赵军锋课题组：可水洗除去的不消旋炔酰胺缩合试剂
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迄今为止已经发展了许多类型的缩合剂，如碳二亚胺型缩合剂、膦盐类缩合剂、脲盐/铵盐类缩合剂等。然而，缩合剂在使用过程中有一个不可避免的问题就是缩合剂自身会形成化学计量的副产物，比如最为经典的缩合剂DCC（N,N'-二环己基碳二酰亚胺），其副产物DCU（N,N'-二环己基脲）在大多数溶剂中的溶解性都很差，即便是通过柱层析的方式也很难将其从目标产物中完全除去。为解决这一难题，化学家发展了水溶性缩合剂，由于水溶性缩合剂的副产物可溶于水，通过水洗即可除去，避免了繁琐的纯化过程以及大量有机溶剂的使用，这在工业规模化生产中是非常有利的。例如水溶性缩合剂EDCI，其使用过程中仅需简单的水洗萃取即可实现目标产物与缩合剂副产物的分离，因此在药物合成中具有广泛的应用场景。虽然也有一些其它类型水溶性缩合剂也相继被开发出来，但是由于它们的合成较为繁琐，并且使用效果不佳而很少被使用。另一方面，在合成含有α手性中心的酯与酰胺时，常规缩合试剂经常会导致α-手性中心发生消旋。为了保证产物的光学纯度，除了缩合试剂外，一般还需要在反应中添加当量或者过量的消旋抑制剂，而这些试剂最后也只能作为废料处理，不仅大大提高了生产成本，且对产品的纯化和可持续发展也都产生了很大的压力。因此，开发高效、高原子经济性，便于除去且又不会诱发消旋的缩合剂仍然是化学家面临的一个严峻而又紧迫的挑战。下载化学加APP，阅读更有效率。
图1. 缩合剂法构建酰胺键与酯键
赵军锋课题组致力于通过发展有机化学新试剂和新反应来解决多肽与蛋白质化学合成与修饰中的关键科学问题。2016年，他们首次发现炔酰胺可以用作不会诱发消旋的缩合剂（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 13135），利用炔酰胺类缩合剂他们还发展了一种在多肽主链骨架上精准引入硫代酰胺键的方法（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 1382，J. Org. Chem., 2020, 85, 1484.）。同时，他们发现炔酰胺类缩合剂还能够用于分子间酯化反应（J. Org. Chem. 2020, 85, 6188）、大环内酯化反应（ACS Catal. 2020, 10, 5230.）以及硫代羰基酯的合成(Org. Lett. 2020,22, 6628)，这些研究充分表明炔酰胺有望成为一种广谱通用的缩合试剂。然而，过量的炔酰胺缩合剂及其副产物需要通过柱层析法进行分离，不利于其工业规模化应用。为了解决这一问题，赵军锋课题组最近开发了一种水溶性的炔酰胺缩合剂，其副产物和过量的炔酰胺缩合剂可通过简单的水洗和萃取去除，从而避免了繁琐的柱层析纯化操作。
图2. 水溶性炔酰胺缩合剂的初步探究
作者将一个丙叉保护的邻二羟基引入到炔酰胺的结构中，设计了炔酰胺1。炔酰胺1的丙叉保护基经过酸性水溶液处理即会释放出两个羟基，从而使相应的副产物具有高度的水溶性。仅需通过简单的萃取，即可将酰胺、酯、肽等产物分离出来。为了验证该策略的可行性，作者以4a与5a作为模型底物，使用该炔酰胺以一锅两步法合成了酰胺6a。过量的炔酰胺及其副产物在0.2 M 的稀盐酸的处理下，可以快速地转化为水溶性化合物3，经过萃取浓缩即可以优良的收率和纯度得到目标酰胺6a。研究表明，化合物3在水中的溶解度可达260 g/L以上，使得其在萃取过程中完全保留在水相母液中。
图3. 水溶性炔酰胺介导的酸胺缩合
为了进一步探索水溶性炔酰胺缩合剂1的适用范围，作者对各种类型的羧酸和胺底物进行了拓展。其结果如图3所示，水溶性炔酰胺缩合剂1对于各种类型的酸均能够适用，如炔酸（6a, 6b）、取代的苯甲酸（6c, 6d)、杂环酸（6e, 6f）以及α,β-不饱和酸（6g）都能够以较高的收率得到相应的产物。各种类型的伯胺、仲胺包括大位阻的叔丁胺（6g）都能够顺利地反应。在含有羟基的底物6b和6k中，作者观察到了优异的氨基选择性。普鲁卡因胺的前体（6h）、抗抑郁药吗氯贝胺（6i）以及吲哚美辛衍生物（6j）的合成也表明了水溶性炔酰胺的实用性。
表1. 肽键形成中消旋现象的对比研究
随后，作者研究了水溶性炔酰胺缩合剂1在多肽合成中的适用性。多肽合成中最常见也最令人头疼的问题是α-氨基酸在形成肽键过程中其α-手性中心发生外消旋化。由于多肽羧酸的外消旋/异构化速率通常比烷氧羰基保护氨基酸的高35-110倍，作者选择极易发生消旋的二肽羧酸Cbz-Gly-Ser(OtBu)-OH (7o)和亮氨酸叔丁酯H-L-Leu-OtBu (8o)的缩合作为模型反应，对几种常用的水溶性多肽缩合剂进行了比较。如表1所示，单独使用EDCI缩合剂时连接位点的丝氨酸残基几乎完全发生了消旋（53:47 dr，Entry 1），即使加入HOSu、HOBt、HOAt以及Oxyma等消旋抑制剂也不能完全避免消旋现象的发生(Entry 2 - 5)。使用其它双功能缩合试剂，例如HBTU、HATU、TBTU以及COMU，也都会造成不同程度消旋副产物的生成。值得注意的是，在无任何添加剂的情况下，水溶性炔酰胺缩合剂1可完全避免消旋 (>99:1 dr)，以优异的收率(95%)获得目标三肽(9o) (Entry 10)。作者发现溶剂效应对氨解反应速率影响较大，用DMF代替DCM作溶剂可显著缩短反应时间(Entry 11)。
