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Phil S. Baran，又一篇Science！

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-12-21 15:18

正文

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▲第一作者：Jiayan He，Kenta Yokoi

通讯作者：Yu Kawamata，Hans Renata，Phil S. Baran

通讯单位：美国斯克利普斯研究所，美国莱斯大学

DOI：10.1126/science.adr9368 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

Science编辑Jake S. Yeston评语：

现代药物开发总是优先研究相对平坦的分子，这些分子的多种修饰反应已经得到优化。将目标化合物扩展到三维空间的努力则需要采用不同的方法。He等人展示了一种通用的两步方案，通过连续的酶促羟基化和镍电催化交叉偶联来修饰哌啶。该产物之前需要更迂回的定制路线才能获得。

研究背景

现代药物化学家正在瞄准更复杂的分子来解决具有挑战性的生物学靶标，这导致合成具有更高 sp ³ 特性的结构（Fsp ³ ），以增强特异性和物理化学性质。尽管传统的平坦、高sp ² 分数的分子，如吡啶，可以通过亲电芳香取代和钯（Pd）基交叉偶联进行修饰，但衍生三维（3D）饱和分子的一般策略远未得到充分发展。

研究问题

本文提出了一种快速、模块化、对映体特异性以及非对映异构体选择性官能化哌啶的方法，该方法结合了生物催化碳-氢氧化与自由基交叉偶联。这种组合类似于平坦分子的亲电芳香取代后接Pd偶联，简化了3D分子的合成。本研究提供了一个可推广的策略，用于构建复杂结构，吸引了药物化学和工艺化学家的注意。

图1| 酶促C-H氧化与自由基偶联相结合简化了官能化饱和杂环的获取途径

要点：

1.从现代医学的角度来看，吡啶（及其苯并类似物）或许是最重要的杂芳环单元，因为它们在美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物中非常普遍。（1）一般来说，这些平面的二维（2D）结构通过连续的功能化（例如卤化、硼化），然后进行过渡金属催化的交叉偶联反应来多样化（图1A）。复杂的哌啶类化合物，即吡啶的完全饱和类似物，随着药物发现活动逐渐向拓扑上更复杂、三维空间（增加Fsp ³ ）的方向推进，正变得越来越流行。实际上，多取代哌啶在药物先导化合物和天然产物中是一个常见的结构单元，例如化合物 1 到 5 ，其中双取代哌啶占当前含有哌啶的药品的61%。与其不饱和的吡啶亲属相比，具有精确立体化学控制的这种骨架模块化合成可能是一项复杂的难题。尽管有立体化学方面的考虑，这类化合物的逆合成主要依赖于极性键断裂，这通常涉及到功能团（FG）、保护基（PG）和氧化还原操作。断裂往往是非直观的，并且基于个案推导，严重依赖羰基和烯烃化学（图1B）。

图2|可扩展的生物催化羟基化的发展

要点：

1.本研究的第一步是可扩展的酶促方法，用于对商业上分别以每克0.80美元和每克8.0美元的价格购得的手性纯2-和3-羧基哌啶 11 和 10 进行位点特异性C–H羟基化（图2在图像查看器中打开）。本研究团队之前已经报道了 14 和 17 的克级合成。然而，仍需要一种可扩展且经济的合成方法来制备具有不同羟基化模式的其他构建模块。先前有报告称，依赖2-酮戊二酸（α-KG）的双加氧酶trans-4-脯氨酸羟化酶（trans-P4H）在l-脯氨酸上的C4位点具有羟基化活性，通过使用纯化的酶或表达该酶的重组大肠杆菌进行全细胞生物转化，可以在制备规模上（35毫克）以68至78%的转化率和61%的分离收率生产trans-5-羟基-l-哌啶 12 。

2.本文最初尝试重现这一羟基化反应，但仅获得了39%的转化率，经过大幅优化反应参数（α-KG和Fe ²⁺ 的等量和缓冲液pH值）后，最终提高到了>99%。优化条件下适合克级合成，底物浓度高于之前报道的条件。考虑到羟基化构建模块上的立体化学模式将对后续功能化的立体化学结果产生重大影响，因此寻求cis-5-hydroxy-l-Pip 13 的合成。为此，本文探究了来源于Xenorhabdus doucetiae的工程化α-KG依赖型l-哌啶酸羟化酶（XdPH YR）和Codexis开发的脯氨酸-4-羟化酶（P4H810）。尽管前者几乎未将l-哌啶酸（L-Pip）转化为所需产物，但后者以区域和立体选择性的方式产生了5-hydroxy-l-Pip 13 ，转化率为80%。随后的优化，特别是反应pH值的优化，使转化率提高到~100%（图2）。所有酶促羟基化反应都以高度非对映体选择性的方式进行，产物 12 、 13 和 9 的非对映体比率（dr）均大于99:1。

