结构中含有氰基的药物,为什么氰基是强场配体

在药物分子筛选过程中，先导化合物类似于“指路灯”，它告诉我们往哪个方向走是对的，但如何走是聪明的？如何走是快的？还需要我们进一步的探索。在这一过程中，为了更好的、更快的确定候选药物结构，往往我们需要更改一些基团、引入一些基团、取舍一些基团，来调节、优化候选药物的成药性，使之经打磨、锻炼成为一个真正的药物。故而，对于一个药物设计者来说，在大量了解在研靶点信息的同时，还需要对所设计的分子、乃至分子中的各个基团有着进一步的了解，如此一来，才能更好的锻炼自己的创新药物研发思路。而在众多小分子药物化学结构改造的策略当中，氰基的引入，绝对是重要策略之一。

氰基对药物分子的影响

从结构上看，氰基作为强吸电子基，具有较强极性的碳氮叁键，体积仅为甲基的1/8，因此，氰基往往能够深入到靶标蛋白深处与活性部位的关键氨基酸残基形成氢键相互作用；此外，氰基还是良好的氢键受体，通常与靶标蛋白中的丝氨酸和精氨酸形成氢键相互作用；同时，氰基还是羰基、卤素等多种官能团的生物电子等排体，将氰基引入到药物小分子当中，能够改变小分子的理化性质，增强药物小分子与靶标蛋白的相互作用，提高药效，且氰基还可以作为代谢阻断位点，抑制小分子发生氧化代谢，提高化合物在体内的代谢稳定性。

图1：结构中引入氰基“可能”带来的好处

含氰基药物简介

近些年，大分子药物的崛起，使得上市的小分子化药在数量上已大不如前，但在上市的小分子化药中，其结构中含有氰基的药物结构却仍较明显，下表为2012年~至今，结构中带有氰基的、经美国FDA批准的小分子化药如下表：

图2：2012年~至今，美国FDA批准的结构中带有氰基的小分子药物结构

在小分子药物研发过程中，氰基的引入并非近年来药物分子设计的新型策略，其历时已久，早年上市的药物如维拉帕米、沙格列汀、非布索坦等结构中，均通过氰基的引入达到了一定的目的，从而使之成药，举例如下：

图3：再举一些结构中含有氰基的上市药物

如何将氰基引入药物分子当中

结构中引入氰基，是合成人员的“活”。对于合成人员来说，如果打算将氰基引入到自己所设计的化合物当中，最理想的引入方式即是购买的中间体中含有氰基，说白了，最好不做“氰化反应”。但有时，许多中间体着实难以买到，且由于各方面的严格管制，就不得不自己动手将氰基“接”到结构当中，而最常用的反应莫过于取代反应、加成反应以及消除反应。

取代反应

常见氰基取代反应分为卤素取代、重氮盐取代、酯基取代等，其中，卤素取代最为常见。而常用氰化试剂包括：NaCN、KCN、Cu(CN)2、(CH3)3SiCN、K4[Fe(CN)6]等。作为氰化试剂，NaCN早先被用来与卤代烃类反应制备脂肪族氰基化合物；KCN也是常用的氰基化试剂，与NaCN的反应性能相近，能够与卤代烃或卤代芳烃发生取代反应制备相应的氰基取代化合物；K4[Fe(CN)6]是近些年在卤代烃氰化反应中得到了飞速发展。而重氮盐取代反应即为桑德迈尔反应，芳基重氮盐与氰化试剂反应生成芳香族氰基化合物；酯基取代，则主要是指取代磺酸酯与氰化试剂反应生成相应的氰基取代产物。

加成反应

加成反应是指含有Ｃ═Ｘ(Ｘ为Ｃ、Ｏ、Ｎ等)或Ｃ≡Ｃ基团的化合物与HCN(这东西太吓人！)、金属氰化物发生的加成以制备氰基化合物。常见的反应包括：羰基加成、烯烃加成、炔烃加成、亚胺加成。羰基加成，即氰基试剂与醛/酮的羰基发生加成反应，生成相应的氰醇化合物；而烯烃一般不容易与HCN发生加成反应，通常需要催化剂的存在下才能使该反应顺利进行；炔烃加成，主要是发生亲核加成，如乙炔和氢氰酸反应生成丙烯腈。这里强调下，氰化氢这个东西，只要不是跟自己过不去，能不用尽量不用...

