1、摘要

本文报道了以商用3,3-双(溴甲基)氧杂环丁烷为起始原料，简洁、可规模化合成三(氟甲基)烷基砌块（包括胺、羧酸、醇和溴化物）的方法。通过测定相应胺类和羧酸类化合物的解离常数（pKd）与脂水分配系数（Log P），并与低氟取代及无氟取代的同类物进行对比分析，完成了全面的理化特征表征。结果表明，三(氟甲基)甲基（β,β',β''-三氟叔丁基，(FCH2)3C，简称 （TFTB）基团虽空间位阻体积显著更大，但其电子效应和极性调节特性与三氟甲基（CF3）、2,2,2-三氟乙基（CF3CH2）取代基相似。构象分析显示，(FCH2)3C基团受空间静电相互作用调控，仅存在少量低能稳定构象，其中C=O⋅⋅⋅H−C和C−F⋅⋅⋅H−C相互作用对构象稳定起到关键作用。分子静电势分析阐明了该基团反常的脂溶性变化规律，以及其类三氟甲基的极性调节特征。上述研究数据均证实，TFTB基团是药物设计中极具价值的等排取代基序。

2、引言

在当代药物设计中，引入氟原子已成为核心策略之一，原因在于氟原子能以微小的结构扰动，调节小分子的电子、空间位阻及构象属性[1,2]。氟具有高电负性、小范德华半径，且碳-氟（C-F）键键能极高[3]，因此引入氟原子通常能提升化合物的代谢稳定性[4]、调节酸碱性[5]、调控构象行为[6]，同时不会显著改变分子尺寸。

目前，氟原子、三氟甲基[7]、二氟亚甲基[8,9]、氟甲基[10]等经典含氟片段已得到深入研究，其对不同结构母核化合物理化性质的影响也已被广泛报道[11]。近年来，研究热点逐渐转向非经典含氟基团，这类基团能提供独特的空间位阻和电子特征，同时保持可预测的药代动力学行为[12,13]。其中具有代表性的包括O’Hagan课题组开发的多邻位氟代烷烃[14]、作为三氟甲基和乙基手性杂化生物等排体的1,2-二氟亚甲基基序（BITE基团）[15]、杂化偕二氟氧杂环丁烷基（diFOx）[16]与偕二氟环烷基团[17]，以及各类常见官能团的改良型等排体[18,19]。

在各类非经典含氟基团中，近期重新受到关注的三(氟甲基)甲基片段（即β,β',β''-三氟叔丁基，TFTB，结构为(FCH2)3C）因独特的结构特征备受瞩目（图1B）[20,21]。该基团虽含有三个理论上具有柔性的C−CH2−F结构单元，但分子内固有静电相互作用能深度稳定其中一种构象，使其成为结构确定的叔丁基类似物[20,21]。在O’Hagan课题组发表上述结构分析之前，TFTB片段已在喹诺酮类抗生素系列中得到初步验证[22]：尽管该片段导致抗生素的抗菌活性有所下降，但其溶解度和脂溶性参数得到显著改善，凸显了该片段在生物等排性研究中的潜在价值。

尽管TFTB基团展现出良好的应用前景，但现有合成方法无法便捷制备适用于药物研发的多功能TFTB砌块。此前，O’Hagan课题组通过活化季戊四醇衍生底物的亲核取代反应，开发了芳基取代TFTB [20]和芳基-OCH₂-TFTB [21]化合物的合成方法；而胺类化合物1a的合成则需经过11步反应[23]，步骤繁琐。

本研究以商用3,3-双(溴甲基)氧杂环丁烷（2）为起始原料，开发了克级规模制备TFTB取代砌块的实用方法，所得产物包括胺、羧酸、醇、卤化物及其高级直链同系物（图1C）。实验测定了模型衍生物质子化形式的酸性和脂溶性，揭示了α-杂原子取代TFTB衍生物相较于低氟取代叔丁基衍生物的独特性质。同时，通过计算分析解释了该类化合物的反常理化行为，并明确了碳连接链长度对其性质的影响。

3、结果与讨论

本研究最初计划通过氧化苯衍生物5制备羧酸4a（方案1）[20]，其中化合物5可按O’Hagan课题组报道的方法，以苯乙醛为起始原料经三步反应合成，总产率37%[20]。

