JACS：利用“解构-重构”策略实现嘧啶的稳定同位素标记

导读

将稳定的同位素掺入生物活性分子在药物开发中至关重要，特别是在代谢研究中，通常需要候选化合物的高质量同位素体。近日，美国科罗拉多州立大学（Colorado State University）Andrew McNally课题组报道了一种用于合成同位素富集嘧啶的同位素交换方法。作者通过将嘧啶分解为烯基亚铵盐，并用2H、13C和15N富集的脒类化合物重建，在各种取代模式下均实现了高同位素富集，包括复杂的类药嘧啶衍生物也可实现转化。该过程涉及一个由Tf2O介导的开环和闭环连续过程，形成嘧啶鎓离子，随后用吡咯烷裂解为烯基亚铵盐。然后在碱性条件下与标记的脒类化合物环化，形成标记的嘧啶。此外，作者还利用这种方法在嘧啶的5-位进行氘代，为生成更高质量的同位素体提供了更多的选择。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章链接DOI：10.1021/jacs.5c09719。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在药物和农用化学品开发中，将稳定同位素掺入有机分子是药物化学家们常用的策略，从而促进药物的吸收、分布、代谢、排泄和毒理学（ADMET）研究（Scheme 1A）。这些研究通常需要与母体化合物相差几个质量单位的同位素体，并具有高同位素富集度（IE），以便在生物流体的定量LCMS分析中作为内标。然而，将这些同位素掺入双氮杂环类化合物（药物和农用化学品的广泛组分）可能具有挑战性，特别是当它们嵌入复杂结构中时更具挑战。氢同位素交换反应可以直接在这些杂环的外围掺入氘原子，近期的研究进展使这种方法能够应用于复杂结构。然而，同位素富集度可能存在差异，且氘原子在化学处理过程或生物系统中可能发生交换。此外，化学家们通常会使用标记试剂来从头合成双氮杂环类化合物，以在环结构中掺入13C和15N原子，且这些原子不会发生进一步交换。这种方法依赖于有限的市售标记试剂，且通常涉及冗长的合成序列。近日，美国科罗拉多州立大学Andrew McNally课题组报道了一种两步法策略实现了嘧啶的稳定同位素标记。该方法将嘧啶分解为烯基亚铵盐，然后用2H-、13C-和15N-富集的脒类化合物实现重建。该过程提供了优异的同位素富集度，适用于复杂嘧啶，并能够实现从M+1到M+5的高质量同位素体的多样化稳定同位素标记（Scheme 1B）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

Scheme 2展示了嘧啶15N同位素标记的分解-重建方法。首先通过4-苯基嘧啶等试剂制备嘧啶鎓盐1，经哌啶介导裂解得到亚氨基烯胺2a（85%产率），再与甲脒-15N2乙酸盐反应生成15N富集的3，IE为53%（因2a中14N原子残留）。为提高富集度，作者改用吡咯烷分解1得到烯基亚铵盐2b，直接重建后IE提升至92%。进一步通过沉淀策略纯化2b，最终以86%的产率获得嘧啶3 （IE > 99%）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在最优反应条件下，作者研究了同位素富集过程中嘧啶的适用范围（Table 1）。此策略以嘧啶为起始原料，在分解步骤中经历一锅法嘧啶鎓盐形成-裂解过程以生成烯基亚铵盐，随后用标记试剂进行再环化。在研究过程中，作者发现当使用甲脒-13C-d-15N2时，DBU可能导致嘧啶产物2-位的氘部分损失，而DMAP是一种更温和的替代品。作者首先使用甲脒-15N2乙酸盐（一种由15NH4Cl生成的相对经济的试剂）制备了一系列M+2嘧啶。3a和3b的实验结果表明，该反应可耐受嘧啶4-位的烷基和饱和杂环。接下来，作者测试了一系列5-芳基嘧啶，芳环上含有卤素和醚取代基，得到了具有优异IE的产物3c-3e。此外，嘧啶4-位的芳香杂环也具有良好的耐受性（3f-3h），且4-位酰胺也是如此（3i）。值得注意的是，作者成功标记了4,5-二取代嘧啶3j，IE达到98%。

随后，作者考察了一系列更复杂的类药嘧啶。含有吡唑和吲唑环的3k和3l可从其母体14N-嘧啶高效形成。在3l的情况下，IE较低，作者将这些缺陷归因于烯基亚铵盐与亚氨基烯胺或嘧啶起始物料的分离不完全。这些结果在药物环境下的分离能力改善时可能会得到提高。5-芳基取代嘧啶3m、4,5-二取代嘧啶3n和含有哌啶的结构3o均以优异的IE形成。值得注意的是，作者还将同位素交换策略扩展至药物类似物，包括转移性乳腺癌治疗药物abemaciclib的衍生物等（3p），IE = 97%。

类似的，作者合成了encorafenib类似物的15N2富集版本（3q）。为证明该方法不仅限于甲脒，作者在再环化步骤中使用胍-15N3制备了一系列2-氨基嘧啶。含有三个15N原子的氨基嘧啶3r以良好的总产率和IE形成。随后，作者将相同策略应用于达拉非尼（一种用于治疗黑色素瘤和其他癌症的BRAF抑制剂）的前体，生成了15N富集度 > 99%的达拉非尼-15N3（3s）。

接下来，作者选择了四种复杂嘧啶与甲脒-13C-d-15N2结合，形成了一系列M+4嘧啶（3t-3w）。含有哌啶的结构3t以及encorafenib类似物3u均可实现转化，尽管IE有所降低。作者还得到了5-芳基衍生物3v，以及天然存在的甾体孕烯醇酮的M+4类似物（3w）。在后一种情况下IE较低，这是由于中间体亚氨基烯胺向烯基亚铵盐的转化缓慢所致。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于之前所发展的嘧啶5-位氯化方法，作者又开发了氘代策略（Scheme 3）。将烯基亚铵盐2b与催化量DCl在EtOD中反应可实现选择性氘代，再用甲脒环化，可获得5-位95%氘掺入率的嘧啶3x。

将此氘代过程与标记甲脒再环化方法结合，可制备M+1至M+5同位素体。以嘧啶4生成的烯基亚铵盐2c为例，氘代后与甲脒环化得5-氘代嘧啶3y（M+1）；未标记的烯基亚铵盐与甲脒-15N2环化得到3z（M+2）；氘代后与甲脒-15N2环化得到3aa（M+3）；与甲脒-13C-d-15N2环化得到3ab（M+4）；氘代后与甲脒-13C-d-15N2环化得到3ac（M+5）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：Andrew McNally课题组开发了一种通过“解构-重构”方法对嘧啶进行同位素标记的技术。该策略首先将嘧啶转化为烯基亚铵盐，然后采用与标记甲脒的环化反应形成同位素富集的嘧啶。该过程能够耐受多种官能团和取代模式，并适用于复杂嘧啶的后期标记。作者还开发了一种对中间体烯基亚铵盐进行氘代的策略。当与标记甲脒结合使用时，可产生从M+1到M+5的多种嘧啶同位素体。这些标记产物具有优异的同位素富集度，使这些高质量同位素体适用于ADMET研究以及15N NMR等技术方面的应用。

文献详情：

Benjamin J. H. Uhlenbruck and Andrew McNally*.

Stable Isotope Labeling of Pyrimidines Using a Deconstruction–Reconstruction Strategy.

J. Am. Chem. Soc., 2025,

https://doi.org/10.1021/jacs.5c09719.

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