消除反应

即化合物通过脱除分子内的一分子水进而构建氰基的方法，常用方法有酰胺脱水法、肟/肟醚脱水法。酰胺与强脱水剂高温加热，可发生脱水生成氰基化合物，常用的脱水剂有五氧化二磷和三氯氧磷等。而肟及肟醚脱水，一般而言，脱水采用强酸性催化剂会发生Beckman重排，得到甲酰胺，而非相应的腈类化合物，因此催化剂的选择尤为重要。醛肟脱水催化剂如氯磷酸二乙酯、氯磺酸/甲苯、I2 / PPh3 / 二氯、ZnO／CH3COCl、KF-Al2O3 / DMF、分子筛、2-氯-1-甲基吡啶盐碘化物等，此外，肟醚也能够转化为氰化物。

氰化试剂的毒性

真正具有强烈毒性的氰化物主要有三种：即HCN、NaCN和KCN，而其他一些物质，如铁氰化钾等，虽然也含有氰基，但因为相对较难解离出氰基离子，所以毒性相对较小。通常认为，口服氢氰酸致死量为0.7～3.5mg/kg，吸入的空气中氢氰酸浓度达0.3mg/L即可致死；口服氰化钠、氰化钾的致死量为1～2mg/kg，与砒霜(As2O3)的致死量差不多；而传说中的苦杏仁，成人倘若一次服用40～60粒、小儿10～20粒亦可能发生中毒乃至死亡。

氰化物中毒，机制主要为氰基离子与人体CYP450的Fe3 牢牢地结合，使得它不再能变为Fe2 ，从而导致细胞内一系列的生化反应不能继续进行，使细胞不能再利用血液中的氧气而迅速窒息。同时，因为缺乏呼吸作用产生的能量(ATP)，中枢神经系统会迅速丧失功能，继而使人体出现呼吸肌麻痹、心跳停止、多脏器衰竭等症状而迅速死亡。对于氰化物的解毒，现代医学对此已经有了一套规范的抢救方案，如立即吸入亚硝酸异戊酯气体，再静脉注射亚硝酸钠或亚甲基蓝、4-二甲胺基苯酚、羟钴氨素、硫代硫酸钠等药物解毒，并给予吸氧、呼吸机支持、高压氧治疗及利尿等辅助措施，往往能挽救中毒者的生命。

小感

最后，氰基这个东西到底好不好？......好！好在~当我们通过引入氰基达到了调节化合物成药性的目的之时，它简直是天使，怎么看怎么招人“稀罕”；但有时让我们头疼的是，我们得亲手将其连接到化合物结构当中。做过氰化反应的兄弟知道，那白色的粉末所带给我们的，不仅有操作上的小心(那一阵小风飘过，你试试)，更主要的是全程的“糟心”。取料时，担惊受怕；投反应，担惊受怕；后处理，担惊受怕；全程担心无死角！但为了能给化合物的结构带来一丝成药性的改善，我们又只能硬着头皮去投反应。哎，没办法，正所谓“一将功成万骨枯”，哪个药物诞生的背后，不是一把把辛酸泪呢！

参考

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2.Kourounakis PN，Rekka E，Demopoulos VJ. Effect of the position of the cyano-group of cyanopregnenolones on their drugmetabolic inducing activity[J]. EUROPEAN JOURNAL OF DRUG METABOLISM AND PHARMACOKINETICS，1991，16(1)：9-13.

3.刘少华，唐蜜，石会，等. 有机合成中的氰化反应[J].《精细与专用化学品》 ，2015，23 (11) :16-19.

4.氰化物中毒应急处理指南.

药物分子中引入烃基、卤素原子、硫醚键等，可使药物的

正确答案:B
解析：在药物分子中引入烃基、卤素原子、硫醚键等，可使药物的脂溶性增高；引入羟基、羧基、脂氨基等
。可使药物的脂溶性降低
。所以答案为B
。

共价结合药物的设计与开发【转载】

https://med.sina.com/article_detail_103_2_46000.html
共价结合药物的设计与开发

前言
图1 经典的共价结合药物

长久以来，亲电性基团是药物开发中的雷区，因而在以往经典的药物化学教材中，总会建议避免在药物分子结构中引入此类官能团，如环氧、吖啶、Michael受体等，因为其具有的高反应性，可能会与多种生物大分子相互作用，引起严重的毒副作用。早前的阿司匹林、兰索拉唑、氯吡格雷(图1)等在近年来的研究中发现，均以共价键形式与靶点作用。受此启发，共价型药物的开发慢慢进入人们的视野，在抗癌、抗病毒、糖尿病等多个领域内显现出了非共价结合药物难以匹及的优势，如疗效更为持久、治疗剂量更低等、不易产生耐药性等。

