γ 辐射介导的无氧化剂交叉脱氢氧烷基化：药物后期功能化的新曙光

本文介绍了一种利用 γ 射线介导的光氧化还原过程实现交叉脱氢氧烷基化的新方法（CDC）。该方法能在无金属和氧化剂的水相条件下生成氧烷基自由基，用于药物后期功能化，且对多种官能团兼容性良好，还提升了 FAPI 分子药代动力学性能，极具研究价值。

　　### 引言
在药物研发领域，从已知药物出发进行结构改造是发现新药的有效策略，而药物后期功能化（Late-stage functionalization，LSF）成为关键手段。它能快速建立构效关系，优化药物的靶向活性和理化性质。但药物分子结构复杂，极性官能团密集，实现化学选择性功能化并保证官能团兼容性颇具挑战。

含氮杂芳烃是众多生物活性天然产物和药物的重要骨架，拓展其结构多样性意义重大。交叉脱氢偶联（Cross-dehydrogenative coupling，CDC）反应因高步骤和原子经济性，成为构建 C-C 键的有效方法。过去几十年，光氧化还原催化发展迅速，能在温和条件下引发 CDC 反应，比如通过氢原子转移（Hydrogen atom transfer，HAT）诱导 C-H 活化。但金属光氧化还原催化存在成本、环境危害和健康风险等问题，且在药物后期功能化中，杂原子或极性官能团易与金属催化剂竞争配位，限制了其应用。无金属光催化策略虽有优势，可使用氧化剂又会影响官能团兼容性。因此，开发无氧化剂和金属、兼容敏感官能团的 LSF 方法成为绿色化学的重要需求。

水的辐射分解能产生多种活性物种，如羟基自由基（?OH）。醇或醚作为自由基清除剂，能与?OH 快速反应生成 α-O 碳中心自由基。与传统光氧化还原过程不同，γ 辐射在低底物浓度下主要将能量转移给溶剂分子，选择性生成所需活性物种，避免反应物的不必要辐射分解。本文利用 γ 辐射介导的交叉脱氢氧烷基化反应，为有机合成提供了新途径。

材料和方法

1. 杂芳烃羟甲基化通用步骤：将杂芳烃（0.13 mmol）、2.0 g 甲醇和 8.0 g 硫酸溶液（1.6 mM 于 H₂O）加入 Schlenk 瓶，经冻泵融循环除气后，在环境温度（20°C）下以 30 Gy/min 的剂量率接受⁶⁰Co γ 射线辐射 900 min。辐射结束后，用饱和 NaHCO₃水溶液将反应混合物碱化至 pH 8.0，减压除去溶剂，再用 CH₂Cl₂和 MeOH（1:1 v/v）混合溶剂溶解，过滤除去固体盐，用 Na₂SO₄干燥滤液，减压浓缩，最后通过制备薄层色谱（TLC）或高效液相色谱（HPLC）纯化得到产物。
2. 1,4 - 二氧六环 α- 杂芳基化通用步骤：与杂芳烃羟甲基化步骤类似，只是将甲醇替换为 2.0 g 1,4 - 二氧六环。
3. 醇 / 醚 α- 杂芳基化通用步骤（mmol 规模，以 4 - 甲基喹啉为模型底物）：将 4 - 甲基喹啉（19 mg，0.13 mmol）和一定量的醇或醚加入 Schlenk 瓶，用 H₂SO₄溶液（1.6 mM 于 H₂O）溶解至最终反应溶液体积为 10 mL。后续反应及后处理步骤与上述类似。
4. 药物后期功能化通用步骤：将含 N - 杂芳烃的药物（0.13 mmol）、8.0 g 甲醇和 32.0 g 硫酸溶液（0.4 mM 于 H₂O）加入 Schlenk 瓶，反应及后处理步骤与杂芳烃羟甲基化基本相同，但辐射时间为 250 min。
5. FAPI 分子羟甲基化通用步骤：将含 N - 杂芳烃的成纤维细胞活化蛋白抑制剂（FAPIs；10 μmol）、1.0 g 甲醇和 4.0 g 硫酸溶液（0.4 mM 于 H₂O）加入 Schlenk 瓶，反应及后处理步骤与药物后期功能化类似，但辐射时间为 60 min。
6. ¹⁸F 放射性标记：¹⁸F 在北京大学的质子回旋加速器中产生，产生后转移至模块，经一系列处理后与 AlCl₃、醋酸钠缓冲液、乙腈和前体反应，加热、冷却、稀释后，通过 Sep-Pak Light C18 柱纯化，用乙醇洗脱放射性标记产物，再用生理盐水稀释用于后续实验。通过放射性活度计评估放射化学产率（Radiochemical yield，RCY），用放射性 HPLC 测定放射化学纯度（Radiochemical purity，RCP）。
7. [¹⁸F]-AlF-NOTA-FAPI-04-HM 稳定性分析：将 [¹⁸F]-AlF-NOTA-FAPI-04-HM（5.6 MBq/mL）在 37°C 下与血清（0.2 mL）和缓冲液（0.2 mL）孵育，在特定时间点取样，储存于 -80°C，用放射性 HPLC 分析上清液。
8. 细胞系来源的异种移植模型构建：6 周龄雌性 Nu/Nu 裸鼠购自北京维通利华实验动物技术有限公司，在其右前侧皮下植入 5×10⁶个 HT-1080-FAP 细胞，饲养于温度和湿度可控的环境，光照周期为 12 h 亮 / 12 h 暗。动物实验遵循相关伦理规定，经北京大学伦理委员会批准（CCME-LiuZB-2）。
9. 小动物 PET/CT 成像：使用 Mediso nanoScan PET 122S 小动物 PET/CT 成像系统进行正电子发射断层扫描（PET）。小鼠用异氟醚 / O₂混合物麻醉，在注射后不同时间点采集静态图像。PET 数据用三维迭代算法重建，手动勾勒感兴趣区域（ROIs），计算标准摄取值（SUV）量化放射性。
10. 伦理声明：所有小鼠研究遵循《实验动物护理和使用指南》（中国卫生部）的原则和程序，经北京大学实验动物护理和使用委员会（IACUC）批准（IACUC ID: CCME-LiuZB-2） 。

