1 三维药物骨架真正缺少的是什么

1.1 刚性三维结构的药物化学价值

        氮杂双环[x.1.1]烷烃（azabicyclo[x.1.1]alkanes，ABCAs）是一类含氮桥环化合物。与苯环等平面结构以及哌嗪、二氮杂环庚烷等构象较灵活的含氮杂环相比，这类分子具有更刚性、更明确的三维几何形状。

        桥连结构能够限制环的构象，使连接在骨架上的取代基沿相对确定的方向伸展。这种几何约束可能影响分子与蛋白质结合位点的匹配方式，也可能改变碱性、脂溶性、溶解度和代谢稳定性等性质。因此，3,6-二氮杂双环[3.1.1]庚烷等结构已被用于替代哌嗪、二氮杂环庚烷及其他常见含氮杂环。

        但刚性或三维性本身并不必然带来更高活性、更好选择性或更优药代性质。其实际效果取决于桥环的空间形状是否与具体靶标相匹配，以及取代基是否朝向正确的结合区域。因此，药物化学需要的不只是“能够合成的三维骨架”，而是能够在关键位置继续调整的三维骨架。

1.2 传统合成方法的核心限制

        传统氮杂桥环通常由单环前体经过分子内亲核取代、C—H键胺化或其他关环反应构建。这类方法能够有效形成桥环，但桥位取代基往往需要在关环前预先引入。

由此产生三个问题：

1. 每改变一次桥位取代基，通常都要重新制备前体；

2. 新取代基可能影响后续关环的收率和选择性；

3. 桥环形成后，内部结构紧凑，特定桥位难以再进行选择性官能团化。

        本文主要参考上海交通大学陈向洋团队与南京中医药大学研究人员合作完成的预印本研究“Modular Assembly of Bioisosteric Bridged Aza-frameworks via Strained Ring Release”（利用环张力释放模块化构建生物电子等排型桥连氮杂骨架）。该研究于2025年10月30日发布于Research Square，DOI为10.21203/rs.3.rs-7615919/v1。截至本文撰写时，该成果仍属于尚未完成同行评审的预印本，其机理解释和应用范围仍有待后续研究进一步验证。

2 合成设计：先构建共同三环前体，再释放张力

2.1 为什么选择氮杂三环烷烃

        研究人员没有直接从不同取代的单环原料分别合成目标桥环，而是先制备一类含高张力C—N键的氮杂三环烷烃。与目标氮杂双环相比，这种前体额外含有一个三元环。三元环使键角明显偏离常规四面体碳和胺氮的理想几何形状，形成具有较高反应倾向的C—N键。

这一结构设计同时确定了三项信息：

①目标骨架：三环开裂后保留氮杂双环[x.1.1]烷烃主体；

②反应位置：需要断裂的C—N键预先确定了官能团进入的桥碳；

③反应驱动力：三元环打开后释放部分环张力，有利于生成新的C—X键。

2.2 计算结果如何理解

        研究人员采用密度泛函理论（density functional theory，DFT）评估氮杂三环烷烃的稳定性及其C—N键发生张力释放反应的可行性。计算结果显示，目标氮杂三环烷烃中相关C—N键的键解离能（bond dissociation energy，BDE）约为45～57 kcal/mol，说明这些C—N键并非异常脆弱，三环前体具有一定的结构稳定性。

        研究人员进一步以1-氮杂三环[4.1.0.0²,⁷]庚烷与对甲苯磺酰氯（p-toluenesulfonyl chloride，TsCl）的反应为模型。在该TsCl模型反应的计算路径中，能垒最高的步骤是氮原子与TsCl形成N—S键，其吉布斯自由能垒为20.6 kcal/mol；作为对照，1-氮杂双环[1.1.0]丁烷相应反应的能垒为23.1 kcal/mol。

        随后发生C—N键断裂和C—Cl键形成，并伴随三元环张力释放。这些计算结果支持：这类三环前体在未活化状态下具有一定稳定性，而在TsCl活化后，可以沿相对较低能垒的路径发生选择性开环和桥位官能团化。

