1. 简介

最近批准的药物，如劳拉替尼（Lorlatinib）、格卡瑞韦（glecaprevir）或福西瑞韦（voxilaprevir），显示了类药物大环化合物的临床潜力。劳拉替尼作为一种高效的选择性ROS1/ALK抑制剂，于2018年被批准用于治疗非小细胞肺癌。劳拉替尼是基于R-克唑替尼开发出的，相较于后者，劳拉替尼的活性更好，选择性更高（图1）。

图1. 从R-克唑替尼到劳拉替尼的优化步骤概述（图片来源：J. Med. Chem.）。

蛋白激酶家族药物靶标包含了500多种密切相关的蛋白质，它们具有高度相似的辅因子ATP结合位点和催化结构域。因此，蛋白激酶的正构结合口袋在该蛋白家族中高度保守，而大环激酶抑制剂的开发为克服抑制剂选择性问题提供了一个潜在的有效方法。开发大环激酶抑制剂的许多合成策略已被报道，其中一些大环化合物已被批准为药物或进入临床试验（图2）。然而，类药物大环化合物的合成仍然具有挑战性，因为闭环反应通常具有一定难度，产率取决于桥接接头的大小和几何形状。Thomas Hanke和Stefan Knapp最近在Journal of Medicinal Chemistry上撰文总结了大环策略在激酶抑制剂中的运用，重点分析了环化反应类型、环大小、产率等。

图2. 代表性的大环类激酶抑制剂（图片来源：J. Med. Chem.）。

2. 大环合成反应及其在激酶抑制剂中的运用

大环化合物的合成有两大难点。① 闭环反应通常涉及两个官能团，它们应该优先在分子内反应，而不应发生分子间反应，从而形成二聚、低聚或者多聚产物。因此，环化步骤通常需要高度稀释的浓度，这是一种低效的策略，按照常规思路来研究这些分子的SAR是不切实际的。为了确定分子内环化反应与浓度的关系，Collins 等人建立了大环化效率指数Emac= log[ Y³×C ], 其中 Y = 以% 为单位的产量，C = 以mM为单位的浓度。② 闭环反应本身可能具有挑战性，因为一些研究表明构象预组织（conformational preorganization，指分子在发生反应之前，分子通过键的旋转形成有利于反应发生的构象）对于大环化反应的发生很重要。迄今，文献报道了多种用于大环化的反应（图3）。

图3. 已用于大环化的不同合成反应类型（图片来源：J. Med. Chem.）。

2.1 闭环复分解反应（Ring-Closing Metathesis）

闭环复分解 (RCM) 是最常用的大环化反应类型，在所统计的闭环反应中，复分解反应占了52%。这类反应可追溯到 Grubbs 等人的工作，是形成 C-C 键的有效反应。例如，大环JAK2/FLT3 抑制剂Pacritinib的合成就是利用RCM反应合成的（图4）。对于该反应，使用了第二代Grubbs催化剂，产率为56%。这种闭环方法的优点是对许多官能团的耐受性高，并且可以使用许多不同的催化剂，可以适应相应的反应要求；缺点是缺乏对E/Z-构型的立体选择性。因此，很多时候，为了降低后续纯化的难度，通常会将双键还原为单键。此外，也可以通过双键继续引入其他官能团，例如环氧化等。

图4. 闭环复分解反应用于Pacritinib的合成（图片来源：J. Med. Chem.）。

2.2 亲核取代反应（Nucleophilic Substitution）

亲核取代占总反应的13%，是第二种最常见的大环化类型。由于官能团亲核试剂的耐受性不同，这类反应类型通常需要引入保护基。尽管如此，利用亲核取代反应的闭环策略提供了很多通用的、易于实施的反应类型，还能兼容超过20个原子的大环系统。这类反应的产量受环大小的影响，通常15、16、46和49元环的产率低于40%，其他闭环反应的平均产率高达82%。例如，大环 PIM1/PIM2 抑制剂就是利用亲核芳香取代反应合成的，收率良好（87%）（图5）。

图5. 大环 PIM1/PIM2 抑制剂的合成（图片来源：J. Med. Chem.）。

2.3 酰胺偶联（Amide Coupling）

酰胺键一般是通过活化羧酸，然后与胺缩合。该反应的不同策略是，通过脲基阳离子缩合剂或使用碳二亚胺与添加剂组合来活化反应。用于大环合成的偶联试剂包括T₃P、HATU、TBTU、PyBOP、EDCl 和 HOBt等。该步骤通常在脱保护之前进行，因此官能团只能在所需步骤中相互反应。前文提到的劳拉替尼就可以通过酰胺偶联实现大环的闭环。另一个例子是合成大环 ASK1 (MAP3K5) 抑制剂（图6）。通过酰胺偶联反应合成12~16元环的产率通常相当低 (<40%)，而18和19元环的产率可达到60%。

