肽链氨基酸蛋白质

C-H键活化做“针线活”——肽连接及环肽合成

本文来自微信公众号：X-MOLNews

生物分子的后期衍生化不仅对生物化学具有重要意义，而且对学术界和制药业也产生直接影响。在各种生物分子中，非天然氨基酸由于能够改变肽的构象、提高肽的生理活性以及减少天然肽蛋白酶对肽的降解而受到更多的重视；和链状肽相比，环肽的构象往往更具有刚性，与目标位点结合也就更强；同时环肽没有暴露的端位氨基和羧基，不易被蛋白酶识别而降解。近年来，通过钯催化的交叉偶联反应可以实现肽的修饰及环肽的合成，但是该策略需要两种底物同时官能团化；和传统的交叉偶联反应相比，通过C-H键活化就能避免这个缺点。虽然Lavilla/Albericio、Chen、Ackermann和Yu等人通过贵金属催化的C-H键活化实现了氨基酸和肽的官能团化，但是这些反应往往需要使用有毒且昂贵的金属钯催化剂，使得反应的原子经济性低，同时也会带来贵金属残留问题。

相比之下，锰（Mn）元素地球储量丰富且更安全，在催化C-H键活化/官能团化方面也取得了一定进展。然而，将其用于肽修饰和大环化的催化却鲜有报道。长期以来，德国哥廷根大学的Lutz Ackermann教授课题组致力于研究金属催化的C-H键活化，前期主要围绕Ru催化，近期的研究重心则转向了Mn元素。近日，他们首次报道了Mn（I）催化的肽的C-H键加氢芳基化反应，实现了复杂肽的后期衍生化，同时还可以用来合成环肽（图1）。该反应不仅条件温和，而且官能团耐受性好。相关成果发表在Science Advances 上。

图1. 碳氢键活化实现肽连接及合成环肽。图片来源：Sci. Adv.

首先，作者选择色氨酸衍生物1a及炔丙酸酯2a为模板底物，在MnBr(CO)5 (10 mol%)为催化剂、NaOAc（30 mol%）为添加剂的条件下系统地对比了不同溶剂及反应温度对该反应的影响（图2）。在温度为100 ℃时，DME和1,4-dioxane作为溶剂时反应效果最好（entries 1-6）；为此，作者固定反应溶剂为1,4-dioxane，并对比了温度对反应效率的影响，发现在60 ℃时反应仍能以97%的收率进行（entries 7-9）；对照反应表明醋酸钠添加剂、锰催化剂及2-吡啶导向基团对反应都至关重要（entries 10-12）；值得一提的是，对于普通的吲哚类衍生物，该反应也能顺利进行，说明了氨基酸部位对于该反应并非必须（entry 13）；除了普通的炔丙酸乙酯，该反应还能和丝氨酸衍生的炔丙酸酯2b进行偶联，显示了该反应在连接复杂氨基酸领域的应用潜力（entries 14-16）。

图2. 反应条件的优化。图片来源：Sci. Adv.

在获得最优条件后，作者对该反应的底物范围进行了评估（图3）。结果显示不同氨基酸衍生的炔丙酸酯都能与带有2-吡啶导向基团的色氨酸进行偶联得到二肽衍生物（3b-3d，图3A）；除了炔丙酸酯，底物1还能与1,2-二苯基乙炔反应得到含有三取代烯烃的色氨酸衍生物（3e-3f，图3B）；除了二肽的合成，作者也展示了把带有2-吡啶导向基团的色氨酸引入到更复杂二肽的反应效果，结果显示该反应可以用来合成多种三肽（3g-3n，图3C），且可以耐受多种官能团（如脂肪醇、苯酚、硫醚、含氮化合物）；最后，作者还用该反应对天然产物brevianamide F 和fellutanine A的类似物进行了后期官能团化（3o-3p，图3D）。以上反应收率在66%-95%之间，显示了让人满意的偶联效率。

图3. 简单肽底物范围研究。图片来源：Sci. Adv.

在此基础上，作者尝试能否用该方法合成更复杂的肽（图4）。当把含有2-吡啶的色氨酸引入到复杂的肽链后，利用该反应就可以实现复杂肽链与含有各种氨基酸基团的炔丙酸酯的偶联（4a-4g，图4A），且收率中等至较高（65-88%）；除了氨基酸衍生的炔丙酸酯，其它天然产物衍生的炔丙酸酯也能与色氨酸底物进行偶联，以较好的收率（72-95%）得到目标产物（5a-5e，图4B）。这些例子进一步说明了该反应在后期修饰含有色氨酸的肽链中具有非常重要的应用价值。

图4. 复杂肽的合成。图片来源：Sci. Adv.

为了进一步证明该反应的应用价值，作者对模板反应进行了克级规模合成（图5A）：即使在2克规模下，目标产物的收率也能达到98%；随后，作者对含有二硫键的底物6进行了衍生化，在进行完C-H键偶联反应后，通过二硫键还原便可得到三肽7，两步总收率61%；如果在C-H键偶联反应后再进行另外一步C-H键衍生化，则可以在色氨酸2位引入不同的烯烃基团，从而以两步67%的收率得到衍生物8（图5B）。

图5. 合成应用。图片来源：Sci. Adv.

正如前文所述，环肽由于具有许多特点而受到越来越多的重视，但是环肽特别是中环和大环肽的合成仍颇具挑战性，这是因为中环和大环在关环时具有非常不利的熵效应，底物反应时往往会进行分子间反应而不是分子内的关环反应。值得一提的是，作者利用该方法合成了一系列中环和大环肽（15-22元环）。如图6A所示，通过把带有2-吡啶的色氨酸和炔丙酯基团引入到同一个肽链中，然后在最优条件下进行反应，色氨酸2-位即可与炔键发生关环反应形成环肽（10a-10q）。需要指出的是，该关环反应需要用到高度稀释的反应条件以避免可能的二聚和三聚副反应。在得到环肽后，通过两步反应即可去除色氨酸中的吡啶导向基团（图6B）。进一步的生理活性研究发现这些环肽具有一定的抗癌活性，同时肽骨架的微小变化就会对环肽的生理活性产生巨大的影响（10h及10j，图7）。

图6. 环肽的合成。图片来源：Sci. Adv.

图7. 环肽的抗癌活性。图片来源：Sci. Adv.

总结

在这篇文章中，作者报道了一个金属锰催化的含有吡啶导向色氨酸的肽链官能团化的新反应。该反应具有高度的化学选择性，可以与许多极性官能团兼容，在几乎中性的条件下实现色氨酸2-位与炔丙酸酯的偶联；由于反应条件温和，所以该反应并不会引起天然氨基酸的消旋；同时该反应还可以用来合成中环和大环肽化合物。考虑到该反应的高效性及肽与环肽化合物在许多领域中的应用价值，可以预见该反应将会受到不同领域的广泛重视。

Late-stage stitching enabled by manganese-catalyzed C─H activation: Peptide ligation and access to cyclopeptides

Nikolaos Kaplaneris, Felix Kaltenh?user, Giedre Sirvinskaite, Shuang Fan, Tiago De Oliveira, Lena-Christin Conradi, Lutz Ackermann

Sci. Adv., 2021, 7, eabe6202, DOI: 10.1126/sciadv.abe6202

（本文由波纹供稿）

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