引言

        2-氧杂双环[2.1.1]己烷（2-oxabicyclo[2.1.1]hexane，2-oxa-BCH）是一类刚性、富含sp³碳的含氧双环骨架。2020年的研究基于晶体结构提出，1,4-二取代2-oxa-BCH可能模拟间位二取代苯，但当时尚未进行相应的生物活性验证[2]。2023年的研究进一步表明，1,5-二取代2-oxa-BCH与邻位二取代苯具有较为接近的出口矢量关系，并比较了相应活性分子的理化性质；Fluxapyroxad和Boscalid的1,5-二取代类似物还接受了抗真菌活性验证[3]。2024年的后续研究扩展了该骨架的可放大合成和官能化范围，并分别以Sonidegib中的间位二取代苯和另外7种活性分子中的邻位二取代苯为替换对象，考察1,4-二取代和3,4-二取代2-oxa-BCH的几何参数、理化性质及生物活性[1]。

        这些研究表明，几何相似并不足以确立生物等排关系。一个在空间几何上接近苯环的饱和骨架，还需要在具体活性分子中满足相应的分子识别要求，并通过生物活性验证，才能被视为具有实际意义的生物等排体。

1. Sonidegib饱和类似物的功能差异

        2024年的研究首先将Sonidegib中的间位二取代苯替换为1,4-二取代2-oxa-BCH，获得饱和类似物78。Sonidegib是Smoothened（Smo）受体拮抗剂，通过抑制Hedgehog信号通路发挥作用；研究者在Gli-Luc报告基因NIH3T3细胞体系中比较两者的通路抑制活性，同时测定双向Caco-2细胞单层渗透性质[1]。

        Sonidegib与类似物78的Caco-2实验渗透表现相近，但二者的Hedgehog信号通路抑制效力出现明显差异：Sonidegib的半数抑制浓度（half-maximal inhibitory concentration，IC₅₀）为1.462 nM，类似物78为179 nM。78仍保持纳摩尔级活性，但效力降低约两个数量级[1]。

图1 Sonidegib与2-oxa-BCH饱和类似物78的结构及实验结果。

        蓝色标示Sonidegib中被替换的间位苯，红色标示类似物78中的1,4-二取代2-oxa-BCH。两者双向Caco-2实验结果处于相近范围，而Hedgehog信号通路抑制IC₅₀由1.462 nM变为179 nM。Caco-2数据反映细胞单层渗透相关性质，不能单独排除其他影响细胞活性的因素。转载自文献[1] Figure 2，CC BY 4.0。

        这组结果把三个层面的判断区分开来：化学结构能够完成替换、两个骨架具有一定几何相似性，以及原有生物功能以相近水平保持，并不是同一件事。

        类似物78仍具有活性，说明1,4-二取代2-oxa-BCH能够在该分子中连接两侧结构片段；明显的效力损失则提示，替换后完整分子的有效识别或细胞内作用条件没有得到同等保持。由于Gli-Luc IC₅₀反映的是细胞水平的Hedgehog通路抑制，而不是Smo直接结合亲和力，现有结果不能将效力差异唯一归因于出口矢量角度。

2. 苯环取代基的空间约束与出口矢量

        二取代苯环不仅提供芳香π电子体系，还构成一个刚性的空间定位单元。邻位、间位和对位取代方式分别限定两个连接位置之间的距离以及取代键从芳环伸出的方向。芳环被另一种刚性骨架替换后，即使整个分子的连接顺序没有改变，两端官能团在三维空间中的位置仍可能发生变化。

        这种空间关系常用出口矢量（exit vector）分析描述。连接核心骨架与外部取代基的键被视为具有方向的矢量，通过连接位点距离、取代基距离、矢量夹角以及二面角等参数，可以比较两个不同核心能否将外部官能团投射到相近位置[1,3]。这一方法已被用于比较不同连接方式的2-oxa-BCH。2023年研究定量比较了1,5-二取代结构与邻位二取代苯的空间关系[3]；2024年研究则比较了3,4-二取代结构与邻位二取代苯的几何参数[1]。

        对药物分子而言，距离与方向需要同时保持在合理范围。两个核心即使具有相近的取代基间距，只要出口方向明显不同，沿取代键继续延伸的药效团就会进入不同空间区域。取代基越长，核心位置上的角度差异越可能转化为末端官能团更明显的位置偏移。

