氨基酸 构型(不用过渡金属催化剂的-氨基酸不对称芳基化)

大家都知道氨基酸是蛋白质的基本组成单位，而蛋白质又是构成细胞的基本物质，是生命活动的基础。可以说，没有氨基酸就没有地球上的生命。如此重要的氨基酸，化学结构却不复杂，可以看成是碳链上含氨基取代的羧酸，按照氨基修饰的位置可以分为α-，β-，γ-氨基酸等。α-氨基酸是指氨基在羧基的邻位，生命体中的蛋白质主要由20种氨基酸组成，均为α-氨基酸。基于氨基酸制备的药物具有生物相容性好、适应症广等优点。α-季碳氨基酸作为α-氨基酸的衍生物，与氨基和羧基同时相连的α-碳上2个氢原子均被其他碳取代基取代，具有良好的刚性结构，可有效改变多肽的构象和生物活性，广泛存在于天然药物等生物活性分子中，具有重要的应用价值。目前人们已发展了一些氨基酸α位对映选择性烷基化的方法，但α位的对映选择性芳基化则存在诸多挑战。

图1. 具有手性的氨基酸和季碳氨基酸的结构式

近期，英国布里斯托大学的Jonathan Clayden教授（点击查看介绍）等人从光学纯的氨基酸出发，将其转化为相应的N’-芳基脲中间体，互变异构后得到脲类阴离子衍生物，并发生N-to-C芳基迁移，由此实现了α-季碳芳基氨基酸的对映选择性合成（图2）。该反应无需使用过渡金属催化剂，不管芳基修饰给电子取代基还是吸电子取代基、杂环取代基均可以顺利地参与反应，还能完成克量级规模的合成。相关工作发表在Nature上。

Jonathan Clayden教授。图片来源：University of Bristol

图2. 基于N-to-C芳基迁移反应对α-氨基酸进行立体选择性芳基化。图片来源：Nature

对于氨基酸的α-烷基化反应，手性氨基酸既作为起始原料，又作为手性来源。该方法通过将氨基酸转化为相应的手性咪唑啉酮或噁唑啉酮得到新的立体中心，形成平面氨基酸烯醇化物时立体中心的构型保持，随后发生烯醇化物的直接烷基化形成季碳手性中心，其绝对构型得到很好的控制。脲类阴离子衍生物的N-to-C芳基迁移机理最早发现于使用构型稳定的有机锂试剂构建立体季碳中心，该方法可用于制备外消旋的5,5-二取代的乙内酰脲。作者想到基于咪唑啉酮的烷基化可能实现分子内的芳基化过程，由此得到常规方法难以制备的光学纯的α-芳基氨基酸。

基于N-to-C芳基迁移反应对α-氨基酸进行芳基化的过程如下所示，以丙氨酸的芳基化为例，底物L-AlaNHMe与^tBuCHO及CF₃COOH反应得到反式非对映选择性的咪唑啉酮三氟醋酸盐，随后与三光气作用原位发生氯甲酰化形成N-氯甲酰基咪唑啉酮衍生物1-Ala（图3a），产物中trans–1-Ala与cis–1-Ala的比例为4：1，可通过柱层析轻松将两者分离，并以X射线单晶衍射与NOE实验确定了其相对构型（图3b）。作者接着分别从trans–1-Ala和cis–1-Ala出发制备trans–3-Ala-a和cis–3-Ala-a。cis–1-Ala在CH₂Cl₂中回流对N-甲基苯胺酰化可顺利形成cis–3-Ala-a，trans–1-Ala中N-CO键旋转较为困难，反应活性较低，需加入KI活化并延长反应时间方能得到理想的产率。最后，trans–3-Ala-a和cis–3-Ala-a在KHMDS的作用下形成相应的烯醇式，恢复至室温可有效发生N-to-C 1,4-芳基迁移，得到产物4-Ala-a和ent–4-Ala-a，两者的对映体比率都大于99:1。此外，4-Ala的任意一种对映异构体均可从相同的L-Ala原料出发，简单改变反应路线进行制备（图3a）。