        需要注意，BDE反映的是化学键均裂所需的能量，不能直接等同于环张力。三环前体的可用性需要结合键解离能、反应能垒和实验稳定性综合判断。

2.3 三环前体如何制备

        研究人员以带有叔丁氧羰基（tert-butyloxycarbonyl，Boc）保护基的四氢吡啶醇为起始原料，依次经过环氧化、叠氮开环、羟基活化和连续分子内成环，构建含高张力C—N键的氮杂三环前体。

主要合成路线如下：

N-Boc-1,2,3,6-四氢吡啶-3-醇 6

                  ↓

mCPBA、NaHCO₃：立体选择性环氧化

                  ↓

              环氧醇 7

                  ↓

KN₃、MgSO₄、H₂O：叠氮离子打开环氧环

                  ↓

              叠氮二醇

                  ↓

Ms₂O、Et₃N：将两个羟基转化为甲磺酸酯

                  ↓

        叠氮双甲磺酸酯 8

                  ↓

PPh₃：叠氮基还原并发生第一次分子内成环

                  ↓

       氮杂环丙基鏻盐中间体 9

                  ↓

KOtBu：促进第二次分子内取代成环

                  ↓

N-Boc-1,4-二氮杂三环[4.1.0.0²,⁷]庚烷 10

        这条路线首先利用间氯过氧苯甲酸（meta-chloroperoxybenzoic acid，mCPBA）对烯烃进行立体选择性环氧化，建立后续成环所需的相对立体关系。叠氮化钾（KN₃）随后打开环氧环，引入新的氮源并形成叠氮二醇。

        接着，甲磺酸酐（methanesulfonic anhydride，Ms₂O）将两个羟基转化为甲磺酸酯，使其成为适合分子内亲核取代的离去基团。

        最后，三苯基膦（triphenylphosphine，PPh₃）促使叠氮基发生还原，并通过第一次分子内取代形成氮杂环丙基鏻盐中间体；叔丁醇钾（potassium tert-butoxide，KOtBu）进一步促进第二次分子内成环，形成新的C—N键，完成氮杂三环骨架的构建。

        这一路线的核心是：先通过环氧化和叠氮开环确定各反应位点的相对位置，再通过连续两次分子内取代，将这些官能团转化为含高张力C—N键的三环结构。

        论文结果显示，部分关键中间体可以进行放大制备；目标三环前体能够通过减压升华纯化，其结构经X射线单晶衍射确认，并在低温条件下表现出一定的储存稳定性。这些结果说明该前体具备实验室制备、分离和后续反应使用的可行性。

3 张力释放反应如何完成桥位官能团化

3.1 TsCl参与的张力释放机理

        研究人员以1-氮杂三环[4.1.0.0²,⁷]庚烷与对甲苯磺酰氯（p-toluenesulfonyl chloride，TsCl）的反应为模型，通过密度泛函理论计算分析高张力C—N键的转化过程。[1]

简化反应路径如下：

1-氮杂三环[4.1.0.0²,⁷]庚烷 + TsCl

                    ↓

氮原子进攻TsCl的硫中心，形成N—S键

                    ↓

         氮杂环丙烷鎓盐中间体

                    ↓

      C—N键断裂与C—Cl键形成协同发生

                    ↓

           氯代氮杂双环烷烃

        对于上述TsCl模型体系，计算结果表明，形成N—S键是能垒最高的步骤。随后，计算路径支持高张力C—N键断裂与新C—Cl键形成协同发生，三元含氮环打开，三环前体转化为氯代氮杂双环产物。

        这一过程说明，TsCl首先活化三环氮原子，随后通过张力释放推动C—N键发生定向转化。该计算路径表明，这一转化并非简单的三环结构无选择性分解，而更符合由氮原子活化、C—N键断裂和新化学键形成组成的有序反应过程。

