萘环是多种市售药物及候选药物中的常见结构骨架,但此结构易被CYP1A1和CYP1B1等P450酶代谢氧化为高度亲电的1,4-和1,2-萘醌,进而与蛋白质共价结合并引发毒性副作用。此外,富含sp2的萘基高度平面化,导致溶解性差,限制其成药性。因此,萘环的生物电子等排体替换在药物研发中极为常见,并且通常通过替换其中一个苯环来实现(图1a),例如:1)BMS在开发前列腺癌候选药BMS-641988时,将萘环替换为含三氟甲基苯环;2)Vertex公司在开发FDA批准囊性纤维化药物Ivacaftor的早期优化中,以1,3-二叔丁基苯基(2)替代萘基;3)Russell团队开发治疗杜氏肌营养不良症(DMD)的第二代utrophin调节剂时,也将2-萘基替换为卤代苯基或三氟甲基苯基,而且所得化合物活性与母体相当。其他策略包括引入杂双芳基(3–4),如喹啉、异喹啉、酞嗪、茚、苯并咪唑、苯并噻吩、吲哚及benzazaborinine(5);或采用饱和类似物(如四氢化萘),在保持刚性与尺寸的同时增强三维性与溶解度。然而,现有萘环的生物电子等排体普遍存在通用性差、理化性质不佳等问题。稠合杂环(3–5)虽能显著改变亲脂性、极性表面积和氢键能力,但是易导致生物活性下降,而且仍高度平面化,难以改善理化性质。另外,单取代苯环(1、2)替换萘基时几何匹配度低,取代位点受限,而四氢化萘类饱和类似物(6)替换则极大影响芳环取代基的原始外向向量,从而限制其应用。相比之下,用富含sp³的小环笼状烃替换sp²富集的芳香环已成为优化候选药物理化性质与药代动力学特征的有效策略,其中双环[1.1.1]戊烷(BCP,7)已成功用于替代对位取代苯环,并在多个案例中展现出更优的药物特性(图1b)。
2022年,Anderson教授合成了间位取代芳烃的生物电子等排体——双环[3.1.1]庚烷(BCHeps;Nature, 2022, 611, 721–726,点击阅读详细)。在此基础上,英国牛津大学的Angela J. Russell教授课题组利用可见光驱动的分子内交叉[2+2]环加成策略,成功构建了一类可衍生化的芳基稠合双环[3.1.1]庚烷(BCHeps),可作为富含sp³的生物电子等排体(11-13),用于替代萘环、其他稠合双环(杂)芳烃以及长期被忽视的β-萘基(图1c)。作为概念验证,将AhR拮抗剂ezutromid中的萘环替换为不同芳基稠合的BCHep后,不仅能维持靶向活性,还显著提升CYP酶的代谢稳定性。相关工作发表于Nature Chemistry。
图1. 研究背景及本文工作概览。图片来源:Nat. Chem.
与间位芳烃的等排体8相比,2-萘9可通过三种区域异构等排体10a–c(图2a,颜色编码)实现分子性质的精细调控。受Kwon等人工作的启发,作者以二乙烯基前体14或15(图2b)作为原料,经可见光诱导的铱催化[2+2]光环加成反应获得芳基稠合BCHep骨架16(即17的等排体)。作者推测该反应经激发态苯乙烯中间体与缺电子烯烃发生形式[2+2]环加成所致,其中高选择性源于稳定的苄基自由基中间体;所用铱催化剂具备合适的三线态能量(60.1 kcal mol⁻¹)和长寿命三线态(τ = 2300 ns)。基于此,作者合成了含桥头酯基的β-萘基等排体18,便于下游官能团化。尽管¹H NMR谱显示粗产物杂质少、未观察到区域异构副产物(如:双环[3.2.0]庚烷),但产率偏低(28–40%)。进一步更换催化剂、溶剂以及稀释反应浓度均未提高反应产率,而实时¹H NMR谱监测表明原料消耗速率明显快于产物生成率,同时结合全谱宽峰特征,证实存在竞争性低聚反应。值得注意的是,加入少量芘并延长反应时间后,¹H NMR产率提升至56%,作者推测芘通过三重态–三重态湮灭上转换(TTA-UC)产生P型延迟荧光,被二烯底物吸收后直接生成单线态激发态,从而高效驱动分子内环化;而无芘时底物需经系间窜越(ISC)从三重态返回单线态才能环化,此缓慢过程使低聚成为主导副反应。
图2. 芳基稠合BCHep骨架的合成及区域选择性调控。图片来源:Nat. Chem.
在最优条件下,作者合成了多种具有不同取代模式的芳基稠合BCHeps(18–28),覆盖了全部三种2-萘基区域异构体,同时兼顾结构多样性与衍生化潜力(图2b;规模达2 mmol),但是桥头双取代导致反应产率较低甚至不反应(21-23)。由于吡啶氮原子的路易斯碱性抑制激发态反应,因此吡啶基底物无法进行[2+2]环加成反应,但向其中加入25 mol%二苯基磷酸质子化氮原子后,便可成功获得杂环BCHep 26–28。醚衍生物29也能以类似产率获得,并且有效屏蔽代谢敏感的苄基CH2位点,进一步验证该方法的普适性。特别的是,芘添加剂能使酯类18/19/29产率提升约20%,但对酮类20/24/25无影响。
图3. BCHep支架的化学修饰与几何调控。图片来源:Nat. Chem.
