二氟甲基自由基反應(yīng)及其在18F標記中的應(yīng)用

李嘉顥，梁煒秋，穆博帥，劉志博，2

（1.北京大學化學與分子工程學院,北京 100871；2.北京大學-清華大學生命科學聯(lián)合中心,北京 100871）

正電子發(fā)射斷層掃描（PET）作為一種非侵入性的影像技術(shù)，通過跟蹤放射性示蹤劑在體內(nèi)的復(fù)雜生物過程，可用于早期疾病診斷和藥物研發(fā).與11C及68Ga等核素相比，18F在PET成像中具有以下優(yōu)勢：其半衰期為109.7 min，較為適宜；最大正電子發(fā)射能量僅635 keV，具有高成像分辨率，從而成為PET的首選核素［1］.18F標記反應(yīng)的目標是合成高純度、高放射性比活度和易于操作的示蹤劑，因此需盡可能避免耗時較多的干燥及純化步驟，對有機合成方法學有較高的要求.不同于傳統(tǒng)的有機合成，近年來大量的18F標記反應(yīng)得到開發(fā)以滿足快速和高放射性比活度的需求，而放射化學家則致力于開發(fā)更多元化的18F試劑和方法以支持臨床研究，如有機氟硼酸的一步18F標記［2］和過渡金屬催化的18F標記［3］等.對于芳環(huán)體系的氟代通常采用SNAr反應(yīng)的策略，但是該類反應(yīng)的底物僅限于缺電子芳環(huán)，限制了氟化反應(yīng)的底物范圍，因而研究人員轉(zhuǎn)向?qū)Ψ噭┑母脑欤酝卣狗辑h(huán)底物的普適性［4］.

1 二氟甲基自由基（·CHF2）合成子

1.1·CHF2的引入

在氟代甲基自由基中，隨著氟代數(shù)量增加，分子結(jié)構(gòu)越突顯角錐狀，自由基穩(wěn)定性越差，氟原子的孤對電子與半占軌道（SOMO）軌道的有效重疊越差.與三氟甲基自由基（·CF3）相比，·CHF2由于更弱的吸電子效應(yīng)，其SOMO軌道能量較高，因此具有更強的親核性，這也導(dǎo)致二者的反應(yīng)性和選擇性不同.·CHF2可通過氧化、還原或自由基反應(yīng)生成，代表試劑分別為Zn（SO2CF2H）2，ClSO2CF2H和BrCF2H，具體機理如圖1所示［5］.

Fig.1 Geometry,stability and formation of the difluoromethyl radical[5]

O’Hara等［6］發(fā)現(xiàn)，與·CF3相比，·CHF2的親脂性更差，能阻斷醛氧化酶引起的氧化代謝，提高氮雜芳環(huán)藥物的生物利用率.此外，·CHF2作為氫鍵供體，可作為羥基、巰基和氨基的生物電子等排體［5］.因此，在藥物化學中催生了一系列·CHF2合成子的合成研究.

大量研究開發(fā)的生物活性分子包含·CHF2，且與氮雜芳環(huán)、烯烴等相連，具有一定的合成難度［7］（Scheme 1）.·CHF2的引入可通過親核［8，9］、親電［10，11］、自由基、卡賓［12］和金屬交叉偶聯(lián)［13，14］等5種途徑實現(xiàn).本文介紹的自由基反應(yīng)能有效針對不同電性的sp2碳進行碳氫鍵活化，對于活化氮雜芳環(huán)、烯烴的碳氫鍵等具有較好的反應(yīng)選擇性.

