В 2021 году химики под руководством Марка Левина просто взяли и вырезали из середины молекулы амина атом азота — вся остальная молекула при этом не пострадала. Убрать один атом — звучит банально, но по сути это все равно что вырезать из середины небоскреба, который строили несколько лет, один этаж — так, чтобы жители небоскреба не заметили. Или удалить один позвонок, не нарушая целостности и работоспособности всего скелета.
До этой работы даже простейшие из подобных реакций казались фантазиями, поскольку противоречили базовым принципам органического синтеза. А всего через два года ученые заменяли одни атомы другими уже внутри ароматических гетероциклов. Ровно об этом грезили медицинские химики — в возможность таких реакций они просто не верили, поэтому стали прочить ее открывателю Нобелевскую премию.
Ретросинтез
Органический синтез в его нынешнем виде сформировался к 60-м годам XX века. Накопленные к этому времени подходы и принципы для синтеза природных органических молекул собрала вместе и унифицировала комиссия во главе с будущим Нобелевским лауреатом Элайасом Кори — чтобы следующие поколения химиков-синтетиков могли работать согласованно. Если до этого органики действовали скорее интуитивно, методом проб и ошибок тестируя пришедшие в голову пути синтеза веществ, Кори с коллегами предложили подходить к этому делу алгоритмически. Эти принципы Кори со своим постдоком Чэн Сюэ Минем описал в книге 1989 года.
Основа предложенного подхода — ретросинтетический анализ , метод постепенного мысленного дробления целевой молекулы на составные части. Идея Кори была в том, чтобы понять, какие предшественники у необходимого вещества могли бы быть. Для это он предлагал представить молекулу как конструктор — и шаг за шагом разбирать на все более мелкие элементы, пока на бумаге не окажутся доступные стартовые вещества. А разобравшись с тем, как этот конструктор устроен и какие детали в него входят, — уже можно придумывать, как потом собрать обратно нужную молекулу. Принципы дробления, которые нашел Кори, стали в итоге теорией органического синтеза. Если до этого он был интуитивным — то теперь стал подчиняться набору логических правил.
Как устроен подход Кори? ↓
Элементарную операцию однократного дробления молекулы Кори назвал трансформом . Чтобы применить к молекуле трансформ, в ее структуре должен быть некоторый ретрон — отличительная черта, которая позволяет использовать трансформ. Например, если в молекуле есть ретрон «шестичленное кольцо с двойной связью углерод-углерод», то к ней можно применить трансформ реакции Дильса — Альдера и разбить цикл на диен и алкен — реагенты в этой реакции.
Иерархию трансформов Кори выстраивал так: самые важные трансформы — упрощающие. Они превращают сложную структуру продукта в простые структуры реагентов. А трансформы, меняющие одну функциональную группу без упрощения молекулярного скелета, менее важны. Чем больше в синтезе упрощающих трансформов, тем он короче и эффективнее, тем быстрее молекула собирается из отдельных кусков.
Например, он советовал:
разрывать связи при наиболее замещенных атомах углерода;
разрывать связи около ароматических циклов;
не разбивать сами ароматические циклы, а планировать синтез так, чтобы эти циклы были в исходных веществах.
Ретросинтетическим анализом химики-органики до сих пор пользуются. Почти каждая статья по
Полный синтез — полная цепочка превращений для получения сложного органического соединения из коммерчески доступных исходных веществ.
начинается с ретросинтеза целевой молекулы. Но несмотря на то, что сам ретросинтез не устарел, а новых универсальных теорий вместо него не появилось, подход к выбору синтетических целей поменялся. Во времена Кори химики синтезировали вещества со сложной структурой потому, что заранее было неизвестно, можно ли их вообще получить, — и в этом был научный интерес. Сейчас, когда стало понятно, что в принципе любое природное соединение так или иначе получить можно, вопрос уже только в числе стадий и простоте пути. Чем проще и изящнее будет синтез — тем лучше.
