fmoc氨基酸(“可强可弱”的喹啉：连接Sp3 C-H键活化和多肽固相合成的桥梁)

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德国化学家Fischer凭借合成糖类、嘌吟类化合物的贡献而获1902年诺贝尔化学奖，但实际上，他也是多肽合成的鼻祖。在Fischer之后的一百多年间，与肽相关的研究获得了十数次诺贝尔奖。其中，肽合成技术方面里程碑式的突破，当属R. Bruce Merrifield（1984年获诺奖）设计的一种可工业化的肽合成途径——肽固相合成（solid phase peptide synthesis，SPPS）。后来Lou Carpino将可在温和条件下快速脱除的9-芴甲氧羰基（Fmoc）用于保护α-氨基，进一步拓展SPPS的实用性。合成上的进展为多肽或蛋白质的应用提供了物质基础，但与治疗价值更加密切相关的是肽的空间结构，因为只有特定的构象才能产生特定的生理作用和稳定性，而这方面也是多肽药物设计的难点。

多肽的二面角类型。图片来源：Tetrahedron ^[1]

从1960年代开始，随着电子理论和对化学结构的理解加深，科学家可以建立二面角φ、ψ及ω与多肽次级结构（如螺旋、折叠、转角等）的关系。然而，同等重要的侧链对三维结构影响的研究却较少（由二面角χ¹、χ²等表示）^[1]。带β支链的非天然氨基酸是这方面研究的工具之一，可用于合成具有构象约束的肽配体。其中使用最多的是具有特殊的疏水相互作用模式和潜在的药物应用价值的β,β-双芳基化-α-氨基酸。β,β-双芳基化-α-氨基酸通常可采用β碳上连续Sp³ C-H键活化的方式构建，这方面已经有不少科学家（如Corey、Daugulis、余金权和陈弓教授）进行了研究，不过含有非对称β,β-双芳基的丙氨酸在应用于多肽合成上尚未报道。另外，固相合成要求的保护基多为在温和条件下快速去除的Boc和Fmoc等，而氨基酸β碳Sp³ C-H键活化需要稳定的双齿导向基团，如8-氨基喹啉（8AQ）。由于8AQ的除去多需要苛刻的条件，如臭氧解、镍催化的醇解、IBX的氧化等，这些条件与含有复杂官能团的多肽的兼容性很差，尤其是色氨酸，会形成螺环而无法除去8AQ。也有报道称Boc酸酐可以通过两步实现8AQ衍生的氨基酸的转酰胺化，但也仅限于位阻较小的底物。

β,β-双芳基化-α-氨基酸的应用。图片来源：Chem. Sci.

经过以上讨论，丙氨酸β碳上Sp³ C-H键活化看上去似乎并不困难，需要重点解决的是导向基团的脱除，否则无法应用于SPPS。考虑到这些，导向基团的去除方法必须满足以下几点要求：（1）官能团兼容性高；（2）不影响立体化学；（3）与标准的SPPS保护基兼容；4）大量应用时收率较高。2014年，Scripps研究所的Philip E. Dawson教授改进了自然化学连接法（Native Chemical Ligation），引入酰基脲作为活性中间体（即Dawson’s linker：MeNbz）构筑含半胱氨酸残基的多肽^[2]。基于这一发现，近日德国马尔堡大学的Armin Geyer教授课题组开发了一种两步法（还原+成脲）将N-酰基-8-氨基喹啉转化为活性中间体Nbz^cyc——他们称为“酰胺弱化（amidic weakening）”策略，再通过SPPS将Sp³ C-H键活化产生的β,β-双芳基化-α-氨基酸引入到多肽中。结果发表在Chemical Science 上。

C-H键活化及C端修饰的多肽的Linker设计。图片来源：Chem. Sci.

为了验证概念的可行性，研究人员先进行了模板反应：用二氧化铂对Phth-Phe-8AQ催化氢化得到四氢喹啉衍生物1（重复性较差），然后用三光气将8位氨基和四氢喹啉上氨基关环成脲得到2（类似Dawson’s linker）。让人欣喜的是，后者用常规水解条件LiOH/H₂O₂处理就能得到干净的Phth-Phe-OH而不影响phthalimide保护基或使Nbz^cyc发生脱羰基副反应，表明这种酰胺弱化策略是可行的。对于新出现的喹啉还原问题，研究人员考虑利用Rueping等开发的Hantzsch酯氢转移反应尝试解决。然而，β,β-双芳基化-α-氨基酸衍生物4在60℃下12 h只有42%的收率；升高温度到80 ℃却意外发现产率严重下降，反而是在室温下反应三周产率高达94%。

概念验证实验和喹啉还原的初步尝试。图片来源：Chem. Sci.

