摘要

        吲唑是由苯环与吡唑环稠合形成的含氮芳香杂环。它在药物化学中的价值，并不只是“含有两个氮原子”或“报道过多种生物活性”，而在于相邻双氮、刚性稠合骨架和多个可修饰位置共同形成了一套相互制约的结构特征。

        相邻双氮决定吲唑的互变异构和氢键供受体排列；刚性骨架固定这些作用位点的空间方向；N1、N2、C3及苯环位置的取代决定侧链伸展方向和分子性质；目标取代模式又直接影响构环方法、N1/N2区域选择性和后期官能化路线。最终，一个含吲唑的高活性分子能否继续开发，还取决于靶点选择性、细胞效力、溶解度、膜通透性、代谢稳定性及合成可放大性。

        本文围绕“结构—识别—取代—合成—成药性”这一连续关系，说明吲唑骨架在药物分子设计中的实际作用、适用条件和主要限制。

1 吲唑结构决定氮原子的化学性质

1.1 吲唑不是简单的“含双氮芳环”

        吲唑由苯环和含相邻双氮的五元环稠合而成。与吲哚相比，吲唑在保持相近骨架尺寸和刚性的同时，以氮原子替代了吲哚五元环中的一个碳原子。

这一变化同时影响：

①氢键供体和受体的数量；

②环内电子离域；

③分子偶极方向；

④N1和N2位的反应性；

⑤分子与水、蛋白质及晶体环境的相互作用。

        因此，吲唑在某些设计中可以作为吲哚的生物电子等排替代，但两者并不是简单互换。将吲哚替换为吲唑后，蛋白质结合方式和物理化学性质都可能发生明显变化，须通过实验重新评价。

1.2 1H与2H互变异构改变氢键供受体排列

保留N—H的吲唑主要涉及1H和2H两种环状互变异构体。两者在形式上表现为质子在相邻氮位点之间重新分配，并可相互转化。

中性1H/2H互变异构体的简化氢键供受体表示 

1H-吲唑                                 2H-吲唑

N1—H        N2                          N1        H—N2

供体        受体             ⇌          受体       供体

在常见的1H形式中，N1—H通常作为氢键供体，N2通常作为氢键受体；在2H形式中，氢键供体和受体的位置相应改变。

        对气相未取代吲唑的量子化学计算表明，在该研究所采用的计算水平下，1H形式的电子能量比2H形式低约3.6 kcal·mol⁻¹；考虑热力学修正后，298 K时1H→2H的自由能差约为4.1 kcal·mol⁻¹。气相光谱也显示1H形式明显占优势。

        但“1H更稳定”不能机械地推广到所有衍生物。取代基、溶剂、晶体堆积以及分子内或分子间氢键，都可能改变互变异构平衡。已有研究发现，部分3-取代吲唑的2H形式可被氢键显著稳定，并在特定非质子溶剂或晶体中保持较长时间。

1.3 互变异构与N1/N2区域异构必须严格区分

        1H和2H形式之间迁移的是质子，因此属于互变异构。当N1或N2上的氢被烷基、芳基或其他取代基替代后，取代基不能在两个氮原子之间自由移动。此时得到的是两个独立化合物：

①N1-取代吲唑；

②N2-取代吲唑。

        N1与N2取代物可能具有不同的：侧链空间方向；氢键受体性质；电子分布和偶极矩；蛋白质结合方式；溶解度和膜通透性；代谢稳定性；晶体结构和熔点。

        这一区别直接决定后续的分子设计和合成方法。若目标结构要求固定的N1或N2取代形式，就不能将两个区域异构体视为可以相互替代的同一种物质。

2 双氮与刚性骨架如何形成分子识别

2.1 相邻双氮提供紧凑的氢键供受体排列

        在1H-吲唑中，N1—H和N2可在较小的结构范围内分别提供氢键供体和受体。由于二者被固定在刚性五元环中，其距离和方向不会像柔性链上的官能团那样大幅变化。这种结构使吲唑能够同时提供：

        但氢键数量并不直接等同于结合强度。一个氢键能否提高亲和力，还取决于距离、夹角、配体和蛋白质的去溶剂化代价、结合位点中的水分子以及配体是否产生构象应变。

2.2 刚性减少构象自由度，也降低空间容忍度

        吲唑的稠合双环限制了分子的可旋转自由度，使N1、N2、C3及苯环取代基之间保持相对固定的空间关系。当这些方向与蛋白质口袋匹配时，刚性有助于维持稳定的结合构象；当方向不匹配时，分子也难以通过自身弯曲避开空间排斥。

