第一作者：Jinghao Li
通讯作者： Hongjian Lu
通讯单位： 南京大学，贵州大学
DOI： 10.1126/science.adl4755
在药物化学中，五碳一氮的六元环结构极为常见，而具有两个相邻氮原子和四个碳原子的类似物却鲜少出现在药物研究中——尽管这类结构颇具吸引力。这种差异可能源于引入额外氮原子所面临的合成挑战。目前有两个研究团队分别报道了互补性的合成方案：Puriņš团队利用光化学方法切割六元环吡啶结构，通过插入氮原子并排出碳原子实现转化；Li团队则从五元环吡咯烷出发，通过扩环反应引入氮原子。
研究背景
单原子骨架编辑作为一种变革性方法，正加速推动分子框架（尤其是环状骨架）的重构进程，无需依赖从头合成。该策略通过对现有结构进行原子级修饰，显著简化逆合成分析流程，减轻合成负担，并能从已知化合物库中开拓传统方法难以抵达的化学空间。这些特性在后期功能化改造中尤为珍贵，为加速生物活性分子的发现与优化提供了全新路径。鉴于含氮杂环在生物活性分子中的普遍性，将氮原子插入饱和环系为拓展类药化学空间提供了一种高效却尚未充分开发的骨架跃迁策略。
研究问题
本研究开发了一种骨架编辑方法，能在温和、操作简便的条件下，利用易得的O-二苯基磷酰基羟胺直接将氮原子插入吡咯烷环，将其转化为四氢哒嗪骨架。该方法具有广泛的底物适用性和优异的官能团兼容性，可实现复杂分子的后期编辑。进一步通过简单的氧化还原调控，四氢哒嗪可转化为饱和的哌嗪骨架或芳构化的哒嗪结构——这些富氮骨架在药物化学中极具价值却通常难以合成。本工作为吡咯烷的氮原子骨架编辑建立了通用平台，丰富了药物化学的合成工具箱。
1.含氮杂环（N-杂环）是药物化学中最具优势的多功能骨架结构，在调控分子识别、药代动力学和理化性质方面发挥着关键作用。1938至2013年间，美国食品药品监督管理局（FDA）批准的小分子药物中59%含有至少一个N-杂环；2013至2023年这一比例升至82%，且半数以上新药含多个氮杂环（图1A）。其中六元环的吡啶与哌啶、五元环的吡咯烷以及双氮杂环的哌嗪和嘧啶最为常见。鉴于其普遍性与结构多样性，发展N-杂环直接编辑策略兼具基础研究价值与实际应用意义。在此背景下，N-杂环的原子级骨架编辑为构建新型N-杂环结构提供了创新路径。若能从天然丰度较低但具药学价值的骨架快速构建目标分子，该方法将更具吸引力。
2.在单原子骨架编辑策略中，氮原子（N-原子）插入因其对分子稳定性、极性和生物活性的深远影响，已成为一项重要工具。近期研究证实了N-杂芳环体系氮原子插入的可行性：Morandi、Ackermann和Sharma课题组分别利用氮宾中间体实现了吲哚到喹啉的后期转化，Ghiazza与Zheng课题组则通过氨基吡啶盐开发了吡啶到二氮杂䓬的光催化编辑策略（图1B）。这些进展表明外源氮供体可激活π体系形成三元环过渡态中间体，进而重构成新骨架。然而饱和N-杂环的类似转化研究仍明显不足——这一空白令人瞩目，因为吡咯烷与哌啶的核心地位，哌嗪、嘧啶等富氮骨架在现代药物研发中日渐突出（图1A），且饱和N-杂环更高的sp3特征与三维性往往能改善临床效果。尽管已有饱和环氮原子删除和迁移方法的报道，但向饱和氮杂环直接插入氮原子构建双氮杂环仍是重大挑战。共轭π体系的缺失阻碍了π键活化路径，而选择性断裂与重组C–N或C–C σ键需要精确调控反应活性与选择性。
