4. 不含CF₃的氟烷基团
4.1 总体考虑
在寻找替代分子片段的过程中，我们确定了一系列小型、有前景的不含CF₃的部分氟化烷基团（图5A，绿色）。这些基团在成功药物和农用化学品开发方面有可靠的记录。作为比较，前一节讨论的五个含CF₃部分（图3B）也作为参考点包含在图5A中（黑色）。
虽然CF₃基团在专利文献中占主导地位（图3A），但替代性不含CF₃基团的统计存在似乎适中（图5A）。然而，我们的搜索表明，大多数这些替代结构在数千项专利中被引用，为它们在生物分子设计中的应用提供了实质性的知识基础。我们按分子体积分配每个替代基团并计算亲脂性值（图5A），与标准参考基团集进行比较（图5B）。虽然所有选定结构在某种程度上都比CF₃大，但它们对亲脂性的影响差异很大，c log P值范围从-0.56到+1.29。值得注意的是，这些基团中至少有七个比异丙基更小，而异丙基曾被认为是CF₃基团的生物学类似物。在以下叙述中，我们将按分子体积递增顺序讨论每个不含CF₃的替代基团（图5A）。
4.2 1-氟乙基
1-氟乙基是一个成熟的取代基，数十年来越来越受关注，特别是在专利文献中（图6A）。它可在药物候选物、农用化学品和临床前[¹⁸F]PET成像剂中找到。
2010年代，Novartis开发了IDH-305——一种与癌症发展相关的突变型异柠檬酸脱氢酶1的变构抑制剂。他们从IDH889开始，该化合物对靶点显示出良好的效力但药代动力学特征不佳（图6B）。优化包括两个关键变化，其中之一是恶唑烷酮环上烷基取代基的优化。(S)-1-氟乙基取代基显示出最佳效力，同时降低了代谢清除率。此外，它有助于降低亲脂性、减少血浆蛋白结合并改善溶解度。值得注意的是，晶体学分析（图6C）揭示该物质发生了疏水塌陷，氟乙基向内折叠至分子其余部分，与中央吡啶部分形成范德华接触。药物候选物IDH-305经历了一系列临床试验，包括针对胶质瘤的2期试验，但开发似乎已停止。
2020年代，Takeda开发了rogcekib（CTX-712）——一种参与RNA剪接调控的Cdc2样激酶抑制剂。他们从T-025开始，此前该化合物表现出极佳的纳摩尔级活性但ADMET特征不理想（图6D）。几次优化最终涉及恶二唑上烷基取代基的变化。1,1-二氟乙基部分显示出效力和代谢稳定性之间的最佳平衡，但溶解度低。通过(R)-1-氟乙基部分恢复了溶解度。最终分子rogcekib（CTX-712）于2023年进入针对急性髓系白血病的1-2期临床试验。2-氟丙酸残基已被用于PET成像剂的开发。该残基通常由2-溴丙酸酯制备，形成2-¹⁸F硝基苯酯用于胺的标记，最显著的是肽类（方案1）。几个结构如[¹⁸F]Galacto-RGD和[¹⁸F]FPPRGD2已进入临床试验；然而，截至目前，它们均未获批准用于临床。
方案1 [¹⁸F]1-氟乙基在已进入临床试验的PET剂中的应用。
1-氟乙基部分还可在几个重要的农用化学品中找到（方案2）。Flufenerim是由Ube Industries在1990年代开发的嘧啶类杀虫剂（方案2A）。该物质推测作为乙酰胆碱酯酶抑制剂，对多种昆虫品系表现出时间均衡的活性，包括快速起效和施药后2天的衰减。几个农药结构源自flufenerim，其中1-氟乙基在某些情况下表现出最佳性能，但在其他一些情况下被二氟甲基和乙基取代。此外，flufenerim显示出杀真菌活性，提示其可作为对抗白色念珠菌生物膜的消毒剂使用，可能适用于医院消毒。
Flucetosulfuron（LGC-42153）是LG Life Sciences在2000年代开发的磺酰脲类除草剂，已在多个国家上市。这类除草剂已知抑制乙酰乳酸合酶，导致氨基酸合成停滞。对flucetosulfuron在水中、土壤和肝微粒体中降解的研究表明，酯键首先发生断裂，然后氨基甲酸酯断裂（方案2B）。
