結構多樣的核苷類似物已被廣泛用於抗腫瘤以及抗病毒藥物的研發，但以往該類化合物的合成往往依賴於以糖為中心的手性池方法，很難進行衍生化和多樣化結構改造。近日，加拿大西蒙弗雷澤大學的Robert Britton教授開發了一種新穎的核苷從頭合成方法，使用非手性的α-N-雜環醛為原料，僅以脯氨酸為催化劑，經一鍋法的α-氟化反應，分子間Aldol反應以及親核氟取代環化反應即可實現高達數百克規模包含D-或L-核苷、鎖核酸、氨基核苷及2′-或4′-修飾核苷在內的核苷類似物的合成。相關成果發表在Science（DOI: 10.1126/science.abb3231）上。
核苷作為生物大分子核酸的單體，在生物體內參與多種生物過程。核苷類似物（NAs）是天然核苷的模擬物，已被廣泛用作化學生物學工具，且作為抗腫瘤藥物和小分子抗病毒藥物用於多種疾病治療。因此，快速獲得結構多樣化的核苷將有利於新型抗腫瘤及抗病毒藥物的開發。通常，對核苷的改造包括糖環（尤其是2′-和4′-位）的修飾以及鹼基的替換，此外，較天然的D-型核苷而言，L-型核苷具有更強的代謝穩定性，已被用於愛滋病的治療。但是，合成不同的NA需要使用不同的起始原料，且NA的手性高度依賴糖的手性池。此外，合成非天然核苷的步驟通常十分繁瑣，例如，合成具有抗HIV-1活性的MK-8591需要16步。因此，亟需開發一種簡潔、通用、高效的NA合成方法以促進相關學科的研究。最近，加拿大西蒙弗雷澤大學的Robert Britton教授開發了一條NA的新型合成路線，從非手性的原料出發，使用廉價的脯氨酸作為催化劑，僅需數步即可實現多種NA的百克規模合成（Fig.1），兼具創新性和實用性。相關成果發表在Science（DOI: 10.1126/science.abb3231）上。
(圖片來源：Science)
在推測的生物合成途徑中，核苷的核糖母環是由鹼基烯胺與甘油醛的縮合反應生成的，據此作者設計了含不穩定N,F-縮醛結構的13作為生源合成途徑中間體的等價物，13可以通過分子內氟取代環化反應環合生成核苷，而13可以通過立體選擇性的交叉Aldol反應由酮8和醛14得到（Fig.2a）。為了驗證想法，作者首先嘗試了DMF中α-吡唑醛15的氟化反應，在脯氨酸和NFSI的作用下，反應生成了單一產物氟代醛，隨後向其中加入酮8的乙腈溶液即可以1.4：1的dr值得到化合物16a和16b（Fig.2b）。這兩個化合物無法相互轉化，表明α-吡唑-α-氟化醛無法進行動力學拆分，或脯氨酸催化縮合反應時生成兩種構型時的過渡態能量類似。隨後，經過羰基還原以及酸性或鹼性條件下的環化反應即可得到β-核苷，值得一提的是，在鹼性條件下的環化反應中，鹼的量對產物的構型有重要影響，加入10當量氫氧化鈉時，產物為單一構型。為了驗證環化的機理，作者在羰基還原後分離了兩種異構體並分別對其進行了環化反應（Fig.2c）。作者發現syn-和anti-構型的底物在鹼性條件下會分別生成β-和α-構型的核苷，但在該反應條件下α-構型核苷會異構化為更穩定的β-產物。
(圖片來源：Science)
為驗證反應的通用性，作者合成了一系列α-雜環醛以合成NAs（Fig.3），以NFSI或Selectfluor為氟源，經一鍋法氟化-Aldol反應後，作者得到多種砌塊並對其進行酸性或鹼性條件下的氟取代環化反應。該過程中，多種核苷鹼基，包括尿嘧啶、胸腺嘧啶、三唑、吡唑、腺嘌呤、2,6-二氯嘌呤都對反應兼容。通常，最優的Lewis酸是三氟甲磺酸鈧或三氯化銦。吡唑和尿嘧啶核苷的合成需要在鹼性條件下進行。核苷28、29、32、33的光學純度與其環化前的前體光學純度相似。三氟甲基尿嘧啶29和氯碘嘌呤32-33的環化是在酸性條件下進行的，然而，只有anti-構型的底物發生環化生成29且產物不會發生異構化，而syn-和anti-的底物均會環化生成32和33。值得一提的是，該反應可以以大於10 g規模合成多種核苷並適用於非天然L-核苷的合成。此外，反應產物不經酸性水溶液後處理時可以得到3′-，5′-位保護的核苷，為其2′-位進一步衍生化提供了機會，作者因此合成了一系列2′-修飾核苷。
(圖片來源：Science)
利用有機金屬試劑對41的羰基在-78 oC下進行加成後再進行環化可以生成4′-取代核苷（Fig.4A），二氯甲烷是最優的溶劑，產物以Re-面加成產物為主，其中，42a在加熱至室溫後自發環化生成β-產物，而42b在氯化銨水溶液淬滅後在三氯化銦促進下可以發生環化生成α-核苷。多種有機金屬試劑適用於該反應，目前，加成反應的立體選擇性主要是底物控制的，但其也為核苷的快速衍生化提供了機會。值得一提的是，在酸性條件下，環化反應有時會生成保護基遷移的產物。在此基礎上，為了驗證該過程的實用性，作者進行了HCV NS5B抑制劑MK-3682前體的數百克規模合成，以500 g尿嘧啶為原料，作者得到了380 g底物55並以優異的收率完成環化。此外，作者分別通過還原胺化處理底物59中的羰基和對61中2′-位羥基經Barton-McCombie脫氧反應脫氧得到了氨基核苷60和2′-脫氧核苷62，進一步證明了該方法的靈活性。
最後，作者進行了鎖核酸（LNA）的合成，該類化合物2′-位與5′-位的醚鍵進一步增加了底物的代謝穩定性。通過對格氏試劑的量進行簡單優化，作者以接近1：1的dr值得到了63與64，其中，63在鹼性條件下發生環化，僅以4步合成了此前需23步合成的LNA骨架；而64也經三步反應生成具有炔基的LNA骨架，其中炔基可進一步通過Click反應或Sonogashira反應進行衍生化。
(圖片來源：Science)
總結：核苷類似物庫是藥物化學和化學生物學研究的有力武器，加拿大西蒙弗雷澤大學的Robert Britton教授開發的核苷類似物的快速合成方法僅使用廉價易得的非手性原料和脯氨酸催化劑，數百克的製備規模證明了該方法能夠用於工業生產，靈活的使用方式使結構多樣化的核苷類似物的快速製備成為可能。該方法定將會在核苷的化學合成中佔據一席之地，極大地促進核酸的化學生物學和藥物化學研究。
撰稿人：H.D.