引言

         在先导化合物优化过程中，药物化学家经常需要在同一分子骨架上引入甲基、环丙基、二氟甲基、羟甲基、氧杂环丁基和双环[1.1.1]戊基等C(sp³)小片段，以考察取代基变化对生物活性、优势构象、局部极性、代谢稳定性和三维形状的影响。困难在于，这些片段虽然结构较小，却往往依赖不同的合成前体、催化体系和反应条件。即使已经确定需要优化的取代位置，研究人员仍可能因缺少直接成键方法而不得不重新设计合成路线。

         本文主要介绍Tsien、Péter等人在《德国应用化学》国际版（Angewandte Chemie International Edition）发表的研究工作——“Accelerating Medicinal Chemistry: A C(sp³)-Rich Fragment Toolbox for Redox-Neutral Cross-Coupling”。 该研究以磺酰肼为C(sp³)片段前体，构建了包含15种磺酰肼试剂的合成工具箱，可在芳基或杂芳基卤化物上引入14类C(sp³)小片段，并在60余种芳基和杂芳基卤化物中进行了验证。[1]

该方法的基本思路是：先将来源和结构不同的C(sp³)片段转化为同类磺酰肼试剂，再通过氧化还原中性的镍催化自由基交叉偶联，构建新的C(sp²)—C(sp³)键。磺酰肼在反应中不仅提供待转移的烷基片段，还参与自由基生成及镍催化剂的氧化还原循环，因此通常不需要额外加入化学计量氧化剂或还原剂。

         这项工作的主要意义不在于单独开发了一种甲基化、环丙基化或二氟甲基化反应，而在于将多种C(sp³)片段转化为形式相近、可分离且便于使用的偶联试剂，并根据不同片段的反应特征配置相应的镍催化条件。由此，同一个芳基或杂芳基卤化物可以被用于制备一系列结构和性质不同的类似物，从而减少专用前体制备与合成路线调整，提高苗头化合物到先导化合物优化阶段的结构验证效率。

1 C(sp³)小片段为什么值得系统比较

1.1 “魔法甲基”并不是普遍规律

         所谓“魔法甲基效应”，通常是指在分子的特定位置引入甲基后，生物活性或药代性质显著改善。但这种变化并非来自甲基的固定作用，而是甲基与具体分子结构、蛋白结合位点和代谢途径共同作用的结果。

甲基引入可能产生以下影响：

         ① 填充蛋白结合位点中的小型疏水空腔，增加有利的疏水接触；

         ② 改变邻近化学键的旋转自由度，使分子更倾向于采用有利于结合的构象；

         ③ 遮蔽容易发生氧化的代谢位置，降低某些代谢途径的速率；

         ④ 通过诱导效应或超共轭作用，改变邻近官能团的电子环境；

         ⑤ 改变脂溶性、溶解度、膜通透性和非特异性结合。

         这些作用并不一定同时发生，也不一定都朝有利方向变化。甲基可能提高活性，也可能造成空间冲突、溶解度下降或代谢途径转移。因此，甲基化应被视为需要实验验证的结构设计，而不是必然有效的优化规则。

