β-Lactamase inhibitors(Joincare)

摘要：环状半硼酸是由一个外环硼醇(B−OH)基团、一个内环B−C键和一个内环B−杂原子(O或N)键组成的含硼杂环。与它们的开放形式的同系物--硼酸相比，它们在很大程度上被开发不足。最近苯并恶硼醇环系统在药物发现中的成功，以批准的产品他瓦波罗和Crisborole为标志，在过去的二十年里，人们对其他类别的非芳香族和假芳族半硼杂环的兴趣持续上升。这些含硼杂环化合物已被广泛应用于有机催化、生物偶联、药物开发、天然产物合成中的合成中间体以及新的动态材料的组成等方面。本文通过一个基于结构的组织，对这些独特化合物的当前知识进行了全面的回顾。讨论和比较了不同结构亚型之间的制备方法、结构特征和重要的物理性质，如开闭平衡、酸度和分子相互作用。环的大小和环内杂原子的性质通常会在杂环的酸性、反应性和芳香性方面产生巨大的差异，这反过来又使它们能够有条不紊地应用。 一、前言 杂环是自然界中普遍存在的化合物，在合成药物、杀虫剂和其他商品化学品中非常常见。1事实上，氧杂环和氮杂环分别占美国食品和药物管理局批准的小分子治疗药物的27%和59%。2.杂环的重要性导致了通过直接合成、外围修饰以及最近的支架跳跃4和其他环编辑策略来制备和功能化它们的无数方法的发展。5−7相比之下，在识别或设计新的杂环化学类型，特别是那些嵌入不寻常元素的杂环化学类型方面的工作明显较少8从这一角度来看，过去二十年来，环状半硼酸被认为是一类很有前途的化合物，在医学、生物等构学、材料和催化等方面具有应用前景。这些含环化合物嵌入了一个具有两个内环键的外环硼醇(BOH)基团，一个B−C键与sp2或sp3杂化碳结合，一个B−X键通常与氧原子或氮原子结合(图1a)。环状半硼酸以五到七个原子的环大小存在。由于β羟基烷基硼酸脱羟基的动力学不稳定性，四元环的形成是被禁止的。9当存在单一的硼醇基时，半硼酸是硼酸的母体。然而，前者与硼酸衍生物具有相同的氧化状态，因此通常比硼酸对有氧氧化更稳定。硼酸作为交叉偶联剂10和有机催化剂具有很高的价值；11然而，在药物化学中，它们容易表现出不良的特征，例如对蛋白酶的混杂抑制、氧化不稳定和/或不利的药代动力学(PK)。12只有一种含硼酸化合物，二肽α-氨基烷基硼酸硼已被批准作为药物；然而，由于口服生物利用度低，它需要静脉给药。13用内环杂原子取代硼酸的一个羟基(X=O或N)提供了一大类具有缓和反应性和降低亲水性的环状半硼酸。它提供了一种独特的官能团，具有自然产生的分子中不存在的结构性质和反应性。 二、结构与理化性质2.1、 根本特性：开闭环动态平衡 这是环状半硼酸最核心的化学行为，直接影响其稳定性、反应性和在生物体系中的功能。 热力学驱动力： 环应变释放：形成环状结构（尤其是5、6元环）能释放开链硼酸前体的部分构象应变。 熵效应：闭环过程释放一分子水，是熵增过程，有利于闭环形式。 键能权衡：闭环涉及用一根B-X键（X=O/N）替换一根B-OH键。由于B-O键强于B-N键，因此含B-O内键的环（如苯并噁硼杂环）比含B-N内键的环（如苯并氮硼杂环）在热力学上更稳定，更倾向于以闭环形式存在。 结构因素的影响： 环大小：5、6元环闭环倾向强；7元环平衡开始向开环移动；8元环及以上开环形式为主。 芳香性与共轭：具有拟芳香性或扩展π共轭的环系（如苯并[c]噁硼杂环-1-醇）闭环形式极其稳定。 内环杂原子：B-O键环通常以闭环形式存在；B-N键环（特别是脂肪胺类）在含水环境中常以开链硼酸形式存在，因其热力学上两个B-O键更稳定，且胺在生理pH下可能质子化。 