含氟alfa氨基酸的合成及其在药物化学中的应用
含氟氨基酸在药物化学中的应用
氨基酸是蛋白质的基本组成单位，人体内一共约有20种氨基酸，其中8种为必须氨基酸，12种非必须氨基酸。天冬氨酸（Asp），第一个被发现的氨基酸，由法国科学家沃克兰和罗比奎特于1806年从芦笋种分离鉴定，目前已有700多种氨基酸被发现。氨基酸在人体内通过代谢可以发挥很多重要的作用：一、合成组织蛋白质；二、转化成酸、激素、抗体、肌酸等含氨物质；三、转化为碳水化合物和脂肪；四、氧化成二氧化碳、水和尿素，产生能量。
含氟氨基酸（Fluorinated amino acids, FAA）是一类具有特殊生物活性和潜在药用价值的氨基酸，分为含氟alfa氨基酸（F-aAAs）、含氟b-氨基酸（F-bAAs）、含氟环状氨基酸（F-CAAs）三种。将含氟氨基酸及其衍生物引入到多肽类药物中，由于其具有较强的疏水性，通常能够提高药物的热稳定性和化学稳定性、增加脂溶性，从而极大地提高生物学和药理学活性。截至目前，自然界中仅发现一种含氟氨基酸——4-氟-L-苏氨酸（4-fluoro-L-threonine, 4F-Thr）。它是由卡特利链霉菌（Streptomycescattleya）产生的，具有广谱抗菌活性的含氟氨基酸。奇怪的是，天然多肽和蛋白质单体组成中至今没有发现4-氟-L-苏氨酸。[1]近几十年，含氟氨基酸的合成在药物研究领域受到药物化学家越来越多的关注，是合成药物中重要的砌块。
氟代alfa氨基酸的应用
自从氟代alfa氨基酸引入到多肽或者蛋白质中，对其物理化学性质会产生比较大的影响——蛋白质折叠、蛋白蛋白相互作用、核糖体翻译、亲脂性、酸碱性、最佳pH、稳定性等等。意大利弗洛伦萨大学的科学家研究了脯氨酸类似物（Pro, Hyp, Flp）对于骨胶原蛋白稳定性的影响，发现4-氟脯氨酸（Flp）在高温中的稳定性最高（如图1）。[2]
图1 脯氨酸类似物对于骨胶原蛋白稳定性的影响
非洲锥虫病，又称非洲睡眠病或者嗜睡性脑炎，是一种由布氏锥虫经舌蝇叮咬、传播的人兽共患寄生虫病，在非洲撒哈拉南部肆虐，其中有些流行区患病率高达八成。1998年，世界卫生组织报告了4万起病例，但估计有30万起病例未得到诊断而未得到有效治疗。氟代alfa氨基酸——依氟鸟氨酸（Eflornithine），一种鸟氨酸脱羧酶的特异性不可逆抑制剂，于1990年获批用于治疗非洲锥虫病和女性面部毛发过度生长（如图2）。
图2 依氟鸟氨酸的结构
氟代脱氧葡萄糖（FDG），一种2-脱氧葡萄糖的氟代衍生物，常被用于正电子发射断层扫描（PET）类医学成像设备，其构建出FDG体内分布情况的图像，帮助医生做出各种医学健康状况的诊断，尤其是用于癌症的诊断、分析和治疗监测，主要用于淋巴瘤、结直肠癌、乳腺癌、黑色素瘤以及肺癌。2003年，德国杜雷斯顿理工大学科学家制备了氟代alfa氨基酸[18F]-F-TYR，研究发现其可以作为新型PET显像剂，对脑癌诊断尤其灵敏，PET成像也更为清晰（如图3）。[3] 目前，越来越多的氟代氨基酸类PET显像剂被合成和应用于临床研究中。
图3 PET显像剂F-TYR的结构及其脑部扫描PET成像
氟代alfa氨基酸的合成方法
氟化氨基酸的合成是一个相当复杂的领域。由于氟元素的特殊性，目前尚无将氟取代基引入氨基酸的通用方法。相反，需要根据氟取代基的数量、它们在侧链中的位置以及可能的进一步功能来选择合适的合成路线。这些因素不仅影响目标氨基酸的结构性质，而且影响所有官能团的反应活性、相邻取代基的酸性，进而影响氨基酸的立体化学性质。
目前，氟代氨基酸的合成主要分为两种策略：一、官能团的引入——在含氟化合物中引入氨基和羧酸，在氨基酸中引入含氟基团；二、侧链的氟代反应——将羟基、醛基、双键等基团转化为含氟基团（如图4）。在氟代反应中，常见的氟化试剂有亲核氟化试剂（Scheme 2A）、亲电氟化试剂（Scheme 2B）、自由基氟化试剂（Scheme 2C）和三氟甲基化试剂（Scheme 2D）（如图5）。氟化试剂的开发与氟代反应方法的创新，使得氟化学取得了突飞猛进的发展，为药物化学提供了更多 “利器”。[4]
图4 氟代alfa氨基酸的合成方法总结
图5 氟代alfa氨基酸的合成常见的氟化试剂
氟代反应的方法合成氟代alfa氨基酸
▼ 氟代烷基alfa氨基酸的合成性
自从氟代反应的方法得到改进以及越来越多氟化试剂的发现，使得氟代氨基酸的合成变得越来越高效、环保。目前，氟代氨基酸合成最常用的氟代试剂主要有二乙氨基三氟化硫（DAST）、氟化氢吡啶和四丁基氟化铵（TABF）。这些试剂通常发生SN2取代，生成构型翻转的氟代产物；然而，当反应由于某些原因受到阻碍，并且临近的位置存在富电子基团时，也能够生成构型保持的产物。[4]
