基于连续流动固相合成技术的药物d3-甲基化平台开发及其在药物修饰中的应用

《Nature Communications》：Installation of d3-methyl group to drugs by continuous-flow solid-phase synthesis

本研究针对当前d3-甲基试剂普遍存在反应活性低、适用性有限且难以回收利用的问题，开发了一种基于噻吨（thianthrene）的有机聚合物TT-OP，该材料能够高效捕获和释放源自低成本CD3OD的d3-甲基基团。研究人员通过构建固相合成（SPS）与连续流动相结合的自动化平台，成功实现了35种以上生物活性分子在氧、氮、硫和碳位点的选择性d3-甲基化，为药物后期修饰提供了高效、可持续的新策略。

　　

在药物研发领域，甲基化修饰被称为"魔法甲基效应"，能够显著改善药物的溶解性、靶点选择性和体内半衰期。而氘代标记技术则通过同位素效应延缓药物代谢，提高药代动力学性能。将两者结合的d₃-甲基基团因此成为药物化学家的研究热点。然而，现有d₃-甲基试剂普遍存在反应活性低、适用性有限且难以回收利用的瓶颈问题。

受到生物体内S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine）甲基转移过程的启发，研究人员设计了一种新型噻吨基有机聚合物TT-OP。该材料能够像"分子海绵"一样可逆地捕获和释放d₃-甲基基团，其最大负载量达到80%，且可重复使用50次以上而不会明显降低活性。

研究团队采用多种表征手段证实了TT-OP-CD₃的成功制备。固体核磁共振（¹³C CP/MAS NMR）显示40 ppm处的特征信号，X射线光电子能谱（XPS）分析在689 eV处出现新的F1s峰，证实了CF₃SO₃^-反离子的存在。S 2p能谱中出现的更高结合能组分，明确显示了S-CD₃键的形成。

合成与表征

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）分析表明，TT-OP的吸收边带扩展到800 nm，呈现红棕色特征。固态²H魔角旋转核磁共振（MAS NMR）在2.74 ppm处观察到明显的CD₃特征峰，验证了d₃-甲基的成功负载。

底物适用性

TT-OP-CD₃展现出卓越的选择性甲基化能力。在羧酸d₃-甲基酯化反应中，无论是复杂的一级、二级还是三级羧酸，都能以83%-97%的收率获得目标产物。该体系还表现出优异的官能团耐受性，能够兼容氨基、仲酰胺、酚羟基等亲核基团，以及醛、酮、烯烃和杂环等敏感官能团。

在酚羟基的d₃-甲基化中，甲氧沙仑（methoxsalen）被高效转化为d₃-甲氧沙仑（2t）。邻二甲氧基（藜芦醚）结构作为药物分子中常见的代谢位点，该方法成功合成了deuterabanazine（SD-809，首个获批氘代药物）和氘代呋喹替尼的关键中间体2u和2v，收率分别为87%和82%。

硫原子的d₃-甲基化在化学生物学中具有重要意义。实验表明，芳基硫酚和生物活性含半胱氨酸肽都能与TT-OP-CD₃有效反应，以82%-92%的收率获得相应产物（3a-3e）。这一结果为基于活性的蛋白质分析（activity-based protein profiling）提供了新工具。

扩展与应用

研究人员还探索了TT-OP负载其他烷基化试剂的能力。成功制备了含乙基、苯乙基和溴丙基的噻吨鎓盐，并将其应用于酯化、醚化和磺酰胺烷基化反应。值得注意的是，虽然TT-OP-CH₂CH₂CH₂Br具有两个亲电位点，但烷基化反应选择性地发生在锍位点。

伐地那非（vardenafil）作为治疗男性勃起功能障碍的常用药物，主要通过肝脏细胞色素P450（CYP）3A4代谢。研究团队专门制备了d₅-伐地那非（12），并在大鼠体内进行药代动力学研究。结果显示，与普通伐地那非相比，d₅-伐地那非表现出更低的血药浓度峰值（C_max）和更长的生物半衰期（t_1/2），证实了其改善的药代动力学特征。

基于SPS的连续流动平台

TT-OP的卓越稳定性为多次循环实验和智能化的连续流动d₃-甲基化平台奠定了基础。该平台由四个注射泵、切换阀、塔式反应器、可编程加热浴系统和软件控制器组成，实现了全自动化的d₃-甲基化过程。

以非诺贝特（fenofibrate）的d₃-甲基化为例，该平台通过程序控制实现了从克级到十克级规模的放大生产，平均收率超过85%。整个过程仅需通过计算机或手机程序点击"开始"按钮即可自动完成，体现了其操作的简便性和实用性。

研究方法概述

研究采用固相合成技术制备TT-OP聚合物，通过固态核磁共振和X射线光电子能谱进行材料表征。利用连续流动反应系统实现d₃-甲基化过程的自动化，通过药代动力学实验评估氘代药物的代谢特性。

研究结论与展望

该研究成功开发了一种具有d₃-甲基基团固定化能力的TT-OP材料，其固体形式TT-OP-CD₃在羧酸、酚类、胺类、酰胺、硫醇和β-酮酯的d₃-甲基化中表现出高选择性和效率。特别值得关注的是，TT-OP具有超常稳定性，可重复使用50次以上而不会明显降低负载能力和反应活性。

通过将固相合成与连续流动技术相结合建立的自动化平台，为药物分子的高通量d₃-甲基化提供了创新解决方案。该平台具有操作简单、多功能性和易于放大等独特优势，不仅适用于d₃-甲基化，还可通过更换储液罐中的试剂实现其他烷基化反应。

这项技术为药物合成提供了智能化、高效且实用的新方法，特别是在药物后期修饰和氘代药物开发领域展现出广阔的应用前景。其长寿命稳定性、低成本载体和氘源以及简便的操作纯化过程，使其在制药工业中具有重要的推广价值。