动力学与动态性：即使在强烈倾向于闭环的体系中（如苯并噁硼杂环），开闭环过程也是动态可逆的。这种动态平衡使其在生理条件下能灵活适应环境，例如在穿越细胞膜（可能以中性闭环形式）和与靶标结合（可能以离子化开环/四配位形式）之间切换。 2.2、 酸性与电子结构 环状半硼酸的酸性（pKa）范围极宽（约0至 >14），远超普通硼酸（通常pKa 7-9），这是其可调控性的关键。 pKa的调控因素： 强吸电子基：如羧酸（如在苯并噁硼杂环酮C2中）能通过共振或诱导效应极大稳定共轭碱，导致pKa极低（<1）。 内铵盐效应：当共轭碱能形成分子内铵盐时（如某些含氮环系），负电荷被正电荷中和，pKa显著降低。 环应变：环越小、张力越大，硼原子离子化形成四面体构型时释放的应变能越多，pKa越低。例如，苯并噁硼杂环（C1，5元环，pKa ~7.4）比其6元环同系物苯并噁硼杂环己烯（H1，pKa ~8.4）酸性更强。 杂原子与取代基的电子效应：内环杂原子（O或N）和环上取代基能稳定或 destabilize 负电荷。 芳香性贡献：在拟芳香体系中，形成四面体硼会破坏环的芳香性，因此芳香性越强的体系，离子化倾向越低，pKa可能越高。B-N键对拟芳香性的贡献通常大于B-O键。 共轭碱的形式：在水溶液中，电离主要生成四配位的二羟基硼烷阴离子 [RB(OH)3]⁻，而非三配位的硼氧阴离子 RB-O⁻。计算表明前者在能量上更稳定约20 kcal/mol，因为能形成额外的强B-O键。 2.3、 分子相互作用与反应性 硼中心的缺电子性（路易斯酸性）和硼醇基团的可变性，赋予了其丰富的分子识别和共价结合能力。 与醇/二醇的可逆络合： 机制：硼醇基团与顺式二醇（如糖类、儿茶酚）形成可逆的五元或六元环状酯。这是其用于糖类传感、分离和自修复水凝胶的基础。 pH依赖性：在生理pH附近，环状半硼酸（尤其是pKa接近中性的苯并噁硼杂环）对糖类的亲和力显著高于普通硼酸。 与阴离子的相互作用（非羟基溶剂中）： 氢键作用：较软的阴离子（Cl⁻, CH₃COO⁻）通过B-OH和邻近C-H键形成双氢键。 路易斯酸碱配位：较硬的阴离子（F⁻, OH⁻）直接与硼的空p轨道配位，形成四配位加合物。 与蛋白质的亲核残基形成可逆共价键： 作为“弹头”：硼原子可作为温和的亲电体，与丝氨酸、苏氨酸蛋白酶活性位点的羟基形成可逆的共价酯键，实现高效、可逆的酶抑制（如他伐硼罗、瓦博巴坦的作用机制）。 模拟过渡态：其四面体共轭碱可完美模拟肽键或β-内酰胺水解的四面体过渡态。2.4、 固态与溶液行为 固态结构： 常以头对头氢键二聚体形式存在（如苯并噁硼杂环）。 在强酸性格合物（如苯并噁硼杂环酮）中，硼原子可能以四配位形式存在，并与结晶水分子配位。 溶液行为与表征挑战： 脱水二聚：在无水有机溶剂中，易脱水形成B-O-B酸酐二聚体，给NMR表征带来干扰。常需加入微量D₂O以断裂二聚体。 纯化困难：极性的硼醇基团导致硅胶柱层析保留强，常需采用重结晶或沉淀法纯化。 光谱表征：¹¹B NMR化学位移范围较窄（27-33 ppm），区分开环与闭环形式较困难。需结合¹H NMR、变温实验或使用探针分子辅助判断。总结：结构-性质关系框架 结构特征对理化性质的主要影响典型实例与后果环大小减小pKa降低 ，闭环倾向增加，环应变增加 苯并噁硼杂环（5元）酸性强于苯并噁硼杂环己烯（6元）内环B-O键热力学更稳定 ，倾向于闭环；B-O键强 苯并噁硼杂环在水中几乎完全闭环内环B-N键热力学较不稳定 ，水溶液中易开环；可能贡献更强芳香性 脂肪族氨烷基硼酸常以开链形式存在引入强吸电子基pKa急剧降低 ，氧化稳定性可能增加 苯并噁硼杂环酮pKa<1，抗氧化能力极强拟芳香性闭环形式高度稳定 ，pKa受芳香性维持能影响 苯并[c]噁硼杂环-1-醇非常稳定，难以开环存在邻位配位点促进四配位加合物形成 ，稳定共轭碱，降低pKa 水杨醛衍生物易形成分子内配位 三、结构分类与代表性体系 (1) 非芳香体系：从五元到七元环的演化 环系 关键类型 结构特征与“化学个性” 明星分子/应用五元环A型：Oxaborolanes (C(sp³)-B-O)“灵活的骨架” ：饱和环，环张力适中，pKa相对较高（~9-10）。