Science：氮宾，氮原子插入，氮杂环骨架编辑

摘要：药物发现研究需要大量具有多样化骨架结构的分子。目前基于化学信息学和人工智能的虚拟筛选技术可以帮助科学家减少大量的实验室合成工作，即便如此，筛出来的化合物无论如何都要实际合成出来才能进行下一步的生物活性及药学测试，而且经过初步测试的分子往往也需要进行结构优化以进

副标题：烃硫基氮宾介导的氮原子插入实现N-杂环的后期骨架编辑

药物发现研究需要大量具有多样化骨架结构的分子。目前基于化学信息学和人工智能的虚拟筛选技术可以帮助科学家减少大量的实验室合成工作，即便如此，筛出来的化合物无论如何都要实际合成出来才能进行下一步的生物活性及药学测试，而且经过初步测试的分子往往也需要进行结构优化以进一步改善其成药性。针对这些需求，传统的策略一般都是从头合成，每一种骨架需要单独设计合成路线，这无疑是个费时费力的工作，而且后期修饰往往无法改变骨架结构，亟需通用且方便的分子骨架编辑策略。近些年来，关于分子骨架编辑方法的报道越来越多，可以通过添加或删除单个原子（如：C、N、O）来改变分子骨架。另一方面，氮原子在药物化学和药物研发中起着关键作用，例如吡咯、吲哚和咪唑是常见的含氮杂环，而将另一个氮原子直接插入这些结构中可直接合成极具挑战性的嘧啶、喹唑啉和三嗪，同时不会改变分子的其余部分。如图1A所示，将氮原子插入芳香族化合物的策略可以追溯到1964年，即在氧化剂的存在下使用氯化铵作为单个氮原子的来源。尽管在直接插入氮原子方面取得了进展，但是大多数方法都需要苛刻的反应条件来产生氮宾中间体，从而限制了合成应用。此外，一些方法需要保护底物（如吲哚）中的游离氮，因此需要单独的预官能团化步骤。总体来说，将氮原子直接插入吡咯、吲哚和咪唑的报道相对较少。

近日，美国俄克拉荷马大学的Indrajeet Sharma课题组利用烃硫基氮宾（Sulfenylnitrene，由室温稳定的前体SNP-1、SNP-2和SNP-3生成，温度范围为-30至150°C）的独特反应性，成功地将单个氮原子插入到简单易得的吡咯、吲哚和咪唑（图1B），得到不易合成的嘧啶、喹唑啉和三嗪。该方法无需添加剂，能够耐受多种官能团包括氧化敏感的官能团（例如苯酚和硫酚），可用于各种天然产物、氨基酸和药物分子的后期骨架编辑。相关成果发表在Science 上。

图1. 背景介绍及本文工作设想。图片来源：Science

首先，作者选择对称的2,5-二苯基吡咯1a为模板底物对反应条件进行优化（图2A），结果显示1a与2 equiv SNP-1（由三苯基硫腈和市售2,4-二硝基苯硫氯原位生成）在-30 ℃进行反应时能以15%的产率获得相应嘧啶2a，进一步将溶剂换为氯苯并将反应温度提高至0 ℃后产率提高至50%。随后，作者研究了SNP-2的反应效果（图2B），发现1a与SNP-2在氯苯为溶剂的条件下反应时能以几乎定量的产率获得2a。如图2C所示，作者还探索了各种SNP-3前体在吡咯1a的N-插入反应中的反应性，结果显示SNP-3a（100 ℃）能以70%的产率获得2a，而SNP-3b（120 ℃）和SNP-3c（150 ℃）则能以几乎定量的产率（99%）获得2a，但由于SNP-3b产生的副产物萘可升华，因此作者选择SNP-3b作为最佳的氮宾前体，并且其可以通过三个简单步骤实现大规模合成（~10-20 g）。

