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    化學家夢寐以求的五個化學反應
    2019-03-07  來源:原理
    關鍵詞:化學反應

      許多藥物具有非常相似的結構,如果你去研究那些最常見的藥物,就會發現它們有一些共同點:都具有密集的官能團,有至少一個環狀結構和一些裸露的氨基或羥基,通常還有一個散落的氟原子。

      造成這種共同之處的部分原因是,化學家只能利用已知的化學反應和那些可用的構建模塊來研發藥物。另外,他們還需要考慮生物學,因此所有的反應必須能夠耐受簡單氮原子,因為它們幾乎存在于每一種生物活性化合物中。使用不會因暴露在空氣中而著火的試劑進行反應也是一大優勢。

      2014年的一項分析表明,在用于研發藥物的合成反應中,有兩種反應占了一半以上:一個是酰胺合成,另一個是鈴木-宮浦反應。這兩種反應之所以在藥物化學中占據如此高的比例,是因為它們是最穩健的反應。

      從最簡單的化學反應,到諾獎級別的化學反應,每一個藥物化學家都有一張自己的愿望清單,上面列舉的是一些他們希望存在的化學反應。我們下面要列出的5個反應,或許會出現在許多化學家的列表當中:

    1. 氟化反應

      氟化反應是指在具有許多官能團的分子中,將某一個特定的氫原子替換成一個氟原子。它的入選并不令人意外,超過20%的商業藥品都含有氟,能將碳氫鍵(C–H)轉化為碳氟鍵(C–F)可能會占據許多化學家的愿望清單榜首。

      為什么氟化反應如此受化學家的青睞呢?這是因為在一種分子上哪怕只添加一個氟原子,也會提高這種分子的代謝穩定性和親脂性。但難點在于,一旦某種分子的結構已經組裝完成,就很難直接用氟原子取代掉分子中的某個特定氫原子。

      雖然讓分子氟化的方法有很多,但它們都需要添加另一個反應基團,然后將這個基團置換成氟。而藥物化學家真正想要的是一種能直接將氫原子置換成氟原子的有效方法。目前的一些直接的氟化反應經常會產生位置異構體或過氟化物,因而造成選擇性問題;再加上當只加入一個氟原子時幾乎不會改變一個分子的反應活性或物理性質,因此在反應后要去除多余的反應物和副產物都不是一件容易的事情。

    2. 雜原子烷基化

      這一類反應想要做的是將一個烷基有選擇地附著在雜環化合物(吡唑、三唑、吡啶酮等)雜原子(非碳、氫原子)上。這是一類非常普通卻非常有用的化學反應,例如一些抗癌藥物中就包含N-烷基-吡啶酮;在抗瘧疾藥物中可以找到O-烷基化吡啶酮。

      目前,化學家無法對2-吡啶酮或4-吡啶酮中的氮原子還是氧原子上選擇性的附著任何物質,最終通常只能得到N-烷基吡啶酮和烷氧基吡啶的混合物。

      許多用于藥物中的雜環也存在類似的問題。例如,吡唑和三唑是分別含有兩個和三個氮原子的雜環化合物,它們有著非常相似的反應性,因此沒有什么試劑組合能夠選擇性地修飾其中的某個特定氮原子。對于那些包含幾個雜環的化合物,就更不要妄想能進行有選擇的烷基化了。

    3.  碳偶聯

      化學家希望能通過碳偶聯來縫合脂肪族化合物的碳原子。

      20世紀70年代,化學家發現了交叉偶聯反應,它能在鈀的催化作用下將芳香族碳原子或其他sp2碳原子結合在一起,形成碳碳鍵(C–C )。傳統的平面交叉偶聯反應很容易實現,但這種方法正受到越來越多的限制,化學家希望出現三維的偶聯反應。如果一個反應能夠有效地連接芳香族碳原子和脂肪族碳原子,那將是化學家夢寐以求的。

      在交叉偶聯反應中,鈀作為催化劑的優勢在于,它的氧化態和氧化還原反應可以被很好的控制。但是,盡管鈀的催化循環完美地適用于sp2碳片段的偶聯反應,它卻并不能很好地作用于脂肪族偶聯反應。有時候會出現我們并不想要的副反應取代原本期待的反應的情況;在更糟的情況下,反應甚至會完全停止。

      但無論是用什么金屬做催化劑,所有的交叉偶聯反應都需要預官能團化,也就是要事先將反應基團附著在偶聯劑上,這樣催化劑就知道要在哪個位置連接碳原子了。化學家希望完全擺脫預官能團化的需要,他們的目標是把碳氫鍵(C–H)直接轉化成碳碳鍵(C–C )

    4.  生成和編輯雜環

      化學家希望能將各種官能團(從烷基到鹵素)安裝在芳香族和脂肪族雜環(如吡啶、哌啶和異??唑)上的任意位置。如果用一個反應就能夠生成全新的雜環,那就更好了。

      雜環化合物是藥物化學家的主要研究對象。大約60%的小分子藥物都有一個雜環核心。到目前為止,最常見的雜環化合物有哌啶、吡啶和吡咯啶,其他還有如青霉烷等共計25種含氮雜環。

      許多小的雜環化合物可以通過商業渠道買到,但那些不能買到的就得親自合成了,這成了一個主要的難題。許多專為芳香烴設計的反應并不太適用于雜環芳香烴;氟化試劑會與雜環反應,將雜環化合物氧化;那些作為交叉偶聯反應的催化劑的金屬表面,經常會因為被吸附上雜環而失去催化作用。

      2009年,一家英國生物技術公司的化學家發表了一篇題為《未來的芳香雜環》的論文,在這個詩意的題目背后,隱藏著一份3000多種小的雜環化合物的名單,盡管它們看起來都“可合成”,卻從沒有被制造出來過。

      十年過去了,一組法國研究人員為了調查芳香雜環的合成情況,研究了這項研究所選出的22種具有代表性的雜環化合物。他們成功合成了其中的9種小的雙環化合物,并讓6種成為了更大的結構的一部分,還剩下7種沒能進行描述。

    5. 原子交換

      化學家希望能有選擇地交換單個原子,比如將環上的一個碳原子和一個氮原子互換。碳-氮(C-N)交換反應或許是藥物研發中最有用的一個新反應,它甚至能與諾獎級別的合成反應比肩。

      這是極難實現的化學反應,一旦實現,將會徹底改變藥物化學領域。那時,化學家將無需再擔心如何官能團化雜環,也無需再擔心如何在只有少數胺基的情況下進行交叉偶聯反應。它就像是基因編輯的化學版本,可以將一個已經構建的分子中的的碳原子置換成氮、氧或硫原子。

      有的化學家認為這是種不現實的設想,因為它實在太難了。但也有科學家認為,在CRISPR-Cas9出現之前,人們也認為定向基因編輯技術是不可能的。因此,這個反應是否會實現或許只是時間問題。

      原文鏈接:https://www.chemistryworld.com/news/the-five-reactions-on-every-organic-chemists-wish-list/3010150.article

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