可作为手性合成子（C-B键可官能化）或糖类识别模块（亲和力甚至优于苯并噁硼杂环）。PF-07038124 ：PDE4抑制剂，用于特应性皮炎。常作为探索构效关系的工具分子。 B型：Oxaboroles (C(sp²)-B-O)“烯基硼酸的前体” ：含烯基硼结构，C-B键极具合成价值，常用于Suzuki偶联等转化，是构建复杂分子的中间体。其闭环形式在有机溶剂中稳定。 主要作为合成中间体，用于制备多取代烯烃、呋喃等。 C1型：Benzoxaboroles (苯并融合)“明星药效团” ：最具代表性的环状半硼酸。结合了5元环的适度张力（pKa~7.4）、苯环的刚性及疏水性。在生理pH下开闭环动态平衡，完美适配跨膜运输与靶标结合。他伐硼罗 （抗真菌）、克里斯硼罗（抗炎）、阿考齐硼罗（抗寄生虫）。应用涵盖酶抑制、糖识别、自修复材料。 C2型：Benzoxaborolones“超强酸稳定锚” ：含内酯结构，pKa极低 (<1)，抗氧化能力超强（比苯硼酸高10⁴倍）。能以单酯键共价结合蛋白，用于生物共轭和稳定抑制剂设计。 用于设计抗HIV蛋白酶抑制剂（取代易代谢的苯胺），及研究淀粉样蛋白聚集抑制剂。 D/E型：Azaboroles (含B-N键)“不稳定的模仿者” ：由于B-N键较弱且胺易质子化，在含水环境中极难稳定存在闭环形式。常作为瞬态中间体或需在无水条件下研究。 研究较少，主要作为有机催化剂（在无水溶剂中）或理论研究的对象。六元环F1型：Oxaborinanes (C(sp³)-B-O)“张力释放的平台” ：环张力小于五元环，pKa较高（~10.3），对糖类的亲和力较弱。但构象更灵活，便于引入复杂侧链。瓦博巴坦 ：β-内酰胺酶抑制剂。其六元环提供了适合与酶活性位点相互作用的几何形状和电子特性。 H1型：Benzoxaborinines (苯并融合)“温和的扩展版” ：苯并噁硼杂环的六元环同系物。pKa较高（~8.4），刚性适中，在某些靶点（如碳酸酐酶）上显示出优于五元环同系物的活性，体现了“同系物扫描”在药物优化中的价值。 用于优化碳酸酐酶抑制剂，以及作为水凝胶的交联剂（但效果弱于低pKa类似物）。七元环K1/K3型：Oxaborepanes/pins (苯并融合)“柔性探针与特殊组装体” ：环张力最小，开闭环平衡对温度和结构敏感。可形成独特的分子内B-O-B酸酐（如化合物322），作为一种“内部前药”。Vaborbactam同系物（318） ：对某些β-内酰胺酶活性更优，且药代动力学性质独特。也用于构建大环双硼酸催化剂（如332）。 (2) 拟芳香体系 环系 关键类型 结构特征与“化学个性” 明星分子/应用六元环M1型：Benzo[c]oxaborinin-1-ols“硼杂烯醇酯” ：本质是环化的硼烯醇酯，O–B键具有C=C的等电子性，芳香性贡献显著。结构非常刚性、稳定。 主要作为合成中间体和手性配体/催化剂的前体。其轴手性衍生物在不对称合成中有潜力。 M2型：Benzo[e]oxaborinin-1-ols“硼杂酚” ：是M1型的异构体，可视为环化的硼酚。同样具有芳香性。