南京大学谢劲课题组JACS：金银携手——多肽的酰胺基团高选择性C-N偶联

多肽的化学后修饰可以快速、高效的合成多样化的多肽分子库，在药物化学、生物化学、合成化学等领域引起了广泛的关注。由于多肽自身结构的复杂性，针对多肽中特定位点的高选择性修饰具有重要的研究意义和应用价值。然而目前多肽的选择性化学后修饰大部分局限于高活性反应位点（如巯基、胺基等）或导向基诱导位点，想要实现多肽中的惰性位点无诱导、高选择性官能化仍具有巨大的挑战性。

酰胺基团是多肽中存在最为广泛的官能团之一，20种天然氨基酸中有两种含有酰胺基团（谷氨酰胺、天冬酰胺），同时酰胺化多肽（C-terminal amidated peptides）在活性多肽中的占比超过50%，是一类重要的潜在肽类药物，已有包括他替瑞林、那法瑞林、降钙素、缩宫素等多种酰胺肽类药物上市。酰胺基团在多肽的生物活性中起着至关重要的作用，可以显著影响多肽分子的氢键相互作用、空间结构、膜穿透能力、以及生物稳定性，因此多肽酰胺基团的选择性后修饰在肽类药物开发以及生物分子活性研究中有重要的价值，然而目前该领域的相关研究报道仍极为稀少。这主要是由于羰基的共轭效应极大削弱了酰胺氮原子的亲核能力和反应活性，而多肽分子中往往含有多种活性的亲核性基团，很容易发生副反应，导致选择性难以控制。

南京大学谢劲（点击查看介绍）课题组与南京大学梁勇教授（点击查看介绍）、加利福尼亚大学洛杉矶分校K. N. Houk教授（点击查看介绍）合作，通过均相金催化的交叉偶联反应，成功实现了无保护、无诱导条件下多肽中惰性酰胺基团的高选择性芳基化反应。通过理论计算以及实验对反应机理进行了详细研究，结果表明反应体系中银离子的“瞬时配位效应”对反应选择性控制起着重要作用（图1）。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.上。

图1. 金催化/银协同的多肽酰胺基团的高选择性芳基化反应

谢劲课题组一直致力于金催化领域最具挑战的方向：变价金化学研究（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202305121；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202304019; Nat. Commun. 2023, 14, 3551; Nat. Catal. 2022, 5, 1098; Nat. Synth. 2023, 2, 338-347; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 3187; Chem. 2019, 5, 2718-2730）。基于前期工作基础，作者在该工作中研究了金催化的C-N交叉偶联反应在多肽后修饰中的应用。该工作首先以2-氨基苯乙酰胺（1）和碘苯（2）作为底物，(Me-Dalphos)AuCl 为均相金催化剂对金催化的2-氨基苯乙酰胺的选择性C-N偶联进行了研究。优化反应条件时发现，在银盐存在下该反应表现出与常规C-N交叉偶联反应（伯胺活性 > 酰胺活性）相反的选择性，以43%的产率得到酰胺芳基化为主的产物（3），伯胺芳基化产物（4）仅有5% （图2a）。随后的控制实验显示，该反应酰胺芳基化选择性随反应时间增加而降低（图2b），随银盐用量的增加而显著升高（图2c），实验结果说明银离子在反应选择性控制中起着至关重要的作用。

图2. 条件优化及控制实验

作者通过DFT理论计算对反应机理以及银离子的作用进行了更为深入的研究。在足量银盐存在下，银离子会与底物（1）中的氨基络合形成中间体（10a），放热16.5 kcal/mol，而银离子会与底物（1）中的酰胺基团配位形成中间体（10b）只放热5 kcal/mol。中间体（10a）与中间体（10b）分别发生酰基和氨基的偶联反应能垒为23.7 kcal/mol和30.8kcal/mol，表明反应体系中的银离子会原位与配位能力强的伯胺形成络合物，降低伯胺反应活性，从而实现反应选择性的反转（图3）。

图3. 理论计算

最优条件确定后，作者对一系列卤代芳烃以及复杂活性肽或药物多肽底物进行研究（图4）。不同氨基酸序列的二肽、三肽、四肽、五肽都能以中等以上的收率及>10:1的酰胺选择性得到目标肽化合物。含有多种活性官能团的复杂生物活性肽，如β-Casomorphin-7（44）、TRP-7（45）、那法瑞林（46），也能顺利、高选择性实现酰胺的芳基化（图4）。

图4. 部分代表性多肽底物

为了证明该策略的应用潜力，作者进一步将其应用于多肽标记以及大环肽的合成中。以药物肽那法瑞林为底物，在标准反应条件下与芳基碘（47）以31%转化率得到生物素标记的多肽分子（48）；以那法瑞林为底物，与荧光分子BODIPY（49）反应得到荧光标记的多肽分子（50）。随后，作者又以 β-casomorphin-7 (bovine) 为底物，以邻碘苯甲酰氯和邻碘苯甲醛为连接子，合成了25元环的订书肽（53、54）；以五肽和邻碘苯甲酰氯为底物，控制反应条件可以分别得到19元环的分子内环化（55）以及38元环的双分子环化（56）的大环多肽。作者进一步研究发现少于五个氨基酸的多肽在该环化反应中则主要得到双分子环化的环肽分子，并合成了14-32环的各类大环多肽结构。

图5. 应用拓展-荧光肽及大环肽的合成

总结

谢劲课题组与梁勇、K. N. Houk等人合作报道了无保护、无诱导条件下酰胺肽的高选择性酰基芳基化反应。该反应在金催化剂和银离子协同作用下，利用银离子的“瞬时配位效应”原位与高活性基团（如胺基）形成配位络合物，增加活性基团的反应能垒，实现对惰性酰基的选择性修饰。该工作可以应用到复杂多肽以及药物多肽的后修饰中，也可用于合成大环肽、生物标记肽和荧光肽。

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Site-Selective Arylation of Carboxamides from Unprotected Peptides

Weipeng Li, Yu Chen, Yinghan Chen, Siyu Xia, Wenju Chang, Chengjian Zhu, K. N. Houk*, Yong Liang*, and Jin Xie*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 14865–14873, DOI: 10.1021/jacs.3c03840

导师介绍

谢劲

https://www.x-mol.com/university/faculty/49884 

梁勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/63209 

K. N. Houk

https://www.x-mol.com/university/faculty/843