基化卤化和交叉偶联反应非常有用的策略。这项研究展示了生物催化C-H键氧化和自由基交叉偶联反应对3D结构分子的反应与2D结构分子的亲电芳基卤化-极性交叉偶联非常类似。这项研究开发了对于医药化学家和工艺家非常有用的方法，为有机合成带来非常多的可能性，能够快速的探索结构-性质关系（SAR, structure-activity relationship）。减少了手性拆分步骤，昂贵的手性试剂，贵金属催化剂。Jiayan He,
Kenta Yokoi, Breanna Wixted, Benxiang Zhang, Yu Kawamata, Hans Renata, and Phil
S. Baran, Biocatalytic C–H oxidation meets radical cross-coupling: Simplifying
complex piperidine synthesis, Science 2024, 386, 1421-1427DOI:
10.1126/science.adr9368https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9368