这解释了吲唑构效关系中常见的现象：

①同一基团连接在不同位置，活性可能相差很大；

②一个体积较小的取代基，也可能使活性明显下降；

③增加连接链长度可能到达新的作用位点，也可能增加结合时的构象熵代价；

④将柔性片段刚性化可能提高结合效率，也可能降低对口袋的适应能力。

因此，吲唑的刚性的实际价值取决于固定后的空间方向是否与目标蛋白匹配。

2.3 PLK4共晶结构揭示吲唑的铰链结合方式

        在部分激酶抑制剂中，吲唑可作为三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）结合口袋的铰链结合基团。

        人源Polo样激酶4（Polo-like kinase 4，PLK4）与抑制剂400631的共晶结构（PDB：4JXF）显示，吲唑双氮单元分别与Glu90主链N—H和Cys92主链羰基形成互补氢键，从而将配体固定在激酶铰链区。由于4JXF为2.40 Å分辨率的X射线晶体结构，不能直接可靠定位吲唑N—H，因此不建议仅依据该结构指定N1或N2分别对应哪一条氢键。

        这一结构说明，吲唑可为激酶抑制剂提供稳定的结合方向，但不能单独决定整个分子的活性和选择性。C3及苯环方向的外围取代基还需要占据邻近亚口袋、接触非保守残基，并调节溶解度、通透性和代谢稳定性。

3 分子识别如何决定取代位置

3.1 N1和N2：首先决定是否需要保留N—H

设计吲唑衍生物时，应首先确认N1—H是否参与关键蛋白质氢键。

如果N1—H直接承担重要结合，则N取代可能破坏亲和力，此时应优先保留1H-吲唑。

如果N—H不参与关键结合，N取代可用于：

①固定N1或N2区域异构形式；

②改变侧链延伸方向；

③减少一个氢键供体；

④引入可离子化侧链；

⑤改变晶体堆积；

⑥阻断部分N—H相关代谢反应。

3.2 C3：在保留双氮识别单元的同时延伸分子

C3位位于五元环端部，是吲唑重要的结构扩展位置之一。通过C3可以连接：

①芳基或杂芳基；

②烯基或炔基；

③羰基、酰胺和羧酸衍生物；

④柔性连接链；

⑤第二个蛋白质识别基团。

C3取代需要同时考虑三个因素。

长度： 侧链能否到达目标区域。

方向： 侧链是进入疏水口袋，还是朝向溶剂。

刚柔性： 侧链是否需要保持固定方向，还是需要一定构象适应性。

        C3方向并不存在普遍适用的功能。在一个蛋白质中，它可能进入深部口袋；在另一个蛋白质中，则可能朝向溶剂。因此，C3设计必须依据实际结合姿势，而不能仅依据吲唑编号作出判断。

3.3 C4—C7：主要用于选择性和性质优化

苯环C4—C7位提供四个不同的取代方向，通常用于接触吲唑核心结合区域之外的空间。

这些位置可以用于：

①接触非保守氨基酸，提高靶点选择性；

②填充局部疏水空腔；

③引入极性或可离子化基团；

④调节脂溶性和水溶性；

⑤设置卤素、硼酸酯或氨基等后续反应位点；

⑥调节代谢敏感性。

        在PLK4抑制剂研究中，不同位置的芳基和杂环取代对酶活性及细胞活性的影响并不相同；在吲唑5位引入甲基后，活性明显下降，提示该位置的空间容忍度有限，但具体原因仍需进一步结构证据确认。

