光氧化还原催化实现吡咯烷的后期官能团化：批量与流动条件下的快速合成及作为新型胆碱酯酶抑制剂的苯并噻唑杂合体研究

《RSC Advances》：Photoredox-enabled late-stage functionalization of pyrrolidines in batch and flow: rapid access to benzothiazole hybrids as a new class of cholinesterase inhibitors

　　

研究人员开发了一种可见光驱动的光氧化还原（Photoredox）方法，用于N-芳基吡咯烷（N-aryl pyrrolidines）和哌啶（piperidines）与2-氯苯并噻唑（2-chlorobenzothiazole）衍生物的α-氨基C(sp³)–H杂芳基化反应，该反应可在批量（batch）和流动（flow）条件下进行。该转化在温和条件下进行，使用铱（Ir）光催化剂并在水存在下反应，为苯并噻唑-胺杂合结构的构建提供了高效途径。在批量条件初步优化后，研究人员成功将该反应转移至微流体流动体系，其中增强的光利用效率以及改善的传质和传热效果使得该方法相比批量程序具有更高的生产率和更优的能源效率。该方法适用范围广泛，涵盖多种取代的N-芳基吡咯烷和苯并噻唑，所得目标产物通常具有良好的收率。总体而言，研究人员合成了多种苯并噻唑-吡咯烷和-哌啶衍生物。研究人员对所获得的化合物进行了理化性质评价以及针对乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase, AChE）和丁酰胆碱酯酶（butyrylcholinesterase, BuChE）的生物活性测试。多种衍生物在微摩尔浓度范围内表现出对这些酶的抑制作用，少数分子显示出对丁酰胆碱酯酶的选择性。计算机模拟ADME分析表明其具有良好的亲脂性和预测的血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）透过性。光氧化还原催化与微流动技术的协同组合为生物相关胺的后期官能团化以及神经活性小分子库的快速生成提供了一种高效且可持续的方法。

近年来，光氧化还原催化已成为有机化学中发展最迅速的领域之一。利用光这一易得试剂，结合过渡金属或有机光催化剂，推动了众多光驱动反应的发展。其中，后期官能团化（Late-stage functionalization），特别是碳-氢键（C–H）官能团化，是新药合成中极具前景的策略。α-氨基自由基（α-amino radical）的形成及其进一步官能团化是合成α-官能化胺类化合物的重要手段，这类结构具有广泛的生物活性潜力。此前已有研究报道了光氧化还原催化的脂肪胺α-氨基C–H芳基化反应，但相关实例仍较为有限。

吡咯烷和哌啶是药物化学中极为重要的结构单元。吡咯烷是已上市药物中最常见的非芳香性氮杂环，广泛存在于生物活性生物碱中，并大量用于制药工业和学术研究以寻找生物活性分子。苯并噻唑（benzothiazole）则是另一突出的生物活性结构骨架，其衍生物可抑制多种治疗靶点，包括环氧化酶-2（COX-2）、血管内皮生长因子受体-2（VEGFR-2）、酪氨酸酶，以及近年来被证实的单胺氧化酶B（MAO-B）、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶等神经系统相关靶点，这使其成为抗神经退行性疾病药物开发中的潜在药效团。

基于上述背景，研究人员开展了本项研究。其目标是利用光氧化还原催化实现N-芳基吡咯烷和哌啶与2-氯苯并噻唑衍生物的α-氨基C(sp³)–H杂芳基化反应，以获得一系列潜在的抗胆碱能酶活性分子；同时将微流控化学方法作为一种绿色高效的合成手段引入该反应，以提高反应的实用性和效率。该研究最终在《RSC Advances》上发表。

研究采用的关键技术方法包括：可见光驱动的光氧化还原催化技术，使用[Ir(dtbbpy)(ppy)₂]PF₆作为光催化剂；微流控流动合成技术，采用氟化乙烯丙烯共聚物（fluorinated ethylene propylene, FEP）管式微反应器；酶抑制活性测定采用Ellman法评价化合物对乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶的抑制能力；以及计算机辅助药物设计中的SwissADME软件进行亲脂性（log?P）和血脑屏障透过性的预测。

**批量条件下苯并噻唑-吡咯烷衍生物的合成**

研究人员首先以N-苯基吡咯烷和2-氯苯并噻唑为模型底物，在批量条件下优化了反应条件。研究考察了不同光催化剂、溶剂以及水的用量对反应的影响。结果表明，在1 mol% [Ir(dtbbpy)(ppy)₂]PF₆为催化剂、2当量乙酸钠为碱、N,N-二甲基乙酰胺（DMA）与水为混合溶剂的条件下，当水的用量为65当量时反应效果最佳，产物分离收率达到87%。其他铱催化剂和有机催化剂如2,4,6-三苯基吡喃鎓（TPP）及吖啶鎓类催化剂的效果均不及该铱催化剂。随后，研究人员对反应的底物适用范围进行了考察。研究发现，未取代的苯并噻唑和氯取代的苯并噻唑通常能获得更好的收率；甲氧基取代的苯并噻唑收率略低；氟取代的苯并噻唑由于氟的强共轭效应，收率稍低于氯取代的类似物。吡咯烷芳环上的多种取代基均能很好兼容，包括未取代、甲基取代、甲氧基取代以及氯取代的底物，均能以良好至优异的收率得到产物。此外，N-芳基取代的哌啶类底物也能在优化条件下发生类似反应，但收率普遍低于吡咯烷类底物。该部分研究共合成了35种具有不同取代模式的化合物。