         环丙基、氧杂环丁基和双环[1.1.1]戊基等片段同样如此。它们提供的是不同的体积、刚性、极性和空间取向，而不是预先确定的药效优势。

1.2 Fsp³不是药物质量的直接指标

sp³杂化碳比例的英文名称为fraction of sp³ carbons，通常缩写为Fsp³。其计算方式为：

         Fsp³ = 分子中sp³杂化碳原子数 ÷ 分子中碳原子总数

         Fsp³描述的是分子中碳原子的杂化组成，主要反映分子的饱和程度。它不能直接表示分子的真实三维构象，也不能完整反映手性中心、环系刚性、取代基方向或构象分布。

         早期统计研究发现，较高的Fsp³与部分临床开发阶段指标存在相关性。但后续重新分析表明，这种相关性并不能转化为“Fsp³越高，成药性越好”的普遍规律。

因此，引入C(sp³)片段的合理目的不是单纯提高Fsp³，而是针对具体问题改变：

         ① 分子与靶点结合位点的空间匹配；

         ② 分子的优势构象和构象自由度；

         ③ 局部疏水性、极性和电子性质；

         ④ 潜在代谢软点；

         ⑤ 可用于后续衍生的官能团。

2 C(sp³)小片段引入的主要合成困难

2.1 不同片段通常依赖不同的偶联前体

         经典交叉偶联反应能够高效构建大量碳—碳键，但小型C(sp³)片段的引入仍经常依赖专门设计的有机硼、有机锌、有机镁或有机锡试剂。

这些前体在以下方面可能存在明显差异：

         ① 制备步骤和原料可得性；

         ② 对空气、水和温度的敏感性；

         ③ 与酰胺、酮、酯、醇、胺及含氮杂环的相容性；

         ④ 是否需要低温、无水或严格无氧操作；

         ⑤ 是否适合毫克级平行合成。

         甲基偶联条件通常不能直接用于二氟甲基、氧杂环丁基或双环[1.1.1]戊基。更换片段时，研究人员往往需要重新制备偶联前体、筛选催化体系，甚至调整上游合成路线。

2.2 现有自由基偶联仍可能增加操作复杂度

镍催化自由基交叉偶联为C(sp²)—C(sp³)成键提供了重要补充，但部分方法需要：

         ① 锌或锰等化学计量还原剂；

         ② 光氧化还原催化剂和特定光源；

         ③ 电化学装置；

         ④ 氧化还原活性酯或其他专用自由基前体。

         这些方法各有优势，但当研究目标是围绕同一先导骨架制备多种小片段类似物时，前体形式和设备条件的频繁变化仍会增加合成工作量。

3 磺酰肼试剂体系如何设计

3.1 不同来源的片段被转化为同类试剂

         研究者利用五类合成路线，从肼、烷基卤化物、醇、酮和胺等原料制备15种磺酰肼试剂。[1]

         五条路线使用的反应原理并不相同，但最终都得到磺酰肼类化合物。这样一来，不同C(sp³)片段便可以采用相近的称量、投料和镍催化偶联方式。

这类试剂通常为可分离的白色或淡黄色固体，并可进行克级制备。但不同结构的稳定性存在差异：

         ① 部分试剂可在空气中室温储存；

         ② 部分较易分解的试剂需要在低温下保存；

         ③ “可分离固体”不等于所有试剂都可以长期室温放置。

         因此，在实际使用中，应按照具体试剂的稳定性数据选择储存条件，而不能对全部磺酰肼采用同一储存方式。

3.2 磺酰肼同时承担三项反应功能

以R表示需要转移的C(sp³)片段，以Ar′表示磺酰基中的芳基，烷基磺酰肼可简化表示为：

R—NH—NH—SO₂Ar′

它在反应中具有三项相互关联的功能：

         ① 片段载体：在反应前稳定携带甲基、环丙基、氰甲基或其他C(sp³)片段；

         ② 自由基前体：在碱、热和镍催化条件下，形成能够释放烷基自由基的含氮中间体；

         ③ 内部电子来源：在生成自由基的同时形成低价镍物种，为镍催化循环提供所需的还原能力。

         第三项功能使该反应通常不需要额外加入化学计量还原剂，也不依赖光催化或电化学设备。

4 反应如何形成C(sp²)—C(sp³)键

4.1 简化反应示意

磺酰肼与芳基或杂芳基卤化物的成键过程可简化表示为：

(Het)Ar—X + R—NH—NH—SO₂Ar′

—Ni催化剂、配体、碱、加热→

(Het)Ar—R + N₂↑ + Ar′SO₂⁻

其中：

         ① (Het)Ar表示芳基或杂芳基；

         ② X主要表示氯、溴或碘；

         ③ R表示甲基、环烷基或功能化甲基等C(sp³)片段；

         ④ Ar′SO₂⁻表示反应中形成的亚磺酸根。

4.2 磺酰肼首先形成异二氮烯相关中间体

         后续机理研究首先以一个代表性芳基氯化物偶联反应为模型，采用温度扫描反应量热、反应进程动力学分析、定量核磁共振和密度泛函理论计算进行研究，并将温度扫描动力学分析扩展至6种磺酰肼和6种芳基卤化物。

