吡啶類(lèi)化合物是農(nóng)藥、醫(yī)藥、日用化學(xué)品等產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原料之一，自19世紀(jì)40年代被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家通過(guò)對(duì)吡啶分子的修飾改造，獲得了許多造福人類(lèi)的重要成果，其中就有人們熟知的抗腫瘤藥物尼洛替尼、抗結(jié)核藥物異煙肼等，也包括農(nóng)藥除草劑百草枯。然而，數(shù)十年來(lái)，由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，吡啶環(huán)上的3個(gè)可供修飾改造的位點(diǎn)中，“C3位”始終“難以撼動(dòng)”，成為阻礙人們進(jìn)一步改造利用吡啶的一道難關(guān)。

日前，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院王曉晨課題組利用有機(jī)硼做催化劑，巧妙地激活了吡啶環(huán)C3位的反應(yīng)活性，成功敲開(kāi)了吡啶類(lèi)化合物高效合成的一扇新大門(mén)。介紹該工作的論文近日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》。

吡啶C3位精準(zhǔn)定點(diǎn)修飾成應(yīng)用瓶頸

吡啶，是一種有機(jī)化合物，含有一個(gè)氮雜原子的六元雜環(huán)化合物。吡啶和哌啶(還原的吡啶)是藥物分子中最常出現(xiàn)的雜環(huán)結(jié)構(gòu)單元。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，含吡啶或哌啶結(jié)構(gòu)并已上市的藥物總數(shù)超過(guò)180個(gè)，近5年獲批上市的藥物中有近1/5含有這兩個(gè)結(jié)構(gòu)。不僅如此，吡啶在農(nóng)藥、材料、化工等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

“直接在藥物分子的吡啶結(jié)構(gòu)上做修飾改造，可以快速得到具有類(lèi)似活性的新化合物，通過(guò)活性測(cè)試和安全評(píng)價(jià)，有望成為新藥物。但是，吡啶的自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定了修飾它很難，特別是直接在藥物分子上修飾，方法非常有限。”王曉晨說(shuō)。

修飾改造吡啶的位點(diǎn)有3個(gè)，分別是C2位、C3位、C4位。吡啶環(huán)上，由于氮原子的拉電子作用，增強(qiáng)了C2位和C4位的親電性，使其容易發(fā)生親核取代反應(yīng)。“因此，目前絕大多數(shù)吡啶結(jié)構(gòu)的修飾改造都是在C2、C4位上完成的。吡啶環(huán)的缺電子性和強(qiáng)配位性(容易使催化劑失活)，讓C3位修飾難度增大。”王曉晨說(shuō)。

事實(shí)上，吡啶C3位也可以發(fā)生親電取代反應(yīng)，但只有鹵化和硝化等少數(shù)反應(yīng)可行，且反應(yīng)條件非常劇烈，比如需要強(qiáng)酸性、大于300°C。近期，過(guò)渡金屬催化的碳?xì)滏I活化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了吡啶C3位的多種修飾，但這些反應(yīng)大多使用多個(gè)當(dāng)量吡啶，且難以避免其他位置反應(yīng)的副產(chǎn)物，降低了實(shí)用性。

“因此，我們迫切需要開(kāi)發(fā)一種通用、高效的方法，實(shí)現(xiàn)吡啶C3位的精準(zhǔn)定點(diǎn)修飾。新結(jié)構(gòu)就能帶來(lái)新機(jī)會(huì)，完成這項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，找到一種新的方法對(duì)于醫(yī)藥、化工等眾多產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。”王曉晨說(shuō)。

有機(jī)硼催化激活吡啶C3位反應(yīng)活性

王曉晨課題組長(zhǎng)期致力于有機(jī)硼催化研究，發(fā)展了以五元并環(huán)和五元螺環(huán)為骨架的兩類(lèi)手性有機(jī)硼催化劑，并且實(shí)現(xiàn)了吡啶的串聯(lián)還原、不對(duì)稱(chēng)串聯(lián)還原等工作。

王曉晨解釋?zhuān)?ldquo;簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們利用有機(jī)硼催化硼氫化反應(yīng)的高活性，實(shí)現(xiàn)了難度較大的吡啶去芳構(gòu)化，使其電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，相當(dāng)于注入了電子，顯著增強(qiáng)了C3位的電子云密度，激活了C3位的反應(yīng)活性。”

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，王曉晨課題組建立的吡啶間位官能化新策略，對(duì)于各種取代的吡啶和亞胺均適用，可直接應(yīng)用于多個(gè)藥物分子的修飾改造，且適用于醛、酮等多種親電試劑。

“更為值得關(guān)注的是，新策略下的催化反應(yīng)吡啶用量小，僅需一個(gè)當(dāng)量，位置選擇性專(zhuān)一，反應(yīng)條件溫和，最高不超過(guò)80°C?？梢哉f(shuō)，新方法為含吡啶藥物分子的后修飾提供了一條便捷、高效、精準(zhǔn)、通用的新途徑。”王曉晨說(shuō)。(科技日?qǐng)?bào)記者 陳曦 通訊員 吳軍輝)

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