胸腺嘧啶(Thymine)衍生物及其二氧氮杂硼杂环戊烷(Dioxazaborocane)化学——核苷碱基的硼酸(Boronic Acid)与硼酸酯(Boronic Acid Ester)功能化研究

《ChemPlusChem》：Functionalizing Nucleobases With Boronic Acids and Boronic Acid Esters: Thymine Derivatives and Their Dioxazaborocane Chemistry

　　

摘要：硼酸取代胸腺嘧啶衍生物已有较成熟研究并表现出多种生物活性，而相应的硼酸酯及二氧氮杂硼杂环戊烷(Dioxazaborocane)类似物仍鲜有探索。本文报道了带有硼酸、硼酸酯及二氧氮杂硼杂环戊烷基团的胸腺嘧啶衍生物的合成与结构表征，采用单晶X射线衍射(SC-XRD)、核磁共振(NMR)波谱及质谱(MS)分析，从而为获取并表征更广泛系列的硼官能化胸腺嘧啶衍生物提供合成途径。此外，本文还报道了含C=C双键、可进一步功能化（如连接第二个二氧氮杂硼杂环戊烷单元）的二氧氮杂硼杂环戊烷修饰胸腺嘧啶衍生物的合成及其固态结构。作为方法学开发的模型化合物，额外合成了不含核苷碱基的二氧氮杂硼杂环戊烷衍生物，证明了频哪醇硼酸酯(Pinacol Boronic Acid Ester)向第二个二氧氮杂硼杂环戊烷单元的选择性酯交换反应。对比分析表明，胸腺嘧啶取代基通过形成分子间氢键主导了主要的立体结构差异。本研究拓展了官能化核苷碱基的范围，并为含二氧氮杂硼杂环戊烷的胸腺嘧啶衍生物提供了合成途径及首例全面的结构解析。

论文解读：《ChemPlusChem》——胸腺嘧啶衍生物及其二氧氮杂硼杂环戊烷(Dioxazaborocane, [3.3.0]双环硼酸酯，含配位N→B键)化学研究

一、研究背景与意义

含硼化合物在诊断与治疗试剂开发中具重要潜力，硼酸(Boronic Acid)及硼酸酯(Boronic Acid Ester)修饰的核苷碱基、核苷及核酸因可作为磷酸基团生物电子等排体(Bioisostere)而备受关注。已有研究通过在DNA链间引入核糖2',3'-二醇与硼酸形成的五元环状硼酸酯作为核苷酸间桥连基团，且硼酸修饰的胸腺嘧啶(Thymine)和尿嘧啶(Uracil)衍生物也显示出抗HIV-1等生物活性。然而，相较于三价硼酸及频哪醇(Pinacol)硼酸酯，具有四价四面体构型、含N→B配位键且热及水解稳定性更高的二氧氮杂硼杂环戊烷(Dioxazaborocane) motif在核酸化学中几未被探究，亦无系统的合成策略与固态结构数据。为此，研究人员开展了胸腺嘧啶碱基N1位经C3烷基链分别引入硼酸、频哪醇硼酸酯及二氧氮杂硼杂环戊烷基团的一系列合成、表征与对比研究，并制备保留C=C双键以供进一步延伸的二氧氮杂硼杂环戊烷-胸腺嘧啶砌块及非碱基模型化合物，旨在填补二氧氮杂硼杂环戊烷修饰核苷碱基的合成与结构认知空白。

二、主要关键技术方法

研究人员采用碱介导N-烷基化将胸腺嘧啶N1位分别连接烯丙基(Allyl)或甲基烯丙基(Methallyl)氯烷基化制得N-取代胸腺嘧啶；以铱催化加氢硼化(Hydroboration, 用Pinacolborane或BH₃·SMe₂)将末端C=C转化为频哪醇硼酸酯或硼酸；硼酸与N-烯丙基二乙醇胺(Allyl-diethanolamine)缩合形成二氧氮杂硼杂环戊烷；模型化合物通过类似路线合成并做频哪醇硼酸酯选择性酸解脱保护再缩合第二二氧氮杂硼杂环戊烷。产物与关键中间体经¹H、¹³C{¹H}、¹¹B{¹H}、[¹H,¹⁵N]-HMBC NMR及电喷雾电离质谱(ESI-MS)表征，关键化合物通过慢蒸发或降温法培养单晶并经Mo K_α或Cu K_α辐射单晶X射线衍射(SC-XRD)解析固态分子及超分子结构(键长、键角、二面角、氢键网络)。

三、研究结果

2.1 Synthesis of Thymine Derivatives（胸腺嘧啶衍生物的合成）

研究人员以胸腺嘧啶为起始物，NaH作用下与烯丙基氯发生N1-烷基化得化合物1(N1-allyl-thymine)，再分别经：(i) Ir催化剂/dppe存在下与Pinacolborane反Markov尼科夫加氢硼化得频哪醇硼酸酯化合物2；(ii) BH₃·SMe₂加成后水解得以粗品硼酸化合物3；(iii) 硼酸3与自制N-烯丙基二乙醇胺(化合物4)缩合得二氧氮杂硼杂环戊烷化合物5。化合物4由二乙醇胺与烯丙基氯烷基化蒸馏纯化获得。¹H NMR确认N1-烷基化(烯基氢ddt, 5.86 ppm)；加氢硼化后烯基信号消失代之以烷基高场多重峰；化合物2与3的¹¹B{¹H} NMR分别为单峰33.9 ppm与宽单峰~32 ppm(三价B)，化合物5移至13.7 ppm(四价B, N→B配位)。所得化合物均经SC-XRD确证。

