摘要

点击化学是一种合成概念，在这一概念中模块化的合成被广泛用于发现具有理想特性的新化合物分子。Cu(I)催化的叠氮化合物和炔烃的环加成反应（以下简称：CuAAC）和S(VI)-F交换催化反应（SuFEx）被广泛用于点击化学，具有反应迅速、收率高等特点。然而，在CuAAC反应中，因为叠氮化合物制备过程中存在毒性和爆炸风险，而使其应用受限。本篇文章为点击化学提供了一种新的反应方法：由伯胺制备叠氮化合物。在96孔微板上，用氟代硫酰叠氮化合物（以下简称：FSO₂O₃）可以以一种安全实用的方式制备1200种叠氮化合物。为目前应用最广泛的CuAAC点击化学反应提供了有力的工具。这种方法极大地增加了叠氮化合物、1,2,3-三氮唑化合物的数量。同时，鉴于CuAAC的应用广泛，这种新方法也应该会在有机合成、药物化学、化学生物学和材料科学等方面中获得广泛应用。

研究背景

叠氮化物参与的S_N2取代反应是制备非芳香有机叠氮化合物的典型方法，但是这种方法制备各种各样的叠氮化物的能力是有限的。三氟甲磺酰基叠氮化合物（CF₃SO₂N₃,TfN₃）参与的重氮基转移反应是一种由伯胺制备有机叠氮化合物的新方法。然而，由TfN₃介导的重氮基转移反应存在一些问题：首先，反应需要过量的TfN₃、反应时间长（即使加入金属催化剂）；其次，在制备TfN₃的过程中，强酸性条件下需要过量的叠氮钠，有中毒和爆炸风险。这些问题导致以TfN₃为基础的方法不适用于高效的模块化合成。在2007年，一种咪唑啉型的磺酰基叠氮化合物盐酸盐重氮基转移反应试剂被研发出来，并成为一种可以商业获得的固体重氮基转移反应试剂。最初它被认为比TfN₃更耐贮存，但之后发现它也具有爆炸风险。

为了给模块化合成提供一种清洁、迅速、接近定量产率的反应方式。作者认为，重氮基转移试剂需要具有极高的反应活性，因此不可避免地存在稳定性问题，并在长期储存过程中存在爆炸风险。本篇文章设计了一种具有高反应活性的重氮基转移反应试剂，它通过安全的方式原位生成，与其纯度或贮存相关的风险很低，可以定量地和化学计量学地（即摩尔比1:1）转移伯胺到叠氮化物上。这对叠氮化物的模块化合成具有重要意义。

FSO₂N₃的合成和重氮基转移反应条件确定

文章描述了一种咪唑啉型的氟代磺酰基三氟甲烷磺酸盐（1，Fig.1a）。其对伯胺和仲胺的氟磺酰化特别有效。作者发现，在水和一种互不相溶的有机溶剂构成的两相系统中，叠氮钠在水相中迅速与1发生反应，生成FSO₂N₃进入有机相中。FSO₂N₃的甲基叔丁基醚(MTBE)/乙腈溶液可被直接用于重氮基转移反应。实验发现，DMSO/MTBE/H₂O或DMF/MTBE/H₂O为最优反应溶剂体系，DMF为产品提纯的首选溶剂。与之前报道的TfN₃介导的重氮基转移反应不同，填加金属催化剂并不能加快FSO₂N₃介导的重氮基转移反应速率。室温条件下，5min即可完成氨氯地平（2a,Fig.1b）或甲磺酸帕珠沙星（2b,Fig.1c）的定量转换。

在温和的实验条件下，通过FSO₂N₃使TfNH₂发生重氮基转移反应生成TfN₃的方式进一步评价了FSO₂N₃的高反应活性。作者认为重氮基转移反应在体系中两种叠氮化物之间处于平衡状态。然而，在作者的实验条件下，水的存在使FSO₂NH₂发生水解，使平衡向定量生成TfN₃的方向移动。总之，在两相溶剂的条件下，反应产率得到了极大地提升。

