本文由藥明(míng)康德內(nèi)容團隊編輯
甲基在生物(wù)活性分子中普遍存在，根據美國(guó)亞利桑那(nà)大學Jόn Njarðarson教授團隊統計的“2018年(nián)全球前200位的藥品”，一(yī)半以上(shàng)的藥物(wù)分子至少(shǎo)包含一(yī)個甲基基團。甲基化反應在糖、多肽、核酸、生物(wù)堿以及藥物(wù)分子的結構修飾中得到廣泛的研究。在設計候選藥物(wù)時(shí)，甲基化修飾通(tōng)常用來改善藥物(wù)分子的生物(wù)活性及物(wù)理特性。除此之外(wài)，甲基化過程還能(néng)改變候選藥物(wù)分子的溶解度、提高藥物(wù)分子的脫靶選擇性，甚至還可(kě)以将激動劑轉變為(wèi)拮抗劑等。而在生命科學領域，DNA、RNA的甲基化修飾在基因編輯及調控、疾病診斷等方面發揮重要(yào)的作(zuò)用。
以下(xià)列舉了(le)幾種甲基化藥物(wù)，有時(shí)人(rén)們會在藥物(wù)的代謝(xiè)熱(rè)點附近修飾甲基，例如(rú)臨床用于治療高膽固醇血症、冠心病的藥物(wù)simvastatin，其側鏈酯基α位修飾另一(yī)個甲基後，受位阻效應影響，代謝(xiè)速率有所降低(dī)，因而可(kě)延長(cháng)其半衰期，增加藥物(wù)作(zuò)用時(shí)間(jiān)。相反，如(rú)果候選藥物(wù)的半衰期過長(cháng)，人(rén)們可(kě)能(néng)通(tōng)過甲基化引入新的代謝(xiè)熱(rè)點縮短其半衰期。
▲甲基化修飾（加重部分）對候選藥物(wù)分子的藥效優化（圖片來源：參考資料[1]）
研究表明(míng)，藥物(wù)分子中鄰近雜(zá)原子的位點（如(rú)α位）引入甲基通(tōng)常可(kě)以顯著改變其藥物(wù)活性，最為(wèi)簡單高效的方法是直接對相應位點的C-H鍵進行(xíng)甲基化，而有效控制反應的區(qū)域選擇性成為(wèi)必須解決的關鍵問(wèn)題。基于以往發展的甲基化反應，甲基往往需要(yào)在合成前期引入目标分子中，目前尚無通(tōng)用的手段可(kě)以實現複雜(zá)結構分子的後期修飾。這(zhè)也便意味着很(hěn)多母體化合物(wù)引入甲基需要(yào)從(cóng)頭合成，由此降低(dī)了(le)藥物(wù)研發中藥物(wù)分子甲基化的效率。
▲圖片來源：參考資料[2]
近年(nián)來，氮、氧等雜(zá)環化合物(wù)C(sp3)-H鍵烷基化反應的研究取得了(le)顯著的進展。雜(zá)環化合物(wù)通(tōng)常作(zuò)為(wèi)親核試劑與烷基親電試劑偶聯，後者具有良好的底物(wù)适用性。相比之下(xià)，前者的适用範圍則相對有限。以甲基化反應為(wèi)例，簡單的氮雜(zá)環化合物(wù)可(kě)以順利實現特定位點的C(sp3)-H鍵烷基化，但(dàn)當底物(wù)結構較為(wèi)複雜(zá)或包含敏感的官能(néng)團時(shí)，反應效果往往不夠理想。
M. Christina White教授團隊提出了(le)一(yī)種新的甲基化策略：首先在氮、氧雜(zá)環化合物(wù)的α位引入羟基，随後将其轉化為(wèi)相應的亞铵或氧鎓中間(jiān)體，此時(shí)α位具有較強的親電活性，便可(kě)順利與親核甲基化試劑反應得到最終産物(wù)。但(dàn)設計這(zhè)一(yī)過程存在以下(xià)問(wèn)題：目前，人(rén)們已發展了(le)一(yī)些方法實現雜(zá)環化合物(wù)的α-C(sp3)-H鍵羟基化，但(dàn)大多數(shù)工(gōng)作(zuò)中結構複雜(zá)的底物(wù)分子參與反應化學及區(qū)域選擇性較差。氮、氧雜(zá)環化合物(wù)α位氧化羟基化形成相應的半胺醛或半縮醛後，受超共轭活化作(zuò)用的影響，羟基常常會進一(yī)步氧化為(wèi)羰基，因而還需要(yào)額外(wài)的還原過程。此外(wài)，半胺醛或半縮醛還可(kě)能(néng)發生消除等副反應。
