同位素标记的甲醇衍生O-烷基异脲作为d₃-甲基化、¹³C-甲基化和¹³CD₃-甲基化的多功能实用试剂

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，Shi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加碱。外加碱，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. 研究背景（图片来源于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7843825）

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）。

图2. 对照试验（图片来源于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7843825）

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）。                                             

图3. 底物范围（图片来源于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7843825）

图4. 底物范围（图片来源于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7843825）

图5. 底物范围（图片来源于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7843825）

在实现杂原子（O、S 和 N）稳定同位素标记的基础上，该研究进一步将所开发试剂应用于芳基化合物的同位素标记。通过钯催化的 Suzuki–Miyaura 偶联反应，可将氘代甲基高效引入芳香环，且对酯基、磺酰基、烷氧基、羟基及多种稠合芳烃和含氮、含硫杂环具有良好的官能团兼容性。该方法还适用于具有空间位阻的芳基硼酸，展现出较高的底物适用范围。

图6. 底物范围（图片来源于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7843825）

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7. 合成应用（图片来源于Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7843825）

综上所述，该工作开发了同位素标记的甲醇衍生的O-烷基异脲（MDIC-d₃、MDIC-¹³C和MDIC-¹³CD₃），作为廉价、实用且高效的甲基化试剂。这些试剂能够在温和、无外部碱的条件下成功实现亲核取代，以及钯催化的Suzuki-Miyaura型交叉偶联，从而促进CD₃、¹³CH₃和¹³CD₃有效掺入复杂分子中。该方法支持C-O、C-N、C-S和C-C键的形成，为药物化学提供了一种有价值的方法。此外，这些试剂易于放大生产，并对具有多个反应位点的底物表现出优异的化学选择性和官能团兼容性，展现出巨大的未来工业应用潜力。

相关研究成果发表于《德国应用化学》，博士研究生熊伟康为论文第一作者，硕士研究生李振玉为共同第一作者，薛东教授、康腾飞副研究员为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、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等项目的支持。同时，感谢贵阳中医药大学李飞和刘亚男在动物急性毒性实验方面提供的实验技术支持。

论文信息：Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e7843825.

供稿人：熊伟康