Nature：脱氢定制合成非天然氨基酸

氨基酸是构成生物体蛋白质并与生命活动密切相关的基本物质。目前天然氨基酸和非天然氨基酸（ncAA）已在功能分子合成、对映选择性合成和催化等领域得到广泛应用（图1a）。尽管蛋白氨基酸是构建ncAA骨架的理想起始原料，但是该过程需要在Lewis碱性骨架官能团的存在下对侧链残基进行选择性修饰并且不会损失α-立体中心的对映体纯度。事实上，少数具有正交反应性官能团的氨基酸（如：半胱氨酸、丝氨酸、赖氨酸、谷氨酸、色氨酸等）不仅为ncAA半合成提供了动力，而且还能实现残基的特异性生物偶联。相比之下，脂肪族氨基酸（如：亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）由于缺乏易于官能团化的化学手柄，进而限制了其合成应用（图1b）。若能利用末端烯烃作为理想的中间功能手柄，那么就可以通过一列催化转化获得多功能的非天然氨基酸（图1c）。然而，末端选择性脱氢极具挑战性，并且氨基酸选择性脱氢的例子少之又少。尽管化学家在无受体条件下利用贵金属催化剂实现了烷烃的末端脱氢，但是原位形成的金属氢化物物种会促进不期望的热力学烯烃异构化，进而降低末端选择性并获得复杂的混合物（图1d）。另外，控制烯化反应中位点选择性的一种更常见策略是采用内部氧化剂和/或导向基团（图1e），但是预先安装的化学计量辅助剂却严重限制了其应用。

近日，美国麻省理工学院的Alison E. Wendlandt教授课题组利用十聚钨酸钠（NaDT）和钴肟配合物的协同催化，成功地实现了脂肪族氨基酸的无受体末端选择性脱氢，以良好的产率、区域选择性和对映选择性构建了一系列非天然氨基酸。该方法能够快速合成新的氨基酸砌块，并为更复杂的寡肽后期修饰带来了可能。相关成果发表在Nature 上。

图1. 非天然氨基酸的合成。图片来源：Nature

首先，作者选择(L)-Bz-Leu-O^tBu（1a）为模板底物对脱氢反应条件进行了探索（图2a），结果显示1a在Na₄W₁₀O₃₂（NaDT，6 mol%）和Co(dmgH)(dmgH₂)Br₂（Co-H，5 mol %）为催化剂、乙腈为溶剂的条件下于室温进行光照（390 nm LED），能以86%的产率、> 20:1的末端/内部异构体比例（r.r.）和94%的对映体特异性（e.s.）获得末端γ, δ-脱氢产物2a，并且该过程能以克级规模进行制备（4 mmol）。另外，对照实验表明NaDT、Co-H和光照至关重要，缺一不可；而使用TBADT代替NaDT进行反应时2a的产率降至46%，这可能是由于光驱动消除途径引起的背景反应所致。其次，作者进行了一系列实验来探索涉及H原子攫取（HAA）和MHAT步骤的反应机理（图2b），具体而言：将1a置于仅由1 mol% NaDT和5 mol% (4-Cl-C₆H₄S)₂组成（仅DT）的MeCN/D₂O中并用390 nm LED进行照射，在回收的1a中观察到明显的同位素交换，这表明初始HAA步骤对次甲基γ-位置具有高度选择性（98% d-掺入），此结果与先前DT介导的C-H键氟化和其它官能团化反应的选择性相一致。值得一提的是，在末端δ-位仅观察到轻微的同位素交换（6% d-掺入），并且亮氨酸侧链的α或β-位置没有发生同位素交换（图2b，HAA选择性）。另外，作者还研究了钴肟介导MHAT的位点选择性，将1a-Br置于脱溴烯化条件时，分别以39%和5%的产率生成了2a和Int-2a（8:1末端/内烯烃）；而将内烯烃Int-2a置于标准脱氢条件下进行反应时，以68%的产率获得2a，Int-2a仅剩4%（17:1末端/内烯烃）。相比之下，将2a重新置于标准条件下并没有观察到Int-2a的形成，这些结果说明高末端选择性源于选择性HAA、MHAT步骤以及末端异构化等多个步骤共同作用的结果。

