联合应用单晶结构、二维核磁共振和密度泛函理论研究多环杂环醌的合成、结构及CELP

《Journal of Molecular Structure》：Combined use of single crystal structure, 2D NMR and DFT to study the synthesis, structure and CELP of polycyclic heterocyclic quinones

　　

• •
  获得了三种多环杂环醌的晶体结构。
• •
  纠正了文献中关于环化反应产物分子结构的错误报道。
• •
  通过晶体结构、二维核磁共振波谱和密度泛函理论的综合应用确定了分子结构。
• •
  研究了包含硫原子在内的多种原子的孤对电子压缩效应（CELP）并予以确认。

引言

多环杂环醌（PHQs）由于其转移电子以及结合或作用于多种生物受体的能力，被广泛认为是抗癌药物设计中的特权结构[1]。多种PHQs表现出强效的抗癌活性，其结构如图1所示。YM155是一种特异性的存活素抑制剂，已进入I/II期临床试验[2]。BBI608不仅是一种强效的小分子STAT3抑制剂[3]，也是设计其他STAT3抑制剂的有前途的先导化合物[4]。图1C所示的化合物是OTUB1和USP8（两种去泛素化酶）的双重抑制剂，用于治疗非小细胞肺癌（NSCLC）[5]，而图1D所示的化合物则作为吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）的选择性抑制剂[6]。此外，我们近期的工作表明，含有噻唑环的PHQs（以下称为噻唑醌）表现出优于阿霉素和紫杉醇的抗癌活性[7]。

在多环醌的合成过程中，官能团的区域选择性往往会产生多种异构体产物[8]，对于具有复杂架构的化合物，结构误判尤其难以避免[9,10]。即使对于相对较小的醌分子，官能团的区域选择性也容易导致结构判定出现错误。在本研究中，为了寻找有效的抗癌药物，合成了新型噻唑醌衍生物。图1展示了代表性部分合成路线以及最初预期的产物。

苯基硫脲在碱的存在下去质子化形成共轭碱CB-1，随后与2,3-二氯萘醌发生环化反应得到N-2。在碱性条件下的后续烷基化反应预期可得到目标产物。出乎意料的是，实际得到的烷基化产物为紫色固体（当碱等当量使用时）和黄色固体（当碱过量使用时）。紫色固体的晶体结构如图1所示，明确确立了其分子结构，从而表明实际的环化产物是N-1而非N-2。

尽管类似的环化反应鲜有报道，但专利文献[11]和我们近期的研究（其中的化合物8）[7]均表明环化产物采用N-2型结构（取代苯基连接在N2原子上），而非N-1型结构（连接在N1原子上）。这可能是由于N-2异构体相对于N-1具有更高的热力学稳定性，因为前者采取共平面构象，而后者则不然。在我们先前的工作中[7]，环化反应被提议首先通过苯基硫脲衍生物中硫原子而非氮原子的亲核攻击进行，从而得出结论认为反应产物应为N-1型结构而非N-2。然而，本研究中获得的紫色固体的晶体结构表明，专利文献和我们先前的工作可能均对该结构进行了错误指派。因此，本研究的主要目标是明确确定环化和烷基化产物的分子结构，并重新评估先前文献报道的有效性。

异核多键相关（HMBC）波谱是一种强大的二维核磁共振技术，适用于阐明含有羰基和季碳的PHQs的分子结构[12]。按照惯例，准确的¹H NMR信号指派是HMBC解读的基础。PHQs含有杂原子（N或O），表现出明显的孤对电子压缩效应（CELP）[13]。CELP可显著增大邻近氢原子的δ值，从而促进¹H NMR信号的指派。CELP是一种异常的氢键相互作用。尽管异常氢键已引起化学家的广泛关注[14,15]，但CELP相对研究较少。除进一步考察N和O原子的CELP外，本研究还探讨了此前未报道过的硫原子的CELP。

核磁共振波谱与DFT计算的结合已成为结构阐明的一个重要策略，适用于复杂天然产物[16]和未知化学战剂混合物[17]。在本工作中，将单晶X射线衍射、核磁共振波谱和DFT计算相结合来确定环化和烷基化产物的结构，从而纠正专利文献和我们先前研究中报道的错误结构指派。此外，评估了18种合成化合物对三种癌细胞系和一种正常细胞系的抗癌活性。鉴于分子对接是抗癌药物候选物设计与开发的关键步骤[18]，本工作中实现的准确结构阐明为未来的药物设计研究奠定了坚实基础。

章节摘要

合成

两类杂环醌衍生物（6a–6e和10a–10c）分别按照图2和图3所示路线进行合成。

2-羟基萘醌（1）与叔丁基亚硝酸酯反应得到亚硝基衍生物2，随后用连二亚硫酸钠还原得到化合物3。3与异硫氰酸苯酯（或其衍生物）发生环化反应形成4a（或4b）。4a随后与1,4-双（溴甲基）苯进行烷基化反应得到

本研究的晶体结构

化合物4b、6d和9-1的晶体结构已确定，如图2所示。相应的晶体学数据见补充材料。

化合物4b的晶体结构揭示了其最稳定的分子构象，其中除两个甲基氢原子外，所有原子基本共平面。C11-N2和C12-N2均为单键，其键长分别为1.353和1.408 ?。这一观察结果表明

结论

化合物10a、10b和10c的合成通过三个连续步骤进行：环化、烷基化和季铵化。根据所用碱的用量，烷基化反应产生了两种异构体固体产物，其中一种（紫色固体）的晶体结构已确定。该晶体结构（9-1）与最初预期的结构9-3不符。随后的二维NMR和DFT分析进一步确认了紫色固体的结构确实是9-1

致谢

本工作得到国家自然科学基金的资助（22373019）。

利益冲突声明

我们声明在本工作中不存在利益冲突。

CRediT作者贡献声明

林杰锋：撰写 – 初稿，资源，方法学，调查，数据整理。雷春：方法学，调查。张怡：方法学，数据整理。张永凡：可视化，软件。袁耀峰：资源，资金获取。王文丰：撰写 – 初稿，项目管理，方法学，形式分析，概念构思。刘永国：撰写 – 初稿，监督，项目管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所述工作的结果。

林杰锋|雷春|张怡|张永凡|袁耀峰|王文丰|刘永国