▲甲基化反應的設計思路及面臨的挑戰（圖片來源：參考資料[2]）
2019年(nián)，該團隊利用Mn催化劑1實現了(le)芳香烴分子中非活潑亞甲基C(sp3)-H鍵的高選擇性羟基化。反應具有良好的官能(néng)團兼容性，C(sp3)-H鍵發生氧化時(shí)芳香環中的C(sp2)-H鍵不會受到明(míng)顯的影響。不過，該方法僅适用于貧電子芳香烴，電中性或富電子芳香烴及部分雜(zá)芳香烴參與反應時(shí)效果仍需要(yào)改善。作(zuò)者設想将這(zhè)一(yī)催化體系用于雜(zá)環化合物(wù)的α-C(sp3)-H鍵羟基化。于是，他(tā)們首先以芳基化的γ-內(nèi)酰胺2作(zuò)為(wèi)模闆底物(wù)，10 mol%的1作(zuò)為(wèi)催化劑，5當量的H2O2作(zuò)為(wèi)氧化劑，15當量的AcOH作(zuò)為(wèi)添加劑，反應得到大量羟基氧化為(wèi)酮羰基的産物(wù)4b；降低(dī)催化劑的負載量（0.5 mol%）與H2O2的用量（2當量），反應能(néng)以良好的收率得到相應的羟基化産物(wù)，羟基不會發生進一(yī)步氧化。他(tā)們進一(yī)步選擇DAST或BF3·OEt2作(zuò)為(wèi)羟基的活化試劑，促進C-O鍵斷裂形成相應的亞铵中間(jiān)體。AlMe3作(zuò)為(wèi)親核甲基化試劑親核活性适中，可(kě)兼容其他(tā)親電活性較高的官能(néng)團，加上(shàng)Al原子具有一(yī)定的Lewis酸性，同樣可(kě)輔助C-O鍵斷裂。最終，作(zuò)者以理想的收率得到目标甲基化産物(wù)，其他(tā)副反應途徑得到了(le)最大程度的抑制。
▲反應條件的篩選（圖片來源：參考資料[2]）
這(zhè)種甲基化方法對于內(nèi)酰胺、噁唑烷酮、吡咯烷酮、哌啶等十餘種氮、氧雜(zá)環類化合物(wù)均具有良好的适用性，相應的結構在藥物(wù)分子中十分常見(jiàn)。反應擴大至克量級規模也不會對産率及選擇性帶來明(míng)顯的影響。而使用AlEt3作(zuò)為(wèi)乙基化試劑時(shí)，同樣可(kě)以實現相應底物(wù)的乙基化。
▲雜(zá)環底物(wù)适用範圍的考察（圖片來源：參考資料[2]）
該反應還可(kě)用于天然産物(wù)及複雜(zá)結構藥物(wù)分子的後期修飾，大部分情況下(xià)均能(néng)良好的産率及選擇性得到α-甲基化的産物(wù)。
▲複雜(zá)結構分子的後期甲基化修飾（圖片來源：參考資料[2]）
參考資料
[1] Heike Schönherr et al., (2013). Profound methyl effects in drug discovery and a call for new C-H methylation reactions. Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201303207[2] Kaibo Feng et al., (2020). Late-stage oxidative C(sp3)–H methylation. Nature, DOI: 10.1038/s41586-020-2137-8