美女化学家斩获首篇Nature，小分子铁催化再建新功

近期，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois, Urbana-Champaign，UIUC）的美女化学家M. Christina White斩获她独立工作以来的第一篇Nature。我们曾经介绍过，White教授的两大绝技就是烯丙位碳氢键的氧化以及铁催化的碳氢键氧化（点击阅读相关）。而这篇Nature正是利用小分子铁催化剂参与的碳氢键氧化，实现了氨基酸和肽类的氧化多样化。（Oxidative diversification of amino acids and peptides by small-molecule iron catalysis. Nature, 2016, DOI: 10.1038/nature18941）

White教授（左）和本文一作Thomas Osberger。图片来源：UIUC

来源自微生物的肽具有广泛生物活性，对于药物发现非常重要，而非核糖体肽合成酶（non-ribosomal peptide synthetases，NRPSs）则是微生物合成这些活性肽的关键酶。著名的抗生素万古霉素的生源合成就是一个很好的例子（图1a）。这些肽广泛的生物活性来源于这样一种合成策略：在氨基酸组装成肽链的之前及之后，对氨基酸进行氧化和修饰。这种策略所产生的次级代谢产物表现出了多样且复杂的拓扑结构，这是它们生物活性多样化的基础。NRPSs中的含铁酶，正是进行这些氧化和修饰的一种催化剂。但由于在体外使用这些酶仍然面临着诸多挑战，在实验室里这些化学转化还并未完全实现，化学家一直没找到很好的方法进行氨基酸和肽类的氧化多样化。

图 1. 图片来源：Nature

受非核糖体肽合成酶的启发，White小组提出了如图1c所示的合成策略，通过对氮-Ns（对硝基苯磺酰基）保护的脯氨酸酯选择性地在C5位氧化形成5-羟基脯氨酸衍生物5-HP，后者可以分别经由亚胺中间体发生5-位芳基化，或者半胺醛5-HP开环形成醛化合物，醛可以被还原为羟基、或者发生Wittig反应烯基化、或者氧化成羧基、或者经还原胺化反应形成胺。

图 2. 图片来源：Nature

通过条件筛选，作者发现铁催化剂Fe(PDP) (1)（25 mol%）、H₂O₂和AcOH参与下，缓慢加入催化剂，室温反应就可以选择性在脯氨酸C5位氧化，经醛中间体得到酸(-)-4，而当把铁催化剂降到15 mol%，采用反复迭加催化剂的方式，则得到停留在半胺醛的产物，对于六元环的底物，也能得到类似的结果。

对于5-HP中间体，一方面，可以在三氟化硼-乙醚作Lewis酸的条件下，经亚胺中间体发生芳基化反应，如苯酚，萘酚，白藜芦醇等底物都可以区域选择性地生成酚羟基邻位取代的产物，而且都是吡咯环顺式产物，dr大于20:1，除了芳环外，杂芳环如吲哚、苯并噻吩等也可以发生类似反应。不同的是，当选用蒽酮时，却得到了反式产物（图2b-10）。C5位氧化后的半胺醛底物5-HP也可以开环形成醛化合物，醛进而被还原为羟基、或者发生Wittig反应烯基化、或者氧化成羧基、或者经还原胺化反应形成胺。各种二级胺、一级胺都能顺利发生反应，产率优秀（图2c）。

对于氨基酸上的烷基侧链，也可以在铁催化剂Fe(PDP) (1)（25 mol%）作用下氧化出三级羟基，或者在氟试剂DAST的存在下，形成三级氟代物。而选用催化剂Fe(CF₃PDP) (2)时，可以得到在碳链上氧化出酮羰基的产物(+)-33。除了单个的氨基酸，该方法还适用于二肽，能以良好的收率得到端基上的三级羟基。

图 3. 图片来源：Nature

除了这种前期的合成转化，作者还尝试了在合成后期的碳氢键氧化多样化。在含有脯氨酸的肽中，将脯氨酸转化为多功能合成子5-羟基脯氨酸，并能实现克级制备。也可以将脯氨酸结构氧化成为羧酸产物（图3a）。对于四肽底物，也能实现氧化、芳基化或者氧化后还原胺化。这些都是脯氨酸处于端位的底物，事实上，脯氨酸结构处于中间的肽底物，也能以中等到良好的收率得到相应的氧化后官能团化产物。

图 4. 图片来源：Nature

对于含有脯氨酸结构的三肽底物，作者也可以通过1-2步的转化得到8个多样性的非天然氨基酸三肽，其中52、53、54三个底物分别经过5步转化还可以得到相应的环肽。如图4b所示，从氮-Ns（对硝基苯磺酰基）保护的脯氨酸酯底物出发，经由碳氢键氧化后Wittig反应再经几步肽键形成得到化合物64，RCM反应并氢化还原掉双键，得到18元环肽化合物65，其中含有脯氨酸结构，对其进行碳氢键氧化并还原胺化可以得到带有侧链的环肽化合物66，产物良好，官能团兼容性好。

