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释放“生产力”:点击化合物库实现高通量模块化合成

时间:2020-04-15 15:01 作者:邳州新闻在线 来源:

中国科学院上海有机化学研究所董佳家  K. Barry Sharpless  孟根屹  郭太杰  马天成

利用自然界中存在的物质去创造性地合成新物质,是永远让人兴奋的话题。

当今人们的衣食住行都与过去两个世纪合成化学的发展密不可分,我们改造自然所使用的各种材料、对抗自身疾病所使用的药物,甚至保证农作物产量所需要的农药,都离不开合成化学。从这个角度说,合成化学是一门通过合理高效地利用自然界中可得的物质去创造新的、自然界中没有的物质,从而发现新功能并造福人类社会的学科。

创造新物质是合成化学的手段,如何通过新物质实现新功能是这门学科的真正使命,而如何通过简洁高效的方法,按需连接组合原有物质并完成合成反应是合成化学家一直迫切希望解决的难题。

三大关键,研究合成化学缺一不可

合成化学首先是一门物质科学(如图1所示)。科学家可以利用已有的物质去合成未知的,用便宜简单的原料去合成昂贵复杂的,但是这一切都基于已有的和可得的物质。所以说,物质的可得性是合成化学的第一个关键问题。打个简单的比方,金子比木头结实很多,但人们不会用金子盖房子,这是因为可得性和我们的需求不匹配。


图1 可得性、连接性、反应性是研究合成化学的三大关键

从可得的砌块出发去合成新的物质(小分子、大分子、超分子等),听上去很像乐高游戏,或者是盖房子:从简单的基元砌块开始,一步步地搭建出更为复杂的结构,这个过程需要通过化学键把砌块连接起来。通过这种连接来实现新结构和功能的过程,就体现了合成化学最显著的特征——连接性。

但是,想要真正实现这些连接并不像乐高游戏那样简单。由于化学家们只能通过自然界可得的、稳定存在的物质进行合成,但这些可得的物质砌块却没有像乐高积木一样稳定的、模块化一致的“接口”,如何让它们按照人类需求,高效率地互相连接并且组合起来呢?这就需要化学家研究分子中不同的官能结构在何种条件下能够相互发生作用、如何实现稳定可靠的连接组合。

盖房子时,工人们使用砖头等必备材料,还需要锤子、水泥等工具和粘合剂。在合成化学中,化学家们使用的“锤子”和“水泥”就是一系列的反应与化学试剂,“工具”是否“好用”也就是合成化学在实际学术研究中最关心的“反应性”问题。

提高连接性,先找到“标准接口”

自然是合成化学家最好的老师。生命的核心机器——DNA,只使用了非常有限的合成砌块,即4个核苷酸和20种标准氨基酸,却“制造”进化出了人类无法想象的复杂生命。这个过程所显示出的“模块化的连接模式”和“极为高效的连接反应”,给合成化学发展带来了新的灵感。

在分子合成中,能不能也实现这种带有模块化特征和标准接口的简单办法?美国Scripps研究所的K. Barry Sharpless 教授在1999年提出了点击化学(click chemistry)的概念,他认为,合成化学家应该专注于寻找和使用简单直接的连接方式去合成,使用少数的、极高效率的、高度专一的化学反应,模块化连接砌块分子能够帮助大家更直接地去实现分子功能。


图2 一价铜催化下端炔与叠氮的环加成反应(CuAAC)

这一概念很快得到了科学家们的认可。2002年,Sharpless小组和丹麦的Meldal小组分别独立报道了一个很有意思的化学反应:他们发现端炔官能团和叠氮官能团能够在一价铜催化剂的催化下发生一种环加成反应,得到一类具有1,4取代的1,2,3-三氮唑结构的化合物,也就是如今化学家们都熟知的CuAAC反应(如图2所示)。

尽管有机化学反应种类繁多,但这个反应却显得尤其独特。首先,发生CuAAC反应的两种官能团在大自然中极为罕见,且蕴藏巨大的能量,但它们却同时在动力学上具有相当高的化学稳定性,甚至可以作为药效官能团出现在稳定的药品中。

