【人物与科研】河南师范大学郭海明教授课题组Org. Lett.：铑催化6-芳基嘌呤核苷和炔烃环化构建荧光多环嘌呤盐

导语

嘌呤核苷在RNA和DNA中普遍存在，生物相容性好，细胞毒性小，为构建生物荧光探针提供了极好的骨架结构。然而天然的嘌呤核苷荧光较弱，很难直接作为探针来使用，于是越来越多的化学工作者开始对天然核苷进行结构修饰以增加其荧光强度并进一步研究其荧光及识别性能，其中对嘌呤环的化学修饰是制备荧光多环核苷衍生物的主要研究方向，通过桥连接或并环的方式增大核苷母体结构的π共轭体系可以显著改善其光物理化学性质。由于荧光核苷类似物的结构与天然核苷类似，在插入核酸序列后，对母体的结构和功能影响较小，能够替代天然核苷发挥正常的细胞功能，所以荧光核苷类化合物是一类理想的荧光探针试剂在基因芯片标记，核酸和蛋白质的测定、遗传病和癌症的机理探讨、致病病原体的检测以及基因的表达分析等多个研究领域具有广泛的应用前景。因此，开展新型荧光核苷类化合物的的设计合成及其性能研究具有重要的理论意义和应用价值。
近日，河南师范大学郭海明教授课题组报道了一种铑催化的6-芳基嘌呤和炔烃环化合成多环荧光嘌呤盐。该反应条件温和、底物适用范围广、具有优异的官能团兼容性和区域选择性；更为重要的是，通过简单的取代基的改变可以有效的调控其吸收和发射波长，为进一步开发具备理想光物理性质的核苷类生物荧光探针并研究其应用铺平了道路。

（图1，来源：Org. Lett.）

前沿科研成果

铑催化6-芳基嘌呤和炔烃环化合成多环荧光嘌呤盐

经过一系列的条件优化，作者发现使用1 mol%的[Cp*RhCl₂]_2，乙酸铜作为氧化剂，二氯乙烷作为溶剂，以乙酰基保护的嘌呤核苷1a与二苯乙炔2a作为原料，在室温条件下空气氛围中反应16小时，能以85%的分离收率得到相应的环化产物。当反应在氮气氛围中进行时，收率明显降低，这表明空气中的氧气充当了共氧化剂的作用。随后，在最优条件下作者对该反应的底物普适性进行考察。首先是嘌呤核苷类底物，一般来说，在苯环的邻位、间位或对位带有不同空间和电子效应取代基的各种C6-芳基嘌呤核苷都可以顺利地生成目标产物，在合成上具有重要应用价值的各种取代基，如烷氧基、醚、酯、卤素和三氟甲基，通常都是兼容的。具有给电子基团的底物(例如Me、OMe)比具有吸电子基团的底物(例如F、CF₃)给出更好的产率。值得注意的是，嘌呤核苷底物C6位苯环对位是二甲基氨基(3h)、二苯基氨基(3i)、哌啶(3j)、咔唑(3k)，吩恶嗪(3l)，芘(3m)以及萘(3n-o)时，反应均可顺利进行(48-89%)。间位或间位，邻位-二取代底物的成环仅发生在位阻较小的碳氢键(3qt)。当底物的C6位置是噻吩和呋喃等杂环时，反应也能顺利进行，分别以74%和66%的产率得到产物3u和3v。使用脱氧核糖基嘌呤核苷(3w)、阿拉伯糖核糖基嘌呤核苷(3x)和嘌呤核糖基5′-核苷酸(3z)作为底物时，能以良好的产率(78-82%)得到相应的产物。核糖部分中(5′位)未保护的OH取代基也能兼容，以90%的收率得到环化产物。这些结果对于在DNA化学中使用这种方法进行核苷后期修饰是非常重要的。

（图2，来源：Org. Lett.）

作者对嘌呤碱基的底物适用范围进行了考察。嘌呤9位可以兼容甲基（5a、5b、5c）、乙基（5d）、丙基（5e、5f）、丁基（5g）、苄基（5h）、丙酮基（5i）等各种烷基。

（图3，来源：Org. Lett.）

接下来作者对一系列炔烃底物进行考察。二苯基乙炔对位可以兼容烷基（6b-6e）、烷氧基（6f）、卤素（6g）、三氟甲基（6h）等基团，间位可以兼容烷基（6i）、卤素（6j）等。7位去氮嘌呤，在标准条件下也可顺利得到产物（6k、6l）。当使用非对称芳基-烷基炔烃时，反应表现出较好的区域选择性，产物中来自炔烃的苯环选择性生成靠近嘌呤氮原子一侧（6m、6n），一些不对称的二芳基炔烃也被用于该反应，并观察到中等至优异的产率（6o/6o' 84%和6p/6p' 80%）。根据¹H NMR光谱分析，两种区域异构体产物的比例为1∶1。这表明不对称二芳基炔烃上的不同取代基的电子效应对反应的区域选择性影响不大。天然产物或药物活性分子衍生的炔烃，在标准条件下也可高效得到产物（6q、6r、6s）。

