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在藥物研發(fā)領(lǐng)域，喹啉及其衍生物是許多抗瘧疾、抗癌藥物的核心結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)化學修飾通常僅能針對喹啉的側(cè)鏈或官能團進行局部改造，若要直接“裁剪”或“重組”其骨架結(jié)構(gòu)，往往需要多步繁瑣反應，且難以靈活控制產(chǎn)物的多樣性。如何通過簡單方法實現(xiàn)喹啉骨架的可切換、高選擇性編輯，一直是化學家面臨的挑戰(zhàn)。當前，雖有方法可通過選擇性插入、刪除或轉(zhuǎn)化原子提升分子核心結(jié)構(gòu)多樣性，但常需依賴不同獨立策略及特定底物修飾產(chǎn)物核心，限制了在結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系研究中的廣泛應用。

本研究聚焦于打造藥物庫構(gòu)建的 “模塊化工具箱”，具有以下顯著特點：

1. 通過簡單改變酸堿條件，一鍋法精準合成不同骨架結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)多步、復雜條件的合成方式，該方法簡化了操作，節(jié)約時間與成本，有效提升藥物相關(guān)分子的合成效率。

2. 基于同一底物，即可衍生出線性、環(huán)狀、平面及立體等多種結(jié)構(gòu)的化合物，為藥物篩選提供豐富候選分子，有助于研發(fā)人員尋找潛在藥物。

3.喹啉骨架的可編輯能力，有利于相關(guān)藥物分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加速藥物研發(fā)進程。

4.該技術(shù)為復雜藥物分子設計開辟新途徑，未來有望拓展至其他含氮雜環(huán)的骨架編輯。

上海交大吳華課題組聚焦于重排化學研究，前期開發(fā)了“催化不對稱環(huán)化重排”策略，實現(xiàn)了一系列手性含氮雜環(huán)的高效構(gòu)建 (ACIE, 2023, 62, e202217954; ACIE, 2023, 62, e202313797; ACIE, 2024, 63, e20231718; Adv. Sci., 2024, 11, 2402532; JACS, 2024, 146, 26387)。近日，該小組成功將雙組分/多組分環(huán)化重排策略，從雜環(huán)構(gòu)建拓展至雜環(huán)編輯領(lǐng)域，實現(xiàn)了基于相同底物和關(guān)鍵中間體，“手術(shù)刀式”的精準發(fā)散性合成。該方法利用簡單易得的喹啉氮氧化物、丁炔二酸酯和水作為反應物，通過環(huán)化和連續(xù)重排過程，生成五元至七元雜環(huán)以及線性化合物四種不同類型的分子骨架。這一策略不僅能夠高效地構(gòu)建分子復雜性和多樣性，還能通過簡單的反應條件切換實現(xiàn)不同的產(chǎn)物骨架（圖1）。

圖1. 研究背景和反應設計 

圖2. 喹啉骨架編輯為吲哚的底物范圍 

首先，作者以2-苯基喹啉氮氧化合物和丁炔酸二甲酯作為模板底物，通過一系列條件篩選，作者發(fā)現(xiàn)Br?nsted 酸對中間體 2-取代吲哚啉的生成至關(guān)重要。

圖3. 喹啉骨架編輯為2-烯基苯胺的底物范圍

當使用二苯基磷酸作為催化劑時，于 1,2-二氯乙烷（DCE）中，在 60 °C的溫度下反應 12 小時，以89%收率生成2-取代吲哚啉。隨后研究表示，在一鍋法中添加三氯乙酸，高效脫去2-取代吲哚啉的側(cè)鏈，可生成N-?；胚?。在得到最優(yōu)的反應條件后，作者對此轉(zhuǎn)化的底物兼容性進行了考察（圖2）。結(jié)果顯示喹啉2-位上不同官能團化（如苯基、雜芳基、烯基、烷基等）的底物均能實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化，以良好的產(chǎn)率得到所需的N-?；胚?1-18)。同時，喹啉氮氧化合物3位及5位至8位的缺電子取代基(F、Cl、Br、NO2)和富電子取代基(Me、OMe)都能很好地兼容，以優(yōu)異的收率得到相應的產(chǎn)物。此外，這種轉(zhuǎn)化還能夠耐受多種藥物化學中常見的官能團，例如氨基甲酸酯(NHBoc)(24)、三異丙基甲硅烷氧基(OTIPS)(27)、甲苯磺酰氧基(OTs)(28)。作者還展示了該方法在藥物分子后期修飾中的應用潛力。通過簡單的一步反應，該方法可以將解毒喹、替利喹諾、布洛芬、丙磺舒、萘普生、阿司匹林和吉非羅齊等藥物衍生物中的喹啉骨架部分轉(zhuǎn)化為相應的吲哚衍生物。這一方法不僅操作簡單，而且對空氣和水分不敏感，具有廣泛的底物適用性和良好的官能團兼容性。 

圖4. 喹啉骨架編輯異喹啉酮的底物范圍 

圖5. 喹啉對映選擇性催化骨架編輯制備苯并氮雜?的底物范圍 

實現(xiàn)從喹啉環(huán)到吲哚環(huán)的轉(zhuǎn)化后，作者進一步研究發(fā)現(xiàn)，在一鍋法中加入甲醇和三乙胺，可以實現(xiàn)喹啉到2-烯基苯胺的合成（圖3）。這種線性化合物是構(gòu)建各種重要雜環(huán)(如吲哚、喹啉)的前體。緊接著作者對喹啉N-氧化物普適性進行了考察，結(jié)果表明該方法具有廣泛的底物適用性。含有不同位置不同電性取代基（如電子供體和電子受體基團）的喹啉N-氧化物均能順利參與反應，生成相應的2-烯基苯胺。

接下來，作者研究了將喹啉骨架編輯成更復雜的苯并雜環(huán)。在2.0當量DDQ存在下，原位形成的2-取代吲哚進一步經(jīng)歷自由基環(huán)化過程，生成天然產(chǎn)物類似物異喹啉酮（圖4）。

圖6. 反應機理研究

盡管骨架編輯領(lǐng)域已取得一定進展，但不對稱的單原子骨架編輯卻少見報道。作者進行條件篩選后發(fā)現(xiàn)，使用BINOL骨架磷酸HA*作為催化劑，可以實現(xiàn)了喹啉骨架到苯并氮雜?的不對稱編輯（圖5）。該反應的對映選擇性源自手性磷酸催化的苯并氮雜?類化合物與水的動力學拆分過程，并且副產(chǎn)物 2-取代吲哚啉的生成是導致產(chǎn)物產(chǎn)率中等的原因。

在機理研究過程中，作者使用了 H?¹⁸O作為示蹤劑，有力地證明了水是以分子間作用的方式參與到反應之中（圖6）。在反應中，首先通過喹啉N-氧化物與二烷基乙炔二羧酸酯的[3+2]環(huán)化/[3,5]-σ重排/環(huán)擴張級聯(lián)反應生成苯并氮雜?中間體。隨后，苯并氮雜?與水在布朗斯特斯酸催化下發(fā)生半縮醛化/逆Mannich/aza-Michael加成反應，生成2-取代吲哚啉。進一步的反應步驟包括通過三氯乙酸促進的離去反應生成吲哚，通過三乙胺促進的環(huán)開裂生成2-烯基苯胺，以及通過DDQ促進的自由基環(huán)化生成異喹啉酮。