首次实现：有机催化构建含中心手性的 N-N 轴手性异吲哚啉酮及其抗癌活性探索

为解决 N-N 轴手性异构体合成难题，华东理工大学 Xingguang Li 等人开展有机催化合成含中心手性的 N-N 轴手性异吲哚啉酮研究。结果实现高选择性合成且发现其抗癌潜力。推荐阅读，助您了解前沿成果！

　　

华东理工大学（East China University of Science and Technology）上海功能材料化学重点实验室、先进材料重点实验室以及化学与分子工程学院的 Xingguang Li、Xin-Ze Wang 等研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Organocatalyzed diastereo- and enantioselective synthesis of N–N atropisomeric isoindolinones bearing central chirality” 的论文。该研究在有机合成领域意义重大，为构建具有特殊结构和生物活性的化合物开辟了新路径，有望推动药物研发、材料科学等相关领域的发展。

研究背景

在有机合成领域，催化构建具有轴向手性的化合物一直是研究热点。N-N 轴向手性骨架广泛存在于天然产物、生物活性分子以及有机材料中，但由于 N-N 键的旋转能垒相对较低，N-N 轴手性异构体及其合成的研究发展相对滞后，面临诸多挑战。尽管近年来已有一些构建 N-N 轴手性骨架的策略被报道，如有机催化的 N-H 烷基化和酰化反应、Cu 催化的去对称傅克烷基化反应、不对称环化反应以及 C-H 官能化反应等，但开发简便获取新型 N-N 轴向手性骨架的方法仍然极具需求且充满挑战。

与此同时，催化对映选择性构建中心手性轴手性异构体成为新兴研究领域。将新特性融入轴手性异构体，能拓展其潜在应用。然而，与研究广泛的多手性 C-C 和 C-N 轴手性异构体相比，构建具有中心手性的 N-N 轴手性异构体的研究还很不充分。在催化过程中产生多个手性元素，对非对映选择性和对映选择性控制都构成巨大挑战。虽然此前有间接合成轴手性酰肼的报道，但直接高立体选择性地获得具有 N-N 轴向和中心手性的轴手性异构体的方法尚未见报道。

另外，异吲哚啉酮（isoindolinone）骨架是多种天然产物和药理相关分子的核心结构。受前期利用 2 - 酰基苯甲醛对伯胺进行 N - 封端制备异吲哚啉酮的研究启发，结合手性磷酸（Chiral Phosphoric Acid，CPA）在立体控制催化方面的进展，研究团队设想通过不对称 [4 + 1] 环化反应，利用大位阻肼和邻甲酰基二苯甲酮，经 CPA 催化的芳构化和去芳构化级联过程，合成具有 N-N 轴向和中心手性的异构体。

关键技术方法

研究人员采用有机催化的方式，以手性磷酸（CPA）作为双功能催化剂，促进一系列反应过程，包括两次亲核加成、脱水以及去芳构化等，实现了高度非对映选择性和对映选择性的 [4 + 1] 环化反应，从而合成出具有 N-N 轴向和中心手性的异吲哚啉酮。在反应过程中，CPA 既作为酸促进反应进行，又作为质子源参与反应，在多个关键步骤中起到至关重要的作用。同时，研究人员还通过控制实验和密度泛函理论（DFT）计算对反应机理进行深入研究，以揭示反应的立体选择性决定步骤和详细过程。

