核苷酸骨架中末端炔烃的后期氰基化：一种提升生物活性核苷类似物多样性的创新策略

《Asian Journal of Organic Chemistry》：Late‐Stage Conversion of Terminal Alkynes to Nitriles in Nucleoside Scaffolds: A Tool for Diversification

本文报道了一种无金属参与的后期功能化策略，成功将核苷类似物中的末端炔烃转化为氰基，使用tBuONO/NMO体系，为快速构建结构多样的生物活性核苷库提供了新途径，显著促进了先导化合物的优化。

　　

在药物研发的竞技场上，时间就是生命。如何快速、高效地优化先导化合物的结构，以提升其疗效、选择性和安全性，是药物化学家们面临的核心挑战。传统的合成方法往往需要从头开始，步骤繁琐，耗时费力。晚期功能化（Late-stage functionalization, LSF）策略的出现，如同一把精巧的手术刀，允许科学家们直接对复杂的药物分子进行“微创手术”，在分子骨架上引入多样化的官能团，从而快速构建结构类似物库，用于深入的结构-活性关系（Structure-Activity Relationship, SAR）研究，并优化其药代动力学和理化性质，极大地加速了先导化合物的优化进程。

在众多药物骨架中，小分子核苷类似物（Nucleoside Analogues, NAs）在治疗癌症和病毒感染方面展现出巨大的价值。近年来，研究人员发现了一个名为LJ‐4827（也称为FM 301）的小分子核苷化合物，它是一个有效的HASPIN（Haploid Germ Cell-Specific Nuclear Protein Kinase）抑制剂。进一步的机制研究表明，LJ‐4827能够通过抑制HASPIN，降低组蛋白H3（Histone H3）的磷酸化水平，进而阻碍Aurora B激酶在癌细胞着丝粒处的募集，从而选择性干扰癌细胞的有丝分裂过程。更有趣的是，对肺癌患者的转录组分析揭示，PLK1（Polo-like Kinase 1）是HASPIN抑制的一个协同作用靶点。将LJ‐4827与PLK1的化学或遗传学抑制相结合，在体外和体内的肺癌模型中均显示出显著的细胞毒性。这些发现确立了LJ‐4827作为一个有前景的抗癌先导化合物，并凸显了双重抑制HASPIN-PLK1作为一种治疗策略的潜力。

为了进一步提升这类抑制剂的活性和选择性，研究团队将目光投向了LJ‐4827分子中的末端炔烃基团。在药物化学中，氰基（-CN）常常被用作炔烃（-C≡CH）的生物电子等排体（Bio-isosteres），这种替换有时能显著改善分子的激酶选择性谱和药理性质。基于这一理念，研究人员合成了LJ‐4827的氰基类似物LJ‐5157（FM 305），并且确实通过激酶组谱图分析和体外实验证实了其更高的激酶选择性。然而，如何高效、专一地将已经构建好的核苷分子骨架上的末端炔烃转化为氰基，成为一个亟待解决的合成难题。尽管炔烃的化学转化（如复分解、氧化、氮化、氰化等）已有大量报道，但在复杂的核苷骨架上实现温和、高效的后期转化仍然存在挑战。

为了解决上述问题，并拓展核苷类药物化学空间，Yun A Yum、Vikas R. Aswar、Vidyasagar Gaikwad、Sushil K. Tripathi、Dnyandev B. Jarhad和Lak Shin Jeong等研究人员在《Asian Journal of Organic Chemistry》上发表了他们的研究成果。他们开发了一种无金属参与的、温和的后期转化策略，成功实现了核苷类似物中末端炔烃向氰基的高效转化。

为开展此项研究，作者主要运用了以下关键技术方法：首先，采用保护-去保护策略，通过苯甲酰化或乙酰化对核苷分子的羟基进行保护，以适应不同的底物和反应条件。其次，核心反应是使用亚硝酸叔丁酯（^tBuONO）作为氮源，并以N-甲基吗啉-N-氧化物（NMO）替代文献中常用的2-皮考啉-N-氧化物作为氧化剂，在四氢呋喃溶剂中，通过微波辅助加热，实现从保护后的炔烃前体到氰基化合物的转化。此外，研究还结合了Sonogashira偶联反应来引入末端炔烃，并系统优化了氰基化产物的去保护条件（如使用氨/甲醇体系），最终通过柱色谱分离和波谱分析（如核磁共振氢谱、碳谱）对目标化合物进行了结构确证。

