现代药物研发中，高效获得放射性标记的先导化合物是药物代谢和药代动力学研究的关键。近年来，人们借助氢同位素交换（HIE）过程，发展了芳香烃、氮杂芳香烃、胺、酰胺和硫醚等多种化合物的氚代反应（图1A）。作为代谢更稳定的放射性标记元素，C-14在药物研发的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程中都具有重要的应用。相比于HIE过程，C−C键形成较为困难，引入C-14的合成方法仍然不够高效。羧酸作为自然界和药物先导化合物中普遍存在的结构，可作为C-14标记的良好底物。然而，目前的方法仍然需要苛刻的反应条件，并需经历活化、取代以及水解等繁琐的过程，由此限制了其应用。
受HIE策略的启发，美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute，TSRI）的Phil S. Baran课题组发展了碳同位素直接交换的方法对烷基羧酸进行放射性标记。该方法通过羧酸底物形成具有氧化还原活性的酯（RAE）对其进行活化，随后以镍催化的脱羧/羧化过程得到C-14同位素标记的羧酸产物，其中同位素在最后一步通过C-14标记的CO2引入，对不同复杂的羧酸分子均具有良好的同位素标记效率。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc. 上。
图1.（A）基于氢同位素交换策略发展C-14放射性标记；（B）Ni介导氧化还原活性酯类底物羧化的潜在问题。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
RAE参与反应可能存在如下问题，RAE对Ni催化剂氧化加成后可能发生质子解重新得到无同位素标记的羧酸，而在脱羧后同样可能插入无同位素标记的12CO2。而当使用无特殊标记的试剂参与反应时，如何量化同位素的掺入量成为需要思考的问题。理论上讲，“标记”和“未标记”的产物可通过不同的反应途径进行区分。其中非对映体反转和镍催化剂参与的链行走反应都不能达到预期的效果，而使用环丙基甲基类底物7参与反应可以通过自由基诱导的开环过程将羧化产物9和水解副产物10得以区分，并实现有效的分离。作者选择RAE 11作为模板底物，并以非放射性的13CO2替代14CO2参与羧化，使用特定的压力筛选反应器提供更为可靠、可重复的结果。经过条件筛选，反应在1当量镍催化剂NiBr2•glyme、2.2当量2,9-二甲基-1,10-菲罗啉和2.2当量锰的条件下生成羧酸[13C]-12，产率为42%，13CO2的掺入量为19%。若使用14CO2作为羧化来源，比活性可达66 μCi/mg。降低压力和催化剂的负载量会减少同位素的掺入量。镍催化剂、配体和还原剂对形成产物及13CO2掺入都是必不可少的。
图2.（A）使用12CO2作为羧化来源建立概念；（B）使用13CO2作为羧化来源发展、优化和分析反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
有了最佳的反应条件，作者接下来考察了一系列一级、二级和三级RAE底物的适用范围。为了评估C-14在临床前和临床ADME研究中的潜在应用，他们仍旧以13CO2作为羧化来源，以C-13的掺入量衡量14CO2的理论比活度。通常来讲，早期临床前动物ADME研究需要的同位素掺入量≥20 μCi/mg。不同官能团（包括酮、酯、保护的胺和酰胺以及苯酚）修饰的酸14−22形成的一级和二级RAE均具有良好的同位素掺入量，吡啶修饰的底物参与反应没有得到目标产物。在放射性标记研究中，比化学产率更重要的是同位素源的制备速率和成本控制，与此同时，化学选择性也至关重要。因此，脱羧/羧化方法对满意以上条件具有充分的优势。化合物23中存在环氧丙基和游离羟基，同位素掺入量也十分可观，可用于C-14临床ADME研究中的在线HPLC纯度分析。二级羧酸19、21、22的同位素掺入量也较为理想，而三级羧酸24参与反应没有同位素掺入。
图3.（A）Ni介导13CO2参与的脱羧/羧化反应；（B）14CO2参与的脱羧/羧化反应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
作者以14CO2作为羧化来源，还使用工业放射性合成装置对该反应进行考察。虽然使用13CO2作为羧化来源得到的优化条件只需要较小的反应压力，但为了进一步提高操作的简便性、成本效益和安全性，反应条件仍需要优化。作者设想通过冷却反应来增加14CO2在溶剂中的溶解度，由此降低反应所需的压力。反应在大气压条件下降至−25 °C，14CO2的溶解度（0.71 M）与50 psi/室温条件下的溶解度（0.74 M）相当。有了以上基础，该方法可以借助标准的真空歧管技术进行，由此提高反应的安全性。作者最终仅使用5.5−32当量的14CO2便完成了RAE的选择性脱羧/羧化，得到C-14放射性标记的产物，同位素掺入量十分理想，可用于临床前和临床上的ADME研究。作者还将该方法与先前两种重要生物活性化合物放射合成的方法进行比较（图4）。Parnes团队之前报道了一种七步对[14C]-霉酚酸25进行脱羧/羧化的方法，相关过程经历了脱羧卤化/[14C]-氰基化，在第二步便引入放射性标记。Madelmont团队则以八步反应完成了[14C]-氯丁酸26的合成，第一步便采用低比活度的K14CN对烷基溴化物27进行[14C]氰基化。而该方法使用13CO2和14CO2作为原料都只需要两步，一步放射性标记便具有足够的同位素掺入，由此表明该方法可广泛应用于多种烷基羧酸的C-14放射性合成。
图4. 放射性标记生物活性化合物合成的比较。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
总结
Phil Baran教授课题组基于脱羧/羧化策略，高效完成了一系列烷基羧酸化合物的C-14放射性标记。这种12C/13C和12C/14C同位素交换的方法在概念上类似于H/D和H/T同位素交换，相比于以往繁琐的合成过程，该方法操作简便，仅需要两步反应便可以实现理想的同位素掺入量，在放射性药物的合成和生物活性测试及其临床研究中都具有重要的意义。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Direct Carbon Isotope Exchange through Decarboxylative Carboxylation
J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 774, DOI: 10.1021/jacs.8b12035
导师介绍
Phil S. Baran
https://www.x-mol.com/university/faculty/668
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