引言

         苯环能够提供稳定的几何构型、明确的取代方向、适宜的疏水表面积和芳香相互作用，同时具有成熟的合成与后期修饰方法，因此广泛存在于药物分子和先导化合物中。

         苯环也可能引起芳环氧化、亲脂性偏高、水溶性不足、晶体堆积紧密及非特异性结合等问题。双环[1.1.1]戊烷（bicyclo[1.1.1]pentane，BCP）、双环[2.1.1]己烷（bicyclo[2.1.1]hexane，BCH）、双环[3.1.1]庚烷（bicyclo[3.1.1]heptane，BCHep）、双环[2.2.2]辛烷（bicyclo[2.2.2]octane，BCO）、立方烷及杂原子桥环，为调节这些性质提供了新的结构选择[1]。

         苯环替换的设计目标包括两部分：保留原分子所需的空间连接和靶点识别功能，同时改善限制化合物开发的理化性质、代谢性质或安全性。评价替换效果时，需要同时考察活性、选择性、溶解度、膜通透性、代谢稳定性和合成可行性，不能依据三维性或单项体外数据进行判断。

1 苯环替换所针对的研发问题

1.1 苯环在药物分子中的作用

         苯环在药物分子中通常承担以下一种或多种功能。

         同一种替换骨架无法同时复制苯环的全部性质。BCP可以提供刚性和近似共线的退出方向，却不具有芳香π电子；氧杂桥环能够降低亲脂性，却会增加极性和氢键受体能力；螺环可以限制构象，但通常不直接复制苯环的取代几何。

1.2 适合开展苯环替换的情况

苯环替换适用于已经确定结构问题来源的化合物系列，例如：

         ①代谢物鉴定显示芳环是主要氧化位点；

         ②增加芳环数量后，溶解度持续下降；

         ③较高的计算脂水分配系数或实验分布系数与清除率、血浆蛋白结合或脱靶活性相关；

         ④共晶结构显示该苯环主要起连接作用，没有形成关键芳香相互作用；

         ⑤分子平面性较高，固态晶格稳定，导致热力学溶解度不足；

         ⑥需要限制局部构象或改变取代基的三维指向。

         如果苯环参与关键π相互作用、通过共轭或诱导效应调节邻近官能团的电子性质，或位于高度形状互补的狭窄口袋中，完全饱和化可能导致结合能力下降。此类结构可优先考虑杂芳环替换、局部饱和化或保留芳环并优化其他区域。

2 生物电子等排替换的判定基础

         生物电子等排体的有效性取决于具体分子和靶点。结构相似只能提出替换假设，生物活性和综合性质数据才能验证该假设。

2.1 几何匹配

几何评价包括四项参数：

         ①核心连接原子之间的距离；

         ②取代基末端之间的距离；

         ③取代基退出向量的夹角；

         ④取代基相对于核心骨架的二面角。

         1,3-二取代BCP常用于对位二取代苯的替换，两者都具有近似共线的退出方向，但核心距离并不相同。BCP两个桥头碳之间的距离约为1.8 Å，对位苯对应碳原子之间的距离约为2.8 Å；BCO的桥头距离约为2.6 Å，更接近对位苯[4]。

         因此，BCP较适合对核心长度容忍度较高的系列。对于两个药效基团需要精确进入不同亚口袋的分子，BCO、氧杂BCO或其他距离更接近的骨架可能具有更好的几何匹配。

2.2 靶点识别匹配

饱和桥环可以模拟苯环的部分体积和取代方向，但不能复制离域π电子。替换前需要分析苯环附近是否存在：

         ①苯丙氨酸、酪氨酸或色氨酸形成的芳香作用；

         ②质子化胺、精氨酸或赖氨酸形成的阳离子–π作用；

         ③芳环与酰胺、羧酸或含硫基团之间的边缘相互作用；

         ④平面疏水口袋与苯环之间的紧密形状互补。

         伊马替尼的对位苯环替换为BCO或2-氧杂BCO后，部分理化性质得到改善，但两种类似物均未显示显著的ABL1激酶抑制作用。这一结果说明，该苯环的药理功能不能由几何距离和疏水体积单独解释[4]。

