综述：1,3-二氮杂环丁烷-2-酮：氮杂-β-内酰胺家族中的合成方法与治疗前景

　　本综述系统总结了1,3-二氮杂环丁烷-2-酮（aza-β-lactams）的合成挑战与生物潜力。尽管其结构类似经典β-内酰胺抗生素，但通过形成水解抗性的酶中间体（如carbamoyl复合物），有望克服β-内酰胺酶（β-lactamase）介导的耐药性。主要合成策略（如[2+2]环加成）存在底物依赖性强和环逆转（cycloreversion）等问题，限制了发展。计算（in silico）与初步实验显示其在抗菌、抗癌及抗氧化方面的应用前景，但亟需合成创新以拓展结构多样性。

　　

引言

四元含氮杂环化合物在合成化学和药物应用中扮演着关键角色，其中β-内酰胺（β-lactams）作为青霉素（penicillins）、头孢菌素（cephalosporins）、单环β-内酰胺（monobactams）和碳青霉烯（carbapenems）等抗生素的核心结构，彻底改变了现代医学。然而，日益严重的抗生素耐药性问题——尤其是由β-内酰胺酶（β-lactamases）介导的耐药机制——推动了对新型支架的探索，以期保留或增强传统β-内酰胺的治疗效果。

在此背景下，氮杂-β-内酰胺（aza-β-lactams）作为有前景的结构类似物崭露头角。这些化合物在四元环中引入了一个额外的氮原子，可能赋予其更高的稳定性和对酶水解的抗性。过去40年间，大量研究聚焦于1,2-二氮杂环丁烷-3-酮（1,2-diazetidin-3-ones）的合成与评价，而其他氮杂-β-内酰胺变体——如1,3-二氮杂环丁烷-2,4-二酮（1,3-diazetidin-2,4-diones）、亚氨基-1,3-二氮杂环丁烷-2-酮（imino-1,3-diazetidin-2-ones）和1,3-二氮杂环丁烷-2,4-二亚胺（1,3-diazetidine-2,4-diimines）——则相对未被充分探索。值得注意的是，尽管1,3-二氮杂环丁烷-2-酮（1,3-diazetidin-2-ones）被预测为克服β-内酰胺酶介导耐药性的最有希望的氮杂-β-内酰胺候选物，但由于与该类化合物相关的合成挑战限制了其更广泛的应用和研究，对其的探索仍然有限。

合成

热[2+2]环加成

合成1,3-二氮杂环丁烷-2-酮（3）的最早尝试可追溯到20世纪下半叶初期，并与环加成化学的兴起密切相关。该领域的开创性工作由Huisgen、Richter和Ullrich独立完成，他们研究了异氰酸酯（2）与带有C═N官能团分子（1）的反应。从那时起，[2+2]环加成策略仍然是构建1,3-二氮杂环丁烷-2-酮（3）分子支架最广泛研究的方法。该方法通常涉及亲核性C═N官能团（1）——如亚胺（imines）、脒（amidines）、亚胺醚（imino ethers）或胍（guanidines）中的那些——与亲电性C═N官能团（2）（通常存在于芳基或烷基异氰酸酯中）之间的环加成反应。

然而，尽管其表观简单，[2+2]环加成并不总是产生所需的1,3-二氮杂环丁烷-2-酮（3）。在许多情况下，它会导致——部分或全部——不希望的副产物，这些副产物是通过1,3-二氮杂环丁烷-2-酮的开环和随后产生的无环中间体的反应形成的。反应的结果强烈取决于所使用的C═N亲核试剂的性质。

亚胺与异氰酸酯的反应及反应机理

正如之前提到的，Richter在1968年对该领域做出了首批贡献之一。值得注意的是，即使在他最初的研究中，也观察到醛亚胺（4）和酮亚胺（5）与芳基异氰酸酯（6）的[2+2]环加成不会产生相同的产物。此外，反应不仅产生了所需的1,3-二氮杂环丁烷-2-酮（7）（对于醛亚胺），或不希望的三嗪烷-2,4-二酮（8）（对于酮亚胺），还产生了多种副产物。

