研究背景
苯环是药物分子设计中最常用的结构砌块。药物设计对苯环的过度依赖虽源于合成便利性,但苯环的过多引入常导致不良药代动力学性质。研究表明,含三个及以上苯环的药物活性分子常因水溶性低、代谢稳定性差等问题而面临成药性挑战。2012年,辉瑞公司A. F. Stepan团队以双环[1.1.1]戊烷(BCP)等排置换对位取代苯环,显著提升了先导化合物成药性,证明了利用富含C(sp³)的三维刚性笼状骨架替代苯环的可行性。此后,该领域经历了两个发展阶段(图1):第一阶段(1st wave)为对位取代苯环的饱和生物电子等排体开发;第二阶段(2nd wave)为更具挑战性的邻位和间位取代苯环的饱和生物电子等排体设计合成。在合成化学家和药物化学家的共同努力下,近年来涌现了大量对位、邻位及间位二取代苯环的饱和生物电子等排体,例如立方烷、1,2-二取代BCPs、双环[2.1.1]己烷(BCHs)、双环[3.1.1]庚烷(1,5-BCHeps)、楔形烷(cuneanes)、梯形烷(ladderanes)、降三环庚烷(nortricyclanes)等。
图1. 苯环饱和生物电子等排体研究概况(图片来源:冯见君课题组)
2020年,默克集团Sherer等人对2019年底前获FDA批准的所有小分子药物中苯环的类型分布进行统计,结果显示:1,2,4-三取代苯的使用频率(18%)显著高于邻位(12%)和间位(4%)取代苯(J. Med. Chem. 2020, 63, 13389)。然而,迄今仅有1例1,2,4-三取代苯的饱和生物电子等排体在生物活性层面得到确证,而邻位及间位取代苯的饱和等排体已有多例报道(图1)。开发经生物活性确证的、具有重要药用价值的多取代苯饱和生物电子等排体,将成为该领域下一波重要的发展方向。
针对上述问题,美国德克萨斯大学西南医学中心秦天课题组通过手性转移策略实现了1,2,3-三取代BCP硼酸酯的合成;进而开发了BCP双硼酸酯的可编程后期官能团化策略,以七步5%的产率构建了p38激酶抑制剂的三维类似物,首次证实了1,2,3-三取代BCP骨架可以作为1,2,4-三取代苯环生物电子等排体的可行性(Nat. Chem. 2024, 16, 285)(图2b)。因此能否发展更简洁高效的合成方法创制1,2,4-三取代苯环的新型的生物电子等排体具有重要研究价值。2022年,牛津大学Edward A. Anderson在Nature上发表了利用[3.1.1]螺桨烷的应力释放合成了全碳的双环[3.1.1]庚烷(BCHep),并证明其可以作为间位取代苯的有效替代物。基于此,设计合成1,2,5-三取代的BCHep的衍生物则有望作为1,2,4-三取代苯环的潜在等排体,但这一猜想迄今并未被证实。这是因为设计合成和确证这类1,2,4-三取代苯饱和生物电子等排体时,必须同时解决三大难题:(a)在复杂的刚性桥环骨架上精准复现苯环上的三个矢量药效团;(b)对映选择性构建由此产生的手性中心,验证对映异构体对药物理化性质和药物活性的影响;(c)带来相较于母体苯环药物活性分子的成药性提升。
图2. 背景介绍与反应设计(图片来源:Nat. Chem.)