该方法虽能成功制备目标产物，但氧化步骤在放大生产时存在明显问题，因此本研究改用替代合成策略。新策略以氧杂环丁烷开环反应为基础，制备溴化物3a（方案2）：将化合物2与氟化铯（CsF）在高温下反应，得到偕二氟甲基氧杂环丁烷6，分离产率69%；通过酸促进的氧杂环丁烷环开环反应，得到γ-溴代醇7，产率86%[24]；最后采用四氟化硫/氟化氢（SF4/HF）混合体系对新戊醇5进行脱羟基氟化，得到目标产物 TFTB-CH₂Br（3a），分离产率68%。该合成路线可实现放大生产，单次反应可制备200g以上的化合物3a，且产率无显著下降。

在获得大量溴化物3a后，本研究进一步制备了胺类同系物1a~c和羧酸类同系物4a~c（方案3）：将溴化物3a与苯甲醇-氢化钠（BnOH-NaH）反应，得到醚类化合物8，在80g反应规模下产率73%；通过钯/碳（Pd/C）催化氢解反应得到醇9a，经升华纯化后产率85%；采用三氧化铬（CrO3）氧化醇9a，首次制得目标羧酸4a，单次13g反应规模下产率84%；通过改良的Curtius重排反应（以叠氮磷酸二苯酯DPPA为叠氮源）将羧酸转化为相应的N-苄氧羰基保护胺10，再经酸性脱保护，得到盐酸盐形式的胺1a，两步总产率72%，单次反应可制备20g。

采用简便的化学反应，由溴化物3a制备得到同系物1b・HCl和4b：化合物3a与邻苯二甲酰亚胺钾反应，顺利得到衍生物11b；经硼氢化钠（NaBH4）还原，再用干燥氯化氢沉淀产物，得到盐酸盐1b・HCl，两步总产率78%，单次反应可制备40g。羧酸4b的合成以溴化物3a与氰化钾（KCN）在二甲基亚砜（DMSO）中100℃下的反应为起始，得到腈类化合物12，产率85%；尝试用盐酸水溶液、硫酸水溶液或碱直接水解腈基制备羧酸，均未获得成功；而采用过氧化氢（H2O2）在碳酸钾（K2CO3）存在下处理化合物12[25]，可顺利得到酰胺13，产率良好；最后酰胺13在酸性条件下与亚硝酸钠（NaNO2）反应，得到目标羧酸4b，25g反应规模下产率63%。

以化合物4b为原料，经系列反应制备得到高级同系物1c・HCl和4c：采用硼烷-二甲硫醚络合物（BH3⋅Me2S）还原化合物4b，得到醇9c，产率90%；醇9c与N-溴代丁二酰亚胺-三苯基膦（NBS-PPh₃）反应，得到溴化物3c，产率79%；溴化物3c与邻苯二甲酰亚胺钾反应得到中间体11c（产率 85%），再经还原脱保护，得到盐酸盐形式的胺1c，产率85%。

3.1 酸性

本研究采用标准酸碱滴定法[16]，测定了水溶液中21℃下TFTB取代的质子化胺1a~c、羧酸4a~c，单氟取代叔丁基（MFTB）衍生物15a、15b、19a，二氟取代叔丁基（DFTB）衍生物16a、16b、20a，以及无氟取代叔丁基（t-Bu）衍生物14a~c、18a、18b的酸解离常数（pKa）（图2）；同时从文献中检索得到直链三氟甲基取代化合物17a~c、21a、21b的pKa数据[5,26,27]。

实验结果表明，含氟基团对化合物酸碱性质的净效应，与其与相应官能团之间的键连距离及氟原子数目密切相关。在叔丁胺（14a→15a→16a→1a）和新戊酸（18a→19a→20a→4a）衍生物系列中，叔丁基的逐步氟代使化合物的pKa值分别平均降低约1.7和0.5个单位/每个氟原子。当含氟基团与官能团之间引入亚甲基（CH2）后，氟原子的诱导效应显著减弱：在14b→15b→16b→1b系列中，每个氟原子导致的pKa降低值为0.8；而在14c→1c系列中，该数值仅为0.3。正如预期，在各类氟代叔丁基衍生物中，含氟原子数最多的TFTB衍生物，其质子化胺和羧酸的pKa值均为最低。从这一角度来看，TFTB基团与氟原子和官能团键连距离相同的2,2,2-三氟乙基（CF3CH2）取代基性质高度相似（对比1/17和4/21系列的pKa值）。