总之，Richter观察到只有富电子的醛亚胺4能以较低的产率（5-11%）提供1,3-二氮杂环丁烷-2-酮7，而当使用二甲氨基取代的苯基醛亚胺4时，产率显著提高，可达85%。使用带有吸电子基团（EWGs）的异氰酸酯6也对反应产率产生积极影响。另一方面，当使用空间位阻更大的酮亚胺5时，在反应条件下没有得到二氮杂环丁酮产物。唯一可分离的产物是三嗪烷-2,4-二酮8，它们被鉴定为最初形成的二氮杂环丁酮与第二分子异氰酸酯6发生开环/[4+2]-环加成的产物。这些发现激发了人们进一步阐明反应机理的兴趣，导致了几种反应中间体的分离和结构表征。一项全面而深入的实验研究最终提出了一个反应机理，并在三十年后的详细从头算（ab initio）研究中得到了支持。

公认的二烷基酮亚胺1与烷基异氰酸酯2的反应机理如图所示。反应通过逐步机理进行。第一步，化合物1的C═N键上的亲核孤对电子加成到异氰酸酯2的亲电碳上。得到的加合物9可以用四个共振结构（9A–9D）表示。

从反应性的角度来看，可以考虑两对共振结构。第一对，9A和9B，其特征是来自异氰酸酯的氧原子上带有负电荷，而正电荷要么在原始C═N基团的氮上（9A），要么在碳上（9B）。这种电荷分布表明有可能通过分子内环化形成恶唑烷-2-亚胺类物种10。然而，尽管在动力学上是可行的，但尚未观察到此类产物，表明该途径在反应条件下是不利的。

第二对，9C和9D，其特征是来自异氰酸酯的氮原子上带有负电荷，并且正电荷在起始亚胺官能团C═N的原子上的位置不同（在9C中在氮上，在9D中在碳上）。基于轨道几何和计算研究，9D似乎最能代表负责进一步反应性的电荷分布。这包括分子内环化以形成所需的1,3-二氮杂环丁烷-2-酮3，以及与起始原料——化合物1（橙色箭头）或2（浅蓝色箭头）——发生不希望的分子间[4+2]环加成。

形成3的分子内环化可能是最快的转化。然而，在典型的[2+2]环加成条件下，它也可能发生快速的环逆转。这种逆转可能再生原始的偶极中间体9（沿着红色键断裂），或者沿着先前的C═N σ键（以黄色突出显示的键）断裂，产生偶极中间体11C。尽管可以绘制11的四种共振形式（类似于9），但为清晰起见此处省略。中间体9和11仅在氮原子上的取代模式上有所不同（氮原子上的蓝色和橙色取代基互换）。这种取代模式的变化通过9和11与异氰酸酯2（浅蓝色）或亚胺1（橙色）的副反应变得明显。这些导致形成1,3,5-三嗪烷-2-酮12（来自亚胺）或1,3,5-三嗪烷-2,4-二酮13（来自异氰酸酯），每种都具有不同的氮原子取代模式。此外，中间体11与亚胺14和异氰酸酯15（以灰色显示）处于平衡状态，两者都可以作为[2+2]或[4+2]环加成的底物重新进入反应网络。

毫不奇怪，反应结果取决于底物的立体电子性质，这影响分子内（逆）环化（深蓝色）和分子间[4+2]环加成的速率。反应化学计量也起着关键作用：亚胺/异氰酸酯比例为2:1有利于形成12，而1:2的比例有利于13。值得注意的是，在适当的条件下并使用合适的亚胺1取代基，可以分离出偶极中间体9。

考虑到所提出的反应机理，可以很容易地合理化各种取代亚胺和异氰酸酯之间观察到的结果。

脒和亚胺醚与异氰酸酯的反应

除了广泛研究的亚胺C═N基团外，脒和亚胺醚也引起了科学兴趣。在此背景下，Arbuzov和Zobova通过研究环状脒42的反应性做出了开创性贡献。它们与酰基异氰酸酯15的反应以48%至61%的产率形成了螺环杂环44。

