合成之美：Science报道核苷类似物的简洁通用合成策略

核苷是DNA和RNA的组成部分，通常包含碱基及核糖，而结构修饰的核苷类似物（nucleoside analogs，NAs）可以干扰那些由核苷合成DNA和RNA的生物学过程，因此，核苷类似物常被用作生命科学研究领域的工具分子。此外，由于DNA及RNA合成对于快速的细胞分裂及病毒复制十分关键，在医学领域，核苷类似物也可用作药物分子来治疗癌症及病毒感染。以癌症治疗为例，使用核苷类似物抗癌已有半个多世纪的历史。在所有抗病毒的小分子药物中，核苷类似物占比最大（图1）。上世纪80年代，人们发现当核苷中呋喃糖的C2'位带有氟原子时，可改善代谢稳定性并影响呋喃糖的构象（PSI-6206，1）。当呋喃糖的C2'位被甲基化或C3'位和C4'位被修饰（如引入甲基、叠氮基、炔基）后，呋喃糖的构象也能被改变进而降低C3'位和C5'位羟基对链增长的反应活性（MK-8591，2）。除了修饰呋喃糖的环结构外，修饰核苷的碱基也能获得意想不到的效果，常常具有更好的活性和类药性（如利巴韦林，3）。尽管化学家们已经对核苷类似物的合成投入了很多精力，但是该领域仍然存在许多挑战。第一，现有核苷类似物的合成往往是对天然存在的糖环进行修饰，这从根本上限制了核苷类似物的类型。第二，合成核苷最经典的工具——Vorbrüggen反应是利用碱基与活化的核糖反应生成核苷，但是该反应在合成C2'位和C4'位修饰的核苷类似物时往往不能很好的控制非对映选择性。第三，当在糖环C2'位进行修饰时，需要多步保护基参与的反应，路线往往较长；而对于C4'位修饰的核苷类似物，目前则没有有效的合成手段。

在此背景下，加拿大西蒙菲莎大学的Robert Britton教授课题组报道了一个简洁高效的合成核苷类似物的通用方法。具体而言，由简单的非手性原料出发，利用脯氨酸催化的醛基α-位氟化羟醛缩合（α-fluorination and aldol reaction, αFAR）、还原、亲核加成以及氟原子取代的关环步骤（annulative fluoride displacement, AFD），仅需2-3步，即可在数克级别合成多种核苷类似物，包括D-或L-核苷类似物、锁核酸、亚氨基核苷以及C2'位和C4'位修饰的核苷类似物，解决了长期以来核苷合成领域中存在的难题（图1）。该工作近期发表在Science上。

图1. 研究背景及本文工作。图片来源：Science

作者设计该反应的出发点源于天然DNA分子的生化合成过程。在天然DNA的合成过程中，碱基型烯胺（11）与甘油醛发生偶联反应生成碱基亚胺盐（12），随后通过羟基对亚胺盐的亲核加成，关环生成五元糖环。为了模拟该关环过程，作者设想合成邻位氟取代的碱基13作为碱基亚胺盐的等价体。后者可以通过有机小分子催化的羟醛缩合反应，由中间体8和中间体14高立体选择性地制备而成。但是，该过程面临以下两个问题：（1）如何控制高活性的α-氟醛14；（2）如何在最后一步成功关环（图2A）。

为了解决这些问题，作者选用α-吡唑醛15来探索α-氟化的条件。他们发现在DMF为溶剂、NFSI为氟源、脯氨酸为催化剂的作用下，能够高效地获得目标氟化产物，并且无需分离，直接在乙腈中添加原料8，利用羟醛缩合反应便可高效获得含氟中间体16（16a和16b是一对差向异构体，比例为1.4：1）。随后，通过简单的还原和脱保护即可获得最终的核苷类似物。另外，作者对每步的溶剂效应进行了对比。在羟醛缩合步骤中，乙腈作为溶剂虽然产率中等，但是反应的立体选择性更好；在最后关环过程中，虽然酸性和碱性条件都能促进该过程，但是碱性条件能得到唯一的β-异头碳异构体，并且产率较好（图2B）。机理研究表明α-关环异构体在碱性条件下可以转化为更稳定的β-异构体，而在酸性条件下则不能发生该异构化过程（图2C）。

