化学家梦寐以求的五个化学反应

本文转自“原理”：

许多药物具有非常相似的结构，如果你去研究那些最常见的药物，就会发现它们有一些共同点：都具有密集的官能团，有至少一个环状结构和一些裸露的氨基或羟基，通常还有一个散落的氟原子。

造成这种共同之处的部分原因是，化学家只能利用已知的化学反应和那些可用的构建模块来研发药物。另外，他们还需要考虑生物学，因此所有的反应必须能够耐受简单氮原子，因为它们几乎存在于每一种生物活性化合物中。使用不会因暴露在空气中而着火的试剂进行反应也是一大优势。

2014年的一项分析表明，在用于研发药物的合成反应中，有两种反应占了一半以上：一个是酰胺合成，另一个是铃木-宫浦反应。这两种反应之所以在药物化学中占据如此高的比例，是因为它们是最稳健的反应。

从最简单的化学反应，到诺奖级别的化学反应，每一个药物化学家都有一张自己的愿望清单，上面列举的是一些他们希望存在的化学反应。我们下面要列出的5个反应，或许会出现在许多化学家的列表当中：

1. 氟化反应

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氟化反应是指在具有许多官能团的分子中，将某一个特定的氢原子替换成一个氟原子。它的入选并不令人意外，超过20%的商业药品都含有氟，能将碳氢键（C–H）转化为碳氟键（C–F）可能会占据许多化学家的愿望清单榜首。

为什么氟化反应如此受化学家的青睐呢？这是因为在一种分子上哪怕只添加一个氟原子，也会提高这种分子的代谢稳定性和亲脂性。但难点在于，一旦某种分子的结构已经组装完成，就很难直接用氟原子取代掉分子中的某个特定氢原子。

虽然让分子氟化的方法有很多，但它们都需要添加另一个反应基团，然后将这个基团置换成氟。而药物化学家真正想要的是一种能直接将氢原子置换成氟原子的有效方法。目前的一些直接的氟化反应经常会产生位置异构体或过氟化物，因而造成选择性问题；再加上当只加入一个氟原子时几乎不会改变一个分子的反应活性或物理性质，因此在反应后要去除多余的反应物和副产物都不是一件容易的事情。

2. 杂原子烷基化

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这一类反应想要做的是将一个烷基有选择地附着在杂环化合物（吡唑、三唑、吡啶酮等）的杂原子（非碳、氢原子）上。这是一类非常普通却非常有用的化学反应，例如一些抗癌药物中就包含N-烷基-吡啶酮；在抗疟疾药物中可以找到O-烷基化吡啶酮。

目前，化学家无法对2-吡啶酮或4-吡啶酮中的氮原子还是氧原子上选择性的附着任何物质，最终通常只能得到N-烷基吡啶酮和烷氧基吡啶的混合物。

许多用于药物中的杂环也存在类似的问题。例如，吡唑和三唑是分别含有两个和三个氮原子的杂环化合物，它们有着非常相似的反应性，因此没有什么试剂组合能够选择性地修饰其中的某个特定氮原子。对于那些包含几个杂环的化合物，就更不要妄想能进行有选择的烷基化了。

3. 碳偶联

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化学家希望能通过碳偶联来缝合脂肪族化合物的碳原子。

20世纪70年代，化学家发现了交叉偶联反应，它能在钯的催化作用下将芳香族碳原子或其他sp²碳原子结合在一起，形成碳碳键（C–C ）。传统的平面交叉偶联反应很容易实现，但这种方法正受到越来越多的限制，化学家希望出现三维的偶联反应。如果一个反应能够有效地连接芳香族碳原子和脂肪族碳原子，那将是化学家梦寐以求的。

在交叉偶联反应中，钯作为催化剂的优势在于，它的氧化态和氧化还原反应可以被很好的控制。但是，尽管钯的催化循环完美地适用于sp²碳片段的偶联反应，它却并不能很好地作用于脂肪族偶联反应。有时候会出现我们并不想要的副反应取代原本期待的反应的情况；在更糟的情况下，反应甚至会完全停止。

但无论是用什么金属做催化剂，所有的交叉偶联反应都需要预官能团化，也就是要事先将反应基团附着在偶联剂上，这样催化剂就知道要在哪个位置连接碳原子了。化学家希望完全摆脱预官能团化的需要，他们的目标是把碳氢键（C–H）直接转化成碳碳键（C–C ）。

4. 生成和编辑杂环

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化学家希望能将各种官能团（从烷基到卤素）安装在芳香族和脂肪族杂环（如吡啶、哌啶和异唑）上的任意位置。如果用一个反应就能够生成全新的杂环，那就更好了。

杂环化合物是药物化学家的主要研究对象。大约60%的小分子药物都有一个杂环核心。到目前为止，最常见的杂环化合物有哌啶、吡啶和吡咯啶，其他还有如青霉烷等共计25种含氮杂环。

许多小的杂环化合物可以通过商业渠道买到，但那些不能买到的就得亲自合成了，这成了一个主要的难题。许多专为芳香烃设计的反应并不太适用于杂环芳香烃；氟化试剂会与杂环反应，将杂环化合物氧化；那些作为交叉偶联反应的催化剂的金属表面，经常会因为被吸附上杂环而失去催化作用。

2009年，一家英国生物技术公司的化学家发表了一篇题为《未来的芳香杂环》的论文，在这个诗意的题目背后，隐藏着一份3000多种小的杂环化合物的名单，尽管它们看起来都“可合成”，却从没有被制造出来过。

十年过去了，一组法国研究人员为了调查芳香杂环的合成情况，研究了这项研究所选出的22种具有代表性的杂环化合物。他们成功合成了其中的9种小的双环化合物，并让6种成为了更大的结构的一部分，还剩下7种没能进行描述。

5. 原子交换

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化学家希望能有选择地交换单个原子，比如将环上的一个碳原子和一个氮原子互换。碳-氮（C-N）交换反应或许是药物研发中最有用的一个新反应，它甚至能与诺奖级别的合成反应比肩。

这是极难实现的化学反应，一旦实现，将会彻底改变药物化学领域。那时，化学家将无需再担心如何官能团化杂环，也无需再担心如何在只有少数胺基的情况下进行交叉偶联反应。它就像是基因编辑的化学版本，可以将一个已经构建的分子中的的碳原子置换成氮、氧或硫原子。

有的化学家认为这是种不现实的设想，因为它实在太难了。但也有科学家认为，在CRISPR-Cas9出现之前，人们也认为定向基因编辑技术是不可能的。因此，这个反应是否会实现或许只是时间问题。

参考来源：

[1] D C Blakemore et al, Nat. Chem., 2018, 10, 383 (DOI: 10.1038/s41557-018-0021-z)

[2] https://www.chemistryworld.com/news/the-five-reactions-on-every-organic-chemists-wish-list/3010150.article