2024年9月12日，中山大学药学院的王洪根团队与西安交通大学前沿科学技术研究院的李鹏飞团队合作，在chem期刊上发表了一篇题为“pyridine-boryl radical-catalyzed [3π 2σ] cycloaddition for the synthesis of pyridine isosteres”的研究成果。研究介绍了通过吡啶/硼自由基催化实现双环[1.1.0]丁烷（bcbs）与烯基叠氮的[3π 2σ]环加成反应，从而快速合成了一系列2-氮杂双环[3.1.1]庚烯化合物。这些产物在结构和碱性方面较好地模拟了多取代吡啶，显示出作为吡啶生物电子等排体的潜力。论文的通讯作者为王洪根和李鹏飞，第一作者为刘源。
分子的功能与其三维结构密切相关，这在药物化学中尤为重要，因为每个药效团的精确朝向决定了蛋白质-配体相互作用的强度和选择性。吡啶由于其丰富的取代模式和结构刚性，广泛应用于药物和其他生物活性分子的核心结构中。然而，为了避免其在生理条件下的不良代谢和不稳定性，寻找稳定的吡啶替代品对提高药效至关重要。近年来，富含c(sp3)的双环烷烃因其刚性构象和代谢稳定性，在取代苯环方面显示出巨大潜力。然而，将氮原子引入这些结构以高效模拟吡啶仍然是一个挑战，因为这需要在模拟吡啶结构的同时保持其碱性。为解决这一问题，团队开发了一类吡啶与双硼试剂（b2pin2）组合催化的双环[1.1.0]丁烷（bcbs）与烯基叠氮的高效[3π 2σ]环加成反应，成功构建了一系列2-氮杂双环[3.1.1]庚烯化合物（图1）。这些3d化合物通过亚胺结构有效模拟了吡啶的碱性，同时巩固了结构的平面型，展现了良好的官能团耐受性和广泛的底物范围。
图1：吡啶/硼自由基催化[3π 2σ]环加成反应构建吡啶电子等排体。
以bcbs s-1与烯基叠氮化合物2a作为模板底物获得最优条件后，研究人员利用对照实验证明吡啶和双硼试剂都不能单独催化该反应。此外，在反应中使用自由基清除剂tempo完全抑制了反应活性，证明了自由基反应途径（图2）。
图2：反应条件优化。
随后研究人员首先评估了各种乙烯基叠氮化合物在该反应中的兼容性（图3）。研究表明苯环上可以兼容多种高价值官能团。除了苯环外，杂芳烃如噻吩、吡啶、喹啉和苯并呋喃也可以兼容。用环己烯基或苯乙烯基取代芳基环也获得了成功。对bcbs结构中的芳烃以及用乙烯基取代苯环也被证明可行。通过改变反应条件，发现酯取代的乙烯基叠氮化合物也可以应用，为产物的后续转化提供了更大的灵活性。
图3：底物扩展。
随后研究人员通过实验证明，该方案适用于克级合成。且产物可以通过多种反应条件进行多样性转化。实现了对产物中亚胺、羰基、酮结构的快速修饰（图4）。
图4：克级合成及产物多样性转化。
最后研究人员为了证明产物结构具有作为吡啶电子等排体的潜力，合成了活性分子rp 69698的3d类似物（图5a）。通过对两者核心结构的几何特征进行细致比较，发现两者在取代基夹角、取代基上碳的间距与环内碳间距上可以精确匹配（图5b）。对他们进行堆叠分析可以更加直观地表现出两者的结构相似性（图5c）。pka模拟结果表示化合物60与rp 69698碱性非常相似。研究人员还使用计算值（clogp）和实验值（logd）研究了化合物的亲脂性。化合物60相比于吡啶结构亲脂性降低，但人肝微粒体的代谢稳定性增加（图5d）。酸稳定性测试发现在浓盐酸加热条件下2-氮杂双环[3.1.1]庚烯结构也不会发生水解（图5e）。
图5：模拟性分析与酸稳定性测试。
综上所述，2-氮杂环[3.1.1]庚烯结构的特殊性使其在三维构象和碱性方面成为吡啶优异的电子等排体。考虑到吡啶结构在生物活性分子中广泛存在，该工作将在药物开发中得到广泛应用。（来源：科学网）
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