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用硫來代替氧是藥物化學家用來改善含磷分子生物物理性質(zhì)的一種強有力策略。這種所謂的“硫效應”已在寡核苷酸治療中得到了臨床證實（Figure 1A, left）。盡管這種策略在寡核苷酸領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢，但在藥物化學的其他領(lǐng)域，實現(xiàn)有機膦化合物的單原子取代尚未得到充分的探索。已有研究表明，磷酸酯可以作為其它官能團（如酰胺、亞砜、砜以及硫化物等）的模擬物來使用。原則上，將硫等排體效應應用于此類化合物可以獲得具有潛在目標性質(zhì)的目標化合物（Figure 1A, right）。雖然將磷酸酯的氧原子被硫原子取代可以增強分子的藥理學性質(zhì)，但它通常是以犧牲新立體中心的結(jié)構(gòu)復雜性為代價的。針對這一挑戰(zhàn)，最近化學家們發(fā)展了一種實用的解決方案，即使用基于P(V)的檸檬烯衍生試劑來立體選擇性的實現(xiàn)硫代膦酰骨架的引入（Figure 1B）。然而，此試劑的反應性完全基于2e-過程，因此僅限于與經(jīng)典的親核試劑（如醇、胺、有機金屬試劑、磷酸酯等）反應。與高立體控制的碳自由基化學的快速發(fā)展不同的是，類似的P-中心自由基的相關(guān)研究卻很少。目前的方法主要是基于SET, HAT或SH2機理，且經(jīng)常需要使用有毒試劑（如Se）或具有較差的化學選擇性。最近，美國斯克里普斯研究所Phil S. Baran課題組發(fā)展了首例利用檸檬烯衍生的手性硫代磷酸酯試劑，高立體選擇性的實現(xiàn)了P(V)-自由基氫-膦化反應，實現(xiàn)了C-P鍵的構(gòu)建并合成了一系列硫代膦?；a(chǎn)物。反應經(jīng)歷單電子過程，由AIBN產(chǎn)生碳自由基后得到硅自由基和P(V)-自由基，并經(jīng)歷自由基加成，由此完成了手性轉(zhuǎn)移（Figure 1C）。下載化學加APP到你手機，更加方便，更多收獲。

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，作者通過初步嘗試得出硫代磷酸酯試劑1與二烷基硒磷化物具有類似的反應性，可以與硅中心自由基經(jīng)歷自由基取代得到P-中心自由基，并與烯烴2發(fā)生自由基加成得到氫-膦化產(chǎn)物3（53%，d.r. = 10:1）（Figure 2A）。隨后，作者通過一系列條件篩選得出當使用P(V)試劑(-)-6(2.0 equiv)，AIBN (0.3 equiv)，TTMSS (2.0 equiv)，在DCE中50 oC反應可以以78%的分離產(chǎn)率和> 20:1的d.r.得到目標氫-膦化產(chǎn)物?？刂茖嶒灡砻魅軇〥CE和50 oC的反應溫度對轉(zhuǎn)化的非對映選擇性和可重復性至關(guān)重要。

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

在得到了最優(yōu)反應條件后，作者對此轉(zhuǎn)化的底物范圍進行了探索（Figure 3）。實驗結(jié)果表明此轉(zhuǎn)化對于一系列不同取代的非活化烯烴具有良好的兼容性，以30-97%的產(chǎn)率得到相應的氫-膦化產(chǎn)物8-33。值得注意的是，反應對頻哪醇硼酯、鹵素、雜環(huán)、醛基、羥基、酮、酯、酰胺、氰基、硅醚、磺酰胺、羧基等一系列官能團均具有良好的兼容性。此外，此體系對一系列復雜生物活性分子，如tyrosine (34)、nucleotides (35)、imbruvica (36)、indomethacin (37)和dehydrocholic acid (38)等仍具有良好的普適性，以56-91%的產(chǎn)率得到相應的氫-膦化產(chǎn)物34-38，證明了此轉(zhuǎn)化的實用性。接下來，作者還嘗試了利用此策略實現(xiàn)炔烴的氫-膦化反應。實驗結(jié)果表明非活化的炔烴和芳基取代的炔烴均可實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，以45-69%的產(chǎn)率得到含有C(sp2)-P鍵的烯基膦產(chǎn)物39-43。反應中非活化炔烴傾向于生成E、Z-異構(gòu)體混合物，而芳基取代的炔烴則傾向于形成Z-異構(gòu)體。值得注意的是，BCP（bicyclo[1.1.1]pentanes）和DBAD（di-tertbutyl azodicarboxylate）也可順利參與轉(zhuǎn)化，分別以44%和47%的產(chǎn)率得到相應的產(chǎn)物44和45（P-N鍵形成）。

