DNA编码库中以吡唑为中心的化学空间获取的温和三组分DNA上反应

《Organic Chemistry Frontiers》：A mild three-component on-DNA reaction for accessing pyrazole-centred chemical space in DNA-encoded librariesOpen Access

　　

DNA编码库（DEL）技术能够高效探索化学空间，但其合成范围仍受限于可与DNA兼容的转化反应种类不足。吡唑是药物化学中的优势骨架，然而其制备常需对DNA不友好的条件，导致其在DEL合成中代表性不足。研究人员报道了一种温和、DNA兼容的三组分DNA上反应，由DNA偶联醛、肼与硝基烯烃在水相、室温、无外加氧化剂或加热条件下构建吡唑；在测试条件下可保持DNA完整性与可扩增性。系统优化表明缓冲液组成与pH是关键参数，三类反应伙伴均具较广底物耐受性。研究人员还建立了硝基烯烃的简化制备流程，使其可作为DEL构建块使用。机理实验支持肼控[3+2]环加成路径。多步DEL合成与化学空间分析显示，该化学可获取类药吡唑中心库，补充ChEMBL中化合物密度较低区域，包括相应酰胺基DEL设计不能高效覆盖的区域。更广泛地，该研究说明反应设计结合骨架导向化学空间分析，可指导未充分代表杂环进入DEL发现集合。

研究背景方面，DNA编码库（DEL，DNA-encoded library）技术通过在唯一DNA标签上连接小分子，可在单池中实现10⁶–10⁹级化合物合成与筛选，大幅降低合成与筛选成本。然而DEL化学根本受限于DNA兼容性：DNA头段对强酸强碱、高温、氧化环境及高活性中间体敏感，会损害DNA完整性与下游可扩增性。吡唑作为五元含氮杂芳环，是药物化学中的优势骨架，具芳香性、适中极性和氢键供受双重特征，见于抗炎、免疫抑制、抗癌及神经退行等候选药物；但经典吡唑形成常需强酸强碱、加热或氧化步骤，现有公开DNA上吡唑方法多仅用小底物集和单个模型偶联物验证，缺乏多反应伙伴系统变化和编码多步文库的产品级验证。X-Chem虽已构建并筛选吡唑中心DEL，但未公开构建块结构、数量与详细分析。因此，亟需对醛–肼–硝基烯烃三组分DNA上反应进行系统、可公开的实验验证，并拓展至互补且可分析的吡唑中心DEL设计。

论文发表于《Organic Chemistry Frontiers》。研究人员开展的研究是：以DNA偶联4-甲酰苯甲酸、苯乙基肼与反式-β-硝基苯乙烯为模型，系统优化并验证该三组分DNA上吡唑反应，评估三类伙伴底物范围，开发硝基烯烃高通量制备，检测DNA完整性，构建2×3迷你DEL，并用化学空间分析比较吡唑中心DEL与酰胺基DEL及ChEMBL_36。结论为：该反应在温和水相条件下高效、广耐受且保DNA功能，可补充现有DEL与ChEMBL中稀疏区域，意义在于为DEL引入优势杂环提供实用策略，并示范反应设计加化学空间分析可扩展药物相关DEL结构多样性。

主要关键技术方法上，研究人员采用LC-MS测定转化率；以qTOF LC-MS、凝胶电泳与qPCR评估DNA完整性和可扩增性；用脱离DNA路线合成代表吡唑并以单晶X射线衍射和LC-MS共注射确认结构；以MeNO₂/NaOH从醛高通量制备硝基烯烃；构建2×3迷你DEL并经ClaI消化做产品级LC-MS验证；以Enamine目录构建虚拟库，用ECFP4聚类选构建块，通过PMI（主惯性矩）、GTM（生成式地形映射）和ECFP4指纹做化学空间分析。无外部生物样本队列来源。

研究结果部分，引言指出DEL与吡唑背景及已有方法局限，明确本研究是对已有X-Chem实践的系统公开验证与拓展。结果与讨论中，三组分吡唑形成反应优化通过对DNA偶联醛、缓冲液与pH的系统筛选，发现MES与醋酸钠缓冲在pH 5–7表现好，NaOAc pH 5.2最稳定，说明缓冲身份和pH主导DNA上反应性。DNA偶联醛范围研究显示芳香醛多获好到优转化，位阻大芳香醛与取代吡咯醛不反应，脂肪醛也可转化，说明非芳香醛在优化条件下可耐受。肼范围研究显示烷基肼多具好反应性并容忍酯、Boc保护胺；4-、5-取代区域异构体约1:1出现在位阻大肼中，芳香肼因位阻与电子效应常低转化或停在腙阶段；机理实验见腙中间体积累、最终吡唑生成、环加合物仅痕量，支持肼控[3+2]环加成。硝基烯烃范围研究用商品与自制硝基烯烃，杂芳基与带Boc保护胺脂肪硝基烯烃可耐受；MeNO₂/NaOH冷凝后沉淀离心即得粗品并可直用，说明该流程适合小规模并行制有用亚集。DNA完整性研究以参照构件与吡唑形成构件同序列比较，qTOF、凝胶、qPCR均未示降解或截断，表明条件保DNA完整与可扩增。迷你DEL合成以2×3格式完成：两轮吡唑反应与Cycle 1编码、Boc脱保护、Cycle 2酰胺偶联与编码、 closing primer延伸；各产品经ClaI消化LC-MS确认，证明该反应可用于多步DEL，且N1与C5可作正交多样化向量形成DEL-X与DEL-Y。化学空间分析以DEL-X、DEL-Y、酰胺基DEL-Z与ChEMBL_36比较；QED过滤后超60%成员QED≥0.6，PMI示吡唑平面核仍可得球状/三维形状，DEL-X高球状分子近ChEMBL三倍、DEL-Z两倍；GTM显示指纹空间中药唑DEL占ChEMBL低密度新热点，说明反应启用的骨架连接与键拓扑比构建块本身更决定空间分化。

讨论与结论翻译部分，研究人员在结论中指出：综上，研究人员开发了温和、DNA兼容三组分反应，由醛、肼、硝基烯烃在DNA上高效构建吡唑；通过缓冲组成与pH控制解决酸生成和DNA敏感问题，在广底物上高转化且保DNA完整性。硝基烯烃高通量流程使难获试剂可操作化。机理与多步DEL及DNA稳定性验证共同支持方法稳健。化学空间分析表明吡唑中心DEL占类药空间并补ChEMBL稀疏区，且非酰胺基DEL可高效覆盖区；这种差异凸显反应启用骨架连接与键拓扑较构建块多样性更重要。该工作为DEL引入优势杂环提供实用策略，并示范反应开发加定量化学空间分析可拓展药物相关DEL集合结构多样性；所述框架可广评未来DEL赋能转化。