Scheme 1 Bioactive molecules containing·CHF2 group

1.2 C(sp2)—CHF2的構(gòu)建

2012年，F(xiàn)ujiwara等［15，16］篩選了不同金屬陽離子后，開發(fā)出CHF2自由基前體Zn（SO2CHF2）2（DFMS），可實現(xiàn)對氮雜芳環(huán)、硫醇及烯酮等底物的二氟甲基化［Scheme 2（A）］.DFMS易于制備，是一種空氣中穩(wěn)定的白色固體，且已商業(yè)化.該反應(yīng)條件溫和，與鹵原子官能團兼容性好，對富電子、缺電子芳環(huán)均適用.以4-乙?；拎槟Ｐ偷孜锖Y選溶劑時發(fā)現(xiàn)，二氯甲烷（DCM）/H2O（體積比2.5∶1）溶劑呈現(xiàn)C2選擇性［n（C2）∶n（C3）＞10∶1］，而二甲基亞砜（DMSO）/H2O（體積比2.5∶1）溶劑呈現(xiàn)C3選擇性［n（C2）∶n（C3）=1∶1.5］，二者體現(xiàn)出截然相反的溶劑效應(yīng).2017年，Tung等［17］采用CHF2COOH作為一碳合成子源，在AgNO3和K2S2O8催化氧化的條件下實現(xiàn)了Minisci型氮雜芳環(huán)的二氟甲基化［Scheme 2（B）］.機理研究推測，Ag（I）被K2S2O8氧化為Ag（Ⅱ），實現(xiàn)了二氟乙酸氧化脫羧生成·CHF2，進而與質(zhì)子化的氮雜芳環(huán)反應(yīng).研究發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下可以實現(xiàn)喹啉的單二氟甲基化和雙二氟甲基化，此類反應(yīng)選擇性和區(qū)域選擇性均為首次報道.

Scheme 2 Radical difluoromethylation of heterocyclic compounds to construct C(sp2)

除氧化還原試劑引發(fā)的反應(yīng)外，反應(yīng)選擇性更好的光催化二氟甲基化也得到充分研究.2017年，Sakamoto等［18］報道了一類新的·CHF2前體ArI（OOCCHF2）2［Scheme 2（C）］.該高價Ⅰ（Ⅲ）試劑可由二氟乙酸合成，是一種穩(wěn)定的固體，在光照下可分解產(chǎn)生·CHF2，無需氧化還原和其它試劑即可實現(xiàn)氮雜芳環(huán)的C—H鍵活化.2018年，Sun等［19］采用酰鹵或酸酐與氧化吡啶反應(yīng)，形成易于斷裂的活性N—O鍵，在光照條件下脫吡啶和羧基形成·CHF2［Scheme 2（D）］.該反應(yīng)對一大類烷基酰鹵適用.

Scheme 3 Radical difluoromethylation of heterocyclic compounds to construct C(sp2)

為了嘗試改進光催化反應(yīng)條件，研究者采用可見光波段吸收的有機小分子，如Eosin Y［20］［Scheme 3（A）］，Rose Bengal［21］［Scheme 3（B）］和mpg-CN［22］為光敏劑［Scheme 3（C）］，開發(fā)了一類以含金屬［M］SO2CF2H為·CHF2前體實現(xiàn)芳環(huán)二氟甲基化的光催化反應(yīng)，其反應(yīng)條件更為溫和，同時氮雜芳環(huán)的底物普適性得以提高.2020年，Yang等［23］采用Ag（I）催化TMSCHF2產(chǎn)生·CHF2，可對共軛二烯、烯烴和氮雜芳環(huán)進行二氟甲基化，該過程根據(jù)底物和反應(yīng)條件的不同可能是氧化過程，如Minisci反應(yīng)［Scheme 3（D）］.研究人員對于同時存在苯并噻唑和苯乙烯結(jié)構(gòu)的分子進行二氟甲基化時發(fā)現(xiàn)，采用CuCN催化條件，二氟甲基化主要發(fā)生在苯并噻唑環(huán)上，產(chǎn)率為68%；采用特戊酸銀（AgOPiv）條件，二氟甲基化主要發(fā)生在苯乙烯的末端烯烴上，產(chǎn)率為66%；相似情況也發(fā)生在同時存在苯并噁唑和烯烴結(jié)構(gòu)的分子上.該反應(yīng)獨特的區(qū)域選擇性歸因于生成CuCHF2中間體與雜環(huán)的配位催化作用［24］.

電化學反應(yīng)同樣可以產(chǎn)生·CHF2.2018年，Xiong等［25］開發(fā)出新型·CHF2前體CHF2SO2NHNHBoc，該試劑在二茂鐵介導(dǎo)的電化學氧化中分解得到·CHF2，并被芳基炔捕獲引發(fā)一系列自由基串聯(lián)反應(yīng)［Scheme 3（E）］.該策略無需氧化劑，可有效構(gòu)筑七元環(huán)，是為數(shù)不多的電化學二氟甲基化構(gòu)建sp2碳的例子.