Indaziflam是Bayer CropScience在2000年代开发的除草剂，已获美国批准使用。商业样品据报道基于95+%浓度的单一非对映异构体，该异构体保持构型稳定。indaziflam的降解已被研究，表明indaziflam的茚满部分被氧化为茚酮，以及苯环上的甲基氧化为羧酸，随后形成二氨基三嗪（方案2C）。其他报告声称降解标志物包括氟交换为羟基或消除氟化氢形成烯烃。
最后，值得一提的是，1-氟乙基与2-氟乙基（–CH₂CH₂F）是异构体。后者是一个有争议的部分，因其在代谢降解下可能释放高毒性的一氟乙酸盐而臭名昭著。尽管如此，[¹⁸F]2-氟乙基在几个已批准的PET剂中存在，例如[¹⁸F]Florbetaben和[¹⁸F]Flurpiridaz。
4.3 1,1-二氟乙基
1,1-二氟乙基部分在生物分子设计中更受欢迎，因为它缺乏手性，使该取代基在筛选中更可预测、在生产中更容易。这可从其在论文和专利中普遍有利的统计中看出，超过1-氟乙基并持续增长（方案3A）。
1,1-二氟乙基已出现在两种获批用于人体临床的半合成药物中。Vinflunine是Pierre Fabre研究所在1990年代开发的长春花生物碱家族抗癌物质。二氟烷基部分通过酸性衍生化vinorelbine创建（方案3B）。该物质通过作为微管蛋白的特异性抑制剂显示出优越的抗癌活性，最终于2009年获EMA批准治疗晚期癌症。Omaveloxolone（RTA-408）是Reata Pharmaceuticals（后为Biogen）在2010年代开发的半合成齐墩果烷三萜类化合物。它通过激活核因子红细胞2相关因子2通路作为抗氧化炎症调节剂。Omaveloxolone于2023年获FDA批准治疗弗里德赖希共济失调——一种罕见的神经退行性疾病。该物质从bardoxolone（RTA-401）制备，通过Curtius重排将酸基转化为胺，随后用2,2-二氟丙酸酰化（方案3C）。
其他几种含1,1-二氟乙基的药物结构已进入各阶段临床试验（图7），包括：AstraZeneca开发的非甾体抗炎药velsecorat（AZD-7594）和mizacorat（AZD-9567）（2期）；作为抗疟药开发的二氢乳清酸脱氢酶抑制剂DSM265（2期）；Novartis开发用于治疗乳腺癌的雌激素受体降解剂LSZ102（1/1b期）；Celgene/Bristol Myers Squibb开发用于治疗自身免疫性疾病的选择性蛋白激酶C-θ抑制剂CC-90005（1期）；Actelion/Idorsia开发作为抗炎药的甲酰肽受体2激动剂ACT-389949（1期）；Idorsia开发作为抗炎药的补体因子5a受体1拮抗剂ACT-1014-6470；以及Pfizer开发用于治疗肥胖的大麻素-1受体拮抗剂PF-514273（声称进行临床试验，阶段未知）。
4.4 2,2-二氟乙基
与前一基团类似，其异构体结构2,2-二氟乙基在当代论文和专利中有大量报道（图8A）。它可在研究性药物和商业农用化学品中找到。从最近的案例来看，GS-CA1是Gilead开发的实验性HIV-1衣壳抑制剂，具有亚纳摩尔级高效力（图8B）。该物质代表了此类药物开发的重要里程碑，但后来被类似结构GS-6207（lenacapavir，见图3C）取代，后者最终于2025年获FDA批准用于晚期暴露前HIV-1预防。该结构经过重度氟化以阻断代谢热点并延长药物在体内的持续时间。GS-CA1和lenacapavir都结合在HIV-1衣壳蛋白的各衣壳亚基之间，从而稳定HIV-1衣壳组装为六聚体，以此阻止其穿过核孔的转位，从而阻止HIV-1感染的早期阶段。值得注意的是，在SAR研究中，含2,2-二氟乙基部分的结构显示出优异的活性和代谢稳定性特征，但最终被提供更好靶点参数的2,2,2-三氟乙基取代基取代。GS-CA1的共晶结构报道为结合衣壳五聚体而非六聚体，显示2,2-二氟乙基位于表面附近，在来自不同单体的极性赖氨酸残基附近（图8B）。六聚体衣壳结构用最终药物lenacapavir结晶，揭示相应的2,2,2-三氟乙基位于表面附近，夹在Lys70和Thr107残基之间。表面位置解释了为什么2,2-二氟乙基和2,2,2-三氟乙基可以互换而不丧失活性。
