【人物与科研】北京理工大学有机所姚波研究员课题组：蛋氨酸导向的β-C(sp3)−H芳基化对头尾环肽的组装后修饰

导语

多肽是一类重要的生物有机分子，近几十年来作为药物得到了越来越多的关注与研究。而发展高效高选择性的多肽修饰方法是多肽药物研究的基础。然而，大部分修饰方法是针对亲核性官能团和芳香sp²碳氢键的转化反应，而针对惰性sp³碳氢键官能团化的方法则相对较少，尤其是针对环肽的修饰方法至今未见报道。近期，北京理工大学姚波研究员课题组取得了相关突破——开发了一种蛋氨酸导向的β-sp³碳氢键芳基化方法，首次实现了针对环肽的脂肪侧链的后期修饰，相关研究成果以“Post-Assembly Modification of Head-to-Tail Cyclic Peptides by Methionine-Directed β-C(sp³)−H Arylation”发表在Org. Lett.（DOI：10.1021/acs.orglett.2c02253）。

前沿科研成果

蛋氨酸导向的β-C(sp³)−H芳基化对头尾环肽的组装后修饰

天然多肽广泛存在于人体中，作为激素、生长因子、神经递质、蛋白质受体与配体等发挥着许多至关重要的生理功能，因此作为药物先导物在过去的几十年中得到了广泛的研究。然而，天然多肽存在诸如代谢稳定性低、细胞膜穿透性差等缺点，极大地降低了它们在药物开发中的成功率。在众多的策略中，通过在天然多肽中嵌入非天然氨基酸单元被证明是改善其药代性质的最有效的方法之一。而对多肽的组装后期修饰被认为是实现这一目标更高效的途径之一。尽管多肽的后期修饰方法很多，针对多肽侧链上惰性C(sp³)-H键直接官能化的方法却比较少见，且这些方法主要局限于对线性多肽的氮端或碳端的氨基酸残基进行修饰。基于此背景，作者发展了一种由蛋氨酸导向的β-C(sp³)-H芳基化方法，首次实现了头尾连接的环肽的脂肪族侧链上位置选择性碳氢键修饰（Scheme 1）。

Scheme 1.（来源：Org. Lett）

作者首先以Phth-Ala-Met-OEt (1a）与PhI的反应作为模型反应进行了研究。经过大量条件的筛选，该反应在10 mol% Pd(OAc)₂、1.5 equiv AgOAc、2.0 equiv KF和六氟异丙醇（HFIP, 0.2 M）作溶剂的条件下100 °C加热24 h，以68%的产率得到丙氨酸β-C(sp³)-H芳基化产物（2aa）。在该条件下，缺电子和富电子的芳基均可以成功接在1a的丙氨酸的β-位（Scheme 2a)，以中等到良好的产率得到相应的修饰产物（2ab−2ag）。其它在氮端含有Phth-Ala-Met序列的线性多肽（三、四、五、八肽）也都顺利地与芳基碘化物发生反应（Scheme 2b），以优良的位置选择性得到氮端丙氨酸β-C−H芳基化产物（2b−2e）。然而，线性多肽的非末端丙氨酸的反应性远低于氮端丙氨酸（Scheme 2c）。即使在较高钯催化剂用量（15 mol%）和更高温度（120 ℃）下，Phth-Leu-Ala-Met-OEt（1f）和Phth-Leu-Ala-Met-Ala-OEt（1g）与碘苯进行反应，尽管反应具有优良的位置选择性，但分别仅以27%和19%的产率得到非末端Ala C−H芳基化产物（2f和2g）。

