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Science：蓝光一照，轻松制“氟” 芳环C-H键
正电子发射计算机断层扫描（PET）是一种广泛用于医学诊断和药物开发的成像技术。顾名思义，PET需要使用到发射正电子的探针分子，通常需要氟或碳放射性同位素进行标记。氟-18（18F）是一种重要的放射性同位素，其半衰期长（t1/2 = 110 min），衰变释放正电子效率高（97%），常被用于PET探针中，比如医学上常用的2-[18F]氟代脱氧葡糖糖（[18F]FDG），这种PET探针广泛应用于肿瘤诊断、神经影像学、葡糖糖代谢研究等等。基本原理可以简单的描述为：将放射性同位素氟-18探针分子（如[18F]FDG）注入人体参与人体的代谢过程．氟-18在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被PET探测器探测到，再经计算机处理后产生清晰的图象。许多小分子药物含有芳香环或芳香杂环，通过将放射性同位素引入，可以得到放射性探针用于PET成像。不过，由于缺乏简单有效的芳环C-H键的18F氟化方法， PET放射性探针的开发收到了不小的限制。
目前，直接芳环C-H键18F氟化通常采用亲电氟试剂，最简单的亲电氟试剂是[18F]F2，但这种气态试剂对很多官能团不兼容，作为产物后摩尔活度（单位质量物质中所含某种核素的放射性活度）很低。其他的亲电氟源如[18F]NFSI和[18F]Selectfluor，除了价格昂贵外，由于其通过[18F]F2制备，导致摩尔活度更低。然而，另一种方案——亲核氟化，虽然可以利用高摩尔活度的氟化物（[18F]F-），但却要求底物芳环为多取代且需进行吸电子基团的预官能团化。因此需要发展更先进的放射性氟化方法来拓展底物范围。其他方法，如苯酚的脱氧氟化、锍鎓盐的氟代以及金属参与的氟化反应，对放射化学家来说也存在技术上的困难，而且金属（尤其是化学计量的金属）残留对质量控制也提出较大挑战。
之前的18F标记研究。图片来源：Science
近年来，北卡罗来纳大学教堂山分校（UNC）的David Nicewicz教授（点击查看介绍）课题组已经证明了有机单电子光氧化剂可以催化产生活性物种——芳基阳离子自由基，并可应用在C-H键官能团化中。在这个背景下，Nicewicz教授课题组和该校生物医学研究影像中心的李子博（Zibo Li）教授课题组合作，利用易得的[18F]氟化物盐作为氟源，在蓝光照射下通过有机光氧化还原催化对芳环C-H键进行18F氟化。基于这种便捷、温和的策略，他们合成了多种18F标记的包括药物分子在内的芳烃和芳香杂环化合物，并在小鼠中进行了PET成像验证。相关结果发表在Science 上，共同第一作者为Wei Chen博士、Zeng Huang和Nicholas Tay。
基于有机光氧化还原催化的芳环C-H键18F氟化。图片来源：Science
首先，研究人员利用易得的[19F]氟化物盐（如氟化钾、氟化铯）作为氟源进行反应条件优化，发现在光氧化剂1、氟化铯（CsF）、四丁基铵（TBA）硫酸氢盐、TEMPO体系下在氧气气氛下室温反应24小时，最高以17%的收率得到二苯醚的单氟化产物（para : ortho = 13 : 1）。他们分析，产率较低的原因可能是氟试剂与Brønsted碱在质子性溶剂形成较强的氢键后相对钝化。尽管产率较低，不过这种氟化方法已经非常方便廉价了，因此研究人员决定将此方法应用到放射性氟化中。
反应条件优化。图片来源：Science
在新反应体系下作者改用[18F]F-为缺量试剂。正如前文已经提到，18F的半衰期为110分钟，这就与上述最优反应条件所需的24小时产生矛盾。这里涉及两方面问题：一是[18F]F-如何即时获取、二是如何缩短反应。针对[18F]F-的即时获取，研究人员通过质子轰击含[18O]的水，然后用TBA碳酸氢盐或碳酸钾与氨基聚醚Kryptofix 2.2.2的配合物去捕获[18F]，可得到高摩尔活度的[18F]TBAF或[18F]KF-K222。对于反应时间的问题，研究人员发现最初用455 nm的LED照射放射化学产率（RCY）仅0.57%，而改用450 nm的3.5 W激光自上而下照射30分钟RCY可达25.8%（用催化剂S1，对位氟化产物），进一步系统优化条件RCY可提高至37.1%，同时观测到[18F]TBAF的摩尔活度下降。他们认为催化剂S1上抗衡离子BF4-可能会与[18F]TBAF发生氟交换，将抗衡离子换成ClO4-（1）后RCY提高到38.2%（对位氟化产物）。