2.2 Structural Characterization of Thymine Derivatives in the Solid-State（胸腺嘧啶衍生物固态结构表征）

化合物2(频哪醇硼酸酯)与3(硼酸)中硼为平面三角形(Σ∠≈360°)，B–O键长约1.35–1.38 ?；频哪醇五元环致O–B–O角缩小至~113°，硼微离O1–O2–C7平面(0.016 ?)。化合物5中硼为四面体(∠99.4°–115.0°)，N→B键长1.715/1.741 ?(文献二氧氮杂硼杂环戊烷范围)，B–O单键1.44–1.47 ?，二环分别呈扭曲/信封构象，N1–B–C亚甲基与B–C苯基近似重叠式(Eclipsed)。超分子分析：化合物3靠硼酸–OH与胸腺嘧啶C=O及N–H形成三条中等强度氢键，构筑波纹层状结构；化合物2仅靠胸腺嘧啶N–H?O=C氢键形成二聚体再靠C–H?O与vdW作用维网，频哪醇不参与氢键；化合物5靠胸腺嘧啶N–H?O(二氧氮杂硼杂环戊烷)氢键及C–H?O/vdW作用形成三维网络。胸腺嘧啶碱基是介导分子间氢键的主因。

2.3 Synthesis of Thymine-Dioxazaborocane Derivatives（含C=C双键的二氧氮杂硼杂环戊烷-胸腺嘧啶衍生物合成）

为使砌块可进一步经C=C加氢硼化延伸第二二氧氮杂硼杂环戊烷桥连单元，研究人员用甲基烯丙基二氯(NaH, DMF, -60°C)对胸腺嘧啶N1烷基化得化合物6(N1-methallyl-thymine)，再与二乙醇胺N-烷基化得化合物7，随后与PhB(OH)₂缩合得保留甲代烯丙基C=C双键的二氧氮杂硼杂环戊烷化合物8。[¹H,¹⁵N]-HMBC中二乙醇胺氮从27 ppm低场移至64 ppm证实N→B配位；化合物8的¹¹B{¹H} NMR δ=14.4 ppm，与化合物5吻合。

2.4 Structural Characterization of Dioxazaborocane Thymine Derivatives in the Solid-State（二氧氮杂硼杂环戊烷-胸腺嘧啶衍生物固态结构表征）

化合物8中硼四面体配位，N→B=1.692(1) ?，B–O=1.456/1.464 ?，二面角C11–N1–B1–C1=27.5°(近重叠式)，二环信封构象。固态靠胸腺嘧啶N3–H?O(二氧氮杂硼杂环戊烷)形成锯齿链再靠C–H?O/vdW维网。对比化合物5与8：B–O键长与四面体角基本一致；化合物8的N→B略短，N/B取代基偏离理想重叠式略大，N–H?O氢键稍强，主体骨架无显著差异。

2.5 Synthesis of Model Compounds for Structural Comparison With Thymine Derivatives（与胸腺嘧啶衍生物作结构比对用的模型化合物合成）

用非碱基底物验证反应：化合物4与PhB(OH)₂缩合得烯丙基二氧氮杂硼杂环戊烷9；Ir催化加氢硼化接频哪醇硼酸酯得化合物10(同时含四价二氧氮杂硼杂环戊烷与三价频哪醇硼酸酯)。选用HCl·Et₂O无水条件选择性断裂频哪醇酯再生硼酸，再与过量化合物4缩合得双二氧氮杂硼杂环戊烷化合物11(经¹¹B NMR两四价B信号及MS [M+Na]⁺m/z 409.243确证)。¹¹B{¹H} NMR：化合物9 δ=13.1 ppm，化合物10 δ=33.6 ppm(频哪醇酯)+12.9 ppm(二氧氮杂硼杂环戊烷)，化合物11转化后新四价B信号δ=17.6 ppm。SC-XRD示化合物9与10中二氧氮杂硼杂环戊烷N→B=1.733/1.717 ?，四面体配位，信封构象，频哪醇环微畸变近平面(O–B–O缩小)，与化合物2相似。模型化合物无胸腺嘧啶故缺失碱基介导的N–H?O氢键，其余二氧氮杂硼杂环戊烷几何参数与化合物5、8相符。

四、讨论与结论翻译（摘自原文浓缩与结论节译）

研究人员成功合成并经由SC-XRD全面表征了胸腺嘧啶N1-C3-连接的硼酸(3)、频哪醇硼酸酯(2)及二氧氮杂硼杂环戊烷(5, 8)衍生物。硼酸与频哪醇硼酸酯中硼为三角平面，二氧氮杂硼杂环戊烷中为四面体，N→B键长约1.7 ?，¹¹B NMR三价物种~32 ppm，四价二氧氮杂硼杂环戊烷~13–14 ppm。带保留C=C双键的二氧氮杂硼杂环戊烷-胸腺嘧啶(8)固态结构与5类似。非碱基模型物证实频哪醇硼酸酯可向第二二氧氮杂硼杂环戊烷选择性转化。比较表明各二氧氮杂硼杂环戊烷单元几何高度相似，胸腺嘧啶碱基通过提供N–H?O氢键主导超分子组装差异。此工作首次给出二氧氮杂硼杂环戊烷修饰胸腺嘧啶衍生物的合成通路与全面结构信息，拓宽了硼官能化核苷碱基范畴，为基于二氧氮杂硼杂环戊烷的核酸化学拓展奠定基础。