光氧化还原/铜协同催化实现核苷(酸)及寡核苷酸的腺嘌呤N6位点晚期烷基化新策略

《Nature Communications》：Late-stage adenine N6-alkylation of nucleos(t)ides and oligonucleotides via photoredox and copper co-catalytic decarboxylative C(sp3)–N coupling

本研究针对核苷(酸)和核酸中腺嘌呤N6位点烷基化修饰方法存在的底物局限性大、反应条件苛刻等问题，开发了一种光氧化还原/铜协同催化的脱羧C(sp3)-N偶联新方法。该方法首次实现了在温和条件下对未保护的核苷(酸)和寡核苷酸进行高效、高选择性的N6位点烷基化修饰，成功构建了包含复杂功能基团的烷基化产物库，为核酸药物开发和化学生物学研究提供了强大工具。

　　

在生命科学领域，核酸修饰如同为遗传密码添加了丰富的"标点符号"，深刻影响着基因表达、细胞分化和疾病发生。其中，腺嘌呤N⁶位点的烷基化修饰尤为引人注目——从信使RNA中最常见的内部修饰m⁶A（N⁶-甲基腺苷），到抗HIV药物阿巴卡韦中的环丙烷修饰，这些微小的化学变化却能显著改变核酸的生物学功能。然而，如何在复杂的核酸分子上精准"安装"这些功能基团，一直是化学家面临的重大挑战。

传统的N⁶烷基化方法各有限制：亲核芳香取代反应需要预先对腺苷进行官能团化，步骤繁琐；还原胺化反应仅适用于醛类底物，且酸性条件易导致糖苷键断裂；而早期的自由基方法则需要高温或底物保护。更棘手的是，当面对结构复杂的寡核苷酸时，这些方法往往无能为力——苛刻的反应条件会破坏核酸骨架，而多种碱基的存在又使得选择性难以控制。

针对这一难题，上海交通大学陈刚教授团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，他们开发了一种光氧化还原和铜协同催化的脱羧C(sp³)-N偶联新方法，成功实现了核苷(酸)和寡核苷酸中腺嘌呤N⁶位点的直接烷基化修饰。该方法利用N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯（NHPI酯）作为自由基前体，在蓝光照射和温和条件下，实现了各类烷基基团的高效引入。

研究团队通过系统优化反应条件，发现以Ru(bpy)₃(PF₆)₂为光氧化还原催化剂、Cu(MeCN)₄PF₆为铜催化剂、DMA为溶剂、三乙胺为碱的最优组合，可使2'-脱氧腺苷的N⁶-环己基化产率达到91%。尤为关键的是，该方法无需保护基团，且对水氧条件不敏感，大大提升了实用性。

反应条件优化

研究人员首先以2'-脱氧腺苷（1a）和环己基NHPI酯为模型反应，通过对溶剂、铜盐、光催化剂、配体等关键参数的系统筛选，确立了最优反应体系。控制实验证实光催化剂和铜催化剂的协同作用不可或缺，而反应浓度的优化将产率从最初的7%显著提升至91%。

底物普适性研究

该方法展现出令人瞩目的底物适应性。从简单的甲基、烯丙基，到含有生物素、荧光基团的复杂分子，甚至类固醇衍生物，都能以良好至优异的产率（32-88%）获得目标产物。特别值得一提的是，该方法成功实现了传统方法难以企及的仲烷基和叔烷基引入，环戊基、环己基等环状烷基底物产率高达65-85%。

核苷类似物的晚期修饰

研究进一步展示了该方法在生物活性分子修饰中的强大潜力。虫草素（Cordycepin）、阿德福韦酯（Adefovir dipivoxil）、瑞德西韦（Remdesivir）等重要药物分子，以及cAMP、NAD⁺等关键生物分子，都能在温和条件下实现N⁶位点烷基化，产率高达38-89%。与传统方法相比，该策略避免了高温强碱条件，特别适合热不稳定底物的修饰。

寡核苷酸修饰突破

最令人振奋的是，该方法成功应用于单链DNA和RNA寡核苷酸的直接修饰。通过条件优化，研究人员建立了微尺度反应体系，在纳摩尔级别实现了寡核苷酸中腺嘌呤的特异性烷基化。对包含3-7个核苷酸的不同序列测试表明，该反应对腺嘌呤表现出优异的选择性，且产率可达54-75%。

应用价值展示

研究的应用潜力通过多个维度得到验证：克级规模实验证实了方法的可放大性；烷基化产物可进一步转化为磷酸酰胺酯等重要合成砌块；通过点击化学可实现与齐多夫定等药物的高效偶联；而双腺苷交联产物的成功合成，为DNA纳米结构的稳定化提供了新思路。

抗病毒活性初探

值得注意的是，通过该方法合成的N⁶-环己基-2'-脱氧腺苷（3a）和N⁶-哌啶基-2'-脱氧腺苷（3q）在抗水疱性口炎病毒（VSV）实验中显示出显著活性，为后续药物研发提供了有价值先导化合物。

这项研究突破了核酸化学修饰的关键技术瓶颈，建立了首个能够同时适用于核苷、核苷酸和寡核苷酸的通用型N⁶烷基化平台。与现有方法相比，该策略在底物范围、反应条件和功能兼容性方面均展现出显著优势，为核酸药物开发、化学生物学探针构建以及DNA纳米技术等领域提供了强大工具。特别值得一提的是，该方法实现了真正意义上的"从分子到材料"的跨尺度修饰能力，为精准调控核酸结构和功能开辟了新途径。