（来源：Org. Lett.）

Scheme 2. 蛋氨酸导向的线性肽中丙氨酸碳氢键芳基化。^aConditions for C-H arylation of N-terminal Ala: 1 (0.1 mmol), ArI (0.3 mmol), 10 mol% Pd(OAc)₂, 1.5 equiv AgOAc, 2.0 equiv KF, HFIP (1 mL), 100 °C, 24 h. ^bWithout KF. ^cConditions for C-H arylation of internal Ala: 1 (0.1 mmol), ArI (0.3 mmol), 15 mol% Pd(OAc)₂, 1.5 equiv AgOAc, 1.0 equiv nBu₄NOAc and 1.0 equiv PivOH, HFIP (1 mL), 120 °C, 24 h. 非末端丙氨酸的反应性较低可能是二级酰胺键的抑制作用所导致的。蛋氨酸导向的β-C(sp³)−H键芳基化反应首先形成一个柔顺的六元环钯中间体A（Scheme 2d），紧接着该配合物经C−H活化形成5并6-双环钯配合物B，再与碘化物反应得到C−H芳基化产物。当丙氨酸处于多肽的链中位置时，A中的丙氨酸残基的σ_C−C键的旋转导致催化循环外中间体C的形成，而C可以进一步通过酰胺NH的去质子化进一步转变为热力学上有利的中间体D。基于以上分析，作者认为通过调节丙氨酸残基中σ_C−C键旋转可以有效减弱酰胺键对碳氢活化反应的抑制作用。
与线性多肽相比，由于具有环状结构和跨环氢键，环肽具有更受约束的构象，因此氨基酸残基的σ_C−C键旋转必将受到一定的限制，从而有望提高丙氨酸残基侧链的碳氢活化反应的活性。基于以上考虑，作者探索了蛋氨酸导向碳氢键芳基化方法在环肽修饰方面的应用。经过简单的条件摸索，环七肽3g与4-碘苯甲醚在15%或20 mol% Pd(OAc)₂、1.5 equiv AgOAc、HFIP、110 ℃条件下加热20 h，分别以55%或63%的产率及优良的位置选择性得到了单一丙氨酸β-C(sp³)−H芳基化产物（4g）。该方法用于体现出良好的底物广谱性和官能团适应性，不仅实现了环五肽（4a）、环六肽（4b和4d）、环七肽（3g−3j）、环八肽（3k）和环九肽（3l, 3m）中丙氨酸的位置选择性C−H芳基化，还可进一步将该方法用于环肽与短肽（6a）、荧光发色团（6b）、糖衍生物（6c）和药物分子（6d）等功能分子的偶联。

（来源：Org. Lett）

综上所述，作者发展了一种蛋氨酸导向的β-C(sp³)−H芳基化方法，用于多肽分子中丙氨酸侧链上的修饰。通过头尾环化策略调节丙氨酸的碳碳s键的旋转，克服了二级酰胺键对C−H官能化的抑制作用，首次实现了对头尾连接的环肽（五到九肽）侧链的位置选择性β-C(sp³)−H芳基化。该方法还可用于环肽与一系列功能分子的偶联反应，为将来进一步用于环肽药物研究奠定了基础。

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姚波研究员课题组简介

近三年来，课题组的研究兴趣集中在多肽修饰方法学研究方面，即采取过渡金属催化方法，通过配位调控策略，实现复杂多肽分子的高位点选择性的sp³碳氢键官能化。代表性工作包括：（1）发展了伯胺导向的碳氢键官能化策略，首次实现了寡肽氮端氨基酸的γ-碳氢键芳基化(Org. Lett. 2020, 22, 8692-8696）；（3）发展了配体促进的碳氢活化策略，解决了二级酰胺键对反应的抑制问题，实现了多肽碳端未保护的丙氨酸的β-碳氢键芳基化（Org. Lett. 2021, 23, 4807-4812）。（4）本工作（详见上文）。

姚波研究员简介

姚波，北京理工大学化学与化工学院研究员、博士生导师。2005年本科毕业于中国科学技术大学，2010年博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：王梅祥院士），2010-2014年在瑞士洛桑联邦理工学院从事博士后研究（导师：祝介平教授），2015年加入北京理工大学工作至今。

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