几种含2,2-二氟乙基的化合物已进入临床试验（图8C），包括：Arena开发的高选择性5-HT2C受体超激动剂bexicaserin（LP-352）（3期）；Redx开发的Rho相关卷曲螺旋蛋白激酶2抑制剂zelasudil（RXC-007）（2期）；Gesynta开发的微粒体前列腺素E合酶-1抑制剂vipoglanstat（GS-248）（2期）。在兽药研究中，GABA门控氯离子通道阻滞剂mivorilaner（LY-3116151）已被研究作为抗寄生虫和抗肿瘤剂（图8D）。此外，2,2-二氟乙基可见于两种在欧盟和美国均获批准的商业农用化学品：penoxsulam和flupyradifurone（图9）。
Penoxsulam是Dow Agrosciences开发的磺酰胺类除草剂，常用于水稻种植（图9A）。该化合物的微生物和光降解的初始步骤已被研究，揭示其靶向三唑并嘧啶部分，将其转化为三唑并断裂磺酰胺，同时保持二氟乙氧基稳定。Penoxsulam通过阻断底物进入催化位点作为乙酰羟酸合酶的非竞争性抑制剂。已对penoxsulam结合来自植物（拟南芥）和真菌（白色念珠菌）的乙酰羟酸合酶进行了晶体学研究。2,2-二氟乙氧基被发现靠近Asp376-Arg377残基对，其中一个氟原子额外与植物酶中Ser653的羟基配位，而真菌酶在该位置为丙氨酸残基（图9A），提示F⋯HO(Ser)接触可能是该除草剂植物选择性的原因。
Flupyradifurone是Bayer开发的丁烯内酯系统性杀虫剂，对蜜蜂的毒性低（图9B）。它与新烟碱类农药家族相关，作为烟碱乙酰胆碱受体激动剂，导致昆虫神经系统麻痹。结构研究揭示，2,2-二氟乙基部分与靶蛋白的Trp143、Val183和Tyr192配位，而CF₂-H与酪氨酸芳环形成了独特的供体-受体相互作用（图9B）。
4.5 1-氟环丙基
关于1-氟环丙基部分的文献在2018年后爆发式增长（图10A），当时Ciulli团队引入了VH101——von Hippel-Lindau蛋白E3泛素连接酶的配体（图10B）。VH101片段已被广泛应用于设计利用该泛素连接酶选择性降解恶性蛋白的蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）。在结构活性研究中，氟原子的引入通过环丙基片段的构象预组织使结合亲和力提高了2-3倍。值得注意的是，氟原子的掺入还将渗透性提高了4倍，这可能是由于邻近氟原子对酰胺NH的部分掩蔽（图10C）。图10D展示了一个最近含VH101的PROTAC示例。
在其他含1-环丙基的分子中，SBI-553值得关注（图10E）。这是一种设计为CNS穿透性神经降压素受体1变构调节剂的实验性药物。环丙烷部分的氟化和甲基化都改善了效力（图10E）。氟取代物质在小鼠和大鼠中显示出良好的口服生物利用度以及CNS穿透性。这些因素对于建立与精神分裂症或帕金森病等CNS疾病治疗效果相关的治疗至关重要。结构研究表明，氟原子与Arg167建立了接触（图10E）。
1-氟环丙基片段存在于最近公开的cleminorexton（ORX-750）结构中——一种由Eli Lilly和Centessa目前正在开发的食欲素2受体激动剂（图10F）。该药物于2026年5月进入针对嗜睡症的2-3期临床试验。
4.6 2-氟环丙基
自1990年代第一三共开发几种环丙沙星衍生抗生素以来，对2-氟环丙基片段的兴趣一直保持稳定（图11A）。其中一种化合物sitafloxacin（DU-6859）于2008年在日本获批临床使用，而其他几种在临床前和早期临床研究后停止，包括：DK-507K、DX-619、DC-159a、DQ-113等。
