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Science:短肽“盘”成催化剂,合成大环更容易

大环化合物是指含有12个及以上原子的环状化合物,在生物学和医学中具有重要的作用。高效合成大环化合物极具挑战性,因为与关环相关的熵效应会导致分子间的副反应,从而降低目标产物的产率。线性前体通过与金属阳离子、阴离子或中性分子的多点配位预组织,可以促进特定大环类化合物的合成(图1A),但这种策略取决于线性前体中的非共价相互作用位点。分子内烯烃复分解能够有效地合成大环化合物,但分子内部的官能团需要与催化金属中心之间额外配位。相比之下,自然界中的生物合成策略通过将线性前体保持在适当构象来克服合成大环化合物过程中的高熵问题,催化关环反应,并且抑制分子间的竞争反应。


近日,威斯康星大学麦迪逊分校化学系Samuel H. Gellman教授(点击查看介绍)课题组从大环分子的生物合成中获得灵感,开发出一种新型构建大环化合物的肽折叠体(foldamer)催化剂(1,图1B)。这种短肽催化剂可以看作是α-氨基酸残基和β-氨基酸残基的低聚物,折叠成特定的三维螺旋结构,可活化线性前体的两端并通过模板催化形成碳-碳键以实现关环过程。该催化剂可以催化Aldol缩合反应,形成含有14-22个原子的大环化合物,同时天然产物robustol的全合成进一步证明了该策略的实用性。相关成果发表在Science 上。

图1. 构建大环化合物的策略。图片来源:Science


这一工作的基础是2006年Miller等人采用的特定结构短肽催化剂,它可以实现复杂底物的位点选择性催化官能团化(Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 5616–561)。在此策略基础上,Gellman教授课题组精细设计了具有特定结构的肽折叠体1。首先来介绍折叠体1的结构组成。如图1B所示,其主链上含有α-和β-氨基酸残基且具有αββ重复的特征,这有利于形成螺旋构象。1中的β-残基具有五元环结构如环戊烷和吡咯烷基,增强了螺旋稳定性。α/β-肽1与之前催化剂的不同之处在于其中一个催化单元是伯胺,这非常关键。起初,作者设想α/β-肽1是否能促进二醛化合物A的环化形成环辛烯-1-醛(图1B)。在丙酸和三乙胺作为添加剂、异丙醇/水为溶剂、10 mM A和10 mol% 1的条件下,尽管A在24 h内完全消耗,但并没有观察到环辛烯衍生物,而是形成了混合物,其主要成分是环二聚体。分离后并通过二维核磁(2D NMR)确定其结构为16元环E,E-二烯B。LC-MS显示最初形成了分子间Aldol加合物C,但该中间体的量在整个反应过程都很低,说明很快发生了环化。相比之下,吡咯烷和正丁胺(各10 mol%)的混合物催化了线性二聚体C的缓慢形成,反应24 h后只检测到微量的环二聚体。作者认为,这种折叠体可能是基于双功能催化机制克服了大环关环过程中的高熵成本问题,起到了模板的作用。

图2. 底物范围及结构-反应活性关系。图片来源:Science


为了进一步了解折叠体1的性能,作者制备了对称的二醛D1-D4(图2A)。首先研究D3,因为它可以形成一个与环二聚体B大小匹配的16元环烯醛。当D31反应时,结果显示几乎完全转化为大环E-烯醛E3。相比之下,与吡咯烷和正丁胺的对照反应在24 h后仅产生微量E3。此外,折叠体1可以有效地将D4转化为18元环E-烯醛E4,将D2转化为14元环E-烯醛E2(图2A)。但是催化D1的反应却需要延长反应时间,并得到了E-烯醛E1和环二聚体的混合物,这可能是由于12元环的环张力导致的。这一结果表明折叠体1作为催化剂能用于合成各种大小的环化合物。


随后,作者用折叠体1和一组相关的低聚物对E3的形成进行了比较,结果表明折叠体结构对催化效率至关重要(图2B)。如上所述,吡咯烷和正丁胺的对照混合物在催化大环形成的过程中远不如α/β-肽1有效。同样地,一对单功能的α/β-肽(2+3)的反应活性也很低,这一结果与双功能机制一致,即在单一催化剂分子上活化底物中的两个醛基。大环化形成E3对α/β-肽1表现出一级相关,这进一步证实了双功能机制,同时2D NMR研究表明,大量的NOE效应与预期的螺旋构象以及对双功能催化所必需的伯胺侧链和仲胺侧链的排列一致。反应侧链之间沿着折叠体骨架的间隔对催化效果也至关重要,当含有反应性氨基的β-残基在一级序列中相邻时(ii+1间距;催化剂4),几乎无法检测到大环化合物产物。具有ii+2和ii+4间隔的催化剂56的催化活性也较低。这一差异表明:最佳的催化活性要求伯胺和仲胺基团沿着螺旋轴线排列。此外,1910之间的催化活性差别,可能是由于伯胺有利于和醛形成亚胺加合物,而仲胺则倾向于形成烯胺加合物,大环的形成需要在单个催化剂骨架上同时产生亲电性的亚胺和亲核性的烯胺。

图3. 折叠体催化在全合成中的应用。图片来源:Science


这种高效的折叠体催化对于大环天然产物及其类似物的合成非常有用。作为例证,作者从二醛F出发,在10 mol%折叠体1的条件下,能够以75%的总收率、2.8:1的选择性得到nostocyclyne A的18元环核心骨架(图3A)。同时,他们也实现了含有22元环的天然产物robustol的全合成,这进一步证明了折叠体催化大环化的实用性(图3B)。


总结


Samuel H. Gellman教授课题组受生物催化中酶活性位点中蛋白质骨架在定位催化基团中作用的启发,使用肽折叠体骨架实现了伯胺-仲胺催化活性基团的最佳排列,可以通过双功能机制催化大环的合成,减少大环形成过程中的竞争性副反应。该反应条件温和、产率优良且具有较好的官能团耐受性,例如氨基、羧基、羟基等极性基团都能兼容该反应。这一策略对大环合成以及其他重要反应的发展都具有重要的借鉴意义。


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):

Foldamer-templated catalysis of macrocycle formation

Zebediah C. Girvin, Mary Katherine Andrews, Xinyu Liu, Samuel H. Gellman

Science, 2019, 366, 1528-1531, DOI: 10.1126/science.aax7344


导师介绍

Samuel H. Gellman

https://www.x-mol.com/university/faculty/70


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