图4. 水溶性炔酰胺介导的多肽合成
接下来，作者进一步探究了多肽底物范围。如图4所示，Boc、Fmoc、Cbz等传统的氨基保护基在反应中都是能够相容的。其中，t Bu、Boc等酸敏感保护基以及Gln和Cys的Trt保护基在酸性水溶液处理过程中均表现出了良好的耐受性，都不受影响。位阻大的底物如Val (9f)，Ile (9g)和Aib (9h)也能反应顺利，只不过反应时间稍长。令人满意的是，“2+2”肽片段缩合反应也能有效地进行，并且不会发生消旋。同样，用DMF (9b, 9c, 9e,9j)代替氨解步骤的溶剂DCM，可以大大缩短反应时间。侧链上带有羟基的苏氨酸，无论是作为酸组分还是作为胺组分，其侧链羟基都可以无需保护，展示出该方法优良的化学选择性。所有这些底物的产物均可通过简单的酸性水洗/萃取或重结晶进行纯化，避免了柱层析操作，充分展现了水溶性炔酰胺的优越性。此外，该方法不局限于小规模反应，即使是10 g规模的二肽的合成（9e），其手性保持及收率都非常优秀。
图 5. 水溶性炔酰胺介导的酯化反应
随后，作者以醇、酚或硫醇为亲核试剂，采用一锅两步法，将水溶性炔酰胺缩合剂1进一步应用于羧酸的酯化和硫酯化。首先，水溶性炔酰胺1在DCM中通过生成烯基酯对羧酸进行活化。然后，活化完成后将溶剂替换为MeCN，在反应混合物中加入醇、硫醇或苯酚衍生物和催化量的碱，在室温下成功地进行酯化反应。如图5所示，水溶性炔酰胺缩合剂1介导的酯化反应可适用于各种类型的羧酸，包括杂环酸(11a)、芳香酸(11b)、苯基丙炔酸(11d)、烷基酸(11e)和氨基酸(11f)。具有α-手性中心的氨基酸也可用于酯化反应，以较高的收率和优异的手性保持得到目标产物(11g)。另外，对反应活性较低的醇(11a)和结构复杂的醇(11h)也具有同样的耐受性，能以较高的收率得到目标产物。此外，水溶性炔酰胺缩合剂1也适用于硫醇和硫酚的酯化反应，并且不会诱发消旋。值得注意的是半胱氨酸(11n)侧链的巯基也可以很容易地被酰基化，有望用于多肽半胱氨酸侧链修饰。
图6. 以水溶性炔酰胺作为缩合剂合成卡非佐米
为了进一步展示水溶性炔酰胺缩合剂1的实用性，作者尝试将其用于拟肽药物卡非佐米的合成。卡非佐米是FDA批准的一种用于治疗多发性骨髓瘤的药物，其合成方法近年来引起了广泛的关注。然而，卡非佐米的环氧乙烷“弹头”在传统的C→N方向肽链延伸反应(即缩合与脱保护反应)的条件下都是不稳定的，因此需要在合成的后期引入该基团。为了实现这一目的，文献报道的方法都不可避免地涉及到多肽羧酸和亮氨酸环氧衍生物之间的酰胺键形成。而多肽羧酸的活化和氨解过程中往往会发生严重的消旋，这不仅使纯化过程更为繁琐，而且浪费了许多宝贵的中间体。考虑到水溶性炔酰胺的纯化操作方便，而且在抑制多肽消旋方面上具有显著的优势，作者提出了以水溶性炔酰胺1作为缩合剂，通过从N→C反常肽链延伸策略来合成卡非佐米。鉴于水溶性炔酰胺出色的反应效率，在肽链的延伸过程中，活化、氨解以及脱保护采用三步一锅法进行。经过5步操作即实现了卡非佐米的合成，总收率为70%，远远高于之前报道的方法(26-36%的收率)，所有4个肽键的构建均无外消旋/差向异构化发生。更重要的是水溶性炔酰胺缩合剂1的副产物能够通过水洗除去，具有纯化方便的优势，整个合成过程不需要使用柱层析操作，所有的中间体和最终产物都是通过萃取及重结晶来纯化。卡非左米的合成充分展现了水溶性不消旋炔酰胺缩合剂的优点，有望发展成为一种具有工业化应用价值的卡非左米绿色合成工艺。
综上所述，赵军锋课题组成功地开发了一种水溶性不消旋炔酰胺缩合剂，该缩合剂在促成酰胺键与酯键形成过程中无需额外的添加剂，不会诱发α-手性羧酸在缩合过程中的消旋副反应，反应后仅需弱酸性水洗即可将缩合剂副产物除去。简化了目标产物的纯化操作，避免了大量有机溶剂的使用。该缩合剂可用于酰胺、多肽、酯和硫酯等化合物的高效合成，仅通过萃取和重结晶即可得到高纯度的产物。具有收率高、操作简便、无柱层析纯化等优点，在含有酰胺键和酯键的药物及多肽药物的工业规模化生产中具有广阔的应用前景。
原文链接： https://doi.org/10.1039/D1GC03498G
课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/Zhao_Junfeng 返回搜狐，查看更多
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