【Sci. Adv.】曾中一/易伟/高辉：吡啶自由基型对映汇聚式间位C−H烷基化

导语

吡啶骨架是生物活性分子、农用化学品、配体及功能材料中的关键结构单元，其衍生物常以手性形式存在（图1a）。吡啶C−H键的区域选择性与对映选择性官能化，是将手性基团精准引入氮杂芳环母核最直接且具步骤经济性的策略之一。由于吡啶固有的电子效应，绝大多数已报道的不对称官能化优先发生在邻位或对位（图1b），包括自由基亲核试剂和阴离子亲核试剂的对映可控加成，以及以烯烃/亚胺为底物的过渡金属催化对映选择性C−H烷基化。相比之下，吡啶间位C−H官能化仍具挑战：经典亲电芳香取代和过渡金属催化C−H活化通常只能得到非手性或消旋产物。近年来，临时去芳构化策略成为有力替代方案：该策略将吡啶转化为富电子烯胺型中间体，从而实现选择性间位官能化（图1c）。二氢吡啶、Zincke亚胺以及噁嗪并吡啶等去芳构化中间体可发生亲电取代，再经重新芳构化得到间位取代的氮杂芳环化合物。尽管相关研究已取得重要进展，但吡啶的分子间对映选择性间位C−H官能化仍处于起步阶段。其中，自由基介导的吡啶不对称间位C−H官能化长期难以实现，主要受限于自由基中间体寿命短、竞争性消旋以及自由基反应本身立体控制困难等根本问题。

针对上述瓶颈，基于课题组在吡啶间位修饰方面的前期积累（Angew. Chem. Int. Ed.2026, e4582039; Nat. Commun.2024, 15, 7428; Chem Catal.2025, 5, 101326; Org. Lett.2026, 28, 9647）。近日，广州医科大学药学院曾中一/易伟联合广州南方学院高辉教授实现了一种温和高效的吡啶自由基对映汇聚式间位C−H烷基化方法。该方法借助氧化还原中性的临时去芳香化策略，可构建全碳季手性中心（图1e）。该反应包含三步：去芳香化环加成、镍催化噁嗪并吡啶与环状β-酮酰胺的对映汇聚式脱氢交叉偶联，以及酸介导的重新芳构化。综合实验与DFT计算支持如下机制：同时生成的噁嗪并吡啶衍生烯丙基自由基与镍结合的α-羰基自由基发生交叉偶联，该步骤决定了对映选择性。该反应具有优异的区域选择性与对映选择性、良好的官能团兼容性及放大合成潜力，并可用于含吡啶药物分子的后期官能化。相关成果近期发表于Science Advances（DOI：10.1126/sciadv.aec7499）。

图1吡啶对映选择性间位C−H官能团化研究背景（图片来源：Sci. Adv.）

前沿科研成果

作者在优化条件下考察了该反应的底物适用范围。多种去芳香化吡啶化合物均能与各类β-酮酰胺高效偶联，表现出优异的区域选择性，并以良好产率生成间位烷基化产物。首先，以β-酮酰胺2a为模型底物，考察吡啶底物的适用范围（图2a）。该反应普适性突出：无论取代基电子效应如何，均可兼容无取代吡啶（3）、2-, 3-, 4-位单取代吡啶（4−20）及二取代吡啶衍生物（21−24）。值得注意的是，C2位取代的吡啶衍生物专一性生成热力学有利的C5位官能化产物（4−11），推测源于C2取代基的空间位阻作用。联吡啶类化合物（26、27）可在其中一个吡啶环上发生选择性单去芳构化，再经重新芳构化得到单烷基化产物。对于含有两个不同取代吡啶环的分子，该氧化还原中性去芳构化反应优先在空间位阻更小的母核上进行，从而实现多吡啶体系的化学选择性间位单官能化（25）。该方法同样适用于稠合氮杂芳烃，包括噻吩并[2,3-c]吡啶（28）、喹啉（29）与苯并[h]喹啉（30）。该反应对许多常见官能团均具有良好耐受性，包括醚基（13、43、47、53）、氟（8、48、57）、氯（9、44、54）、溴（5、7、45、49）、碘（55）、烯基（19）、炔基（22）、甲酰基（6、20）、酮基（24）、酰胺基（16、17）、硝基（9）、氰基（14、51）、三氟甲基（50）、三氟甲氧基（56）、砜基（34）以及噻吩基（11）。该反应条件温和、稳定性好，可用于吡啶类配体（8）、药物前体（6、9）以及烟醇（31）、尼可刹米（32）、(S)-可替宁（33）、维莫德吉（34）、氯雷他定（37）、布洛芬酰胺（35）、非布司他衍生物（36）等药物分子的后期官能化修饰。

