在现代药物研发中，对于药物代谢以及药代动力学的研究通常会利用到同位素标记技术。最近，有文献报道了通过高效氢同位素交换（HIE）（Figure 1A, I）进行含芳烃、氮杂芳烃、胺、酰胺和硫醚化合物的氚代，表明了对更先进的放射标记技术的需求。¹⁴C放射标记代谢更稳定，运用于药物研发的各个阶段，包括（临床前）吸收、分布、代谢和排泄（ADME）研究。与氚相比，C-C键形成相对比较困难，引入这种同位素的合成方法相对低效。尽管如此，羧酸普遍存在于在自然界和类药化合物中，使得¹⁴C放射标记更具应用性，特别是利用未标记的目标化合物进行降解-重建策略中（Figure 1A, II）。然而，目前的方法主要依赖于苛刻的条件进行活化/取代/水解反应，从而限制了其应用。

近日，Scripps研究所Phil S. Baran课题组发明了一种通过直接碳同位素交换的¹⁴C放射标记烷基羧酸的方法，即先形成氧化还原活性酯（RAE），然后进行镍介导的化学选择性还原脱羧-羧化（Figure 1A, III），该研究成果发表在近期J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.8b12035）上。该方法利用¹⁴C标记的¹⁴CO₂可以使放射标记收率最大化，并使放射标记中间体的处理最小化。利用RAE底物的一个考虑是避免由裂解或未完全¹²CO₂/¹⁴CO₂交换的部分重新形成未标记的目标化合物（Figure 1B）。

 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，为了解决对同位素标记进行量化的问题，作者通过不同的途径评估了化学上不同的“标记”和“未标记”产物的形成（Scheme 1A）。然而，通过非对映体转化（Scheme 1A, I）和镍催化的链迁移方法（Scheme 1A, II）均告失败，而利用环丙基亚甲基底物7通过自由基诱导的开环可以区分羧基化产物9和水解产物10（Scheme 1A, III）。

随后，作者选择RAE 11作为模型底物，并将其通过非放射性¹³CO₂进行羧基化。通过筛选反应参数，以42%的产率得到酸[¹³C]-12，并且¹³CO₂结合率为19%。当降低压力和镍/配体负载量时，会对同位素标记实验产生不利影响。对照反应表明，镍源、配体和还原剂对产物形成和/或¹³CO₂结合都是必要的。其中，主要副产物与β-H消除、脱羧质子化和二聚化途径一致。此外，作者对光诱导电子转移过程进行了研究，但未能得到满意结果。

 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在得到优化的反应条件后，作者探索了与一级、二级和三级RAE反应的适用范围（Scheme 2A）。随着超敏分析技术的出现，放射标记在人类临床ADME研究中的技术瓶颈已经转移到放射化学纯度的分析上，HPLC检测需要10 μCi/mg或更高的浓度以便在保持色谱柱性能的同时，每分钟有足够的崩解度进行精确的放射化学分析；较低的同位素结合可以通过液体闪烁计数、微板闪烁或加速器质谱法进行分析，但这些都是资源密集性技术。一般来说，早期临床前动物ADME研究需要较高的结合比例（≥20 μCi/mg）。实验结果显示，含有各种官能团（包括酮、酯、保护胺、酰胺和苯酚）的羧酸生成的一级和二级RAE均可以得到适合所有临床前和临床ADME研究的优良同位素组成，但未观察到含有吡啶底物的产物。除了分离产率外，放射性标记的化学选择性也很关键，必须避免对底物中其他官能团或保护基进行标记。因此，作者开发的这种温和的降解-重建方法比较合适。化合物23是通过同位素标记形成的，其含量足以进行在线HPLC分析用于¹⁴C的临床ADME研究。虽然二级酸具有良好的同位素结合，但未观察到三级酸的结合。

  （图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在确定了反应范围和实用性的基础上，为了进一步提高操作简单性、成本效益和安全性，作者认为可以通过冷却反应提高¹⁴CO₂在溶剂中的溶解度从而避免对压力的要求。通过实验发现，在常压、-25 ℃时，¹⁴CO₂溶解性（0.71 m）与50 psi/室温（0.74 m）条件下相当，这样在工业化生产中应用¹⁴CO₂更安全。只需5.5-32 eq. ¹⁴CO₂就可以将RAE进行脱羧-羧化得到具有足够量¹⁴C -放射性标记产物，以便供临床前和临床ADME研究使用（Scheme 2B）。然而，21的反向α-非对映体比相应的β-产物具有更高的特异性，可能是由自由基中间体导致的（I, Scheme 1A）。

为了进一步探讨该方法的优点，作者将其与先前两种活性物质的放射合成进行了比较（Scheme 3）。Parnes等人报道了对[¹⁴C]-霉酚酸25的七步降解-重建方法，该方法通过脱羧卤化/[¹⁴C]-氰化序列在第二步到最后一步引入放射性标记。在合成[¹⁴C]-氯丁腈26中，Madelmon等人利用低活性K¹⁴CN通过对溴化烷基27进行[¹⁴C]-氰化在八步反应的第一步引入了放射性标记。与之形成鲜明对比的是，作者开发的脱羧-羧化方法可以通过两步反应得到目标产物。虽然在这两种情况下都观察到了很好的水平，但同位素组成的变化突出了¹³CO₂和¹⁴CO₂标记过程之间的差异，这一结果也预示着可以此方法合成普遍存在的¹⁴C烷基羧酸。 

 （图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

小结：Phil S. Baran课题组开发了一种脱羧-羧化方法，用于含羧酸化合物的¹⁴C同位素标记。与H/D和H/T同位素交换类似，¹²C/¹³C和¹²C/¹⁴C同位素交换为现有的元素标记技术提供了一种更加方便的替代方法。该方法操作简单、步骤简洁，在放射药物合成中具有广泛的实用性。

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撰稿人：爽爽的朝阳