研究思路与亮点
湖南大学冯见君教授课题组聚焦“面向药用分子成药性提升的双环丁烷环加成化学”研究,构建了"方法学创新→分子库构建→成药性评价"的系统性研究体系。近五年以唯一或末位通讯作者在Nature Chemistry (1篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (8篇)、J. Am. Chem. Soc. (1篇)、Nat. Commun. (2篇)等国际著名期刊上发表论文近30篇;申请发明专利4件。基于前期研究基础,针对上述科学问题,近日该课题组以路易斯酸催化双环丁烷(BCB)与廉价的巯基乙醛二聚体(0.28元/克)的(不对称)(3+3)环加成反应开发为切入点,集群式合成了硫杂双环[3.1.1]庚烷(thia-BCHep)与硫杂双环[3.1.1]庚烯(thia-BCHeptene),并联合中山大学钱宇教授(生物活性评价)、南京中医药大学张薇副教授(生物活性与体内外毒性评估)以及南京大学王国强教授(机理计算与矢量分析)对thia-BCHep 类骨架作为1,2,4-三取代、间位和邻位取代苯环的饱和生物电子等排体的可行性进行了确证。
该研究的核心亮点主要体现在以下四个方面:
(1)原子经济性与步骤经济性的集群式合成策略。该研究以100%的原子经济性高效构建具有两个或三个“出口向量”的硫杂双环[3.1.1]庚烷骨架。该骨架分别可作为邻位取代和1,2,4-三取代苯环的3D生物电子等排体。进一步的后修饰可衍生出包括1,5-二取代硫杂双环[3.1.1]庚烯在内的多样化学空间,用于模拟间位取代苯(图2f)。而这些thia-BCHep骨架有望替代药物分子中常见的多取代苯酚结构单元(图2c)。
(2)硫杂双环[3.1.1]庚烷的设计理念与合成方法创新。含硫药物在TOP 200小分子药物中占据约25%的重要份额,富含C(sp³)的含硫六元杂环已成为药物设计中的重要药效团。另一方面,非共价硫相互作用(包括O···S、N···S、硫-卤素及硫···芳烃相互作用)可赋予分子特定的构象偏好,该特性正日益受到药物化学界的关注。鉴于此,嵌入硫原子的双环[n.1.1]烷烃生物电子等排体有望与靶蛋白形成额外相互作用,从而降低脱靶效应(图2d)。尽管Mykhailiuk团队已报道氧杂或氮杂双环[n.1.1]烷烃在理化及药代动力学性质上优于母体芳烃,但硫杂双环[n.1.1]烷烃的设计、合成与生物验证仍存在明显研究空白,其瓶颈在于高效合成方法的匮乏。例如,Hamanaka团队曾报道通过化学计量法(>10步)合成2-硫杂双环[3.1.1]庚烷衍生物(图2e)。
(3)硫杂双环[3.1.1]庚烷的对映选择性合成。鉴于含手性因素的化学药物的对映体在人体内的药理活性、代谢过程及毒性存在显著的差异。基于课题前期开创的“路易斯酸催化双齿螯合型双环丁烷不对称环加成反应体系”(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202505803;CCS Chem. 2025, 7, 1903),实现了R-或S-构型的硫杂双环[3.1.1]庚烷的选择性合成。
(4)硫氧化态调控策略。通过调控硫原子的氧化态(硫醚/亚砜/砜),调节三维骨架的整体极性,为优化药物分子理化性质提供有效手段(图2f)。
前沿科研成果
反应条件优化与底物的普适性考察
研究人员首先选取酰基吡唑取代的1,3-二取代双环丁烷和巯基乙醛二聚体为模型底物,优化反应条件。通过对一系列路易斯酸催化剂和溶剂的筛选,获得了构建外消旋thia-BCHeps的最优条件:Zn(OTf)₂为催化剂,DCE或者MeCN作为溶剂,在室温下反应12小时;此外,还成功开发了该反应的对映选择性版本,通过使用Zn(OTf)₂/Ph-BOPA(L1)和PyIPI (L2)(L2配体由郭海明/谢明胜团队开发),能以高对映选择性分别获得(R)-和(S)-构型的环加成产物。该(3+3)环加成方法具有广泛的底物适用性。对于带有酰基吡唑基团的双环丁烷,苯环上带有多种给电子或吸电子取代基(如三氟甲氧基、氟、氯、三氟甲基、烷氧基、炔基等)的底物均能以良好至高产率得到相应产物。此外,双环丁烷酮类底物也能顺利进行反应,高产率地得到含有β-羟基酮结构单元和两个桥头季碳中心的硫杂双环[3.1.1]庚烷,并且兼容芳基酮、杂芳基酮、脂肪酮等多种结构(图3)。对映选择性合成同样适用于多种带有酰基咪唑或酰基吡唑基团的双环丁烷,能以高对映选择性得到多种手性产物(图4)。
图3. 底物普适性考察(图片来源:Nat. Chem.)