此外，最近有两种结构进入了临床试验（图11C）。第一个例子是cenacitinib（VTX-958），由Ventyx开发的选择性酪氨酸激酶2抑制剂，用于治疗银屑病和克罗恩病等炎症性疾病（2期）。酪氨酸激酶2抑制剂倾向于掺入2-氟环丙基部分的现象在其他团队的研究中也有观察，他们表明该部分有助于改善激酶选择性和维持高细胞效力。2-氟环丙基的有益效应通过晶体学分析得到了解释——紧凑的氟原子帮助该部分在Leu903残基下方堆积，同时局部C-F偶极与邻近的Arg901建立接触（图11D）。第二个例子是labuxtinib（THB-335，图11C），由Third Harmonic和Novartis开发的选择性c-kit酪氨酸激酶抑制剂，最近在健康参与者中进行了临床试验（1期）。
在最近的文献中还可以找到更多有趣的案例，其中2-环丙基片段帮助改善效力、降低肝清除率和改善溶解度。例如，Genentech团队优化了一种含末端环丙基酰胺封端基团的可逆Bruton酪氨酸激酶抑制剂。氟的引入有助于改善溶解度和降低亲脂性，同时维持物质的活性和整体渗透性。晶体结构显示氟异丙基位于结合口袋入口附近，氟原子向外取向并与几个晶体水分子配位（图11E）。此处使用氟化部分优于环丙基和其他脂肪族基团的益处明显在于优化物质的总体药代动力学特征，而非与蛋白建立特异性相互作用。
在少数蛋白质结构案例中，有一个显示2-氟环丙烷部分深入突出至结合口袋内部。在白细胞介素-1受体相关激酶4与高效抑制剂（IC50 0.1 nM）结合的共晶结构中，氟环丙基与Val200、Ala211、Lys213和Tyr262配位（图11F）。此案例凸显了氟环丙基部分在疏水蛋白质核内建立相互作用的多样性。
4.7 2,2-二氟环丙基
2,2-二氟环丙基片段在过去十年中受欢迎程度上升（图12A）。与单氟环丙基相比，它更亲脂（图12B），这通常用于制造疏水性封端部分，最常见的是二氟环丙烷甲酸的酰胺。这种结构可见于已进入临床试验的两种分子。第一种是brepocitinib（PF-06700841），由Pfizer开发作为抗炎剂，已进入治疗皮肌炎的3期试验（图12C）。它是一种双重酪氨酸激酶2/Janus激酶1抑制剂，通过阻断促炎细胞因子信号发挥作用。在SAR研究中，二氟环丙基封端基团有助于对所需激酶建立高选择性。已解析该分子与两种靶激酶结合的晶体结构，证明二氟环丙基片段由同一组残基配位。这些包括位于该部分下方面向氢原子的Asp和Asn、用其主链基团配位氟原子的Glu和Gly残基，以及疏水性Val侧链（图12C）。这种配位解释了S-对映体的更高活性，而相反的R-对映体将氟原子指向极性Asp/Asn基团，似乎不利。该物质在人体微粒体中的代谢研究表明，所有三种主要代谢方案都靶向分子的甲基吡唑部分，远离氟烷基部分。
另一种已进入临床试验的抗炎化合物是blovacitinib（TUL-01101），由珠海联合实验室开发的Janus激酶1抑制剂，用于治疗类风湿性关节炎（图12D）。该团队测试了几种封端部分，选择对其靶激酶相对于Janus激酶组中其他激酶的最佳选择性。此外，最终化合物显示出低肝微粒体清除率、良好的渗透性以及在小鼠、大鼠和狗中可接受的药代动力学。
除了这两个突出案例外，含2,2-二氟异丙基的优化实验性药物并不多。一个有趣的例子是Merck开发的用于治疗帕金森病的脑渗透性富亮氨酸重复激酶2抑制剂（图12E）。在此，将二氟乙基替换为2,2-二氟环丙基帮助优化了几个参数，最显著的是增强了代谢稳定性（体现在啮齿动物平均滞留时间增加），并将细胞效力提高了一个数量级（图12E）。晶体学数据显示二氟环丙基位于结合口袋入口附近，一个氟原子与Ser88和Gly89的主链基团配位（图12E）。这一观察凸显了氟化部分参与类似于CF₃基团的多极相互作用类型的能力。
有趣的是，除了此处介绍的药物结构外，2,2-二氟环丙基部分可在大量实验性农用化学品的专利文献中找到，示例见图12F。
4.8 2-氟异丙基
2-氟异丙基片段近年来越来越受欢迎（图13A），此前已有几种含该片段的有趣临床候选物成功开发。该基团最常用作末端烷基部分（乙基、异丙基）的代谢稳定类似物。然而，近年来一些工作将该基团与CF₃并列使用，显示出相当有前景的生物活性和代谢稳定性结果。