3.2 共同前体能够引入哪些结构

研究人员利用不同试剂，将同类氮杂三环前体转化为多种桥位取代的氮杂双环产物。

        骨架构建与取代基选择因此被分成两个相对独立的阶段：先制备三环前体，再根据研究需要选择桥位官能团。对于需要快速建立结构—活性关系的药物化学研究，这种共同前体策略有望减少为每个取代物分别开发完整路线的需要，提高类似物库构建效率。

4 桥位取代基的空间方向如何控制

        官能团的种类决定其化学性质，而官能团从桥环骨架伸展的方向，则决定其占据的三维空间。该研究不仅能够在桥碳上引入不同官能团，还能分别获得endo和exo构型，为比较不同空间方向的取代物提供合成方法。

4.1 endo和exo表示什么

在本文讨论的7位取代6-氮杂双环[3.1.1]庚烷和3,6-二氮杂双环[3.1.1]庚烷中，7位碳与6位原子分别构成两条一原子桥。

7位取代基的方向可表示为：

endo构型：取代基朝向双环骨架的凹面，接近另一条一原子桥；

exo构型：取代基背向骨架凹面，伸向双环结构外侧。

endo和exo产物具有相同的原子组成和连接顺序，但取代基指向不同的三维区域，因此可能与靶标结合位点形成不同的空间接触。

4.2 直接张力释放主要获得endo产物

        氮杂三环前体中的高张力C—N键发生立体选择性转化后，主要得到endo取代的氮杂双环产物。通过改变张力释放试剂或亲核试剂，可以在同一桥碳上引入卤素、碳、氧、硫、硒和氮类官能团。

其基本转化关系可表示为：

氮杂三环前体 + 官能团来源 → C—N键张力释放 → endo-7-取代氮杂双环

其中，endo-7-溴代氮杂双环还可以作为后续官能团转化的共同中间体：

endo-7-溴代氮杂双环 → 构型保持型取代 → endo-7-氟代、羟基或硝基产物

        论文提出，这类反应可能先经历邻近氮原子参与的溴离子离去，再由亲核试剂进攻，整体表现为桥碳相对构型保持。因此，溴原子被替换后，新引入的官能团仍保持endo方向。

        论文图3所展示产物的非对映异构体比（diastereomeric ratio，dr）均标注为大于20∶1，说明相关反应具有较高的相对立体选择性。该结果表明反应能够控制桥位取代基的endo或exo方向，但不能直接等同于实现了通用的对映选择性合成。

4.3 通过光驱动金属催化获得exo产物

        直接张力释放主要生成endo取代产物。为了获得取代基朝向相反的exo产物，研究人员以endo-7-溴代氮杂双环为中间体，发展了两类可见光驱动的金属催化反应。

        镍催化反应在蓝光、光催化剂和镍催化剂共同作用下，用芳基或杂芳基取代桥位溴原子，在7位形成新的C—C键。

铜催化反应则在可见光条件下形成桥位C—N键，可引入多种含氮官能团。

        两类反应均以较高的exo选择性生成目标产物。由此，同一个7位桥碳既可以通过直接张力释放获得endo取代物，也可以经桥位溴代中间体进一步转化为exo取代物，从而实现取代基空间方向的选择性控制。

由此，该合成方法能够分别控制三个结构变量：

5 食欲素受体研究验证了什么

5.1 从骨架替换开始

        食欲素受体（orexin receptors，OXRs）包括食欲素1型受体（OX1R）和食欲素2型受体（OX2R），均属于G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）。已上市药物Suvorexant是一种双重食欲素受体拮抗剂，其结构中含有1,4-二氮杂环庚烷，用于连接两个主要芳香片段。

        研究人员通过计算机辅助药物设计（computer-aided drug design，CADD），用更加刚性的3,6-二氮杂双环[3.1.1]庚烷替换该二氮杂环庚烷，得到化合物67。该化合物在GPCR细胞功能测定中表现出较高的OX2R活性。