图2. 反应条件筛选。图片来源：Science

在最优条件下，作者考察了吡咯的底物范围和区域选择性（图3A），结果显示N-插入反应优先在供电子取代基附近进行而非吸电子取代基，例如：3-位芳基、4-位各种吸电子基团取代的吡咯均能以较好的产率得到相应的嘧啶（2b-2f），并且有利于在芳基附近进行N-插入。此外，3-位上不同基团（2g-2m，包括高度氧化敏感的硫醚（2g））、二取代（2n）和三取代（2o-2r）以及吸电子酯基（2s、2t）取代的吡咯均能顺利实现这一转化，特别是二/三取代吡咯进行反应时产生了单一的区域异构体。其次，糖类衍生的吡咯（2u）、农用杀真菌剂苯基吡咯（2v）、抗精神病药物elopiprazole（2w）、杀菌剂咯菌腈（2x）和抗肿瘤药物（2y）也能有效地转化为相应的嘧啶产物（图3B），进一步展现出该方法的实用性。

图3. 吡咯底物拓展。图片来源：Science

鉴于吲哚是许多生物活性分子的重要结构单元，因此作者对吲哚的底物适用性进行了研究（图4A），结果显示一系列吸/供电子基团取代的吲哚（4a-4k）均能兼容该反应，以良好至优异的产率得到相应的喹唑啉，特别是氧化敏感的苯酚（4j）也能耐受该反应。当Ts保护的色胺（3l）与氮宾前体进行反应时以82%的产率获得了单一的非对映异构体——吡咯吲哚啉5，其N-S键很容易通过硼氢化钠还原而裂解，从而以70%的产率获得生物活性吡咯吲哚啉（6）。为了避免环化产物吡咯吲哚啉的生成，作者使用邻苯二甲酰亚胺保护的色胺和色氨酸进行反应并成功转化为相应的喹唑啉产物（4m和4n）。另外，2-氘代吲哚进行反应时，产物4o没有观察到氘损失，这进一步支持了计算模拟中描述的机理假设（图5C）。如图4B所示，带有硫醚官能团的取代吲哚3q在标准条件下转化为喹唑啉4q，可以很容易地转化为抗癌剂厄洛替尼和吉非替尼类似物。类似地，含生物素的吲哚3r、蛋氨酸衍生吲哚3s也能顺利地转化为相应的喹唑啉。值得一提的是，该方法还能成功地将氮杂吲哚高效地转化为相应的1,3,8-三氮杂萘（4t-4v，图4C），包括DYRK1A抑制剂4v。

图4. 吲哚底物拓展。图片来源：Science

接下来，作者将该反应拓展到咪唑类底物，发现各种芳基取代的咪唑（8a-8f，图5A）、邻苯二甲酰亚胺保护的L-组氨酸甲酯（8g，图5B）均能有效地转化为相应的三嗪，特别是产物8g还能以克级规模进行制备。此外，作者还研究了等摩尔量吡咯（1a）、吲哚（3f）和咪唑（7f）与不同当量（即1.0、2.0和3.0 equiv）烃硫基氮宾前体SNP-3b的相对反应性（图5C），结果表明1.0和2.0 equiv SNP-3b的氮插入速率遵循：咪唑 > 吡咯 > 吲哚，而3 equiv SNP-3b将所有组合完全转化为所需产物。最后，作者通过密度泛函理论（DFT）计算来阐明吡咯的N-插入过程（图5D）：首先，烃硫基氮宾前体SNP-3b释放出2,4-二硝基苯硫基氮宾，它可以通过不对称偶极过渡态TS-1a或TS-2a与取代吡咯进行反应并生成氮丙啶-1或氮丙啶-2。在该异步协同过程中，C2/C5键优先于C3/C4键的形成，并且N-插入的区域选择性有利于C2位而非C5位，这是因为C3位苯基能够更有效地离域TS-1a中产生的正电荷。另外，底物2s和2t观察到的相反区域选择性是由于氮宾优先加成到吡咯的富电子侧，这有利于偶极结构并避免在吸电子酯基附近产生正电荷。