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南京大學(xué)陸紅健團(tuán)隊(duì)Science:氮原子插入的骨架編輯技術(shù)

來源:南京大學(xué)      2025-07-19
導(dǎo)讀:南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院陸紅健教授團(tuán)隊(duì),通過在溫和條件下使用市售O-二苯基膦羥胺(DPPH)對吡咯烷進(jìn)行 α-位N-原子插入的新策略,一步將吡咯烷骨架轉(zhuǎn)化為四氫噠嗪骨架,經(jīng)簡單還原或氧化可無縫銜接地得到飽和1,2-哌嗪或芳香噠嗪,實(shí)現(xiàn)多氧化態(tài)1,2-二氮六元環(huán)的快速獲取,打破了傳統(tǒng)冗長的合成路線的束縛,彌補(bǔ)了N-原子插入一飽和雜環(huán)骨架編輯領(lǐng)域的空白。成果以“Skeletal editing of pyrrolidines by nitrogen-atom insertion”為題,2025年07月18日在線發(fā)表于Science期刊。

單原子操控的原子插入或刪除技術(shù)作為分子骨架編輯的重要手段,能夠直接改造分子骨架,從而避免復(fù)雜的從頭合成過程,提供了與傳統(tǒng)合成方法截然不同的優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)的從頭合成方法,單原子編輯技術(shù)不僅簡化了逆合成分析,減少了繁瑣的反應(yīng)步驟,還能快速突破現(xiàn)有合成路線的瓶頸,為有機(jī)化學(xué)家提供全新的分子設(shè)計(jì)視角。含氮分子廣泛存在于天然產(chǎn)物和生物體內(nèi),包括生物堿、蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸等。氮原子在分子性質(zhì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,例如溶解性、氫鍵作用、極性和生物活性等。因此,氮原子編輯提供了一種強(qiáng)大的分子多樣化策略。近幾年本課題組一直致力于氮原子操控的骨架編輯領(lǐng)域的研究,在氮?jiǎng)h除領(lǐng)域取得了眾多前瞻性和開拓性的研究成果:J. Org. Chem. 82, 4677–4688 (2017); Angew. Chem. Int. Ed. 60, 20678–20683 (2021); Nat. Commun. 14, 7307 (2023); Nat. Synth. 3, 913–921 (2024); Nat. Commun. 15, 10190 (2024); Acc. Chem. Res. 58, 919–932 (2025); ACS Catal. 5825-5834 (2025); etc。而本次工作則將視角轉(zhuǎn)向含氮雜環(huán)的氮原子插入方向。



含氮雜環(huán)化合物(N-雜環(huán))是醫(yī)藥化學(xué)中最重要且多功能的骨架之一,是調(diào)節(jié)分子識別、藥物動(dòng)力學(xué)以及理化性質(zhì)的關(guān)鍵元素。最常見的骨架包括六元的吡啶和哌啶,五元的吡咯烷等(圖1A)。鑒于它們的廣泛性和結(jié)構(gòu)多樣性,開發(fā)直接編輯N-雜環(huán)的策略具有實(shí)際意義。最近,多個(gè)課題組利用π鍵活化路徑對N-雜芳香族體系的氮插入反應(yīng)研究并取得了非常出色的成果(圖1B);但直接向飽和氮雜環(huán)插入氮原子形成二氮雜環(huán)仍未見報(bào)道,這是因?yàn)槿狈曹楏w系,π鍵活化路徑受到極大限制,同時(shí)選擇性地裂解和重新形成C–N或C–C鍵則要求對反應(yīng)性和選擇性具有極高的控制能力。本文報(bào)道了一種新型的氮原子插入策略:利用商業(yè)化試劑O-二苯基磷?;u胺(DPPH)(圖1C),將氮雜環(huán)-吡咯烷骨架轉(zhuǎn)化為二氮雜環(huán)-四氫噠嗪骨架化合物。該轉(zhuǎn)化操作簡便、條件溫和且具有優(yōu)異的官能團(tuán)兼容性。所得四氫噠嗪同時(shí)具備親核性氨基(NH)和活性碳氮雙鍵(C=N),可選擇性還原或氧化得到飽和1,2-哌嗪或芳香噠嗪,而這些結(jié)構(gòu)在最近的藥物得到了越來越多的應(yīng)用(圖1D)。


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Fig.1. N-Atom Insertion Strategies in N-Heterocycles. (A) U.S. FDA-Approved new small molecule drugs (2013?2023). (B) N-atom insertion into aromatic N-heterocylces. (C) N-atom insertion into saturated pyrrolidines. (D) Natural products or drug molecules containing tetrahydropyridazine and its redox congeners.


研究團(tuán)隊(duì)通過對反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)性的條件篩選,確定了最佳反應(yīng)條件:對于取代的吡咯烷底物順式全氫異吲哚1a在條件(DPPH, K2CO3, THF/H?O, 65 °C, 12hr)下能以68%核磁收率得到插氮產(chǎn)物1b(圖2A);后續(xù)通過關(guān)鍵中間體的監(jiān)測、1?N標(biāo)記等實(shí)驗(yàn)巧妙地論證出了反應(yīng)的機(jī)理(圖2C)。


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Fig.2. Optimization of reaction conditions and mechanistic studies. (A) Optimization of reaction conditions. (B) Experimental evidence of key intermediates. (C) Proposed mechanism. (D) 1?N experiment and the reaction of diaziridine.


該研究中的氮原子插入策略展現(xiàn)出卓越的底物普適性與官能團(tuán)兼容性,適用于幾乎所有類型的吡咯烷,包括帶有烷基、芳基、酯基、酰胺基,甚至復(fù)雜并環(huán)、螺環(huán)和橋環(huán)結(jié)構(gòu)的底物(圖3A)。并且底物大都來自于商品化藥物的片段,為后期直接應(yīng)用提供了廣泛的案例。更重要的是四氫噠嗪經(jīng)還原即可一次構(gòu)建全飽和1,2-哌嗪;經(jīng)氧化則順利得到芳香噠嗪,為多氧化態(tài)骨架快速互換鋪平道路(圖3B、3C)。


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Fig. 3. Editing pyrrolidine skeleton and transformations of tetrahydropyridazines.




隨后團(tuán)隊(duì)將該氮原子插入策略直接應(yīng)用于復(fù)雜活性分子與同位素標(biāo)記上(圖4)。作者對(±)-降煙堿、simpinicline、三肽MIF-1 及 seltorexant 片段實(shí)現(xiàn)了高效插氮,并借1?N-DPPH 將1?N一步嵌入藥物分子中,為后期代謝及藥效追蹤提供便利。此外,含四氫異喹啉的天然產(chǎn)物四氫罌粟堿也能被擴(kuò)環(huán)為七元二氮環(huán),顯示該策略對不同環(huán)張力體系的普適性。


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Fig. 4. Editing and labeling bioactive compounds. 


該工作通訊單位為南京大學(xué)配位化學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)化工學(xué)院。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2022級博士研究生李京昊為論文第一作者;2023級碩士研究生唐鵬程和2024級直博生樊陽分別為論文第二和第三作者;陸紅健教授為論文通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金(22271148)、江蘇省自然科學(xué)基金(BK20231400)等項(xiàng)目的支持。


文獻(xiàn)詳情:

Jinghao Li et al. ,Skeletal editing of pyrrolidines by nitrogen-atom insertion.Science389,275-281(2025).DOI:10.1126/science.adl4755

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl4755

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