由于共价结合和非共价结合的作用机制不同，因而在研发过程采用传统的评价指标，如解离常数、IC50、EC50等，难以真正体现其效能与安全性，这主要是因为药物分子与靶点形成共价键受反应速率的影响，而非共价结合作用则仅是一个热力学平衡过程，在短时间内就能显现出化合物的活性，采用传统的评价指标往往会造成误判。

共价结合药物和天然产物
图2 具有亲电活性的天然产物

从天然产物中发现新的药物是新药开发项目中常见的策略，而且有很多药物都是基于这一方式发现的，如紫杉醇、喜树碱、吗啡等，另外一种方式则是对天然产物进行结构修饰，得到效果更佳的化合物，如从水杨酸到阿司匹林，从吗啡到美沙酮，据统计，临床上约占60%的药物都是基于上述策略得到的。虽然共价结合药物是近几年才热门起来，在自然界中，这一概念却并不罕见，青霉素、焦土霉素、磷霉素等一些抗生素都是以共价键的形式与细菌中的目标靶点相互作用。 利普斯他汀 是一种从链霉菌中分离出来的胰脂酶不可逆抑制剂，基于此天然产物，Roche开发出新型减肥药 奥利司他 ，诸如此类的例子还有很多。

以上诸多天然产物的实例证明，共价结合作用是药物设计中被忽视的宝地！药物靶点大多数都是蛋白质，其中丝氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、组氨酸等残基中含有亲核活性官能团(羟基、巯基、氨基等)，因而，蛋白质可以作为一个优良的亲核体，可以与具有亲电活性的基团发生作用，形成共价键。对于此类化合物的设计，最大的难点在于选择性，否则容易引起严重的副反应，造成开发失败。
图3 已上市共价结合药物(标黄处为活性反应位点)

目前，约30%以酶为靶点的药物采用共价结合形式，主要是因为这一设计理念是近几年才被接受，在此之前，活性反应基团是药物设计中尽可能避免的结构。 特拉匹韦 由Merck开发，在2011年获得FDA上市许可，通过与HCV蛋白酶中具有催化作用的丝氨酸残基(羟基)形成半缩醛，抑制其活性，从而实现抗病毒作用。最初该化合物在标准的IC50测试中，活性很差，几近放弃，然而在特别设计的活性测试中，则表现优异，特拉匹韦的研发历程深刻体现了在共价结合药物的研发中，需要一套与传统非共价结合药物开发不同的评价方法。

另外一个比较经典的例子是EGFR受体不可逆抑制剂 阿法替尼 的开发(2013年上市)，其结构中的亲电活性基团丙烯酰胺与EGFR受体活性位点中的半胱氨酸残基(巯基)形成共价键，克服了第一代EGFR(吉非替尼、厄洛替尼等)受体抑制剂出现的耐药性问题，同时对非耐药性EGFR受体也表现出良好的活性。以上两个成功的例子证明了共价结合药物具有的潜力，另一方面，其研发过程也为共价结合药物的发展提供了宝贵的经验！

药物-靶点结合历程
图4 共价药物结合历程

与非共价结合药物相同的是，共价结合药物首先与靶点相互作用，形成药物-靶点结合物，由于此历程属于热力学过程，因而能够很快的达到平衡，其亲和力可以用解离常数Ki或者IC50等参数进行描述。不同之处在于，第二步共价键的形成，与第一步相比，共价键的形成速率相对较慢，且存在一个反应平衡常数Ki*，因而，共价结合物药物的总体结合情况需要考虑两个参数：Ki以及Ki*。当krea远远大于krev-rea时，反应平衡常数趋向无穷大，可视为不可逆共价结合，当krea与krev-rea相差并不是很大，即Ki*在一个合理的数值范围内，可视为可逆共价结合。

结合机理
图5 常见活性官能团

药物靶点大多数都是蛋白质，由于其结构中富含羟基、巯基、氨基等官能团，因而本质上可以作为亲核试剂，共价结合化合物通常在结构中含有亲电性官能团，如Michael受体，环氧、卤素、羰基、异氰等结构(图5)，可作为亲电体，两者相互反应形成新的共价键，其涉及到的反应类型主要有以下几种： 酰化反应、烷基化反应、Michael加成、二硫键化、Pinner反应等 ，采用哪种共价键形成方式，取决于靶点结合位点的性质，总的来说，可以选择的余地较大。
图6 埃索美拉唑作用机理

