(圖片來源:Nat. Chem.)
正文
DNA編碼化合物庫(DELs)在制藥工業(yè)中是用于發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的重要工具。盡管通過DELs可以獲取大量獨(dú)立編碼的分子,但其結(jié)構(gòu)多樣性有限,因?yàn)榭晒┰诤h(huán)境中與DNA共存的溫和且具良好化學(xué)選擇性的轉(zhuǎn)化反應(yīng)較少。特別是,能夠通過后期官能團(tuán)化理想地增加結(jié)構(gòu)多樣性的C-H官能化化學(xué)目前尚未能應(yīng)用于DEL的合成中。近日,德國馬克斯·普朗克煤炭研究所Tobias Ritter課題組發(fā)展了一種通用的在DNA上對富電子芳烴進(jìn)行C-H官能團(tuán)化的方法。硒氧化物試劑的開發(fā)是在水介質(zhì)中形成芳基硒鎓鹽的關(guān)鍵。利用該方法所得到的產(chǎn)物可通過后續(xù)的過渡金屬催化偶聯(lián)反應(yīng)或光化學(xué)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)C-C、C-I和C-S鍵的構(gòu)建(Fig. 1)。歡迎下載化學(xué)加APP到手機(jī)桌面,合成化學(xué)產(chǎn)業(yè)資源聚合服務(wù)平臺。
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芳烴的噻蒽化所得到的芳基噻蒽鎓鹽可實(shí)現(xiàn)多種過渡金屬催化的C-C交叉偶聯(lián)反應(yīng)以及自由基芳基化反應(yīng)。盡管該反應(yīng)具有選擇性,但S-噻蒽氧化物的活化需要在無水條件下進(jìn)行,并且需要使用高活性的活化試劑,例如三氟乙酸酐,這些條件與DNA的穩(wěn)定性不相容(Fig. 2b)。作者設(shè)想通過具有足夠堿性的硒氧化物對富電子芳烴進(jìn)行C-H修飾,這樣它們可以使用DNA能夠耐受的弱酸來活化。相應(yīng)質(zhì)子化硒氧化物(共軛酸1H和2H)的pKa值差異高達(dá)兩個數(shù)量級(Fig.2a)?;谖趸锏脑噭?/span>2不僅表現(xiàn)出與水緩沖液的兼容性,而且顯示出與噻蒽化方法相似的位點(diǎn)選擇性(Fig.2c)。在試劑3中引入吡啶基團(tuán)進(jìn)一步將共軛酸3H的pKa值提高到了另一個數(shù)量級,并使C-H官能團(tuán)化反應(yīng)可以在pH 3.5的條件下進(jìn)行(30 ℃檸檬酸鹽-磷酸鹽緩沖體系中)。
作者首先評估了硒氧化物2對一組DNA連接的芳烴的官能化反應(yīng)活性,觀察到對于最富電子的雜環(huán)(如吲哚)可以使反應(yīng)完全轉(zhuǎn)化。然而,對于活化程度較低的芳烴,硒氧化物3優(yōu)于硒氧化物2,這可能是由于其堿性更強(qiáng),從而擴(kuò)大了C-H官能團(tuán)化的范圍(Fig.2d)。硒氧化物試劑的不同活化方式簡化了官能團(tuán)化策略,且其與噻蒽化相比無需使用酸酐,在pH范圍為2-4的水性介質(zhì)中可以使反應(yīng)發(fā)生。此外,硒氧化物3是一種穩(wěn)定的固體,可溶于水。
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接下來,作者探索了此反應(yīng)的底物兼容性(Fig. 3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明一系列不同DNA連接的芳烴均具有良好的兼容性,以23-95%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物4-38。其中,富電子雜芳烴(如吲哚4-10、12及吡咯11衍生物)在1-16小時內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化,產(chǎn)率46-95%。相較于傳統(tǒng)DEL反應(yīng)需40-100當(dāng)量試劑的不足,本方法僅需2-10當(dāng)量即可實(shí)現(xiàn)多數(shù)底物的完全轉(zhuǎn)化。伯/仲/叔芳胺(13-28, 36, 38)、芐醇(20)及含氧化敏感基團(tuán)的藥物常見結(jié)構(gòu)(如哌嗪26, 28、嗎啉27、芐胺18, 20-23)均能高效專一地生成單一構(gòu)型產(chǎn)物,產(chǎn)率47-95%。值得注意的是,溴化物(18)、氯化物(15, 24, 25)、酯類(21)和伯胺(13-16, 37)等重要官能團(tuán)均可兼容。對于缺電子二芳基胺(25)和酚類(29-31),需10-50當(dāng)量硒氧化物方可獲得70%以上收率。特別值得關(guān)注的是,該方法成功實(shí)現(xiàn)了SNAr反應(yīng)產(chǎn)物36的C-H官能化,且與DEL庫常用Fmoc保護(hù)基(30)良好兼容。實(shí)驗(yàn)證實(shí),所有反應(yīng)條件均未導(dǎo)致DNA堿基丟失等降解現(xiàn)象,qPCR分析表明經(jīng)酸處理的DNA復(fù)合物仍保持結(jié)構(gòu)完整性與復(fù)制能力。該研究為DEL合成中的C-H官能化提供了高效、溫和且官能團(tuán)兼容性優(yōu)異的解決方案。
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接下來,作者評估了芳基硒鎓基團(tuán)在過渡金屬催化交叉偶聯(lián)和自由基反應(yīng)中的轉(zhuǎn)化(Fig.4)。包括Suzuki偶聯(lián)、羧基化和氰基化過程均可實(shí)現(xiàn),以70-81%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物40-43。此外,光氧化還原催化的C-S鍵形成(44,74%)以及Minisci型反應(yīng)(45,57%)均可實(shí)現(xiàn)。
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最后,為了確保C-H官能團(tuán)化在DNA編碼化合物庫(DEL)合成中的適用性,后續(xù)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)需要與具有不同取代模式及電子性質(zhì)的多種硒鎓鹽兼容。吲哚衍生物(46)、伯胺(47)、叔苯胺(48)和仲苯胺(49和50)在與不同雜環(huán)基硼酸的Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)中,均以超過60%的產(chǎn)率生成了目標(biāo)產(chǎn)物(Fig. 5)。此外,作者進(jìn)一步測試了硒鎓連接基團(tuán)在溴存在的情況下能否被藍(lán)光照射選擇性地激活。實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅觀察到了C-Se鍵的斷裂(51,77%)。然而,在鈀催化條件下,相同的硒鎓鹽18卻經(jīng)歷了溴原子和硒鎓基團(tuán)的雙官能團(tuán)化。
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總結(jié)
Tobias Ritter課題組通過開發(fā)一系列硒氧化物試劑,實(shí)現(xiàn)了對DNA共軛物的C-H官能團(tuán)化。利用硒氧化物使得可以合成一系列不同富電子芳烴的芳基硒鎓鹽,同時保持了其結(jié)構(gòu)完整性和復(fù)制能力,這一點(diǎn)已通過qPCR得到了證實(shí)。此外,所得硒鎓連接基團(tuán)的通用性通過其與DNA庫合成中常用砌塊的多種轉(zhuǎn)化反應(yīng)得以展示。
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