武汉大学闵昶课题组JACS:吡啶鎓盐的发散性骨架编辑:通过”形式”羰基插入合成氮杂䓬酮和吡咯烷酮

反应条件优化：

以4-乙基吡啶鎓盐1作为模型底物，评估了对吡啶进行“形式”羰基插入的可行性。（表1）经过筛选，磺酰叠氮化物为唯一能有效活化该吡啶鎓骨架的氮宾前体，生成相应的氮杂䓬亚胺（azepinimine）中间体1a，该中间体经水解可直接得到氮杂䓬酮1b。对影响反应的关键因素（包括叠氮化物的种类、碱、溶剂、温度及试剂用量等）进行筛选后发现：将吡啶鎓盐1（1.0 equiv）与3,5-双三氟甲基苯磺酰叠氮（3.0 equiv）和NaH（2.0 equiv）在THF中于室温下反应，可以最高产率获得氮杂䓬亚胺1a；但由于氮杂䓬-4-酮类化合物的不稳定性（可能源于α-碳的酸性增强，易发生烯醇化或碱促的竞争性C–C键断裂或重排），最终筛选出以Na(CO₃)₂为碱，在THF/EtOH/H₂O溶剂体系下的温和水解条件为最优。

表1. 反应条件优化（图源：JACS）

底物范围：

在最优条件下，该方法对吡啶鎓盐的对位（C4）羰基插入具有广泛的底物适用性与官能团耐受性：含不同电性的取代芳基、杂芳基、卤素、4-烷基及并环底物均可顺利完成转化，值得注意的是，叔碳中心也可顺利移至环内；对于不对称的底物，反应表现出底物控制的区域选择性，区域异构体可分离的产物均经核磁表征且进一步通过X单晶衍射确证。部分底物因七元环在碱性条件下稳定性差而只能以氮杂䓬亚胺形式得到，这主要取决于所得七元环的电子稳定性（图2）。

图2. 对位羰基插入的底物范围（图源：JACS）

图3. 邻位羰基插入的底物范围（图源：JACS）

与对位相比，邻位（C2）的羰基插入反应较慢，升温至80℃可弥补损失的反应速度，达到与对位相当的转化效率。（图3）邻位羰基插入的产物整体更稳定，多数底物可一锅法完成转化。各类供/吸电子芳基（含酚羟基和二甲氨基）、杂芳基（吲哚、呋喃、噻吩）、烯基、炔基、烷基、卤素、氰基及稠环体系（喹啉、异喹啉和菲啶等）均可顺利转化，且兼容氮原子取代基的变化。这些结果表明，邻位羰基插入可在所有的取代位点实现，底物适用范围广，可以模块化的方式获得氮杂䓬酮骨架。

图4.光化学[2+2]环加成促氮杂䓬酮转化为吡咯烷酮的底物范围（图源：JACS）

在获得邻位羰基插入产物后，氮杂䓬-2-酮在310 nm紫外光照射下可高效发生分子内[2+2]环加成，以良好至优异的非对映选择性得到并环吡咯烷酮，反应兼容多种不同的取代基（芳基、杂芳基、烷基、烷氧基等）和多种取代位点（3位，5位和N-取代）（图4）。

方法应用：

为了进一步彰显了该方法的实用性：GPR116激动剂、CDK8抑制剂前体、微管聚合抑制剂及海洋天然产物Seragadine A等复杂活性分子均可在不破坏敏感官能团的前提下完成对位或邻位羰基插入；ROCK抑制剂和上市药物Fatostatin也可顺利扩环为相应的氮杂䓬酮，随后经光化学[2+2]缩环得到相应的吡咯烷酮，（图5A）证明该扩环-缩环序列可在药物骨架上完全兼容，并在复杂分子环境中实现发散性骨架编辑。该方法可放大至2.2 g，并且可以一步纯化的方式将吡啶鎓盐转化为吡咯烷酮；（图5B）另外，氮杂䓬-2-酮可经硫化、氯化、Diels-Alder环加成和氢化还原构建多样化的氮杂环骨架，（图5C）碱水解不稳定的氮杂䓬-2-亚胺中间体可以先氢化还原再水解获得目标氮杂䓬酮产物（图5D）。

