Nature：“钨”中生有，苯的区域和立体选择性氘代

药物研发领域流传着这样一句名言：研发一款新药最好的方式是从一款老药开始。而是在特定位点进行氘代无疑是改造老药最简便的方法之一，这种方法无毒、无放射性，碳氘键比碳氢键稳定约6至9倍（在室温时氘代的一级动力学同位素效应（k_H/k_D）大约为6.5），可明显改变药物分子的代谢速率和代谢产物分布，提高了药物的功效和安全性。氘代也是突破化合物专利和规避研发风险的有效方式。2017年美国FDA批准治疗亨廷顿舞蹈症的Austedo其实就是氘代版的丁苯那嗪，这也激起了制药企业对氘代药物的研发热情。除了在药物研发中的应用之外，氘代在光谱学、质谱学以及机理和药代动力学研究之中也有着广泛的应用。

尽管目前有不少策略可以对化合物进行早期或后期的氘代，但通常不具备选择性，且立体同位素纯度（stereoisotopic purity）难以测量。例如，在将苯转化为氘代环己烯的反应中，如果用氘气（D₂）对苯进行氢化反应，则不可避免地会产生具有不同氘代程度的环己烷的同位素体（isotopologue）混合物。1988年，Taube等人设计的配合物[Os(NH₃)₅(η²-benzene)]²⁺在Pd/C和D₂的作用下被还原成单一的立体同位素异构体（stereoisotopomer）[Os(NH₃)₅(η²-cyclohexene-d₄)]²⁺，但无法得到更多样性的产物（J. Am. Chem. Soc., 1988, 110, 7906–7907）。

相比Os配合物，钨配合物{WTp(NO)(PMe₃)}在去芳构化上具有更高的活性，它可与苯或二烯中间体形成很强的反馈π键，从而赋予了苯或二烯很高的亲核性。另外，其苯配合物1可以较高的对映体纯度进行数克级制备。基于以上性质，美国弗吉利亚大学的W. Dean Harman教授（点击查看介绍）课题组设想能否在钨配合物1的作用下将苯受控地转化为氘代环己烯？近日，他们在Nature 上发表论文，在钨配合物1的作用下，通过二次质子化和二次氢化过程，区域和立体选择性地将苯转化为数十种氘代环己烯。除了氘代程度可控，环己烯环上氘代位置也能实现精确控制。

苯环的氘代方法。图片来源：Nature

研究人员设想的具体过程如下图所示：钨配合物1在- 30 ℃的氘代丙酮中与二苯胺三氟甲磺酸盐（DPhAT; pK_a≈ 0）反应后，在冷却的乙醚中沉淀，可从二氯乙烷中分离得到η²-苯阳离子配合物[WTp(NO)(PMe₃)(η²-C₆H₇)](OTf)（2），收率86%（1.9 g）。2在室温下中等稳定，但很快会分解（半衰期t_1/2≈6 min）。在0 ℃下，2与其非对映异构体3的平衡比例为10:1，并能持续3 h也不分解；质子核磁共振（NMR）和密度泛函理论（DFT）分析都显示，主要的异构体2中钨原子与其中两个碳原子形成金属键，且新形成的sp³碳远离配体PMe₃，而3新形成的sp³碳则靠近配体，与金属弱结合的另一个碳原子则表现为碳正离子。用四丁基硼氢化胺（NBu₄BH₄）处理2只得到WTp(NO)(PMe₃)(η²-1,3-cyclohexadiene)（4），尽管溶液中存在烯丙基构象异构体3，但在反应的混合物中并未检测到WTp(NO)(PMe₃)(η²-1,4-cyclohexadiene) （8）的存在。中间体4再用DPhAT或HOTf/MeOH处理后得到η²-烯丙基配合物6，随后在碱的作用下去质子化生成4的立体异构体5，其中未配位的双键远离PMe₃。6与NBu₄BH₄反应可转化为相应的η²-环己烯配合物7，不过，环己烯环上的氢在核磁谱上重合严重，导致无法明确7的立体化学。解决的办法是将7的亚硝基进行甲基化，得到[WTp(NOMe)(PMe₃)(η²-C₆H₁₀)]OTf（9），此时环己烯环上氢的化学位移是可以分开的，从而通过NOE实验便能明确环己烯环上氢的立体化学。

