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【X-MOL】陈弓教授团队Nature Chem.:钯催化的分子内C(sp3)-H键芳基化反应合成环肽
2018-05-16

大环化反应是从简单线性的前体化合物构建复杂分子结构有效的方法之一。目前为止,多种缩合反应和取代反应,如酰胺偶联、SN2和SNAr反应已成功应用于肽大环化过程。金属催化的转化过程如叠氮化物-炔烃环加成和烯烃环化复分解(RCM)反应也为构建各种环肽提供了高效的手段。除此之外,酶催化芳香族或脂肪族氨基酸残基侧链的C-H键官能化也可用于线性肽前体的环化,形成万古霉素、塞洛金汀和链霉菌等复杂的生物活性天然产物。在这些大环体系中,芳香基侧链嵌入大环骨架,基于芳香烃的平面刚性以及较大的跨环张力,所产生的骨架结构可能采取不依赖于氢键相互作用的构象,从而赋予环肽天然产物新的生物活性。

我院陈弓教授课题组设想利用环芳基大环(cyclophane)的特殊性质,通过C-H键官能化策略构建这种具有独特苯环支撑架的环肽结构。最近,他们与合作团队利用8-氨基喹啉(AQ)导向的Pd催化分子内的C(sp3)-H键的芳基化策略,发展了一种普适的合成环肽的方法。这是环肽分子合成领域的一个重要突破,反应效率高、操作简单,对不同长度和组成的肽链都具有良好的兼容性,为多肽类药物的合成及研发提供了新的途径。从合成的环肽分子库中,研究团队发现了一种先导化合物可高选择性、高活性地抑制一类Myc依赖性癌细胞的增殖,为下一步的药物开发奠定了基础。相关工作发表在Nature Chemistry 上,文章的通讯作者还包括我院何刚研究员、北京生命科学研究所的齐湘兵(Xiangbing Qi)博士、美国加利福尼亚生物医学研究所(Caliber)的沈卫军(Weijun Shen)博士以及匹兹堡大学的刘鹏(Peng Liu)教授。

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图1. 氨基酸侧链C-H键官能化构建环肽的方法。图片来源:Nat. Chem.


尽管近年来导向基团参与过渡金属催化的C(sp3)-H键官能化已经得到人们广泛的关注,但该类反应在复杂分子合成中的应用仍面临着诸多挑战。已报道的C(sp3)-H键官能化反应中,AQ导向基团参与的Pd催化脂肪族酰胺类化合物与碘代芳香烃的分子间β-C-H键芳基化反应可用于高效形成C-C键。作者在之前的研究中发现AQ导向基团参与的β-亚甲基C-H键芳基化反应可通过分子内途径合成简单、小尺寸的稠合苯。然而,想通过这种催化方法合成大环多肽不仅存在分子间的竞争反应,还会受到肽酰胺基对C-H键活化过程的干扰等问题的影响。作者在不同的Pd催化条件下,研究了三肽底物AQ-Sub-Leu-Gly-(m-I)Phe-OMe(1)的C-H键活化反应,其中Phe残基的苯环间位含有碘原子。1可以通过固相或液相肽合成法从易得的氨基酸合成砌块出发得到。令人兴奋的是,1可以通过该策略顺利得到18元环化产物2,当Pd(OAc)2催化剂的用量为2~10 mol%,Ag2CO3为0.8当量,邻苯苯甲酸(o-PBA)为0.5当量时,反应在100 ℃的tBuOH溶液中进行12 h,能以优秀的产率得到目标产物,其非对映选择性为1:1。最佳的反应条件为条件C,即在5 mM底物浓度下,利用5%的钯催化剂,反应能以73%的收率得到目标产物18元大环多肽,其中二聚体副产物2d小于5%,同样的催化剂条件下,底物浓度增大到100 mM时,产率降低为49%,且二聚体副产物2d明显增多(条件F)。

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图2. Pd催化芳香氨基酸碘化物的分子内C-H键芳基化反应构建大环多肽。图片来源:Nat. Chem.