该部分最常见的用途之一是阻断长烷基链片段末端的代谢降解途径。第一个这样的例子可追溯到1970年代，当时Merck开发了25-氟胆固醇用于阻断胆固醇的代谢降解（图13B）。胆固醇氧化酶CYP125和CYP142执行末端异丙基的氧化，这就是为什么该基团被氟化，产生保持原始脂质一般物理化学性质的代谢稳定类似物。1990年代，Upjohn使用类似的理由开发了trecetilide fumarate。他们从butilide开始——一种成熟的钾通道阻滞剂，用作III类抗心律失常药（图13C）。烷基链末端的氟化显著降低了肝微粒体中的代谢敏感性，同时也改变了在兔心模型中测量的心律失常特征。该化合物进入了临床评估，但后来被停止。
2000年代，Merck发现了L-873724——一种用于治疗骨质疏松症的选择性组织蛋白酶K抑制剂。该物质在猴子中显示出过高的代谢清除率，而人肝细胞研究确定亮氨酸γ-CH为主要易羟基化的代谢位点。该位置的氟化产生了odanacatib（MK-0822），对组织蛋白酶K显示出优异选择性，同时将猴子中的半衰期从2小时延长至18小时（图13D）。该物质进入了多项临床试验（直至3期），但因中风风险增加而被停止。
2010年代，多家公司基于概念上类似的分子骨架开发了用于治疗乳腺癌的选择性雌激素受体降解剂。至少三种结构包含2-氟异丙基并已进入临床试验（图14A）：AZD-9496（1期）、palazestrant（OP-1250）（3期）和taragarestrant（D-0502）（3期）。研究表明，在末端异丙基中引入氟原子有助于将效力提高约10倍。晶体学分析显示2-氟异丙基由Met388、Met421、Ile424和Leu525等关键疏水性残基配位（图14A）。除这些结构外，2010年代第一三共开发了突变型异柠檬酸脱氢酶1抑制剂safusidenib（DS-1001），最近进入早期1期临床试验（图14B）。
在农用化学品领域，triaziflam（IDH-1105）由出光兴产在1990年代开发（图14C）。这是一种曾在日本使用的商业除草剂，但后来被更高效的替代品取代。
4.9 3,3-二氟环丁基
3,3-二氟环丁基是近期文献中另一个流行的片段（图15A）。它是抗癌药物ivosidenib（AG-120）的组成部分，由Agios & Servier开发，2018年获批治疗急性髓系白血病（图15B）。它作为突变型异柠檬酸脱氢酶1的变构抑制剂，该酶以积累致癌代谢物2-羟基戊二酸而闻名。在原始SAR研究中，环己基被替换为3,3-二氟环丙基以改善微粒体稳定性。此外，更近期的结构研究揭示，该抑制剂结合在同源二聚体结构的单体间界面处，氟化部分深入突出至变构位点。它位于由Leu120、Trp124、Val255、Met259、Ala258、Trp267形成的多数为疏水性的口袋中，而氟原子与Gln277的主链和Ser280的羟基配位（图15B）。3,3-二氟环丁基中氟原子被极性残基配位的情况在其他几项晶体学研究中也有报道。ivosidenib代谢的研究表明，该药物在血浆中保持不变，但在粪便和尿液样本中检测到降解产物的积累。从鉴定的13种代谢物中，几种指示了氟烷基位点的修饰（图15C）。Lanisidenib（TQB3454）是正大天晴开发的类似异柠檬酸脱氢酶1抑制剂，已进入治疗癌症的3期试验。
另外两种含3,3-二氟环丁基的结构已进入1期临床试验（图15E）。包括vamagloxistat（ORF-229, BBP-711）——一种乙醇酸氧化酶抑制剂，以及IPN-60090——一种谷氨酰胺酶-1抑制剂。在后一种情况下，3,3-二氟环丁氧基被纳入以优化整体特征，包括细胞效力、微粒体稳定性和溶解度。
除这些案例外，3,3-二氟环丁基可见于各种药物化学优化研究。含该部分的优化先导结构示例见图15F。此外，3,3-二氟环丁基也可在农用化学品专利文献中与前面提到的2,2-二氟环丙基一同找到。