（图4，来源：Org. Lett.）

考虑到阴离子在调节杂环季铵盐的物理化学性质方面起着关键作用，例如溶解度、导电性、密度、熔点、粘度和荧光性质等，接下来作者对一系列阴离子进行考察。将添加剂Zn(OTf)₂更换为相应的阴离子金属盐，作者得到了八种不同阴离子的嘌呤盐化合物，并通过X-Ray单晶衍射证明其结构。

（图5，来源：Org. Lett.）

作者做了一系列的机理实验来研究该反应的机理。氢氘交换实验证明该反应碳氢键断裂此步可逆；动力学同位素效应值约为1.8，表明碳氢键的断裂可能涉及该反应的决速步；作者合成了环状铑络合物8和9来研究金属铑的催化模式。铑络合物8和9作为催化剂可高效催化该反应，说明8和9是该反应中可能存在的中间体。另外，络合物9在氧化剂下可以定量得到产物，证明该反应是经历还原消除之后再氧化的一个过程，并进一步证明了铑络合物9是该反应的中间体。

（图6，来源：Org. Lett.）

基于以上研究，作者提出了该反应可能的机理。铑催化剂A和底物发生碳氢键活化生成五元环铑中间体B，之后中间体B和炔烃发生配体交换生成中间体C，然后炔烃迁移插入碳铑键生成中间体D，中间体D快速还原消除生成一价铑夹心络合物E，然后在氧化剂作用下释放产物，铑催化剂循环再生，进入下一轮催化循环。

（图7，来源：Org. Lett.）

接下来作者简单研究了该类多环嘌呤盐类化合物的光物理性质。由图8所示，这些化合物的荧光发射峰处在436-587 nm范围内，斯托克斯位移在30和222 nm之间变化。在紫外灯的照射下（365 nm）下，不同的多环嘌呤盐根据取代基的不同显示出蓝色到橙色的荧光。通过调节嘌呤环上的取代基，该类化合物发射波长表现明显的红移。其中，产物3k的发射波长为587 nm，有望进一步应用于细胞成像研究。

（图8，来源：Org. Lett.）

综上所述，郭海明教授课题组开发了一种铑催化的6-芳基嘌呤核苷衍生物和炔烃环化合成多环荧光嘌呤盐的方法。该方法底物适用范围广泛、官能团兼容性好，机理研究透彻，丰富了荧光核苷类似物的种类。详细的光物理性质研究，细胞成像实验以及掌握其结构与性能的规律正在进一步研究中。

该项工作以“Rhodium(III)-Catalyzed Synthesis of Diverse Fluorescent Polycyclic Purinium Salts from 6-Arylpurine Nucleosides and Alkynes”为题发表在Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01546）。课题组博士后杨启亮与2019级硕士研究生刘颖为论文共同第一作者，郭海明教授和杨启亮博士为论文共同通讯作者。

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郭海明教授简介

郭海明，二级教授，博导，河南省有机功能分子与药物创新重点实验室副主任，河南省药学会副理事长，国家万人计划领军人才，中原学者，享受国务院特殊津贴专家，国家中青年科技创新领军人才，百千万人才工程国家级人选，国家有突出贡献中青年专家，教育部新世纪优秀人才支持计划获得者。郭海明教授课题组致力于核苷化合物的结构选择性修饰，主要研究领域有不对称合成；核苷的选择性结构修饰；分子的荧光标记与荧光识别；核苷类药物的设计与合成。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、J. Med. Chem.、ACS Catal.等国际学术期刊发表论文100余篇，出版专著1部，受邀参编国际著作1章，并获20余项授权发明专利。

杨启亮博士简介

杨启亮，2019年毕业于华东理工大学与中科院上海有机化学研究所联合培养，获得有机化学博士学位（导师：梅天胜研究员），同年加入河南师范大学郭海明教授课题组开展博士后研究工作并获得2019年度“博士后创新人才支持计划”资助。主要从事核苷碱基修饰和有机电合成等方面的研究，在J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Org. Lett.、Chem. Commun.、Org. Chem. Front.、J. Org. Chem.、Organometallic和Chin. J. Chem.等国际学术期刊发表论文14余篇，并受邀为wiley出版社撰写专著章节。

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