От ретроупрощений к ретрозаменам
Подход Кори — действительно универсальный и устраивал химиков-синтетиков. Но реакции, которые они в то время использовали, были эффективными далеко не всегда. Поэтому химики стали разрабатывать новые синтетические методы. Например, в 2001 году американский химик Барри Шарплесс с коллегами стал искать самые эффективные реакции — те, которые работают со стопроцентным выходом, соединяя между собой органические строительные блоки без сложных экспериментальных техник. Довольно быстро из этой идеи развилось целое отдельное направление — клик-химия (подробнее про нее можно прочитать в нашем материале «Клик — и готово»). А в конце 2000-х ученик и коллега Кори Фил Баран (Phil S. Baran) предложил использовать только упрощающие трансформы и вообще отказаться от реакций отдельных функциональных групп. И показал, что это возможно.
А что из себя представляет идеальный синтез по Барану? ↓
Баран предложил измерять эффективность (ideality) синтеза так: делить количество стадий, формирующих скелет молекулы или стратегически модифицирующих функциональные группы, на общее количество препаративных стадий в опубликованном синтезе. Соответственно, чем больше стратегических превращений использовал химик и чем меньше менял функциональные группы просто ради увеличения эффективности последующих стадий, тем эффективнее был синтез.
Все эти подходы совсем не противоречили идеям Кори, а, напротив, строились на их основе. Классический органический синтез всегда был направлен на получение целевой структуры практически с нуля — а не на введение в уже полученную молекулу небольших изменений. Методов варьирования готовой структуры к началу XXl века было известно не так много. А необходимость в них явно была.
Например, вводить точечные изменения очевидно требовалось в фармакологии. Обычно при разработке лекарства библиотеку органических веществ тестируют на способность связываться с некоторым белком-мишенью (то есть их аффинность к целевому белку) и изменять его активность. Из протестированных веществ выбирают наиболее активное, а затем вводят небольшие изменения в его структуру. Каждый аналог затем тестируют снова, и в результате нескольких таких итераций получают нужную структуру вещества с наибольшей активностью.
К началу 2000-х уже было известно, что значительно поменять аффинность вещества по отношению к белку можно, просто добавив в молекулу небольшую группу или гетероатом в цикл. Например, ввести в изначально полностью углеродный ароматический цикл атом азота. Для такого атома даже придумали специальное название — необходимый атома азота (necessary nitrogen atom).
При такой модификации молекулы ее общая геометрия не меняется, поэтому она все так же без проблем влезает в активный центр белка, но за счет появившейся неподеленной пары электронов на атоме азота небольшие изменения конформации и новая водородная связь обеспечивают более прочную связь с белком и повышают эффективность препарата. Иногда небольшая замена гетероциклического ядра открывает дорогу к целому семейству новых лекарственных препаратов. Так произошло, например, со
Синтетические статины второго типа — аторвастатин, розувастатин и флувастатин — открыли в конце прошлого века. Каждый из них имеет в своей структуре по одному гетероциклическому кольцу (пиррол, пиридин и индол) — и применяется для лечения сердечно-сосудистых заболеваний.
— препаратами для снижения уровня холестерина.
Один из самых ярких примеров успешной модификации ароматического кольца — одобренный FDA в 2012 году препарат от эректильной дисфункции аванафил. Во время его разработки сотрудники компании Mitsubishi Tanabe Pharma обнаружили, что при замене центрального пиридинового кольца с одним атомом азота на пиримидиновое с двумя молярная активность препарата возрастала сразу в 20 раз. Пиримидиновый аналог в итоге и одобрило FDA.
Аванафил и его предшественник с одним атомом азота в кольце. Chunhua Ma et al. / Journal of Medicinal Chemistry, 2024
Обычно, если синтез аналогов представляется не слишком затратным, медицинские химики стараются проверить все возможные простые комбинации расположения гетероатомов в пятичленных и шестичленных ароматических циклах. Трудность в том, что методы синтеза разных гетероциклов сильно различаются. Один лишний атом азота — и синтезировать уже надо совсем по другим реакциям из других исходных веществ. Одним атомом углерода меньше — опять все заново. В итоге для каждого такого теста приходится проводить отдельный многостадийный синтез.