图3| 通过生物催化C-H氧化或自由基偶联级联反应对哌啶酸进行多样化

要点：

1.在掌握了关键羟基化哌啶的强大生物催化途径后，通过使用自由基交叉偶联方法探索了它们的下游模块化功能化。因此，选择了一系列2-取代-3-羟基哌啶（图3A），因为这种结构类别存在于多种天然产物和生物活性化合物中。N-Boc-3-hydroxy-2-phenylpiperidine 19 被用作神经激肽NK1受体拮抗剂合成的关键中间体，例如(+)-L-733,060和(+)-CP-99,994。这些先导化合物已知表现出多种生物学活性，包括神经源性炎症、疼痛传导和免疫反应调节。它们涉及多种疾病，如偏头痛、类风湿性关节炎和疼痛。主要的合成策略包括使用手性池策略中间体或手性助剂，通过极性键断裂实现1,2-氨基醇片段的非对映选择性合成，然后进行环闭合。在已报道的10种路线中（见补充材料总结），大多数存在非对映选择性差、步骤冗长（7到17步）、低温要求以及昂贵的过渡金属问题。相比之下，羟基哌啶 14 可以通过与碘苯的化学选择性Ni电催化脱羧交叉偶联直接生成 19 （分离产率48%，单一非对映异构体）。如果药物化学家选择探索芳基部分的结构-活性关系（SAR），现在可以轻松完成，而不需要从头开始。

2. 2,4-二取代哌啶是合成中的重要构件，也是许多生物活性分子的核心骨架。图3B展示了如何通过生物催化获得 17 可以大大减少获取这类分子所需的努力。一个这样的例子可以在改进的天然产物SS20846 A 4 的合成方法中看到，该物质从链霉菌属Steptomyces sp. S20846中分离出来，作为强效抗菌剂streptazolin生物合成的假设中间体。以前的合成需要6到17步，所有这些都依赖于极性键断裂。其中最短的一步涉及通过连续烯醇化学和Davis亚磺酰亚胺衍生自sorbaldehyde的手性构建1,3-氨基醇 28 ，然后通过分子内环化获得核心骨架。中间体β-酮酯的还原表现出较差的非对映选择性（约3:1），且使用锂铝氢化铝（LAH）将内酰胺彻底还原为哌啶。一种更简单的方法可以通过使用基于自由基的Ni电催化脱羧烯化 17 与乙烯基溴 29 直接以高dr（7:1，分离产率51%）获得 4 ，从而避免了易燃试剂和手性助剂的使用。

图4| 通过生物催化C-H氧化或自由基偶联顺序对烟酸进行多样化

要点：

1. 3,4-二取代哌啶是药物化学中常见的结构片段，其合成通常需要繁琐的多步过程。生物催化途径获取4-羟基异烟酸作为通往各种3,4-二取代哌啶衍生物的门户，通过连续的自由基交叉偶联反应轻松实现，如图4所示。例如， 8 是一种高效的单胺转运蛋白配体。在之前的合成方法中（图4A），向昂贵的不饱和哌啶 6 添加格氏试剂，然后进行手性拆分和差向异构化得到哌啶7。随后需要进行酯还原、氧化、霍纳-沃兹沃斯-埃蒙斯反应以及另一次酯还原，八步反应才能得到目标分子（其中只有两步具有战略性）。相比之下，生物催化得到的对映体纯 18 可以通过双重脱羧交叉偶联（dDCC）与47反应生成中间体 48 ，非对映体比率高（>20:1）。这里采用了dDCC而非Geise型加成到丙烯酸酯，以展示药物化学家如何利用这种方法轻松调控碳链长度。随后，48可以通过使用2-氯-3-乙基苯并[d]氧杂唑-3-鎓盐（CEBO）或四丁基溴化铵进行原位溴化，然后与 49 进行高度非对映选择性的Ni-电催化偶联。这种原位活化和电催化偶联方案模仿了Gong小组的优雅研究，在本文取得了更高的转化率。同时进行Boc和酯还原只需五步即可从 10 获得目标产物，从而避免了手性拆分、自燃试剂（格氏试剂、LAH x2）和多次氧化还原操作。从战略角度看，在合成末期而不是一开始就安装芳环的灵活性很有吸引力。

总结与展望

可调节的酶促催化剂用于C-H氧化，或许是实现立体和区域控制制备高价值羟基化砌块的最佳且最具成本效益的解决方案。这些中间体的下游官能化过去完全依赖于极性键断裂，从而减少了通过快速获取它们所带来的战略优势。通过结合生物催化与自由基逆合成的强大力量，现在可以实现复杂三维结构的简洁模块化路径。这种类比于过去50多年来二维杂环芳烃官能化的热潮是恰当的。在那个领域，亲电芳香卤化（EAH）接着进行交叉偶联是一个经过验证的方法，并且每天都在使用。通过这个概念验证研究提出并展示了一个模型，其中生物催化C-H氧化和基于自由基的三维系统交叉偶联类似于二维中的EAH和极性交叉偶联（主要是钯基）。这项研究向药物化学和工艺化学家展示了一种强大的方法，最大限度地提高了合成的理想性和快速的SAR探索，同时减少了手性拆分步骤、昂贵的手性配体和贵金属催化剂的使用。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9368