1.3 C(sp3)—CHF2的構(gòu)建

Fujiwara等［15，16］開發(fā)的DFMS試劑可以實現(xiàn)烯酮的二氟甲基化，是·CHF2構(gòu)建sp3碳的先例.2014年，Tang等［26］以CHF2SO2Cl為·CHF2前體，在Ir催化劑介導(dǎo)的可見光催化下生成·CHF2，對α，β-不飽和酰胺進行加成，進一步與苯環(huán)發(fā)生偶聯(lián).該策略可適用于一系列含氟基團［Scheme 4（A）］.

Scheme 4 Radical difluoromethylation of heterocyclic compounds to construct C(sp3)

2015年，Tang等［27］針對缺電子烯烴開發(fā)了一類光催化反應(yīng)，其特點是使用（TMS）3SiH作為氫原子和電子供體，實現(xiàn)烯烴端位的二氟甲基化［Scheme 4（B）］.實驗和計算結(jié)果表明，·CHF2及類似的·MeCF2和·PhCF2是親核物種.2015年，Lin等［28］使用常視為:CF2卡賓前體的［Ph3PCF2Br］Br，通過藍光催化產(chǎn)生CHF2自由基，在THF和H2O作為氫源的條件下實現(xiàn)二氟甲基化［Scheme 4（C）］.文中提出的機理包括［Ph3PCF2Br］Br產(chǎn)生:CF2卡賓，在三苯基膦存在的條件下陽離子被還原為［Ph3PCF2H］+，并在光敏劑介導(dǎo)的光催化氧化還原中產(chǎn)生·CHF2.2019年，Meyer等［29］使用CHF2COOH作為·CHF2前體，采用無金屬的光引發(fā)劑PhI（OAc）2實現(xiàn)了同樣的烯烴官能團化，具有良好的區(qū)域選擇性和官能團兼容性［Scheme 4（D）］.

除了光化學反應(yīng)外，電化學反應(yīng)同樣可以在烯烴底物上進行二氟甲基化，并與其它官能團的自由基反應(yīng)串聯(lián).2019年，Zhang等［30］以NaSO2CHF2為自由基前體，第一次報道電化學氧化下·CHF2引發(fā)的羧酸內(nèi)酯化［Scheme 4（E）］.Zou等［31］同樣使用NaSO2CHF2，在電化學氧化下·CHF2引發(fā)芳基遷移，再次氧化得到酮，實現(xiàn)了烯烴的雙官能團化［Scheme 4（F）］.

2 [18F]·CHF2合成子

2.1 [18F]·CHF2的引入

對于芳環(huán)的［18F］二氟甲基化反應(yīng)，18F通常在芐位引入.2012年，Yin等［32］針對烷基羧酸，以［18F］Selectfluor作為親電氟化試劑，通過Ag（I）催化脫羧后氟化標記，高效構(gòu)建了C（sp3）—18F鍵.機理研究表明，反應(yīng)通過中間體Ag（Ⅲ）完成脫羧并產(chǎn)生烷基自由基，最后與氟偶聯(lián).2013年，Mizuta等［33］受此啟發(fā)，針對2-氟芳基乙酸結(jié)構(gòu)同樣使用［18F］Selectfluor作為親電氟化試劑，通過Ag（Ⅰ）催化完成了二氟甲基官能團化［Scheme 5（A）］.相應(yīng)地，2，2-二氟芳基乙酸在相似的條件下可以得到三氟甲基.隨后，Verhoog等［34］以［18F］KF/K2.2.2作為親核氟化試劑，通過Ag（I）催化完成鹵原子交換標記［Scheme 5（B）］.這兩種方法以親核和親電兩種模式，在芳環(huán)上引入［18F］·CHF2，但只適用于藥物的前期合成，具有較大的局限性.

Scheme 5 Introduction of·CHF18F group to the aromatic ring

2016年，Shi等［35］從鹵代芳環(huán)出發(fā)，通過鈀催化偶聯(lián)在芐位引入苯甲?；?，隨后在親電溴試劑和［18F］氟化物存在下，活化芐位并引入［18F］·CHF2［Scheme 5（C）］.對于不同底物，反應(yīng)的放射化學產(chǎn)率為10%～60%.通過此策略合成的藥物及其類似物顯示其在PET中的應(yīng)用潛力.2018年，Yuan等［36］從芐鹵出發(fā)，通過SN2反應(yīng)引入18F，進一步通過Na2S2O8存在下的Selectfluor自由基氟化引入·CHF18F［Scheme 5（D）］.該方法操作簡單，不同于之前的親核、親電氟化，通過芐位的碳氫鍵活化和自由基氟化，針對電中性和缺電子芳環(huán)的兼容性好，放射性比活度可提高到22.2 GBq/μmol.2019年，Sap等［37］從烷基硼酸出發(fā)，通過銅催化的交叉偶聯(lián)和錳介導(dǎo)的脫羧氟化反應(yīng)兩步實現(xiàn)18F標記，對［18F］對苯氧基二氟甲基苯的標記放射性比活度可達3.0 GBq/μmol.該研究表明，羧酸前體的單氟取代有利于脫羧氟化，而且羧酸前體可與高價碘絡(luò)合從而實現(xiàn)18F標記.