        骨架替换本身只能说明这种氮杂桥环可以承担原连接环的部分几何功能。该研究更重要的一步，是继续在7位桥碳上改变取代基和取代方向。

5.2 桥位修饰验证了构效关系研究价值

        结构—活性关系（structure–activity relationship，SAR）研究显示，7位取代基对活性和受体亚型选择性产生了不同影响。

        7位桥碳上的取代基变化会影响食欲素受体活性和OX1R/OX2R亚型选择性。其中，7-endo氟取代提高了受体活性，7-endo苯胺取代则改变了受体亚型选择性。

        这些结果说明，一碳桥不仅用于限制分子构象，其桥碳还可以作为药物化学修饰位点。利用共同三环前体改变桥位取代基及其空间方向，可以围绕同一氮杂桥环骨架建立初步结构—活性关系。

        该研究验证的是桥位官能团化在先导化合物优化中的应用潜力，尚不能据此认定已获得新的食欲素受体候选药物。

6 构象限制如何用于生物电子等排设计

        研究人员还利用6-氮杂双环[3.1.1]庚烷限制氮杂环丁烷的构象，并设计了两个结构实例。

        第一个实例以Janus激酶（Janus kinase，JAK）抑制剂Baricitinib的结合构象为参照。研究人员合成了含6-氮杂双环[3.1.1]庚烷的化合物79，使7-exo取代基保持与Baricitinib相关片段相近的轴向几何关系。

        第二个实例以研究性抗肿瘤分子RRx-001为参照，在6-氮杂双环[3.1.1]庚烷的7位引入两个硝基，得到桥连类似物80，使关键官能团保持与母体分子相近的空间排列。

        这两个实例主要证明了目标结构可以被合成，并可通过桥连方式获得特定几何形状。论文没有报告化合物79和80相对于原分子的系统生物活性比较，因此不能据此认定桥连类似物具有更高活性或更优成药性质。

        构象限制的作用取决于被固定的几何形状是否接近真实活性构象。若固定方向正确，可能减少分子结合靶标时的构象调整；若固定方向错误，刚性结构反而可能降低结合能力。

7 研究贡献与后续问题

7.1 核心贡献

        这项研究的核心贡献，是以可分离、可储存的氮杂三环烷烃为共同前体，通过高张力C—N键的选择性转化，实现氮杂桥环的桥位官能团化和空间方向控制。

该方法主要解决了三个问题：

① 将原本难以后期修饰的一碳桥位置转化为明确的反应位点；

② 从共同三环前体出发，引入卤素、碳、氧、硫、硒和氮类官能团；

③ 通过不同反应路径，分别获得endo和exo取代的氮杂双环产物。

该研究不仅提供了氮杂桥环的构建方法，还使一碳桥位置能够继续用于结构—活性关系研究和先导化合物优化。

7.2 尚待解决的问题

该方法的进一步应用仍需验证以下问题：

① 是否能够扩展到更多环尺寸、氮原子位置和复杂取代结构；

② 面对含有多种敏感官能团的复杂分子，是否仍具有足够的官能团兼容性、化学选择性和立体选择性；

③ 是否能够发展通用的不对称合成方法，直接获得高对映体纯度的桥位取代产物；

④ 三环前体的多步合成以及叠氮化物、有机锂等试剂的使用，能否满足更大规模制备对安全性、成本和操作稳定性的要求；

⑤ 桥位修饰带来的体外活性变化，能否进一步转化为吸收、分布、代谢和排泄、药代动力学及体内药效方面的改善。

这些问题将决定该方法能否由一种新型合成策略，进一步发展为药物发现中具有更广泛适用性的氮杂桥环制备方法。

8 氮杂三环烷烃张力释放与三维药物骨架官能团化代表化学品分类表

表1 三环前体构建与成环试剂

表2 张力释放与桥位官能团化试剂

表3 光驱动金属催化与立体发散反应组分

表4 官能团来源与偶联底物

表5 特殊试剂制备与辅助反应试剂

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参考文献

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