导语
陕西师范大学薛东/康腾飞团队基于前期研究的工作基础（ACS Catal.2024, 14, 14089; ACS Catal.2025, 15, 3328; Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202511648; ACS Catal.2025, 15, 9776.; Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202516173），开发了通过二异丙基碳二亚胺与相应稳定同位素标记甲醇反应合成的甲基-d₃-N,N’-二异丙基碳二亚胺（MDIC-d₃）、甲基-¹³C-N,N’-二异丙基碳二亚胺（MDIC-¹³C）和甲基-¹³C-d₃-N,N’-二异丙基碳二亚胺（MDIC-¹³CD₃）。这些试剂能够在无外加碱的条件下，对含有多个潜在反应位点的复杂分子进行高效的d₃-甲基化、¹³C-甲基化和¹³CD₃-甲基化，且具有良好的选择性、官能团耐受性以及高水平的氘和¹³C掺入率。此外，这些试剂还可通过钯催化的Suzuki–Miyaura型交叉偶联反应，实现高效的芳烃同位素标记甲基化。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.7843825）。
前沿科研成果
在药物分子中引入甲基，可产生独特的甲基化效应，这已在药物化学领域引起了广泛关注。在此基础上，进一步对甲基中的元素进行相应的稳定同位素标记，可将相关化合物用作非放射性示踪剂，研究药物分子的代谢过程。该策略不仅有助于探究多条代谢途径，还能实现更深入、更精确的分子标记，从而最大限度地从单次实验中获取信息。
目前已有多种策略用于将同位素标记的甲基引入分子中。例如，可先在分子中预先安装甲基，随后进行氢/氘交换，从而获得含氘代甲基片段的分子。然而，该策略通常存在底物适用范围窄、且不适用于¹³C标记等问题。另一种方法则是使用同位素标记的甲基化试剂，对特定反应位点进行直接甲基化。其中，CD₃I和(CD₃)₂SO₄是合成化学中最常用的氘代甲基来源，但它们存在挥发性高、腐蚀性强、有毒及致癌等问题。CD₃OD是最易获得的CD₃来源之一，但直接实现三氘甲基化的方法仍相对有限。2020年，史壮志课题组开发了由Umemoto试剂衍生的DMTT，在一定程度上缓解了上述问题。然而，其合成需要过量的氘代甲醇（10当量）、甲酸（3当量）、硫酸（11当量）以及三氟甲磺酸酐（作溶剂），导致原子经济性较差，且难以实现规模化应用（图1a）。然而它们有一个共同局限是，它们参与亲核取代反应严格依赖于外源碱，尤其是强无机碱的使用，往往会导致底物适用范围受限、官能团耐受性差、不期望的副反应以及非均相反应体系。这些问题给工业合成与分离带来了重大挑战。因此，亟需开发能够在温和条件下引入同位素标记甲基、适于规模化合成、具有高反应活性且无需外加碱的甲基化试剂。
图1. 同位素标记甲基化试剂的开发 （来源 Angew. Chem. Int. Ed.）
该工作证明CD₃OD、¹³CH₃OH和¹³CD₃OD能在钴催化下分别与N,N’-二异丙基碳二亚胺（DIC）在0.5 mol% CoCl₂作为催化剂的作用下通过一步反应，以定量产率大规模（高达160 mmol级别）制得对应的O-烷基异脲。更重要的是，这种试剂的合成仅需一步，无需溶剂或柱层析纯化，这大大提高了合成效率，为后续的工业化规模生产奠定了坚实基础。紧接着，在温和条件下，它们可分别与多种亲核试剂（包括羧酸、酚、硫醇、磺酰胺和磺酸）进行高效的同位素标记甲基化反应，且产物的同位素标记掺入率保持不变（图2）。值得注意的是，该反应无需外加碱即可进行；然而，在没有外加碱的情况下，氘代碘甲烷、二甲基-d₆硫酸酯和DMTT与各种亲核试剂（如羧酸、酚、硫醇、磺酰胺或磺酸）反应时，均无法得到相应的氘代甲基化产物（图2）。此外，MDIC-d₃和氘代碘甲烷（CD₃I）在大鼠体内的平行急性经口毒性试验被开展，以确定其半数致死剂量（LD₅₀）。结果表明，MDIC-d₃（LD₅₀ = 970 mg/kg）的毒性低于CD₃I（LD₅₀ = 169 mg/kg），展示其优异的应用潜力（图1b）。