大量常见官能团均可耐受，包括醚基（13、43、47、53）、氟（8、48、57）、氯（9、44、54）、溴（5、7、45、49）、碘（55）、烯基（19）、炔基（22）、甲酰基（6、20）、酮基（24）、酰胺基（16、17）、硝基（9）、氰基（14、51）、三氟甲基（50）、三氟甲氧基（56）、砜基（34）以及噻吩基（11）。该反应条件温和、稳定性好，可用于吡啶类配体（8）、药物前体（6、9）以及烟醇（31）、尼可刹米（32）、(S)-可替宁（33）、维莫德吉（34）、氯雷他定（37）、布洛芬酰胺（35）、非布司他衍生物（36）等药物分子的后期官能化修饰。

随后，以吡啶为受体，考察β-酮酰胺底物的适用范围（图2b）。该反应对各类取代的环状β-酮酰胺均具有良好的普适性，且不受取代基电子性质或取代位置的影响，充分体现了该合成策略的灵活性与通用性（42−61）。酰胺部分上无论是体积较小还是较大的芳基取代基（38），还是脂肪族取代基（39−41），均可兼容，并以良好收率得到间位烷基化吡啶产物。六元（62）和七元（63）双环β-酮酰胺均可顺利反应，环状（64）和链状（65）脂肪族β-酮酰胺同样适用。在该阶段，二羰基化合物、β-酮酯、β-酮酸、β-酮腈及β-酮砜均无法生成目标间位烷基化吡啶产物，这表明酰胺基团对该反应至关重要。

图2吡啶外消旋底物间位烷基化适用性考察（图片来源：Sci. Adv.）

此外，作者还将该反应成功拓展至电氧化体系，无需使用牺牲性氧化剂。初步条件优化表明，以甲醇为溶剂、nBu₄NBF₄为电解质，采用结构简单的无隔膜电解池，以石墨毡（GF）为阳极、铂板（Pt）为阴极，在室温、恒电流5 mA条件下电解12 h，可获得最佳效果。在此条件下，多种吡啶类化合物可与不同环状β-酮酰胺选择性发生甲基化反应，尽管效率略低于使用化学氧化剂时（图3）。

图3吡啶电化学外消旋间位烷基化底物适用性考察（图片来源：Sci. Adv.）

在证实β-酮酰胺可作为高效烷基自由基前体用于吡啶间位烷基化后，作者进一步探究了该反应的不对称体系。尽管开壳层中间体及图2所示的严重消旋背景反应带来巨大挑战，但若能实现，该反应将成为首例自由基介导的吡啶对映选择性间位官能化反应。基于β-酮酰胺的双齿配位特性，作者提出假设：手性路易斯酸催化剂可通过烯醇化及后续单电子氧化，促进生成金属锚定的α-羰基自由基中间体。初步筛选以Ni(OTf)₂搭配多种手性配体进行考察（图4）。单齿配体（膦酸配体L1）和三齿配体（PyBoxL4、DBFOXL5）均得到消旋产物（条目1、4、5）；双齿骨架配体（二胺L2、BoxL3）的对映选择性控制则不稳定（条目2、3）。四齿N,N′-二氧化配体（冯氏配体）性能更优，反应效果更稳定，原因在于其刚性配位环境可减少催化剂以多种活性物种共存的现象。该类配体中，哌啶酸衍生骨架持续优于脯氨酸类似物（条目8−10）。苯胺片段的空间位阻调控对反应活性与立体选择性均至关重要，其中带有2,6-二异丙基取代基的L8为最优配体（条目6−8）。路易斯酸金属中心的种类对立体选择性控制起决定性作用（条目11−13）：Zn(OTf)₂或Ca(OTf)₂介导反应时仅得到消旋产物；Mg(OTf)₂可获得中等ee值，但仍不及Ni(OTf)₂体系。镍(II)盐的抗衡离子同样显著影响对映选择性（条目14−17）：Ni(acac)₂、NiCl₂·glyme和NiSO₄均可顺利反应，但只生成消旋体；Ni(ClO₄)₂可得到中等ee值，但依旧弱于Ni(OTf)₂。该趋势很可能源于：在L8-Ni(II)配合物中，OTf⁻和ClO₄⁻配位能力较弱，更有利于底物1a与金属中心发生配体交换。

