Nat. Chem.：手性α-氨基酸合成新方法—

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2022-05-12

导读：美国欧柏林学院的Shuming Chen教授和德国马尔堡大学的Eric Meggers教授等研究者基于立体选择性控制1,3-氮迁移策略，成功地构建了一系列手性α-氨基酸。

手性α-氨基酸在天然产物合成、配体设计、药物研发、蛋白质及遗传基因工程等领域具有重要的作用。目前，最直接最高效合成手性α-氨基酸的策略是从廉价易得的羧酸的α-位对映选择性引入氨基。尽管化学家已经开发出许多直接不对称C(sp³)-H 键胺化的方法（借助C-H 基团的酸性进行亲电胺化），但是现有方法大多是以醛、酮或二羰基化合物为起始材料，同时要使用重氮化合物作为亲电胺化试剂，这通常会导致胺化产物。如图1a所示，将氮宾插入C-H键为C(sp³)-H键胺化提供了一种可调的替代方案，这是因为过渡金属配位可以控制氮宾的反应性。近年来，化学家利用手性过渡金属催化剂控制氮宾插入将前手性C(sp³)-H键对映选择性地转化为C-N键，但分子间氮宾插入会存在区域选择性和对映选择性问题（图1b），而分子内C(sp³)-H键胺化反应则缺乏普遍适用性。基于上述，要想将氮宾对映选择性插入潜手性C(sp³)-H键来构建光学活性无环胺以及手性α-氨基酸仍然是一项巨大的挑战。

图1. 立体控制氮宾选择性插入C(sp³)-H构建α-氨基酸。图片来源：Nat. Chem.

近日，美国欧柏林学院的Shuming Chen教授和德国马尔堡大学的Eric Meggers教授等研究者基于立体选择性控制1,3-氮迁移策略（图1c），成功地构建了一系列手性α-氨基酸。具体而言，从廉价易得的羧酸原料出发，先与氮宾前体进行共价连接（结合了分子内和分子间C-H键氮宾插入的优势），然后经钌或铁催化的高区域选择性和对映选择性C(sp³)-H键胺化反应，简单高效地制备了一系列具有芳基、烯丙基、炔丙基和烷基侧链的光学活性α-氨基酸，同时还能立体选择性地实现含羧酸药物分子和天然产物的后期胺化。相关成果发表于Nature Chemistry 上。

图2. 对映选择性1,3-氮迁移的初步实验与优化。图片来源：Nat. Chem.

首先，作者以氮上带有不同吸电子基团的羧酸衍生物 1a-e为底物、“手性金属”钌配合物为催化剂对反应条件进行了探索（图2），其中不对称催化的手性源于具有 Λ 或 Δ 构型的钌立体中心（即左旋或右旋螺旋构型）。结果显示三氟乙酰基（1a）、甲苯磺酰基（Ts，1b）和甲磺酰基（Ms，1c）的反应效果较差甚至不反应，而甲氧羰基（1d）和2,2,2-三氯乙氧基羰基（Troc，1e）则能以优异的收率和对映选择性获得相应的手性氨基酸(R)-2d和(R)-2e，其中底物1e的反应效果最佳，产率高达93%、ee值高达95%。进一步对催化剂、溶剂和碱进行筛选后，作者发现在Λ-RuDMP为催化剂、CH₂Cl₂为溶剂和 K₂CO₃为碱的条件下，1,3-氮迁移的反应效果最佳。

图3. 钌催化底物拓展。图片来源：Nat. Chem.

在最优条件下，作者对羧酸的底物范围进行了考察。一般而言，羧酸底物先与N-Troc 保护的羟胺在N,N'-二环己基碳二亚胺 (DCC) 或 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐 (EDCI) 的作用下进行偶联，得到的氮杂酯在标准条件下进行重排便可得到所需的产物。如图3所示，不同基团取代的苯乙酸氮杂酯（3-21）、稠合芳环和杂芳环底物（22-25）甚至具有抗炎和镇痛作用的生物活性分子（26、27）均能兼容该反应，以中等至较好的产率和优异的对映选择性获得所需产物，特别是产物23还能以克级规模进行制备。此外，非苄基位底物如烯基（28-32）、(E)-3,5-己二烯酸（33）、炔基（34-35）同样也可以制备相应的手性α-氨基酸，尽管对映选择性有所降低。然而，未活化脂肪族亚甲基底物却只能以20%的产率获得相应的α-氨基酸（36），尽管具有优异的对映选择性（90% e.e.）。值得一提的是，当α-位带有甲基的外消旋底物37进行反应时，则以71%的产率和48%的对映选择性获得相应的α-氨基酸（(R)-38）。由于底物37是存在手性的，因此作者推测催化剂会与对映异构体的 C-H 键之间存在立体区分。事实上，S-对映异构体(S)-37 能以优异的产率和对映选择性合成α-氨基酸（(R)-38）；而(R)-37则反应缓慢，产率和对映选择性均很差（(S)-38）。最后，作者选择S-对映体并将其置于标准条件下进行反应，以25-86%的产率和86-99% 的 e.e.值获得相应的α-二取代氨基酸（39-42）。总而言之，这些结果表明立体控制的1,3-氮迁移可适用于苄基、烯丙基和炔丙基 C-H键。

图4. 铁催化底物拓展。图片来源：Nat. Chem.