紧接着，该工作报道了稳定同位素标记的甲醇衍生的O-烷基异脲应用于一系列含氧、硫和氮亲核试剂的甲基化反应时，可以高收率获得相应的目标产物，且同位素标记比例保持不变（图3-图5）。此外，该工作还报道了同位素标记的O-烷基异脲参与的钯催化Suzuki-Miyaura型偶联反应，成功将同位素标记的甲基引入芳香环构筑C-C键（图6）。该研究将所开发试剂成功应用于萘普生、丙磺舒、非诺贝特和氯贝特等药物分子的稳定同位素标记，为药物代谢的定量分析、示踪与调控提供了新方法。此外，市售苯酚可在无外加碱条件下与MDIC-d₃反应，一步制备d₃-达格列净关键前体，避免使用化学计量的PPh₃和DIAD。在克级合成中，以DCC和氘代甲醇制备的MDCC-d₃可作为d₃-甲基化试剂，经简单过滤和萃取即可获得高纯度产物，无需柱层析，展现出良好的规模化合成与工业应用潜力（图7）。
图2. 无外加碱条件下亲核取代反应中的d₃-甲基化试剂（来源 Angew. Chem. Int. Ed.）
图3. 有机酸的三氘代甲基化（来源 Angew. Chem. Int. Ed.）
图4. 苯酚、硫醇、磺酰胺和酰胺的三氘代甲基化（来源 Angew. Chem. Int. Ed.）
图5. ¹³C-甲基化和¹³CD₃-甲基化（来源 Angew. Chem. Int. Ed.）
图6. Suzuki-Miyaura型三氘甲基化（来源 Angew. Chem. Int. Ed.）
图7. 合成应用（来源 Angew. Chem. Int. Ed.）
最后，衷心感谢国家自然科学基金、陕西省创新能力支撑计划、化学与生物学基础科学研究项目、陕西省自然科学基金、陕西省重点研发计划、中央高校基本科研业务费、咸阳市重大科技成果转化项目、陕西能源实验室科技计划和贵州省科技计划项目资助。
作者简介
薛东，陕西师范大学二级教授，陕西省特支计划创新领军人才。中国化学会高级会员，有机化学、应用化学学科委员会委员，绿色化学专业委员会委员，甘肃省先进催化重点实验室学术委员会委员，陕西省化学会副理事长。1997年本科毕业于陕西师范大学化学系。2005年在中国科学院成都有机化学研究所获理学博士学位。2007年10月至2009年12月分别在美国Colorado State University和The Scripps Research Institute从事博士后研究。主要从事光催化剂的设计、合成及其参与的催化反应研究，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Sci. China Chem. 等学术期刊发表研究论文100多篇，获中国发明专利20多项，获2019年度Thieme Chemistry Journals Award奖项。
康腾飞，陕西师范大学副研究员。2014和2019年于四川大学分别获理学学士、博士学位（有机化学专业），导师为冯小明院士；2020年9月至2024年3月在英国圣安德鲁斯大学Andrew David Smith教授课题组从事博士后研究工作(2020年获得英国牛顿国际奖学金)，研究方向为有机催化。2024年3月加入陕西师范大学化学化工学院，主要从事不对称催化、光/电催化反应研究等。迄今在Nat. Chem., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Green Chem.等期刊上发表研究论文三十余篇。
论文信息
论文标题：Isotope-Labeled Methanol-Derived O-Alkylisoureas as Versatile and Practical Agents for d₃-Methylation, ¹³C-Methylation, and ¹³CD₃-Methylation
第一作者：熊伟康，李振玉
通讯作者：薛东，康腾飞
通讯单位：陕西师范大学
DOI链接: https://doi.org/10.1002/anie.7843825
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