南开大学陈弓团队：水相中钯催化C(sp3)-H芳基化关环反应合成复杂环肽天产“高仿”类似物

环肽类化合物作为一种介于小分子药物与大分子生物制剂之间的“中等尺度”分子（500-2000 Da），近年来受到药物化学家的广泛关注。目前环肽类药物在抗肿瘤、抗HIV、抗菌、抗疟疾和免疫抑制等多方面展现了优秀的应用前景。但与日臻成熟的小分子化合物的设计合成相比，化学家们能用于“精雕细琢”具有特定三维空间结构和性质的环肽分子的手段还非常有限。

大自然除了以内酯、内酰胺以及二硫键的方式创造环肽分子外，还应用了一种“芳环支撑架”的链接方式构造了许多结构独特的环肽分子，并表现出较好生物活性（图1）。这种结构的产生通常涉及酶催化的碳氢活化方式，在多肽的芳环侧链或者烷基侧链上进行功能化修饰。与柔性二硫键、酯键和酰胺键不同的是，这种链接中刚性、平面且疏水的芳环支撑结构可以充分地嵌合到环肽分子的主要骨架中，能更为直接的控制环肽分子的整体构象，从而提供了一种强有力的设计元素创造具有理想结构的环肽分子。

图1. 具有“芳环支撑架”结构的环肽天然产物

然而具有芳环支撑架结构环肽分子的合成研究仍处于起步阶段。目前，金属催化分子内碳氢键官能团化反应的发展为构建这种环肽分子提供了一种新的可行方法。2018年，南开大学元素有机化学国家重点实验室陈弓-何刚团队利用钯催化分子内烷基碳氢键芳基化的策略发展了一种较为广谱适用的方法构建具有芳环支撑架结构的环肽分子。他们通过在肽链的末端引入携有8-氨基喹啉（AQ）导向基团的烷基长链羧酸，以金属钯催化的方式活化羧酸的β-位的烷基碳氢键，之后与分子另一端的芳基碘片段反应实现分子内芳基化关环（图2，Nat. Chem., 2018, 10, 540, 点击阅读详细）。该反应对于环的大小和氨基酸组成及序列都有非常好的兼容性。通过这一策略，作者可以高效制备一系列具有特定三维结构的环肽分子，特别是一些具有较高环张力的小环骨架。但是引入的烷基羧酸链无法移除，同时在烷基链上的关环位点也使得环肽产物的立体化学多样性受限。

图2. AQ导向分子内碳氢键芳基化制备环肽（第一代）

最近，陈弓教授（点击查看介绍）、何刚研究员（点击查看介绍）团队在之前工作的基础上加以突破创新，独具匠心地以环肽天然产物hibispeptins骨架为“模板”，开发了一种钯催化吡啶酰胺（PA）导向的分子内碳氢键芳基化策略，实现了高难度线性多肽的高效成环。通过该策略，作者可以快速获得多种具有新颖三维结构的环肽化合物，从而“高仿”出了一系列“形似”天然产物结构的环肽分子，为环肽分子库构建并用于多肽药物的筛选提供了极为有力开发手段（图3）。

图3. PA导向分子内碳氢键芳基化反应构建具有“芳环支撑架”结构的环肽（第二代）

在天然产物hibispeptins的结构中，异亮氨酸（Ile）侧链γ-位的甲基与肽链末端的芳环形成了非常独特的C(sp³)−C(sp²) 链接结构。陈弓教授课题组在之前的工作中，利用分子间碳氢键芳基化的策略构建了这一关键的链接结构，之后通过分子内酰胺缩合的方式关环完成了hibispeptin A的首次全合成（Org. Lett., 2014, 16, 6488）。然而冗长的液相多肽缩合步骤以及一些不可避免的保护基操作严重削弱了该传统全合成策略的整体效率。受到之前AQ导向分子内碳氢芳基化构建环肽骨架工作的启发以及对hibispeptin类天然产物自身结构分析，作者猜想是否可以在肽链N-端加入吡啶酰胺（PA）导向基团，通过分子内碳氢键芳基化的方式在最后一步构建关键的C(sp³)−C(sp²) 链接结构，从而完成环肽构建。这样可以大幅简化线性肽原料的合成，从而批量完成一系列hibispeptins类似物的合成。