另外,即便它们如此稳定,但只要碰到一价铜催化,两个官能团将立即发生反应,哪怕是在底物浓度很稀的情况下,或在各种不同的有机溶剂,甚至是水相或复杂的细胞液成分中,都能高效反应且反应趋势极高。而在无溶剂时, 将一价铜盐直接加入叠氮和端炔分子混合物,甚至有可能直接引发爆炸。

虽然面临着“火星撞地球”般的激烈碰撞,但这两个官能团却对对方“高度专一”,在设定的温和催化条件下只和对方发生反应,绝不和其他有机官能团“有染”。这种高度专一的反应性与大自然常见的各类官能团之间反应性的关系,似乎接近了数学意义上的“正交性”,完美地满足了点击化学的要求。这是实现模块化合成的最重要一步:找到了一种标准的接口模式,能够用来在各种情况下连接各种不一样的分子砌块!

CuAAC反应引发了高度关注,迅速成为点击化学的标志性反应,在材料化学、药物化学、化学生物学等学科中取得了巨大应用。

此外,Sharpless小组在2014年又报道了与CuAAC不同的一类反应,称为六价硫氟交换反应(SuFEx)。这种新的反应利用的也是六价硫氟化学键的独特高能,但在动力学上却极为稳定的性质。SuFEx在过去几年内也得到了越来越多的关注和应用,被称为“第二代点击化学反应”。

赋能反应性,需获得足够多反应砌块

找到了这样的“接口”和反应就能够实现模块化的分子合成模式了吗?

事实上,仅依靠CuAAC反应去实现模块化的分子合成模式,还远远不够。正如我们之前提到的,极高的反应趋势和接近正交的反应性是点击化学反应成功的前提。但同样正因为此,该类反应必须使用自然不可获得、高能量的反应官能团。

相比于药物化学目前最广泛使用的一系列连接反应,点击化学的合成空间极大受限于叠氮化合物与端炔类化合物的可得性。简单的说,就是反应实现了,但是砌块却不够。

为得到更多高能的点击化学砌块,我们需要一个能与自然提供的官能团发生专一高效反应,却又和其他大部分官能团正交的转化过程。在过去十几年中,科学家们多次思考和尝试过不同手段,遗憾的是,已知的化学反应都不支持这种可能性。

低级“错误”,却收获砌块问题解决新思路

在科学上,当很难利用逻辑去解决矛盾时,往往需要借助发现的力量。

在寻找新的SuFEx反应砌块过程中,学生在实验中犯了一个明显的“错误”,在合成时往一种会水解的试剂里添加了水,但却意外得到了极高产率的FSO2N3(氟磺酰基叠氮)。这是一种罕见的硫(Ⅵ)氟类无机化合物,看上去也极不稳定,但令人没想到的是,它在溶液中竟然变得安静且非常便于使用。这个意外成就了后来的整个发现。

该化合物虽然无法按照计划的思路进行SuFEx反应,反而表现出对于一级胺官能团极高的重氮转移反应性。传统的重氮转移反应是一个平衡过程,反应条件一般需要金属催化和过量的转移试剂,所以需要分离纯化的过程;而FSO2N3在进行重氮转移反应时,可以在温和的水油两相条件下,无需金属催化剂,以接近1:1的形式,快速、正交的将一级胺官能团转化为相对应的叠氮。该反应对于烷基、芳基、磺酰基取代的一级胺基同样有效。我们使用一系列复杂的天然产物和药物分子,验证了该反应对于底物的普适性。

在研究过程中,我们进一步发现,FSO2N3进行重氮转移后形成的FSO2NH2分子在两相条件下迅速水解为F-与NH2SO3-。尽管机理仍然不明确,但这个意外的过程有可能是该反应平衡转移充分的原因之一。这个发现让我们非常兴奋地意识到,一直以来的砌块问题有希望得到解决。