2.2 [18F]·CHF2前體及其反應(yīng)

2019年，Trump等［38］報道了［18F］·CHF2插入的合成策略，該方法能實現(xiàn)氮雜芳環(huán)的后期標記（Scheme 6）.該研究使用［18F］二氟甲基（2-苯并噻唑基）砜作為一碳合成源，對簡單氮雜芳環(huán)、咖啡因衍生物、核苷、核酸堿基及氮雜芳環(huán)類藥物進行標記，證明該策略可對多種官能團兼容.為縮短反應(yīng)用時，該研究采用光氧化還原的流動體系，可在2 min內(nèi)完成標記.與芐位直接鹵化反應(yīng)的合成策略相比，該研究能實現(xiàn)后期的二氟甲基化，具有較高放射性比活度［如阿昔洛韋的標記放射性比活度達（44.4±11.1）GBq/μmol］.該工作可應(yīng)用于抗癲癇藥物靶點突觸囊泡蛋白2A（SV2A）的PET示蹤劑18F標記.相對于直接18F標記策略，在吡啶環(huán)上引入［18F］·CHF2在一定程度上降低了化合物的親和力（Scheme 7），但具有后官能團化和易于色譜分離的優(yōu)勢.該策略可用于初步μPET動物研究以快速評估新PET示蹤劑，但對臨床PET成像診斷而言，放射合成方法有待進一步改進［39］.

Scheme 6 Radiosynthesis of[18F]difluoromethyl heterocycles

Scheme 7 SV2A PET tracers

在該工作基礎(chǔ)上，Trump等［40］實現(xiàn)了模型底物阿昔洛韋的［18F］二氟甲基化自動化標記，全過程在95 min內(nèi)完成，放射性比活度達35 GBq/μmol.Lemos等［41］在［18F］二氟甲基（2-苯并噻唑基）砜的基礎(chǔ)上進行取代基和結(jié)構(gòu)的改進，開發(fā)出幾種［18F］二氟甲基化試劑，并給出對應(yīng)的自動化標記最佳條件（Scheme 8）.

Scheme 8 Radiosynthesis of[18F]difluoromethyl heteroaryl-sulfides

3 總結(jié)與展望

自由基18F標記可實現(xiàn)對芳環(huán)的后期高效標記，近年來不同研究從熱化學、光化學及電化學有機合成方法出發(fā)，開發(fā)出不同的一碳自由基·CHF2合成子.此類研究旨在多元的合成方法學、高效的反應(yīng)選擇性和普適的底物兼容性.自由基反應(yīng)較親電、親核反應(yīng)而言，能更好地實現(xiàn)sp2碳的二氟甲基化，在合成上又避免了交叉偶聯(lián)反應(yīng)的金屬引入，在18F標記化學領(lǐng)域具有較廣泛的研究前景.對于18F標記而言，·CHF2前體試劑的合成需要易于純化，以進行后續(xù)的18F標記，且后期標記需面臨反應(yīng)選擇性等問題.

總之，18F標記反應(yīng)要求高比活度，面臨的挑戰(zhàn)包括18F較短的半衰期對化學合成步驟的限制，和水相中氟離子較差的反應(yīng)性.二氟甲基自由基反應(yīng)的研究提供不同的·CHF2合成子，在應(yīng)用于18F標記中時，需要短時間制備［18F］二氟甲基化試劑，并將其投入下一步自由基反應(yīng)中.由于快速反應(yīng)的要求，光催化的流式反應(yīng)平臺得以開發(fā)，以滿足實際醫(yī)用場景.未來基于［18F］·CHF2化學方向更應(yīng)聚焦于新型自由基前體的發(fā)展與高效反應(yīng)裝置的研究，以實現(xiàn)良好底物兼容性和自動化快速18F標記.