研究结果

1. 从LJ‐4827 (1) 到LJ‐5157 (2) 的合成探索

研究人员首先尝试直接转化先导化合物LJ‐4827 (1) 中的末端炔烃为氰基，但采用已报道的方法未能成功。随后，他们转向保护-去保护策略。初步尝试使用乙酰基作为保护基，化合物1在吡啶存在下与乙酸酐反应，得到乙酰化中间体4和5。然而，中间体5在与^tBuONO以及2-皮考啉-N-氧化物或NMO的反应中，均未能有效生成目标氰基化合物6。

2. 苯甲酰保护策略的优化与氰基化反应条件的筛选

鉴于乙酰基保护策略的失败，研究团队改用苯甲酰基作为保护基。化合物1与苯甲酸酐在碱性条件下反应，主要得到三苯甲酰化产物8（产率63%）和少量四苯甲酰化产物7（产率24%）。随后，他们以化合物8为底物，系统筛选了将末端炔烃转化为氰基9的反应条件。结果表明，使用^tBuONO和NMO在THF中70°C下反应，仅能得到9%的产物9，且原料剩余较多。而当采用微波辅助加热在相同条件下反应18小时，产率显著提高至52%，确立了最优反应条件。其他尝试，如使用Ag₂CO₃/TMSN₃或NIS/TMSN₃体系，效果均不理想或仅得到痕量产物。

3. 氰基化产物的去保护与目标分子LJ‐5157 (2) 的获得

得到氰基化的三苯甲酰保护产物9后，接下来的关键步骤是去除苯甲酰保护基，得到最终目标分子LJ‐5157 (2)。研究人员尝试了多种条件，包括K₂CO₃/MeOH、NaOMe/MeOH、NH₃/^tBuOH以及NH₃/MeOH等。结果发现，在大多数条件下，去保护过程并不完全，会生成目标产物2与部分去保护产物10的混合物，且难以通过柱色谱有效分离。最终，确定在NH₃/MeOH体系中60°C加热3小时为相对较优条件，但仍得到2和10的混合物（比例约2:1）。为了将副产物10完全转化为2，研究人员将混合物用醋酸钠在DMF中于130°C微波照射处理，成功得到了纯净的目标化合物LJ‐5157 (2)。

4. 截短硫嘌呤衍生物14的合成

为了验证该氰基化策略的普适性，研究人员将其应用于另一类结构更简单的核苷类似物——截短硫嘌呤衍生物的合成中。他们以截短的糖基片段11为起始原料，首先通过氨解反应引入腺嘌呤碱基得到12，随后通过Sonogashira偶联反应引入三甲基硅基乙炔，再经TBAF脱硅基保护得到末端炔烃前体13。值得注意的是，在此系列反应中，他们使用了丙酮叉（acetonide）保护糖基上的羟基，而非苯甲酰基。接下来，关键的一步是将13在^tBuONO/NMO/THF体系中，通过微波加热进行氰基化反应，成功得到氰基化产物，最后在酸性条件下脱除丙酮叉保护基，以中等总产率顺利获得了目标截短硫嘌呤衍生物14。这一成功案例表明，该炔烃-氰基转化策略不仅适用于复杂的腺苷类似物，也适用于结构相对简单的截短核苷，且选择合适的保护基（如丙酮叉）可以简化合成步骤。

结论与意义

本研究成功开发了一种适用于核苷分子骨架的、无金属参与的后期功能化新方法，实现了末端炔烃向氰基的高效转化。该方法的核心创新在于使用^tBuONO作为氮源，并发现NMO是比2-皮考啉-N-氧化物更有效的氧化剂，特别是在微波辅助加热条件下，能够显著提高反应效率。

该研究的科学意义在于：首先，它为解决复杂分子后期官能团转化，特别是将炔烃转化为生物电子等排体氰基，提供了一个实用、温和且高效的合成工具。其次，通过成功合成HASPIN抑制剂LJ‐4827的氰基类似物LJ‐5157以及截短硫嘌呤衍生物14，不仅验证了方法的可行性，也为基于核苷结构的药物先导化合物优化和多样性导向合成开辟了新途径。更重要的是，该方法学上的突破使得药物化学家能够更快速、灵活地构建结构多样的核苷类似物库，从而加速针对癌症、病毒感染等疾病的SAR研究和先导化合物优化进程。

总之，这项研究不仅丰富了炔烃化学和晚期功能化策略的内涵，也为核苷类药物研发提供了强有力的合成技术支持，具有重要的理论和应用价值。