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在藥物化學(xué)研究中，根據(jù)“逃離平面”概念，提高sp3雜化碳的比例和手性碳的數(shù)目可以增加候選藥物分子的復(fù)雜性，從而提高其臨床成功率；因此三維（3D）、飽和的、橋環(huán)類化合物在藥物化學(xué)中受到廣泛關(guān)注，其中全碳的雙環(huán)[2.1.1]己烷（BCHs）能夠作為多種不同取代苯基的生物電子等排體；然而，目前手性全碳的BCHs的合成方法尚未得到充分研究，且手性全碳的BCHs替代生物活性分子（或小分子藥物）中的苯環(huán)及其相應(yīng)的生物活性研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道（圖1A）。

雙環(huán)[1.1.0]丁烷（BCBs）的[2π + 2σ]環(huán)加成反應(yīng)是構(gòu)建BCHs最簡便的方法之一。2022年，Glorius課題組（德國明斯特大學(xué)）報(bào)道了光催化BCBs與香豆素等的[2π + 2σ]環(huán)加成反應(yīng)，成功合成了1,2,3-三取代、全碳的BCHs（圖1B）。Studer（德國明斯特大學(xué)）、馮見君（湖南大學(xué)）、鄧力&倪冬順團(tuán)隊(duì)（西湖大學(xué)）、李鵬飛（西安交通大學(xué)）和王洪根（中山大學(xué)）等國內(nèi)外的課題組在這一領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而細(xì)致的研究。2023年，Thorsten. Bach課題組（德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)）報(bào)道了首例光介導(dǎo)的BCBs的[2π + 2σ]不對稱環(huán)加成反應(yīng)，但該反應(yīng)需要2當(dāng)量的手性光敏劑；隨后，江智勇課題組（河南師范大學(xué)）報(bào)道了光與手性磷酸催化BCBs的[2π + 2σ]不對稱環(huán)加成反應(yīng)；最近，馮見君（湖南大學(xué)）、李孝訓(xùn)（山東大學(xué)）、周其林（南開大學(xué)）等課題組也報(bào)道了BCBs與多類底物的不對稱環(huán)加成反應(yīng)，構(gòu)建各種手性的雜芳基生物電子等排體，這些工作基本和作者的研究工作是同期進(jìn)行的。盡管有了這些重大進(jìn)展，但通過路易斯酸催化BCBs的不對稱[2π + 2σ]環(huán)加成反應(yīng)來構(gòu)建手性、多取代的、全碳BCHs的方法仍未見文獻(xiàn)報(bào)道（截至作者投稿時(shí)）。鑒于BCBs的高應(yīng)變能、固有的不穩(wěn)定性和高反應(yīng)性，如果要實(shí)現(xiàn)以上策略，需亟待解決以下諸多挑戰(zhàn)：1）極性翻轉(zhuǎn)的Alder-ene反應(yīng)（Bai, D. & Chang, J. et al. Nat. Commun. 2024, 15, 2833.）；2）開環(huán)反應(yīng)（Feng, J.-J. et al. Chem. Sci. 2023, 14, 9696.）；3）消除反應(yīng)（Feng, J.-J. et al. Angew. Chem., Int. Ed. 2023, 62, e202310066.; Leitch, D. C. et al. Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61, e202204719.）；4）強(qiáng)大的外消旋背景反應(yīng)（Ni, D. & Deng, L. et al. Angew. Chem., Int. Ed. 2023, 62, e202308606.）；5）區(qū)域選擇性問題（Zhang, J.-L. & Feng, J.-J. et al. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 19621.）等（圖1C）；此外，同時(shí)構(gòu)建相鄰三級(jí)-四級(jí)手性碳中心也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