3.2 脂溶性

本研究采用经典摇瓶法结合定量高效液相色谱（HPLC）分析[16]，测定了21℃下正辛醇-水体系中苯甲酰胺25a~c和苯胺26a、26b的脂水分配系数（Log P）；其中苯甲酰胺25a~c由胺盐酸盐1・HCl与苯甲酰氯在三乙胺（Et3N）存在下反应制得，苯胺26a、26b由羧酸4与苯胺在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）和三乙胺存在下反应制得（图3）。

有趣的是，同系物苯甲酰胺25a~c的Log P值呈现非单调变化：25a（1.93）→25b（1.65）→25c（1.94）。该现象在三氟乙基取代的类似物27a~c及其他氟代衍生物中均未观察到[5]，与无氟取代的直链N-烷基苯甲酰胺的变化规律也截然相反——后者每增加一个亚甲基，Log P值会规律性升高0.3~0.4个单位[5]。对上述所有同系物进行匹配分子对（MMP）分析发现，25a是该系列中的唯一特例，其脂溶性比三氟乙基取代的类似物27a高0.18个Log P单位；而25b、25c的脂溶性则比对应的27b、27c低0.28~0.29个Log P单位，这表明对于这两种化合物，TFTB取代基的脂溶性效应与三氟甲基基团更相似。值得注意的是，同分异构的苯胺26a、26b未出现上述反常规律，26b的Log P值比26a高0.19个单位。

3.3 构象分析

为解释化合物25a的反常行为，本研究对其进行了详细的构象分析：采用Grimme’s迭代流程结合静态元动力学模拟[28]，以半经验紧束缚GFN2-xTB方法[29]（CREST 软件实现[30]）探索其构象空间；以最稳定构象为基础，研究单个C−CH2−F键全旋转坐标下的能量极值点（图4A，表S1），并在M062X/def2-TZVP水平[31]对各驻点进行结构优化；在相同理论水平下，通过频率计算得到标准温度和压力下的热力学校正值，结合非优化的旋转能量曲线，得到自由能变化值（ΔG或ΔG‡）（图4A，表S3）。

研究鉴定出三个对应重叠构象的旋转能垒（TS1−3），以及两个对应NCCF交错构象的额外旋转能垒。一维松弛扫描显示，构象C附近可能存在另一个能量最大值（TS3′），但无约束过渡态优化和内禀反应坐标（IRC）分析表明，该特征并非整个势能面上的一级鞍点；两个扫描最小值均收敛为单一构象C，说明TS3′是投影假象，其对应的能垒可忽略不计。

最高旋转能垒对应的过渡态TS1，其相对全局最低能构象C的自由能垒；次低能构象B′的能量比构象C高1.4 。根据各构象的相对能量和玻尔兹曼分布计算，气相中94.8%的分子采取全局最低能构象C，4.8%为构象B′，其余构象（A、A'、B）的总占比仅为0.4%。

在最稳定的构象C中，其中一个C-F键（C−F2）与C-N键呈反式共平面取向（图4B），另外两个C-F键与C-N键呈顺式斜交取向，二面角约为60°。该构象中，TFTB基团的两个C-H键与酰胺片段的C=O偶极近乎平行，这种取向产生了显著的静电稳定作用，与O’Hagan课题组此前发现的C−Fδ−⋅⋅⋅H−Cδ+有利相互作用协同增效[20,21]。此外，羰基与其中一个C-F键（C−F2）的反式定位可能形成初步的四中心键[32]，该现象与CH2F片段中碳原子的电正性相关[33]。

本研究采用自然布居分析（NPA，NBO 7.0程序实现[34]）得到原子自然电荷，结合经典库仑方程，鉴定了构象B、B'、C及过渡态TS1、TS2、TS3中所有显著的静电相互作用（包括稳定和去稳定作用）（表S2）。结果证实，除了奥黑根课题组发现的四个C−Fδ−⋅⋅⋅H−Cδ+相互作用（每个作用的稳定化能为-8.4~-9.2 ）外，还存在两个C=Oδ−⋅⋅⋅H−Cδ+相互作用，其稳定化能分别为-18.5和-16.9 ，对构象稳定起到重要作用。而次低能构象B′中，未观察到构象C中的两个C−Fδ−⋅⋅⋅H−Cδ+和一个C=Oδ−⋅⋅⋅H−Cδ+相互作用，仅通过一个C=Oδ−⋅⋅⋅H−Cδ+（-15.9 ）和两个C−Fδ−⋅⋅⋅H−Cδ+（-8.3、-9.2 ）静电相互作用实现稳定；构象B′与C之间的过渡态TS3仅存在两个C−Fδ−⋅⋅⋅H−Cδ+相互作用，稳定化能为-8.7和-9.7 。