结果与讨论

1. 反应条件优化：以 4 - 甲基喹啉为模型底物研究辐射诱导的 N - 杂芳烃羟甲基化反应。实验发现，甲醇浓度（0 - 60 wt%）升高，4 - 甲基喹啉的转化率增加，但甲醇浓度达 60 wt% 时，产物 2a 的产率降至 72%，20 wt% 甲醇时 2a 产率最佳。硫酸作为添加剂，0.1 equiv 时效果最佳，浓度过高会增加副产物。多种酸都能使该辐射诱导的羟甲基化反应顺利进行。反应时间延长，4 - 甲基喹啉转化率提高，但从 75 min 延长至 100 min 时，2a 产率略有下降。排除反应体系中的空气可显著提高反应产率，因为氧气会淬灭羟甲基自由基。
2. 底物范围
   • 含甲醇体系：在优化条件下，多种 N - 杂芳烃与甲醇反应，带有不同取代基的喹啉，如烷基、芳基、吸电子基、供电子基、三氟甲基等，以及喹喔啉、取代吡啶、苯并噻唑和苯并咪唑等，都能以中等到高的产率转化为相应的羟甲基化产物。使用氘代甲醇（CD₃OD）时，降低 N - 杂芳烃底物浓度，多种喹啉可转化为含氘的羟甲基化衍生物。
   • 1,4 - 二氧六环体系：该策略对多种取代喹啉、异喹啉、苯并咪唑、噻二唑、恶二唑、二嗪等底物有效，在吖啶和喹喔啉底物上也能得到中等产率。吡啶衍生物反应产率良好，且该辐射诱导的偶联反应在克级规模（2.4 g，94%）也能高效进行。
   • 其他醇和醚体系：乙醇、多种二醇、甘油、四氢呋喃（THF）、大环醚等都能与 N - 杂芳烃发生反应，得到相应的杂环产物。其中，甘油在 C-1 位置具有较高的位点选择性，环张力较大的氧杂环丁烷在反应中发生 C-O 键断裂，生成的产物为合成伯醇修饰的杂芳烃提供了新方法。
   
