氨基烷基自由基作为合成非天然氨基酸和肽的有力中间体
- Adam Aycock, Cameron J. Pratt, and Nathan T. Jui
美国佐治亚州亚特兰大埃默里大学化学与癌症研究所
摘要：已开发出一种将未活化的叔胺直接添加到脱氢丙氨酸（Dha）衍生物中的稳健方法。该方法由光氧化还原催化剂和光驱动，通过C–H官能化机理起作用，其中alpha;-氨基自由基的形成实现了高度化学选择性自由基共轭物的添加。这种温和的方案可有效激活高度复杂的胺结构，与一系列Dha底物偶联，从而提供非天然氨基酸和肽。
关键词：生物共轭； 氨基酸； 光氧化还原催化；自由基；胺；肽
在现代有机合成中生物分子的化学修饰是一个重要挑战。涉及酶促连接系统[1] 或程序纳入非天然氨基酸[2]的简明生化方法已经被开发。这些方法结合双正交的“点击”反应[3,4]，在非天然蛋白质和/或肽合成中起核心作用。另外，有许多影响巨大的化学方法可以利用特定残基（例如半胱氨酸，赖氨酸，N端胺）的天然反应性来实现生物结合[5-8]。然而，亲核物种的丰富性，对水介质的要求和严格的保暖刚性（热固性）是将其他反应模式转化为合成肽操作的巨大障碍。最近的研究进展包括烯烃复分解[9,10]，亲核芳香取代(SNAr)[11,12]， 和过渡金属介导[13-16]的合成方法，即使是在非常复杂的环境中，用这些方法操作也可以得到令人印象深刻的效率和选择性。
自由基中间体以其在极性，富含杂原子的环境中化学选择性地与烯类发生化学反应的独特性而闻名。MacMillan已经证明了光氧化还原催化对C-末端羧酸盐的选择性活化具有显著能力[17,18]。在单电子氧化和脱羧后，产生的自由基在大环化过程或位点选择性分子间连接中与共轭受体反应，效率非常高。Davis [19]和Park [20]独立证明了伯烷基自由基（通过相应卤化物的化学计量还原而形成）经过自由基共轭加成脱氢丙氨酸(Dha)，由此引入了一种通过C-C键的形成而改变主链的新方法。事实强调这种方法的强大之处在于，即使在完整的蛋白质中，也存在许多有效生产Dha残基的方法[21]。我们描述了一种通过光氧化还原C–H官能团化机制（图1所示），这种机制利用未活化的叔胺作为有效结合Dha的底物，是一种选择性位点结合肽的替代方法。
- 图1 直接将未活化的胺共轭添加到脱氢丙氨酸中的策略
通过形成alpha;-氨基自由基，胺底物的光化学活化成为了一种有效的合成途径。在Mariano和Pandey的开拓性工作的基础上[22,23]，除了MacMillan[24]的研究之外，还有Reiser[25]，Nishibayashi[26]，Yoon [27,28]和其他的一些研究者[29-33]也已经证明了可见光光氧化还原催化产生的alpha;-氨基自由基[34,35]，可以用于各种有效的合成转换中。这些自由基中间体与一系列烯烃底物结合，其中最一般的体系涉及官能团化的胺底物类（例如，alpha;-甲硅烷基胺，氨基酸或氨基烷基硼酸酯）与缺电子烯烃的反应。未官能团化的胺衍生物也可作为这些自由基中间体的前体，通过直接氢原子萃取[36]或顺序单电子氧化/Cminus;H脱质子[37-40]的方法。重要的是，最近Yoon[28]、 Melchiorre[32]、Kang[41]、Gong[42]和Meggers[43]描述了不对称胺自由基共轭加成过程，这个过程使用了苯胺或含有可碎裂基团的胺。在这里，我们证明了一系列未活化的复杂胺亚型与Dha底物发生反应的效率极高。该方法在温和条件下操作，产生具有完全非对映体控制的非天然氨基酸衍生物。此外，这一过程的高度化学选择性使肽官能团化的新系统得以发展。
为了评估这种胺-Dha共轭物添加的可行性，我们研究了N，N-二甲基苯胺与Karady-Beck手性Dha底物的偶联[44-46]（有关详细的反应开发，请参阅支持信息(SI)）。在蓝色LED照射下，铱基光氧化还原催化剂Ir [dF(CF3)ppy] 2(dtbbpy) 在乙腈中以优异的效率完成所需的胺共轭物加成。根据图1所示的机理图，在形成氧化性alpha;-氨基自由基之后，将自由基共轭物添加到Dha底物中，还原生成的自由基后，质子化相应的烯醇化物得到所需的产物。受到Molander的报告的启发[47]，我们选择利用加性调查/添加调查（additive survey）来快速评估概述过程的化学选择性。概述的催化胺偶联反应对吲哚、苯酚、丙酸钠和咪唑(分别作为色氨酸、酪氨酸、羧酸和组氨酸的模型)具有耐受性。虽然硫醇共轭物的添加是竞争的，但这一过程也与添加的丁基硫醇(作为半胱氨酸的替代物)一起起作用。