3.4 各位置的功能分工

4 目标取代模式如何决定合成路线

吲唑合成应从目标结构倒推。

需要首先明确：

1. 是否保留N—H；

2. 需要N1还是N2取代；

3. C3取代在构环前还是构环后引入；

4. 苯环是否需要保留交叉偶联位点；

5. 是制备单一目标，还是快速扩展构效关系；

6. 路线是否需要克级以上放大。

4.1 保留N—H：优先考虑直接构建1H-吲唑

        当N1—H是关键结合位点时，优先选择直接形成1H-吲唑的构环方法，可以减少N保护和脱保护步骤。

        Counceller等以邻氨基苯肟为原料，使用甲磺酰氯和三乙胺，在0～23 ℃条件下实现1H-吲唑合成。该方法不使用过渡金属，并可适用于多种取代底物及放大实验。

邻氨基苯肟构建1H-吲唑

邻氨基苯肟

     │  MsCl、Et3N，0～23 ℃

     ↓

1H-吲唑

MsCl为甲磺酰氯，Et₃N为三乙胺。

原研究提出的可能机理为：

肟羟基甲磺酰化 → 形成活化肟 → 邻位氨基进攻肟的sp²氮 → 形成N—N键并环化 →得到1H-吲唑

4.2 目标为N2取代物：可在构环过程中写入取代信息

        如果目标是固定的N2取代吲唑，预先将取代基写入含氮反应物，通常比先制备1H-吲唑再进行非选择性烷基化更可靠。

Kumar等报道了铜催化三组分反应：邻溴苯甲醛、伯胺和叠氮化钠经过缩合及连续C—N、N—N成键，直接生成2-取代-2H-吲唑。

三组分构建N2取代吲唑

2-溴苯甲醛 + 伯胺 + NaN3

               │ 铜催化

               ↓

         2-取代-2H-吲唑

        该路线的优势是N2取代基由伯胺直接带入，连接位置在构环过程中确定。实际使用时仍需评估叠氮化物安全、反应温度、铜残留和底物适用范围。

4.3 直接N-烷基化：区域选择性是首要评价指标

        1H-吲唑经碱处理后形成的阴离子具有双位点亲核性，N1和N2均可能与亲电试剂反应。因此，常规烷基化可能产生两个区域异构体。

1H-吲唑 + R—X + 碱

              ↓

       N1—R产物 + N2—R产物

        一项2024年的工艺研究中，特定吲唑与异丁基溴在碳酸钾和N,N-二甲基甲酰胺中反应，得到N1/N2约为58∶42的混合物，需要通过色谱分离。

        研究人员随后改变成键方式：先使吲唑与异丁醛形成可逆的N1烯胺中间体，再使用铂碳催化加氢。该两步路线以76%的分离收率得到N1-异丁基产物，未检测到N2异构体，并完成了100 g规模验证。

吲唑 + 异丁醛

      │ 可逆缩合、除水

      ↓

N1烯胺中间体

      │ H2、Pt/C

      ↓

N1-异丁基吲唑

        这一案例说明，当常规双分子亲核取代反应难以提供足够选择性时，改变成键机理可能比继续筛选碱和溶剂更有效。

        对于N2选择性，三氟甲磺酸（trifluoromethanesulfonic acid，TfOH）可催化吲唑与重氮化合物反应，得到N2/N1最高达100∶0的产物，并完成克级实验。该方法适用于相应重氮试剂能够引入的取代基，不能等同于普通卤代烷条件下的通用N2烷基化。

4.4 系统开展构效关系：使用可后期官能化的中间体

        构效关系（structure–activity relationship，SAR）研究通常需要在保持吲唑核心不变的情况下，分别改变C3或苯环方向的取代基。

适合后期多样化的中间体包括：

①溴代或碘代吲唑；

②吲唑硼酸或硼酸酯；

③氨基吲唑；

④吲唑羧酸或酯；

⑤可进一步偶联的C3取代中间体。

        PLK4抑制剂系列以6-溴-1H-吲唑为起点，通过硼化、Suzuki–Miyaura偶联、C3碘化和再次偶联，分别改变苯环与C3方向的取代基。这类路线适合快速制备同系列分子，但需要同时控制N—H对催化的影响、多反应位点选择性、贵金属残留、总收率和纯化方式。

4.5 合成路线应按整体质量评价

        对药物发现而言，最高的单步收率并不一定代表最优路线。高区域选择性、较少纯化步骤和稳定的系列扩展能力，通常具有更高的实际价值。

5 吲唑结构如何影响成药性

5.1 酶活性、细胞活性和体内作用不能混为一谈

半数抑制浓度（half maximal inhibitory concentration，IC₅₀）较低，只能说明化合物在特定实验条件下具有较强酶抑制作用。

要在细胞中发挥作用，化合物还需要：

①在培养体系中保持足够溶解度；

②穿过细胞膜；

③避免快速外排或降解；

④在细胞内达到足够游离浓度；

⑤结合预期靶点并改变相应信号过程。

        PLK4吲唑系列同时评价了酶活性、肿瘤细胞增殖、初步物理性质及动物模型。研究中，化合物14i的结合方式来自分子对接，而其PLK4抑制、细胞效力及动物药效则由相应实验分别支持。这说明结构模型、生化活性、细胞表型和体内药效属于不同证据层级，不能用其中一个结果替代其他结果。