在上述优化的条件下，研究人员对多种底物进行了测试。对于苯甲醚类底物，氟化位点基本都发生在甲氧基对位，只有当该位置被占据时氟化才发生在邻位，而甲氧基邻位含吸电子基（如8-12）则氟化只能观察到甲氧基对位的氟化产物。研究人员还测试了杂环化合物（26-31），如吡啶、喹啉、喹唑啉酮、吲唑、苯并噁唑及苯并咪唑类化合物，氟化均能顺利进行，且主要发生在最具亲电性的位置。另外，研究人员对几种非甾体抗炎药（如非诺洛芬甲酯32、氟比洛芬甲酯33）和降脂药（如安妥明34、非诺贝特35）以及神经递质前体DL-DOPA（36）进行[18F]标记。其他芳香族氨基酸，如带保护基的O-甲基-邻酪氨酸（38）和4-苯基-苯丙氨酸（40），也成功地进行了放射性氟化，得到[18F]标记的氨基酸（39和41）。
底物拓展。图片来源：Science
至此，研究人员已经可以对药物或生物活性分子进行同位素标记，为体外诊断和药物研发提供更好的帮助。研究人员的一个主要目的就是开发具有临床应用价值的PET探针，他们将这种策略所得的[18F]标记的非诺洛芬甲酯（32）轻松地转化成了[18F]-非诺洛芬（42），并用于TPA诱导的小鼠耳朵炎症模型上。他们发现[18F]-非诺洛芬主要在炎症组织中分布和积累，表明这种方法所得[18F]标记分子探针可以用于药物的组织分布研究。另一个有潜力的应用就是在药物研发中的快速放射配体筛选（rapid radioligand screening），研究人员通过在小鼠MCF7和U87MG两种肿瘤模型中加入[18F]标记的氨基酸（39和41），PET成像研究发现39主要在肿瘤组织中积累，而41则主要在循环系统中积累，这就显示39可以作为肿瘤筛查的放射性探针。
[18F]标记的化合物作为PET探针的应用。图片来源：Science
总结
[18F]标记是一种对生物体进行非侵入性研究的重要工具。David Nicewicz教授和李子博教授合作团队基于光氧化还原催化利用简单易得的[18F]-TBAF作为氟源开发的这种便捷的芳烃氟-18标记的方法，具有广泛的底物适用性，无需使用金属催化剂，在开发PET探针用于医学诊断、药物发现以及体内代谢过程研究中具有广阔的应用前景。
研究人员表示，下一步工作是开发一种设备，使科学家能够更容易地使用这种新方法来制备放射性探针。此外，他们正在努力扩展其技术，以开发使用不同放射性物质（如碳-11）的其他探针分子。“这一发现为从现有药物中生成新的PET药物打开了一扇新窗口，”李子博教授说，“许多非常复杂或几乎不可能被标记的药物可能会使用这种方法。”[1]
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Direct arene C–H fluorination with 18F- via organic photoredox catalysis
Wei Chen, Zeng Huang, Nicholas E. S. Tay, Benjamin Giglio, Mengzhe Wang, Hui Wang, Zhanhong Wu, David A. Nicewicz, Zibo Li
Science, 2019, 364, 1170-1174, DOI: 10.1126/science.aav7019
导师介绍
David Nicewicz
https://www.x-mol.com/university/faculty/47859
参考资料：
1. Carolina scientists discover new method for developing tracers used for medical imaging
供稿：峰千朵
审校：龙须友
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