摘要
點(diǎn)擊化學(xué)是一種合成概念，在這一概念中模塊化的合成被廣泛用于發(fā)現(xiàn)具有理想特性的新化合物分子。Cu(I)催化的疊氮化合物和炔烴的環(huán)加成反應(yīng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：CuAAC）和S(VI)-F交換催化反應(yīng)（SuFEx）被廣泛用于點(diǎn)擊化學(xué)，具有反應(yīng)迅速、收率高等特點(diǎn)。然而，在CuAAC反應(yīng)中，因?yàn)榀B氮化合物制備過(guò)程中存在毒性和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，而使其應(yīng)用受限。本篇文章為點(diǎn)擊化學(xué)提供了一種新的反應(yīng)方法：由伯胺制備疊氮化合物。在96孔微板上，用氟代硫酰疊氮化合物（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：FSO2O3）可以以一種安全實(shí)用的方式制備1200種疊氮化合物。為目前應(yīng)用最廣泛的CuAAC點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)提供了有力的工具。這種方法極大地增加了疊氮化合物、1,2,3-三氮唑化合物的數(shù)量。同時(shí)，鑒于CuAAC的應(yīng)用廣泛，這種新方法也應(yīng)該會(huì)在有機(jī)合成、藥物化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和材料科學(xué)等方面中獲得廣泛應(yīng)用。
研究背景
疊氮化物參與的SN2取代反應(yīng)是制備非芳香有機(jī)疊氮化合物的典型方法，但是這種方法制備各種各樣的疊氮化物的能力是有限的。三氟甲磺?；B氮化合物（CF3SO2N3,TfN3）參與的重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)是一種由伯胺制備有機(jī)疊氮化合物的新方法。然而，由TfN3介導(dǎo)的重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)存在一些問(wèn)題：首先，反應(yīng)需要過(guò)量的TfN3、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)（即使加入金屬催化劑）；其次，在制備TfN3的過(guò)程中，強(qiáng)酸性條件下需要過(guò)量的疊氮鈉，有中毒和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。這些問(wèn)題導(dǎo)致以TfN3為基礎(chǔ)的方法不適用于高效的模塊化合成。在2007年，一種咪唑啉型的磺酰基疊氮化合物鹽酸鹽重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)試劑被研發(fā)出來(lái)，并成為一種可以商業(yè)獲得的固體重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)試劑。最初它被認(rèn)為比TfN3更耐貯存，但之后發(fā)現(xiàn)它也具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
為了給模塊化合成提供一種清潔、迅速、接近定量產(chǎn)率的反應(yīng)方式。作者認(rèn)為，重氮基轉(zhuǎn)移試劑需要具有極高的反應(yīng)活性，因此不可避免地存在穩(wěn)定性問(wèn)題，并在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。本篇文章設(shè)計(jì)了一種具有高反應(yīng)活性的重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)試劑，它通過(guò)安全的方式原位生成，與其純度或貯存相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)很低，可以定量地和化學(xué)計(jì)量學(xué)地（即摩爾比1:1）轉(zhuǎn)移伯胺到疊氮化物上。這對(duì)疊氮化物的模塊化合成具有重要意義。
FSO2N3的合成和重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)條件確定
文章描述了一種咪唑啉型的氟代磺酰基三氟甲烷磺酸鹽（1，Fig.1a）。其對(duì)伯胺和仲胺的氟磺?；貏e有效。作者發(fā)現(xiàn)，在水和一種互不相溶的有機(jī)溶劑構(gòu)成的兩相系統(tǒng)中，疊氮鈉在水相中迅速與1發(fā)生反應(yīng)，生成FSO2N3進(jìn)入有機(jī)相中。FSO2N3的甲基叔丁基醚(MTBE)/乙腈溶液可被直接用于重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DMSO/MTBE/H2O或DMF/MTBE/H2O為最優(yōu)反應(yīng)溶劑體系，DMF為產(chǎn)品提純的首選溶劑。與之前報(bào)道的TfN3介導(dǎo)的重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)不同，填加金屬催化劑并不能加快FSO2N3介導(dǎo)的重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)速率。室溫條件下，5min即可完成氨氯地平（2a,Fig.1b）或甲磺酸帕珠沙星（2b,Fig.1c）的定量轉(zhuǎn)換。
在溫和的實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)FSO2N3使TfNH2發(fā)生重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成TfN3的方式進(jìn)一步評(píng)價(jià)了FSO2N3的高反應(yīng)活性。作者認(rèn)為重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)在體系中兩種疊氮化物之間處于平衡狀態(tài)。然而，在作者的實(shí)驗(yàn)條件下，水的存在使FSO2NH2發(fā)生水解，使平衡向定量生成TfN3的方向移動(dòng)。總之，在兩相溶劑的條件下，反應(yīng)產(chǎn)率得到了極大地提升。