2014年，美国十大畅销药中，其中之一为 埃索美拉唑 (消旋体为奥美拉唑)。奥美拉唑在1970年代被开发出来，经过若干优化和临床研究后，于1988年上市，两年后才发现其质子泵抑制作用是基于共价键形式的，奥美拉唑在靶点附近经在酸性条件下活化，形成活性亚磺酰胺衍生物活性产物，然后与靶点中的半胱氨酸残基(巯基)形成共价键，抑制胃酸的分泌。
图7 氯吡格雷作用原理

另一个畅销共价药便是 氯吡格雷 ，它需要在肝脏内经P450氧化酶活化，生成含硫化合物，然后与P2Y12受体中的半胱氨酸残基形成二硫键，抑制血小板凝聚。上述两个药物目前应用非常广泛，而且在最初设计的时候并不是以共价键作用形式，只是在后来的机理研究中发现，是以共价键作用与靶点结合，产生不可逆的抑制作用。
图8 沙格列汀作用机理

含有氰基的化合物，通常在与蛋白中的亲核性官能团如羟基、巯基发生Pinner反应，形成亚胺酯键，通常该类共价键是可逆的，比较成功的例子如DPP4抑制剂沙格列汀和维格列汀等，用于II型糖尿病的治疗。除此之外还有奥当卡替，用于绝经后妇女骨质疏松症的治疗，但由于其潜在的中风风险，2016年Merck宣布放弃该化合物。

至于其他的几种共价结合机理，如烷基化、酰基化、Michael加成等，在此不一一列举，其本质都是生物大分子中的亲核性基团与药物分子中的亲电基团进行相互作用。

选择性的控制
图9 奥西替尼(泰瑞莎)的开发

共价结合药物的选择性至关重要！在选择性的问题上，目前比较常见的策略是，首先设计对目标靶点具有高度选择性非共价结合作用先导物，然后在此化合物的基础上，进行活性反应官能团的优化设计，即先找到合适的“弹壳”，然后再加装合适的“弹头”。比较典型的例子如奥西替尼的开发，最初得到的先导化合物1在体外靶点结合实验表现出了优异的结合性，但是在细胞实验中其亲和性骤降了近70倍之多，可能是因为细胞中高浓度ATP与其竞争性的靶点结合所导致的，因而采用不可逆的共价结合作用策略，成功开发出第三代肺癌靶向药奥西替尼，该药于2017年获得FDA和欧盟的上市许可，同年获得CFDA的上市许可。除上述提及的策略外，还可以通过人体不同组织的理化特性实现选择性，如奥美拉唑，由于其需要在强酸性条件下才能活化，因而可以选择性的作用于质子泵。
图10 非共价作用稳定的共价药物设计

另外，通过精心设计的亲电性基团也能实现选择性。如图10所示，α-氰基取代丙烯酰胺与巯基的Michael加成为可逆过程，在特定的靶点中，由于其他氨基酸残基的非公价作用，可以稳定该加成产物，而其他非目标靶点不能实现该效应，从而实现选择性，当然该策略需要有非常强的生物信息学支撑，否则难以实现。

毒性问题

虽然共价结合药物设计策略目前日趋成熟，但其风险仍然不容小觑，尤其是不可逆的共价结合作用。由于小分子化合物与靶点形成新的共价键，因而会导致蛋白结构的变化，存在免疫反应的可能性，但此类报道较为罕见。脱靶效应也是引起毒性的重要原因，针对此问题，提高化合物的选择性以及较低的治疗剂量是行之有效的解决方案。

小结

目前大多数的共价结合药物集中在抗癌领域，但是随着技术和理论的日趋成熟，此类药物将在越来越多的疾病领域大显身手。

参考资料

1、Cesco, Stephane De, et al. "Covalent inhibitors design and discovery." European Journal of Medicinal Chemistry 138(2017):96-114.

2、Rand M. Miller, Ville O. Paavilainen, Shyam Krishnan, Iana M. Serafimova, Jack Taunton. "Electrophilic Fragment-Based Design of Reversible Covalent Kinase Inhibitors." Journal of the American Chemical Society 135.14(2013):5298.

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