Zaltoprofen

DOI: 10.31635/ccschem.026.202506942 本文由华中师大肖文精，陆良秋，武汉大学邹有全三位老师团队完成，首次开发了重氮化合物与 α- 氨基酸衍生的氧化还原活性酯之间的自由基型正交 [3+2] 环加成反应。该反应以自然光为驱动力，通过电子给体 - 受体（EDA）复合物活化实现，N,N - 二异丙基乙胺（DIPEA）为关键的 EDA 复合物形成参与剂，反应条件温和且正交性优异，可实现多种药物分子的精准连接，合成的三唑产物对人乳腺癌细胞展现出强效抗肿瘤活性，为生物活性杂环的构建和药物研发提供了新策略。研究背景与意义 正交化学反应是指在复杂环境中能独立进行的选择性转化，是现代合成化学、材料科学和化学生物学的基础工具（Fig. 1a），自固相肽合成中的正交氨基保护基概念提出后，已广泛应用于糖类保护、超分子组装、生物正交化学、表面修饰等领域。生物正交化学领域更是发展出施陶丁格连接、Cu (I) 催化的叠氮 - 炔烃环加成（CuAAC）等经典反应（Fig. 1b），但目前仍亟需开发具有更高相互反应性和更广谱官能团兼容性的新型正交反应范式。 光驱动的正交反应因条件温和、操作简便成为研究热点，基于课题组在重氮光化学领域的前期工作，研究团队偶然发现了重氮化合物与 α- 氨基酸衍生氧化还原活性酯的新型自由基 [3+2] 环加成反应，可高效合成 1,2,4 - 三唑骨架 —— 该骨架是药物和功能材料中常见的优势杂环。此反应还发掘了重氮化合物新的反应模式，突破了其传统作为卡宾前体或 1,3 - 偶极体的应用，将其开发为自由基受体（Fig. 1c）。 Fig. 1 阐释了正交反应的研究意义与发展脉络：a 展示正交反应在糖类保护、生物正交化学等多领域的应用；b 列举经典的正交反应类型；c 呈现本研究开发的自由基 [3+2] 环加成反应及产物 1,2,4 - 三唑的应用价值。反应的偶然发现与条件优化反应的偶然发现 研究团队最初旨在通过光氧化还原 - 钴协同催化实现 C-C 偶联，将重氮酯 1a 与 α- 氨基酸衍生的氧化还原活性酯 2a 反应，预期生成钴卡宾与自由基的偶联产物 3aa，却意外分离得到 1,2,4 - 三唑产物 4aa，产率 65%（Fig. 2）。对照实验发现，该反应无需光催化剂 4-CzIPN，原位生成的钴催化剂、还原剂汉茨希酯为必要条件，而DIPEA 是反应的关键组分；且反应在自然光下即可高效进行，额外的光辐照仅轻微加速反应进程。 Fig. 2 展示了重氮化合物与 α- 氨基酸衍生氧化还原活性酯 [3+2] 环加成反应的偶然发现过程，标注了初始反应设计、实际产物及 DIPEA 对反应的关键影响。系统条件优化 以重氮乙酸酯 1b 和 N - 乙酰基 α- 氨基酸衍生的氧化还原活性酯 2a 为模型底物，以 DIPEA 为电子给体、乙腈为溶剂，在自然光下对反应条件进行系统筛选（Table 1），确定最优反应条件并明确关键影响因素：溶剂 乙腈为最优溶剂，产率 54%；二甲基亚砜（DMSO）产率略降（45%）；四氢呋喃（THF）几乎无活性，仅 6% 产率。胺类试剂 DIPEA 为唯一高效的胺类给体，二乙胺、1,8 - 二氮杂双环 [5.4.0] 十一碳 - 7 - 烯（DBU）替代后产率显著降低（22%、38%）。底物比例与 DIPEA 用量 增加氧化还原活性酯 2a 的当量，产物 4ba 产率提升至 76%；将 DIPEA 用量提升至 3.0 当量，产率进一步提高至 89%（最优条件）。反应氛围与光源 惰性气氛为反应必需，氧气氛围下产率仅 13%；自然光为反应的高效驱动力，黑暗条件下产率 63%，5W 蓝光 LED 辐照下产率 70%，均低于自然光条件。 Table 1 详细列出了反应条件的优化结果，包括溶剂、胺类试剂的替换，底物及 DIPEA 用量的调整，以及反应氛围、光源的对照实验，以 ¹H NMR 结合内标法测定各条件下的产物产率。