Например, при разработке недавно одобренного FDA препарата от глаукомы омиденепага, ученые протестировали три возможных расположения атома азота в бензольном кольце. Синтез каждого из соединений-кандидатов занял больше трех препаративных стадий. Каждая стадия — несколько часов лабораторной работы и несколько дополнительных часов или дней ожидания.
Такую же стратегию применили в 2011 году сотрудники фармацевтической компании Amgen во время поисков агониста рецептора S1P1. Они взяли уже известное вещество и синтезировали 11 его аналогов. Между собой эти молекулы отличались только положением атома азота в гетероциклическом ядре. Но только у одной из 11 молекул была значительно более высокая молярная активность и селективность, а при этом синтез каждого аналога занимал от одной до пяти стадий.
Агонист рецептора S1P1 и его предшественник
Если бы можно было легко менять одни атомы внутри гетероциклов на другие в уже готовой молекуле, поиск подходящей структуры стал бы проще. Потому что проверка каждой следующей комбинации — всего одна дополнительная препаративная стадия на основе уже полученной базовой молекулы. Но схемы получения до сих пор приходилось придумывать с помощью классического ретросинтеза: добавлять, удалять или заменять атомы внутри уже готовых ароматических гетероциклов в начале 2010-х химики еще не умели. В первую очередь потому, что ароматические гетероциклы очень устойчивы, а их реакционная способность по скелетным связям совсем низкая. Сама идея о том, что в них можно что-то поменять, не затрагивая при этом остальные части молекулы, казалась очень смелой.
Неужели до этого даже не пробовали? ↓
Конечно, химики и до этого предпринимали попытки провести подобные реакции. Первые из них были еще в XlX веке — но не для синтеза лекарств, а из научного интереса. Например, в 1881 году Джакомо Чамичан и Макс Денштедт опубликовали работу о внедрении дихлоркарбена в пятичленный гетероцикл пиррол — при этом (как правило, с небольшим выходом) образовывался шестичленный 3-хлорпиридин. А в 1936 году советский химик Юрий Юрьев
Ю. К. Юрьев / Журнал органической химии, 1936
превращать фуран — пятичленный гетероцикл с атомом кислорода — в тиофен и пиррол. Правда, реакции эти шли в очень жестких условиях — при нагревании до 400 градусов Цельсия. Недавно эту реакцию возродили корейские химики. Они провели ее при комнатной температуре с помощью фотокатализатора, который активировал молекулу исходного фурана.
Гетероциклическое редактирование
Ctrl+X
Вносить точечные изменения в скелет гетероциклов первым решился профессор Чикагского университета Марк Левин с коллегами. Начали они с неароматических гетероциклов: химики придумали, как можно из из вторичного амина (в том числе циклического) вырезать атом азота.
И как? ↓
Для этого химики взяли амид с уходящей группой на атоме азота — когда он реагировал с амином, образовывалась одинарная связь азот-азот. Дальше продукт перегруппировывался с образованием неустойчивого интермедиата с уже двойной связью азот-азот. Этот интермедиат разлагался на молекулярный азот и два углеродных радикала, которые спаривали свои электроны, превращаясь в продукт.
Механизм удаления азота из вторичного амина. Sean H. Kennedy et al. / Nature, 2021
Фактически ученые показали, что если нужно получить какое-то кольцо из атомов углерода, то, возможно, сначала имеет смысл получать такое же кольцо, но с дополнительным атомом азота, а потом этот атом просто вырезать. Но именно благодаря наличию азота изначальная сборка кольца становилась проще.
Хотя идея выглядела не очень сложно, до этого подобные реакции просто не рассматривали: удаление атома из центра молекулы выглядит для химика, воспитанного в духе классического синтеза, совершенно контринтуитивно. Реакции такого типа, в которых циклический скелет молекулы можно менять, не затрагивая ее периферию, ученые назвали скелетным редактированием (skeletal editing).
Этот неочевидный подход к синтезу — удалять атомы из центра молекулы, а не соединять их друг с другом — сразу позволил значительно упростить синтез некоторых веществ, даже в своей первой простой версии для алифатических молекул. Оставалось адаптировать этот метод для более устойчивых и более важных для фарминдустрии ароматических гетероциклов.