研究人员分析可能是Hantzsch酯在高温下发生歧化反应生成相应的吡啶和四氢吡啶6造成的还原剂损耗，因为强酸DPP会对Hantzsch酯进行质子化后形成亚胺离子进而与底物5竞争Hantzsch酯。从下图中2-甲基喹啉（喹哪啶）和Phth-Phe-8AQ与Hantzsch酯HE^Et的竞争实验也间接验证这一猜测：由于2-甲基喹啉更易质子化，且甲基拥有稳定亚胺阳离子中间体的作用，2-甲基喹啉定量的被还原成四氢喹啉，而氨基钝化的Phth-Phe-8AQ却丝毫未动。

竞争实验。图片来源：Chem. Sci.

研究人员认为Lewis酸可以降低喹啉上酰胺的供电子能力，弱酸可以减少Hantzsch酯的歧化反应。通过大量的条件筛选，在LiBr和甲酸的配合作用下，只需在40 ℃反应16 h就能以99%的收率得到Phth-Phe-8AQ还原产物1。

8AQ还原的条件筛选。图片来源：Chem. Sci.

解决了8AQ的还原问题，研究人员进行了从L-丙氨酸β碳连续Sp³ C-H键活化、8AQ还原、三光气成脲Nbz^cyc到LiOH/H₂O₂水解，克级规模制备了双芳基化丙氨酸11（Fmoc-Wsf(Boc)-OH）。值得一提的是，C-H键活化在N-Boc-3-碘吲哚这里遇到了些困难，筛选了几种银盐添加剂（AgTFA、AgOAc、AgBF₄、Ag₂CO₃和Ag₂CO₃/(BnO)₂PO₂H)）后发现，AgTFA/Pd(OAc)₂/叔戊醇体系能以83%的收率得到C-H键活化的产物7。对于11的非对映异构体12（Fmoc-Wrf(Boc)-OH）的合成，则只需从D-Phth-Phe-8AQ开始，与N-Boc-3-碘吲哚进行偶联后再经历相同步骤便可克级制备。

两种砌块11和12的克级合成以及中间体的晶体结构。图片来源：Chem. Sci.

有了合成砌块也验证了酰胺弱化后除去8AQ（水解）的假设，但到底能不能应用在肽合成中尚未可知。从获得的Phth-Wrf(Boc)-8AQ（rac–4）和Phth-ala-Nbz^cyc（13）两种晶体结构的Winkler–Dunitz参数可知：Nbz^cyc上的扭转角τ和χN以及羰基和脲之间的C-N键长也比相应rac–4大；通过COSNAR计算也表明13酰胺键共振能ER也比rac–4降低9.6 kcal mol^-1，也就是说13的酰胺性amidicity（类似芳香性）是相对降低的，这就解释了13相对高的水解反应性来源。为了验证氨解是否也能顺利发生，研究人员合成了活化酰胺15，发现其在Hünig碱作用下可与甘氨酸甲酯以82%的收率生成二肽17。

rac–4与13晶体结构的Winkler-Dunitz参数及形成肽键的验证。图片来源：Chem. Sci.

进一步的，研究人员将活性酰胺15与键合在树脂上的二肽19（Leu-enkephalin）进行缩合，然后三氟乙酸脱去Boc和树脂得到三肽20，这也验证了Nbz^cyc是可以应用在SPPS中的。最后，研究人员利用这种策略完成了色氨酸笼（Trp cage，TC5b）两个突变体21和22的合成，因为这类多肽是研究蛋白质折叠机理的理想模型，其中色氨酸-6的吲哚环位于疏水核的中心。研究人员通过NMR对两种突变体和原始的TC5b进行对比，关键残基的化学位移偏差来表示折叠分数（CSD值），结果发现尽管两种突变体保持了TC5b的α-螺旋，但突变体21相比22更接近TC5b的折叠状态。

多肽合成和CSD值比较。图片来源：Chem. Sci.

总结

通过天然氨基酸β碳Sp³ C-H键活化已经成为制备非天然氨基酸的重要手段，但由于要使用难以去除的导向基团，常常限制这种方法在肽固相合成中的应用。Armin Geyer教授课题组的工作在C-H键活化和多肽固相合成这两种变革性合成方法中架起桥梁，两者结合起来，或能为研究蛋白质的折叠机制及其生物活性提供强有力的合成工具。

原文

Directed C(sp³)–H arylation of tryptophan: transformation of the directing group into an activated amide

Lennart Nicke, Philip Horx, Klaus Harms, Armin Geyer

Chem. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C9SC03440D

参考文献：

1. S. E. Gibson, N. Guillo and M. J. Tozer. Towards control of χ-space: Conformationally constrained analogues of Phe, Tyr, Trp and His. Tetrahedron, 1999, 55, 585-615, DOI: 10.1016/S0040-4020(98)00942-9

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040402098009429?via%3Dihub

2. J. B. Blanco-Canosa, B. Nardone, F. Albericio and P. E. Dawson, Chemical Protein Synthesis Using a Second-Generation N-Acylurea Linker for the Preparation of Peptide-Thioester Precursors. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 7197-7209, DOI: 10.1021/jacs.5b03504

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5b03504

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供稿：峰千朵

审校：龙须友