我们再次使用Karady-Beckwith Dha作为偶联剂，研究了胺底物的范围。如表1所示，一系列具有不同电子性质的苯胺衍生物顺利地进行活化和氨基烷基共轭加成，得到对顺式异构体的具有完全选择性的相应非天然氨基酸衍生物（与先前的发现[46]相一致；参见SI的脱保护条件，对映体纯度分析）。我们发现含吸电子基团的苯胺底物在这些条件下尤其活跃。例如，干净地保留了重要的双正交偶合单元的苯甲醛官能团，期望的产物1的产率为91%。尽管相应的邻或对甲氧基苯胺衍生物没有反应，但3-甲氧基取代的苯胺已顺利转化为恶唑烷酮2（81％的产率），这与先前的发现[28]相似。如预期的那样，芳基溴在这些条件下被保存，以84％的产率得到3，包含了进一步官能团化的处理。重要的是，芳胺单元不需要与Dha有效偶联。具体来说，甲基二环己胺反应得到的5是唯一的产物，而使用N-甲基吗啉得到三个同分异构体产物。在这种情况下，主要产物（6，形成为单个非对映异构体）是由甲基活化产生的，两个次要产物是由内环alpha;-亚甲基位置的前手性面的加成产生的。我们观察到选择性形成了烯丙基和炔丙基胺7和8 （产率分别为82％和25％），虽然可点击的（clickable）炔烃底物的转化率较低。
表1. 手性脱氢丙氨酸(Dha)的胺C-H活化/共轭加成：叔胺范围
受这些结果的鼓舞，我们将该系统应用于复杂生物活性叔胺的直接官能团化。在标准条件下，吗啡胺右美沙芬和钙通道阻滞剂地尔硫卓中N-甲基发生选择性活化，在可接受的产率下产生9和10（分别为64%和62%）。N-芳基哌啶瑞格列奈的区域选择性反应产生了两个等量的非对映异构体（总产率为71％），这是由非选择性的亚甲基活化引起的。最终，在标准条件下顺利地从复杂的生物碱士的宁中释放出12。在这种情况下，叔胺的活化导致区域异构体产物（由表1中星号表示），这是由于烯烃同时添加到D环和E环的凸面而产生的。除非另有说明，所示的产物是由核磁共振和高效液相色谱分析确定的完全区域控制形成的。
接下来，我们研究了将复杂的胺直接添加到Dha肽中，结果显示在表2中。我们使用标准溶液-相肽-偶联程序制备了Dha肽13，随后消除内部半胱氨酸硫醇。在稍微改变的条件下（5.0当量胺，1mol％光催化剂，蓝光，DMSO，室温），通过HPLC观察到胺底物的有效共轭加成。区域化学分配(即胺活化位点)类似于表1中的RCA加合物，产率指的是制备型高效液相色谱法获得的非对映体混合物的分离产率。瑞格列奈可以直接以良好的效率(15：49％的产率，1:1 dr；16：41％的产率，2:2:2:1 dr)附加到该肽主链上。士的宁-肽共轭物17是区域异构体和非对映异构体不可分离的混合物。同样，在该天然产物内的两个alpha;-氨基亚甲基位置都形成了C-C键。重要的是，观察到所需苯胺（或胺）的排他性活化，并且对一系列酸性或其他具有挑战性的基团具有良好的耐受性。
表2. Dha肽的胺C–H活化/共轭加成：底物范围
这种温和的叔胺-Dha共轭加成方案也有助于利用基于连接剂将小分子选择性地传递到肽中的策略。更具体地说，我们设想一种系统，在化学支架(有效载荷)上安装叔胺(或苯胺)连接剂，可以实现对肽主链的定点递送。作为第一个实例，将胆酸转化为相应的4-(二甲基氨基)苄酰胺，并使其在标准反应条件下得到三元肽-连接剂-药物加合物18，产率高（54％，2:1 dr）。这些结果表明，在存在其他弱C–H键，酸性基团，水解不稳定部分，可氧化元素，富电子芳烃和杂环的情况下，实现选择性C–H官能团化的有效能力。
为了进一步检查该过程对其他潜在反应性残基的耐受力，我们构建了一系列含Dha的三肽。这些底物与二甲基苯胺反应生成产物19 - 22。具体地说，19是由Boc-Trp-Dha-Tyr-OH以86%的产率产生的，其中所需的烷基胺共轭物加成不受吲哚、苯酚或末端羧酸盐的显著影响。Cbz-Glu-Dha-Ala-OMe这个方案也有效，在该方案下产生20（50%的产率，1:1 dr），进一步证明了苯胺的化学选择性活化（在存在未保护的侧链羧酸盐的情况下）。21是在微酸条件下由Cbz-Lys-Dha-Met-OMe有效制备生成（烷基胺优先质子化，允许苯胺活化），这样就保留未受保护的侧链胺和可氧化的硫醚基团(67%的产率，1:1 dr)。最后，H2N-Val-Dha-Phe-OMe（同样，作为相应的三氟乙酸盐）反应得到22，共轭不受N-末端胺的影响，并且观察到稍高的非对映选择性（63%的产率，4:1 dr）。
我们已经描述了一个强大的催化系统，这个催化系统可以直接结合广泛的叔胺结构与Dha衍生物。这种光氧化还原系统具有高度的化学选择性。它在室温下有效运行，并且需要光作为唯一的化学计量添加剂。我们已经证明该反应可以有效地应用于合成高度复杂的非天然氨基酸和肽。初步研究表明，该方案可以在水性溶剂混合物和高稀释度下进行（烯烃浓度= 0.001 M，请参见SI
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