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贵州大学绿色农药全国重点实验室JACS:催化合成酰胺键链接的糖基氨基酸及糖基多肽

蛋白质糖基化约在50%的人类蛋白质中发生,显著地影响了蛋白质的性质和功能,包括细胞间通信以及对蛋白质热稳定性和折叠的改变。目前,分子生物学和医学领域对于糖肽和糖蛋白的需求在不断增加,这一需求推动化学家开发高效的方法来连接糖和肽。自然存在的糖肽和糖蛋白通常具有不稳定的O-或N-糖苷键,这在研究中构成了一个重要挑战。其中一个解决方案涉及使用稳定的C-C键来替代这些不稳定的键,形成C-糖苷类似物。该类C-糖苷能在生物条件下保持原有活性。这种战略性的替代催生了许多与药物相关的C-糖肽的开发(图1A)。目前用于合成C-糖肽的方法主要涉及Giese-type反应:糖自由基被缺电子的烯烃捕获,形成具有饱和sp3碳键的C-糖肽。在许多情况下,需要事先将具有反应性的官能团安装到氨基酸和肽上,以提供形成C-C键的反应位点。于是,由此产生的糖肽通常包含不必要的特定连接残基(图1B,如重复的sp3碳原子、芳基、烯基或酮基团),而这些残基可能会影响C-糖肽的活性和应用。

图1. C-糖肽例子及现有C-糖肽的常见连接方式


池永贵教授团队致力于在有机合成和医药农药研发生产领域开展原创性工作。近日,池永贵,任世超等发展了一种光氧化还原/镍自由基交叉偶联策略,通过糖苷溴和氨基酸/肽的衍生物反应,从而一步实现了酰胺键相连的C-糖基氨基酸和肽的合成(图2)。与之相比,传统的合成方法主要依赖于糖酸和氨基酸的直接缩合。然而,糖酸的合成并不简单,涉及有毒试剂的使用、挑战性的立体选择性控制以及在多步合成中相对低的效率(图2灰色)。

图2. 先前用于合成C-糖基氨基酸/肽的方法及作者的反应设计


首先,作者使用四乙酰基保护的α-甘露糖苷溴1a和氨基酸衍生的具有氧化还原活性的二氢吡啶2a作为模板底物,以建立合成C-糖基氨基酸和肽的方法(图3)。在最佳条件下,反应产物3以81%的产率得到,并具有出色的立体选择性(仅α异头物)。与标准条件下使用1,4-二氧六环相比,在四氢呋喃中进行反应的产率略低。而乙腈的使用会显著降低产率。配体筛选表明(S,S)-2,2'-异丙亚基双(4-苯基-2-恶唑啉)配体(L7)是促进该反应的最佳选择。值得注意的是,使用L7的对映异构体L5会导致产率大幅降低,这可能是因为镍配合物与底物之间的手性不匹配。在所有尝试过的金属催化剂中,Ni(acac)2的催化效果会优于其他金属催化剂。如果用NiBr2·DME或Ni(cod)2替换它的话,产率会较低。在没有无机碱Na2CO3的情况下,产率也会显著降低。对照实验证明了光催化剂和光照对反应是不可或缺的。值得注意的是,2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧自由基(TEMPO)的添加会完全抑制反应。

图3. 反应条件优化


在建立了最佳反应条件后,作者进一步探索了这种交叉偶联反应的普适性。继续使用α-甘露糖苷溴1a作为模型底物来探究二氢吡啶(DHP)修饰的氨基酸和肽的范围(图4)。20种常见的L-氨基酸均与该反应兼容(3-23),其中的17种氨基酸以较高产率得到相应C-糖基氨基酸。需要注意的是,使用含硫氨基酸产率会显著降低(2021),可能是由于硫原子通过与镍催化剂配位导致催化剂失活。以L-组氨酸衍生物作为底物生成的C-糖基氨基酸(22)产率低,可能的副反应途径涉及组氨酸的Minisci-type反应和Ni催化的咪唑的C-H活化转化。氨基酸的绝对构型和羧酸的保护基对反应产率均有轻微影响。具体而言,D-丙氨酸衍生物与L-丙氨酸衍生物相比反应产率略低。将羧酸的保护基变为叔丁基的话会以稍低的产率得到C-糖基氨基酸2526,这两种产物可以进一步被用于更为复杂的C-糖基肽的模块化合成(图5B)。此外,一系列DHP修饰的肽也可以通过反应以中等的产率来生成C-糖基肽(27-33)。除了这些C-糖基氨基酸/肽,作者也可以通过这个方法合成一个用酰胺键连接的二糖34