受铁催化C-H键胺化反应中nitrenoid中间体的启发，作者将注意力转向更廉价、更绿色的铁催化。具体而言，以羧酸衍生物1e 转化为 N-Troc 保护的苯甘氨酸 2e 作为模型反应（图4），对不同的手性铁络合物进行了筛选，结果显示(R,R)-FeBIP能以95% 的收率和91%的e.e.值获得相应的苯甘氨酸 (S)-2e。尽管该体系下苯基（2e）、烯丙基（32）和丙炔基（34）的反应效果不能与钌催化体系相媲美，但 (R,R)-FeBIP能够有效地实现伯（43-50）、仲（51）和叔（36）脂肪族侧链底物甚至复杂分子的C(sp³)-H键胺化反应，如石胆酸（52）、消旋布洛芬（53），并以中等至良好的产率和选择性得到相应的α-氨基酸。

图5. 计算化学研究。图片来源：Nat. Chem.

为了进一步探究反应机理，作者以RuH催化羧酸衍生物1d的模型反应进行了密度泛函理论计算（图5a），结果显示底物 1d 会逐步置换催化剂 RuH中钌中心的两个不稳定乙腈配体，并以螯合配位模式获得中间体 II。由于 II 中的酰胺 N-H 键被充分酸化，因此能被弱碱（如三甲胺）去质子化并得到相应的中间体 III，后者经过渡态TS-I 进行N-O 键裂解并产生钌氮宾中间体IV。尽管单线态氮宾配合物¹IV比三线态氮宾配合物 ³IV 更稳定，但 C-H 键裂解的过渡态 TS-II 在三线态下的能量较低（³TS-II vs ¹TS-II ），此现象说明了Curtin–Hammett 原理的可能性，即后过渡金属钌的存在增强了快速单线态-三线态自旋交叉，随后从³IV通过循环过渡态³TS-II优先发生氢原子转移（HAT）得到双自由基³V。此外，作者还进行了动力学同位素实验（k_H/k_D = 2.9），这表明C-H键裂解产生自由基是反应的决速步，其与DFT计算三重态配合物发生HAT 步骤的能垒相一致。另一方面，在烯丙基 C-H 键胺化反应中观察到的Z → E 烯烃异构化也支持自由基机制。

随后，作者还对1,3-氮转移过程中立体控制的起源进行了探究。如图5b所示，非共价键相互作用图表明主产物对映异构体 ³TS-II-major-Ph 的过渡态是通过催化剂的吡啶配体与底物上苯基取代基之间的π-π 堆积相互作用来稳定的，而π-π 堆积在次要过渡态 ³TS-II-minor-Ph 中并不存在，并且能量比³TS-II-major-Ph高1.5 kcal mol^-1。另外，对两种过渡态进行的畸变相互作用分析进一步支持了稳定相互作用（如π-π 堆积）有助于产物 2d 的立体选择性（图5c）。值得一提的是，DFT计算结果还证明在没有π-π 堆积相互作用的情况下也可以实现立体区分，例如：带有叔丁基的底物其因空间效应作用，导致主要产物对映异构体 ³TS-II-major-^tBu比 ³TS-II-minor-^tBu 更有利，这一结果与实验数值高度吻合。

图6. 反应机理。图片来源：Nat. Chem.

基于上述控制实验和DFT计算，作者提出了可能的反应机理（图6）：首先，氮杂酯底物在去质子化后通过N-O键裂解活化生成中间体 A（对应于图5a 中的中间体 IV），后者经立体控制的HAT过程产生双自由基 B（对应于图5a 中的中间体 V），然后快速自由基重组以产生螯合物 C（对应于图5a 中的中间体 VI），最后羧酸盐的质子化诱导产物解离并结束催化循环。从整体来看，N-O 键断裂和随后的逐步 C-H 键插入实现了不对称的 1,3-氮迁移，从而合成手性 α-氨基酸。

总结

本文作者以前人从未报道的立体选择性控制1,3-氮迁移策略，成功地构建了一系列具有芳基、烯丙基、炔丙基（钌催化）和非活化烷基（铁催化）侧链的光学活性 α-氨基酸，同时还能对含羧酸药物和天然产物进行立体控制的后期胺化，为α-氨基酸的催化不对称合成提供了新方法。毫无疑问，该策略将加速非天然 α-氨基酸（拟肽药物的重要组成部分）的合成，并对具有调节特性的工程蛋白质以及酶的合成同样具有重要的意义。

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