其次,作者对BCHep 18–28开展了衍生化研究。具体而言:1)芳基酮24/25经酸性还原高收率转化为卤代前体29a/29b(图3a);2)杂环酮26–28则经醇中间体31、脱氧得到饱和偶联子32/33,其中异喹啉类似物33与34经Suzuki偶联得到高结晶性硝基芳烃35,X-单晶射线确认其桥头角为119°,与Anderson等人报道的BCHep框架8一致,证实芳基稠合不扰动核心几何构型;3)18水解得关键中间体36,后者经Curtius重排得伯胺37、经铱催化脱羧溴化得到溴化物38,或者先与NHP缩合、再经脱羧Minisci反应生成杂环衍生物40;4)18可高效转化为Weinreb酰胺41,再水解得酮42,42在温和条件下溴化即得多功能溴代酮43;5)20经二硫化得到二噻烷45,后者可转化为双氟衍生物46,或者19经脱羟氟化获得单氟衍生物44,从而成功阻断苄基CH2位点(图3c),进一步抑制CYP介导的苄基氧化;6)醚29水解得到游离酸47,X-射线衍射分析显示引入桥头氧使β-萘基角由120°缩小至111°,桥头角则扩大至127°,进而证实全碳骨架对维持几何等排性至关重要,而桥头含氧则可精准调控萘基等排体的键角。
图4. Ezutromid的代谢不稳定性及与BCHep类似物的结构对比。图片来源:Nat. Chem.
接下来,作者探索了BCHep 基序是否可作为萘环的等排体。如图4a所示,苯并恶唑 utrophin 调节剂Ezutromid目前已终止临床研发,疗效衰减源于萘环易受CYP1A介导的氧化,长期给药反而诱导CYP1A活性升高,导致药物暴露量下降,并生成无活性的二氢二醇代谢物48/49。基于此,作者设计以BCHep等排体50a–c替代萘环,从而阻断该氧化位点(图4b),其中50a经酸36酰胺化后环化构建苯并噁唑;50b和50c则由卤代前体29a/29b通过C–H活化/交叉偶联高效合成。为了比较BCHep与母体化合物的几何形状,作者对50a和50b以及Ezutromid进行了单晶衍射分析,结果表明β-萘环与桥头取代基夹角维持在约120°(图4c-e),而间位取代模式之间的距离与萘环等排体的原始几何结构相差不到 5%。将50a/50b的BCHep片段与Ezutromid的萘基单元叠合,RMSD仅约0.1 Å(图4f、4g),证实其高度几何等排性。此外,50a与Ezutromid的计算静电势图高度相似。
图5. BCHep类似物的AhR拮抗作用及生物学评价。图片来源:Nat. Chem.
接下来,作者试图评估50a-c相对于Ezutromid的生物活性(图5a),即通过测量基因的相对表达来监测AhR拮抗活性,并且CYP1A1 mRNA水平的降低与AhR拮抗作用成正比。如图5b所示,作者在孵育4 h后通过实时聚合酶链式反应(RT-qPCR)检测人肝细胞系HepG2细胞中CYP1A1 mRNA水平,发现50a–c在10 μM下均显著抑制CYP1A1表达。尽管其结果弱于Ezutromid,但浓度-响应分析表明50a-c的单个区域异构体呈现明显构效差异,其中50b最有效(IC50=2.12±0.3 μM),50a与50c活性较低。另外,X-单晶射线分析显示高活性的50b中BCHep单元呈“朝下”构象(在噁唑氧侧),而低活性的50a呈“朝上”构象(在噁唑氮侧),进而表明朝下构象可能更有利于获得更高的活性。这与高活性Ezutromid相符,其晶胞是一种无序结构,包含两个“朝下”构象的萘类似物。计算结果进一步支持该趋势:50b优势构象为“朝下”,50a/50c则倾向“朝上”;Ezutromid两种构象能量相近。
图6. 类似物50a-c的代谢稳定性。图片来源:Nat. Chem.
最后,作者研究了50a-c在小鼠肝微粒体(MLMs)中的代谢稳定性(图6),即在3 μM α-萘黄酮(ANF)存在下重复实验,其中ANF是CYP1A特异性抑制剂,可阻断Ezutromid萘环的氧化代谢。结果表明所有的BCHep类似物均表现出不低于Ezutromid的代谢稳定性,其中50a的半衰期约为Ezutromid的2倍,50b略短;而且ANF对其稳定性无影响,证实其成功规避CYP1A依赖性代谢。另外,50b的代谢谱显示其主要转化途径为BCHep单加氧化,推测由非AhR调控的酶(如:CYP3A4)催化。综上,BCHep替代有效解决了Ezutromid的关键代谢缺陷:既维持整体代谢稳定性,又彻底脱离CYP1A通路。
总结
Russell 教授课题组利用可见光驱动的分子内交叉[2+2]环加成策略,成功构建一类可衍生化的芳基稠合双环[3.1.1]庚烷(BCHeps),可作为萘、(异)喹啉、喹唑啉及β-萘基等双环(杂)芳香单元的通用生物等排体。本工作首次将BCHep等排体应用于实际药物候选物Ezutromid的改造,同步改善药代动力学性质并保持对细胞靶点的结合能力。此外,该工作不仅证实BCHep可作为间位取代芳烃及2-萘基的可靠生物等排体,还能在代谢稳定性和生物活性之间实现良好平衡,进而为未来药物化学的广泛应用提供新途径。
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Synthesis of aryl-fused bicyclo[3.1.1]heptanes and validation as naphthyl bioisosteres
Aidan Kerckhoffs, Maud Tregear, Pol Hernández-Lladó, Massimiliano Runfola, Holly Shearsmith, Nils Frank, Marc Panosetti, Sarah E. Squire, Lee Moir, Kirsten E. Christensen, Fernanda Duarte, Kay E. Davies, Angela J. Russell*
Nat. Chem., 2026, 18, 1075–1081, DOI: 10.1038/s41557-026-02129-2
(本文由吡哆醛供稿)
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