生物電子等排原理

“生物電子等排(bioisostere)”是由早期的“電子等排”發展而來的。1919年Langmuir提出凡是具有相同數目的原子和相同數目的電子，並且電子排列狀況也相同的分子、原子或基團(離子)稱為電子等排體。其在理化性質方面具有相似性，如O2-、F-和Ne，N2和CO、N2O和CO2，以及N03-與NCO等。1916年Hinsbeng提出“環等價部分”，即當芳香環的等價部分相互替代，不會顯著地改變理化性質。

1925年，Grimm總結了Hinsbeng和Huckel有關等價的概念，提出了“氫化物取代規律”，指出從週期表中第Ⅳ主族起，任何一種元素當與一個或幾個氫原子結合形成分子或基團時可以稱為假原子，即某一元素與一個氫原子結合形成的假原子的性質與比它高一族的元素相似，如CH和N；與兩個氫原子結合的假原子性質與較其高兩族的元素相似，如CH、NH及O相似。

1932年，Erlenmeyer將電子等排體的概念進一步拓展，即凡原子、離子或分子的外圍電子數目相等者為電子等排體，並首先把電子等排概念與生物活性聯繫起來，應用其解釋電子等排體生物活性的相似性。1947年，Hansch提出，凡在同一標準的實驗系統中能引起相似生化或藥理作用的化合物，均是電子等排體。1951年．Friedman提出了“生物電子等排”及“生物電子等排體”等新概念，把化合物的理化性質與生物活性聯繫起來。1979年，Thornber將電子等排體的概念總結，綜述為凡具有相似理化性質且由其產生廣泛的相似生物活性的分子或基團都應是生物電子等排體。 ^[1] 

生物電子等排體可分為經典和非經典兩大類。經典的生物電子等排體為按Grimm的氫化物取代規律形成的等排體，可分為：一價、二價、三價、四價及環內等價五種類型。例如，一價生物電子等排體在藥物先導化合物優化中的例子很多，主要包括F替代H，NH2替代OH，SH替代OH，F、OH、NH2、CH3之間的相互替換和Cl、Br、SH、OH(Erlenmeyer對Grimm的氫化物取代規律的擴展)之間的相互替換；二價原子或基團相互替換經典的代表系列為0、S、NH及CH；三價在經典電子等排體的運用中，最成功的例子即為芳環中CH=被NH=的替代；四價取代中最常用的為季胺鹽中氮原子與季碳原子的替換以及C和Si的替換等；環內等價主要有-CH=CH-，-CH=N-，-S-，-O-，-N=，-CH=等相互間的轉換。

非經典的電子等排體並不符合經典的電子等排體在電性及立體方面的定義，沒有相同原子數和價電子數，甚至是結構相差很大的基團，但只要它們的一些重要性質具有相似性，並能產生相似的生物活性，就可以稱它們為電子等排體，即非經典的生物電子等排體。它可進一步分為兩類：環與非環取代和具有相似極性效果的基團。如酚羥基官能團，其最常見的替代物為由於吸電子基團的存在而導致的酸性NH基團；羧基官能團通常被變為直系衍生物，如羥肟酸(R—CONHOH)、酰基胺氰(R—CO—NHCN)及酰基磺胺(R—CO—NHSO2R’)，其中酸性NH基團取代酸性OH基團；脲、硫脲、胍基及取代胍基也是此類電子等排體的代表官能團。 ^[1] 

在發展先導化合物時，通常需要對分子結構進行修飾。生物電子等排原理是分子結構修飾的常用手段。在對先導化合物進行生物等排取代時，通常需要考慮所改變基團的以下參數：大小、形狀（鍵角、雜化）、電子分佈（極性、誘導效應、電荷、偶極）、親油性、水溶性、化學活性（包括新陳代謝的可能性）、氫鍵能力。當然，任何一種生物等排取代都不可能使上述所有參數都得到協調發展，其有用程度取決於這些參數的重要性及其結構的可改造性。要弄清楚哪些參數是重要的，一般需從物質的結構、與受體間的相互作用、藥物動力學以及代謝作用等方面加以分析。 ^[2] 