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

接下來，為了深入理解反應機理，作者進行了控制實驗（Figure 4A）。自由基捕獲實驗和自由基鐘實驗均表明反應涉及自由基中間體?；谏鲜鰧嶒炗^察，作者提出了此轉(zhuǎn)化可能的反應機理：AIBN經(jīng)歷熱裂解以及HAT（hydrogen atom transfer）形成硅自由基。隨后在P(V)-試劑的離去基上通過均裂取代引發(fā)自由基鏈式反應形成P-自由基。接著，P-自由基與烯烴經(jīng)歷自由基加成形成碳自由基中間體并通過HAT再生硅自由基。為了進一步理解該轉(zhuǎn)化的高非對映選擇性，作者進行了DFT計算（Figure 4B）。計算結(jié)果表明P-中心自由基的差向異構(gòu)化能壘非常高，約為25 kcal/mol，由此解釋了該反應的立體選擇性結(jié)果。

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者探索了利用合成的氫-膦化產(chǎn)物通過與一系列親核試劑進行2e-偶聯(lián)（Figure 5）。例如，產(chǎn)物可以與氧親核試劑反應，其中檸檬烯衍生骨架中的手性信息可以用來實現(xiàn)高立體選擇性的進一步官能團化，從而得到在藥物化學中具有潛在的應用前景的硫代膦酸酯衍生物50-54（55-92%）（Figure 5A）。此外，產(chǎn)物還可以與不同的有機金屬試劑偶聯(lián)形成新的P-C(sp) (55), P-C(sp3) (56), P-C(sp2) (57), 和P-N鍵 (58-60) （Figure 5B）。為了探索合成的膦酸酯在藥物發(fā)現(xiàn)中的生物電子等排體性質(zhì)，作者在合成61和62時引入了蛋白質(zhì)降解領(lǐng)域常用的核心骨架—取代的異吲哚酮Cereblon E3。與61相似的是，其類似物(RP)-62和(SP)-62具有相似的ADME特征和較高的EPSA（experimental polar surface areas）。在pH = 5時的動力學溶解度大于180 μM，滲透性低，穩(wěn)定性中等（Figure 5C）。

（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

總結(jié)

Phil S. Baran課題組利用簡單易得的檸檬烯衍生試劑，高立體選擇性的實現(xiàn)了P(V)自由基氫-膦化反應，合成了一系列硫代膦酰化產(chǎn)物。此轉(zhuǎn)化具有良好的底物適用性和官能團兼容性，并可以兼容一系列生物活性分子。機理研究表明該反應經(jīng)歷了單電子過程。該轉(zhuǎn)化首次將柑橘植物工業(yè)副產(chǎn)物檸檬烯應用到自由基化學中，為分子合成和藥物發(fā)現(xiàn)拓展了新的空間。

文獻詳情：

Molhm Nassir, Micha? Ociepa, Hai-Jun Zhang, Lauren N. Grant, Bryan J. Simmons, Martins S. Oderinde, Yu Kawamata, Anthony N. Cauley, Michael A. Schmidt, Martin D. Eastgate, Phil S. Baran*. Stereocontrolled Radical Thiophosphorylation. J. Am. Chem. Soc.,2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c05655.