含硼吲哚的合成及其应用研究进展*

2022-11-24赵琼丽王丽琼

云南化工 2022年11期

何姗，赵琼丽，张影，王丽琼

(云南师范大学化学化工学院，云南昆明 650500)

最近让全世界头疼的疾病除了新冠，接下来就是难以攻克的各种癌症，新型的抗癌药物不断被需要。由于吲哚生物碱结构的多样性及其抗惊厥、抗炎、抗糖尿病、抗菌和抗癌等多种生物活性，在天然产物的药物活性研究中发挥着重要作用，新型抗癌药物很有前途。3-烯基吲哚是一类重要的生物和医药化合物，其合成受到了广泛的关注。在此，起初利用Witting反应以被卤素取代的芳香醛和3-(二甲氨基甲基)吲哚为原料合成3-烯基吲哚，然后以其为中间体合成目标产物含硼吲哚化合物[3]。总结了通过合成方法合成更有前景的含硼吲哚化合物，并讨论了其在BNCT治疗中研究概况[1-2]。

1 含硼吲哚化合物合成方法

1.1 无金属催化碳氢硼化吲哚

近几十年来，由于C-H硼化反应快速发展，使其已成为合成有机硼化合物最重要、最有效的方法之一。虽然过渡金属催化在C-H硼化反应中占主导地位，但没有金属参与的硼化方法也逐渐成为很受欢迎具有潜力发展的合成策略[4]。众所周知，在有机合成中有机硼化合物具有强大影响力，已广泛应用于药学和材料科学等各个领域。由于有机硼化合物的重要性，C-B键形成的研究得到了迅速发展，已成为有机化学中的一个热点。尽管过渡金属催化在这些过程中表现出高效性，但无金属芳香族C-H硼酰化有以下更好的理由：①含硼试剂作为原料平价易得;②与金属催化相比反应体系成本降低;③反应条件要求相对温和;④所谓的没有金属加入碳氢硼化反应本质上是亲电取代反应。

20世纪40年代，赫德用苯、二硼烷放入密封管里，调整温度 100 ℃ 下反应，这是全世界第一个得到的含硼化合物[5]。2010年，曼彻斯特大学英格森化学课题组发现茶儿酚硼烷与催化剂反应生成亲电能力很强活性中间体。此外，由于其硼原子缺乏电子，导致它反应条件温和，常温下就可以发生经典的亲电取代反应[6]。此课题初次证明在三乙基硅烷催化下硼正离子发生亲电取代反应。2015年，Fontaine组选择频哪醇硼烷作为硼源、Lewis酸碱作为催化剂，在 80 ℃ 下与杂环芳烃化合物(吲哚、呋喃、吡咯)反应 24 h 制备含硼的杂环芳产物[7]。2016年，Repo组报道了一种新碳氢活化方法，用2-氨基吡啶四氟硼酸盐催化碳氢硼化反应。由于不确定其机理，做了理论计算和机理探究实验发现其催化功效与受阻的路易斯酸碱对(FLP)表现出协同作用。致使底物分子中的σ-和π-键被破坏裂解，因此活化底物碳氢键[8]。2017年，马丁·奥斯特里奇课题组研究发现生成的硼酸酯不稳定易水解，所以在后续反应中加入了频哪醇和三乙胺并且底物进行探索得出以含取代基烷烃、富电子杂环(吲哚)为最优条件。考虑反应会受硼原子和FLP的影响，使用B(C6F5)3作为引发剂优化催化。2018年，张跃涛课题组[9-10]探索反应机理使他们能够通过选择合适的底物并调整儿茶酚硼烷的量来成功地抑制副反应。更重要的是，随着反应温度的升高，他们可以实现吲哚的收敛歧化反应。在没有任何添加剂和H2受体的情况下，各种C3位选择性硼化吲哚的转化率接近定量，产率高达98%。

2019年，Ingleson组[11]报告了N-酰基导向基团使吲哚苯环的C7具有选择性。导向基团可以很容易地原位去除，分离产物为频哪醇硼酸酯。以带N-酰基导向基团的吲哚为底物用二氯甲烷溶解，再加入便宜的BBr3(2.2eq)试剂在温度 60 ℃ 下反应，最后慢慢注入三乙胺后再加频哪醇反应生成稳定的硼化吲哚。作者又拓展另一个底物最优条件探索，以C4-特戊酰基吲哚为底物，对底物进行了最优条件探索：①底物是导向基，甲基、卤素取代吲哚可以得到很高的硼化产率。②如果底物是含有特戊酰基苯酰基，就只可在苯基邻位生成硼化目标物。2019年，史壮志课题组[12]展示了一种不使用金属催化剂的芳烃和杂芳烃定向C-H硼酰化的方法。C7和C4硼化吲哚是通过温和的方法合成的，与广泛的官能团兼容。通过密度泛函理论计算建立的机理涉及BBr3同时作为试剂和催化剂，通过将形成的硼物种下游转化为天然产物和药物支架，突出了该策略的潜在效用。其团队将吲哚N-H用特戊酰基保护，用纯化二氯甲烷溶解在加入BBr3试剂室温反应后加频哪醇和吡啶。