研究结果

1. 反应条件优化：研究人员选择 2 - 酰基苯甲醛 2a 作为 1,4 - 双亲电体，N - 氨基吲哚 1a 作为双亲核体开展反应条件优化研究。起初，BINOL 衍生的 CPA（R）-A1 催化反应，能得到 N-N 轴向手性异吲哚啉酮 3a，但产率仅 33%，ee 值 25%，dr 值 10:1。随后，研究人员考察了多种 BINOL 和 SPINOL 衍生的 CPA 催化剂，发现（S）-A4 效果最佳，可使 3a 的产率达到 53%，ee 值 91%，dr 值 13:1。经过溶剂筛选，确定甲苯为最佳溶剂。降低反应温度至 - 20°C，并将催化剂负载量降至 5 mol% 时，产率提高到 73%，ee 值达到 93%，dr 值大于 20:1。在优化过程中，还观察到副产物 3a'，其产率小于 10%。
2. 底物范围拓展：在确定最佳反应条件后，研究人员对底物范围进行探索。各类在 C5、C4 和 C3 位置带有不同电子性质取代基的 N - 氨基吲哚 1，在该反应中均表现出良好的反应活性，能以 54 - 77% 的产率得到产物 3a - 3k，且对映选择性和非对映选择性优异（89 - 98% ee，>20:1 dr）。吲哚环 C2 位置带有其他酯基甚至酰胺基的底物也能兼容，以中等至良好的产率和高立体选择性得到 3l 和 3m。N - 氨基吡咯类底物同样表现出色，如 2,4 - 二取代的 N - 氨基吡咯 1n 能高效生成目标产物 3n（64% 产率，>99% ee，>20:1 dr），多取代的 N - 氨基吡咯也能顺利反应得到 3o 和 3p。不同酯基取代的底物也能很好地兼容，以良好的产率和优异的立体选择性得到 3q - 3t。通过 X 射线晶体学确定了 3i 和 3n 的绝对构型分别为（RN-N，SC）和（RN-N，RC）。
   研究人员还考察了不同 2 - 酰基苯甲醛参与反应的可行性。多种在 C4 - C6 位置带有不同电子性质取代基的 2 - 乙酰基苯甲醛与 1a 反应顺利，能高效立体选择性地得到 N-N 轴向手性异吲哚啉酮 3u - 3aa（57 - 74% 产率，88 - 99% ee，>20:1 dr）。将甲基换成正丙基，对反应效率和立体选择性影响不明显。
   此外，研究人员尝试利用合适的亲电试剂捕获原位生成的羟基异吲哚啉中间体 III，以构建连续的 N-N 轴和季碳中心，但未成功。不过，带有大位阻 CO2iPr 或 CO2Bu 酯基的 N - 氨基吲哚 1，会发生意外的缩合和氧化不对称去芳构化反应，主要生成带有季碳中心的 N-N 轴向手性异吲哚啉酮基氢过氧化物 4a 或 4b，且立体选择性优异（92 - 97% ee，>20:1 dr）。通过 X 射线晶体学确认了 4b 的结构和绝对构型。该反应对带有供电子或吸电子基团的 2 - 酰基苯甲醛都适用，能高效得到 4c - 4f，且立体选择性良好。带有正丙基或芳基取代基的底物也能很好地兼容，得到 4g - 4k。5 - 甲基和 5 - 溴取代的 N - 氨基吲哚也能参与反应，以中等至良好的产率和优异的立体控制得到 4l - 4o。由（-）- 冰片衍生的 1y 也可作为底物制备 4p，尽管产率较低。
   实验还发现，将手性产物 3p、3u、4f 和 4j 在 110°C 的甲苯中搅拌 12 h，这些化合物能以高回收率得到，且对映选择性和非对映选择性基本不变，表明 N-N 轴向手性异吲哚啉酮具有较高的化学稳定性和构型稳定性。
3. 合成应用与机理研究：为了进一步凸显该催化方法的合成实用性，研究人员进行了放大实验，并对手性产物进行进一步转化。1e 和 1o 分别与 2a 进行 1 mmol 规模的反应，3e 和 3n 的产率和立体选择性没有明显下降。3n 的吡咯环 C3 位能顺利进行选择性溴化反应生成 3p，3p 进一步进行铃木（Suzuki）偶联反应时，对映纯度仅有微小损失。3n 的酯基也能容易地转化为羧基，且起始原料的高 ee 值得以保持。