对于这篇优秀的工作，ACS旗下C&EN也给与了报道和肯定，哥伦比亚大学的Dalibor Sames评价说，“肽类是很多小分子药物的先导化合物，在药物和生物技术领域非常流行，White课题组的漂亮工作将促进相关的药物发现。”

剑桥大学的David R. Spring教授也说，“时间会告诉我们White课题组发展的新合成策略会有多广泛的应用。这项工作是一个显著的进步，对于化学家来说，实现脯氨酸位点选择性氧化是非常令人兴奋的。”

总结：

在这篇Nature里，White课题组利用两个小分子铁催化剂，促进了氨基酸和肽类的碳氢键氧化并且保持了α-位的手性。通过把脯氨酸氧化为5-羟基脯氨酸，在单体或者肽类中形成一个多用的中间体，既可以进一步生成刚性的芳基取代的衍生物，也可以生成柔性的链状羧酸、醇、胺等。这种碳氢键氧化策略的价值就在于产生多样性的能力：四个手性源氨基酸可以转化成为代表七种不能官能团系列（三级羟基、三级氟代、芳基化、酯基化、烯基化、酮羰基、胺化）的21种非天然氨基酸，通过对于含有脯氨酸结构的三肽在后期碳氢键官能团化可以得到8个带有不同非天然氨基酸的三肽。对于含有脯氨酸单元的环肽也可以通过后期碳氢键官能团化将其转变为含有一个链状非天然氨基酸的肽。该方法简洁高效、条件温和，将在肽类合成甚至药物合成中具有重要应用。详细操作及条件筛选参考SI。

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature18941.html

问题讨论

文章发出后，引起了一些讨论，有读者提了如下几个问题：

1. 首先white的Fe催化为啥是SbF6的盐的形式效果最高？
2. 为啥Ns保护后反应性增强？
3. Ns保护后也决定其氧化的site选择性，这是为啥？
4. 为什么反复叠加催化剂的方法可以得到停留在半胺醛的产物？
5. 催化机理是啥，radical？

作者回复如下：

对于有机合成方法学中最优条件的确定以及一些实验现象，很多都是试出来的，如果作者没有进行详细的机理研究，我们只能根据理论知识和原文献进行一些推测和探讨。对于White教授 最近Nature中一些问题的思考，现在讨论如下，希望起到抛砖引玉的作用：

一，铁催化剂负离子为什么选择了SbF₆

White小组最早使用铁催化剂的两篇Science和一篇T （Science, 2007, 318, 783; Tetrahedron, 2009, DOI: 10.1016/j.tet.2008.11.082; Science, 2010, 327, 566）也都是直接用了催化剂，并没有说为什么。当我们追溯到这篇White在Eric N. Jacobsen组里发的JACS时（J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 7194-7195），可以看到当使用ClO₄时，需要加入4当量的氧化剂才能全部转化，但产率只有40%左右，而用SbF₆时效率大大提高。为什么？没有说。我认为，SbF₆中Sb是八面体稳定结构，有可能对于催化剂结构的稳定和支持有帮助，这个White的铁催化剂也是很好的固体，能够保存；其次，就是在酸性环境中，有可能SbF₆体系的pH值刚好有利于反应。

二，Ns保护基

从文章的SI中看出，Ns保护基也是筛选出来的，其他的要么转化率低要么在该氧化条件下不稳定。我想，这个对硝基苯磺酰基既是比较强的吸电子基，又具有较小的位阻影响，硝基在苯环上支出去，如下图所示。而C2位位阻较大，酸性也较强，从电子效应、位阻效应和立体电子效应来看都是不利的（原文所述），这样就有了很好的位点选择性。这也预示着反应机理不是常规的。

三，加料方式和反应产物

在09年的那篇T中，作者也讨论了加料方式的重要性，但也给出了实验结果，至于为啥，没有说。在这篇Nature里，为了得到半胺醛的形式，是低温零度加入的，催化剂15%，分三次重复加入。我想低温，酸性不是太强（醋酸的量是一样的，只有催化剂的量不一样，SbF₆的量也不一样，这和之前说的SbF₆和醋酸影响反应体系的pH是吻合的），这样就留在了半胺醛；而另一情况是，室温缓慢加入，催化剂25%，温度相对较高，酸性相对较强，半胺醛一旦开环就被过度氧化，这样平衡一直向右移动直至最终全部氧化成酸。

四，反应机理

这种铁的氧化剂在醋酸和双氧水的条件下，有可能是单电子的过程，如图所示，欢迎讨论：

以上都是个人根据文献的理解，不一定准确，欢迎讨论。