从苯制备钨键合的环己烯。图片来源：Nature

在明确η²-环己烯络合物9上氢的归属后，研究人员着手研究反应中区域化学和立体化学。在1与[MeOD₂⁺]OTf反应制备η²-苯基阳离子络合物11后，核磁显示有一个亚甲基上endo-H的信号丢失，这说明η²-苯络合物的质子化发生在金属的syn面。随后，研究人员进行了补充实验：用全氘代苯络合物17与MeOH₂⁺反应生成18，发现其质子信号向高场移动了约0.03 ppm，这与前面讨论的H/D同位素迁移机制是一致的，而这种endo-质子化先前是没有报道过的。11和18分别经NaBD₄和NaBH₄处理后得到环己二烯络合物12和19。通过比较环己二烯络合物的三个同位素异构体（4, 12, 19）的NOESY数据，进一步证实了硼氢化物上氢原子是从金属的anti面进攻的。此外，环己二烯络合物12和19还能继续转化为π-烯丙基衍生物13、15和20，其中酸性氢也是从金属anti 面加成的。这三者还会发生构象变化（烯丙基迁移），以致第二个加成的质子变成H^6exo（如上图中4→6），而第一个加成的质子变成H^5endo。至此，研究人员已经搞清楚烯丙基络合物13和20全部的立体选择性质子化过程。但是用类似的方法合成15或26却并不容易，因为氘动力学同位素效应（DKIE）非常大（−30 °C下12 或 4的氘代 k_H/k_D ≈ 37），尽管升温到22 ℃后DKIE有所下降，但会损失氘代产物的立体选择性，因为有exo-氘代参与竞争。

随后，研究人员再次用氢化物或氘化物对13、15、20进行处理，证实了相应的η²-环己烯络合物（14、16、21）是在金属anti面进行亲核加成而形成的。与4相似，其异构体5也通过exo-质子化形成烯丙基络合物24。值得注意的是，用D⁺（D₂NPh²⁺ in MeOD）处理1,4-环己二烯络合物8，也可以通过exo-质子化生成烯丙基络合物25，DFT计算表明8中非共轭C=C键的直接exo-质子化会形成碳正离子，随后通过[1,2]-氢迁移形成25。最后，为了证明WTp(NO)(PMe₃)如何精准地控制质子化和氢化过程的立体选择性和区域选择性，研究人员制备了一系列环己烯络合物同位素异构体，包括5个单氘代（32、39-42）、7个双氘代（14、33、35、43-46）和4个三氘代（34、49-51）的环己烯络合物。

区域和立体选择性氘代制备环己烯配合物。图片来源：Nature

接下来，研究人员提出了可行的反应机理：首先，亚硝基配体质子化形成羟基亚胺配体（类似于Legzdins等人报道的η¹-羟基亚胺配体，J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 8143–8144），接着发生协同质子转移，其中苯的γ碳被质子化，同时通过NO基团将电子密度转移到钨中。先前已报道过亚硝基配体在分子内质子转移过程中的作用（Organometallics, 2001, 20, 5277–5288）。相比之下，η²-环己二烯质子化的立体化学和动力学（如上图中4）表明，氢原子是从钨的anti面进行exo-质子化的。

前文提到了氘代对于药物研发的重要性，研究人员接下来验证了他们的新策略的应用潜力。将上述氘代环己烯衍生物经DDQ处理后，便能脱去金属生成相应的环己烯，再经过一些化学转化便可变成非常有用的药物砌块（如全氢吲哚、全氢异喹啉、氮杂环庚烷），便于药物化学家建立片段库。不过要想区分烯烃上两个碳原子并不容易，这也限制了这类底物的应用。解决的办法是以取代苯为底物（如三氟甲基苯）或者使用非氢的亲核试剂（如氰化钠）。为了证实这一想法，研究人员制备了α,α,α-三氟甲基苯络合物WTp(NO)(PMe₃)( η²-CF₃Ph)，可进一步转化为3-（三氟甲基）环己烯络合物（47），随后经氧化得到相应的环己烯。在合成47的最后一步氘代，以95％的收率得到cis-6-氘-3-（三氟甲基）环己烯络合物52，同时还制备了其他各种同位素异构体（53、54），发现该反应模式与苯相似。值得一提的是，在其合成过程中，带有CF₃的碳在金属的endo面发生质子化，从而使CF₃呈现出exo立体化学。随后，研究人员将氰化物添加到烯丙基中间体13中，制备了cis, trans-3-氰基-4, 5-二氘环己烯钨络合物（58，收率57％、非对映体比例 > 98％），同样的方法也可以制备氰基取代的单氘代环己烯络合物（59-63），这进一步证实了该方法能够选择性地制备官能化的环己烯同位素异构体。

氘代环己烯复合物衍生化。图片来源：Nature

简评

目前处于临床研究的氘代药物数量很多，例如国内的泽璟生物和成都海创等公司在氘代药物领域也有很多的布局，比如泽璟的多纳非尼已进入III期临床研究，杰克替尼也已进入II期临床。笔者认为，氘代的意义可不仅是为了规避专利，最重要的目的是解决临床需求，应该基于老药本身的缺陷去选择性的氘代。这项工作为难以合成的氘代分子砌块提供了很好的方法，如果能兼容不同取代基的苯或者使用更多元的亲核试剂，其应用场景无疑将更大。

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）：

Preparation of cyclohexene isotopologues and stereoisotopomers from benzene

Jacob A. Smith, Katy B. Wilson, Reilly E. Sonstrom, Patrick J. Kelleher, Kevin D. Welch, Emmit K. Pert, Karl S. Westendorff, Diane A. Dickie, Xiaoping Wang, Brooks H. Pate,  W. Dean Harman

Nature, 2020, 581, 288–293, DOI: 10.1038/s41586-020-2268-y

导师介绍

W. Dean Harman

https://www.x-mol.com/university/faculty/1978

（本文由峰千朵供稿）