   
3. 药物分子的后期功能化：该策略对多种官能团兼容性良好，可用于药物分子的后期功能化。多种 FDA 批准的药物，如含吡啶环的地氯雷他定、嘌呤核苷抗代谢药氯法拉滨、喹喔啉衍生的伐尼克兰、喹啉和异喹啉类药物、嘧啶类药物、嘌呤类似物药物等，在 γ 射线照射下，无需保护基团，就能转化为相应的羟甲基化产物，部分反应在克级规模也可行。此外，1,4 - 二氧六环参与反应时，也能使含嘌呤和喹啉的药物发生功能化，为药物发现提供了位点多样性。
4. FAPI 分子的后期功能化：成纤维细胞活化蛋白（FAP）是泛癌靶点，FAPI 在开发成像示踪剂方面取得了成功，但与 AlF-NOTA 结合的示踪剂亲脂性较高，导致在胆囊和肠道有非特异性摄取。在 FAPI 分子中引入羟甲基可调节其物理性质，但此前缺乏直接对含未保护极性官能团的 FAPI 分子进行后期功能化的策略。本文通过辐射诱导的羟甲基化反应，能以中等产率（39% - 65%）在 60 min 内制备功能化的 FAPI 分子。以 5f 为模型分子研究其药代动力学性质，其¹⁸F 放射性标记产率为 58%，RCP 超过 99%，在血清中稳定性良好，120 min 后 RCP 仍超 90%。PET/CT 成像显示，与未修饰的 [¹⁸F]-AlF-5c 相比，羟甲基化的 [¹⁸F]-AlF-5f 在胆囊和肠道的非特异性摄取显著降低，肿瘤在注射 120 min 后清晰可见。这表明该修饰优化了药代动力学，使 5f 有望成为更优的 PET 成像示踪剂，也体现了辐射诱导的后期功能化策略在药物发现中的潜力。
5. 机理探讨：水辐射分解产生的活性物种，如?H、?OH 和水合电子（e^?_aq），在 10^?4 s 内完成一系列反应。甲醇作为自由基清除剂，与?OH 反应生成羟甲基自由基（?CH₂OH），其具有较高亲核性。由于底物浓度远低于溶剂浓度，辐射能量主要被溶剂吸收，避免了反应物的不必要辐射分解。以 4 - 甲基喹啉与醇 / 醚反应为例，提出了 γ 射线诱导的 N - 杂芳烃羟甲基化反应机理：水辐射分解产生的活性物种与甲醇发生 HAT 过程生成?CH₂OH，·CH₂OH 对质子化的 4 - 甲基喹啉进行亲核加成，经一系列反应得到羟甲基化产物。通过自由基捕获试剂 2,2,6,6 - 四甲基哌啶 - 1 - 氧基（TEMPO）实验、蓝光 LED 照射实验和分子间动力学同位素效应（KIE）实验，验证了该反应遵循自由基途径，且 α-O sp³ C-H 键的断裂是速率决定步骤。

结论

本研究证明 γ 辐射可驱动 Minisci 型 CDC 反应，无需金属或氧化剂。该方法对多种醇、醚、杂芳烃和药物相关化合物都有良好的底物范围和官能团兼容性。机理实验表明，γ 辐射产生的亲核 α- 氧烷基自由基攻击缺电子杂芳烃生成相应产物。考虑到其高效性、官能团兼容性和电离辐射的强穿透性，这种辐射诱导的杂芳烃功能化方法在药物化学领域具有广阔的应用前景。

数据和代码可用性

本研究的所有支持数据都包含在文章及其补充信息中。

致谢

本研究得到了中国科技部、国家自然科学基金、新基石科学基金会和昌平实验室等的资助。感谢北京大学分析仪器中心的设施支持。资助者在研究设计、数据收集和分析、出版决策或稿件准备过程中没有参与。

作者贡献

Z.L.、C.-J.L. 和 W.L. 构思并设计了该项目。W.L.、Jiahao Li 和 Jianbin Li 进行了大部分实验，B.-S.M. 和 L.S. 提供了实验指导。Z.T. 和 Y.X. 参与了部分液相色谱定量实验。M.X. 和 X.-Y.C. 参与了 FAPI 分子的放射性标记实验。所有作者共同撰写并批准了最终稿件。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

通讯作者网站

chem.pku.edu.cn/zliu

补充信息

提供了相关 PDF 文档，包含 Figures S1 - S3、Tables S1 - S6、补充材料和方法，以及文章加补充信息等内容。