图1 无金属导向碳氢硼化

1.2 金属催化碳氢硼化吲哚

碳—氢键在大多数有机分子中都很丰富，直接、选择性催化方法作为获取更复杂分子实体的有效手段具有吸引力，因此它也就成了科学研究重大挑战课题。很久以前科学家们重点关注贵金属活化碳氢硼化产物，虽然贵金属催化剂反应活性很高，但是其价格昂贵资源有限。所以接下来研究工作者们把目标放到廉价过渡金属，旨在开发过渡金属催化硼化反应。

图2 过渡金属参与硼化

2014年，Chirik课题组[13]查阅文献发现钴金属催化烯烃硼化而受到启发，推断如果反应生成足够富电子钴中心，底物C-H键容易激活且耦合C-B键。为了验证此猜想，对不同配体开展筛选，当配体是四甲基亚甲基其反应活化效果好。接着在此条件下又对底物探究吲哚可以得到较高的得率，不过吲哚上连有吸电子基团反应难发生。2015年，Itami组[14]报告了他们的发现，使用配体和添加剂能够实现第一个镍催化的C-H硼化。此反应需要含PCyp3络合物，添加剂氟化铯，四氢呋喃为溶剂。底物是吲哚类衍生物需要在 80 ℃ 反应 24 h 而苯环需要在 140 ℃ 反应 24 h，有助于增强镍的催化剂的功能。虽然底物范围有限，但在镍催化下，中性电子和富电子的苯衍生物和吲哚可以有效地硼化，目前正在进一步研究扩大底物范围并阐明其机制。2017年，Chirik组[15]对已报道贵金属催化作了创新改变，以往催化条件十分苛刻。他用了不贵的催化剂4-Me-(iPrPNP)Co-(O2CtBu)2作为替代品，最终获得比贵金属催化更高产率目标物。2020年，Marder组[16]开发了一种高效、C3吲哚定向选择性C-H硼化与B2pin2的反应，[Ni(IMes)2]充当催化剂。此反应不在碱性环境，其条件温和，致使官能团耐受稳定且获取具有高选择性、优异的硼化吲哚。通过[Ni(IMes)2]激活吲哚N-H键，此时形成N-H硼化吲哚与再生[Ni(IMes)2]得到氮取代频哪醇硼酸酯，继续反应后生成3号位被硼取代吲哚。

2 含硼吲哚化合物应用

有机硼试剂是铃木反应中很好的桥连试剂，除此之外，它被广泛应用于能量研究、非线性光学材料、荧光探针、生命科学等多个领域，未来也将逐渐用于抗癌。

治疗肿瘤领域吲哚结构至关重要，由于其杂环结构拥有较高生物活性，在抗肿瘤、抗病毒、抗增殖等占有一席之地。硼元素大量存在于自然界中植物里，随着科学技术发展，第一个被人工合成硼替佐米药物用于临床治疗癌症。含硼化合物合成、应用以及其治疗癌症进程将受到越来越多的关注。本论文主要综述了含硼吲哚合成，还要关注它在治疗癌症被用作硼中子捕获治疗。此外，酶受到有机硼化物后会表现出抑制作用，是因为硼原子对氧亲和性很高容易导致硼酸盐生成。2009，Miyata[17]组内发现HDAC系列家族化合物能够破坏癌细胞染色体自我结构修饰和干扰基因表达，在癌细胞生长抑制试验中，化合物(S-18、20、21)具有较强的活性，引起50%生长抑制的浓度(GI50)与引起50%酶抑制的浓度的比值(IC50)比较低。这些化合物的用药效果和临床使用的亚过氧基苯胺异羟肟酸(SAHA)(2)相差不大。HDAC家族中有被吲哚取代硼化物23，做了三次平行活性试验检测表明其IC50值是11μM。为了探索机理作者对此药品做Western blot分析结果表明，水合硼酸与HDACs活性部位的锌离子、Tyr残基和His残基相互作用阻碍癌细胞表达。

3 含硼药物的发展及BNCT治疗理念

BNCT通过低能热中子照射并利用热化中子和非放射性10B原子之间的核反应产生的大量的α粒子(4He)和反冲锂-7(7Li)粒子，二者能量 2.3 MeV，这两种颗粒选择性地破坏肿瘤细胞。其中α粒子离子能量最高且直径离子为 10 μm，比一个细胞直径还要小。与光子辐射相比，BNCT产生相对更高生物效率和更高线性能量传递的粒子，它把“重离子化疗”和“生物靶向”这两者相结合，从而在细胞水平上更大程度地杀伤癌细胞[18]。除此之外，10B原子可以选择性存活在癌细胞肿瘤组织里。因此，在杀死癌细胞同时也不干涉健康活细胞，让其成为高效率温和放疗方法。在体内癌症条件下，BNCT的治疗价值在很大程度上取决于有效硼载体试剂系统的开发，该系统可以通过静脉途径在体内实现调节处置，并促进肿瘤组织中的积聚[19]。