FSO₂N₃介导的重氮基转移反应

随后，作者用FSO₂N₃对超过40种伯胺进行了重氮基转移反应（Fig.2）。FSO₂N₃对几乎所有条件下的伯胺选择性优于其他已知的重氮基转移试剂。大多数反应在5min中内完成，少数反应由于底物自身溶解度欠佳和氨基反应活性不高导致反应时间延长。部分产品的分离收率低于定量，是因为纯化过程困难引起的。这些底物选自各种各样的有机分子，绝大多数是药物分子或药物分子片段。万古霉素被特异性地转化为它的叠氮产物（3ap），反应发生在空间相对拥挤的伯氨基团上，保持其他基团不变。由于FSO₂N₃的高反应活性，多粘菌素B上所有的氨基（5个）均被反应生成季戊四醇叠氮产物（3ao）。头孢菌素类抗生素头孢氨苄在不打开β-内酰胺环的条件下得到其叠氮产物（3c）。多西紫杉醇被转化为其叠氮产物（3i）而其他的分子骨架不变。

FSO₂N3对伯氨具有极好的选择性

用FSO₂N₃进行重氮基转移反应对伯氨具有极好的选择性。在所有不同空间环境的实验条件下，包括完全取代的叔碳上的氨基（3b,3ap; Fig.2），FSO₂N₃均可以迅速与伯氨发生反应。在大多数电子环境中，FSO₂N₃以近定量转化的效率与伯氨迅速反应。高度缺电子的苯胺，特别是那些在缺电子芳香族或异芳香族环上有多个取代基的苯胺，通常需要更长的反应时间，但大多数都获得接近定量的产率。应用FSO₂N₃也可以将连接在S（VI）中心上的伯氨以几乎定量的产率转化为叠氮化物（Fig.2;3z, 3aa, 3ab）

FSO₂N3应用于化合物分子库的构建

随后，作者应用96孔微量滴定板制备了1224种胺类化合物（大多数分子质量小于300Da）的叠氮化合物分子库（Fig.3）。在这个叠氮化合物的分子库中，有49%的化合物是Reaxysdatabase中不存在的，并且是之前未被合成出来的新化合物。这些叠氮化合物不需要纯化，其溶液形式可以直接用于随后的CuAAC点击反应。这些化合物至少可以贮存6个月且无明显的纯度下降。作者用一种紫外可检测的炔烃N-(3-ethynylphenyl)acetamide 4a进行了CuAAC反应，通过高效液相色谱分析了获得的三氮唑化合物库。在一个叠氮化物的微板上，用脂肪族炔烃重复了上述实验，结果良好。

在微板上，用新制备的1128个叠氮化合物分子库进行了重氮基转移反应和CuAAC反应的连续序列研究（Fig.3）。在1224个CuAAC反应中，656个（54%）的4a转化率达到90%以上，989个（81%）的4a转化率大于70%（作者认为70%是直接进行生物筛选的标准）。

结果与讨论

因此作者得出结论，该方法可以在空间和电子环境中以一种可预测的方式作用于伯胺，除了羰基酰胺和连接有强缺电子芳香杂环的伯胺，包括碱基。根据可获得的伯胺的数量，合成一个含有10000个叠氮化合物的分子库是可以实现的，每一种三氮唑化合物用等摩尔的试剂以接近定量的转化率得到。为以片段为基础的药物发现提供可能，不仅可用于靶点为基础的生物活性筛选，还可以用于表型筛选。这是之前的分子库无法实现的。

读者思考：

该研究提供了一种高效、高产、安全的由伯氨合成叠氮化合物的方法；构建了叠氮化合物分子库和三氮唑化合物分子库，提供了大量的新化合物，为药物发现和活性研究提供了前提和可能；为工业化生产化合物筛选分子库提供了可以实行的方案；在PROTAC分子合成中，可用于制备含有叠氮基团的Linker，降低原料成本。

文章于2019年10月发表于Nature Letter，孟根屹、郭太杰、马天成为该篇文章的共同第一作者，董佳家研究员与K.B. Sharpless教授为文章的共同通讯作者，上海有机所为该文通讯单位。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1589-1