作者成功证实β-酮酰胺可作为高效烷基自由基前体用于吡啶间位烷基化，这一发现推动他们进一步探究该反应的不对称体系。尽管开壳层中间体以及图2所示的严重消旋背景反应带来巨大挑战，但该反应一旦实现，将成为首例自由基介导的吡啶对映选择性间位官能化反应。利用β-酮酰胺的双齿配位特性，作者提出假设：手性路易斯酸催化剂可通过烯醇化及后续单电子氧化，促进生成金属锚定的α-羰基自由基中间体。初步筛选以三氟甲磺酸镍Ni(OTf)₂搭配多种手性配体进行考察（图4）。单齿配体（膦酸配体L1）与三齿配体（PyBoxL4、DBFOXL5）得到消旋产物；而双齿骨架配体（二胺配体L2、BoxL3）对映选择性控制效果不稳定。四齿N,N'-二氧化配体（冯氏配体）性能更优，表现出更稳定的反应效果，原因是其刚性配位环境能够减少催化剂多种活性物种共存现象。在该类配体中，哌啶酸衍生骨架的效果持续优于脯氨酸类似物。苯胺片段的空间位阻调控对反应活性与立体选择性均至关重要，带有2,6-二异丙基取代基的L8为最优配体。路易斯酸金属中心的种类对立体选择性控制起决定性作用：使用Zn(OTf)₂或Ca(OTf)₂介导反应时得到消旋产物；而Mg(OTf)₂可获得中等ee值，但仍不及Ni(OTf)₂体系。镍(II)盐的抗衡离子同样显著影响对映选择性：使用Ni(acac)₂、NiCl₂·glyme和NiSO₄时，反应均可顺利进行，但只生成消旋体。与之相比，Ni(ClO₄)₂能得到中等ee值，但依旧弱于Ni(OTf)₂。该变化趋势很可能源于：在L8-Ni(II)配合物中，OTf⁻和ClO₄⁻阴离子配位能力较弱，更利于与底物1a发生配体交换。

图4吡啶对映选择性间位C−H烷基化反应条件筛选（图片来源：Sci. Adv.）

作者借助不对称合成方法，考察了吡啶底物的适用范围（图5）。无取代吡啶（3）、2-、3-、4-位单取代吡啶（4−20）及二取代吡啶（21、22）均能顺利反应，以良好收率和高对映选择性生成相应的间位烷基化吡啶产物。其中，C2位取代吡啶专一性地生成C5位官能化产物（4−11），说明反应优先生成δ-烷基化的噁嗪并吡啶中间体。联吡啶可发生选择性单烷基化（26），苯并[h]喹啉也能有效参与反应。该反应可兼容多种官能团，包括醚基（43、47、53）、氟（8、48、57）、氯（44、54）、溴（5、7、45、49）、碘（55）、烯基（19）、炔基（22）、甲酰基（6、20）、酰胺基（17）、三氟甲基（50）、三氟甲氧基（56）、砜基（34）及噻吩基（11）。该反应具有优异的底物耐受性，可用于含吡啶配体（8）、药物前体（6）以及尼可刹米（32）、维莫德吉（34）、布洛芬酰胺（35）、氯雷他定（37）等药物分子的后期修饰。此外，在环状β-酮酰胺的酰胺片段上引入位阻更大的取代基，可显著提升立体控制效果（38−41）。各类茚酮甲酰胺，无论取代基的电子效应与取代模式如何，均可作为高效偶联组分，以良好收率和高对映纯度稳定获得目标产物（43−61）。六元、七元双环、单环以及链状β-酮酰胺仅能得到消旋产物或微量产物，表明这类底物的立体化学控制极具挑战性。通过X-射线单晶衍射分析，确定化合物45和49的绝对构型均为（R）。