針對以上問題，清華大學(xué)深圳國際研究生院/深圳灣實(shí)驗(yàn)室蔣宇揚(yáng)團(tuán)隊(duì)、南方科技大學(xué)劉心元團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)深圳國際研究生院林進(jìn)順團(tuán)隊(duì)合作發(fā)展了路易斯酸催化BCBs分別與香豆素、2-吡喃或色酮等的不對稱分子間[2π + 2σ]環(huán)加成反應(yīng)，以優(yōu)秀的對映/非對映/區(qū)域選擇性合成了結(jié)構(gòu)多樣的、具有鄰位的三級(jí)-四級(jí)碳手性中心的、1,2,3,4-四取代的、全碳的BCHs。在該反應(yīng)中，手性雙噁唑啉配體的引入可有效抑制副反應(yīng)、能顯著地減少外消旋的背景反應(yīng)，并精確調(diào)控反應(yīng)活性以及區(qū)域、對映和非對映選擇性，所得的手性BCHs可以替代抗腫瘤藥物Sonidegib和非肽類小分子PD-1/PD-L1抑制劑BMS-202中的苯環(huán)，并合成了這兩個(gè)生物活性分子的手性類似物BCHex-Sonidegib和BCHex-BMS-202，并評(píng)估了二者的理化性質(zhì)和藥理學(xué)特性（圖1D）。

圖1.  路易斯酸催化BCBs的不對稱[2π + 2σ]環(huán)加成反應(yīng)構(gòu)建手性BCH化合物

作者對手性配體、路易斯酸和溶劑等反應(yīng)條件進(jìn)行系統(tǒng)性篩選，獲得了以下最優(yōu)條件：Cu(OTf)₂/L*12為手性催化體系，DCM作溶劑，在-20 ℃下反應(yīng)。在該條件下，香豆素乙酯可與具有酰基吡唑基團(tuán)的BCBs底物進(jìn)行不對稱[2π + 2σ]環(huán)加成反應(yīng)，以優(yōu)異的產(chǎn)率和對映選擇性（95%，97% e.e.）得到手性BCHs產(chǎn)物（圖2）。

圖2.  反應(yīng)條件的優(yōu)化

在確定了最佳反應(yīng)條件后，作者對反應(yīng)的底物普適性進(jìn)行考察。首先，BCBs芳環(huán)上取代基的位置和電性對反應(yīng)效率和立體選擇性的影響較小。特別值得一提的是，作者通過3-噻吩和苯乙炔取代的BCBs得到了相應(yīng)的BCHs（17和18），苯乙炔取代的BCBs中的炔基可能會(huì)在BCB的相關(guān)自由基反應(yīng)過程中發(fā)生反應(yīng)，但在該催化體系中能很好的保持；此外，產(chǎn)物18的還原可能生成含有苯乙烯的BCH，可以作為苯乙烯的生物電子等排體。接下來，作者對香豆素底物范圍進(jìn)行考察，含有不同酯或酰胺基團(tuán)的香豆素底物均具有良好的產(chǎn)率和對映選擇性，值得注意的是，帶有烯基或炔基的香豆素在相關(guān)的自由基反應(yīng)中傾向于發(fā)生分子內(nèi)[2+2]環(huán)加成；含有給電子基團(tuán)或吸電子基團(tuán)和不同位置取代以及萘環(huán)的香豆素底物都能夠以中等至優(yōu)異的收率得到高對映選擇性的BCHs產(chǎn)物（圖3）。

圖3.  BCB和香豆素底物的普適性考察

此外，作者還意外發(fā)現(xiàn)在路易斯酸和手性配體的催化下，BCBs與2-吡喃底物并沒有發(fā)生預(yù)期的不對稱Diels-Alder類（[4π + 2σ]）環(huán)加成反應(yīng)，生成手性雙環(huán)[4.1.1]辛烷，而是仍然發(fā)生[2π + 2σ]環(huán)加成生成了相應(yīng)的BCHs，該結(jié)果極大地?cái)U(kuò)展了已知的2-吡喃反應(yīng)模式。此外，BCBs與色酮底物的不對稱[2π+2σ]環(huán)加成反應(yīng)也順利得到了相應(yīng)的手性BCHs產(chǎn)物（圖4）。