目前证据支持以下过程：

         ① 碱首先使磺酰肼去质子化，形成磺酰肼阴离子；

         ② 该阴离子脱去亚磺酸根，形成异二氮烯相关中间体；

         ③ 异二氮烯与Ni(II)物种结合并进一步去质子化；

         ④ Ni—N键和C—N键发生均裂，同时释放氮气，生成烷基自由基R·和Ni(I)物种。

         在该代表性反应中，动力学实验显示，反应速率与磺酰肼浓度近似成正比；相比之下，改变芳基卤化物、镍催化剂或碱的浓度，对总体反应速率影响较小。由此推测，在所考察的条件下，控制反应整体速度的关键步骤，主要是磺酰肼阴离子脱去亚磺酸根并形成异二氮烯相关中间体，而不是后续的芳基卤化物活化或C—C键形成过程。

         需要注意的是，该速率律已在研究所考察的6种磺酰肼和6种芳基卤化物系列中得到验证；但更换配体、溶剂、碱或反应模式后，反应级数和速率决定步骤仍可能发生变化，因此不宜将这一动力学规律无条件推广至所有磺酰肼偶联反应。

4.3 镍催化剂连接芳基卤化物与烷基自由基

异二氮烯分解产生烷基自由基后，镍催化部分可概括为：

         ① Ni(I)物种与芳基或杂芳基卤化物发生氧化加成，形成高氧化态芳基镍物种；

         ② 该高氧化态镍物种与另一Ni(I)物种发生归中反应，生成Ni(II)芳基中间体和Ni(II)卤化物；

         ③ Ni(II)芳基中间体捕获烷基自由基R·；

         ④ 随后形成新的C(sp²)—C(sp³)键，并再生Ni(I)物种。

简化成键关系如下：

         (Het)Ar—Ni(II) + R· → [(Het)Ar—Ni—R] → (Het)Ar—R

         该机理不是一条单独的线性催化循环，而是由磺酰肼活化、自由基生成、芳基卤化物活化和镍物种相互转化组成的多循环反应网络。

5 反应效率为什么取决于速率匹配

5.1 自由基生成与芳基卤化物活化必须协调

反应能否高效进行，取决于两个主要过程的速率是否协调：

         ① 磺酰肼活化并生成烷基自由基；

         ② 镍催化剂活化芳基卤化物并捕获烷基自由基。

如果磺酰肼分解过快，而芳基卤化物氧化加成较慢，可能出现以下结果：

         ① 烷基自由基发生还原、二聚或其他副反应；

         ② 生成的Ni(I)不能被及时消耗；

         ③ 低价镍物种发生失活并形成镍黑；

         ④ 磺酰肼被消耗，但目标产物产率较低。

         如果磺酰肼活化过慢，则芳基镍中间体得不到足够的烷基自由基，反应同样可能停滞。

5.2 磺酰基电子效应可调节磺酰肼活化速度

         磺酰肼生成烷基自由基之前，需要先脱去亚磺酸根并形成异二氮烯相关中间体。在所研究的模型反应中，这一步是影响总体反应速度的关键过程，因此磺酰基芳环上的取代基会直接影响磺酰肼的活化速度。

其基本规律为：

 ① 吸电子取代基通常加快活化。

         吸电子基团有利于稳定离去的亚磺酸根，使异二氮烯更容易形成，从而加快后续自由基生成。

② 给电子取代基通常减慢活化。

         给电子基团不利于亚磺酸根离去，因此磺酰肼活化较慢，但往往具有更高的热稳定性。

         机理研究表明，仅改变磺酰基芳环上的取代基，就可使代表性磺酰肼的活化速率相差约两个数量级。

         这一规律有助于理解反应条件的选择：磺酰肼活化不宜过快或过慢，而应与芳基卤化物的活化及镍捕获自由基的速度相协调。若自由基生成过快而不能被及时捕获，可能导致磺酰肼无效分解、自由基副反应或镍催化剂失活。