**微流控反应器中苯并噻唑-吡咯烷衍生物的合成**

在批量条件优化完成后，研究人员将反应转移至微流控反应器中进行。研究人员测试了聚二甲基硅氧烷（PDMS）、玻璃/硅（Glass/Si）和氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）三种不同材质的微反应器。结果显示，FEP管式反应器效果最佳，在4小时停留时间下产物收率为64%；而PDMS反应器因氧气渗透性问题、Glass/Si反应器因通道过窄易堵塞导致收率较低。将FEP反应器的停留时间延长至6小时后，原料完全转化，产物收率达到92%。研究人员进一步计算了不同反应器的能量效率（% W^?1 h^?1）、时空收率（space-time yield, STY）和生产率等关键参数。FEP微反应器（6小时停留时间）的能量效率为0.64，显著优于批量反应；其STY为29.4 mmol L^?1 h^?1?1 h^?1）的4倍，生产率也相应提高。研究人员还通过多个实例验证了该微流控装置在多种底物上的适用性，所有测试案例中微流控条件下的收率均优于批量条件。

**合成苯并噻唑衍生物的log?P、血脑屏障透过性及生物活性评价**

早期药物发现中，适宜的亲脂性和血脑屏障透过性对于神经系统疾病治疗药物至关重要。研究人员使用SwissADME软件对所有合成化合物进行了理论评估。结果显示，所有化合物的log?P值均在理想范围内，且预测均能透过血脑屏障。在此基础上，研究人员进一步评价了这些化合物对乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶的抑制活性。总体而言，化合物主要表现出对丁酰胆碱酯酶的选择性抑制作用，半数抑制浓度（IC₅₀）处于微摩尔级别；而对乙酰胆碱酯酶的抑制活性普遍较低或无活性。氯代衍生物是个例外，其对两种酶均有抑制作用，其中化合物3o是最强的乙酰胆碱酯酶抑制剂。

结构-活性关系分析表明，苯并噻唑骨架上的氯取代显著影响生物活性。与未氯代的化合物3a相比，氯代化合物3c对丁酰胆碱酯酶的抑制效力提高了约两倍。在氯代苯并噻唑的基础上，吡咯烷芳环部分的取代基变化（甲基、氯、甲氧基）产生了不同的活性谱。其中，甲基取代显著增强了抑制效力，并使化合物获得了对乙酰胆碱酯酶的双抑制特性（化合物3g、3k、3o）。特别地，两个甲基的协同效应尤为重要，使化合物3o对两种酶均表现出强效抑制，其中乙酰胆碱酯酶的IC₅₀低于1 μM。相比之下，芳环邻位引入氯则导致选择性乙酰胆碱酯酶抑制而不影响丁酰胆碱酯酶活性（化合物3ab）。氟代苯并噻唑衍生物的生物活性普遍降低，而甲氧基取代仅使未取代母体化合物的丁酰胆碱酯酶抑制活性提高了约1.5倍。哌啶类衍生物的整体抑制活性较低，表明吡咯烷环的构象特性或其较小的环尺寸可能更有利于抑制活性的发挥。

**讨论与结论**

研究人员在讨论中指出，该研究开发的可见光促进的光氧化还原协议能够以水为助溶剂，在温和条件下实现N-芳基吡咯烷和哌啶与苯并噻唑的高效杂芳基化。批量条件下合成了35种化合物，展示了该方法广泛的适用性。微流控流动条件的引入显著提高了反应的效率和可持续性，FEP管式微反应器表现出最优的光利用效率和能量效率。

生物活性评价揭示了一类新型的神经活性分子。氯代苯并噻唑与甲基取代吡咯烷芳环的组合是获得高效双胆碱酯酶抑制剂的关键结构特征，化合物3o作为最优候选化合物，对乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶均表现出强效抑制。计算机模拟的ADME研究支持这些活性分子能够透过血脑屏障，这对于神经系统疾病治疗药物至关重要。部分衍生物对丁酰胆碱酯酶表现出选择性抑制，这可能具有进一步开发的价值。综上所述，研究人员开发了一种稳健的合成策略，通过光氧化还原催化与微流控技术的结合，实现了生物相关胺类的高效后期官能团化，为神经退行性疾病治疗药物的开发提供了新的候选分子库。