图4. 有机溶剂中分子内芳基化反应构建环肽分子

作者首先以线性的五肽1为模板底物，N-端选用缬氨酸（Val）作为碳氢活化单元并引入PA导向基团，C-端则选择廉价易得的对碘苯丙氨酸（p-I-Phe）作为芳基化单元。该肽链以及PA导向基团都可以通过经典的固相肽合成法在2-Cl-Trt树脂上方便拼接完成，再经过裂解和C-端的甲酯化反应便可以快速高效地得到关环前体。随后作者以底物1为模板对分子内碳氢芳基化反应的条件进行了细致考察，最终发现选用Pd(CH₃CN)₄(BF₄)₂作为催化剂，AgOAc为碱，六氟异丙醇（HFIP）为溶剂可以以76%的分离收率和优异的dr值（dr > 20:1，Val的γ-位有两个甲基可反应）得到关环产物4。而且该模型反应可以在较为高的浓度（20-50 mM）下进行，仅有非常少量分子间聚合的产物生成。如图4所示，该策略除了在Val侧链γ-位的甲基上实现关环以外，还可以在氨基丁酸（L-Abu，5），异亮氨酸（L-Ile，6a/6b，15a/15b），D-别异亮氨酸（D-allo-Ile，7, 12）以及叔亮氨酸（L-Tle，9）上进行反应。有意思的是，L-Ile侧链上γ-位的甲基与另一个亚甲基都会参与反应，从而形成两种连接方式的产物（6a/6b，15a/15b）。反应条件对于多肽环的大小也具有较好的兼容性，小到三肽（14）大到八肽（13）都能以较高的收率得到。而且常见极性侧链的保护基，如Pbf（12）、Cbz（23）、tBu（13）都可以很好的兼容。

值得一提的是，除了在γ-位甲基发生芳基化反应以外，该反应还可以在较难活化的γ-位亚甲基上进行。如图中的产物16、17、18、19、20所示，侧链为环烷烃（三元环、五元环、六元环）的底物反应性较好，生成一对非对映异构体。产物21-23中，作者通过在丝氨酸（Ser）、赖氨酸（Lys）和谷氨酸（Glu）的侧链上装添芳香基团从而进行关环反应，增加了芳环部分的多样性。

图5 水相中进行的分子内芳基化反应构建环肽分子

随后作者进一步尝试是否可以在侧链无保护的多肽底物上进行反应，这样可以避免关环反应后的额外脱保护步骤，简化操作进而促进“流线式”合成生产环肽化合物。作者通过对之前在有机相中反应的条件进行微调，发现加入水作为反应溶剂便可以达到非常好的效果。如图5所示，底物24中无保护的Lys可以在纯水溶剂中直接进行反应，催化剂的量不变，只需要将AgOAc的量提高到3倍便可以65%的分离收率得到产物25。考虑到一些底物在纯水中溶解性的问题，作者采用HFIP-H₂O混合溶剂的方式便可以适用于绝大多数的底物且具有显著的化学选择性。多肽上未保护的极性基团如，酰胺（26）、羟基（27）、胍基（28）、羧基（31）都可以很好的兼容。具有四个极性基团的十肽产物30同样可以以较高的收率得到；含有RGD片段的环肽33也能通过这一反应体系制备得到。

最后，作者进行了吡啶酰胺（PA）导向基的脱除研究。作者发现通过与盐酸和锌粉在室温条件下反应便可以方便地将环肽产物中的PA基团脱除，并且产物可以不经纯化直接进行下一步衍生化反应，得到更加近似天然产物结构的36（图6）。值得说明的是，PA基团廉价易得、易于脱除以及可以通过固相合成方式高效装载到多肽上的特性，使得其被广泛应用于组合化学中多肽化合物库的构建。因此PA对于多肽化学来说已经不仅仅局限于导向基的角色，同样可以作为保护基团和多肽N-端的封闭基团使用，对于此项研究来说是一个极佳的一石二鸟的选择。

图6 温和条件下导向基PA的脱除

总结

陈弓教授、何刚研究员团队发展了一种通过钯催化、吡啶酰胺导向的分子内碳氢键芳基化反应用于合成具有“芳环支撑架”结构的环肽化合物。线性前体多肽可以通过简单固相合成方式得到, 闭环位点可以拓展到多种具有脂肪侧链氨基酸的γ-位甲基或亚甲基上进行，使得关环产物具有复杂的骨架结构和立体化学变化。一系列具有良好三维结构且形似天然产物的环肽分子都能够采用该策略快速高效获得，并且表现出了高度有序的空间结构。更值得一提的是, 该反应可以在水相中进行，且给出令人满意的结果。众多无保护的极性基团，如氨基、羧基、胍基、羟基等都可以兼容，表明了这一策略具有良好的化学正交性，这为构建复杂环肽分子库提供了有力的新工具。

相关工作最近发表在J. Am. Chem. Soc.上，通讯作者为南开大学的陈弓教授。南开大学博士研究生李博为该论文的第一作者，硕士研究生李兴华、韩博扬和本科生陈至洁对该工作的顺利进行也做出了贡献。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Construction of Natural-Product-Like Cyclophane-Braced Peptide Macrocycles via sp³ C–H Arylation

Bo Li, Xinghua Li, Boyang Han, Zhijie Chen, Xuekai Zhang, Gang He, Gong Chen

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 9401-9407, DOI: 10.1021/jacs.9b04221

导师介绍

陈弓

https://www.x-mol.com/university/faculty/22657

何刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/49698