药物修饰中的“魔法甲基效应”
含氮化合物是有机化学中的优势结构。在数千种FDA批准的小分子药物中，超过80%的药物至少含有一个氮原子，平均每种药物含有2-3个氮原子。这些令人印象深刻的数字概述了含氮基团在药物化学和药物发现中的重要性。比如2021年销售额排名前200的小分子药物中，可以注意到大多数药物中都存在氮原子，在这里以不同的结构修饰形式出现。常见的含氮基团包括胺、酰胺、磺胺和氮杂环等。这些基团通过简单的结构修饰，例如烷基化，往往会极大地改变药物活性分子的生理和生物学特性。一般认为烷基化是生物活性化合物的后期修饰，所有烷基中最简单和最小的甲基似乎对改变分子的生物学特性有最深远的影响。这种现象就是众所周知的“魔法甲基效应（magic-methyl effect）”。（相关综述详见The Methylation Effect in Medicinal Chemistry, Chem. Rev. 2011, 111, 5215−5246）。
酰胺N-甲基化的挑战与新策略
因此，对酰胺及其相关结构的高效和选择性N-甲基化的新策略是非常有趣的。然而，这些特定转换依然面临诸多挑战。首先，传统的甲基化剂，如碘甲烷或硫酸二甲酯，经常具有不理想的特性，如高毒性、致癌性和挥发性。有些策略需要过渡金属催化剂，例如，当使用过氧化物或MeOH作为C1来源时。还有一些策略的底物适用范围相对狭窄，这限制了这些甲基化试剂的广泛应用。例如，在还原条件下使用甲醛作为甲基化试剂时，以及磷酸三甲酯作为酰胺N-单甲基化试剂（详见本期第2篇推文）。Schoenebeck研究小组在2020年报道了一种安全的、无金属催化的使用四甲基氟化铵作为甲基化试剂的方法（详见本期第2篇推文）。这种方法的特点是底物的范围相对较广，包括酰胺、氮杂环和醇。然而，这种策略在伯酰胺的N-甲基化时缺乏N-单甲基化选择性。一般来说，在开发新的N-甲基化策略时，伯酰胺的过度烷基化倾向是该课题面临的第二个严重的挑战。
今天推荐的方法，是Michael Schnürch小组2022年在OL上发表的一篇文章（Org. Lett. 2022, 24, 40, 7315–7319）。报道了一种新颖的、安全的、单选择性的甲基化方案。使用市售的苯基三甲基碘化铵（PhMe3NI，CAS：98-04-4）作为一种安全无毒、易于处理的甲基化试剂，在温和的碱性条件下，用于酰胺和相关化合物的绝对单选择性N-甲基化（absolutely monoselective N-methylation）。该方法还可以用于吲哚类化合物的N-甲基化。此外，利用PhEt3NI（CAS：1010-19-1）将该方法扩展到N-乙基化。该方法的特点是易于操作，收率高，具有广泛的官能团耐受性，特别是酰胺的单选择性甲基化，使该方法对生物活性化合物的后期甲基化非常具有吸引力。
反应条件筛选结果表明，在LiOH, NaOH, KOH, Cs2CO3几种常用碱当中，发现Cs2CO3是一种温和的最佳碱。而所有其他测试的碱都是低效的。对于不同的季铵盐作为甲基化试剂进行了筛选，结果表明，四甲基卤化铵生成单甲基化产物2a的总收率较低，且转化率从各自的氟盐到碘盐之间迅速下降。四甲基氟化铵用于伯酰胺的甲基化，得到单甲基化产物2a和双甲基化产物3a的比例为1：1的混合物，明显缺乏单选择性。与预期的那样，苯基三甲基卤化铵表现最好，苯基三甲基碘化铵表现优于各自的氯化物和溴化物。溶剂筛选结果表明，甲苯、t-BuOH、环戊基甲基醚（CPME）、苯甲醚等都是适合的溶剂，但甲苯做溶剂的收率最高。