其独特价值在于可通过Ni催化的硼原子插入反应直接、高效地从苯并呋喃构建，是后期官能化的强大工具。 通过硼插入法高效合成，是构建复杂硼杂环的关键策略性分子。 四、合成方法4.1、 合成挑战与核心逻辑 核心挑战在于如何将高活性的硼酸（酯）基团与一个精确空间定位的亲核位点（通常是OH或NH₂）进行分子内连接，并控制产物在开闭环平衡中的形式。 解决逻辑可归结为两条并行且互补的路径： “先硼酸，后成环”：先制备带有潜在成环官能团的硼酸（酯）前体，再触发分子内环化脱水。 “一边成环，一边装硼”：通过过渡金属催化或多组分反应，在构建碳骨架的同时，将硼原子作为关键组成部分直接引入新形成的杂环中。4.2、 传统与经典合成策略 这类方法是基石，尤其适用于构建早期发现的简单或特定结构的环状半硼酸。 策略名称 核心思想与反应模式 典型实例与解读1. 羟基/胺基烷基硼酸的环化脱水最直观的策略 。合成邻位带有羟基或胺基的烷基/芳基硼酸，酸性或中性条件下自发或诱导脱水关环。他伐硼罗的经典合成 ：从邻溴苄醇出发，经金属化、硼酯化、再水解，中间体邻羟基甲基苯硼酸自发脱水生成苯并噁硼杂环。优势：可靠、直接。劣势：需合成特定取代的前体，步骤可能较长；对于B-N键环，该过程在水中通常不利。 2. 不饱和键的官能化-环化 利用硼酸对邻近不饱和键（烯烃、炔烃）的分子内加成或官能化来触发环化。溴代硼内酯化 ：邻位烯基苯硼酸与NBS反应，经历溴鎓离子中间体，被邻位硼酸捕获，一步形成溴代甲基取代的苯并噁硼杂环。优势：高区域选择性，原子经济性好。劣势：底物需预装特定不饱和键。 3. Matteson同系化与环化用于构建含手性α-碳的环状半硼酸的关键技术 。通过Matteson反应（二氯甲基锂对硼酸酯的立体专一性插入）构建手性α-卤代/氨基烷基硼酸酯，脱保护后环化。肽基氧硼杂环烷（如化合物17）的合成 ：从手性硼酸酯出发，经Matteson反应引入α-氨基酸侧链，最后脱除二醇保护基，释放的γ-羟基烷基硼酸自发环化。优势：是获得光学纯环状半硼酸的少数可靠方法之一，在药物（如瓦博巴坦）合成中至关重要。劣势：步骤较多，需使用化学计量的手性助剂或试剂。 4. 还原胺化/酰胺化后环化 通过硼酸邻位的羰基与胺的缩合还原，或与异氰酸酯的加成，构建含B-N键的前体，再尝试环化。苯并氮硼杂环的早期尝试 ：邻甲酰基苯硼酸与苯胺还原胺化，试图得到邻氨基甲基苯硼酸并环化。解读：该策略常失败，因为所得硼酸在水溶液中更倾向以开链铵盐形式存在，凸显了B-N键环的热力学不稳定性。 4.3、 现代与催化合成策略 这是当前方法学发展的最前沿，旨在提高效率、原子经济性、官能团耐受性和步骤简洁性。 策略名称 核心思想与反应模式 典型实例与解读1. 过渡金属催化的芳基卤化物硼化-环化“一锅法”构建苯并融合环状半硼酸的革命性方法 。直接对邻位带有游离羟基的芳基溴/碘化物进行Miyaura-Ishiyama硼化，生成的邻羟基芳基硼酸中间体不经分离，现场脱水环化。Molander硼化 ：使用四羟基二硼 B₂(OH)₄ 为硼源，Pd催化下对邻羟基苄溴进行硼化，直接高产率得到苯并噁硼杂环或其六元、七元环同系物。优势：步骤极简，避免使用强碱金属试剂，官能团耐受性极好（甚至可兼容酸性基团），是制备功能化衍生物的通用平台。 2. 过渡金属催化的硼杂环直接构建更富创新性的“一步到位”策略 。不以前置的硼酸为起点，而是通过金属催化，将硼原子作为拼图直接插入到新形成的环中。a) 镍催化硼插入苯并呋喃 ：Ni(0)催化下，B₂pin₂ 对苯并呋喃的C2-O键进行插入，直接得到M2型拟芳香苯并[e]噁硼杂环-1-醇的频哪醇酯，水解即得游离硼酸。