吡啶環是藥物分子中最常見的骨架之一,眾多上市藥物都含有吡啶環,例如消炎止痛藥etoricoxib、抗帕金森藥物sarizotan以及抗癌藥物imatinib。在新藥研發的過程中,化學家希望能在吡啶環的特定位置精準安裝官能基,藉此擴充候選藥物分子庫,加速新藥的發現。然而,由於吡啶環本身的電子性質,反應往往自動發生在鄰位(C2、C6)或對位(C4),而間位(C3、C5)的選擇性官能化一直是合成化學中公認的難題。間位官能化這麼困難的根本原因,在於吡啶環上氮原子的吸電子效應使得間位的電子密度先天不足,親核或親電試劑都很難優先作用於此。為了突破這個瓶頸,科學家曾嘗試兩大策略:第一,是利用銥、鈀、鎳等過渡金屬催化,透過預裝在吡啶上的導向基或精心設計的配體引導間位選擇性;第二,是「暫時去芳香化」策略,先讓吡啶環透過加氫硼化或加氫矽化使其失去芳香性,並形成具有親核烯胺結構的二氫吡啶中間體,接著在特定位置引入官能基,最後恢復芳香性。除此之外,McNally等人也開發了將吡啶開環形成Zincke亞胺中間體,再選擇性鹵化並閉環的間位鹵化方法,但此策略尚未能延伸至間位芳基化。雖然含有間位芳基吡啶骨架的藥物相當常見,但間位芳基化的合成方法至今仍相當稀少。
近日,新加坡南洋理工大學的研究團隊提出了一種「周邊芳基搬遷」策略,利用光氧化還原催化,將吡啶對位(C4)或鄰位(C2)的芳基轉移至間位(C3或C5),解決了長期以來間位芳基化的合成難題。具體機制如下:以光催化劑3DPAFIPN驅動單電子轉移,先將吡啶還原,生成1,4-二氫吡啶中間體,再對其氧化形成氮雜環己二烯基自由基;此自由基透過分子內1,2-芳基遷移,將芳基從原位搬遷至鄰近碳原子,最後再氧化恢復芳香性,完成氧化還原催化循環。該研究一共實現了三種搬遷模式(C4到C5、C4到C3,以及C2到C3),各模式的區域選擇性都受到吡啶環上取代基電子效應的精細調控:以C4到C3為例,C2位的富電子芳基搭配C4位的缺電子芳基,C4芳基會優先朝C3方向搬遷;若芳基的電子性質對調,搬遷方向也隨之逆轉。研究人員表示,他們已在超過50種起始物上驗證了這套方法。