4.10 1,1-二氟-叔丁基
1,1-二氟-叔丁基在近期文献中也显示出增长，尽管总体数量与上述其他基团相比似乎适中（图16A）。值得注意的是，叔丁基部分的部分氟化已被用作增加渗透性和代谢稳定性的通用方法。此外，两种含该片段的结构已进入临床试验并显示出有前景的结果。
Mefluleucine（NV-5138）由Navitor开发，用于调节亮氨酸传感器蛋白sestrin2的活性，后者激活大脑中的mTORC1信号通路（图16C）。该物质模拟亮氨酸，由于高CNS穿透性、缺乏代谢降解（被支链氨基转氨酶降解）以及不参与蛋白质生物合成而表现出高暴露。与人sestrin2的晶体结构显示，1,1-二氟-叔丁基由Ile378、Leu389、Trp444和Phe447侧链形成的疏水性口袋配位。CHF₂部分显示出与His454的独特C-H⋯咪唑配位（图16C）。该物质是一种有前景的抗抑郁药，已进入2期临床试验。
另一种含该片段的药物结构oditrasertib（DNL-788, SAR443820），由Denali和Sanofi开发，作为受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1抑制剂用于治疗神经退行性疾病（图16D）。值得注意的是，在1期中，该物质显示出与此前该节物质类似的高脑穿透性。然而，该化合物后来因缺乏疗效而被停止。最近，Merck开发了一种基于桥连苯并氮杂䓬的该酶基本类似的抑制剂（图16E）。1,1-二氟-叔丁基部分被选为抑制靶向亲脂性基团的1期代谢的手段。该物质显示出适合CNS靶向的最佳药代动力学和渗透性特征。晶体结构显示1,1-二氟-叔丁基由几个疏水性残基配位，以及C-F与Asp156主链羰基的配位（图16E）。仔细观察揭示，其中一个氟原子参与一组复杂的相互作用（图16F），包括药物与Asp156残基之间的F⋯C=O n→π*相互作用，尽管角度（84°）略偏离最佳Bürgi-Dunitz轨迹（109°）。
5. 有前景的稀有基序
前几节清楚地表明，氟烷基化学已显著发展，扩大了在医疗应用中使用的官能团范围，在农用化学品中则程度较小。然而，读者可能已经注意到，这些基团仅代表理论可选范围的一小部分。有鉴于此，我们希望讨论几种基于近期文献先例和我们的直觉分析，对未来研究有前景的替代氟烷基基序（图17）。
5.1 乙基衍生基团
我们首先想到的显著基序是1,2-二氟乙基，在结构上与更广泛使用的1,1-和2,2-二氟乙基类似（图18A）。重要的是，synclinal (gauche) F-C-C-F构象最大化片段的偶极矩，使这种邻位二氟基序比偕位对应物明显更极性，这可从实验log P值看出（图18B）。最近，Gilmour团队声称1,2-二氟乙基可作为三氟甲基和乙基的杂化生物电子等排体。该团队将该片段引入几种药物类似物的长烷基链末端，如fingolimod（图18C）。然而，迄今为止，对该基序的研究主要停留在概念验证阶段，在后续研究中仅有零星出现。
接下来，几种创新策略可以帮助替代三氟甲基。一种有前景的方法是原子重组（图19A）。此前，Linclau团队证明将氟原子从末端CF₃基团重新定位到倒数第二个位置可显著降低亲脂性（图19B）。AstraZeneca的一个团队应用这一原理，用重组基序替代CF₃基团，将一个额外的碳原子"偷运"入雌激素受体降解剂camizestrant（AZD-9833）中。通过将2,2,2-三氟乙基（两个碳）替换为2,2,3-三氟丙基（三个碳），他们保持了相当的亲脂性和效力（图19C）。
5.2 异丙基衍生基团
在前面讨论的含CF₃基团中，1,1,1-三氟异丙基是最有前景的之一（第3节）。然而，末端CF₃基团的存在引发了对潜在降解为三氟乙酸的担忧。这凸显了对替代品的需求，例如1,1-二氟异丙基（图20A）。