Ароматическое редактирование
Долго ждать не пришлось: химики сделали это в том же году. Они придумали, как в пятичленные азотные гетероциклы пирролы и индолы внедрить атом углерода, чтобы получились шестичленные пиридины и хинолины. Один ароматический гетероцикл в итоге превращался в другой.
Происходило это превращение следующим образом. Сначала неустойчивый карбен реагировал с богатой электронами двойной связью пиррола или индола, образуя нестабильный циклопропан, который быстро раскрывался с образованием шестичленного цикла. Это был первый пример скелетного редактирования ароматического ядра молекулы, работающего в мягких условиях и с разнообразными субстратами.
С помощью такого подхода ученые получили всего в одну стадию аналоги препарата для снижения веса аторвастатина и антипсихотика молиндола. Классический синтез потребовал бы для получения этих веществ совсем других исходных веществ и значительно большего количества стадий — поскольку общих классических методов синтеза для пятичленных и шестичленных азотных гетероциклов просто не существует.
Обе открытые Левиным реакции в неоптимизированном виде были, в принципе, известны. И азот химики уже из аминов удаляли, и хинолины из индола получали. Но во всех случаях для проведения этих превращений они использовали очень активные реагенты и простые, однообразные субстраты. Левин же научился редактировать сложные молекулы с помощью мягких реагентов, которые можно применять на поздней стадии синтеза целевого вещества.
Через год похожее превращение, но с внедрением атома азота, а не углерода, провела группа Билла Моранди. Химики получили из индолов хиназолины.
Ctrl+X Ctrl+V
Разобравшись с внедрением в скелет молекулы новых атомов и вырезанием лишних (и дождавшись, пока научное сообщество примет результаты), группа Левина стала придумывать, как можно один атом в гетероцикле заменить на другой. В 2023 году они научились превращать фенилазиды в пиридины с помощью фотохимической перегруппировки. Это превращение позволило получить пиридин из ароматического азида в одну стадию. А так как синтезировать азиды химики умеют уже давно, просканировать все возможные положения азота в некоторой ароматической молекуле для дальнейшего тестирования биологической активности должно быть несложно. По крайней мере, легче, чем получать каждый из них с нуля.
Какие лекарства не дождались преимуществ скелетного редактирования? ↓
Если бы эту реакцию открыли раньше, исследование аналогов того же омиденепага в поисках более эффективного средства от глаукомы, скорее всего, заняло бы гораздо меньше времени. Как, впрочем, и других лекарственных препаратов, которые нашли через банальный перебор молекул с разным положением атомов азота.
Например, для исследования одобренного в 2020 году противоопухолевого препарата селперкатиниба химики синтезировали три аналога с разным гетероциклическим ядром. Или для соторасиба — первого таргетного препарата от немелкоклеточного рака легких. В его случае химикам пришлось проверять четыре разных гетероциклических ядра с разными положениями атомов азота (и для каждого из них еще несколько аналогов с разными заместителями). Каждый синтез требовал пять и больше препаративных стадий. Это при том, что каждая стадия обычно занимает не меньше двух дней.
Всего через месяц ученые опубликовали аналогичную работу по замене углерода на азот в N-оксидах хинолинов с образованием хиназолинов. И снова использованное химиками превращение было известно и до этого: фотохимические перегруппировки N-оксидов хинолинов были открыты еще в 60-х годах XX века. Но за счет использования диодных ламп с узким спектром длин волн излучаемого света, Левину удалось повысить их селективность — и теперь они приводили не к смеси, а к единственному продукту.
А еще таким образом можно внедрять изотопные метки ↓
Идею замены в ароматическом цикле одного изотопа азота на другой недавно реализовал Сарпонг с коллегами. Они вырезали атом обычного азота-14 из пиримидина — шестичленного гетероцикла с двумя атомами азота — а вместо него внедрили азот-15, используя в качестве источника азота меченое производное аспартата.