图4. 氨基酸和肽的底物范围


随后,作者将该方法的实用性进一步体现在商业可获得的氨基酸和肽药物分子的后期糖基化修饰中,展示了它在构建糖基类药物方面的优势和潜力(图5A)。例如,作为抗癫痫药物和肌肉松弛剂的γ-氨基酸药物分子,如普瑞巴林、加巴喷丁和巴氯芬在该反应被使用。它们相应的DHP衍生物与反应条件兼容,以良好的产率生成目标糖基化分子(35-37)。其他与药物相关的非天然氨基酸的DHP衍生物也可以作为底物来反应(38-41),包括硒半胱氨酸、左旋多巴、吲哚莫德和乌苯美司。Spinorphin 是一种内源性的脑啡肽降解酶。尽管其结构相对复杂,但是在标准反应条件下仍然能够进行后期糖基化修饰(42,产率较低)。为了解决该催化体系在更复杂的肽的C-糖基化修饰中低产率的问题,作者设计了一种模块化合成策略(图5B)。具体而言,该方法利用简单的糖基氨基酸作为基础模块。通过一个去保护、偶联和去保护的模块化过程来构建所需的复杂C-糖基肽化合物。作者首先进行了C-糖基氨基酸25的克级制备,产率为63%。通过成功合成C-糖基肽5859来验证了该策略的可行性。毫无疑问,这种方法提供了卓越的灵活性和精度,可以显著地扩展C-糖基肽的种类。

图5. 药物相关的氨基酸和肽的底物范围


另一方面,作者研究了糖供体的普适性(图6)。具有各种羟基保护基(如Bz、Piv和TBDPS)的糖苷溴都与反应条件相容,以良好的产率得到产物(43-45)。鼠李糖、各种二糖甚至三糖也都可以顺利地进行交叉偶联反应获得相应的C-糖基肽(46-52)。除了吡喃糖,作者还将一系列的呋喃糖进行C-糖基化偶联,成功获得了各种C-糖基氨基酸。


作者对反应机理进行了解释(图7):光激发后的有机光催化剂4CzIPN使二氢吡啶底物2发生单电子氧化。二氢吡啶底物2在脱去质子和Hantzsch吡啶后产生了氨酰自由基II。与此同时,Ni0配合物与糖苷溴1发生自由基氧化加成,生成糖基-Ni-Br配合物。值得一提的是,该C-糖苷化反应中的高立体选择性可以归因于甘露糖自由基的主导4C1构象。该构象被单占据分子轨道(SOMO)、C2−O2键的σ*C-O轨道和环内氧的孤对电子ηO作用有效地稳定。以轴向取向与糖自由基中间体III结合(导致α-产物的生成)可以确保轨道重叠相关的稳定因素受到最小的影响。随后,氨酰自由基II被中间体捕获形成中间体V,经过还原消除得到目标糖肽产物。最后,生成的中间体被还原的光还原催化剂还原,从而完成催化循环。

图6. 糖的底物范围


图7. 可能的反应机理


部分工作近日发表在Journal of the American Chemical Society 杂志上。贵州大学、深圳大学、新加坡南洋理工大学的多位研究人员参与了的研究。博士生叶祥宇和博士后王冠杰并列为文章第一作者,任世超池永贵为共同通讯作者。


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):

Direct Formation of Amide-Linked C-Glycosyl Amino Acids and Peptides via Photoredox/Nickel Dual Catalysis

Xiang-Yu Ye, Guanjie Wang, Zhichao Jin, Bin Yu, Junmin Zhang, Shichao Ren*, and Yonggui Robin Chi*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c13456


导师介绍

池永贵

https://www.x-mol.com/university/faculty/4432 


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