虽然该取代基仅出现在少数实验研究中，但已产生有前景的结构（图20B）。多项研究报告了物理化学数据，使得可以在异丙基、1,1,1-三氟异丙基和1,1-二氟异丙基之间建立类比（图20C和D）。关于原子重组（图20A），代表该方法的类似物如1,1,2-、1,1,3-和1,2,3-三氟甲基在文献中仍基本未被探索，每种仅有少量专利报道。一个值得引用的有趣案例是4,5,5'-三氟亮氨酸，它在该氨基酸侧链上带有这些重组基团之一，最近被报道（图20F）。
异丙基的另一种有前景的衍生物是1,3-二氟异丙基（图20G）。它定期出现在SAR研究中，并产生了几个活性实验分子（图20H）。有趣的是，在肝微粒体中测试时，含该部分的化合物与替代性异丙基相关基团相比显示出良好的代谢稳定性结果，并且已静脉注射给大鼠。含1,3-二氟异丙基抑制剂的VEGFR-2激酶活性位点对接研究揭示，氟烷基被容纳在疏水性口袋中，但位于Lys/Asp残基附近。因此，1,3-二氟异丙基积累了氟有机基团（如CF₃）典型的有益特性，即它是亲脂性部分，适合形成紧密的极性接触。
5.3 叔丁基衍生基团
另一种有前景的含CF₃部分是1,1,1-三氟-叔丁基（第3节），已出现在获批药物中。其类似物1,1-二氟-叔丁基（图21A）虽然不常见，但已出现在仅有的两种药物候选物中，此前在第4.10节讨论过。该基团的其他重要类似物是含一个、两个和三个氟甲基的基团，后者（homo-CF₃）代表原子重组方法。
它们的一些使用可追溯到1990年代初，当时Bristol Myers Squibb的一个团队测试了几种含氟化叔丁基的环丙沙星类似物。他们注意到的一件事是氟化使物质的亲脂性大幅降低（图21B）。2023年，O'Hagan团队重新引入了homo-CF₃基序，提供了相当有趣的信息。例如，他们表明叔丁基的亲脂性随每次连续氟化而降低（图21C）。他们还表明homo-CF₃基团通过氧化脱氟代谢，这在可持续氟有机化学的背景下非常有用（图21C）。此外，homo-CF₃基团显示出由C-F和C-H键之间的静电相互作用控制的有趣构象组织（图21D）。O'Hagan和Grygorenko团队的后续工作大幅丰富了含该基序的构建模块库。最近，O'Hagan团队将homo-CF₃基团引入elexacaftor和tezacaftor的类似物中，并检查了相关的亲脂性效应。
其他β-氟化叔丁基类似物也应用于生物有机工程，它们展示了物质亲脂性的降低。例如，O'Hagan团队最近优化了3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的降解剂。他们发现先导结构SRP3042中两个叔丁基的单氟化在降低亲脂性的同时提高了活性，产生了优化先导化合物SRK2128（图21E）。β-氟化的另一个有趣应用是降低相邻胺的碱性。例如，三菱田边的一个研究团队通过β-氟化优化了其黑皮质素1受体激动剂的结构，降低了吡咯烷片段的碱性，从而使Caco-2渗透性提高了两个数量级（图21F）。不幸的是，该修饰也降低了预期活性并加速了微粒体清除率，因此被放弃转而采用其他氟化胺结构。我们还可补充，单氟-叔丁基可考虑替代2-氟乙基以阻断不希望的代谢降解为有毒的一氟乙酸盐。
5.4 环状基团
最后，我们想提几种有前景的环状氟烷基残基。首先想到的两个结构是1-氟环丁基和2,2-二氟环丁基，可分别视为第4.5和4.9节中讨论的1-氟环丙基和3,3-二氟环丁基的类似物（图22A）。尽管仍然罕见，1-氟环丁基自2008年以来就定期出现在药物化学文献中。一个有趣的案例见图22B，其中将1-环丙基替换为环丁基使1-氟环丁基获得最佳效力。2,2-二氟环丁基基序由Grygorenko团队在2019年引入。他们制备了一组2,2-二氟环丁基分子片段，还表明2,2-二氟修饰与更对称的3,3-二氟单元相比降低了亲脂性并改善了水溶性（图22C）。对pKa的影响也进行了表征。Biogen发表的一个实验案例说明了从3,3-二氟到2,2-二氟环丁基替代对总体参数的改善，特别是在水溶性方面（图22D）。