2.3 综合功能匹配

有效替换需要同时满足三个层面的要求：

         ①空间功能：关键药效基团保持合理的距离和指向；

         ②识别功能：主要结合相互作用得到保留或补偿；

         ③性质功能：目标理化或代谢指标得到改善，且未引入更严重的问题。

         因此，苯环替换应视为多参数结构优化，而不是单一骨架交换。

3 影响替换结果的六项关键变量

3.1 退出向量与空间占位

         退出向量决定取代基在三维空间中的延伸方向。相同取代模式的苯环和桥环，在退出距离、夹角及取代基局部构象方面可能存在明显差异。

         BCP具有紧凑且近似共线的两个桥头退出向量；BCO具有较长的桥头距离；BCH和BCHep的不同取代位点及立体异构体可提供折角式或非共线退出向量，可分别作为特定邻位、间位或多取代苯的候选模拟骨架[1]。

         设计时应优先比较替换前后的结合构象，而不是比较二维结构图。具有共晶结构时，可直接叠合关键药效原子；缺少结构数据时，可结合构象搜索、分子对接和已有构效关系确定允许的几何变化。

3.2 芳香相互作用与电子性质

苯环的π电子影响靶点结合，也会影响相邻官能团的电子性质。用饱和骨架替换苯环后，以下参数可能发生变化：

         ①π–π及阳离子–π作用消失；

         ②芳环共振传递被中断；

         ③相邻羧酸、胺或酰胺的酸碱性改变；

         ④分子偶极矩和局部静电势重新分布；

         ⑤与靶点极性残基的相互作用方式改变。

         杂原子桥环可以通过氧或氮提供新的偶极和氢键相互作用，但这些作用的位置和方向不同于苯环π电子。杂原子嵌入属于重新设计识别模式，不是对芳香作用的直接复制。

3.3 构象预组织

         桥联双环和螺环能够减少可旋转键附近的构象自由度，使分子在游离状态下更接近结合构象，从而降低结合过程中需要付出的构象熵代价。

         构象限制的效果取决于被固定的构象。若骨架使关键药效基团偏离活性构象，刚性增加会降低分子的构象适应能力。因此，评价高sp³碳比例，即sp³杂化碳比例（fraction of sp³-hybridized carbons，Fsp³）时，应结合活性构象和退出向量，而不宜将Fsp³数值单独作为优化目标。

         螺环的主要作用是改变局部构象和取代方向。部分螺环可以模拟苯环的空间连接，但其更常见的用途是构象限制、晶体堆积调节和代谢位点遮蔽[7]。

3.4 亲脂性、溶解度与膜通透性

         化合物从晶体进入水相，需要克服晶格作用并获得水合稳定。水溶性因此同时受到固态性质和溶液性质影响。

         饱和三维骨架可能降低分子的平面性，削弱规则晶体堆积；杂原子桥环还可以增加偶极矩和水合能力。纯烃桥环则不一定降低亲脂性，较大的烃类笼状骨架还可能增加疏水表面积。

         溶解度变化可分解为以下因素：

         亲脂性下降也不等同于膜通透性提高。极性和氢键能力增加过多时，被动扩散可能下降，并可能增加外排转运风险。溶解度、脂水分配和通透性需要在同一化合物系列中联合评价。

3.5 CYP450氧化与代谢软点转移

细胞色素P450（cytochrome P450，CYP450）介导的芳环羟基化，其净反应可简化表示为：

         Ar—H + O₂ + NADPH + H⁺ → Ar—OH + H₂O + NADP⁺

         部分芳环氧化过程可形成芳烃氧化物或相关活性中间体，随后发生重排、亲核加成或谷胱甘肽捕获。具体路径取决于芳环取代、电子性质和CYP亚型。

苯环替换对代谢的影响包括：

         ①移除原有芳环羟基化位点；

         ②改变分子在CYP活性腔中的结合姿态；

         ③改变整体亲脂性及酶结合倾向；

         ④改变局部C—H键反应性；

         ⑤将代谢软点转移至桥环、侧链或杂原子邻位。

         部分高张力笼状骨架的C—H键具有较高键强度，有助于降低某些氧化路径；实际清除率仍受到全分子构象、亲脂性和酶结合方式的共同影响[5,6]。

代谢稳定性评价应结合人和动物肝微粒体、肝细胞清除率及代谢物鉴定。半衰期延长只能说明整体消耗速度下降，不能直接证明原代谢路径已消失，也不能排除新代谢产物的形成。

3.6 合成可达性与立体化学

         苯环具有丰富的商业砌块和成熟的交叉偶联方法。桥环骨架的结构优势需要通过可重复、可放大并支持衍生化的合成路线实现。

合成可达性主要包括：

         ①目标取代模式能否模块化构建；

         ②是否存在区域异构体和立体异构体；

         ③官能团能否耐受后续反应；

         ④是否具备后期官能团化位点；

         ⑤路线长度、总收率和纯化难度；

         ⑥克级或更大规模的制备能力。

         BCP的桥头官能团化方法已经较为丰富，桥位取代和手性BCP的制备仍更具挑战。立方烷过去主要用于单取代或对位苯模拟，原因之一是1,2-及1,3-二取代立方烷难以获得，且部分金属催化条件会引起骨架价键异构化。新的光化学和铜介导偶联方法已扩展其取代模式和后期修饰能力[6]。