FSO2N3介導(dǎo)的重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)
隨后，作者用FSO2N3對(duì)超過(guò)40種伯胺進(jìn)行了重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)（Fig.2）。FSO2N3對(duì)幾乎所有條件下的伯胺選擇性?xún)?yōu)于其他已知的重氮基轉(zhuǎn)移試劑。大多數(shù)反應(yīng)在5min中內(nèi)完成，少數(shù)反應(yīng)由于底物自身溶解度欠佳和氨基反應(yīng)活性不高導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。部分產(chǎn)品的分離收率低于定量，是因?yàn)榧兓^(guò)程困難引起的。這些底物選自各種各樣的有機(jī)分子，絕大多數(shù)是藥物分子或藥物分子片段。萬(wàn)古霉素被特異性地轉(zhuǎn)化為它的疊氮產(chǎn)物（3ap），反應(yīng)發(fā)生在空間相對(duì)擁擠的伯氨基團(tuán)上，保持其他基團(tuán)不變。由于FSO2N3的高反應(yīng)活性，多粘菌素B上所有的氨基（5個(gè)）均被反應(yīng)生成季戊四醇疊氮產(chǎn)物（3ao）。頭孢菌素類(lèi)抗生素頭孢氨芐在不打開(kāi)β-內(nèi)酰胺環(huán)的條件下得到其疊氮產(chǎn)物（3c）。多西紫杉醇被轉(zhuǎn)化為其疊氮產(chǎn)物（3i）而其他的分子骨架不變。
FSO2N3對(duì)伯氨具有極好的選擇性
用FSO2N3進(jìn)行重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)對(duì)伯氨具有極好的選擇性。在所有不同空間環(huán)境的實(shí)驗(yàn)條件下，包括完全取代的叔碳上的氨基（3b,3ap; Fig.2），FSO2N3均可以迅速與伯氨發(fā)生反應(yīng)。在大多數(shù)電子環(huán)境中，FSO2N3以近定量轉(zhuǎn)化的效率與伯氨迅速反應(yīng)。高度缺電子的苯胺，特別是那些在缺電子芳香族或異芳香族環(huán)上有多個(gè)取代基的苯胺，通常需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，但大多數(shù)都獲得接近定量的產(chǎn)率。應(yīng)用FSO2N3也可以將連接在S（VI）中心上的伯氨以幾乎定量的產(chǎn)率轉(zhuǎn)化為疊氮化物（Fig.2;3z, 3aa, 3ab）
FSO2N3應(yīng)用于化合物分子庫(kù)的構(gòu)建
隨后，作者應(yīng)用96孔微量滴定板制備了1224種胺類(lèi)化合物（大多數(shù)分子質(zhì)量小于300Da）的疊氮化合物分子庫(kù)（Fig.3）。在這個(gè)疊氮化合物的分子庫(kù)中，有49%的化合物是Reaxysdatabase中不存在的，并且是之前未被合成出來(lái)的新化合物。這些疊氮化合物不需要純化，其溶液形式可以直接用于隨后的CuAAC點(diǎn)擊反應(yīng)。這些化合物至少可以貯存6個(gè)月且無(wú)明顯的純度下降。作者用一種紫外可檢測(cè)的炔烴N-(3-ethynylphenyl)acetamide 4a進(jìn)行了CuAAC反應(yīng)，通過(guò)高效液相色譜分析了獲得的三氮唑化合物庫(kù)。在一個(gè)疊氮化物的微板上，用脂肪族炔烴重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果良好。
在微板上，用新制備的1128個(gè)疊氮化合物分子庫(kù)進(jìn)行了重氮基轉(zhuǎn)移反應(yīng)和CuAAC反應(yīng)的連續(xù)序列研究（Fig.3）。在1224個(gè)CuAAC反應(yīng)中，656個(gè)（54%）的4a轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上，989個(gè)（81%）的4a轉(zhuǎn)化率大于70%（作者認(rèn)為70%是直接進(jìn)行生物篩選的標(biāo)準(zhǔn)）。
結(jié)果與討論
因此作者得出結(jié)論，該方法可以在空間和電子環(huán)境中以一種可預(yù)測(cè)的方式作用于伯胺，除了羰基酰胺和連接有強(qiáng)缺電子芳香雜環(huán)的伯胺，包括堿基。根據(jù)可獲得的伯胺的數(shù)量，合成一個(gè)含有10000個(gè)疊氮化合物的分子庫(kù)是可以實(shí)現(xiàn)的，每一種三氮唑化合物用等摩爾的試劑以接近定量的轉(zhuǎn)化率得到。為以片段為基礎(chǔ)的藥物發(fā)現(xiàn)提供可能，不僅可用于靶點(diǎn)為基礎(chǔ)的生物活性篩選，還可以用于表型篩選。這是之前的分子庫(kù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
讀者思考：
該研究提供了一種高效、高產(chǎn)、安全的由伯氨合成疊氮化合物的方法；構(gòu)建了疊氮化合物分子庫(kù)和三氮唑化合物分子庫(kù)，提供了大量的新化合物，為藥物發(fā)現(xiàn)和活性研究提供了前提和可能；為工業(yè)化生產(chǎn)化合物篩選分子庫(kù)提供了可以實(shí)行的方案；在PROTAC分子合成中，可用于制備含有疊氮基團(tuán)的Linker，降低原料成本。
文章于2019年10月發(fā)表于Nature Letter，孟根屹、郭太杰、馬天成為該篇文章的共同第一作者，董佳家研究員與K.B. Sharpless教授為文章的共同通訊作者，上海有機(jī)所為該文通訊單位。原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1589-1