图3 BNCT原理图

现在临床使用较多硼携带剂分别是新研发的BSH和BPA。早在60多年前就有研究者合成出硼化物，不过含硼物质生产也是一项颇具重大挑战的任务。因为要满足BNCT治疗药物以下几点需求才能被用作临床首选药物：①肿瘤细胞摄取含硼药物量要足、药物停留时间要够、其代谢速度要快也就是能从正常细胞清除。正常组织摄取，肿瘤摄取率高，肿瘤/大脑和肿瘤/血液浓度比高(>3～4∶1)，肿瘤浓度为20～35 mg 10B/g肿瘤。但是现阶段满足这个标准药物还没被发现。②含硼药物自身毒性毒，毒副作用少。③还考虑药物生化效应，BNCT期间血液和正常组织的快速清除和肿瘤的持久性[20]。目前为止已研发3代硼试剂可以用于BNCT治疗。

目前有三代硼化合物，每代硼传递剂都在不断改进，因此这些硼化合物对肿瘤细胞具有更高的选择性靶向性，并在生活系统中提供合理的低毒性。20世纪50年代和60年代初的临床试验中的硼酸钠、硼酸和其衍生物是很早发现的第一代硼试剂，这代药物在肿瘤细胞内保留时间不长无法聚集癌细胞中而且还缺乏靶向性、肿瘤/大脑比率低。BPA和BSH是20世纪60年代出现的第二代硼化合物。与上代分子相比，这些化合物的毒性明显较低对肿瘤细胞亲和力更好，在动物肿瘤中的持续时间更长，并且肿瘤/大脑以及肿瘤/血液硼的比率大于1。不过，由于肿瘤细胞某些特异性功能，这些化合物不能被视为理想含硼化合物，目前正在许多研究和临床试验中使用。受到先前两代硼化物影响，正在想各种方法合成第三代硼化合物，通过与肿瘤靶向成分或部分(硼载体)的水解成连接有稳定硼基团或簇。如卟啉、核糖类、脂质体和单克隆抗体，它们是低分子量和高分子量生物分子，已被用作肿瘤靶向部分。第三代硼化合物更倾向作用于靶向肿瘤细胞，即肿瘤细胞核和DNA是这些药剂的诱人靶点，如果硼原子局限于细胞核内或细胞核附近，则产生致命作用所需的含硼量可能会显著减少[21]。此外，既然对硼携带剂作为BNCT疗法要求很高，不停创新出活性强、低毒、生物靶点更丰富新型硼试剂。通过在肿瘤细胞中选择性地浓缩硼化合物，然后使肿瘤细胞接受超热中子束辐射BNCT的独特特性是它可以在肿瘤细胞和正常细胞之间沉积大剂量梯度[22]。

4 BNCT治疗法存在的问题

现在各种癌症发病率都很高，患癌的人数也不断增加，人们迫切希望临床上治疗癌症的科技更发达。本文中提及BNCT就是目前治疗癌症最佳首选的方案。但是，要把治疗癌症艰巨任务交给BNCT，那以下几个问题应引起高度重视。

1)面对复发性肿瘤BNCT至今还没有探索到更有效的治疗手段。应该加大力度开发BNCT治疗在其他肿瘤方面应用，使它不仅仅局限于脑瘤。其自身抗癌机理非常复杂，靶向主要通过在肿瘤中精确建立硼摄取量而不是通过瞄准束来实现，这为BNCT概念的临床应用提供了解释，还需优秀、专业的科学家们不断钻研。

2)第二个重要方面是可靠的医院中子源的可用性。如果这一技术挑战无法实现，BNCT就不会有真正的进展。BNCT需要中子源加速器为治疗基础且此仪器价格昂贵，导致临床上治疗成本较高。BNCT中经常被标记一个重要因素是肿瘤内硼的不均匀分布，这导致计算剂量分布的模糊性。正电子发射层析成像(PET)能够量化硼的吸收。近年来，使用PET跟踪硼载体的药理和化学行为已成为BNCT的额外刺激因素[23]。由于目前只能从核反应堆中获得足够数量的用于BNCT的超热中子，BNCT的可用性目前仅限于全球少数几个中心。基于加速器的紧凑型中子发生器可能与商业生产和医院环境中的安装兼容，目前正在开发中，未来可能允许更广泛地使用BNCT[24]。

3)虽然现在已有三代硼携带剂，但是开发更成功的携带剂迫在眉睫。对已有硼携带剂进行优化，让肿瘤细胞吸收更多硼元素，长久停留在癌细胞中。BNCT的概念虽然在1936年才发展起来，但在了解和理解其背后的科学、制定临床试验并将其用于临床方面有了稳步的进步。虽然目前BNCT可能尚未普及，但在不久的将来，BNCT肯定会成为癌症放疗领域的一个里程碑。