1973年，Seckinger研究了甲基或芳基异氰酸酯35与各种甲脒45的环加成。尽管使用红外光谱检测到了二氮杂环丁酮46的形成，但在任何尝试的案例中都无法分离出所需的化合物，推测是由于其不稳定性。据信发生了快速的逆[2+2]环加成。

然而，当使用过量的异氰酸酯35时，成功分离出了三嗪47——偶极反应中间体与异氰酸酯加成的产物，产率良好。

当使用肼衍生的脒48作为甲脒45的等价物时，观察到了甚至更有趣的结果。在这种情况下，逆[2+2]环逆转不仅产生了起始原料48和35，还产生了替代的环逆转产物52和53。异氰酸酯衍生物52然后与过量的异氰酸酯35进一步反应，以非常好的产率形成了稳定的两性离子盐55。

Kratz描述了ε-己内酰胺衍生的亚胺醚56a与芳基异氰酸酯6在室温下的反应。尽管反应通常需要约20天才能完成，但效率很高，以优异的产率专一地生成二氮杂环丁酮57。然而，分离出的二氮杂环丁酮57被发现是热不稳定的，并在加热时迅速发生逆加成。

相反，当较小的环亚胺醚56b和56c与芳基异氰酸酯6反应时，起始亚胺醚56发生原位异构化为相应的烯胺。在这些情况下，唯一分离出的产物是化合物58，由烯胺加成到异氰酸酯上产生。

有趣的是，在ε-己内酰胺衍生的二氮杂环丁酮57的情况下也观察到了亚胺-烯胺平衡。当化合物57在过量异氰酸酯存在下经受高温时，发生快速逆环化。产生的内酰胺基亚胺醚随后异构化为相应的烯胺，此类反应中唯一分离出的产物是嘧啶并氮杂?。

基于当前知识和可用实例，可以合理地假设为亚胺[2+2]环加成建立的反应机理也适用于当脒和亚胺醚用作类似[2+2]环加成反应中的亚胺等价物时。然而，在所得二氮杂环丁酮环内存在额外的外部孤对电子——无论是在氮还是氧原子上——似乎对四元环产物的稳定性起着关键作用。获得的结果强烈表明，这些化合物的热不稳定性源于氮或氧上的孤对电子与二氮杂环丁酮环内反键σ*_C-N轨道之间的不稳定相互作用。这种相互作用促进了在高温下的分解。

因此，毫不奇怪，唯一可分离且相对稳定的来自脒和亚胺醚的二氮杂环丁酮是那些[2+2]环加成产生双环产物的。在这种情况下，环外氮或氧原子上的孤对电子在几何上错位，因此无法有效地与二氮杂环丁酮环的反键σ*_C-N轨道相互作用，从而增强了所得化合物的稳定性。

胍与异氰酸酯的反应

与之前描述的所有其他C═N官能团试剂相比，胍（59）由于其更高的亲核性，与异氰酸酯（60）迅速反应。胍与异氰酸酯的首次有记载的反应是由Ulrich及其同事在1968年报道的。在这项研究中，正丁基和苯基胍（59a和59b）在苯中室温下与4-甲苯磺酰异氰酸酯（60a）反应。反应瞬间进行，以优异的产率提供了所需的二氮杂环丁酮（61a和61b）。然而，一旦以纯形式分离，即使在低温（0°C）下，二氮杂环丁酮也迅速发生环逆转，产生稳定的磺酰化胍（62）和相应的异氰酸酯（63）。延长反应时间也可以实现61、62和63的干净分解，使得该转化特别适用于合成各种异氰酸酯。

Schaumann及其同事采用了类似的方法来合成胍衍生的二氮杂环丁酮。在他们的研究中，胍（59）在醚中室温下与磺酰或酰基异氰酸酯（60）反应。有趣的是，在某些情况下，逐步[2+2]环加成的主要产物，化合物64，由于其低醚溶性而被分离出来。其结构通过X射线晶体学和NMR光谱确认。相反，无法分离出二氮杂环丁酮（61c和61d），并且在反应混合物中未检测到这些化合物的痕迹。它们的形成是从分解产物——胍（62）和异氰酸酯（63）的存在间接推断出来的。

