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核苷作為生物大分子核酸的單體，在生物體內(nèi)參與多種生物過程。核苷類似物（NAs）是天然核苷的模擬物，已被廣泛用作化學生物學工具，且作為抗腫瘤藥物和小分子抗病毒藥物用于多種疾病治療。因此，快速獲得結(jié)構(gòu)多樣化的核苷將有利于新型抗腫瘤及抗病毒藥物的開發(fā)。通常，對核苷的改造包括糖環(huán)（尤其是2′-和4′-位）的修飾以及堿基的替換，此外，較天然的D-型核苷而言，L-型核苷具有更強的代謝穩(wěn)定性，已被用于艾滋病的治療。但是，合成不同的NA需要使用不同的起始原料，且NA的手性高度依賴糖的手性池。此外，合成非天然核苷的步驟通常十分繁瑣，例如，合成具有抗HIV-1活性的MK-8591需要16步。因此，亟需開發(fā)一種簡潔、通用、高效的NA合成方法以促進相關(guān)學科的研究。最近，加拿大西蒙弗雷澤大學的Robert Britton教授開發(fā)了一條NA的新型合成路線，從非手性的原料出發(fā)，使用廉價的脯氨酸作為催化劑，僅需數(shù)步即可實現(xiàn)多種NA的百克規(guī)模合成（Fig.1），兼具創(chuàng)新性和實用性。相關(guān)成果發(fā)表在Science（DOI: 10.1126/science.abb3231）上。

(圖片來源：Science)

在推測的生物合成途徑中，核苷的核糖母環(huán)是由堿基烯胺與甘油醛的縮合反應生成的，據(jù)此作者設計了含不穩(wěn)定N,F-縮醛結(jié)構(gòu)的13作為生源合成途徑中間體的等價物，13可以通過分子內(nèi)氟取代環(huán)化反應環(huán)合生成核苷，而13可以通過立體選擇性的交叉Aldol反應由酮8和醛14得到（Fig.2a）。為了驗證想法，作者首先嘗試了DMF中α-吡唑醛15的氟化反應，在脯氨酸和NFSI的作用下，反應生成了單一產(chǎn)物氟代醛，隨后向其中加入酮8的乙腈溶液即可以1.4：1的dr值得到化合物16a和16b（Fig.2b）。這兩個化合物無法相互轉(zhuǎn)化，表明α-吡唑-α-氟化醛無法進行動力學拆分，或脯氨酸催化縮合反應時生成兩種構(gòu)型時的過渡態(tài)能量類似。隨后，經(jīng)過羰基還原以及酸性或堿性條件下的環(huán)化反應即可得到β-核苷，值得一提的是，在堿性條件下的環(huán)化反應中，堿的量對產(chǎn)物的構(gòu)型有重要影響，加入10當量氫氧化鈉時，產(chǎn)物為單一構(gòu)型。為了驗證環(huán)化的機理，作者在羰基還原后分離了兩種異構(gòu)體并分別對其進行了環(huán)化反應（Fig.2c）。作者發(fā)現(xiàn)syn-和anti-構(gòu)型的底物在堿性條件下會分別生成β-和α-構(gòu)型的核苷，但在該反應條件下α-構(gòu)型核苷會異構(gòu)化為更穩(wěn)定的β-產(chǎn)物。

(圖片來源：Science)

為驗證反應的通用性，作者合成了一系列α-雜環(huán)醛以合成NAs（Fig.3），以NFSI或Selectfluor為氟源，經(jīng)一鍋法氟化-Aldol反應后，作者得到多種砌塊并對其進行酸性或堿性條件下的氟取代環(huán)化反應。該過程中，多種核苷堿基，包括尿嘧啶、胸腺嘧啶、三唑、吡唑、腺嘌呤、2,6-二氯嘌呤都對反應兼容。通常，最優(yōu)的Lewis酸是三氟甲磺酸鈧或三氯化銦。吡唑和尿嘧啶核苷的合成需要在堿性條件下進行。核苷28、29、32、33的光學純度與其環(huán)化前的前體光學純度相似。三氟甲基尿嘧啶29和氯碘嘌呤32-33的環(huán)化是在酸性條件下進行的，然而，只有anti-構(gòu)型的底物發(fā)生環(huán)化生成29且產(chǎn)物不會發(fā)生異構(gòu)化，而syn-和anti-的底物均會環(huán)化生成32和33。值得一提的是，該反應可以以大于10 g規(guī)模合成多種核苷并適用于非天然L-核苷的合成。此外，反應產(chǎn)物不經(jīng)酸性水溶液后處理時可以得到3′-，5′-位保護的核苷，為其2′-位進一步衍生化提供了機會，作者因此合成了一系列2′-修飾核苷。

(圖片來源：Science)

利用有機金屬試劑對41的羰基在-78 oC下進行加成后再進行環(huán)化可以生成4′-取代核苷（Fig.4A），二氯甲烷是最優(yōu)的溶劑，產(chǎn)物以Re-面加成產(chǎn)物為主，其中，42a在加熱至室溫后自發(fā)環(huán)化生成β-產(chǎn)物，而42b在氯化銨水溶液淬滅后在三氯化銦促進下可以發(fā)生環(huán)化生成α-核苷。多種有機金屬試劑適用于該反應，目前，加成反應的立體選擇性主要是底物控制的，但其也為核苷的快速衍生化提供了機會。值得一提的是，在酸性條件下，環(huán)化反應有時會生成保護基遷移的產(chǎn)物。在此基礎上，為了驗證該過程的實用性，作者進行了HCV NS5B抑制劑MK-3682前體的數(shù)百克規(guī)模合成，以500 g尿嘧啶為原料，作者得到了380 g底物55并以優(yōu)異的收率完成環(huán)化。此外，作者分別通過還原胺化處理底物59中的羰基和對61中2′-位羥基經(jīng)Barton-McCombie脫氧反應脫氧得到了氨基核苷60和2′-脫氧核苷62，進一步證明了該方法的靈活性。

最后，作者進行了鎖核酸（LNA）的合成，該類化合物2′-位與5′-位的醚鍵進一步增加了底物的代謝穩(wěn)定性。通過對格氏試劑的量進行簡單優(yōu)化，作者以接近1：1的dr值得到了63與64，其中，63在堿性條件下發(fā)生環(huán)化，僅以4步合成了此前需23步合成的LNA骨架；而64也經(jīng)三步反應生成具有炔基的LNA骨架，其中炔基可進一步通過Click反應或Sonogashira反應進行衍生化。

(圖片來源：Science)

總結(jié)：核苷類似物庫是藥物化學和化學生物學研究的有力武器，加拿大西蒙弗雷澤大學的Robert Britton教授開發(fā)的核苷類似物的快速合成方法僅使用廉價易得的非手性原料和脯氨酸催化劑，數(shù)百克的制備規(guī)模證明了該方法能夠用于工業(yè)生產(chǎn)，靈活的使用方式使結(jié)構(gòu)多樣化的核苷類似物的快速制備成為可能。該方法定將會在核苷的化學合成中占據(jù)一席之地，極大地促進核酸的化學生物學和藥物化學研究。

撰稿人：H.D.