光活化仿生试剂实现转移甲基化：破解自由基C(sp2)-H甲基化选择性难题

为解决自由基甲基化反应中因甲基自由基体积小、不稳定导致的低反应活性和差选择性问题，研究人员开发了一种光活化仿生甲基化试剂R1，实现了对多种杂芳烃的直接、高选择性C(sp2)-H甲基化，包括此前难以实现的游离喹啉C4位甲基化。该研究通过模拟天然甲基转移酶机制，利用大位阻、稳定化的α-氨基甲基自由基中间体，为药物分子后期功能化提供了高效新工具，发表于《Nature Communications》。

　　

在化学合成与药物研发领域，甲基化反应堪称“点石成金”的关键步骤——向分子中精准引入一个甲基，往往能显著改变其生物活性、代谢稳定性和物理化学性质。然而，传统的自由基甲基化方法却长期困扰着化学家：甲基自由基（•CH₃）体积小、活性高、难以控制，就像一群横冲直撞的“迷你破坏王”，常常导致反应选择性差、副产物多，特别是对于复杂分子中多个可能反应位点的区分能力薄弱。自然界中的酶（如自由基S-腺苷-L-甲硫氨酸甲基转移酶，rSAM MT）却能以惊人的效率和选择性完成这一任务，这激励着科学家们去模仿生命的智慧，开发新型的化学工具。

近期，发表在《Nature Communications》上的一项研究取得了突破性进展。研究团队受天然甲基转移酶的启发，设计并合成了一种光活化的仿生试剂——二氢嘧啶并喹啉酮（DHPQ）类化合物R1。它能够在光照下产生一种“大位阻”的α-氨基甲基自由基（Rc）。这种自由基不仅更稳定，其反应活性和选择性也得以精细调控，从而实现了对一系列杂芳烃（从简单骨架到复杂药物分子）直接、高选择性的C(sp²)-H甲基化，甚至攻克了游离喹啉C4位选择性甲基化这一长期悬而未决的难题。

研究人员综合运用了多种关键技术方法以验证其设想。他们通过高通量筛选（HTS）平台快速优化反应条件；利用紫外-可见（UV-vis）光谱、荧光光谱和时间相关单光子计数（TCSPC）等技术详细表征了试剂R1的光物理性质；通过氘代标记实验、动力学同位素效应（KIE）测定、电子顺磁共振（EPR）波谱（结合自旋捕获技术）以及高分辨质谱（HRMS）等手段，确证了关键中间体α-氨基甲基自由基的存在和反应机理；借助密度泛函理论（DFT）计算深入揭示了独特的逐步甲基化途径（涉及氢原子转移HAT、质子耦合电子转移PCET和自旋中心转移SCS）；最后，成功将该方法应用于多种药物分子（如奎宁、伏立康唑、罗沙司他）的后期官能团化（LSF）以及放射性标记示踪研究。

Proof of concept

研究团队首先成功实现了克级规模的R1合成，并证实其具有良好的光物理性质（λ_max^吸收 = 380 nm, λ_max^发射 = 450 nm, 激发态寿命τ_{f = 2.0 ns）。以勒皮啶（1b）为模型底物，通过高通量筛选快速确定了二氯甲烷（DCM）和三氟乙酸（TFA）为最优反应条件，可在25分钟内以78%的分离收率获得2,4-二甲基喹啉（2b），且反应对水不敏感。}

Direct C(sp²)-H methylation of simple N-heteroarenes

该方法展现出优异的普适性和区域选择性。对于最具挑战性的C2和C4未取代的喹啉（1a），R1能够以>11:1的选择性实现此前未知的C4位单甲基化（1b），且未检测到二甲基化产物。相比之下，当前先进的甲醇（MeOH）光催化方法（M1）则主要得到C2甲基化产物。一系列2-芳基喹啉（9b-27b）、4-取代喹啉（29b, 30b）、异喹啉（31b, 32b）、喹喔啉酮（33b）、吖啶（34b）、菲啶（35b）、色满酮（36b）以及苯并噻唑（37b, 38b）、噻唑（39b）等多种杂芳烃都能高效发生甲基化。对于具有多个潜在甲基化位点的底物（如异喹啉40b-45b、吡啶46b-47b等），该方法也表现出卓越的单甲基化选择性（mono:di >20:1）。

Late-stage C(sp²)-H methylation of complex N-heteroarenes

该方法在复杂药物分子的后期修饰中展现出强大应用潜力。成功实现了奎宁（51b）、氢奎尼丁（52b）、抗真菌药伏立康唑（53b）以及抗贫血药罗沙司他（54b）前体的选择性甲基化，避免了传统方法所需的多步合成或苛刻试剂（如MeLi, Me₄Sn）。

Mechanistic experiments

机理实验强有力地支持了仿生设计。氘代标记表明甲基来源于R1的N-Me、TFA和DCM，与酶催化模式类似。动力学同位素效应（KIE）显示R1的α-胺甲基C(sp³)-H断裂部分涉及决速步（k_H/k_D = 1.7），而异喹啉底物的C(sp²)-H断裂并非决速步（k_H/k_D = 1.1）。研究成功分离并表征了α-氨基甲基自由基加成中间体（如51b'），该中间体可进一步光解释放甲基化产物，完美验证了类似于天然甲基转移酶的“加成-消除”机制。此外，利用DMPO作为自旋捕获剂，通过EPR和HRMS直接观测到了α-氨基甲基自由基加合物。

Theoretical studies

DFT理论计算完整描绘了反应路径。过程始于R1的光激发和系间窜越（ISC）到三重态（³R1），经历分子内氢原子转移（HAT, ³TS1）生成双自由基中间体³Int1，随后通过质子耦合电子转移（PCET, ³TS2）将自由基中心转移到喹啉底物C4位，形成氢键复合物（³Int2, Rc）。随后经历一个近乎无势垒的开壳层单重态过渡态（^ossTS3）进行自由基加成，此步决定了C4选择性（ΔΔG^? = 0.50 kcal/mol）。最后，经历另一个光激发的HAT和自旋中心转移（SCS）过程，完成甲基转移并再生脱甲基的试剂R1'。计算支持整个过程涉及双光子机制。

Other synthetic applications with R1

研究还展示了R1 beyond杂芳烃甲基化的应用潜力，可成功用于烯烃、异腈、砜的甲基化（57b, 35b, 37b）。受氨基烷基自由基介导的卤原子转移（XAT）启发，R1还可用于烷基卤化物（如37a, 59a）的烷基化和芳基化反应，以及苯基溴（60a）的还原脱卤反应。

该研究成功开发了一种新型光活化仿生甲基化试剂R1，通过模拟天然rSAM MT酶的作用机制，利用其产生的稳定、大位阻α-氨基甲基自由基，巧妙地解决了传统自由基甲基化中长期存在的反应活性和选择性控制难题。该方法条件温和、步骤简洁、底物适用范围极广、区域选择性高，能够实现此前难以企及的游离喹啉C4位特异性甲基化，并成功应用于多种复杂药物分子的后期功能化，显著降低了相关生物活性分子和药物的合成难度。其揭示的独特逐步甲基化机理（PCET/SCS）为发展新型仿生反应提供了重要思路和理论依据。这项研究不仅是合成化学方法学上的一项重要突破，也为药物发现、化学生物学乃至放射性药物研发提供了强大且实用的新工具。