值得注意的是，上述所有过渡态中均未观察到C−Fδ−⋅⋅⋅C−Fδ−偶极-偶极去稳定相互作用；该相互作用仅在能量第三低的构象B中存在，但被C=Oδ−⋅⋅⋅H−Cδ+稳定相互作用抵消。能量最高的构象TS1中，平行的C−Nδ−与C−Fδ−偶极产生强排斥作用（28.6），是该构象能量较高的主要原因。

NPA分析解释了旋转能量曲线中交错过渡态TS1′和TS2的存在：这些物种虽无上述偶极-偶极去稳定相互作用，但破坏了所有低能构象中均存在的C=Oδ−⋅⋅⋅H−Cδ+稳定相互作用，导致自由能升高；该现象也是构象B和B′能量相对较高的原因之一，其中构象B′的C=Oδ−⋅⋅⋅H−Cδ+相互作用抵消了C−Fδ−⋅⋅⋅C−Fδ−偶极-偶极排斥作用的影响。上述结果表明，酰胺片段中的杂原子（氧、氮）对TFTB优势构象的稳定起到关键作用，这也使α-杂原子取代TFTB衍生物成为药物研发中极具特色的分子片段。

3.4 分子静电势表面分析

从取代基的范德华体积来看，TFTB片段与叔丁基接近（分别为74.1和73.5）[35]，远大于三氟甲基（42.8）和三氟乙基（60.1）；因此，无法通过简单的体积因素解释TFTB衍生物的脂溶性特征[36]。为解决这一问题，本研究以25a的最稳定构象为基础，对同系物苯甲酰胺25a~c进行分子静电势表面（MEPS）分析。

Hunter课题组此前的研究表明，气相中计算得到的分子静电势表面极值分布与相转移自由能相关，而相转移自由能又通过特定的溶质-溶剂相互作用与Log P值直接关联[37,38]。本研究借鉴该方法[39,40]，计算了化合物25a~c的分子静电势表面，并通过绘制相对表面积-电势值曲线，分析了分子表面的电势分布（图5）。对比结果显示，各同系物的分子静电势分布存在明显差异：脂溶性最低的25b在低电势区（-40~-35）和高电势区（20~40）的表面积占比显著更高，而25a和25c在上述两个电势区的分布则较为相似。

该结果在一定程度上与实验测得的Log P变化规律相符：25a和25c的分子静电势分布相似，而25c含有两个额外的亚甲基，理论上应具有更高的脂溶性。进一步分析发现，25b的高电势区对应亚甲基上高度极化的C-H键，该效应在25a中完全不存在，在25c中也显著减弱。上述发现为25a脂溶性较高的现象提供了合理的解释：一方面，25a中不存在同时受酰胺和TFTB基团直接/间接极化的C-H键（如 25b中的此类键）；另一方面，氟原子的强诱导效应降低了羰基的极化程度（低电势区的静电势分布可佐证），最终导致分子整体极性降低。此外，羰基氧原子的氢键形成能力[41]也因上述极化重排而下降，这也是其脂溶性升高的另一原因。

4、结论

本研究以商用氧杂环丁烷衍生物为起始原料，建立了三氟甲基烷基（即β,β',β''-三氟叔丁基，TFTB）取代砌块的简洁、可规模化合成路线，制备得到含氨基（NH2）、羧基（COOH）、羟甲基（CH2OH）、溴甲基（CH2Br）等官能团的衍生物。本研究的关键中间体(FCH2)3CCH2Br经三步反应合成，总产率40%，且可放大至200g规模，产率无显著下降。

通过实验测定离子化基团的酸性（pKa）和模型苯甲酰胺衍生物的脂溶性（Log P）等理化参数发现，TFTB取代基本非叔丁基的简单等体积替代物，而是类三氟甲基/三氟乙基的极性调节剂，其对pKa和Log P的调节效应介于两者之间。构象研究表明，TFTB取代基倾向于采取螺旋状空间构型；除了已有文献报道的C−F⋅⋅⋅H−C相互作用对构象平衡的影响外，C=O⋅⋅⋅H−C静电相互作用对该优势构象的稳定也起到重要作用。

总体而言，杂原子取代TFTB基序兼具强局部诱导效应、可预测的构象偏好，以及类三氟甲基/三氟乙基的酸碱性-脂溶性特征，同时其空间位阻体积高达后两者的两倍，这使该取代基成为药物设计中极具前景的生物等排取代片段。

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