AmBeed文献解读|Nature

间苯电子等排体的催化不对称合成

2024年8月21日，斯坦福大学James K. Chen课题组、美国波士顿学院Eranthie Weerapana和James P. Morken课题组在Nature上发表题为《Catalytic asymmetric synthesis of meta benzene isosteres》的研究。

研究背景：

芳香环是药物活性化合物中常见的结构单元，但它们可能带来一些不利于药物开发的特性，如非最优的效力、代谢稳定性、溶解性和亲脂性。通过将芳香环替换为非芳香族等排体结构，可以改善这些特性。此外，芳香环是平面的，缺乏立体性，但大多数药物靶点的结合口袋是手性的，因此，电子等排体替代物的立体化学构型可为提高配体与受体的亲和力提供额外的机会。尽管使用非芳香族电子等排体有潜在的好处，但缺乏简单、可扩展的催化对映体选择性合成方法，无法用现成的前体合成候选电子等排体。

研究内容：

作者提出了一种以前未知的钯催化的反应，可以将来源于碳氢化合物衍生的前体转化为手性含硼的降三环烷（nortricyclanes），这些降三环烷可以作为间二取代芳香环的电子等排体（图1）。

 

图1 饱和双环烷烃作为芳环的电子等排替代物。a)间苯电子等排体的近期例子；b)激酶抑制剂MK-5108结合到AurA激酶结构域的手性结合口袋上;c)间二取代芳烃和3，5-二取代降三环烷的结构对比；d)金属促进的简单双环庚烷前体构建降三环烷的反应 

钯催化反应的进展：

使用Pd(OAc)₂作为催化剂，结合手性联芳基单膦配体L1，实现了对二硼基底物5与有机亲电试剂的不对称环化反应。该反应能够适用于多种不同的有机亲电试剂，包括缺电子和富电子的芳基卤化物，以及杂环亲电试剂（图2a）。此外，该反应可以大规模进行，并且从廉价的市售降冰片二烯和B₂(pin)₂（73183-34-3，A247960，该产品来自AmBeed品牌）原料出发，直接合成二硼基底物5（图2b,(1)）。将反应时间延长至24h，催化剂钯的用量降低到0.5mol%，底物5可以在5mmol规模上进行转化（图2b,(2)）。通过不同的催化交叉偶联反应，可以实现降三环烷产物中的硼酸酯官能团的立体特异性转化，进一步衍生化出多样的化学结构（图2c）。

图2 钯催化手性降三环烷的对映选择性构建及其应用。a) 5与亲电试剂的对映选择性偶联；b)一步大规模合成底物5及转化产物7；c) 含硼降三环的转化。

反应机理研究：

作者提出了两种可能的反应路径：碳钯化（carbopalladation）机制（路径A，红色）和亲核钯化（nucleopalladation）机制（路径B，蓝色）（图3a）。利用密度函数理论（DFT）计算确定了钯-烯烃络合物(GS0)反应路径的自由能分布，该络合物是由LPd(0)与亲电试剂氧化加成，然后与32结合得到的。路径A中，在过渡态TS1a下，烯烃与钯中心发生碳钯化，生成一个钯(II)烯丙基中间体GS1a，随后，溴化物从GS1a中解离，在过渡态TS2a下，钯(II)被还原，通过一个还原消除步骤，形成环化产物。路径B中，在钯(II)复合物GS0中，烯烃亲电性变强，以便于在过渡态TS1b下发生亲核钯化生成GSb1，接着直接还原消除得到最终产物。DFT计算表明，碳钯化路径（路径A）的能垒低于亲核钯化路径（路径B），因此，路径A更可能为主导反应路径。同时使用密度泛函理论（DFT）计算得到了过渡态TS2a的几何结构（图3c）。¹³C 动力学同位素效应的计算结果与碳钯化机制的实验测定结果相匹配，进一步支持了路径A的主导性（图3b）。计算的过渡态结构表明，对应选择性的决定步骤与碳钯化路径一致（图3d）。

 

图3 钯催化降三环烷合成的机理研究。a) 基于碳钯化的机制（路径A，红色）和基于亲核钯化（nucleopalladation）机制（路径B，蓝色）催化合成降三环烷的基态和过渡态计算结果；b) 选用参考文献41的同位素自然丰度法确定的¹³C动力学同位素效应；c)过渡态TS2a几何结构的计算结果；d) 计算立体化学-决定碳钯化产物的主要和次要对映体的过渡态。

生物物理和生物化学特性：

作者还评估了合成的降三环烷化合物作为药物分子时的生物物理和生物化学特性。制备了33的两个对映体，作为脂肪酰胺水解酶（FAAH）抑制剂URB597的手性电子等排体类似物，并对其进行分析（图4a）。虽然电子等排体类似物的分子量与URB597相似，但它们在水缓冲液中的溶解度提高了10倍，同时保持了相当的亲脂性，这是药物开发中的一个重要参数，因为溶解度直接影响药物的生物利用度和药效。其次，代谢稳定性是药物候选分子能否在体内持久发挥作用的关键因素。研究团队通过在小鼠肝微粒体中进行测试，等排体类似物相对于URB597，代谢稳定性明显增加。使用基于活性的蛋白质分析实验来评估这些化合物的生物活性。用不同浓度的化合物处理小鼠大脑匀浆，然后使用丝氨酸水解酶探针氟磷酸盐（FP）-生物素。FP标记的蛋白质通过链霉亲和素富集，并利用定量串联质谱（TMT）进行分析。尽管(R,S)-33和(S,R)-33的效力不及URB597，但这些手性电子等排体类似物仍然保留了抑制FAAH的能力，并且表现出不同的效力水平：(R,S)-33的IC₅₀为0.50μM，而(S,R)-33的IC₅₀大于4μM。

在第二次分析比较中，作者制备了对应异构体三环烷(S,R)-34和(R,S)-34作为Hedgehog (Hh) 信号通路抑制剂Sonidegib的类似物（图4b），这一信号通路与某些类型的癌症有关。在Shh-LIGHT2细胞中使用双荧光素酶法对立体异构电子等排体(S,R)-34和(R,S)-34进行了三次独立的IC₅₀测定。发现这两种对映异构体都能低浓度地抑制Hh信号传导，IC₅₀值分别为0.50μM和0.20μM，两种立体异构体之间的活性差异不大（P=0.26）。用C(sp³)电子等排体替代芳香环可以在溶解度上实现10到50倍的提升，这可能是由于C(sp³)电子等排体增加了溶剂化作用。

图4 降三环烷类似物的药代动力学分析及其对FAAH和Hedgehog信号传导的抑制活性。a) FAAH抑制剂URB597及其类似物(R,S)-33和(S,R)-33的分析；b) Sonidegib及其类似物(S,R)-34和(R,S)-34的分析。

全文总结：

总之，催化对映体选择性合成降三环烷为手性间苯电子等排体的合成提供了一个高效的方法，而三环基团的立体化学在衍生配体与其靶受体的形状依赖性结合中发挥了作用。所开发的催化合成方法不仅操作简便，而且具有很好的稳定性。其独特的立体化学特性和生物物理特性预示着在药物开发领域的应用潜力。随着对这一催化过程更深入的理解，未来可能会开发出更多创新的反应策略。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07865-4