图4. 不对称催化反应的底物普适性考察(图片来源:Nat. Chem.)
机理研究
为深入研究反应机理,在南京大学王国强教授DFT计算研究的帮助下,探究了BCBs与巯基乙醛二聚体的(3+3)环加成机理:反应始于配体交换生成活性锌催化剂,随后反应主要经历速率决定步骤—亲核取代/开环过程(决速步,能垒22.2 kcal/mol)和分子内Aldol反应(能垒15.7 kcal/mol)。在亲核开环过程中,TfO⁻作为质子梭介导质子转移,形成关键中间体。对映选择性控制的关键在于C–C成键过渡态:生成(R)-产物的能垒比(S)-低2.8 kcal/mol,该差异源于催化剂与底物的扭曲能不同,与实验观察到的高对映选择性一致 (图5)。
图5. 密度泛函理论计算与机理探索(图片来源:Nat. Chem.)
产物衍生化:集群式合成硫杂双环[3.1.1]庚烷
为了展示该方法学的实用性,作者进行了放大反应实验,克级规模下仍能以80%产率获得3b(图6a)。产物中存在的羰基、羟基、炔基和硫等丰富的官能团赋予了环加成产物多样性转化进一步拓展硫杂双环[3.1.1]庚烷分子空间的潜力。例如,如图6d所示。通过简单的酯化反应,研究者轻松地将具有药用价值的分子 (如阿塔鲁伦 (Ataluren) 和丙磺舒 (Probenecid) )) 引入到三维的thia-BCHep环系中 (7a→20,7a→21)。用戴斯-马丁氧化剂氧化7a,以71%的产率得到化合物22。通过乙酰化及随后的Wittig反应,从7a合成了烯烃23。值得注意的是,将(S)-3a经DBU/MeOH和DAST处理,成功获得对映体富集的氟代thia-BCHep 25。该类含氟的BCHeps骨架可作为合成塞来西布(Avagacestat,一种口服选择性γ-分泌酶抑制剂)三维等排类似物的前体 (图2c)。
图6. 克级规模反应及产物转化(图片来源:Nat. Chem.)
更为重要的是:此前BCB环加成反应所得双环[n.1.1]烷烃产物难以衍生化,无法有效模拟苯环类药物活性分子。相比之下,该方法制备的硫杂双环[3.1.1]庚烷可通过简单化学转化,可模拟至少5种苯环类药物活性分子的结构特征。从环加成产物5i或3g出发经过2-4步反应就可以分别实现Tolterodine(毒蕈碱受体拮抗剂)和URB597(抗癫痫抑制剂)核心母体苯环结构的模拟(图7a-b)。鉴于1,2,4-三取代的二氟尼柳药物具有很好的抗炎活性以及二氟尼柳的类似物水杨酰苯胺40具有非常好的抗骨质疏松活性。研究者通过调控硫的氧化态分别合成了含硫醚、亚砜和砜结构单元的多达7种硫杂双环[3.1.1]庚烷骨架。此外,对标上市抗癌药物索尼吉布(Sonidegib),作者利用其合成方法学以3b为起始原料,通过羟基的消除,以及硫氧化态的调控,经过3-4步反应构建了Sonidegib 的3类间位取代苯环类似物(43,45,47)(图7c)。
通过上述研究,该团队利用其方法学对标了5类治疗不同病症的活性药物,为1,2,4-三取代苯环、间位取代苯环提供了12类三维骨架,为相应的药物化学研究提供了丰富的工具箱,充分展示了该合成方法学在药物分子合成中的实用价值。
图7.苯环类药物三维类似物的制备(图片来源:Nat. Chem.)
