Organic Letters：光化学酰基自由基加成制备氘代非天然氨基酸和三肽
多肽药物作为一种新兴药物，目前全球已获批上市的品种虽远少于小分子化药，但已日益成为全球新药研发的热点之一。多肽药物目前已广泛应用于肿瘤、肝炎、糖尿病、艾滋病等疾病的预防、诊断和治疗。尽管这些疗法显示出良好的疗效、耐受性以及高选择性，但仍然存在固有的局限性。例如，肽分子常具有半衰期短、口服利用度低、膜渗透性差等问题。通过对肽的结构进行修饰改造，可得到代谢稳定、生物利用度佳、选择性好的先导化合物，推动药物研发进程。肽的化学修饰手段通常依赖于非天然氨基酸单元的直接合成引入或对复杂肽结构的后期定向修饰。相关研究近年来受到广泛的关注，也因此推动了合成化学领域的发展。
Scheme 1. Historical timeline of deuterated compounds and working hypothesis.
（图片来源：Organic Letters）
氘元素在药物化学研究中也扮演着主要角色。在分子骨架中引入氘常可改善药物的吸收、分布、代谢和排泄特性。第一次将氘引入生物活性分子的研究可以追溯到20世纪60年代（Scheme 1A）。但直到2017年，美国食品药品监督管理局（FDA）才批准了第一个氘代药物安泰坦（deutetrabenazine），用于治疗亨廷顿舞蹈症。氘代氨基酸对解释肽/蛋白质的生物合成途径、酶的作用机制和结构等方面也具有广泛应用。此外，在氨基酸的α位引入氘可以降低差向异构化的速率。从合成化学的角度，开发利用廉价氘源合成氘代氨基酸或肽的方法仍然是一项亟待开展的紧迫任务。
光化学合成方法近年来受到化学家们的广泛关注，其具有反应条件温和以及官能团耐受性广的优势，是肽选择性修饰的一类理想方法。相关研究近期已取得飞速发展。北京化工大学谭嘉靖课题组长期致力于新型自由基反应的开发和应用研究。近期，该团队基于前期工作，利用脱氢丙氨酸（Dha）与1,4-二氢吡啶（DHP）试剂的自由基共轭加成（RCA）反应为切入点，来研究在光化学条件下对Dha和相关的肽进行修饰的可行性。在该条件下，DHP试剂应能发挥“一石二鸟”的作用：既可在可见光条件下产生自由基，又能利用自身还原性促进阴离子中间体形成，使得氘元素的引入具有可行性。而对于肽的修饰，则须重点考量合成过程中的反应选择性和生物相容性。此外，多肽中大量的活性官能团（包括羧基、胺基、酰胺基、醇基、硫醇基等）会对氘的引入产生负面影响。
Scheme 2. Substrate scope of Hantzsch esters
（图片来源：Organic Letters）
首先，作者以脱氢丙氨酸衍生物（1a）作为氨基酸模型底物，4-甲基苯甲酰基-DHP（2a）作为酰基前体对反应溶剂、反应溶度、光源等反应条件进行了系统筛选。实验结果表明，以DMSO/H2O（5:1）为溶剂，在蓝色LED灯（1 W，λmax= 447 nm）的照射下，可以98%的产率得到β-酰基α-氨基酸产物（3a）。作者随即对具有不同取代基的DHP底物适用性进行了考查。在标准反应条件下均以较好产率顺利得到多种β-酰基α-氨基酸产物。简单的将水替换为氘水时，也以相同程度产率获得氘代酰基化氨基酸产物，其氘代率皆在90%以上（Scheme 2）。
作者后续对具有不同保护基团的Dha底物4a-4d’进行了研究（Scheme 3）。无论是bis-BocDha-OEt、bis-Boc-Dha-OPh以及邻苯二甲酰亚胺保护的脱氢氨基酸，皆可以顺利的进行酰基化加成。当以手性的异噁唑烷酮作为底物时，可以得到单一构型（dr.>20:1）的手性氨基酸衍生物（4e-4h’）。对于三肽的光化学酰化加成（包括Ac-Leu-Ser-Phe-OMe、Boc-Leu-Ser-Phe-OMe和Boc-Phe-Ser-Phe-OMe），在稍加修改的条件下，反应皆可有效地进行，产率为32-86%。虽然三肽底物含有多个活性质子，所制备的氘代三肽（4i'−4t'）仍然具有令人满意的氘代率（66-91%）。文献调研显示，多肽的酰化加成以及氘代策略尚未有人报道。
Scheme 3. Substrate scope for dehydroalanine derivatives and tripeptides
（图片来源：Organic Letters）
为了展现该策略的实用性，作者还尝试了合成放大实验。在标准条件下，可以88%的产率得到了化合物3a，以85%的产率得到氘代产物3a'，其氘代率为97%（Scheme 4A）。值得一提的是，酸性条件下将产物脱保护可以83%的产率得到α-氨基酸盐4k"，同时氘代率得到保持（Scheme 4B）。此外，所获得的酰化产物可以高效转化成结构多样的氨基酸衍生物。例如，酰化产物与盐酸羟胺可在两种不同的条件下均以良好的收率生成肟衍生物，同时不会影响氘化水平。钯催化的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应也可以顺利进行，以98%的产率以及96%的氘代率得到含有连苯骨架的氨基酸3f''（Scheme 4D）。偶联反应过程中并未观察到羰基α位芳基化的副产物。上述产物衍生化研究可为未来“On protein”修饰发展提供潜在的研究基础。
Scheme 4. Synthetic applications
（图片来源：Organic Letters）
为了探究反应的机理，作者进行了一系列对照实验。在标准条件下，TEMPO试剂的加入完全抑制了该反应，并可通过液相色谱-质谱检测到TEMPO捕获的加合物，表明该反应经历了自由基过程（Scheme 5A）。紫外-可见吸收光谱实验显示，当化合物1a与化合物2a混合时，并未观测到吸光度的红移，表明反应过程未涉及电子供体-受体复合物。在此基础上结合前人文献报道，作者尝试提出了如Scheme 5B所示的反应机理。酰基DHP在蓝色LED的照射下达到光激发状态2*。然后，由于2*不稳定会释放酰基自由基I，并且Pyr-H+/Pyr-H·可充当穿梭电子的电子介体。酰基自由基（I）与Dha 底物（1）发生自由基共轭加成，新生自由基中间体II通过单电子还原产生相应的烯醇盐III。最后，水或氘水淬灭即可生成目标产物。
Scheme 5. Control experiment and plausible mechanism
（图片来源：Organic Letters）
综上所述，作者发展了一种可见光促进、无外加光催化剂的脱氢丙氨酸和相应三肽的自由基共轭加成反应。以酰基取代的汉斯酯试剂作为自由基前体和还原剂，发挥了“一石二鸟”的作用。此方法还可利用氘水为氘源在生物相容的条件下进行，高效制备β-酰基α-氨基酸化合物及其氘代衍生物。该研究成果近期发表在Organic Letters上（2021，23, 5299-5304. DOI: 10.1021/acs.orglett.1c01448），该论文的共同通讯作者为北京化工大学谭嘉靖副教授、杜洪光教授以及北京工业大学徐坤教授。该论文实验部分主要由博士研究生刘坜完成，硕士研究生邓子坤和姜朋星也做出重要贡献。上述研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。