苯甲酰胺和CH3I在碱性条件下反应时，得到的是二甲基化产物。而在本方案的条件下，表现出了优异的单选择性。为了验证这种新方案的显著选择性，进行了额外的验证试验。当单甲基化酰胺2a和2b再次置于最佳的反应条件下，只得到27%和35%的双甲基化产物3a和3b（下图）。对于这两种反应，主要得到的是未反应的单甲基化的起始原料。这强调了所开发的选择性单甲基化反应条件的适用性，因为即使试图强制进行第二次甲基化，这种效果也很差。这些发现证实了一种推论，即带一个具有空间位阻甲基的NH不太容易被弱碱进一步去质子化，并因此而改变其亲核性。因此，通过体积庞大的季铵盐进行的第二次烷基化将会明显减慢。
伯酰胺的单甲基化最高收率为91%，乙基化最高收率为92%。对多种官能团兼容，如卤化物（2a、2c−2g、4a和4c−4e）、硝基（2l和4l）、醚（2j、2k、4j和4k）和稠芳香环（2m和4m）。有趣的是，苄基位置的酰胺官能团发生了化学选择性反应，没有在α-位进行取代（2i、4i、2m和4m）。而且，这种方法并不局限于对位取代酰胺，还可以用于邻位取代和间位取代的苯甲酰胺，收率与对位相当。脂肪族酰胺，如己酰胺也可以被选择性地单甲基化，中等产率，67%（2n）。核磁共振和LC-MS分析显示，在反应混合物中未检测到双甲基化产物。对于所有其他收率适中的产品也是如此。只有苄位酰胺产物2i和2m才通过粗品HNMR测到少量的双甲基化产物（<8%）。N-乙酰基苯胺的反应也得到了所需的甲基化产物2h和乙基化产物4h，这表明一些具有特定结构的二级酰胺也可以得到良好的烷基化收率。但由于二级酰胺的单甲基化要求更高，本文主要以初级酰胺作为起始原料。为了进一步证明该方法的适用性和易于操作，在3.52 mmol的规模上进行了1a的甲基化，以76%的分离收率得到2a。
除酰胺外，吲哚也被认为是生物活性化合物中的一种优势杂环结构。因此，用新方案测试了一系列吲哚化合物，看是否也可以进行N-甲基化和N-乙基化。结果表明，总的来说，吲哚衍生物在这种特定的N-烷基化反应中表现略优于初级酰胺。各种官能团耐受性良好，包括卤化物（5c−5f和6c−6f）、醚（5b和6b)、硝基（5g和6g)、醛（5h和6h)、酯（5i、5j、6i和6j)和氰基（5k和6k)。在温和的碱性条件下，选定的吲哚衍生物的甲基化得到了与文献报道的Me4NF作为甲基化试剂的收率一样高。但是，与Me4NF相比，本文的方法不需要使用无水PhMe3NI，也不需要将试剂存放于手套箱，这使得本文提出的方法更加方便。
为了测试这种方法在生物活性分子后期功能化方面的潜力，对一些药物活性分子进行了甲基化研究。色氨胺衍生化合物，如褪黑素，只选择性在吲哚氮原子上进行甲基化，产率为88%（7）。在将N-单甲基化的褪黑素（产物7）再次置于上述反应条件下，观察到二级酰胺的氮也没有进一步发生甲基化。塞来昔布中的磺酰胺部分则发生了完全的二甲基化，产率为92%（产物9）。与苯甲酰胺类药物相比，磺胺类药物的pKa值明显降低。因此，单甲基化的磺酰胺很容易在NH上发生第二次烷基化。正如预期的那样，扑热息痛和水杨酰胺在酚羟基和酰胺部分（产物11和12）均被甲基化，抗生素利奈唑胺在乙酰胺部分发生N-甲基化，产率为84%（产物13）。
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