Замена одного изотопа азота на другой в пиридиновом кольце. G. Logan Bartholomew et al. / Journal of the American Chemical Society, 2024
Изотоп азот-15, в отличие от азота-14, дает узкие сигналы в ЯМР-спектрах. Но природное содержание этого изотопа очень мало, и чтобы отличить нужный сигнал от шума, эксперименты по азотному ЯМР приходится проводить по несколько часов или даже дней. Из-за этого, например, азот-15 обычно не детектируют магнитно-резонансной томографией. Открытая Сарпонгом реакция позволяет нарочно вводить азот-15 в нужные образцы и исследовать их с помощью ЯМР — а значит, и использовать в МРТ. Это поможет медикам изучать метаболизм лекарств: чтобы понять, где накапливается то или иное лекарство, содержащее пиридиновое кольцо, достаточно провести реакцию скелетного редактирования, ввести меченое лекарство пациенту и отвести его на томограф.
А совсем недавно группа Даниэле Леонори взялась за тиазолы — пятичленные гетероциклы с одним атомом азота и одним атомом серы. Ученые показали, что при облучении из одного такого гетероцикла можно получить набор его изомеров с разным расположением заместителей и гетероатомов в кольце. Причем выбирать нужный изомер можно просто заменой растворителя и добавкой основания. И снова свой успех химики связали с возможность облучать реакционную смесь источником света с определенной длиной волны.
В ожидании новых лекарств
Реакции скелетного редактирования очень молоды. И хотя уже сейчас понятно, что в фарминдустрии эти реакции могут привести к резкому качественному скачку, пока к нему ученые только подступаются. Сейчас химики продолжают искать и устранять недостатки метода, и пытаются, хотя бы грубо, очертить границы его возможностей.
Например, почти сразу стало понятно, что для скелетного редактирования часто нужны далеко не самые простые и удобные реагенты. Для того же превращения N-оксидов хинолинов в хиназолины нужен сильнейший окислитель озон — и это, на первый взгляд, пугает. Особенно с учетом того, что получить надо лекарственные препараты, структуры которых часто напичканы аминогруппами и гетероциклами, чувствительными к окислению. Тем не менее, проводить это превращение в присутствии аминогрупп, как показывает Левин, можно, если охладить реакционную смесь до −78 градусов Цельсия — при такой температуре селективно окисляется только нужная двойная связь.
Скелетное редактирование уже вовсю применяют в полном синтезе природных соединений. Так, химики под руководством Цзи Дай Миня провели полный синтез природных алкалоидов ликодина и его димера компланадина A с помощью внедрения атома углерода в пиррольный цикл. В итоге 15-стадийный синтез, который был нужен для получения ликодина раньше, удалось превратить в восьмистадийный.
Примеров использования скелетного редактирования в синтезе лекарств пока нет. И это неудивительно: часто разработка лекарства занимает десятилетия, а с момента первой публикации Левина прошло всего три года. Тем не менее, как уверяет, например, Дэвид Блэкмор, глава одного из синтетических отделов компании Pfizer, они уже применили реакцию скелетного редактирования в одном из своих синтезов и продолжают тестировать ограничения опубликованных методов.
Химический ластик
Реакции скелетного редактирования выглядят очень просто на бумаге. В отличие от ретросинтеза, здесь не нужны пространственное мышление и сложная химическая комбинаторика. Стереть одну букву C в химической формуле на бумаге — банально и просто, как и дописать на ее месте, например, N. До такого совсем легко додуматься — а теперь есть понимание, что такие превращения возможны не только на бумаге и примитивные догадки вовсе не бессмысленны.
Несколько десятилетий назад внешняя простота реакций кросс-сочетания привела к их повсеместному распространению. В каждой химической лаборатории теперь есть катализаторы и исходные вещества для их проведения. По мнению Левина, такая же судьба ждет и наиболее привлекательные реакции скелетного редактирования, которые еще предстоит разработать. Но уже сейчас они до некоторой степени изменили устоявшиеся принципы и паттерны мышления химиков-синтетиков. Знание ретросинтетических принципов и сложных перегруппировок, которые казались упрощением и систематизацией для химиков прошлых поколений, теперь вообще может навредить. Возможно, уже пришла очередь новых химиков с новой интуицией. Возможно, она им что-то подскажет.
Источник
Нажмите, чтобы оценить статью
[Итого: 0 Среднее значение: 0 ]