总之，胍衍生的二氮杂环丁酮已被证明甚至比脒衍生的更不稳定，迅速发生逆[2+2]环加成，产生热力学更稳定的胍和异氰酸酯。该反应性可以有效地用于从容易获得的甲苯磺酰异氰酸酯制备烷基和芳基取代的异氰酸酯。胍基二氮杂环丁酮的不稳定性（反应性）可归因于环外氮基孤对电子的影响。

光化学[2+2]环加成

通过[2+2]光环加成合成二氮杂环丁酮直接受到DNA中核碱基光化学的启发——本质上是自然本身的启发。当Nishio及其同事开始合成二氮杂环丁酮时，他们从Taylor等人的工作中汲取灵感，选择取代的嘧啶酮作为光化学驱动的[2+2]环加成的起始材料。

Taylor团队最初专注于研究DNA在紫外光下的行为。他们观察到紫外线照射会对DNA核碱基造成显著损伤，引发相邻碱基之间的分子内反应，导致DNA损伤的形成。值得注意的是，当两个相邻的嘧啶型碱基（如胸腺嘧啶-胸腺嘧啶，TpT，65）紧密接近时，UV-B/C光可以引发[2+2]光环加成，形成环丁烷嘧啶二聚体（CPD）（66）。

同时，可以发生Paternò–Büchi [2+2]环加成，产生恶唑烷中间体（67）。这种不稳定的中间体迅速发生 proximity-induced, proton-mediated rearrangement，形成嘧啶酮衍生物（68），称为(6–4)光产物。这些(6–4)损伤可以进一步发生4π sigmatropic rearrangement，产生所谓的Dewar损伤（69），其含有二氮杂环丁酮环结构。

基于此先例，Nishio及其同事研究了取代嘧啶酮的光化学。他们观察到，当在苯中300 nm照射嘧啶酮70时，形成了双环Dewar型化合物71。环化反应被证明是可逆的：在200°C或254 nm照射下，双环71发生逆环化，再生原始嘧啶酮70。还值得注意的是，当实验使用4-氨基嘧啶酮——70的类胞嘧啶类似物（形成71f）时，没有发生反应。

随后尝试将双环71转化为结构更多样的二氮杂环丁酮。化合物71a的Pd介导氢化产生了完全饱和的双环72，其抗逆环加成稳定。然而，在非质子溶剂中臭氧分解化合物71被证明更具合成价值，生成了二氮杂环丁酮醛73。当使用CH₂Cl₂和质子溶剂（MeOH）的混合物时，反应同时产生了醛73和环状缩醛74。

从反应性的角度来看，进一步探索了双环71和醛73的转化潜力。在苯中加热N-芳基取代的双环71导致了喹啉75的形成。然而，更大的合成效用在于对醛官能化二氮杂环丁酮73的进一步修饰，这些可以容易地转化为氮杂-β-内酰胺类似物——这个话题在第3节关于二氮杂环丁酮生物学特性的部分有更详细的讨论。

过渡金属促进的一氧化碳插入反应

通过过渡金属催化成功合成二氮杂环丁酮的首次报道是由Hegedus和Kramer在1984年完成的，他们尝试通过铬卡宾络合物（76）与偶氮苯（77）反应来制备1,2-二氮杂环丁烷-3-酮（78）。该反应建立在Hegedus小组早期在涉及杂原子稳定铬络合物的铬介导复分解反应的工作基础上，该工作先前通过铬卡宾76与亚胺的光解反应实现了β-内酰胺的合成。

有趣的是，当在石油醚中0°C下用阳光照射铬卡宾76和偶氮苯77的混合物时，以31%的产率获得了不可分离的1:1的1,2-二氮杂环丁酮（78）和1,3-二氮杂环丁酮（79）的混合物。当改用Vita-Lite荧光灯管（发射范围：320–700 nm）照射时，总产率保持相似（34%），但产物分布显著转向有利于1,3-二氮杂环丁酮79（78:79 = 15:85）。涉及富电子、不对称偶氮苯的反应以79作为唯一产物，而缺电子、不对称偶氮苯未能产生任何二氮杂环丁酮衍生物。然而，在所有情况下，亚胺80都被观察为主要产物。