实验认证,诞生安全高效化合物库构建方法

一个氮原子之间发生的高效无机反应,把药物化学乃至整个有机化学当中最大量易得的一类砌块,和可预测性最高的一个连接反应串联起来。

FSO2N3在溶液中的使用相对安全方便,极高的重氮转移效率使得合成的有机叠氮产物并不需要分离纯化。我们从一级胺官能团分子砌块出发,模块化地在96孔板中建立了一级胺的砌块库,一天内就可以在其中直接合成对应的叠氮砌块库,叠氮砌块数量可达到1224个。

我们选定了一个简单的端炔化合物进行实验,通过该化合物与叠氮库发生CuAAC反应,再对每一个反应进行液相质谱鉴定,验证了这个叠氮库的纯度。同时,我们使用一个较大的数据验证了,对于上千种不同结构的一级胺分子砌块,模块化地使用完全一致的、连续两步点击反应条件,可以直接合成对应的三氮唑连接的化合物库,这个过程的结果具有极高可预测性。

由于我们设定的建立化合物库的反应条件与常见的化合物生物活性筛选一致,所以我们可以实现从前体端炔的化合物出发,进行极大多样性的合成改造,不需分离纯化,直接进行分子的功能筛选。这种合成即得的模式,为加速发现药物先导化合物提供了一种有力的工具,我们将此方法命名为“模块化的点击化合物库构建方法”(如图3所示)。


图3 一种模块化的点击化合物库构建方法

预示变革,或将打破新药研发固有模式

长期以来,新药发现都是基于高人力投入的合成模式来实现极大的化学空间,大型制药公司通过昂贵、超大型的化合物库掌握先发优势,实现知识产权控制,而小型团队在新药研发时的合成效率就成了阻碍小团队发展的瓶颈问题之一。创建低成本、高通用性的模块化合成方法,可能给新药研发的固有模式带来变革。

相比于之前科学家们建立的组合化合物库方法,这种模块化的合成模式有几个特点:首先这是一个去中心模式的、机动的砌块库,而不是传统意义上的化合物库;其次,根据需要进一步合成的化合物库不以混合物的形式展示,可以直接应用于生物功能的表型筛选,这一点是之前的组合化学手段无法实现的;由于点击反应的正交性和反应条件的生物相容性,可改造的前体分子范围极大;整个过程简单,确证后的目标分子可以在极短时间内进行克级规模以上的放大,进行快速药理和毒理甚至动物模型实验,方便药物研发低成功率试错模式的迅速推进。同时,所有这些特点使得该方法可进行低成本复制。

我们也正在积极地利用该方法与世界上多个研究小组开展合作。目前发现,这种构建化合物库的方法不论是针对表型的生物筛选模式,还是针对药物蛋白质靶点的生物筛选模式都是有效的。目前,我们已经将叠氮化合物库数量推进至3000个,并计划短期内把叠氮化砌块数量推进到4016个(乐高模型编号75159——“死星”就拥有4016个砌块),最终建立一个超过10000个的叠氮砌块库。如果能够达到这一数量,尽管每个胺盐只配制100 mg左右,在配体加速的CuAAC条件下,这个库就已经能够使用1000次以上。

上述研究成果发表于《自然》(《Nature》)杂志后,迅速引起国际同行关注。美国明尼苏达大学的Joseph Topczewski教授(该论文审稿人之一,已自愿公开其身份)在《自然》杂志同期以“连续点击反应驱动的导向药物发现的化合物库”为题发表专门评述,认为该成果是点击化学领域的一次变革性推进。2019年12月13日,该成果作为唯一一篇化学方面的工作,成功入选英国《自然》杂志网站评选的2019年度世界十大杰出论文 。

作者简介:


董佳家,中国科学院上海有机化学研究所研究员,博导。入选上海市浦江人才计划,中国科学院上海有机所“百人计划”(2015年)。研究领域主要围绕主族高价氟化物反应性能研究,涉及杂原子与氟元素成键、杂氟键在特定条件下的活化转化及该类转化的应用。

(本文原载于《前沿科学》2020年第1期)

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