图5.方法应用与衍生化（图源：JACS）

图6.反应机理研究（图源：JACS）

反应机理：

通过中间体的HRMS捕获（此结果也得到DFT计算支持），副反应产物吡啶亚胺的分离表征以及吖啶中间体水解过程中C–C键断裂副产物吡啶亚胺的捕获，表明可能存在以下反应机理：吡啶鎓盐首先被NaH去质子化，生成二氢吡啶中间体（I），随后与磺酰叠氮发生[3+2]环加成得到三氮唑中间体（IIa），侧链烯胺对三氮唑亲核进攻，同时脱除N₂得到环丙基中间体（III），不对称底物中的区域选择性受烯胺位点的亲核性以及III的稳定性控制，其中芳基取代的烯烃优先参与重排反应；最后，张力驱动III开环得到扩环的氮杂䓬亚胺1a，水解后得到氮杂䓬酮（图6）。

图7.DFT计算（图源：JACS）

区域选择性的DFT计算解释：

DFT计算进一步支持了反应的区域选择性：磺胺阴离子引发分子内S_N2亲核进攻产生了能量更低的关键优势中间体TS-5，磺酰亚胺与芳基的空间位阻使其较TS-6的活化能低3.9 kcal/mol，同样的空间位阻效应存在于两种区域选择性的产物12a和12a’上，DFT计算的结果与实验结果一致（图7）。

闵昶教授团队提出了基于吡啶的发散性骨架编辑新策略：在温和条件下实现了吡啶母核的“形式”羰基插入，高效构建七元氮杂䓬酮骨架（6→7扩环）；随后利用分子内光化学[2+2]环加成反应，促使双碳原子向环外迁移，顺利转化为五元吡咯烷酮骨架（7→5缩环），从而实现6→7→5双向环尺寸编辑。该方法具有底物适用范围广、官能团耐受性优异的特点，可直接应用于多种复杂药物分子及天然产物的后期骨架修饰。通过“扩环-缩环”序列的有机整合，该研究实现了从单一前体吡啶出发的双向环尺寸编辑，验证了反应的应用性和衍生化潜力，为药物化学中的骨架跃迁与结构多样化提供了高效、实用的解决方案。

武汉大学药学院博士研究生罗云为论文第一作者。武汉大学药学院为论文第一完成单位，闵昶教授和化学与分子科学学院戚孝天教授课题组博士后周林博士为论文共同通讯作者。该工作围绕吡啶药物母核骨架编辑这一研究方向展开，由药学院闵昶课题组与戚孝天教授课题组合作完成。周林博士在DFT理论计算、反应机理分析和论文修改完善等方面作出了重要贡献；戚孝天教授课题组为理论计算和机理阐释提供了重要支持与建议。研究同时感谢武汉大学大型科研公共服务平台张燃老师在核磁分析测试方面提供的帮助，感谢武汉大学药学院仪器平台刘丹和陈晶老师在化合物结构表征上提供的帮助。该工作得到了中央高校基础研究基金（2042025kf0049和413100111）以及武汉大学大型科研公共服务平台的支持。

闵昶教授简介：

闵昶，教授，博导。闵昶教授分别于2009年和2011年在武汉大学药学院获得学士和硕士学位，2016年在美国罗格斯大学获得博士学位，随后于2016至2019年在斯坦福大学从事博士后研究。2019至2022年，闵昶教授在 Incyte 公司担任高级研究员，参与抗癌新药研发工作，并获批5项新型 KRAS-G12D 和 KRAS-G12V 选择性抑制剂相关的美国和国际专利。2022年底起，闵昶教授任武汉大学药学院教授。其研究方向涵盖全新合成方法学开发、活性天然产物全合成与结构修饰、抗癌药物研发等。近年来，课题组聚焦面向药物发现的小分子骨架编辑，围绕氮位点扫描、骨架跃迁和含氮小分子的可编程骨架重构，发展了一系列用于药物分子后期多样化修饰的新策略。闵昶教授于2021年入学海外优青，现担任中国药学会药物化学专业委员会青年委员。

课题组网站:https://www.changmin-group.com/