Nature：利用原子替換策略實現(xiàn)吡唑烷基化的區(qū)域控制

導讀

近日，美國芝加哥大學(University of Chicago)Mark D. Levin課題組和強生創(chuàng)新醫(yī)藥公司（Johnson & Johnson Innovative Medicine）Christopher B. Kelly聯(lián)合提出了"戰(zhàn)略原子替換"這一創(chuàng)新概念，其利用異噻唑為原料合成了N-烷基吡唑。該轉(zhuǎn)化實質(zhì)上是將異噻唑的硫原子及其相連烷基片段替換為氮原子，從而構(gòu)建烷基化吡唑。連接這兩類唑環(huán)的關(guān)鍵中間體是一類尚未開發(fā)的雜環(huán)體系－1,2,3-噻二嗪-S-氧化物（TDSO）。通過這一特殊雜環(huán)中間體，可以規(guī)避傳統(tǒng)吡唑合成中基于成鍵的選擇性和分離難題，即使結(jié)構(gòu)高度相似的取代基也能被精準區(qū)分，從而獲得異構(gòu)體純的目標產(chǎn)物。文章鏈接DOI：10.1038/s41586-025-08951-x。

（圖片來源：Nature）

正文

吡唑類雜環(huán)是農(nóng)用化學品和藥物活性分子中普遍存在的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元。盡管其具有廣泛的應用，但現(xiàn)有合成方法在選擇性制備復雜吡唑衍生物方面仍存在顯著不足，這主要源于組裝過程或N-官能化階段的區(qū)域選擇性控制難題。其根本原因在于傳統(tǒng)合成策略是通過結(jié)構(gòu)相似的起始原料來調(diào)控選擇性成鍵過程。為攻克這一長期存在的科學難題，最近，美國芝加哥大學Mark D. Levin課題組和強生創(chuàng)新醫(yī)藥公司Christopher B. Kelly聯(lián)合提出了"戰(zhàn)略原子替換"這一創(chuàng)新概念，以異噻唑為原料合成了N-烷基吡唑。重要的是，傳統(tǒng)吡唑合成中基于成鍵的選擇性和分離難題得以解決，且結(jié)構(gòu)高度相似的取代基也可得以區(qū)分，從而可以高選擇性的獲得純的異構(gòu)體產(chǎn)物（Figure 1）。歡迎下載化學加APP到手機桌面，合成化學產(chǎn)業(yè)資源聚合服務平臺。

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首先，作者利用異噻唑?qū)崿F(xiàn)非保護的NH-TDSO 的制備（Figure2a）。作者以異噻唑為起始原料，首先將其轉(zhuǎn)化為 N-氨基異噻唑鎓鹽，隨后通過氧化擴環(huán)得到 NH-TDSO。由于異噻唑在N-胺化過程存在親核性弱的問題，因此作者發(fā)展了一種新型試劑1來解決此問題。將試劑1和異噻唑在TFE和TFA中反應可以以良好的產(chǎn)率和得到N-氨基異噻唑鎓鹽3。接下來，其經(jīng)歷與NaBO3?4H2O反應可實現(xiàn)氧化擴環(huán)以良好的產(chǎn)率得到 TDSO產(chǎn)物4。借助所發(fā)展的方法，作者成功合成了一系列不同取代的NH-TDSO產(chǎn)物（19個，29-90%），并通過X-射線單晶衍射對其結(jié)構(gòu)進行了表征。當作者使用傳統(tǒng)的親核取代進行甲基化時，4a傾向于中酸性較強的NH發(fā)生烷基化，以良好的產(chǎn)率得到N-Me TDSO 5a（Figure2b）。然而，在反應中作者意外觀察到了次要產(chǎn)物N1吡唑異構(gòu)體8a的形成，且并未觀察到7a的生成。隨后，作者通過核磁共振氫譜對反應進行監(jiān)測，得出8a的形成源自亞胺型 TDSO 氮的烷基化，首先生成兩性離子中間體6a，且升至室溫時會釋放SO（Figure2c）。此外，作者還分離得到了化合物9，這進一步證實兩性離子的結(jié)構(gòu)，并通過X-射線單晶衍射對其進行表征（Figure2d）。從機理角度，作者提出這兩種異構(gòu)體的SO排出過程均通過連續(xù)的周環(huán)反應實現(xiàn)：首先發(fā)生順旋π6s電環(huán)化反應，隨后將SO排出。DFT計算（Figure2E）與上述基本原理分析有細微差異：假定的雙環(huán)硫氮丙啶-S-氧化物中間體并未形成，反應通過單一過渡態(tài)直接生成吡唑產(chǎn)物的SO復合物。計算結(jié)果表明，甜菜堿異構(gòu)體易于發(fā)生SO排出的原因包括兩方面：1）甜菜堿基態(tài)的不穩(wěn)定性（可能源于電荷分離效應）以及過渡態(tài)的穩(wěn)定性（由于發(fā)展中N-C二面角的重疊構(gòu)象降低了空間位阻），這導致兩種異構(gòu)體的活化能差預計超過15 kcal mol-1。實驗證實，釋放的SO可通過加入醌類捕獲劑被捕獲，生成相應的亞硫酸苯酯。