5.3 不同片段需要不同配体和条件

除了磺酰肼活化速度，不同烷基自由基本身的电子性质和结构也会影响反应。

         ① 普通小烷基自由基：甲基和部分简单烷基自由基主要需要协调生成速度和镍捕获速度；

         ② 含吸电子基团的自由基：氰甲基、羧甲基和二氟甲基自由基的极性与普通烷基自由基不同，需要调节镍中心的电子性质；

         ③ 高环张力自由基：环丙基和双环[1.1.1]戊基自由基具有特殊的轨道和空间特征，需要较快、有效的捕获过程；

         ④ 带配位基团的片段：羟甲基和氨甲基中的氧、氮原子可能与镍配位，干扰催化反应。

配体、溶剂和温度的调整，主要用于控制：

         ① 芳基卤化物的氧化加成；

         ② 镍物种的稳定性；

         ③ 烷基自由基的捕获效率；

         ④ C—C键形成与脱卤、均偶联等副反应之间的竞争。

         因此，这套方法具有统一的试剂类型和成键原理，但不同片段仍需采用相应的反应条件。

6 可引入片段及其药物化学用途

         不同片段的选择应当对应明确的药物化学问题，而不是为了单纯增加分子中的sp³碳。

例如，当一个甲基化合物活性提高时，后续可以有目的地比较：

         ① 三氘甲基是否影响与C—H键断裂相关的代谢过程；

         ② 环丙基是否通过增加刚性或疏水接触进一步提高活性；

         ③ 二氟甲基是否通过电子效应改变结合和代谢；

         ④ 羟甲基是否能够提高极性或溶解度；

         ⑤ 氧杂环丁基是否能在保持一定体积的同时引入氧原子。

         这种比较方式有助于区分活性变化究竟来自体积、构象、极性、电子效应还是代谢稳定性的改变。

7 底物范围与实际应用

7.1 对药物常见杂环具有较广覆盖

         研究在60余种芳基和杂芳基卤化物上验证了该方法，其中包括多种药物化学常见结构，例如吡啶、喹啉、吡嗪、噻吩、苯并呋喃及稠合含氮杂环。

在特定反应条件下，可兼容的官能团包括：

         ① 酰胺和内酰胺；

         ② 酯和酮；

         ③ 部分硫醚；

         ④ 硼酸酯；

         ⑤ 受保护的醇和胺；

         ⑥ 部分强吸电子取代基。

         这里需要注意，“官能团兼容”是针对具体磺酰肼、底物和反应条件而言，不能从一个成功实例推导出该官能团在所有片段偶联中均可耐受。

该方法尤其适合以下情况：

         ① 分子中已经存在芳基或杂芳基氯、溴、碘；

         ② 卤素所在位置正是需要进行结构优化的位置；

         ③ 需要围绕同一个核心骨架比较多种小片段；

         ④ 希望避免为每一种片段重新设计上游路线；

         ⑤ 目标是尽快获得毫克至克级类似物，用于生物活性和理化性质测试。

         如果目标分子中不存在合适的芳基卤化物，则需要比较“预先引入卤素再偶联”与其他合成路线的总步骤数和实际可行性。

7.3 代表性路线简化实例

         研究人员将三氘甲基引入间质—上皮转化因子（mesenchymal–epithelial transition factor，MET）激酶抑制剂前体。已报道Kumada偶联路线的产率为14%，采用相应磺酰肼后，目标产物产率达到51%。

         另一实例是NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD-like receptor family pyrin domain-containing 3，NLRP3）抑制剂中间体的环丁基化。已有路线需要四步，总产率低于5%；磺酰肼偶联可在一步中构建目标C—C键，产率为41%。

