吡咯烷衍生物的合成及其生物活性的研究进展

据统计，目前全球销量前200的药物中，约60%含有氮杂环官能团。研究表明，氮杂环的引入可改善候选药物的理化性质，使其具有更好的药代动力学性质和低毒副作用，提高成药性。吡咯烷骨架广泛存在于天然产物（NPs）尤其是生物碱中，具有结构和生物活性多样性，如尼古丁（1, 抗氧化、抗炎、抗高血糖）、scalusamides A（2）和(R)‑bgugaine（3, 抗菌、抗真菌）、1,4‑dideoxy‑1,4‑imino‑ᴅ‑ribitol（4）和aegyptolidine A（5, 抗癌）等均含有吡咯烷结构单元（图1）。在美国食品和药物管理局（FDA）批准的药物中，吡咯烷是最常见的五元非芳香氮杂环，在药物科学和药物设计领域备受青睐。不仅如此，吡咯烷及其衍生物还在不对称合成中广泛用作过渡金属配体和有机催化剂以高选择性控制立体构型。吡咯烷广阔的应用前景使得化学家们不断探索其新的合成方法。

图1. 含吡咯烷结构片段的天然产物

制备五元杂环的经典方法是1,3‑偶极子(例如硝酮、叠氮化物或甲亚铵叶立德)与亲偶极子(通常是烯烃)之间的1,3-偶极环加成反应，其中，1,3‑偶极子和亲偶极子均对区域选择性和立体选择性有影响。值得一提的是，1,3-偶极甲亚铵叶立德与烯基偶极体之间的1,3‑偶极环加成反应应用最为广泛。如图2所示，2位和5位的立体选择性取决于叶立德的形状（R¹和R²），而3位和4位的立体化学与亲偶极体取代基的相对方向相关，决定了3,4‑顺式或3,4‑反式取代吡咯烷的生成。

图2. 1,3‑二醇立体控制合成2,4‑二取代氧杂环丁烷

多羟基化吡咯烷，称为氮杂糖，由于能模拟碳水化合物加工酶的氧杂碳鎓过渡态，被认为是代谢惰性的碳水化合物。这类结构具有多种生物活性，在治疗癌症和代谢性疾病领域愈发得到研究人员的关注。2019年，利用双还原胺化反应，Guazzelli等人开发了一系列非对映异构的ᴅ‑葡萄糖和ᴅ‑半乳糖类多羟基化吡咯烷，作为酶α‑葡萄糖苷酶(AG)和醛糖还原酶(ALR2)的双靶点抑制剂。虽然AG是控制血浆糖浓度最重要的酶，但糖尿病患者的神经、肾脏、血管和眼部系统的病理变化是由ALR2的激活引起的。因此，理想的降糖药物应该能够同时抑制AG和ALR2的催化活性。醛己糖‑4‑乌洛糖衍生物6或7与包括苄胺、二苯甲基胺、氨、ʟ‑或ᴅ‑苯丙氨酸甲酯等在内的胺类化合物进行氨基环化，即可得到ᴅ‑葡萄糖和ᴅ‑半乳糖非对映异构体的混合物。6与苄胺盐酸盐反应可获得纯化合物8a,b，与ʟ-苯丙氨酸甲酯盐酸盐反应获得纯化合物9，这三种化合物是合成其他衍生物的原料(图3)。

图3. 氨基环化合成吡咯烷衍生物

Da Silva等人探索了合成化合物12的简短替代路线(图4)。化合物12是一种多羟基吡咯烷，其α‑糖苷酶(AG)抑制活性优于天然对映异构体13(图4)。因此，化合物12可作为新型抗糖尿病和抗癌药物的先导化合物进行深入研究。如图4所示，化合物12可由手性Morita‑Baylis‑Hillman (MBH)加合物11为起始原料通过6步反应制备，其中，加合物11可由Garner醛10制备。合成化合物12的吡咯烷酮中间体是通过三步反应制备的，即臭氧氧化MBH加合物11的双键，然后使用硼氢化锌[Zn(BH₄)₂]对酮进行立体选择性还原，同时进行脱N‑双保护/O‑TFA保护，最后进行酰胺化反应(环化)。吡咯烷酮中间体再通过甲硅烷基化降低水溶性，经硼烷‑二甲基硫醚还原，并使用四正丁基氟化铵(TBAF)进行O-去保护，最终获得化合物12。

图4. 多羟基化吡咯烷12的常规合成方法

Jurica等人合成了一系列G蛋白偶联受体40(GRP40)的激动剂，如化合物14和15，用于治疗2型糖尿病(图5)。进一步研究发现，吡咯烷上cis-4-CF₃取代骨架有利于其他位置基团形成准轴构象，如2号位上的乙酸基团是GRP40激动剂的主要药效团。他们对先导化合物进行优化发现，化合物15与其对映体化合物14具有不同的结合模式，且化合物15在人GRP40 (hGRP40, 0.11 μM)和小鼠GRP40 (mGRP40, 0.054 μM)中均表现出完全激动作用。值得注意的是，在口服葡萄糖耐量试验中，小鼠口服剂量在0.3或1 mg/kg时，体内葡萄糖血浆水平下降效果更好，而且化合物15具有葡萄糖依赖性胰岛素和体外GLP-1分泌的双重作用机制。

图5. G蛋白偶联受体40(GRP40)激动剂14-15

Luxenburger等人研究了空间因素的作用，合成了含有手性吡咯烷骨架的强效选择性CK1激酶抑制剂，使CK1γ抑制剂衍生物16实现官能化(图6)。有趣的是，双羟基吡咯烷衍生物对映体17a,b (图6)在对320种不同激酶的测定中表现出对CK1的高选择性。为了研究手性部分的结合模式，该团队进行了X射线晶体学研究，结果表明化合物通过Pictet‑Spengler环化引入亚甲基，形成两个新的配体(化合物18a,b, 图6)。这些化合物对CK1γ和CK1ε表现出纳摩尔活性（分别为0.011和0.056 μM，以及0.024和0.196 μM）。

图6. CK1激酶抑制剂16-18

最近，Jiang等人用立体化学基团取代非立体化学基团合成了一系列新的cis‑3,4‑二苯基吡咯烷衍生物，可作为潜在的维甲酸相关孤儿受体γ(RORγt)的反向激动剂。新分子的设计从研究双环磺酰胺19的结合构象开始(图7)，其对RORγt (12 nM)表现出极好的效果，但对孕烷X受体显示出不良活性(PXR，EC₅₀ = 144 nM，Y_max = 100%)，这主要是由于该化合物会导致参与解毒和清除体内外来有毒物质的蛋白质上调所致。在化合物19的X射线共晶结构中，磺酰基相对于苯并噻嗪呈现准轴定向，而对氟苯环的折叠会与苯并噻嗪部分的苯环产生面对面的π堆叠相互作用。他们通过顺式‑3,4‑二苯基吡咯烷骨架取代磺酰基来维持这种“U形”构象。先导化合物20 (图7)抗RORγt的EC₅₀为61 nM，PXR活性显著降低(EC₅₀ = 495 nM, Y_max = 46%)。值得注意的是，(1) 顺式构型容纳了靠近面对面堆叠排列的两个苯环; (2)六氟异丙醇部分在羟基和RORγt的His479之间形成了氢键相互作用; (3) C3甲基的转位将导致RORγt作用的丧失; (4)与叔胺相比，具有未取代氮的吡咯烷是弱激动剂; (5) 3-苯环中的对氟取代基提高了EC₅₀值。

图7. 维甲酸相关孤儿受体γ(RORγt)配体19及其RORγt的反向激动剂20