Hegedus和Lundmark进一步的机理研究揭示了一个复杂的反应途径，关键见解总结在方案中。转化的关键步骤是偶氮苯77的E/Z异构化，这是其与铬卡宾络合物76反应所必需的。一旦形成，络合物76可以通过两个不同的途径进行：一个涉及中间体81，受热力学控制，另一个通过两性离子加合物83，这是动力学有利的。照射后，中间体83可以转化为四元物种85，然后可能发生复分解反应，产生亚胺80和铬络合物84。或者，光解可能导致形成不同的两性离子中间体86。该物种随后碎片化为络合物87，后者与络合物88处于平衡状态。最终，络合物88产生了观察到的1,3-二氮杂环丁酮79a。值得注意的是，当使用其他金属卡宾络合物——例如基于钨或钼的——代替铬时，未观察到1,3-二氮杂环丁酮79的形成。最多只能检测到83和85的短寿命钨类似物。

十年后，Alper及其同事报道了一种直接且区域选择性的羰基插入到二氮丙啶89的氮-氮键中，专门导致1,3-二氮杂环丁酮90的形成。随后研究了该方法的范围和局限性，揭示了Pd催化的方法仅适用于3-单取代二氮丙啶89，而钴介导的反应仅当使用3,3-二取代二氮丙啶89作为起始材料时进行。值得注意的是，该反应对催化剂选择表现出明显的敏感性，仅在催化量（5 mol%）的Pd(dba)₂存在下进行。化学计量量或替代催化剂——如Pd(OAc)₂或各种铑(I)盐——均未能有效促进该转化。

所提出的机理始于PdL_n(CO)物种的生成，该物种与二氮丙啶89a空间位阻较小的氮原子配位。所得中间体91经历钯插入相邻的C-H键。这导致中间体92，在额外当量89a的辅助下，经历Pd迁移到二氮丙啶环的氮原子上，形成中间体94。该物种准备进行氮迁移到羰基上。得到的五元钯环95然后发生氢化物迁移，释放第二当量89a，随后Pd还原消除提供了所需的1,3-二氮杂环丁酮90a。然而，Pd(dba)₂独特催化活性的确切起源仍不清楚。

有趣的是，该反应在化学计量量（2.0 equiv）钴催化剂存在下也能进行，这与提出的钴介导转化的机理一致。根据该机理，二氮丙啶89d与Co₂(CO)₈在空间位阻较小的氮原子处反应形成络合物96。配位的钴然后插入N-N键，生成四元中间体97，该中间体经历分子内配体迁移以产生更稳定的五元中间体98。从该物种的还原消除释放出所需的1,3-二氮杂环丁酮90d。

值得注意的是，这两种转化在很大程度上仍未得到充分探索，并且以前未曾被用于合成1,3-二氮杂环丁酮。

生物活性

对1,3-二氮杂环丁烷-2-酮的兴趣可以追溯到20世纪90年代初，当时Nangia及其同事开始研究新型β-内酰胺类似物，作为解决日益严重的抗生素耐药性问题潜在方案。他们基于AM1的计算研究专注于鉴定β-内酰胺酶和转肽酶的有效抑制剂。这项工作的一个关键成果是将1,3-二氮杂环丁烷-2-酮确定为更广泛的称为氮杂-β-内酰胺的化合物类别中有前景的成员。

他们的研究表明，双环1,3-二氮杂环丁烷-2-酮衍生物特别有吸引力，因为它们预测的稳定性和高亲电性羰基的存在。该羰基能够与β-内酰胺酶相互作用，因为1,3-二氮杂环丁烷-2-酮支架与传统β-内酰胺是等配位的。从概念上讲，1,3-二氮杂环丁烷-2-酮衍生物相对于常规β-内酰胺的优势在于与β-内酰胺酶活性位点相互作用之后的步骤。当来自耐药细菌的β-内酰胺酶攻击β-内酰胺化合物如99时，它形成中间体100。然而，由于耐药性相关突变，所得酯键可以被水解，再生活性酶。

