神奇的甲基效應（magi cmethyl effect）在藥物化學中眾所周知，眾多藥物的發(fā)現(xiàn)實例表明甲基可以顯著改變藥物分子的性質(zhì)。同時，將放射性核素裝配到生物活性分子中對藥物研發(fā)和臨床應用都帶來了巨大便利。例如，氚（T）或11C同位素標記分子經(jīng)常應用于正電子發(fā)射型計算機斷層顯像（Positron Emission Computed Tomography，簡稱PET）的臨床檢查影像技術中，富含同位素的配體分子還可作為腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病的信息標志物，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）藥物開發(fā)的關鍵工具。盡管眾多藥物的氚（T）或11C同位素化都對PET放射性配體的發(fā)現(xiàn)至關重要，但合成此類放射性配體仍然比較困難，很大程度上限制了PET放射性配體標志物的發(fā)展。有鑒于此，美國普林斯頓大學David W. C. MacMillan及合作者巧妙地把分子后期甲基化與放射性同位素的利用綜合起來，利用可見光催化的硅基自由基介導的鹵素攫取-自由基捕獲策略直接在芳基或烷基骨架上引入了各種同位素化的甲基，實現(xiàn)了有機溴化物的多同位素甲基化過程。該反應條件溫和、底物適用范圍廣泛、意義重大。相關研究成果近期發(fā)表在頂級期刊Nature上（DOI: 10.1038/s41586-020-3015-0）。
圖1. 同位素標記物的應用及合成策略
（圖片來源：Nature）
作者首先選用輝瑞公司的鎮(zhèn)痛藥西樂葆（Celebrex）的前體溴化物為底物，利用正常的萘磺酸甲基酯為甲基化試劑進行反應條件優(yōu)化（參見文中支持信息）。在對反應溶劑的篩選過程中，由于該反應中的反應物和添加劑不容易溶解，因此作者嘗試了各種極性溶劑，如乙腈、丙酮、二甲基乙酰胺（DMA）等，最后發(fā)現(xiàn)用二甲基乙酰胺/甲苯（1:1）的混合溶劑有較好的反應結(jié)果。同時，在對反應進行控制性條件的實驗中發(fā)現(xiàn)光照，Ni催化劑、光催化劑、硅烷試劑都是必須的，而且當反應中的硅烷試劑(TMS)3SiH替換為Hantzsch酯或者(TMS)3Si-OH時，反應也可以進行，但是目標產(chǎn)物Celebrex的產(chǎn)率會顯著降低。以此為基礎，作者利用CT3-標記的萘磺酸甲基酯為放射性甲基化試劑進一步進行了條件表征得到最優(yōu)條件：利用3.5當量的溴化物底物、3當量的(TMS)3SiH、2當量的LiBr、5當量的2,6-二甲基吡啶、10 mol % NiBr2·dtbpy，1 mol% [Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbpy)]PF6為光催化劑在DMA/甲苯（1:1）混合溶劑中室溫下反應12 h后，反應可得到62%的CT3-標記Celebrex（在底物范圍研究中，條件會有不同改變，參見支持信息）。
圖2. 條件優(yōu)化
（圖片來源：Nature）
在優(yōu)選的條件下，作者探索了此放射性甲基化策略在一系列復雜芳基和烷基溴化物底物上的應用，合成了20種氚（T）、10種11C同位素化的甲基化產(chǎn)物，并且僅用一步就合成了臨床實際應用的放射性標記物[11C]UCB-J和 [11C]PHNO。同時，作者通過遠程放大合成和全自動合成說明了反應的實用性，還進一步考察了合成的分子在臨床上的應用情況。最后作者舉例說明該策略還可以用來合成13C、14C、D（氘）等單一或者混合同位素甲基化標記的藥物分子，極大豐富了此類放射性甲基化方法的應用范圍。
圖3. CT3甲基化底物范圍
（圖片來源：Nature）
作者選取CT3-標記的萘磺酸甲基酯為CT3甲基化試劑，合成了20種CT3標記的甲基化產(chǎn)物（圖3）。首先作者嘗試了不同的芳基溴底物。底物中的各種酰胺、各種氨基、酚羥基等官能團與吡啶、吡嗪、嘧啶等雜環(huán)均能兼容反應條件。除了芳基溴底物外，吡啶等雜環(huán)溴化物也可以實現(xiàn)脫溴同位素CT3甲基化。此外，一級烷基溴及二級環(huán)狀烷基溴化合物也能通過此策略實現(xiàn)CT3甲基化過程。
圖4. 11C甲基化的底物范圍
（圖片來源：Nature）
該方法同樣能夠利用11C標記的碘甲烷為甲基化試劑對含溴藥物分子進行脫溴11C甲基化（圖4）。作者合成了10種此類復雜分子，均顯示了良好的反應性和官能團兼容性。不僅各種雜環(huán)底物如吡啶、嘧啶、吡嗪等可以較好地參與反應，而且一級和二級烷基溴也可以通過此途徑得到相應脫溴11C甲基化產(chǎn)物。作者隨后通過現(xiàn)代合成方法和技術實現(xiàn)了遠程控制的大量合成實驗和全自動合成實驗，進一步說明了此反應的實用性及重要性。
圖5. 其他同位素甲基化的底物范圍
（圖片來源：Nature）
隨后，作者通過舉例說明該方法還能用于合成其他單一或者混合同位素化的甲基化產(chǎn)物，如含13C、14C、氘（D）同位素或者同時含有13C和氘甲基標記的藥物分子。這進一步豐富和拓展了此類放射性甲基化的適用范圍（圖5）。
圖6. 反應機理
（圖片來源：Nature）
該反應是通過可見光/Ni協(xié)同催化過程進行的（圖6）。首先，Celebrex前體溴化物通過氧化加成配位到Ni上。甲基同位素化的萘磺酸甲基酯分子與LiBr通過芬克爾斯坦反應（Finkelstein Reaction）生成CT3Br。同時，光催化劑IrIII在光照條件下被激發(fā)，生成激發(fā)態(tài)*IrIII，然后與Br負離子發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移過程。Br負離子被氧化為Br·，其作為HAT試劑，通過攫取(TMS)3SiH中的H生成HBr和(TMS)3Si自由基。生成的(TMS)3Si自由基可以攫取CT3Br中的溴原子生成CT3自由基。最后，此CT3自由基中間體被NiII-Celebrex中間體捕獲后，生成NiIII中間體，然后經(jīng)還原消除過程得到CT3-Celebrex產(chǎn)物，并再生一價Ni催化劑。David W. C. MacMillan課題組利用光/Ni協(xié)同催化策略發(fā)展了有機溴化物的脫溴同位素甲基化反應，實現(xiàn)了芳基和烷基的多種碳氫同位素（氘（D）、氚（T）、11C、13C、14C）甲基化過程。該反應無需預功能化或后脫保護，即可對各種市售藥物分子等進行多種同位素甲基化，很大程度上簡化了此類放射性分子的合成過程。該研究對于未來PET臨床檢查影像放射性標記物和放射性標記藥物的發(fā)展都具有重要意義。