3.本文报道一种氮原子α-位插入策略，该策略利用市售的O-二苯基磷酰基羟胺（DPPH）（图1C），将氮杂环吡咯烷转化为二氮杂环四氢哒嗪。这一操作简便的转化在温和条件下进行，并展现出广泛的官能团兼容性。所得四氢哒嗪结构同时具有亲核性胺基（NH）和活泼的C=N双键，可选择性还原为饱和哌嗪或氧化为芳香性哒嗪，从而获得多种氧化还原态的二氮杂环己烷衍生物。尽管四氢哒嗪及其氧化还原衍生物在结构上与哌嗪、嘧啶等成熟药效团相关，但由于合成难度及对肼基潜在遗传毒性的顾虑，这类化合物仍研究不足。然而，近期进展——包括口服活性非共价RAS(ON)抑制剂daraxonrasib、含肼基的天然产物抗生素lydiamycin A的发现，以及ensartinib、relugolix等采用芳香哒嗪骨架的药物——凸显了这类骨架日益增长的药用价值（图1D）。该策略为二氮杂环构建提供了简洁普适的平台，可实现类药分子的骨架多样化及后期骨架编辑。
图2.反应条件优化与机理研究
1.为实现吡咯烷骨架向二氮杂环己烷结构的转化，本文寻找了一种能够实现直接氮原子插入的合适亲电氮供体。经过筛选，本文选取O-二苯基磷酰基羟胺（DPPH）及其类似物进行评估。虽然本研究团队此前曾将DPPH用于氮原子消除反应，但该试剂在合成化学中更广泛用作亲电胺化试剂。值得注意的是，刘课题组近期证明了其作为氮原子源的应用，通过拦截潜在的Suzuki-Miyaura偶联产物，形成C-N-C键以替代C-C键。本文选择顺式六氢异吲哚盐酸盐（1a）作为模型底物，在碱性水相条件[四氢呋喃（THF）/水中的K2CO3，65℃，12小时；条件I；图2A]下与DPPH反应。
2.通过核磁共振（NMR）积分分析，目标产物1,2-二氮杂环化合物（1b）以68%收率获得（图2A）。相比之下，其他羟胺类亲电氮供体（如O-甲苯磺酰羟胺和羟胺-O-磺酸）仅产生微量或未生成1b（收率分别为13%和0%；图2A）。当用更强碱（KOH）替代K2CO3时，收率降至27%（图2A），表明转化过程对碱强度敏感。随后本文以脯氨酸衍生物2a为底物进行研究。在条件II（1.0当量NaOAc，二氯甲烷/甲醇，45℃，12小时；图2A）下，反应顺利进行，获得氮插入产物2b（50% NMR收率；图2A）。省略碱仅产生痕量产物（图2A），而使用吡啶则完全抑制反应（图2A）。更强碱如NaOMe将收率小幅提升至37%，但仍低于优化条件。交叉条件（将条件I用于2a或条件II用于1a）基本无效，收率极低（图2A），说明优化条件具有底物特异性。
图3.吡咯烷骨架编辑及四氢哒嗪转化
1.本文首先通过简单吡咯烷(4a)在略微修改的条件I[标准条件-A(S.C.-A)，图3]下的氮原子插入反应来探索底物适用范围。所得四氢哒嗪具有高极性和水溶性，使得纯化颇具挑战性。为解决该问题，本文对粗产物进行苯甲酰基(Bz)保护，最终以两步51%的总收率获得保护的四氢哒嗪(4c)。对于带有二苯甲基或苯基的α-取代吡咯烷，能以良好收率分离得到相应插入产物(5c和6c)。相比之下，由于β-取代基与反应位点的空间分离，β-取代吡咯烷存在区域选择性难题，通常生成区域异构体混合物。对于β位带有乙烯基或甲氧甲基的底物，观察到区域异构体比例(r.r.s)分别为1:1和2:1(7c和8c)。当引入酰胺(9c)、Boc保护氨基(10b)或羟基(11b)等吸电子基团时，区域选择性显著提高(最高达7:1 r.r.)，更倾向于在缺电子程度更高的C-N键处发生插入。这些现象与涉及1,3-氢迁移中间体的反应路径一致。当β位存在乙烯基时，通过选择性断裂较弱的烯丙位C-N键，能以高产率获得共轭二烯产物(12c)。
2.此外，该方法对位阻较大的底物也表现高效：带有三级α-取代基的吡咯烷能顺利反应生成相应二氮杂环，如以95%收率获得的13b。脯氨酸衍生物作为一类优势吡咯烷骨架，同样被证明是优良底物。脯氨酸酯及其衍生物均能发生氮原子插入反应，以中等收率生成哌嗪酸类似物(2b、14b至16b及17c)。将氮插入方案应用于二氟取代脯氨酸和羟基化脯氨酸，可直接获得可进一步衍生化的四氢哌嗪骨架(18b至20b)。该方法对含脯氨酸残基与多种氨基酸配对组成的二肽也展现出广泛的官能团兼容性，以合成实用收率提供氮插入产物(21b至25b)。值得注意的是，即便是结构简单的类似物——如从2-苯基吡咯烷易得的N-酰化-2-苯基四氢哒嗪(6d至6f)——也已显示出良好的生物活性，进一步凸显了该骨架在药物化学中的潜力。