相反，当类似的1,3-二氮杂环丁烷-2-酮102被β-内酰胺酶靶向时，反应导致中间体103a，其中酶通过氨基甲酰键与打开的二氮杂环丁酮环共价结合。该中间体由其共振形式103b更好地表示，这突出了氨基甲酰键的稳定性及其对水解的降低的敏感性。

独立地，Coll及其同事在他们使用PM3半经验方法对β-内酰胺及其非天然类似物——即氮杂-、氧杂-和硫杂-β-内酰胺——进行理论研究时得出了类似的结论。他们的发现与Nangia一致，因为他们证明在四元环中引入额外的氮原子赋予了独特的电子特性，导致对β-内酰胺酶的增强——并且可能是不可逆的——抑制。该研究得出结论，氮杂-β-内酰胺的行为与克拉维酸（clavulanic acid）相似，将其定位为传统β-内酰胺抗生素的有前景的替代品。

基于该假设，Nangia及其同事使用Nishio的光化学[2+2]-环加成 followed by ozone-mediated ring opening合成了1,3-二氮杂环丁烷-2-酮73。该化合物随后被修饰以产生各种双环和单环1,3-二氮杂环丁烷-2-酮衍生物。制备了这些化合物的库并评估了其对革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的生物活性。值得注意的是，几种合成的化合物——特别是双环衍生物111和112——表现出比参考抗生素氨苄青霉素（ampicillin）更强的抑制活性，后者在这些测定中作为阳性对照。然而，由于评估中未包括抗生素耐药菌株，原始假设无法得到最终证实。

自2024年以来，几项研究报告了通过芳基亚胺与苯基或萘基异氰酸酯的成熟[2+2]环加成合成的1,3-二氮杂环丁烷-2-酮的抗氧化、抗真菌、抗菌和抗癌活性的初步评估。在所研究的大量化合物中，几种衍生物显示出有前景的生物活性。然而，需要进一步的研究来验证和扩展这些发现，并阐明潜在的作用机制。

总结与展望

1,3-二氮杂环丁烷-2-酮代表了一类结构有趣且具有药理学前景的氮杂-β-内酰胺亚类。尽管它们作为β-内酰胺类似物在概念上具有克服β-内酰胺酶介导耐药性的潜力，但其更广泛的发展受到合成限制的显著制约。主要的[2+2]环加成策略虽然基础，但存在底物依赖性高、易发生副反应和环逆转等问题，这些都限制了目标化合物的可及性。

替代合成方法——包括光化学和过渡金属催化方法——已显示出令人鼓舞的结果，但仍未充分发展且通常缺乏普适性。大多数报道策略的一个主要限制是要求1,3-二氮杂环丁烷-2-酮核心的氮原子上具有芳香取代，这缩小了可及衍生物的范围。

从生物学角度来看，计算和实验研究都一致强调了1,3-二氮杂环丁烷-2-酮作为β-内酰胺酶抑制剂和抗菌剂的潜力。它们的独特特性，特别是形成水解抗性氨基甲酰-酶中间体的能力，提供了一种引人注目的机制来规避已建立的耐药途径。最近的发现也暗示了更广泛的治疗潜力，包括抗氧化和抗癌活性。

然而，1,3-二氮杂环丁烷-2-酮的全部药理学潜力在很大程度上仍未开发。为了释放这种潜力，未来的研究必须优先开发能够获得非N,N'-二芳基衍生物的新型合成方法。这样的进展将促进对结构多样类似物的系统生物学评估，从而能够识别关键药效团和优化生物活性。在此背景下，探索超越[2+2]环加成和过渡金属介导羰基插入的合成策略尤为紧迫。其中，后者尤其未被充分探索，可能为创新提供更大的灵活性。

总之，虽然1,3-二氮杂环丁烷-2-酮仍然是一个未充分利用的支架，但其独特的结构和电子特性将其定位为持续寻找新型治疗剂中有价值的候选者。随着新的合成创新，这类化合物在药物化学的未来进展中持有重大前景。