优势：原子经济性高，从廉价芳杂环出发，快速构建复杂硼杂环，是后期官能化的强大工具。 b) 钯/金催化炔烃/烯烃环化 ：邻炔基/烯基苯硼酸在Pd(II)或Au(I)催化下，经历氧化环金属化（如Wacker型过程），最终生成M1型拟芳香苯并[c]噁硼杂环-1-醇。优势：高效构建拟芳香体系，并可实现轴手性控制。 c) 铑催化[2+2+2]环加成*Figure 29  展示了通过Ru或Rh催化的三分子[2+2+2]环加成，一步构建复杂的苯并融合硼杂环（如C1， H1型）。Figure 63b 是此方法用于合成三环状苯并噁硼杂环己烯（H1型） 的具体示例。 3. 多组分反应与串联过程 将硼酸（酯）组分作为亲核或亲电试剂，参与多组分缩合，在形成新C-C/C-N键的同时完成环化。a) Passerini/Ugi型反应 ：使用α-硼醛参与的多组分反应，最终产物水解后，硼酸与分子内酰胺羰基或羟基形成A4/A5型杂环。优势：快速构建结构多样性的肽模拟物库。 b) 串联硼烷化/醛醇加成 ：1,1-二硼烯烃在手性磷酸催化下对醛进行高对映选择性烯丙基硼化，生成的δ-羟基烯基硼酸酯中间体自发环化，直接得到光学纯的G1型氧硼杂环己烯。优势：汇聚式合成，一步构建含多个手性中心的复杂硼杂环，效率极高。 4. 关环复分解 利用烯烃复分解反应的高效性，将两个通过酯键与硼相连的烯烃片段进行分子内环化。 从烯丙基硼酸酯和高级同系烯丙醇出发，经Grubbs催化剂催化的关环复分解，构建中环（如F2型氧硼杂环己烯）。优势：适用于构建较大环系和引入特定不饱和键，产物可进一步衍生化。 4.4、特殊转化与功能化策略 方法类别 内容解读1. 苯并硼杂环的氢化饱和 Figure 11展示了使用特殊的Rh卡宾催化剂，将苯并噁硼杂环（C1）高选择性地氢化为饱和的[6.5]双环氧硼杂环烷。Figure 41b 展示了将苯并噁硼杂环己烯（H1）氢化为饱和六元环类似物。 2. 形成B-O-B酸酐 展示了合成七元环双硼酸酐（K型衍生物331-333）的方法及其作为高效酰胺化催化剂的应用。 五、应用领域：环状半硼酸的功能化平台 环状半硼酸的应用演进，是其内在物理化学性质在跨学科语境下的定向表达与功能实现。其发展脉络呈现从生物活性探针到多元化功能模块的范式转变。以下是对其应用维度的系统性专业解读。5.1、 医药化学：从共价弹头到理性药效团设计 本领域是其最高度发展的应用方向，成功实现了从启发性发现到基于结构的理性药物设计（SBDD）的跨越。1. 成药性优势的物化基础 近生理pKa的优越性：以苯并噁硼杂环（pKa ~7.4）为代表，其pKa与生理pH相近。这确保了其在生物体内存在动态开闭环平衡与pH依赖的物种分布。中性、疏水的闭环形式有利于跨膜被动扩散（药代动力学），而离子化的四配位硼酸根形式则具备强效的靶标结合能力（药效动力学）。 可逆共价抑制机制：硼原子作为软路易斯酸，可与酶活性中心的亲核残基（如丝氨酸蛋白酶的Ser-OH）形成可逆的配位键。该机制兼具传统非共价抑制剂的高选择性与共价抑制剂的高效力、长驻留时间优势，同时规避了不可逆共价修饰带来的脱靶毒性风险。 卓越的类药性质：相较于线性硼酸，环状结构有效降低了分子的极性表面积（PSA）与氢键供体数，从而显著改善其细胞膜渗透性、口服生物利用度及代谢稳定性。 过渡态类似物：其四面体二羟基硼酸根阴离子（[B(OH)3]⁻）在几何构型与电荷分布上，是肽键、酯键或磷酸二酯键水解过程中四面体过渡态的优异等排体，这构成了其抑制各类水解酶（蛋白酶、β-内酰胺酶、磷酸二酯酶）的结构基础。2. 