早在1976年，默克公司的科学家Kollonitsch就发展了一种具有新型抗菌活性氟代丙氨酸的制备方法。作者采用未保护的丙氨酸作为原料，高活性的三氟甲基次氟酸酯作为亲电氟化试剂光照条件下，可以以80%的收率得到3-氟丙氨酸（FA）。作者推测了其反应机理，即在光照条件下三氟甲基次氟酸酯均裂形成三氟氧基自由基和氟自由基，三氟氧基自由基和氟自由基都可以攫取丙氨酸甲基上的氢原子，形成的碳自由基再与三氟甲基次氟酸酯反应得到3-氟丙氨酸；同时生成的三氟氧基自由基继续进行反应。第一步均裂的氟自由基是非选择性氟化物种，而三氟氧基自由基具有高度选择性，可以专一性地攫取丙氨酸甲基上的氢原子（如图6）。[5]
图6 3-氟丙氨酸的合成及其反应机理
普林斯顿大学的Doyle课题组发展了一种合成手性氟代氨基丁酸的方法。首先采用不对称氮杂环丙烷化反应得到得化合物1（97% ee值）；接着，经过二氧化锰氧化得到甲酯化合物2；最后，在六氟异丙醇（HFIP）溶剂中，通过有机碱DBN和苯甲酰氟的条件，得到化合物3（98% ee值），反应的立体选择性非常好，化合物的对映选择性得到保留（如图7）。其中，苯甲酰氟是作为氟化氢的潜在替代试剂，用于亲核氟化反应中。[6]
图7 手性氟代氨基丁酸的合成及其反应机理
2014年，西蒙弗雷泽大学Britton课题组报道了利用光催化C(sp3)-H键活化的方法合成3-氟缬氨酸（如图8）。他们采用四丁基胺十聚钨酸盐（TBADT, Na4W10O32）作为光催化剂，N-氟代双苯磺酰胺（NFSI）作为亲电氟化试剂，在紫外光照条件下可以顺利合成3-氟缬氨酸。该反应条件温和，官能团容忍性好。作者推测了其反应机理：十聚钨酸盐在光照条件下形成活性中间体W*，这个活性中间体可以攫取C(sp3)-H 的氢形成碳自由基，之后与NFSI反应形成所需的氟代产物。[7]
图8 氟代缬氨酸的合成及其反应机理
2017年，罗氏制药公司发现这个氟化反应可以应用于[18F]氟代氨基酸PET造影剂的合成中，便与西蒙弗雷泽大学Britton课题组合作，报道了利用[18F]NFSI作为氟源，高效地将氨基酸偕二烷基的C(sp3)-H活化、[18F]氟代的方法（如图9）。通过检测其在人神经胶质瘤和前列腺癌异体移植的小鼠体内PET成像能力，作者发现新合成的PET造影剂具有非常好的肿瘤区域富集能力，同时没有明显脱氟现象发生。[8]
图9 [18F]氟代缬氨酸的合成及其反应机理
▼ 氟代环烷基alfa氨基酸的合成
韩国LG生命科学公司科学家发展了氟代脯氨酸Flp类似物的公斤级合成方法（如图10）。作者采用反式4-羟基脯氨酸作为原料，Fisher酯化方法形成甲酯，叔丁氧羰基（Boc）保护氨基；4位羟基直接与DAST进行反应生成顺式4-氟脯氨酸，该反应可以放大到公斤级别。[9]
图10 氟代脯氨酸Flp类似物的合成
亚利桑那大学的Doyle课题组发展了一种偕二氟代焦谷氨酸的合成方法（如图11）。作者采用焦谷氨醇作为原料，丙叉试剂将羟基和氨基锁住形成双环结构；之后在强碱二异丙基氨基锂（LDA）和亲电氟化试剂NFSI作用下形成单氟产物，重复操作，形成二氟化合物；接着酸性条件下脱除丙叉保护基，氧化甲酯化得到焦谷氨酸甲酯。该化合物可以与二价铑形成手性金属催化剂，用于环丙烷化反应。[10]
图11 偕二氟代焦谷氨酸的合成
乌克兰科学家Mykhailiuk发展了一种合成氟代环烷基氨基酸的方法（如图12）。他们从吡咯烷-2,5-二羧酸甲酯出发，选择性水解其中一个甲酯形成酸，接着与氯甲酸乙酯形成混酐，在硼氢化钠作用下还原成醇；之后与亲核氟化试剂三氟化硫吗啉（Morpho-DAST）进行反应，生成两种环系产物五元环产物和六元环产物；最后酸解和氢化脱除保护基得到最终的氟代脯氨酸类似物和反式六元环类似物。[11]采用类似策略，作者又合成了顺式的氟代脯氨酸类似物和反式六元环类似物。
图12 氟代环烷基氨基酸的合成
2018年，Mykhailiuk课题组又利用Ruppert-Prakash试剂合成了一系列二氟环丙类化合物（如图13），其中包括二氟环丙烷脯氨酸类似物，这两个化合物可以通过柱层析分离纯化。[12] 作者猜测这一新型骨架的脯氨酸类似物在未来的药物化学中被广泛应用。
图13 二氟环丙烷脯氨酸类似物的合成
▼ 侧链氟代芳基alfa氨基酸的合成
1987年，加拿大麦克马斯特大学的Chirakal课题组对于酪氨酸进行了氟代尝试（如图14）。作者发现利用高活性的氟化试剂氟气可以对于未保护的络氨酸中苯环的3位进行选择性氟代。[13]
图14 氟代酪氨酸的合成
