來源：生物世界 韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的 Yoonsu Park 教授團(tuán)隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表題為：Photocatalytic furan-to-pyrrole conversion（光催化呋喃-吡咯轉(zhuǎn)化）的研究論文。 該研究成功開發(fā)了能夠?qū)⑦秽衔镏械难踉虞p松編輯和校正為氮原子的技術(shù)，并將其直接轉(zhuǎn)化為吡咯框架，這一技術(shù)有望廣泛用于制藥領(lǐng)域，為藥物開發(fā)和疾病治療提供全新范式！ 許多藥物具有復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但它們的療效通常由單個臨界原子決定。其中，氧和氮等原子在增強(qiáng)這些藥物的藥理作用方面起著核心作用，尤其是抗病毒治療中。這種現(xiàn)象被稱為“單原子效應(yīng)”，即將特定原子引入藥物分子中會極大地影響其療效。 在前沿藥物開發(fā)中，如何快速簡單地找出能夠最大限度提高藥物療效的原子是藥物開發(fā)領(lǐng)域的難題。在傳統(tǒng)上，評估單原子效應(yīng)往往需要多步驟、昂貴的合成過程，這是因?yàn)楹茈y在含有氧或氮的穩(wěn)定環(huán)結(jié)構(gòu)中選擇性地編輯單個原子。 在這項最新研究中，研究團(tuán)隊通過引入一種利用光能的光催化劑克服了這一挑戰(zhàn)。他們開發(fā)了一種新型光催化劑，它可以充當(dāng)“分子剪刀”，自由切割和連接五元環(huán)，從而在室溫和大氣壓下實(shí)現(xiàn)單原子編輯，這一成果是世界首創(chuàng)。 研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種新的反應(yīng)機(jī)理，激發(fā)的“分子剪刀”通過單電子氧化去除呋喃中的氧，然后依次添加一個氮原子。這項新技術(shù)通過光能來替代此前復(fù)雜的催化條件，由此提供了高度的多功能性。更重要的是，這項技術(shù)可以進(jìn)行選擇性編輯，即使應(yīng)用于復(fù)雜的天然產(chǎn)物或藥物也是如此。 芳香環(huán)內(nèi)雜原子會顯著影響該雜環(huán)化合物的化學(xué)性質(zhì)。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在藥物開發(fā)過程中，各種呋喃衍生物和氮親核試劑具有很高的相容性，而后期的官能化將天然存在的具有高分子復(fù)雜性的呋喃轉(zhuǎn)化為其他方法難以獲得的吡咯。 呋喃和吡咯是具有代表性的五元、π等電子基團(tuán)，雖然兩者結(jié)構(gòu)十分相似，但卻表現(xiàn)出明顯不同的功能特性，其中的關(guān)鍵在于它們的雜原子、氧和氮不同。呋喃是各種次生代謝物的關(guān)鍵支架，其合成衍生物已作為潛在的治療劑具有藥用價值；吡咯及其衍生物具有重要的生理作用，例如葉綠素、血紅素都是由4個吡咯環(huán)形成的卟啉環(huán)系的衍生物。 研究團(tuán)隊將該技術(shù)成功地應(yīng)用于廣泛的呋喃和氮源，包括含有在藥物發(fā)現(xiàn)過程中常用的多功能官能團(tuán)的有機(jī)胺和氨代用物。光子能量消除了對化學(xué)計量的高能試劑的需求，而水是唯一的副產(chǎn)品。 研究團(tuán)隊還展示了各種天然產(chǎn)物的后期功能化應(yīng)用，成功制備了具有高度復(fù)雜性的呋喃基化合物的吡咯基類似物，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論機(jī)制研究揭示了在這些異常溫和的條件下反應(yīng)性的起源。 機(jī)理分析表明，通過單電子轉(zhuǎn)移進(jìn)行的極性反轉(zhuǎn)在室溫下啟動了氧化還原中性原子交換過程。通過氧換氮進(jìn)一步推動了這一趨勢——將呋喃環(huán)中的氧替換為伯胺中的氮從而生成吡咯。該方法依靠光氧化還原催化氧化呋喃并使其對胺的添加更敏感，并且適用于各種各樣的藥學(xué)相關(guān)支架。 研究團(tuán)隊表示，這項突破允許對五元有機(jī)環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性編輯，將為建立候選藥物庫打開新的大門，這是制藥領(lǐng)域的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。希望未來這項新技術(shù)將作為基石徹底改變當(dāng)下復(fù)雜、高昂和漫長的藥物研發(fā)過程。 總的來說，這項發(fā)表于 Science 的研究提出了一種光催化策略，將呋喃的氧原子與氮原子交換，在單個分子間反應(yīng)中直接將呋喃轉(zhuǎn)化為吡咯類似物。這種單原子編輯技術(shù)有望加速藥物研發(fā)進(jìn)程，并最大限度地提高藥物療效，為潛在候選藥物的開發(fā)和人類疾病的治療開辟新道路！