图5吡啶自由基对映选择性间位烷基化底物适用性考察（图片来源：Sci. Adv.）

随后，作者进一步证明，消旋及对映选择性合成均易于放大规模。上述间位烷基化反应可按两步法进行：先发生去芳构化并分离噁嗪并吡啶中间体，再构建位阻较大的季手性中心；该路线可快速制备一系列结构类似物，并可简化为一锅法操作（图6a）。该简化方案既适用于简单吡啶，也适用于含吡啶结构的复杂药物分子，进一步提升了方法的实用性。侧链烷基上引入的羰基与酰胺基团赋予间位烷基化吡啶很高的合成衍生潜力。如图6b所示，利用硼氢化钠对羰基进行化学选择性还原，能以优异收率得到仲醇产物（66）。另一方面，采用三乙基硅烷/三氟化硼乙醚体系还原，可将相邻的羰基与酰胺基定量还原，生成碳碳双键，得到间位烯基化吡啶（67）。格氏试剂对羰基加成可生成叔醇（68）。与盐酸羟胺缩合可顺利得到肟（70）；在温和酸性条件下，叔丁基酰胺保护基可干净脱除，释放游离氨基（69）。值得注意的是，上述衍生化过程中，产物的对映纯度均未见明显下降。

图6合成应用（图片来源：Sci. Adv.）

为深入理解反应机制，作者开展了一系列机理研究（图7）。首先，向体系中加入自由基捕获剂TEMPO或1,1-二苯乙烯后，产物生成被完全抑制，并检测到相应加合物71或72，证明反应中存在α-羰基自由基中间体。随后，作者使用DMPO进行进一步自由基捕获实验，发现无论是否添加β-酮酰胺2a，均可得到吡啶加合物73，表明体系中存在源自噁嗪并吡啶的自由基（图7a）。值得注意的是，在水解前，通过HRMS检测到烷基化噁嗪并吡啶74及双官能化类似物75，据此提出如下反应路径：噁嗪并吡啶先发生双官能化，再经消除和开环，使吡啶环重新芳构化。动力学同位素效应（KIE）测得为1.1，表明C−H键断裂并非决速步； DFT计算结果也支持这一结论（图7b）。循环伏安测试显示，噁嗪并吡啶1a′（+1.96 V vs. Ag/AgCl）与环状β-酮酰胺2a（+1.79 V vs. Ag/AgCl）的氧化电位相近，说明二者可在该反应条件下同时被氧化（图7c）。

图7机制研究（图片来源：Sci. Adv.）

为证实实验机理结论并阐明镍催化C−H烷基化反应的关键手性调控因素，作者开展DFT计算（图8a）。在水存在条件下，以噁嗪并吡啶1a′为起点，其与Ag₂O之间的单电子转移（SET）被确认为催化循环的决速步，计算得到的自由能垒为24.0 kcal/mol，并生成自由基阳离子[1a’]﮲⁺。自然布居与自旋密度分析表明，正电荷主要定域于Cα位，少量分布在Cγ位；最高自旋密度则集中在Cβ与Cδ位（图8c）。从动力学（Δ∆G≠= −0.1 vs. 3.6 kcal/mol）与热力学（ΔG = −33.9 vs. −19.3 kcal/mol）两方面来看，该电荷分布均有利于氢氧根负离子对Cα位发生亲核进攻，从而优先生成中间体INT-2a而非INT-2b。与此同时，手性镍配位的β-酮酰胺配合物[2a-Ni]在氢氧化银辅助下发生脱质子化，随后与Ag₂O发生单电子转移（ΔΔG = 13.8 kcal/mol），生成亲电性镍结合的α-羰基自由基[2a-Ni]•（图8b）。另一条经由INT-4b、先发生单电子转移再去质子化的路径在能量上不利，能垒高达19.9 kcal/mol。烷基自由基[2a-Ni]•继而与INT-2a发生对映选择性自由基-自由基偶联，生成(R)-产物配合物INT-3δR，释放14.0 kcal/mol自由能。与之相比，生成(S)-对映异构体中间体INT-3δS的路径在能量上更不利（图8d）。最低能量路径中存在更多氢键与C−H∙∙∙π相互作用，这解释了计算得到的2.1 kcal/mol能量差，该能量差倾向于生成(R)-构型产物，与实验测得的90% ee对映选择性吻合。