圖4.  BCB和2-吡喃及色酮底物的普適性考察

為了進(jìn)一步展示該反應(yīng)體系的實(shí)用性，作者進(jìn)行了放大實(shí)驗(yàn)（克級(jí)）（圖5A），反應(yīng)仍具有高效和高立體選擇性。BCHs產(chǎn)物中的?；吝蚧鶊F(tuán)可以方便的進(jìn)行后續(xù)官能團(tuán)化轉(zhuǎn)化，合成一系列手性BCHs衍生物，得到1,2-二取代和1,2,3-三取代的BCHs（圖5 B-C），這些轉(zhuǎn)化產(chǎn)物提供了實(shí)用的手性BCHs模塊，在上述轉(zhuǎn)化中BCHs的e.e.都能保留，進(jìn)一步證明了該方法在合成中的實(shí)用性。此外，作者使用手性配體L*12的對映異構(gòu)體ent-L*12實(shí)現(xiàn)手性BCH產(chǎn)物12的立體發(fā)散性合成，得到了對映異構(gòu)體ent-12（圖5D）。

圖5.  合成應(yīng)用

為了展示1,2,3-三取代BCHs作為1,2,3-三取代苯的替代物的應(yīng)用價(jià)值，作者設(shè)計(jì)并合成了抗癌藥Sonidegib的類似物BCHex-Sonidegib和非肽類PD-1/PD-L1小分子抑制劑BCHex-BMS-202。作者使用軟件模擬了Sonidegib和BCHex-Sonidegib的三維構(gòu)象，發(fā)現(xiàn)二者能夠良好重疊，表明替代前后分子的空間幾何特征基本相同；并使用分子對接模擬預(yù)測了手性BCHex-BMS-202與PD-L1的結(jié)合模式，結(jié)果表明其結(jié)合構(gòu)象與BMS-202基本一致，并保留了關(guān)鍵的π-π相互作用（圖6）。這些結(jié)果應(yīng)證了BCHs作為苯的生物電子等排體的可行性。

圖6.  生物等排替代和計(jì)算模擬預(yù)測

作者分別合成了BCHex-Sonidegib和BCHex-BMS-202，并評(píng)估了分子的理化性質(zhì)和藥理學(xué)特性，結(jié)果顯示，與陽性對照Sonidegib和BMS-202相比，BCHex-Sonidegib和BCHex-BMS-202表現(xiàn)出更好的溶解性和代謝穩(wěn)定性（圖7）；同時(shí)，它們表現(xiàn)出與陽性對照Sonidegib和BMS-202相當(dāng)?shù)目鼓[瘤活性、在正常的肝臟細(xì)胞中表現(xiàn)出更低的毒性（表1），且能誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡和抑制腫瘤細(xì)胞的克隆形成（圖8）。

圖7.  BCHs生物等排體的合成路線與理化性質(zhì)分析

表1.  化合物對人類腫瘤細(xì)胞系和正常肝細(xì)胞的抗腫瘤活性

圖8. 化合物抑制腫瘤細(xì)胞A549的克隆形成

為了深入了解反應(yīng)機(jī)理，作者進(jìn)行了自由基捕獲實(shí)驗(yàn)、控制實(shí)驗(yàn)等一系列機(jī)理實(shí)驗(yàn)，證明了：反應(yīng)不涉及自由基歷程；手性雙噁唑啉配體能夠有效降低路易斯酸的酸性，抑制BCB的分解；香豆素底物的環(huán)外酯基作為配位基團(tuán)與路易斯酸結(jié)合，從而促進(jìn)反應(yīng)和立體誘導(dǎo)。最后，作者發(fā)現(xiàn)環(huán)丁烯中間體1AA在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件下未得到手性BCH產(chǎn)物，這表明BCBs的環(huán)加成并未通過環(huán)丁烯中間體進(jìn)行?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道，作者提出了路易斯酸催化的BCBs不對稱分子間[2π + 2σ]環(huán)加成反應(yīng)的可能反應(yīng)機(jī)制（圖9）。

圖9.  機(jī)理實(shí)驗(yàn)和推測的機(jī)理