2篇Nature Chem.+1篇Nature：巧妙设计催化剂，千倍提升分子靶向亲和力！
通讯作者：伊利诺伊大学厄巴纳分校
研究亮点：
1. Mn中心P450类酶催化剂
2. 大量杂环生物活性分子/药物分子/天然产物分子中杂环α-相邻CH键均可进行甲基化反应
3.避免CH键过度氧化，选择氧化性比Fe低的Mn金属，在配体上修饰CF3，精确控制催化剂/氧化剂的用量
研究背景
“魔法甲基化”是指在分子中杂原子α位C上组装-CH3基团，该方法可以显著提高生物活性分子的活性。目前相关的甲基化方法存在适用底物范围小、无法对复杂的生物分子反应等缺陷。美国伊利诺伊大学的M. White教授报道了一种具有区域选择性和化学选择性的甲基化方法，可以实现药物分子和天然产物分子的后期功能化，表现出广泛的反应活性和与大量功能基团的兼容性。该反应的关键是催化剂的设计，通过简单的Mn()催化剂(=1,1'-双(((5-(2,6-双(三氟甲基)苯基)吡啶-2-基)甲基)甲基)-2,2'-联吡咯烷)，可以有效地对电子缺乏/电子丰富的芳香族底物分子进行甲基化反应。 该反应是先将CH键羟基化转化为C-OH，然后在带负电荷的甲基Al(CH3)3的亲核进攻下形成C-CH3。
需要解决或探讨的关键问题
大量的杂环生物活性分子/药物分子被甲基修饰，以提高分子的药理活性。
核心内容
鉴于此，美国伊利诺伊大学的M.White等人报道了一种Mn金属酶（P450）催化体系，可以有效地对大量几十大类具有生物活性的杂环小分子和近30种天然产物/药物分子进行甲基化修饰。
第一点 研究出发点与依据
之前报道过Mn()催化剂具有选择性甲基化杂环中邻位亚甲基的能力，并且具有一定的功能团相容性（与卤代芳烃的相容性），但是对缺电子/富电子芳环底物的反应性并不好。
考虑到这一特点，作者认为催化剂中配体的空间效应可能导致CH键的羟基化-OH的反应速率更快（后一步的甲基化反应相对较慢）。这种差异在温和的反应条件下可能更有利（抑制甲基化反应速率），可以提高羟基化反应的选择性。通过优化催化剂用量和羟基化剂H2O2用量，对N原子α位CH键的反应优化结果显示产率为82%。羟基化产物随后进行甲基化，产率为84%。反应在温和的条件下进行，对富电子/中性芳烃和杂环芳烃具有更好的选择性和更好的反应性。作者认为过度氧化需要一定的能垒，温和的反应环境有效抑制了过度氧化。综上所述，该工艺通过先分离羟基化中间体来抑制副反应。
图1.甲基化反应
重点2. 催化剂设计
在Chem 2019上，作者报道了这种Mn催化剂来源于生物酶催化体系（P450叶绿素催化体系）。在这项工作中，作者考察了Fe催化剂和带有PDP配体的Mn催化剂在反应中的影响。结果表明，在反应中加入15倍量的氯乙酸和10倍量的H2O2，可以将亚甲基氧化成羰基。该催化剂来源于具有Fe结构的P450酶，具有单电子氧化反应能力，将芳香族底物氧化为苯酚。通过将非血红素Fe(PDP)(SbF6)2催化剂替换为Mn中心金属，修饰配体上的CF3基团，并将Mn-Cl键转化为MeCN溶剂配体，提高了催化反应活性。 Fe中心催化剂并不能表现出更好的选择性，但幸运的是Mn中心催化剂具有更好的反应选择性，这可能是由于Mn的氧化性略弱于Fe所致。
图2. Mn()催化剂的设计演变 (Chem. 2019, 11 (3), 213-221)
重点3. 反应优化与底物扩展
优化的反应条件为：以2倍量的H2O2为羟基化剂，0.5 mol % Mn()为催化剂，加入15倍量的AcOH，在-36 ℃的MeCN中反应1h，降温至-78 ℃，以DAST或BF3·Et2O为羟基化引发剂，3倍量的三甲基铝为甲基化剂，继续反应4h，升温至室温。
图 3. 反应优化
该反应可对乳酸、恶唑烷酮、吡咯烷、哌啶、氮杂环庚烷、喹啉、异吡喃等几十种杂环生物活性小分子获得中等产量。
图4. 反应底物扩展
重点4. 药物分子、天然产物分子、抗生素等大分子的修饰
通过调节溶剂、温度、催化剂含量等反应参数，实现了氯卡林（）、吲哚洛芬甲酯（ ester）、芬司匹利（ ）、地西泮（ ）、西酞普兰（ ）、前体、替佐利珠单抗（ ）、帕罗西汀（ ）、塞来昔布（ ）、脯氨酸肽天然产物、醋酸替佐利珠单抗（ ）、阿比特龙类似物（ ）的甲基化反应。
图5. 药物、天然产物及链肽分子的甲基化反应
第五点 重要的前期工作
M. White 研究小组长期致力于探索 P450 酶结构的类酶催化反应，最近开发了一种配体/Mn 催化体系。
图 6. 载于 . Chem. 2019, 11 (3), 213-221. DOI: 10.1038/-018-0175-8
图 7. - 后期的 C(sp3)–H，Nat. Chem.，2018，10，583-591。DOI：10.1038/-018-0020-0
图8. 氨基酸和小铁.,2016, 537, 214-219. DOI: 10.1038/
甲基化反应意义
在药物分子中引入甲基功能团，可以使分子对目标生物靶点的亲和力提高1000倍以上，这种效应被称为“神奇甲基化”效应。这是因为引入甲基后，药物分子的结构和形态会发生改变，可能更好地与靶蛋白的活性位点结合。
总结
酶催化是自然界重要有效作用的关键条件。令人惊奇的是酶催化可以在接近室温的温度下有效进行，而且化学选择性和手性选择性非常高。关键问题在于催化活性中心的设计以及活性位附近的化学环境。向自然界学习化学反应策略是有效快速实现目标的好方法。
参考文献和原文链接
Kaibo Feng, E.、T. Kohrt, S.、Usa 和 M. White*
晚期 C(sp3)–H，2020，580，621-627
DOI: 10.1038/-020-2137-8
关于作者
M. White 本科毕业于史密斯学院，后在约翰霍普金斯大学获得硕士（导师：，主客体化学）和博士学位（导师：Gary，维生素D3衍生物的合成）。随后在哈佛大学师从Eric N. 做博士后，获得助理教授职位。2005年开始在伊利诺伊大学任教，2011年晋升为教授。值得一提的是，她的丈夫是另一位著名的有机化学家D. Bruke。
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对这项工作的评论
新闻与观点：锰催化剂在甲基化反应中的应用