晶体结构比较显示，不同取代方式的2-oxa-BCH与苯环具有明显不同的几何匹配特征。

图2 2-oxa-BCH与间位及邻位二取代苯的几何比较。

        左：1,4-二取代2-oxa-BCH的两个出口方向形成约150°夹角，间位苯约为120°，二者叠合后可见明显的角度差异。右：3,4-二取代2-oxa-BCH与邻位苯具有较接近的主要连接位置和整体空间轮廓，但2-oxa-BCH保持明显的非平面三维结构。源自文献[1] Figure 1b、1d，CC BY 4.0。

3. 1,4-二取代2-oxa-BCH的间位—对位中间几何

图2左侧解释了1,4-二取代2-oxa-BCH为何不能简单视为间位苯的精确空间复制物。

X射线晶体学数据表明，两类核心的部分距离参数确实接近。2-oxa-BCH的取代基距离d为4.92–4.95 Å，所比较间位苯为4.93–5.05 Å；单独观察这一距离，两种骨架具有较高相似性[1]。

更显著的差别来自两个出口矢量的夹角γ：

        1,4-二取代2-oxa-BCH的153°并非围绕间位苯约120°的小幅变化，而是明显向对位苯接近。原研究据此将这一结构描述为占据间位苯与对位苯之间的化学空间，并认为其可以作为两类结构之间的一种替代骨架[1]。

这一结果表明，2-oxa-BCH对二取代苯的空间模拟具有明显的取代位置依赖性，不能仅依据骨架类型判断其对应的芳环取代模式。

        Sonidegib与类似物78的活性结果与这一结构差异相容。原研究提出，二者效力差异可能与间位苯和1,4-二取代2-oxa-BCH不同的角度特征有关[1]。

        芳环替换同时移除了芳香π电子表面，并改变局部电子分布、疏水表面、溶剂化和三维形状；2-oxa-BCH中的桥氧还引入新的极性特征。如果原苯环直接参与π–π、π–酰胺堆积或其他芳香相关相互作用，即使外部药效团的位置接近，分子识别仍可能受到影响[3]。

4. 3,4-二取代2-oxa-BCH的邻位几何与功能验证

        3,4-二取代2-oxa-BCH与邻位二取代苯的整体几何匹配明显优于上述间位体系。

        晶体结构中，3,4-二取代2-oxa-BCH的取代基距离d为3.11–3.17 Å，邻位苯为2.87–2.95 Å；连接位点距离r分别为1.55–1.56 Å和1.40–1.41 Å。两组出口矢量的平面角φ₁、φ₂分别为61–65°和57–59°，主要伸出方向较为接近[1]。

        二者并非结构完全相同。邻位苯基本维持平面结构，二面角|θ|仅为0–6°；3,4-二取代2-oxa-BCH的|θ|达到54–56°。也就是说，这种替换在较好保持主要出口方向的同时，引入了明显的三维性[1]。

        这种结构关系比单纯增加sp³碳更有药物化学意义。三维化本身不是独立目标；当关键药效团之间的空间关系仍处于可接受范围时，引入新的非平面核心才可能在保持原有识别模式的同时改变分子形状和理化性质。

        几何匹配仍然不能直接推出生物功能保持。研究者将3,4-二取代2-oxa-BCH引入Fluxapyroxad、Bixafen和Boscalid对应结构，获得饱和类似物83–85，并测试其对Fusarium culmorum和F. oxysporum的抗真菌活性。83和85在该实验条件下未表现活性，而Bixafen类似物84保持较高抗真菌活性；母体Bixafen的效力仍略高[1]。

        文献[3]中的1,5-二取代类似物29和31分别对应Fluxapyroxad和Boscalid，并在相应的抗真菌实验中仍表现活性；文献[1]中的83–85则采用3,4-二取代连接方式。由于两组化合物的连接位置和取代基空间方向不同，测试菌株与具体实验条件也不完全相同，两项研究的结果不能直接一一比较。它们共同表明，2-oxa-BCH的替代效果取决于具体连接方式和完整分子结构。

        较好的出口矢量匹配能够提高芳环替换后关键药效团仍处于合理空间位置的可能性，但不能保证每一个完整分子都保持原有功能。蛋白质识别的是整个配体形成的三维、电性和溶剂化表面，功能结果还受到芳香相互作用、局部极性、构象、细胞暴露及完整分子与结合位点适配程度的共同影响。