接下來，作者預測了各中間體及終產(chǎn)物中兩個氮原子的具體來源，即一個源自異噻唑環(huán)，另一個則來自胺化試劑1。為驗證這一預測，作者制備了15N標記試劑[15N]-1（以簡單易得的15N標記鹽酸羥胺為原料），并采用13CH3I進行標準TDSO合成、N-烷基化及SO排出反應，獲得的雙標記化合物為同位素異構(gòu)體鑒定提供了依據(jù)（Figure2g）。在每個中間體及產(chǎn)物中，作者均觀察到單一的15N標記位點，且均與理論預測相符。除作為重要的機理驗證實驗外，該方法還能實現(xiàn)對吡唑外圍及核心位點同位素標記的高度區(qū)域選擇性控制，這一獨特優(yōu)勢為合成應用提供了重要機遇。

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在得到了最優(yōu)反應條件后，作者此轉(zhuǎn)化的底物范圍進行了考察（Figure3）。實驗結(jié)果表明一系列不同取代（C4取代和C4非取代）的NH-TDSO環(huán)骨架均可兼容此轉(zhuǎn)化，以40-92%的產(chǎn)率得到相應的產(chǎn)物7c-7z。此外，一系列不同的烷基化試劑，如碘甲烷（7c-7g）、芐溴（7h，7n）、非活化烷基親電試劑（7i，7l，7p）、α-鹵代羰基化合物（7j）、三氟乙基化試劑（7o）和邁克爾受體（7k，7m）等均可良好兼容。遺憾的是，C5 未取代的 TDSO以及含敏感基團的起始原料不能兼容。

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最后，作者探索了此轉(zhuǎn)化在分子后期修飾和復雜吡唑的合成方面的應用（Figure4）。首先，作者分別利用相應的TDSO出發(fā)，選擇性合成了不同C3 和 C5 取代的復雜三取代吡唑10（86%）、11（77%）、13（69%）和14（76%）且具有良好的選擇性（Figure4a）。此外，作者還以4-溴異噻唑為起始原料，通過C5 Negishi 偶聯(lián)、C4 Suzuki偶聯(lián)以及C3位Ziegler類型烷基化得到了三取代 TDSO 4p。隨后，作者利用所合成的三取代TDSO 4p分別通過N-烷基化（15，68%）、Mitsunobu 烷基化（16，51%）以及SNAr N-芳基化（17a-17c，41-80%）分別得到了相應的三取代吡唑15-17，證明了此轉(zhuǎn)化的實用性。

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總結(jié)

Mark D. Levin和Christopher B. Kelly利用原子替換技術(shù)實現(xiàn)了從異噻唑選擇性合成非對稱N-烷基吡唑的創(chuàng)新方法。通過使用1,2,3-噻二嗪-S-氧化物這一特殊雜環(huán)，該策略展現(xiàn)出顯著的選擇性和分離優(yōu)勢，可高效合成傳統(tǒng)方法難以甚至無法選擇性獲得的吡唑衍生物。該策略能順利適應多種C-N鍵形成模式，包括唑類化合物本身通常無法實現(xiàn)的反應類型。從逆合成角度分析，此方法首先固定"占位原子"的相對位置，隨后通過區(qū)域特異性核心原子交換精準引入所需環(huán)外取代基。這種分階段策略可廣泛應用于其他雜環(huán)化合物的合成，特別是在傳統(tǒng)基于成鍵的逆合成分析無法提供可行策略或足夠選擇性的情況下。
文獻詳情：

Strategic atom replacement enables regiocontrol in pyrazole alkylation.
Alexander Fanourakis, Yahia Ali, Liao Chen, Patrick Q. Kelly, Abigail J. Bracken, Christopher B. Kelly, Mark D. Levin*.
Nature,2025

DOI：10.1038/s41586-025-08951-x