出口矢量分析、药代动力学、药物活性以及安全性评价
接下来,作者通过晶体学结构分析比较了取代的thia-BCHeps与邻位、间位及1,2,4-三取代苯环的空间矢量分布 (图8a),表明它们的空间几何特征基本一致。
此外,作者研究了二氟尼柳(Diflunisal)、破骨细胞抑制剂40和索尼吉布(Sonidegib)及其三维类似物的理化性质,重点关注水溶性、亲脂性和代谢稳定性 (图8b)。
(1)水溶性。将二氟尼柳和40中的1,2,4-三取代苯环分别替换为1,4,5-三取代的thia-BCHep消旋体rac-30和rac-36,水溶性仅有少量的提升。然而,通过调控硫原子的氧化态可以调节thia-BCHeps衍生物的水溶性。将砜基引入thia-BCHeps骨架显著提高了其水溶性。比较索尼吉布与其含亚砜基thia-BCHep骨架的饱和类似物 (45) 的溶解度时,也观察到类似现象。总体而言,立体异构体表现出相近的溶解度。但化合物36是个例外:(S)-36的水溶性显著高于其对映体和消旋体rac-36。
(2)亲脂性。引入thia-BCHeps使clogP值降低了约2到3个单位。趋势上,含有更高硫氧化态的thia-BCHeps与更低的亲脂性相关。
(3)代谢稳定性。饱和生物电子等排体对生物活性化合物代谢稳定性的影响在所测试的类似物中有所不同。对于破骨细胞抑制剂40,引入thia-BCHeps (rac-36) 略微增强了其代谢稳定性。将40中的1,2,4-三取代苯环替换为含砜基的thia-BCHeps (rac-38),导致在人肝微粒体中的清除率显著降低,与母体芳烃相比,代谢稳定性提高了约十倍。此外,虽然化合物36和38的(R)-对映体与化合物40 相比表现出相当的代谢稳定性,但它们的(S)-对映体相对于化合物40则显示出显著增强的代谢稳定性。这一发现突显了发展不对称催化构建thia-BCHeps重要性。
最后,为了验证硫杂双环[3.1.1]庚烷替代1,2,4-三取代苯环对生物活性的影响。在南京中医药大学张薇副教授与中山大学钱宇教授的帮助下,该团队比较了非甾体抗炎药二氟尼柳、消旋化合物rac-29、rac-32、30、34及其对映体对COX-2(环氧合酶-2,是体内引起炎症反应的主要介质)的抑制活性,发现(S)-34对PGE₂产生的抑制效果优于二氟尼柳(图8c)。
图8. 硫杂BCHeps骨架与取代苯的几何结构及理化性质对比及其生物学评价(图片来源:Nat. Chem.)