反应机理研究 通过氘代标记、自由基捕获、光谱表征等一系列对照实验（Fig. 3），结合理论计算，明确了该反应为EDA 复合物介导的自由基反应机理，并提出了合理的催化循环（Fig. 4）。机理验证实验氘代标记实验（Fig. 3a） 在 D₂O 存在下反应，产物的氘掺入率为 66%，而以 MeCN-d₃为溶剂时无氘代现象，且产物 4ba 在 D₂O 的标准条件下无 H/D 交换，证明反应的氢源为外部质子而非溶剂，且氘代发生在反应过程中而非后处理阶段。自由基捕获实验（Fig. 3b） 加入自由基清除剂 TEMPO 后反应完全被抑制，且高分辨质谱检测到多种自由基捕获加合物（5a–5c），证实反应为自由基路径，并表明 DIPEA 为潜在的牺牲性电子给体。UV-vis 吸收光谱（Fig. 3c） 1b/2a、1b/DIPEA 的单独溶液在可见光区无吸收，而 2a 与 DIPEA 的混合溶液出现明显的红移，产生延伸至 500 nm 以上的新吸收尾，证明氧化还原活性酯 2a（受体）与 DIPEA（给体）形成了 EDA 复合物。¹H NMR 光谱监测（Fig. 3d） 向 2a 中加入 DIPEA 后，随时间推移 2a 逐渐分解并出现新的核磁信号，证实二者存在基态相互作用，为 EDA 复合物的形成提供了进一步证据。 Fig. 3 呈现了各项机理验证实验的结果，从氢源、自由基特征、EDA 复合物形成等方面为反应机理提供了直接实验证据。提出的反应机理（Fig. 4） 基于实验结果，提出该自由基 [3+2] 环加成的催化循环： 氧化还原活性酯 2a 与 DIPEA 首先形成EDA 复合物 III，该过程为反应的起始步骤； 自然光激发 EDA 复合物 III 发生单电子转移（SET），生成烷基自由基 II，同时释放 CO₂、N - 羟基邻苯二甲酰亚胺阴离子（NHP⁻）和 DIPEA 自由基阳离子（DIPEA⁺・），理论计算表明该过程为放热反应（-33.2 kcal/mol）； 烷基自由基 II 对重氮化合物 1b 进行自由基加成，生成中间体 IV； 中间体 IV 经质子化后，通过第二次 SET 过程生成关键的腙基自由基中间体 V； 中间体 V 通过5 - 外 - 三关环发生分子内环化，随后经芳构化和脱水步骤，最终生成 1,2,4 - 三唑产物 4ba。 Fig. 4 展示了该 [3+2] 环加成反应的详细催化循环，标注了各关键中间体、反应步骤及能量变化。反应底物范围 在最优条件下，研究团队系统考察了重氮化合物（Fig. 5）和α- 氨基酸衍生的氧化还原活性酯（Fig. 6）的底物范围，证实该反应具有广谱的底物兼容性和官能团耐受性，同时还实现了水相中的反应拓展（Fig. 7）。重氮化合物的底物范围（Fig. 5） 各类烷基、芳基重氮酯均可顺利反应，酯基包含萘甲酰基、乙基、高炔丙基、3 - 叠氮丙基等，产物 4aa–4fa 产率为 64%–89%，反应可轻松放大至 5 mmol 规模，4ba 产率仍达 76%（0.93 g）； 底物范围可拓展至 α- 重氮酮、氧化膦、砜和芳基取代的重氮烷烃，产物 4ga–4ja 产率 52%–69%，其中 4ia 的分子结构经 X 射线晶体学确证（CCDC: 2371946）； 二取代重氮酯（α- 甲基、对甲苯基、内酰胺衍生、噻吩甲酰基取代）均为有效底物，以中至良好产率得到目标产物； 含乙烯基的重氮底物反应时发生烯烃异构化，仅生成 4oa；邻苯醌衍生的 α- 重氮酯则发生芳构化，以 88% 产率得到 4pa； 兼容天然醇和萜类衍生的复杂重氮酯，包括薄荷醇、(1R)-(-)- 诺卜醇、雌酮、(+)-δ- 生育酚、奎宁衍生的重氮酯，产物 4qa–4ua 均成功合成，证明该反应适用于复杂分子的后期官能化。 Fig. 5 展示了重氮化合物的底物范围，涵盖简单重氮酯、杂化重氮化合物、二取代重氮酯及复杂天然产物 / 药物衍生的重氮酯，标注了各产物的产率及特殊反应现象。