美国国立卫生研究院的Kirk课题组发展了一种不对称4-氟组氨酸的合成策略（如图15）。从商品化试剂4-氨基-5-咪唑甲酰胺出发，在微波促进条件下乙醇解得到乙酯化合物；接着，进行重氮化，Baltz-Schiemann反应生成氟代咪唑衍生物4-氟-5-咪唑甲酸乙酯；最后经过八步反应可以制备纯的4-氟组氨酸。[14]
图15 不对称4-氟组氨酸的合成
2016年，约翰霍普金斯大学的Lectka课题组发展了一种利用光催化对于苄位的氢进行高选择性氟代的策略（如图16）。作者利用三烯酮作为光催化剂，Selectfluor作为亲电氟化试剂，可以对苯丙氨酸进行选择性氟代；同时，可以在多肽合成后期进行选择性苄位选择性氟代，产率和选择性都不错。[15]
图16 苄位氟代策略
2017年，俄克拉荷马州立大学的Weaver课题组利用恶唑酮烯醇化合物与全氟芳基反应，生成氟代芳基a-氨基酸（如图17）。该反应选择性高，产率优良，产物稳定。[16]
图17 全氟芳基alfa氨基酸的合成
含氟化合物所展现的卓越性能都是由氟元素的特性所决定的。由于氟原子和氢原子的体积大小相近，因此当氨基酸分子中的氢原子被氟原子替代后，并不会引起氨基酸立体构型的显著改变，但是由于氟原子的强电负性，这样的取代产生很强的电子效应，从而使得含氟氨基酸的亲脂性、生物利用度、静电作用等发生变化，从而创造了新的具有新颖功能的氨基酸。无数示例表明多肽或者蛋白质侧链引入氟原子对于其折叠、蛋白酶稳定性和蛋白蛋白相互作用产生重要的影响。
越来越多氟化试剂的开发和新的高效氟代反应和策略的发现，使得氟代氨基酸的合成更加便捷。通过独特的氟代氨基酸砌块扩展科学家的“工具包”，将进一步推动多肽和蛋白质工程领域的发展。
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如上所述，化学家可以通过多种反应在氨基酸中引入氟原子，也可以直接使用商业化氟代alfa氨基酸砌块进行多肽和其他药物分子的合成。以下是部分览博网可提供的氟代alfa氨基酸试剂，在览博网可以直接购买，可作为合成砌块进行化学合成。更多的试剂信息请点击下面“阅读原文”浏览览博网相关页面或者发邮件到contact@labnetwork.com咨询。
参考文献
[1] B. Wiltschi, et al. Biotechnol. J. 2015, 10,427-446.
[2] R. T. Raines, et al. Nature 1998, 392,666-667.
[3] J. Kotzerke, et al. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imag. 2003,30, 1004-1008.
[4] B. Koksch, et al. Chem. Rev. 2019, 119,10718-10801.
[5] J. Kollonitsch, et al. J. Am. Chem. Soc. 1976, 98,5591-5593.
[6] A. G. Doyle, et al. J. Org. Chem. 2012, 77,4177−4183.
[7] Britton, R. et al. Angew. Chem., Int. Ed. 2014,53, 4690−4693.
[8] M. B. Nodwell; R. Britton, et al. J. Am. Chem. Soc. 2017,139, 3595-3598.
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[10] M. P. Doyle, et al. Adv. Synth. Catal. 2001, 343,112−117.
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[12] P. K. Mykhailiuk, et al. Chem. Eur. J. 2018,24, 12291−12297.
[13] R. Chirakal, et al. J. Fluorine Chem. 1987, 37, 267-278.
[14] K. L. Kirk, et al. J. Fluorine Chem. 2008, 129,807− 810.
[15] T. Lectka, et al. Tetrahedron 2016, 72, 6031-6341.
[16] J. D. Weaver, etal. Chem. Commun. 2017, 53, 4771-4774