        吲唑N—H可能是蛋白质结合所必需的氢键供体，但它也会参与与水分子及晶体中其他分子的氢键作用。因此，N取代可能产生相反结果：

        是否进行N取代，不能仅依据计算极性或氢键数量决定。合理做法是同步比较N—H、N1取代和N2取代分子的结合活性、溶解度、通透性和代谢稳定性。

5.3 平面芳香结构可能增加晶格限制

        吲唑本身是近似平面的稠合芳香环。当C3及苯环方向继续连接共轭芳基时，分子可能形成更大的平面体系，有利于分子间规则堆积。

        但低溶解度并不能简单归因于平面性。实际溶解度同时受到以下因素影响：晶格稳定性；分子电离状态；脂溶性；氢键能力；固体晶型和溶剂化能力。

        在环丙沙星衍生物研究中，通过增加分子柔性、扰乱晶格堆积并同步调整脂溶性，可在该系列中改善溶解度和膜通透性。该结果提供的是一般药物化学思路，并非吲唑骨架的直接证据。因此，吲唑系列出现溶解度问题时，应结合熔点、晶型、酸碱解离常数和脂溶性分析，而不是只在任意位置增加极性基团。

针对共平面芳香结构，可考虑：

①减少连续共轭芳环；

②使相邻芳环形成非共平面构象；

③在朝向溶剂的位置引入可离子化基团；

④以饱和环或非平面片段替代部分芳香结构；

⑤打破分子对称性和规则堆积。

这些改造需要在不破坏关键蛋白质相互作用的前提下进行。

5.4 铰链结合提供基础定位，但不能单独决定激酶选择性

        在部分三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）竞争性激酶抑制剂中，吲唑可作为铰链结合基团。其相邻环氮能够与激酶铰链区主链形成氢键，从而确定配体在ATP结合口袋中的基本位置，并为靶点结合提供基础亲和力。

        但是，蛋白激酶具有相似的催化结构，许多激酶的铰链区主链几何关系较为接近。因此，同一个吲唑氢键单元可能在多个激酶中形成相似作用。能否与铰链区结合，不能单独说明化合物具有较高选择性。

激酶选择性主要取决于完整分子能否利用铰链区之外的结构差异，例如：

①接触目标激酶中的非保守氨基酸；

②匹配邻近疏水口袋的大小和形状；

③稳定目标激酶更易形成的特定构象；

④在非目标激酶中产生不利的空间排斥。

        对于含吲唑的激酶抑制剂，吲唑通常用于建立基础结合方向，而C3及C4—C7取代基可进一步延伸至邻近区域，形成附加相互作用。但各位置的具体功能并不固定，需要结合共晶结构、可靠的分子模型和构效关系数据判断。

6 从吲唑母核到候选分子的迭代过程

        吲唑药物分子设计在逻辑上具有先后关系，但实际研究不是一次完成的单向过程，而是在结构设计、化学合成和性质评价之间反复修正。

当实验结果与原始假设不一致时，应返回前面的步骤重新判断。例如：

①N取代改善通透性却降低活性，需要检查N—H是否参与结合；

②酶活性提高而细胞活性不变，需要检查溶解度、通透性和外排；

③目标N1产物难以制备，需要改变构环策略或成键机理；

④出现多激酶抑制，需要重新设计铰链区之外的取代方向；

⑤固态溶解度不足，需要调整平面性、离子化状态和晶体堆积。

7 从结构到成药性：吲唑骨架研究相关代表化学品

表1 核心骨架与N位区域异构体对照品

表2 卤代与硼化吲唑偶联砌块

表3 氨基、羧酸与醛基吲唑官能化砌块

表4 吲唑构环与N位区域选择性官能化配套试剂

表5 交叉偶联与硼化反应催化体系

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