图3. 基于咪唑啉酮衍生物对α-氨基酸进行芳基化。图片来源：Nature

基于丙氨酸芳基化的实验结果，如果将这一方法用于其他氨基酸的芳基化存在两个问题：（1）尽管cis–1在KI的存在下可成功转化为cis–3-Phe，但是上文已提到，氯甲酰化过程中cis–1的产率很低；（2）trans–1的活性较低，如果氨基酸不是丙氨酸时trans–3很难通过这一过程得到。但是作者发现，无论是trans–1-Ala、trans–1-Phe还是trans–1-Leu，与N-甲基苯胺和过量KHMDS作用得到的烯醇化物阴离子物种不仅能够促进苯胺的酰化反应生成trans–3，还能促进3的去质子化和重排生成4（图3a，method B），该方法的产率高，选择性好。另外，作者为了找到同样有效率的方法合成ent–4，发现cis–3-Ala可以通过亚胺2-Ala与N-甲基-N-苯基氨基甲酰氯发生酰化反应直接得到，产物在method A条件下反应即可得到ent–4。4在酸性条件下水解可以得到α-芳基氨基酸5（图3e）。

作者还对N-to-C芳基迁移反应的适用范围进行考察，无论芳基的取代基是卤素（c-g）还是大位阻基团（l，h），反应均可以顺利进行，富电子及贫电子的苯环、杂环均可以与反应较好地兼容。对于氨基酸的芳基化，除了丙氨酸、苯丙氨酸和亮氨酸之外，甲硫氨酸、酪氨酸和色氨酸也都可以很好地参与反应。对于酪氨酸的芳基化，羟基无需保护。而对于苯基甘氨酸，由于底物位阻较大，反应效果较差。

图4. 氨基酸α-芳基化的底物适用范围。图片来源：Nature

最后，作者还研究了3的烯醇化物重排形成4的机理，利用原位红外光谱表征重排反应的动力学，以Hammett常数ρ反映重排反应受电子结构的影响（图5）。作者以cis–3-Ala-a作为模板底物，室温下在四氢呋喃中与KHMDS作用，重排过程中没有其它中间体形成，说明室温下烯醇化物的形成速率低于重排的速率。当反应将KHMDS换成二异丙基氨基锂（LDA），并将温度调至-20 ℃以降低反应的速率，此时发现有中间体（烯醇化物C）存在（图5a，b）。烯醇化物C不存在cis–3-Ala-a中C=O的伸缩吸收峰（1710 cm^-1），而有尿素（1630 cm^-1）和芳香基（1500-1600 cm^-1）的吸收峰，并且烯醇化物C减少的速率与cis–3-Ala-a和trans–3-Ala-a一致，由此证明烯醇化物C是这对非对映异构体重排时的中间体。将cis–3-Ala-b和cis–3-Met-c的混合物与KHMDS反应，产物的质谱中只有4-Ala-b和4-Met-c的分子离子峰，证明重排反应是分子内进行的。作者还用Hammett图证明了重排反应是按照一级动力学进行的，当取代基是缺电子时，反应的决速步是烯醇化物的形成；富电子取代基时Hammett常数在数值上比传统S_NAr反应的小，可能是因为反应中没有出现像Meisenheimer复合物的中间体，富电子取代基修饰的底物在该重排反应中无明显活性，作者认为这是由于脲键导致的构象限制会促进烯醇盐进攻芳香环。

图5. 重排反应的机理研究。图片来源：Nature

——总结——

Jonathan Clayden教授基于N-to-C芳基迁移过程实现了α-氨基酸的芳基化，由此对映选择性合成了多种α-季碳芳基氨基酸。该反应还可实现克量级规模的合成，适用范围广泛，在构建新药物分子等方面具有重要的应用价值。就像Jonathan Clayden教授本人所说，“这项研究让我们将科学好奇心转化为一种真正实用的合成化学物质的新方法，将为科学家提供一套全新的修饰氨基酸的方法，能够用于合成新药或修饰蛋白，使他们能够在理解自然生化系统或治疗疾病方面取得重要的进展。”