在農藥創制中的應用

生物電子等排原理在農藥創制中，具有廣泛的實用性，比較突出的是其在擬除蟲菊酯分子設計中得到了充分的體現。炔呋菊酯1具有較強的觸殺作用，是製造電蚊香藥片的主要原料。用烯丙基、苄基取代炔呋菊酯1中的炔丙基可分別得到烯呋菊酯（japothrin）2和苄呋菊酯（resmethri）3，其中苄呋菊酯的藥效超過烯呋菊酯，而且合成也較烯呋菊酯方便容易。

苯基與吡啶基的交換可以形成七氟菊酯（Tefluthri）4和擬除蟲酯5，它們都是高效的土壤殺蟲劑。不僅如此，甲基與氯也可以替換，合成新的更穩定的擬除蟲菊酯。用氯取代丙烯菊酯6中的甲基，合成擬除蟲菊酯7的穩定性比丙烯菊酯好。

除了這些商業化的農藥品種外，運用生物電子等排原理來指導新農藥的創制和研究，這樣的例子是舉不勝舉。如劉麗等運用該原理設計合成的一系列芳氧苯氧丙酸酯類化合物對本科雜草有很好的除草活性。劉興平等依據生物電子等排原理，將肟醚結構引入苯甲酰脲中，合成得到的苯甲酰脲類衍生物對粘蟲有較好的殺蟲活性。隨着研究的深入，生物電子等排原理將會指導着更多的新農藥品種的發現與應用。

在醫藥創制中的應用

藥物化學研究中，生物電子等排取代法尋找先導化合物一般經歷從低級先導化合物、抽出部分結構、等排取代、高級先導化合物的過程。在對先導化合物進行合理生物等排取代時，通常需要考慮和分析所改變基團的各種參數，主要為大小、形狀(鍵角、雜化)、電子分佈(極性、誘導效應、電荷、偶極)、親油性、水溶性、pKa、化學活性(包括新陳代謝的可能性)、氫鍵能力等。當然，要求所選擇的生物等排體與原有部分的所有參數都相似是很難的，所以只要兩者在生物性質中起決定性的參數能夠匹配即可。

生物電子等排原理在藥物設計中的應用實例是相當豐富的，並在藥物開發中取得了顯著的成效。與生物節律密切相關的激素美樂託寧(melatonin)具有抗腫瘤、抗衰老、免疫調節和清除自由基等生理作用。根據生物電子等排原理，將其結構中的吲哚環替換為萘環得到的類似物S20098，具有很好的抗焦慮和抗抑鬱作用。

在濕法冶金中的應用

電子等排原理在新藥創制中得到了很好的應用，同時，它也能應用於開發選礦新藥劑的優化選擇上，尤其在濕法冶金中的應用較為廣泛。在濕法冶金中分離相似元素時，人們選擇分離試劑(如離子交換劑、萃取劑)大多帶有隨意性。且多從現有試劑中尋找，然後通過條件試驗調整各工藝參數。這種篩選方法工作繁瑣，週期冗長，同時也限制了淨化分離效果。實踐證明，根據電子等排原理設計新型分離試劑用於相似元素的分離，是一種行之有效的方法。一個典型的例子是鎳鈷分離。有機磷酸類萃取劑是從硫酸體系中分離鎳鈷的重要試劑，為了改進這種酸性含磷萃取劑，通過研究構效關係，發現酸性磷型萃取劑分子中取代基的極性效應和空間位阻對其分離性能有顯著影響，增大取代基的推電子能力和空間位阻均有利於分離。因此，通過改良，合成了多種有機磷酸類化合物物如PC-88A，Cyanex272和苯乙烯磷酸等，雖在一定程度上提高了試劑的選擇性，但分離性能的本質沒有改變。但作為一種新類型的萃取劑，這些磷酸硫代物的萃取效果更好，如二硫代二(2-乙基己基)磷酸(Cyanex301)在萃取鈷和鎳時pH值不同，當pH值為1～1．5時，可以只萃取鎳而與鈷實現分離。雖然Cyanex272的分離效果較好，但Cyanex301和Cyanex302的萃取能力遠比Cyanex272的萃取能力強，實際上，Cya-nex272，Cyanex301和Cyanex302分別互為電子等排體。 ^[1]