J. Am. Chem. Soc. | 在多肽骨架上安装功能化脒基团的新方法

为大家介绍的是最近在JACS上报道的一篇标题为 “A General Strategy to Install Amidine Functional Groups Along the Peptide Backbone” 的文章。该文的通讯作者是俄亥爱荷华州立大学化学系的Brett VanVeller教授。在本文中，作者报道了一种独特，普适且简便的方法，能够从硫代多肽出发合成脒基团连接的多肽，为探索新的多肽结构和应用开发了一条新的道路。

脒是将酰胺键中的羰基替换为亚胺基而得来的一种酰胺衍生物，其由于能够天然生成且容易发生氢键异构化而备受研究者青睐。在很多天然产物和FDA已批准药物中，该基团都扮演了重要角色。若能够将多肽结构中的肽键替换为脒，则能够通过氢键异构化，在多肽骨架上引入一个额外的取代基位点。(如图1a中的R基) 但由于缺乏一些合适的方法将脒键引入固相合成的多肽中，影响了其在药物科学和多肽修饰中的应用潜力。

在最近的一些研究中，有团队提出了Ag(I)可以将硫代酰胺中的碳-硫键转化为亚胺键的方法。虽然该硫代酰胺可以简单地通过将硫代氨基酸引入到固相多肽合成中而得到，然而在实际多肽的反应中，观察到了快速的分子内成环反应的发生，而不是外源亲核试剂的进攻。 (图1b) 因此，利用Ag(I)引入脒的方法仅在万古霉素等两个例子中成功(图1a中的化合物1和2)，由于环肽本身具有一定张力，可以一定程度上限制分子内环化反应的发生。

作者团队在前期研究工作中发现了一种可以将硫代酰胺变为甲基化硫酰亚胺的方法，他们随即发现该亚胺很容易被质子化，从而使亲核试剂更容易进攻亚胺的碳原子而产生脒(图1c)。他们认为这种方法有以下几个优势：首先避免了贵重过渡金属的参与，其次可以在多肽固相合成的树脂上完成反应，从而避免未保护的氨基发生副反应，使该反应变得高效且通用。

图1. (a)多肽分子中的脒键; (b)脒的传统合成方法及其副反应; (c)本工作提出的新合成方法

首先，作者团队用一个模型分子来验证该反应的可行性。在添加等当量的乙酸后，形成了一个弱碱性的缓冲体系，导致硫酰亚胺的质子化。因此，亲核性较强的伯胺可以高效且快速地生成产物脒，而亲核性较弱或空间位阻较大的胺则产率有所降低。然而，醋酸铵(即氨作为亲核试剂和醋酸的反应产物)在不添加额外乙酸的情况下反应效率更低，这可能受到盐在DMF中溶解度的限制。在添加了一定量的三氟乙醇TFE后，醋酸铵能够以极高的效率反应得到不含取代基的脒。该溶剂也可能通过促进氢键生成的方式加速了弱亲核性胺的进攻过程。(图2)

图2. 硫酰亚胺向脒反应的条件优化和底物筛选(以模型小分子为例)

随后，作者团队在一个模型短肽上验证了该反应的可行性。在Phe-Ala-Ala三肽的Phe和Ala之间添加了硫代酰胺，并用多种胺作为亲核试剂，LC-HRMS的峰积分面积表征产率。通过对不同亲核试剂/乙酸比例的筛选，作者发现二者在5:1时能够获得最高产率，提升乙酸的当量虽然有助于亲核反应的发生，但也会因为盐析而降低转化率。同时，在树脂上进行反应时，弱亲核性的胺和大位阻胺的亲核进攻被显著抑制。在所有反应中都没有观察到分子内环化副反应的发生，表明该反应的特异性很强。脒的生成也不会对多肽的侧链造成影响，证明了该反应的通用性。(图3)

图3. 固相多肽合成过程中直接将硫酰亚胺转化为脒的反应验证

最后，作者团队对一系列天然多肽或具有药学应用价值的多肽进行修饰，包含亮氨酸-脑啡肽、茜草素-5 、血管紧张素肽等。它们在体内的生物学应用中均会出现一系列问题诸如易被蛋白酶降解、生物分布较差等。通过将其中关键的肽键替换为脒，可能在一定程度上改善其生物应用中的问题。在这些例子中，即使两侧氨基酸具有较大的位阻(如Trp、Ile等)或强电荷(如Arg)，该反应也能高效进行，表明该反应具有广谱的底物选择性。(图4)

图4. 含脒多肽的几个合成实例

综上所述，本文开发了一种全新的、普适的、高效的化学方法，能够在多肽骨架上引入脒键。由于脒键可以被视作肽键的变体，因此在生命科学和药学研究中有潜在价值，但其合成却持续受限。本文的工作延续了之前由硫代酰胺被亲核进攻生成脒的途径，借助硫酰亚胺异构体的易质子化特性，在弱酸参与下极大地提高了亲核反应的效率，并最大程度上抑制了副反应的发生。作者在模型多肽和几个已被药用的多肽上证明了该反应的特异性和普适性，并提出这种用脒来代替肽键的策略有望在新型药物的开发中得到应用。

作者：DYH 审校：ZHS

DOI: 10.1021/jacs.2c09085

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c09085