作者还进一步评估了化合物40的三维类似物的破骨细胞抑制活性。采用TRAP染色法检测化合物对RANKL诱导的RAW264.7细胞破骨细胞生成作用的抑制活性。如图9a所示,消旋化合物36、37和38在5 μM浓度下能有效抑制破骨细胞分化。然而,化合物37尽管具有抗破骨细胞生成活性,但在此细胞模型中却具有显著的细胞毒性。值得注意的是,硫杂双环[3.1.1]庚烷衍生物的生物活性可以通过调控硫原子的氧化态 (35对比37) 和手性碳中心 ((S)-对映体 (36和38) 对比 (R)-对映体) 进行调节。(S)-对映体在抑制破骨细胞分化方面表现出比其 (R)-构型对应物显著更强的活性,并且单个 (S)-对映体的疗效甚至优于消旋混合物。
此外,为了探究1,5-二取代的硫杂双环[3.1.1]庚烯骨架能否有效模拟现有药物中的间位取代苯环,作者评估了抗癌上市药物Sonidegib及其三维类似物(特别是化合物43、45和47)的生物活性。为此,研究者们对5种癌细胞系:B16 (髓母细胞瘤)、MDA-MB-231 (三阴性乳腺癌)、HCC1954 (乳腺癌)、A549 (肺腺癌)和MIA PaCa-2 (胰腺癌)进行了CCK-8测定,评估Sonidegib三维类似物的抗增殖活性。结果所有类似物在所测试的细胞系中均表现出强效的抗增殖活性。值得注意的是,含硫化合物43对乳腺癌、肺癌和胰腺癌细胞系的抗肿瘤活性显著高于Sonidegib (图9b)。
由于thia-BCHeps 43和45可能经过代谢氧化为具有迈克尔受体结果的47,会带来结构上的警示,由共价交联产生基因毒性和肝毒性。于是,研究者们对thia-BCHeps化合物进行了初步安全性评价。体外和体内安全性评价数据表明,化合物43、45和47在治疗有效剂量下表现出有限的毒性,具有良好的安全性(图9c和图10)。
图9. 破骨细胞抑制活性、抗肿瘤活性与毒性评估(图片来源:Nat. Chem.)
图10. 化合物在小鼠体内的毒性评估(图片来源:Nat. Chem.)
综上所述,该研究开发了路易斯酸催化的双环丁烷与廉价巯基乙醛二聚体的[3+3]环加成反应,以100%原子经济性和优秀的对映选择性,高效合成了具有两个和三个“出口向量”的2-硫杂双环[3.1.1]庚烷。通过系统性的后期官能团转化及硫原子氧化态调控,快速拓展了包括2-硫杂双环[3.1.1]庚烯在内的结构多样性化学空间。该方法可实现克级规模制备,并通过对5种苯环类药物活性分子的结构模拟,成功创制12种双环[3.1.1]庚烷类三维类似物,充分彰显了该方法学在药物新骨架创制以及1,2,4-三取代、邻位和间位二取代苯环饱和生物电子等排体集群式合成方面的应用潜力。出口矢量分析结合药代动力学、生物活性及安全性评价确证了上述硫杂双环[3.1.1]庚烷骨架作为苯环饱和生物电子等排体的可行性,揭示了硫氧化态调控及等排体对映体对理化性质和生物活性的显著影响;此类硫杂双环[3.1.1]庚烷/烯衍生物作为可调节理化性质与生物活性的新型分子骨架,展现出广阔的药用前景,为药物发现的工具库增添了重要成员。
这一成果近期发表在Nature Chemistry上(DOI: 10.1038/s41557-026-02097-7),湖南大学冯见君教授、中山大学钱宇教授、南京大学王国强副教授和南京中医药大学张薇副教授为本文共同通讯作者。湖南大学为第一完成单位。上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和国家高层次人才青年(海外) 项目等的经费支持。作者同时感谢同行评审专家提出的宝贵意见以及大力支持。
通讯作者简介
冯见君:湖南大学化学化工学院教授,博士生导师,国家高层次人才青年项目(海外)入选者(2022),德国洪堡学者,中国化学会高级会员,《Chinese Chemical Letters》第七届编委会委员。2007-2010年在华东理工大学学习(硕士学位导师:施敏研究员);2008-2010期间在中科院上海有机化学研究所联合培养(指导老师:段伟良研究员);2013年博士毕业于华东师范大学(师从张俊良教授);2013-2014年于上海药明康德新药开发有限公司担任有机合成高级研究员;2014-2017年获聘华东师范大学讲师、晨晖学者;2017-2020年获德国“亚历山大-冯-洪堡基金会” (Alexander von Humboldt-Stiftung)”资助在柏林工业大学与Martin Oestreich教授合作开展有机硅合成研究;2020年底加入湖南大学。主持国家级和省部级项目4项。课题组聚焦“面向药用分子成药性提升的双环丁烷环加成化学”研究,构建了"方法学创新→分子库构建→成药性评价"的系统性研究体系。现以通讯作者和第一作者在Nat. Chem. (1)、Chem. Sov. Rev. (1)、J. Am. Chem. Soc. (5)、Angew. Chem. Int. Ed. (12)、Nat. Commun. (2)、ACS Catal. (4)、CCS Chem. (1)、Sci. China Chem. (2) 等期刊发表高水平论文近60篇。