5. 理化性质变化与生物等排关系

        2-oxa-BCH替换苯环还会改变分子的理化性质。2024年的研究比较了5种药物和3种农用化学品及其相应饱和类似物。所报告的溶解度为pH 7.4磷酸盐缓冲液中的实验动力学溶解度，而不是一般意义上的平衡水溶解度。8组比较中有6组动力学溶解度提高；所有8组的计算辛醇/水分配系数（cLogP）均下降。在实验方法能够可靠测定的5组中，pH 7.4条件下的辛醇/缓冲液分布系数logD约下降0.5个单位[1]。

        这种变化与芳香疏水表面的移除以及桥氧引入相一致，但溶解度并不由极性单独决定。固态晶格能、分子构象和其他官能团同样影响溶解过程，因此单个化合物可能偏离总体趋势。

        在人肝微粒体实验中，代谢稳定性变化表现出明显的分子依赖性。Sonidegib、Lomitapide和Bixafen对应类似物的代谢稳定性降低，Conivaptan、Fluxapyroxad和Boscalid对应类似物提高，另外两组因母体与类似物本身均较稳定而没有观察到明显变化[1]。研究者据此将总体结论限定为：2-oxa-BCH替换倾向于增加水溶性、降低亲脂性，而对代谢稳定性的影响不具有统一方向。

        理化性质优化与生物等排验证属于不同评价维度。 降低亲脂性或提高水溶性能够增加结构替换的开发价值，却不能证明原有分子识别已经得到保持；相反，一个活性保持较好的替代物，也未必在所有理化性质上同时改善。

6. 几何等排、生物等排与实际可用性

        针对邻位和间位苯替代物的系统综述区分了几何等排体（geometric isostere）与生物等排体（bioisostere）：前者依据与母体结构相似的几何性质，后者还需要相应的生物活性得到实验支持[4]。

2-oxa-BCH的系列研究进一步显示，芳环替换可以分成三个连续但不能互相替代的层次：

        实际药物化学还受到合成可及性的限制。2024年的研究将关键2-oxa-BCH中间体2单批制备至377 g，并通过后续转化获得超过100种克级官能化2-oxa-BCH衍生物[1]。这一结果表明该骨架已经具备进入结构–活性关系研究和药物化学设计—合成—测试循环的实验基础，但规模化制备证明的是合成实用性，并不等同于生物等排关系已经成立。

        2-oxa-BCH的几何分析首先用于判断某一种取代方式是否具有替代相应二取代苯的空间基础，但这种几何相似性只是结构设计的起点。进入具体活性分子后，还需要检验芳环替换是否改变关键分子识别，并通过实际生物活性判断该替换能否成立。理化性质变化用于评价替换带来的开发收益，合成可及性则决定这一设计能否进入后续结构–活性关系研究；两者都不能替代生物功能验证。

7. 2-氧杂双环[2.1.1]己烷生物等排研究相关活性化合物、标准品与功能化砌块

表1. 生物活性化合物与分析标准品

表2. 2-氧杂双环[2.1.1]己烷单官能化砌块

表3. 2-氧杂双环[2.1.1]己烷双官能化砌块

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参考文献

[1] Levterov V. V., Panasiuk Y., Shablykin O., et al. 2-Oxabicyclo[2.1.1]hexanes: Synthesis, Properties, and Validation as Bioisosteres of ortho- and meta-Benzenes. Angewandte Chemie International Edition, 2024, 63: e202319831. DOI: 10.1002/anie.202319831.

[2] Levterov V. V., Panasyuk Y., Pivnytska V. O., Mykhailiuk P. K. Water-Soluble Non-Classical Benzene Mimetics. Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59: 7161–7167. DOI: 10.1002/anie.202000548.

[3] Denisenko A., Garbuz P., Voloshchuk N. M., et al. 2-Oxabicyclo[2.1.1]hexanes as saturated bioisosteres of the ortho-substituted phenyl ring. Nature Chemistry, 2023, 15: 1155–1163. DOI: 10.1038/s41557-023-01222-0.

[4] Diepers H. E., Walker J. C. L. (Bio)isosteres of ortho- and meta-substituted benzenes. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2024, 20: 859–890. DOI: 10.3762/bjoc.20.78.

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