Angew. Chem. Int. Ed. | 钯试剂选择性N-芳基化多肽中的对氨基苯丙氨酸残基
大家好，今天给大家分享一篇近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上的研究进展，题为：Selective N-Arylation of p-Aminophenylalanine in Unprotected Peptides with Organometallic Palladium Reagents。在该工作中，作者使用预先制备的金属Pd氧化加成复合物，在水和有机溶剂的混合体系中，成功实现了对含有His、Arg、Lys等残基的未保护多肽的选择性对氨基苯丙氨酸残基N-芳基化（图1）。该工作的作者是MIT的Prof. Stephen L. Buchwald和Prof. Bradley L. Pentelute，以及Buchwald课题组的研究生Aaron J. Mallek（一作兼通讯）。
图1. 本文报道的选择性N-芳基化
近年来，生物分子的共价修饰吸引了越来越多的研究兴趣，并被广泛应用于改善小分子的药学性质、引入发色团用于分析检测等等。过渡金属催化的C-N键偶联反应，可以高效地实现烷基胺和苯胺类似物的N-芳基化。因此，对于含有活泼氨基的生物分子，如含有Lys残基的多肽，C-N键偶联有望作为一种高效的途径实现其共价修饰。
2017年，作者团队使用预先制备的金属Pd氧化加成复合物（pre-formed oxidative addition complexes，OACs）尝试对未保护的含有多种活泼侧基的多肽中的Lys进行选择性N-芳基化（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3177–3181）。然而，该反应的选择性较差，Arg、Asn残基和N端氨基也会被部分芳基化，并且需要严格的无水条件。
那么如何实现多肽上的选择性N-芳基化呢？本工作给出的答案是——通过引入非天然的对氨基苯丙氨酸残基，利用弱碱性条件下苯胺相对于烷基胺的选择性，来实现位点专一的偶联反应。这一思路是来自于2007年Buchwald课题组对Pd催化的C-N偶联中苯胺和烷基胺竞争的研究（Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 7232–7235）。
如图2所示，Pd催化的C-N偶联催化循环包括氧化加成、配体交换、去质子和还原消除四个步骤。在2007年Buchwald课题组的上述工作中，作者将1.2: 1.2: 1的苯胺-HNBu2-氧化加成复合物混合，发现在不加碱的情况下，体系内只存在HNBu2和Pd的络合物，而加入醇钠去质子后却只有苯胺的偶联产物生成（图3）。结合Curtin–Hammett原理理解，即在不可逆的还原消除之前，胺的配位和去质子过程均处在快速平衡之中，最终的选择性来自于三个基元反应的综合。
图2. Pd催化的C-N偶联催化循环
图3. 苯胺和烷基胺的竞争反应
本篇推送介绍的工作中，作者即利用了上述选择性，将其应用于多肽的选择性N-芳基化（图4）。
图4. 本工作的设计
具体来说，对于缺电子芳基卤化物的OAC，在pH= 7.5的弱碱性buffer和NMP的混合溶剂中，即可实现高产率高选择性的N-芳基化。条件优化见图5。同样的条件对于富电子芳基卤化物不可行，这是因为后者的去质子较为困难。为了解决这一问题，作者发展了相应的纯有机溶剂加非亲核性有机碱的条件，以拓宽底物范围（图6）。
图5. 条件优化
图6. 富电子芳基卤化物OAC的条件优化
最终，作者选取了三种具有生物活性的多肽，将对应的原有残基更换为pAF（对氨基苯丙氨酸），尝试了一系列药物分子模块的偶联反应以证明该方法的实用价值（图7）。其中P2和P3为血脑屏障穿透多肽Angiopep-2的变体，而P4为pentetratin的变体。
图7. 将合成方法应用于穿膜多肽的共价修饰
综上，作者利用C-N偶联反应中苯胺相对于烷基胺的选择性，将对氨基苯丙氨酸残基引入具有生物活性的多肽中，通过与钯试剂的选择性N-芳基化，实现了多肽和药物分子的共价连接。