图8DFT计算及可能反应机理（图片来源：Sci. Adv.）

基于实验结果、计算数据及文献先例，作者提出了吡啶不对称间位烷基化反应机理（图8e）。噁嗪并吡啶1a′可由吡啶与丁炔二酸二甲酯（DMAD）、丙酮酸甲酯（MP）经氧化还原反应制得。该去芳构化中间体随后被Ag₂O单电子氧化，生成自由基阳离子[1a’]﮲⁺，此步骤被计算为反应的决速步。随后，氢氧根负离子对[1a’]﮲⁺的Cα位发生亲核进攻，得到噁嗪并吡啶衍生的烯丙基自由基INT-2a。与此同时，由Ni(OTf)₂与四齿配体L8原位生成的手性路易斯酸催化剂[Ni*]与β-酮酰胺2a配位。接着发生脱质子化，并经Ag₂O单电子氧化，生成亲电性镍结合的α-羰基自由基[2a-Ni]﮲。[2a-Ni]﮲与INT-2a之间发生快速、放热且极性匹配的对映选择性自由基−自由基偶联，最终得到对映体富集的δ-烷基化加成产物。最后，在酸促进下脱水、开环并再芳构化，完成整个反应历程，释放出高对映纯度的间位官能化吡啶产物(R)-3。

综上所述，该团队开发了一种温和高效的策略，通过氧化还原中性的临时去芳构化实现吡啶自由基对映选择性间位烷基化。这是首例利用自由基过程实现吡啶不对称间位烷基化的反应。对照实验和计算研究表明，该转化的成功依赖于噁嗪并吡啶衍生的烯丙基自由基与镍配位α-羰基自由基的同时生成，随后发生极性匹配、对映选择性的自由基−自由基偶联。该方法展现出优异的区域选择性与对映选择性控制、广泛的官能团兼容性、良好的可放大性以及多样的后期结构修饰能力，从而显著提升了其应用潜力与适用性。该策略拓展了吡啶的化学空间，在合成和药物发现中具有广阔应用前景。

导师简介

曾中一，教授、广东省重大人才青年项目（教育厅）入选者。2018年于德国海德堡大学获得博士学位；随后分别于瑞士苏黎世大学和德国波鸿鲁尔大学从事博士后研究；2021年底以南山学者特聘教授加入广州医科大学药学院。主持国家自然科学基金、省市级等科研和人才项目。研究兴趣为氮杂环类药骨架的分子设计、绿色光/电合成方法开发及其药学应用；以通讯/第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、ACS Catal.、Chem. Sci.、Chem Catal.、Chin. Chem. Lett.、Green Chem.、Coord. Chem. Rev.等主流期刊上发表论文30余篇；论文总引1500余次，h指数为20；申请国家发明专利2项。

易伟，呼吸疾病国家重点实验室教授、广州医科大学药学院院长；博士生导师、南山学者杰出人才、广东省杰青、广州市岭南英杰；中科院青年创新促进会会员、中国药学会会员、中国药理学会会员、中国化学会会员。主要从事以结构为基础、功能为导向的创新药物设计与发现。迄今在Nature、Cell Res.、Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、ACS Catal.、Chem. Sci.、PNAS、APSB等国际著名期刊上已发表研究论文100余篇，总他引率4000余次，h指数大于40。申请国内外发明专利10余项（包括美国专利一项、PCT五项），其中部分已成功转让，总金额近800万美元。

高辉，现任中医药健康学院教授。曾任广州医科大学研究员、“南山学者”教授、博士生导师、博士后合作导师、广州市高层次人才，广东省药理学会科学普及专业委员会委员、广东省生物医学工程学会药品食品智能制造工程分会委员，主要从事药物合成反应机制研究、计算加速药物设计以及人工智能药学的研究。发表SCI论文80余篇，其中以第一作者或通讯作者（含并列）在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal.等国际著名期刊上发表论文30篇(其中IF>10的论文8篇)；主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金（3项）等。

论文信息

Radical Enantioconvergent meta-C−H Alkylation of Pyridines

Shi Qin,§Xinyu Gao,§Qixin Li,§Mingyu Zhang,§Ying Lin, Mei Wang, Mingkai Yang, Shengdong Wang, Zhi Zhou, Hui Gao,* Wei Yi,* and Zhongyi Zeng*

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec7499

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