图6. 大环 ASK1 (MAP3K5) 抑制剂的合成（图片来源：J. Med. Chem.）。

2.4大环内酯化和大环内酰胺化（Macrolactonization and Macrolactamization）

大环内酯化反应是一个非常古老且经过充分研究的反应，是许多天然产物全合成最常用的反应类型之一。因此，大环内酯化和大环内酰胺化反应有多种合成方法（图7）。山口酯化反应（Yamaguchi esterification）已经被报道可用于越来越小或者越来越大的环系统的合成，但是，该反应用于合成15~19元环的报道较少。这一反应的产率可达50%~80%。Mukaiyama反应, Shiina 及Steglich 酯化反应目前用于大环反应的例子很少。尽管大环内酯化是一类研究的较为充分的反应，但是该反应用于合成大环激酶抑制剂却并不多，可能是因为酯键在体内易于水解，类药性较低。

图7. 大环内酯化和大环内酰胺化反应（图片来源：J. Med. Chem.）。

2.5 钯催化反应

钯催化的交叉偶联反应是一种多功能反应，特别是由于它们在药物发现中的实用性引起了药物化学工作者极大的兴趣，它们能够广泛地形成不同类型的C-C键（芳基-芳基、芳基-烷基、芳基-烯基、芳基-炔烃）、C-O键和C-N键。钯催化的交叉偶联反应也用于大环化反应也有报道，其中最常见的当属钯催化的Suzuki反应，还有Heck反应、Buchwald-Hartwig反应等（图8）。尽管可以获得产物，但是这几个反应的产率都较低（< 35%）。

8. 钯催化的大环合成反应（图片来源：J. Med. Chem.）

2.6 其他类型的C−O和C−N形成反应

除了钯催化的交叉偶联反应和用于形成 C-杂原子键 (C-O/C-N) 的经典的亲核取代反应之外，还有其他反应类型也被用于大环化反应，例如Mitsunobu反应、Prins驱动的反应、点击化学、酰胺偶联反应（图9）。

图9. C-O、C-N键形成反应用于大环合成（图片来源：J. Med. Chem.）。

2.7 C−C 键形成反应

除了前面提到的烯烃复分解之外，还有其他类型的C-C 键闭环反应（图10）。炔烃复分解可以合成含有两个炔基的大环系统，较小和较大的环系统的产率在 70%~80%（图10A）；[2 + 2 + 2]环加成产率较低（图10B）；镍催化的炔-醛还原偶联得到反应产率可达57%，并且该反应是exo-选择性偶联，区域选择性≥95%（图10C）。

图10. C-C键形成反应用于大环合成（图片来源：J. Med. Chem.）。

3 展望

过去的几十年里，大环因其在活性、选择性方面的优势，受到越来越多的关注。FDA批准的和处于临床试验中的大环化合物的数量不断增加，证明了它们作为药物的适用性。含有大环系统的激酶抑制剂，目前只有劳拉替尼（Lorlatinib）已进入市场，更多的候选分子尚处于各期临床试验中，例如帕克替尼（Pacritinib）及其衍生物SB1578、Zotiraciclib ( TG02; SB1317),基于喹唑啉的衍生物JNJ26483327,或基于吡唑并嘧啶的TRK抑制剂Selitrectinib (LOXO-195)和 Repotrectinib (TPX-0005)。

已用于这些化合物的大环化反应包括闭环复分解、Mitsunobu反应和酰胺偶联反应。这些抑制剂的成功进入市场或者临床实验，说明合成这些化合物的闭环反应条件也适用于放大反应。尽管如此，类药物大环化合物的合成仍然具有挑战性，并且大环化通常难以整合到经典的SAR方法中。无论如何，类药物大环分子的设计与合成，在建立了此类化合物的合成方法的同时，也拓展了活性分子结构的多样性。

参考文献

Amrhein, J.A., Knapp, S. and Hanke, T. Synthetic Opportunities and Challenges for Macrocyclic Kinase Inhibitors. J. Med. Chem. 2021, 64, 7991–8009