作用机制与代表药物实例 药物/候选药物 结构类型 靶点与适应症 分子作用机制详述他伐硼罗  (Tavaborole) C1型 真菌亮氨酰-tRNA合成酶 / 甲癣 作为底物类似物，与真菌tRNA 3‘-末端腺苷的顺式2’,3‘-核糖二醇形成可逆的环状硼酸酯。该加合物稳定占据酶的编辑位点，不可逆地阻断氨酰化-tRNA的校正过程，抑制蛋白质合成。克里斯硼罗  (Crisaborole) C1型 PDE4B / 特应性皮炎 其阴离子形式等排替代cAMP的磷酸二酯部分，竞争性占据PDE4的催化口袋。通过与活性中心的二价金属离子（如Zn²⁺/Mg²⁺）配位及形成氢键网络，实现对cAMP水解的有效抑制，导致胞内cAMP水平升高，发挥抗炎作用。瓦博巴坦  (Vaborbactam) F1型 KPC型等A类丝氨酸β-内酰胺酶 / MDR-GNB感染 作为机制性灭活剂。其硼原子亲电攻击β-内酰胺酶催化三联体中的亲核丝氨酸（Ser70），形成稳定的硼酸酯共价加合物。该加合物模拟了β-内酰胺水解的去酰化过渡态，从而将酶不可逆地“囚禁”在非活性状态，保护共给药的碳青霉烯类抗生素。QPX7728 / 坦尼硼巴坦  (Taniborbactam) F3型 广谱β-内酰胺酶（含Ambler A、C、D类及B类金属酶） 通过多功能协同设计实现广谱抑制。对丝氨酸β-内酰胺酶，其作用机制同瓦博巴坦；对金属β-内酰胺酶（MBLs），其羧酸侧链能螯合活性中心的锌离子，同时硼酸根阴离子可能与催化水分子或锌离子配位，共同稳定抑制复合物。GSK3036656  (Ganfeborole) C1型 结核分枝杆菌亮氨酰-tRNA合成酶 / 结核病 展现了物种选择性抑制。其分子设计在与他伐硼罗类似机制基础上，通过结构优化实现对原核生物与真核生物同源酶结合腔细微差异的精准识别，从而获得高治疗指数。 发展态势：当前的药物化学研究已超越将环状半硼酸作为简单的亲电弹头，而是将其视为一个可系统进行构效关系（SAR）研究与性质导向优化的优势药效团。通过调控环大小、取代基、融合环系来精细调谐其pKa、亲脂性（LogP）、构象及与靶标蛋白的互补性。5.2、 有机催化与不对称合成：作为路易斯酸催化剂与手性配体 环状半硼酸在此领域主要发挥双功能活化与手性诱导作用。 直接脱水酰胺化催化： 催化机理：其作为双齿路易斯酸，可同时活化羧酸（通过羰基氧的配位）和醇或胺（通过氧或氮孤对电子的配位或形成氢键网络），显著降低脱水缩合的反应能垒。 先进催化剂实例：如七元环双硼酸酐（如332）。其预组织的刚性C2对称骨架和高路易斯酸性B-O-B单元，使其在催化羟基酸与胺的直接酰胺化中展现出超越单硼酸的活性、稳定性及对水的耐受性，实现高转化数（TON）。 不对称催化中的手性控制： 手性环状半硼酸（如特定的E2型苯并氮硼杂环）可作为手性路易斯酸催化剂，通过其刚性骨架在潜手性底物周围创造不对称环境，用于动力学拆分或对映选择性合成（如手性磺酸酯的制备）。5.3、 先进材料科学：动态共价化学的构建模块 其应用几乎全部基于硼酸酯键的动态可逆性及对顺式1,2-或1,3-二醇的特异性识别。 自修复与刺激响应性水凝胶： 自修复性：网络因机械力破坏后，断开的硼酸酯键可自发重新形成。 剪切稀化与可注射性：施加剪切应力时，动态键断裂导致网络解交联，粘度急剧下降（剪切稀化）；应力移除后，键重组，粘度恢复（触变性）。这赋予材料可注射性。 pH/糖竞争响应性：硼酸酯的形成强度强烈依赖于硼酸的电离状态（pH敏感）。同时，外源性游离单糖可竞争性结合硼酸位点，导致凝胶溶解或模量变化。 构建原理：将环状半硼酸（配体）与多元醇（交联剂，如果糖）分别共价接枝于聚合物主链（如透明质酸、聚乙烯醇）。