4 代表性骨架的性质与适用条件

5 代表性研究所揭示的设计规律

5.1 BCP替换对位苯：性质改善可以转化为体内暴露

         在一类γ-分泌酶抑制剂中，研究人员用BCP替换中心对位氟苯环。BCP类似物保持了接近的酶抑制活性，同时提高了水溶性和被动膜通透性，并在小鼠中获得约4倍的峰浓度和药时曲线下面积[2]。

该案例具有三个结构条件：

         ①被替换苯环主要承担连接和疏水占位功能；

         ②BCP的向量变化仍在靶点容忍范围内；

         ③理化性质改善能够转化为口服吸收和体内暴露提升。

         该结果不能直接外推到所有对位苯。伊马替尼的相关替换导致活性显著下降，说明同一骨架在不同结合模式中可以产生完全不同的结果。

5.2 2-氧杂BCH替换邻位苯：氧原子调节水合与亲脂性

         2-氧杂BCH被用于替换氟唑菌酰胺和啶酰菌胺中的邻位二取代苯环。晶体学分析显示，2-氧杂BCH的关键退出角度接近邻位苯，同时具有明显的非平面结构。

         在氟唑菌酰胺系列中，pH 7.4磷酸盐缓冲体系中的实验动力学溶解度由25 μM提高至155 μM；在啶酰菌胺系列中，由11 μM提高至152 μM。对应类似物仍保留抗真菌活性，但在部分低浓度测试条件下效力有所下降。四个受测系列中，2-氧杂BCH均使cLogP或实验logD₇.₄下降约0.5～1.4个单位，但代谢稳定性的变化具有结构依赖性[3]。

         该研究说明，杂原子嵌入对亲脂性的影响较为一致，溶解度、代谢稳定性和生物活性则受到全分子结构影响。

5.3 2-氧杂BCO替换对位苯：理化性质改善不保证活性保留

         下列化合物均以游离碱形式测试，溶解度为pH 7.4磷酸盐缓冲体系中的实验动力学溶解度。

         普通BCO降低了溶解度；2-氧杂BCO将溶解度恢复至接近并略高于原化合物的水平，同时进一步降低了亲脂性。与伊马替尼相比，两种桥环类似物的人肝微粒体内在清除率均有所降低；其中，2-氧杂BCO类似物的微粒体半衰期由60 min延长至87 min。两种饱和类似物均未显示显著的ABL1激酶抑制作用[4]。

该结果将两类效应区分开来：

         ①BCO与氧杂BCO的几何结构较接近；

         ②氧原子主要改变局部极性、偶极特征和水合能力；

         ③活性丧失主要提示原苯环具有不能由桥环复制的识别功能。

5.4 匹配分子对研究：骨架作用具有系列依赖性

         匹配分子对（matched molecular pair，MMP）研究通过保持分子其他区域相对不变，仅改变苯环及其桥环替代物，用于降低结构背景差异对结果的干扰。

         2025年的系统研究比较了多种富含sp³碳的桥联双环与单取代苯对应物。多数受测桥环提高了代谢稳定性；桥头氟取代和桥内氧原子能够进一步改变代谢及吸收、分布、代谢和排泄（absorption, distribution, metabolism and excretion，ADME）性质。氧杂桥环在该模型系列中表现出较平衡的代谢、溶解度和通透性特征，代谢物分析还显示部分芳环相关反应性代谢物减少[5]。

