药化中的“魔法甲基效应”和引入甲基的合成方法

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魔法甲基效应(magic methyl effect)也称为甲基化效应(methylation effect),是指在优化先导化合物或者探究构效关系的时候,将小分子化合物合适位置的C-H键替换为C-Me键能显著提高化合物的活性,改善化合物的PK和PD性质。这一效应已被大量的实例证明(Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2–14),与之对应的是有机合成化学家开发了许多引入甲基的试剂和合成方法。现结合文献简要介绍一下魔法甲基效应和引入甲基的合成方法。

1.魔法甲基效应
魔法甲基效应能显著提高化合物活性,可能的原因是引入甲基改变了化合物的构象,使其三维形状与结合在蛋白质活性位点时的构象更加接近,从而减少了结合时所需的构象重排。例如,化合物56是GSK设计的p38α MAP3激酶抑制剂,对5甲基化得到6,其活性提高了208倍。Jorgensen及其同事通过计算研究了此实例,5中联苯的二面角经计算为50°,而邻甲基联苯6的二面角为65°。当56与p38α MAP3激酶结合时,联苯的二面角保持在85°。因此,与5相比,6更接近其在活性位点所呈现的构象(Bioorg. Med. Chem. Lett. 2008, 18, 4428 – 4432.)。

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化合物78是Merck研发的食欲素-1(OX1R)和食欲素-2(OX2R)受体的双重拮抗剂,用于治疗失眠症,7中哌啶环氮α位引入甲基得到8,活性提高了480倍。本例中没有关于生物活性构象异构体的晶体学数据,但经验证据表明双重食欲素受体拮抗剂 (DORA) 的结合构象是U形的,如下图1所示(Bioorg. Med. Chem. Lett. 2009, 19, 2997–3001)。基于DORA应该是U形的假设,8的设计目的是通过在哌啶氮的α位引入甲基来强制3-亚甲氧基取代基的轴向排列。8的核磁共振研究证实,该分子呈U形双轴构象,酰胺扭曲以尽量减少与甲基之间的1,3-diaxial相互作用,两个芳基部分可能通过π堆积紧密结合在一起。

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值得注意的是并非引入甲基都能产生“魔法效应”,Tim Cernak总结出以下三种情况,最有可能出现“魔法效应”:

①:ortho to a large rotatable substituent on an aryl ring,

on substituted rings where an axial or equatorial preference of substituents can be influenced,

between two freely rotatable bonds that are substituted with bulky groups.

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2.常见的甲基化试剂
斯利康的陈延涛高级研究员总结了22类甲基化试剂:1) 原甲酸三甲酯(TMOF)、N,N-二甲基甲酰胺二甲基缩醛(DMF-DMA)、原乙酸三甲酯(TMOA)和N,N-二甲基乙酰胺二甲基缩醛(DMA-DMA);2)N,N-二甲基甲酰胺 (DMF);3)甲醇(MeOH);4) 乙酸(HOAc);5)二甲基亚砜(DMSO);6)甲酸(FA);7)甲醛(HCHO);8)二氧化碳(CO2);9)过氧化物;10)甲基硼酸(MBA);11)三甲基硼氧烷(TMB);12)甲基三氟硼酸钾(MeBF3K);13)其他烷基硼试剂;14)偕双[(频哪醇)硼基]甲烷 (BpinCH2Bpin);15)碳酸二甲酯(DMC);16)碘甲烷(MeI)及其衍生物;17)磺酸甲酯;18)硫酸二甲酯 (DMS)和亚硫酸二甲酯(DMSi);19)三甲基氧鎓四氟硼酸盐(Me3OBF4)和重氮甲烷 (CH2N2);20)亚磷酸二甲酯、亚磷酸三甲酯和磷酸三甲酯;21)甲基有机金属;22)硼烷二甲胺复合物/N,N-二甲基甲酰胺 (Me2NH-BH3/DMF)(Chemistry–A European Journal 25.14 (2019): 3405-3439.)。其中碘甲烷、硫酸二甲酯和甲基三氟硼酸钾具有高毒性

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3.引入甲基的方法

常用的方法有:1)使用碘甲烷和不同的无机碱,有时候也可以用MeI/Ag2O;2) 使用硫酸二甲酯和NaH;3) 在Mitsunobu 反应中使用甲醇;4) 使用甲酸还原由胺和甲醛 (HCHO) 形成的亚胺盐(Eschweiler-Clarke反应);5) 使用氰基硼氢化钠或三乙酰氧基硼氢化钠还原亚胺等。下面介绍几种不常见的上甲基的方法:

①DMF-DMA:有机合成中DMF-DMA常用来合成烯胺结构,但它也可作为甲基化试剂对氮或氧进行甲基化,阿斯利康的研究人员发现使用DMF-DMA进行甲基化反应时反应的温度应根据底物的pKa来确定。

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②乙酸:Minisci-类型反应

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③DMSO

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BpinCH2Bpin

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⑤C-H活化:发表在Chem Soc Rev期刊上的一篇综述详细总结了各种类型C-H活化上甲基的方法(Chem. Soc. Rev., 2021, 50, 5517–5563)。在实际合成工作中,当传统方法不work,或者合成路线很长时,可以考虑一下该策略。

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4.主要参考文献
1.Schönherr H, Cernak T. Profound Methyl Effects in Drug Discovery and a Call for New C-H Methylation Reactions[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(47): 12256-12267.
2.Chen Y. Recent advances in methylation: A guide for selecting methylation reagents[J]. Chemistry–A European Journal, 2019, 25(14): 3405-3439.
3.Aynetdinova D, Callens M C, Hicks H B, et al. Installing the “magic methyl”–C–H methylation in synthesis[J]. Chemical Society Reviews, 2021, 50(9): 5517-5563.


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