氟化基序的最新成员是小型双环系统，其中双环[1.1.1]戊烷在药物化学研究中最为先进，近年来产生了至少6个临床试验候选药物。这种紧凑而刚性的分子片段在改善生物分子代谢稳定性和溶解度方面特别有效。有趣的是，实验工作表明双环[1.1.1]戊基片段可作为叔丁基的生物电子等排体类似物。因此，我们可以在单氟和二氟化叔丁基与单/二氟化双环[1.1.1]戊烷之间建立类比（图23A）。
尽管在生物分子研究中最近才出现，3-氟双环[1.1.1]戊基已出现在众多专利和少量药物化学论文中，其中它对结构代谢稳定性显示出特别有益的效应。例如，Lee等人优化了用于治疗化疗引起的周围神经病变的双亮氨酸拉链激酶抑制剂，发现了一种含双环[1.1.1]戊基取代基的高效物质。肝细胞代谢研究表明双环戊烷环是氧化代谢位点。氟化有助于改善代谢稳定性，同时保持同等活性水平（图23B）。晶体结构揭示3-氟双环[1.1.1]戊基位于入口位点，氟原子指向溶剂（图23C）。第一三共此前开发了DS21150768——一种用于癌症免疫治疗的口服活性造血祖细胞激酶1抑制剂（图23D）。该物质在小鼠癌细胞模型中显示出有效的肿瘤抑制。
2,2-二氟双环[1.1.1]戊基骨架是氟烷基基序库的最新成员之一，由Merck和Enamine在2019年独立引入。它最初作为1,3-取代连接体引入，模拟对位取代苯片段的亲脂性和体积但改善其溶解度（图23E）。然而，单取代2,2-二氟双环[1.1.1]戊基化合物最近才可用（图23F），这些结构已出现在Relay和Grünenthal的几项专利中。有趣的是，该基序类似于ZN-d5中的3-二氟甲基双环[1.1.1]戊基（图23G）。后者是抗凋亡Bcl-2调节蛋白的抑制剂，已进入用于淀粉样变性和白血病的1-2期临床试验。
当然，此处展示的氟有机基团反映了我们的选择，读者可能注意到缺少一些重要基序。理论上，适用于生物有机工程的氟烷基范围很广，仅受合成化学家的想象力和创造力限制。我们为任何遗漏道歉，并承认并非所有可能的基序都能包含在内。然而，我们相信所选的例子有效说明了最重要的概念，因此传达了使用小型氟烷基基序进行分子工程所需的背景信息。
6. 结论
过去几十年中，药物中使用的氟烷基范围已显著扩大，现包括各种部分氟化基团（含CF₃和不含CF₃的），如我们综述的两个专题章节（3和4）所讨论。含不含CF₃基团的新型农用化学品也已出现，如含1-氟乙基和2,2-二氟乙基部分物质，后者已上市。然而，这仍是一个不断发展的领域，我们预计未来几年将有更多结构进入商业应用。
为理解氟烷基部分的要求，有必要重新审视促成CF₃基团最初显著成功的关键特性：该基团紧凑且亲脂，对代谢清除高度抗性，能够在靶蛋白内部参与非极性和极性相互作用。如本综述多个示例所强调的，这些优势特性中有许多在其他部分氟化基团中得到保留。此外，这些替代氟烷基基序可提供进一步益处，如涉及可极化相邻C-H键的相互作用。不含CF₃的基团由于其与CF₃相比更不对称的拓扑结构，还可能增强溶解度。氟烷基基团的主要潜在限制是其空间体积。然而，我们的分析发现许多氟烷基保持相对紧凑。图5A和17中至少十个基团比异丙基更小，使其成为CF₃替代策略最可行的候选，而其他部分仅略大，可考虑替代更大的含CF₃片段。
然而，重要的是要注意，创新型部分氟化基团的代谢仍有待深入研究。虽然已发表了某些化学品代谢降解的研究，但这些通常只关注初始步骤，即所谓的代谢热点。鉴于PFAS法规目前正在全球范围内制定和实施，同样关键的是识别氟烷基的最终降解产物——许多在最初几个分解阶段后仍保持稳定。此外，当前的欧洲PFAS定义包括–CF₂–基团，这一分类在聚合物化学中可能是合理的，然而，对环境持久性的担忧在多大程度上适用于较小基团（如1,1-二氟乙基（4.3节）、2,2-二氟环丙基（4.7节）和3,3-二氟环丁基（4.9节）），仍有待观察。我们怀疑该定义可能过于粗糙，需要更多研究来改善未来的知情立法决策。即使对于含CF₃的基团，也需要更详细的研究来识别可能将降解从三氟乙酸转向无机物的结构和条件。