         该研究结论适用于所测试的酰胺模型系列。其他化学类别仍需要通过相同分子背景下的实验比较确定骨架效应。

6 苯环等排体的项目选型流程

         苯环等排替换应从原苯环的分子功能、取代拓扑和待解决问题出发。项目选型可分为功能诊断、候选组设计和综合判定三个环节。

6.1 明确苯环功能与待解决问题

         选型前需要回答四个相互关联的问题。

         芳环氧化是否构成主要问题，宜结合代谢物鉴定判断。微粒体清除率较高并不能单独证明苯环是主要代谢软点，因为清除也可能发生在侧链、杂原子邻位或其他烷基部位。

高亲脂性和低溶解度也不宜直接等同于“选择氧杂桥环”。2-氧杂双环[2.1.1]己烷在受测系列中可降低亲脂性，但其对溶解度和代谢稳定性的影响具有分子结构依赖性。

6.2 按取代拓扑建立候选比较组

         确定苯环功能后，可依据取代拓扑选择第一轮候选骨架。

第一轮比较组

         第一轮通常可由三个核心成员组成：

根据项目问题，可补充以下对照：

         ①需要区分刚性与形状效应时，加入普通环烷烃或柔性连接体；

         ②骨架存在不同立体异构体时，选择具有代表性的异构体分别评价；

         ③对核心长度较敏感时，加入尺寸不同但退出方向相近的第二种桥环；

         ④怀疑芳香作用较重要时，加入杂芳环或电子性质不同的芳环对照。

         这种比较方式比固定加入BCP、BCO、BCHep等多个骨架具有更明确的实验目的。匹配分子对研究的价值也在于保持分子其余部分相对不变，使观察到的性质变化能够较可靠地归因于核心骨架。

6.3 依据核心数据进行综合判定

         第一轮评价不需要同时覆盖所有药物开发指标。可围绕三个决策问题选择实验数据。

         活性与理化性质需要分别评价。2-氧杂BCO替换伊马替尼中的苯环后，溶解度、亲脂性和微粒体稳定性得到改善，但ABL1抑制活性未能保留，说明性质改善不能替代靶点识别功能验证。

         综合结果可按下表处理：

         苯环等排替换的评价对象是完整的性质组合，包括靶点功能、目标理化性质、代谢路径和合成可行性。微粒体半衰期、Fsp³、logD或溶解度中的任何单项指标，都不足以独立确定骨架的项目价值。

7 苯环饱和生物电子等排体及相关三维分子砌块的分类与科研应用

说明：单官能团砌块主要用于引入相应桥环或笼状片段；其能否构成特定邻位、间位或对位苯的有效替换方案，仍取决于最终取代位置、立体化学、连接方式和靶点结合构象。

表1 双环[1.1.1]戊烷系列

表2 双环[2.1.1]己烷、双环[3.1.1]庚烷及杂原子衍生物

表3 双环[2.2.2]辛烷及氧杂双环[2.2.2]辛烷系列

表4 立方烷与螺环系列

参考文献

[1] Tsien J, Hu C, Merchant RR, et al. Three-dimensional saturated C(sp³)-rich bioisosteres for benzene. Nature Reviews Chemistry, 2024, 8: 605–627. DOI: 10.1038/s41570-024-00623-0.

[2] Stepan AF, Subramanyam C, Efremov IV, et al. Application of the bicyclo[1.1.1]pentane motif as a nonclassical phenyl ring bioisostere in the design of a potent and orally active γ-secretase inhibitor. Journal of Medicinal Chemistry, 2012, 55(7): 3414–3424. DOI: 10.1021/jm300094u.

[3] Denisenko A, Garbuz P, Voloshchuk NM, 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] Levterov VV, Panasiuk Y, Sahun K, et al. 2-Oxabicyclo[2.2.2]octane as a new bioisostere of the phenyl ring. Nature Communications, 2023, 14: 5608. DOI: 10.1038/s41467-023-41298-3.

[5] Surendran S, Raju S, Kalyani N, et al. Beyond Bioisosteres: Impact of Replacing a Benzene Ring with sp³-Rich Three-Dimensional Saturated Bridged Bicyclic Match Pairs on Biotransformation, Metabolic Stability, and Other ADME Profiles. Journal of Medicinal Chemistry, 2025, 68(20): 21615–21634. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.5c01879.

[6] Wiesenfeldt MP, Rossi-Ashton JA, Perry IB, et al. General access to cubanes as benzene bioisosteres. Nature, 2023, 618: 513–518. DOI: 10.1038/s41586-023-06021-8.

[7] Varela MT, Dias GG, de Oliveira LFN, et al. Spirocyclic compounds as innovative tools in drug discovery for medicinal chemists. European Journal of Medicinal Chemistry, 2025, 287: 117368. DOI: 10.1016/j.ejmech.2025.117368.

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