混合后，通过形成动态硼酸酯键构成三维交联网络。 智能材料行为： 材料设计关键：配体的pKa是决定性参数。例如，F3型1,2-苯并噁硼杂环因其较低的pKa（~6.2），在生理pH下具有更高的电离度和交联效率，所形成的水凝胶力学性能通常优于由pKa较高的C1型或H1型配体制备的同类材料。 化学传感与荧光材料： 荧光传感：将环状半硼酸共价连接至荧光发色团（如蒽、BODIPY），构建分子信标。分析物（糖类、阴离子）的结合引起光诱导电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）或荧光共振能量转移（FRET）效率的改变，导致荧光信号的“开启”、“关闭”或位移。 固态发光材料：某些具有扩展π-共轭体系的拟芳香环状半硼酸或其金属配合物（如化合物286与8-羟基喹啉的加合物）表现出聚集诱导发光（AIE） 或高固态荧光量子产率（ΦF），在有机发光二极管（OLED）及化学传感中有应用潜力。 药物/基因递送系统： 利用其与细胞表面糖萼或核酸骨架中核糖单元的可逆结合，设计用于主动靶向或增强胞内摄取的功能性递送载体。5.4、 化学生物学与生物分析：特异性的分子工具 亲和分离与富集： 将环状半硼酸固定于色谱基质（如琼脂糖、硅胶），用于糖蛋白、糖肽、核苷及带有顺式二醇结构的代谢物的亲和色谱分离与富集。其在近中性pH下的高效结合能力克服了传统苯硼酸亲和材料需在碱性条件下操作的局限。 蛋白质标记与工程： 利用其与蛋白质N端丝氨酸或侧链丝氨酸/苏氨酸/赖氨酸形成可逆共价键的特性，开发用于蛋白质暂时性固定、定向偶联或位点特异性修饰的化学工具。 C2型苯并噁硼杂环酮因其极低的pKa与非凡的抗氧化稳定性，能够与蛋白质形成水解稳定的单配位硼酸酯键，成为用于永久性生物共轭的独特试剂。 硼中子捕获疗法（BNCT）前药设计： 设计基于糖类或氨基酸的环状半硼酸生物等排体（如F1型氧硼杂环己烷195）。这些前药利用肿瘤细胞过度表达的转运蛋白（如葡萄糖转运体GLUT1） 实现选择性摄取，从而将¹⁰B原子高效递送至肿瘤部位，用于BNCT。总结：性质-功能映射与平台化展望 环状半硼酸已演化为一个高度可编程的化学平台，其广泛应用源于核心性质在不同维度上的精准功能化：核心物理化学性质功能化应用领域具体实现形式与优势可逆共价键形成能力医药化学 作为靶向性、可逆的共价抑制弹头，提供高效力与安全性。 先进材料 作为动态共价网络的交联点，赋予材料自修复、刺激响应等智能特性。 化学生物学 作为生物偶联化学中的可逆/不可逆连接子，用于标记与操控生物大分子。对顺式二醇的高亲和力与特异性分离科学 作为高选择性亲和色谱配体，用于糖组学/代谢组学分析。 化学传感 作为分析物识别单元，构建高选择性荧光或比色传感器。 靶向递送 作为生物活性导向基团，设计肿瘤选择性BNCT前药。可调谐的路易斯酸性/pKa药物设计 通过pKa优化平衡化合物的亲脂性（ADME性质）与靶标结合力（效力）。 有机催化 作为双功能路易斯酸催化剂，活化特定官能团并组织反应过渡态。结构多样性/刚性药物化学 作为核心药效团骨架，进行系统性SAR研究与骨架跃迁。 功能材料 作为构建功能材料的刚性、定形模块，调控材料力学与光学性质。 前瞻性展望：未来研究将致力于更深层次地解构多维结构参数（环张力、芳香性、取代基效应） 与复杂生物微环境（pH、竞争配体、膜界面） 下的功能输出之间的关系。通过深度整合计算化学、结构生物学与合成方法学，实现环状半硼酸平台的理性设计与功能定制，以应对如新型抗感染药物研发、活体兼容性生物电子界面构建、以及高时空分辨率生物成像等尖端科学挑战。