图2. 从头合成核苷类似物的新方法。图片来源：Science

在最优条件下，作者探索了该方法的应用范围。从溴代物20出发，经过简单的S_N2取代和水解便可得到中间体21（含有碱基的取代乙醛）。后者在标准羟醛缩合条件下与8反应生成中间体22，随后还原和关环得到目标产物核苷23。通过此方法，作者合成了带有各种杂环的核苷类似物，包括尿嘧啶、胸腺嘧啶、三唑、脱氮腺嘌呤、吡唑、邻苯二甲酰亚胺、腺嘌呤、2,6-二氯嘧啶以及三氟甲基尿嘧啶。

为了评估该方法的实用性，作者进行了克级规模实验，发现该流程可以轻松放大到> 10 g规模（24-33）。由于标准条件下需要脱保护来获得C3'位和C5'位羟基，因此当目标产物上C3'位和C5'位带有取代基时，无需脱保护便可直接获得目标分子（34、35，图3D）。此外，在C3'位和C5'位羟基被保护的情况下，C2'位羟基可以进一步官能团化（图3F），比如氧化为羰基（36）、脱羟基（37）、甲基化（38）和差向异构化（39）。这些例子充分说明了该流程在合成核苷类似物方面具有巨大的潜力。

图3. 核苷及核苷类似物合成的应用范围。图片来源：Science

以上主要是围绕核苷中的碱基、C2'位、C3'位和C5'位进行修饰。那么如何获得C4'位修饰的核苷类似物？为此，作者进行了一系列探索。首先使用41为中间体，与一系列格氏试剂发生羰基加成反应，结果显示在CH₂Cl₂中于-78 ℃下反应效果最好，生成三级醇（42），后者在标准关环条件下即可获得C4'位被修饰的核苷。值得一提的是，通过利用碱性和酸性关环条件的差异性，可以获得具有不同立体化学的核苷类似物（43、44）。由于格氏试剂来源广泛，因此使用不同的格氏试剂就能以中等至较好的收率（39%-84%）获得C4'位被不同取代基修饰的目标产物（45-54，图4A）。随后，作者从900 g尿嘧啶出发，以72%的收率得到～380克的羟醛加合物55，后者经两步转化为治疗丙型肝炎病毒（HCV）药物分子MK-3682的前体57（两步总收率49%，图4B）。

图4. 合成C4'位修饰的核苷类似物及其他复杂核苷类似物。图片来源：Science

除了普通的含氧糖环外，如果在关环前将羰基转化为亚胺，那么关环后则可以获得含氮糖环（60，图4C）。另外，结合Barton-McCombie自由基脱羟基反应，使用该方法也能获得C4'位被修饰的C2'位脱氧核苷类似物（62，图4D）。虽然大部分核苷类似物仅在某些位置与天然核苷不同而骨架结构类似，但是作为一类非常重要的核苷类似物，锁核酸（locked nucleic acids，LNAs）则在分子骨架上发生了巨大的变化，它们的糖环并非普通的五元单环，而是一个双环体系。幸运的是，该方法也能合成锁核酸。作者从59出发，通过格氏试剂亲核加成反应获得非对映异构体63和64。对于异构体63，通过简单的关环反应即可生成锁核苷酸65，全程仅需四步，而先前报道的类似尿嘧啶LNA 67则需23步才能合成。对于异构体64，虽然关环产物为66，但是通过使用DAST将C2'位羟基氟化，并在脱保护后将C5'位羟基通过S_N2反应与C2'位成键生成锁核酸68（图4E）。

总结

Britton课题组报道了一个从头合成核苷类似物的简洁通用新方法，该反应条件温和，由简单的非手性原料出发仅需3步便可得到目标产物且无需分离反应中间体。更重要的是，该方法具有模块化的优势，通过使用不同取代的原料来合成不同位置被修饰的目标核苷分子，具有精准的可预测性，在研究药物结构与活性关系时具有无可比拟的优势。同时，该方法可以大规模合成，显示了极强的实用性。可以说，该方法可以用来合成任何指定的核苷类似物。可以预测，该方法将会在药物化学和化学生物学领域大放异彩。

A short de novo synthesis of nucleoside analogs

Michael Meanwell, Steven M. Silverman, Johannes Lehmann, Bharanishashank Adluri, Yang Wang, Ryan Cohen, Louis-Charles Campeau, Robert Britton

Science, 2020, 369, 725-730, DOI: 10.1126/science.abb3231