   研究人员通过一系列控制实验对反应机理进行探究。实验表明，脱水反应对于 [4 + 1] 环化反应至关重要，副产物 3a' 不是反应中间体，使用非手性的二苯基磷酸替代 CPA 催化剂会得到外消旋的产物 3i 和 3n，但非对映选择性良好。对 4d’进行标准条件反应，未生成 4d，排除了直接氧化途径的参与。氘代实验结果表明，CPA 在生成 3a 的反应中作为酸和质子源。
   研究人员利用密度泛函理论（DFT）计算对反应机理和立体选择性关键步骤进行研究。计算结果显示，1a 的氨基与醛基的第一次加成可逆生成外消旋中间体 I，其能量比反应物高 1.4 kcal/mol。第二次加成到酮基形成的中间体 II 含有两个手性中心和一个手性轴，有八种立体异构体可能。四个非对映异构体的相对能量在 - 3.5 到 -0.6 kcal/mol 之间。随后的脱水和互变异构化分别生成中间体 III 和产物 3a，这两个过程是高度放能且不可逆的。中间体 III 的不可逆形成很可能是立体决定步骤，因为计算得到的能垒较高，导致最终只生成一种主要的对映异构体 III。基于实验观察、DFT 计算以及文献先例，研究人员提出了产物 3 和 4 生成的可能机理。
4. 抗癌性能评估：鉴于合成的对映体富集的 N-N 轴手性异构体可能具有生物活性，研究人员对其抗癌性能进行评估。采用细胞计数试剂盒 - 8（CCK-8）法初步筛选了一系列产物 3 和 4 处理后 4T1 细胞的活力。结果显示，化合物 3a、3n 和 4a 在 50 μM 浓度下，部分抑制肿瘤细胞生长，细胞活力分别为 66.5%、56.8% 和 53.1%，表明合成的 N-N 轴向手性异吲哚啉酮具有抑制肿瘤细胞生长的潜力。
   通常，活性氧（ROS）的过量产生是凋亡细胞早期的关键标志。研究人员利用 2’,7’- 二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）作为 ROS 荧光探针评估细胞内 ROS 水平。共聚焦图像显示，随着化合物 3a、3n 和 4a 剂量的增加，ROS 的绿色荧光信号增强，表明这些化合物能有效诱导细胞凋亡。用钙黄绿素乙酰氧基甲酯（calcein-AM）和碘化丙啶（PI）对 4T1 细胞进行标记，观察活细胞和死细胞。结果发现，用 50 μM 的 3a、3n 和 4a 处理后，4T1 细胞中出现明显的 PI 红色荧光信号，表明它们对癌细胞具有高抑制活性。通过膜联蛋白 V - 异硫氰酸荧光素 / PI（annexin V-FITC/PI）染色法进行流式细胞术分析，结果显示化合物 3a、3n 和 4a 能以剂量依赖的方式诱导 4T1 细胞凋亡，在 50 μM 时凋亡率分别为 50.2%、55% 和 41.5%，证实了这些化合物的抗癌活性可能与诱导细胞凋亡有关。

研究结论与讨论

研究人员通过布朗斯特酸（Br?nsted acid）催化的不对称 [4 + 1] 环化反应，建立了一种前所未有的、高度非对映选择性和轴手性选择性的合成 N-N 轴向手性异吲哚啉酮的方法。这是首次直接构建具有中心手性且立体控制优异的 N-N 轴手性异构体的实例。该方法由手性磷酸双功能催化，涉及两次亲核加成、脱水和去芳构化过程。控制实验和 DFT 计算表明，反应机理中，羟基联芳基中间体的不可逆形成可能是决定立体选择性的关键步骤。此外，初步的生物活性研究显示，部分 N-N 轴向手性异吲哚啉酮具有潜在的抑制肿瘤细胞增殖的活性。

这项研究成果不仅丰富了有机合成中构建手性化合物的方法，为合成具有特殊结构和功能的化合物提供了新策略，而且在药物研发领域展现出潜在应用价值，有望推动新型抗癌药物的开发。其在化学合成和生物医学领域的跨学科意义，为后续相关研究开辟了新方向，激发科研人员进一步探索这类化合物的更多性质和应用。