目前课题组在双环丁烷等张力环化学领域取得良好积累和多项成果。课题组长期招聘博士后、研究助理和访问学生。热忱欢迎热爱化学、努力工作、用心生活的同学加入本课题组共同奋斗和成长。同时期待与药物化学家们和制药企业开展生物电子等排置换的新药研发合作。联系方式:jianjunfeng@hnu.edu.cn。
王国强,南京大学副教授。2016年在南京大学化学化工学院获博士学位,导师黎书华教授。2016-2020年在南京大学物理学院从事博士后研究,合作导师黎书华教授。2019-2020年赴德国柏林工业大学从事博士后研究,合作导师Martin Oestreich教授。2021年起任南京大学副教授。主要从事理论计算与数据驱动反应设计、人工智能辅助的化学合成等方面的研究。构建了自动化学反应设计、自动化学反应合成等技术与平台。主持国家自然科学基金委项目2项,以 (共同) 通讯作者、(共同) 第一作者及在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commum., Chem. Sci., ACS Catal.等国际有重要影响力的学术期刊发表研究论文30余篇。联系方式:wangguoqiang710@nju.edu.cn。张薇,南京中医药大学副教授,硕士研究生导师。江苏省“333人才工程”培养对象,江苏省免疫学会中医药免疫分委会委员。主要研究方向:1)炎症、感染、自身免疫性疾病发生的分子免疫学机制研究;2)天然产物及小分子化合物抗炎、抗感染的机制研究。在免疫分子信号转导、自噬及溶酶体功能调控、线粒体代谢方面具有丰富的经验。主持国家自然科学基金面上项目(2024)、国家自然科学基金青年基金(2020)、江苏省自然科学基金青年基金(2018)、江苏省高等学校自然科学研究面上项目(2017)各1项,参与国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划子课题各1项。在Cell Mol Immunol、Free Radic Biol Med、PLoS Pathog等高水平学术杂志发表研究论文10余篇,授权中国发明专利1项,参编人民卫生出版社《医学免疫和病原生物实验学》。目前担任Autophagy、Phytomedicine等学术杂志审稿专家。联系方式:zhangwei@njucm.edu.cn。钱宇,中山大学教授。中山大学“百人计划”二期引进人才,广东省珠江人才团队核心成员,广东省药学会制药工程专业委员会常务委员,广东省化学会药物化学专业委员会委员,主要研究方向为通过开发合成新技术在药物合成工艺以及抗感染、肿瘤领域进行药物开发与研究。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Cancer Discov., Chem. Sci., Sci. China Chem., J. Med. Chem., Org. Lett., Org. Chem. Front. 等国际核心期刊上发表SCI论文50多篇,获授权专利十余项。联系方式:qianyu5@mail.sysu.edu.cn。
论文信息
Collective synthesis of 1,2,4-trisubstituted, meta- and ortho-substituted arene bioisosteres from bicyclobutanes
Feng Wu,†Ji-Jie Wang,† Yuanjiu Xiao,† Quanxin Peng, Yu-Jie Li, Keren Peng, Qianlan Han, Mengran Wei, Yu Qian,* Wei Zhang,* Guoqiang Wang,* and Jian-Jun Feng*
Nat. Chem., 2026, https://doi.org/10.1038/s41557-026-02097-7