α- 氨基酸衍生氧化还原活性酯的底物范围（Fig. 6） 苄基底物的芳环对位兼容给电子基（Me、OMe）和吸电子基（F、Cl、Br），产物 4bb–4bg 产率中至良好；邻位氯取代因空间位阻导致产率显著降低（4bh，30%）；多氟芳基、杂芳基（3 - 噻吩基）也可兼容，4bi、4bj 产率良好； 各类 N - 酰基保护的 α- 氨基酸衍生活性酯均可与重氮乙酸乙酯反应，侧链包含烷基、三氟甲基、苄基、芳基、杂芳基，产物 4bk–4br 产率 46%–93%，叔丁基取代因空间位阻导致 4bm 产率中等； 兼容布洛芬、扎托洛芬、吉非罗齐等药物羧酸衍生的活性酯，产物 4bs–4bu 产率 50%–66%，证明该方法可用于类药分子的合成。 Fig. 6 展示了 α- 氨基酸衍生氧化还原活性酯的底物范围，包括不同芳环取代、不同侧链的氨基酸衍生酯及药物羧酸衍生酯，标注了各产物产率及空间位阻对反应的影响。水相中的反应拓展（Fig. 7） 为提升反应的实用性和环境友好性，研究团队考察了反应在水相中的适用性，证实该正交连接反应可在水相中高效进行： 含极性酯基的 α- 重氮化合物（乙基、高炔丙基、3 - 叠氮丙基取代）在水相中反应，产物 4ba–4da 产率中至良好；α- 重氮酮、雌酮衍生的 α- 重氮酯也可顺利反应； 水相中仍可发生特征性的烯烃异构化（4oa）和芳构化（4pa），仅部分反应效率略有降低； 含烷基（叔丁基、CF₃）、杂芳基（噻吩、呋喃）的氧化还原活性酯在水相中同样为有效反应伙伴，产物 4bj、4bm、4bn、4bp 均以中等产率得到。 Fig. 7 展示了水相中的 [3+2] 环加成反应实例，涵盖多种重氮化合物和氧化还原活性酯，证实了反应的水相兼容性和环境友好性。合成应用与生物学评价 研究团队将该正交 [3+2] 环加成反应应用于药物分子连接、一锅法合成、杂环衍生化，并对合成的 1,2,4 - 三唑产物进行乳腺癌细胞抗肿瘤活性评价（Fig. 8），充分验证了反应的合成价值和生物应用潜力。 Fig. 8 展示了该反应的合成应用及产物的生物学评价结果，从药物分子正交连接、产物衍生化、芳构化酶抑制剂合成及抗肿瘤活性检测等方面体现研究价值。药物分子的正交连接（Fig. 8a） 布洛芬、吉非罗齐衍生的氧化还原活性酯可与奎宁衍生的重氮化合物高效反应，生成杂化药物 - 药物偶联物 5a、5b，产率良好，证明该反应可用于复杂双功能分子的构建；同时实现了从 N - 乙酰保护的苯甘氨酸和 NHP 出发的 4ba 一锅法合成，先原位形成氧化还原活性酯，再发生正交环加成。三唑产物的衍生化（Fig. 8b） 产物 4ca 与苄基叠氮经 CuAAC 反应高效生成新型双三唑化合物 8，产率优异，拓展了产物的结构多样性。芳构化酶抑制剂的合成（Fig. 8c） 将活性酯 2a 与二芳基磺酰腙 9、芳基磺酰腙 11 分别反应，一步合成来曲唑、阿那曲唑两种临床芳构化酶抑制剂，为优势药物骨架的合成提供了简洁路线。乳腺癌细胞抗肿瘤活性评价（Fig. 8d-e） 基于 1,2,4 - 三唑类芳构化酶抑制剂在乳腺癌治疗中的临床应用，对合成的三唑衍生物进行人乳腺癌 MCF-7 细胞的活性检测：研究结论 开发了自然光促进的 α- 氨基酸衍生氧化还原活性酯与重氮化合物的 [3+2] 环加成反应，可高效、简洁地合成具有重要价值的 1,2,4 - 三唑骨架，反应条件温和、底物范围广、官能团耐受性优异。 机理研究结合理论计算证实，反应为EDA 复合物介导的自由基路径：DIPEA 与氧化还原活性酯形成关键的 EDA 复合物，经自然光激发发生单电子转移，启动自由基反应，DIPEA 同时充当电子给体和牺牲性试剂。 反应具有优异的正交性，成功应用于一锅法合成、复杂药物分子的后期官能化及药物 - 药物偶联物的构建，还可在水相中进行，提升了反应的实用性和环境友好性。 合成的一系列 1,2,4 - 三唑衍生物对人乳腺癌 MCF-7 细胞展现出良好的细胞毒性，其中阿那曲唑类似物 12 和双三唑 8 的抑制活性优异，为抗癌药物研发提供了潜在的候选化合物和新的结构设计思路。 该 EDA 复合物介导的光化学过程为新型自由基正交连接反应奠定了基础，将推动生物活性杂环的高效组装和药物发现领域的发展。