这两个案例分别体现了该方法的两种价值：

         ① 用可分离的磺酰肼替代制备或操作较困难的有机金属试剂；

         ② 通过直接构建C(sp²)—C(sp³)键，减少保护基操作、官能团转换和多步路线绕行。

         在苗头到先导优化阶段，研究目的通常是尽快获得足够量的类似物进行测试。因此，减少总步骤数和前体制备工作，往往比追求某一个反应的最高分离产率更重要。

8 方法限制与使用注意事项

         磺酰肼试剂扩大了可直接引入的C(sp³)片段范围，但并不适用于所有底物和官能团。

8.1 主要限制

① 部分富电子底物反应较困难。

         某些富电子芳基和杂芳基底物，在羟甲基化、氨甲基化或二氟甲基化中可能出现低转化率或低产率。

② 游离羟基和氨基可能干扰镍催化剂。

         醇和胺可与镍配位，也可能参与质子转移或副反应。因此，羟甲基常采用叔丁基二甲基硅基（tert-butyldimethylsilyl，TBS）等形式保护，氨基常采用叔丁氧羰基（tert-butoxycarbonyl，Boc）等形式保护。

③ 硝基相容性具有条件依赖性。

         部分硝基底物可在特定条件下得到产物，但硝基也可能受到肼、腙或其他还原性中间体影响。因此，不能笼统判断硝基在整个方法中“完全兼容”或“完全不兼容”。

④ 部分反应需要较高镍用量。

         较容易的底物可使用较低催化剂负载量，部分困难底物则可能需要约20 mol%的镍催化剂。

⑤ 通常需要惰性气氛。

         反应一般在氮气或氩气保护下进行，但通常不要求手套箱操作。

可能观察到的副产物包括：

         ① 芳基卤化物的脱卤产物；

         ② 芳基底物的均偶联产物；

         ③ 烷基自由基还原或二聚产物；

         ④ 自由基重排后形成的偶联产物；

         ⑤ 磺酰化相关副产物；

         ⑥ 磺酰肼分解形成的亚磺酸盐。

         这些副反应反映了自由基生成、镍物种转化和目标成键之间的竞争。优化时应重点判断问题来自磺酰肼活化过快、芳基卤化物活化过慢，还是底物或产物与镍催化剂发生了不利配位。

9 磺酰肼介导C(sp³)小片段引入相关化学品

表1 催化剂、配体、反应碱与溶剂

表2 磺酰肼构建、还原与官能团保护试剂

表3 氘代甲基与功能化链状片段前体

表4 环状与刚性C(sp³)片段前体

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参考文献

[1] Tsien J, Péter Á, Zeng X, et al. Accelerating Medicinal Chemistry: A C(sp³)-Rich Fragment Toolbox for Redox-Neutral Cross-Coupling. Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64(51): e202517207. DOI: 10.1002/anie.202517207.

[2] Sun J, Péter Á, He J, et al. Sulfonyl Hydrazides as a General Redox-Neutral Platform for Radical Cross-Coupling. Science, 2025, 387(6741): 1377–1383. DOI: 10.1126/science.adu6406.

[3] Cagan D A, Péter Á, Vokits B P, et al. Decoding the Nested, Multicycle Mechanism of Ni-Catalyzed Redox-Neutral Cross-Coupling through Temperature Scanning Reaction Calorimetry. Journal of the American Chemical Society, 2026, 148(1): 677–691. DOI: 10.1021/jacs.5c15506.

[4] Lovering F, Bikker J, Humblet C. Escape from Flatland: Increasing Saturation as an Approach to Improving Clinical Success. Journal of Medicinal Chemistry, 2009, 52(21): 6752–6756. DOI: 10.1021/jm901241e.

[5] Churcher I, Newbold S, Murray C W. Return to Flatland. Nature Reviews Chemistry, 2025, 9: 140–141. DOI: 10.1038/s41570-025-00688-5.

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