图2. 反应条件优化及底物拓展。图片来源：Nature

在最优条件下，作者对氨基酸的底物范围进行了考察（图2c），结果显示带有常见N-保护基（如：Boc、TCP、Cbz和CO₂Ph，2b-2e）、N-未保护（2g）、C-未保护（2h）以及N-、C-未保护（2i）的亮氨酸、(L)-缬氨酸（2j、2k）、异亮氨酸（2p）、(L)-高亮氨酸（2l）和(L)-β-氨基酸衍生物（2m-2o）均能兼容该反应，以中等至良好的产率和对映选择性获得相应的脱氢产物。然而，尽管受保护的(L)-2-氨基丁酸（高丙氨酸，2q）和(L)-高谷氨酸（2r）也能实现这一转化，但是对映选择性明显降低（分别为71% e.s.和49% e.s.）。

图3. 产物的衍生和转化。图片来源：Nature

接下来，作者对末端β, γ和γ, δ-脱氢氨基酸的合成应用进行了研究（图3），具体而言：1）脱氢砌块2a、2j、2m分别经N-碘代丁二酰亚胺和三丁基氢化锡介导的环化/脱卤步骤转化为含氮杂环丁烷（3a）和氮杂环丙烷（3j、3m）的氨基酸；2）本文获得的烯烃中间体可在anti-Markovnikov烯烃加氢官能团化条件下直接获得末端修饰的ncAA，例如：2a经自由基加成分别获得高异亮氨酸类似物4a、硫代葡萄糖苷5a和含叠氮化物的氨基酸6a，或者经硼氢化-氧化以62%的产率和2:1 d.r.值获得末端醇产物7a，而先前的方法则需要6步并且涉及酶动力学拆分；3）2a的其它侧链也可以进行官能团化，例如：2a经臭氧化分解获得酮8a（产率：79%）、经氧化烯丙基胺化获得产物9a（产率：29%）、经N-烯丙基化和关环复分解反应获得哌啶酸衍生物10a（两步总产率：79%），10a是FDA批准的凝血酶抑制剂Argatroban的合成中间体；4）ncAA砌块11是γ,δ-二羟基亮氨酸的替代物，先前通常以非手性前体为原料经6步转化合成，但以市售L-亮氨酸衍生物Cbz-Leu-Ome为原料，经脱氢和双羟基化两步转化便可实现其合成；5）L-异亮氨酸酯在脱氢后获得中间体2p，再分别经双羟基化、氧化三氟甲基化和烯烃交叉复分解反应以中等产率获得高度官能团化ncAA 3p、4p和5p；6）2p的末端烯烃不仅在硫醇-烯“点击”反应中充当反应性手柄，而且还可以通过一步或两步转化引入各种“可点击”的硫醇、叠氮化物和炔基官能团（如：产物6p、7p和8p）。

图4. 寡肽底物的脱氢。图片来源：Nature

接下来，作者将一系列二肽底物（12a-12l）置于标准脱氢条件下进行反应（图4），结果显示受保护的氨基酸侧链具有良好的耐受性，但在组氨酸、色氨酸和赖氨酸残基的存在下观察到产率略有下降。此外，几种未保护的二肽也可进行该反应，但其在标准反应条件下的产率<10%。需要指出的是，该过程揭示了无论脂肪族残基是放置在N-末端还是C-末端（如：13e和13f）都能有效进行脱氢：采用非定向脱氢方案的潜在优势是无需在特定位置安装导向辅助基。

图5. 脱氢定制实现的肽修饰。图片来源：Nature

最后，作者探索了脱氢定制在后期修饰方面的潜在应用，包括：1）残基编辑（图5a）：以三肽12m为模型底物，经脱氢形成13m，再经Kwon发展的氢化脱烯便能以32%的产率获得相应的含丙氨酸肽产物14m；或者13m在标准臭氧分解条件下转化为含酮肽15m（产率：80%）；2）硫醇-烯点击反应（图5b）：阿片肽神经递质Leu-enkephalin 16的衍生物经过脱氢获得产物17（产率：24%），17与还原型谷胱甘肽18进行硫醇-烯点击反应便可转化为硫醚连接的肽-肽偶联产物19（产率：37%）。

总结

Alison Wendlandt教授课题组利用十聚钨酸钠和钴肟配合物的协同催化，成功地实现了脂肪族氨基酸的无受体末端选择性脱氢，以良好的产率、区域选择性和对映选择性构建了一系列非天然氨基酸。此外，该方法能够快速合成新的氨基酸砌块，并为更复杂的寡肽后期修饰带来了可能。

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）：

Synthesis of non-canonical amino acids through dehydrogenative tailoring

Xin Gu, Yu-An Zhang, Shuo Zhang, Leon Wang, Xiyun Ye, Gino Occhialini, Jonah Barbour, Bradley L. Pentelute, Alison E. Wendlandt

Nature, 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07988-8

（本文由吡哆醛供稿）