离子化脂质D-Lin-KC2-DMA和D-Lin-MC3-DMA的改进合成方法

《European Journal of Organic Chemistry》：An Improved Synthesis of Ionizable Lipids D‐Lin‐KC2‐DMA and D‐Lin‐MC3‐DMA

离子化脂质合成优化：通过双烷基化TosMIC与linoleyl tosylate高效制备KC2和MC3，减少步骤并提高产率，避免六价铬及困难ketalization反应。

　　离子可电离脂质（ionizable lipids, ILs）作为核酸药物递送系统中的关键成分，近年来在生物医学领域受到了极大的关注。随着Onpattro以及辉瑞-生物科技和莫德纳新冠疫苗的问世，基于脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles, LNPs）的RNA治疗技术迅速成为现代医学研究的热点。这种技术的核心在于将核酸封装在脂质纳米颗粒中，从而实现其在体内的有效传递。而ILs作为这一过程中的重要组成部分，因其在特定pH条件下能够形成阳离子形式，从而与带负电的核酸发生相互作用，实现包裹和释放功能，因此在该领域占据着举足轻重的地位。

在众多ILs中，KC2和MC3是两个备受关注的化合物。KC2（D-Lin-KC2-DMA）因其在体内递送质粒DNA（pDNA）方面的高效性，成为研究机构竞相寻求的化合物。而MC3（D-Lin-MC3-DMA）作为Onpattro的主要成分，更是被广泛用作评估新型ILs效能的标准。然而，这两个化合物的合成路径在传统方法中存在诸多挑战，例如步骤繁多、产率较低以及涉及有害试剂等。这些限制不仅增加了合成的复杂性和成本，也对实验操作的安全性提出了更高的要求。

针对上述问题，研究者提出了一种新的合成路线，通过双烷基化反应将TosMIC（对甲苯磺酸甲酯）与亚油基对甲苯磺酸酯（linoleyl tosylate）结合，从而高效地合成出KC2和MC3。这一方法避免了传统合成过程中可能引发的副反应和杂质问题，同时显著提高了反应的产率和操作的简便性。在传统合成方法中，KC2的制备需要经历8个步骤，总产率仅为32%，而MC3则需要5个步骤，总产率约为65%。相比之下，新的合成方法将KC2的制备步骤缩减至5步，总产率提升至约75%，而MC3的产率也提高至80%。此外，新方法还减少了对色谱纯化等繁琐步骤的依赖，从而降低了实验人员的工作量和合成成本。

传统的KC2合成方法中，首先需要将亚油基溴化物转化为Grignard试剂，再与乙酸乙酯反应生成目标产物。然而，这一过程会产生不必要的副产物，并且需要通过皂化反应去除这些副产物，增加了操作的复杂性和时间成本。更为严重的是，其中涉及的Cr(VI)氧化步骤不仅会产生有毒的铬化合物，还可能引入多种副产物，使得产物的纯度难以保障。因此，研究者尝试寻找一种更为高效的合成路径，以解决这些问题。

新的合成路径通过直接烷基化的方式，避免了Grignard试剂的使用，并且通过选择更高效的TosMIC作为起始原料，使得整个反应过程更加安全和高效。在这一过程中，TosMIC首先与亚油基对甲苯磺酸酯发生双烷基化反应，生成酮化合物6。这一酮化合物的生成避免了传统方法中需要的氧化步骤，从而消除了铬化合物的污染和副产物的生成。随后，酮化合物6通过水解反应转化为醇化合物5，再进一步进行酯化反应，最终得到MC3。而KC2则是在酮化合物6的基础上，通过ketal化反应引入二甲氨基酮基团，从而形成最终的离子可电离脂质。

这一新方法在多个方面展现出显著的优势。首先，它极大地简化了合成步骤，使得KC2的制备仅需5步，而传统方法则需要8步。其次，总产率显著提高，KC2的产率从32%提升至75%，MC3的产率从65%提升至80%。这不仅意味着更多的目标产物能够被高效合成，也降低了实验过程中对资源的消耗。此外，新方法避免了对Grignard试剂和铬化合物的依赖，从而提高了实验的安全性，减少了对环境的污染。特别是在大规模生产中，这些改进尤为重要，因为它们能够有效应对安全和环保方面的挑战。

在ketal化反应过程中，研究者发现使用氯二醇（chlorodiol）作为反应试剂能够显著提高反应的效率和产物的纯度。氯二醇相较于传统的1,2,4-丁三醇，具有更好的有机溶剂溶解性，使得反应过程更加可控。通过这一方法，研究者成功地合成了ketal化产物13，并进一步通过甲基化反应得到KC2。这一过程的产率达到了94%，随后通过柱色谱纯化得到最终产物，纯度超过98%。这一结果表明，新的ketal化方法不仅提高了合成效率，还确保了产物的高纯度，为后续的生物学实验提供了可靠的基础。

此外，这一新方法的实用性不仅体现在KC2和MC3的合成上，还拓展到了其他具有KC2型离子可电离头基团的脂质化合物。例如，研究者还成功合成了类似结构的脂质14和15，这些化合物在生物医学领域同样具有重要的应用价值。这说明新方法具有较强的通用性和可扩展性，能够为多种ILs的合成提供高效的解决方案。

从整个研究来看，新的合成路径不仅解决了传统方法中存在的诸多问题，还为未来的ILs研究提供了新的思路。随着对核酸药物递送系统的需求不断增长，高效、安全且环保的合成方法显得尤为重要。新的方法通过减少步骤、提高产率和简化纯化过程，为实现大规模生产和高质量的ILs合成奠定了坚实的基础。同时，它也为其他相关脂质化合物的合成提供了有价值的参考，推动了整个领域的技术进步。

在实际应用中，这一新方法的高效性和可操作性将对研究机构和制药公司产生深远的影响。特别是在开发新型核酸药物的过程中，能够快速获得高质量的ILs，将有助于加快药物研发的进程，降低研发成本，并提高药物的安全性和有效性。此外，该方法的环保特性也符合当前制药行业对可持续发展的追求，为未来的绿色化学实践提供了可能的方向。

综上所述，新的KC2和MC3合成方法在多个方面都展现出了显著的优势。它不仅提高了合成效率和产物纯度，还增强了实验的安全性和环保性。随着研究的深入和技术的不断完善，这一方法有望在未来的核酸药物开发中发挥更加重要的作用，为人类健康带来更多的益处。