图4.生物活性化合物的编辑与标记
1.为充分展示氮原子插入策略的普适性，本文将其应用于复杂天然产物及类药分子的直接骨架编辑（图4A）。代表性底物包括：(±)-去甲烟碱（43a）——一种含吡啶环的尼古丁主要代谢物；辛吡啶（44a）——同时具有嘧啶和烯烃结构的烟碱型乙酰胆碱受体激动剂；内源性三肽MIF-1（黑色素抑制素，45a）——多巴胺受体的变构调节剂；以及赛托雷生关键片段（46a）。这些底物均顺利实现氮原子插入，以良好收率获得相应四氢二嗪衍生物（43b至46b）。特别值得注意的是，肽衍生化合物（45b）经二氧化锰氧化芳构化后，成功构建了含哒嗪的二肽结构（45d），彰显了该方法在肽段中构建富氮杂芳环的独特价值。此外，天然产物中常见的四氢异喹啉骨架（50）也展现出良好的转化兼容性。以四氢罂粟碱（47a）为例，本文实现了七元二氮杂环（47b）的构建，证实该策略可适用于多元环系（图4B）。
2.为验证该方法在复杂分子体系中的适用性，本文通过天然产物与药物片段缀合构建了系列杂化分子（图4C）。赛托雷生-石胆酸（48a）、达氟沙星-吲哚美辛（49a）、福辛普利-阿格列汀（50a）及格列齐特-氟伏沙明（51a）等杂化分子均成功实现氮原子插入（48b至51b），充分体现了该策略的广谱适用性。稳定同位素标记在药物研发和农用化学品研究中具有重要价值。本文以商品化二苯基次膦酰氯和15N标记羟胺为原料合成15N-DPPH，并以此为氮源成功制备了15N标记的MIF-1类似物（15N-45b）和赛托雷生关键片段（15N-46c）（图4A），为15N标记生物活性化合物的合成提供了新思路。本方法展现出卓越的官能团兼容性（包括羟基、酰胺、酯基、烯烃及杂芳环等），为结构复杂生物活性分子的后期骨架编辑及15N标记类药化合物的合成建立了强大平台。
图5.生物活性化合物的间接编辑
1.底物范围评估表明，当前方法仅适用于未取代的吡咯烷骨架（图3-4）。然而在含吡咯烷结构的生物活性分子中，氮原子常带有侧链取代基。鉴于碳氮键构建的便捷性，药物合成通常采用未取代吡咯烷核心与侧链合成子偶联的策略。为突破本方法在取代吡咯烷编辑中的局限，本文将未取代吡咯烷核心转化为四氢吡嗪类合成子。这些中间体保留亲核性NH基团，可进一步与侧链合成子偶联，从而获得氮原子插入的药物类似物（图5）。典型案例包括：镇痛药奥他酰胺合成中，直接酰化商品化7-氧杂-3-氮杂双环[3.3.0]辛烷（28a）是关键步骤（图5A）。在合成子28a中插入氮原子后进行苯甲酰化，即获得奥他酰胺的氮原子扩展类似物（28c）。类似策略应用于降糖药米格列奈修饰时（图5B），虽然氮原子插入破坏了起始原料（1a）的分子对称性，且侧链手性中心带来非对映/区域选择性的双重挑战，本文仍通过柱层析以可接受收率分离出主要非对映体——光学富集的米格列奈类似物（1j）。格列齐特合成则通过商品化双环吡咯烷（3a）的亚硝化-还原得到肼中间体，再与尿素衍生物反应实现（图5C）。另一路径中，直接在合成子3a中插入氮原子后，用对甲苯磺酰异氰酸酯（TsNCO）安装侧链，即获得以四氢吡嗪为核心的氮原子重排格列齐特类似物（3c）。引入还原步骤可进一步得到六氢吡嗪衍生物（3d），即格列齐特的氮原子迁移异构体。该氮原子插入平台能在不改变整体合成路线的前提下，获得结构多样化的药物类似物，为药物发现与构效关系研究提供了创新策略。
总结
本研究提出的后期骨架编辑方法，能够在原子层面实现骨架重构而不影响取代基分布，为骨架跃迁和类药分子多样化提供了强有力的平台。