有了最佳反应条件,作者对底物的适用范围进行了考察,十几种底物都能顺利地发生分子内C-H键芳基化,进而环化形成大环多肽,环肽可以是16、17、18、21、22、25、26甚至更大的37元环,其中底物中的酯基、叠氮基、羟基等也可以兼容,表现出良好的官能团兼容性,化合物11的一个异构体还通过X射线单晶衍射确定了其结构和立体化学。产物16中的导向基团也可以在温和的氧化剂硫酸铈铵(CAS)的存在下消除,产率达到71%。
除了芳香氨基酸碘化物可以通过分子内C-H键芳基化反应构建大环多肽外,作者还尝试了考察非芳香氨基酸通过侧链引入碘化物的方式进行环化反应的活性,含有4-碘代苯甲酰基的Ser线性多肽底物在10 mol% Pd催化剂的存在下,以底物浓度为5 mM的条件进行反应,8种底物也都取得了中等到良好的产率,产物包括20、21、22、23元大环多肽。

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图3. 非芳香氨基酸碘化物的反应活性。图片来源:Nat. Chem.


作者还尝试了小分子线性肽底物在同样条件下环化构建11-13元环的反应,含有烷基链的肽底物28在条件C或者D下反应,能以中等的收率得到13元环肽产物29,通过X射线单晶结构可以看出苯环平面略有扭曲。而如果采用传统的分子内大环内酰胺化的方法合成29,产率则不足5%。令作者感到意外的是,具有超高环张力的12元小环31、32也能通过上述方法制备,单晶结构显示苯环的平面发生了更为明显的扭曲,这也是目前人们能够制备得到的张力最大的非对称的对位环芳基化合物。作者还尝试了构建11、12、13元环肽的反应,7种底物取得了中等到良好的产率,d.r.选择性在1.4:1到4:1之间,其中产物31、32和34也都通过X射线单晶衍射确定了结构。产物38中的导向基团也可以在CAS的条件下氧化消除,以48%的产率得到相应的酰胺化合物39。

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图4. Pd催化的C-H键芳基化合成11-13元环肽。图片来源:Nat. Chem.


为了探究反应的机理,作者还对Pd催化合成环肽化合物29的过程进行了DFT计算,在M06/SDD−6-311  G(d, p)/sMD(TBuOH)//B3LYP/LANL2DZ−6-31 G(D)水平上进行模拟。理论计算分析表明,Pd催化大环化反应的顺利进行取决于以下几个因素:高放热的Pd杂环金属化-芳基化过程可对环张力增加的能量进行补偿;AQ导向基团可稳定Pd(IV)中间体,使氧化加成和还原消除能垒降低;通过熵促进分子内Ar-I对Pd(II)中间体配位抑制分子间的反应途径。o-BPA添加剂的作用尚不清楚,作者猜测其可能会促进C-H键Pd化的过程。

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图5. 环肽29形成过程的DFT计算。图片来源:Nat. Chem.


为了评价产物的生物学活性,作者对多个与Myc相关的癌细胞系,包括Myc依赖性早幼粒白血病细胞HL-60和急性髓细胞白血病细胞KG1a、Myc非依赖性肝癌细胞HepG2和Burkitt淋巴瘤细胞P4936进行了筛选。可喜的是,在35种化合物中,有3种(8、16、21)表现出明显的活性,IC50 < 10 μM;其余化合物的活性较弱,IC50 > 20 μM。其中化合物21对Myc依赖的HL-60、KG1a和P4936 Tet-off细胞株以及对Myc非依赖的P4936 Tet-on、HepG2细胞株的细胞毒性最大。有趣的是,环肽8对增殖型的Myc依赖性癌细胞具有很强的抑制作用,但对非增殖型Myc非依赖性癌细胞完全不起作用,从而体现出一种潜在的Myc特异性细胞毒性效应。从结构-活性关系的角度来看,8、16和21的环骨架对发挥细胞毒性至关重要。

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图6. 环肽化合物的生物活性测试。图片来源:Nat. Chem.


——总结——

陈弓教授及其合作团队发展了一种高效和普适的方法,利用Pd催化的分子内C(sp3)-H键芳基化反应构建了环肽结构。他们从易得的简单、多官能化的线性肽前体出发,选择性地环化侧链的氨基酸单元,形成各种大小和形状的环肽,还可以有效地合成具有明显环张力的小环环肽化合物。该反应条件温和,具有理想的产率,解决了以往链状多肽底物成环时对氨基酸组成和最终环大小的依赖性。作者希望进一步借助这一策略设计新的环肽分子,以发现更多具有良好药物活性的环肽化合物,推动多肽药物的研发。

值得一提的是,这是近年来南开大学陈弓、何刚团队在Nature Chemistry 上发表的第二篇工作。在第一篇工作中,他们首次报道了通过钯催化C-H键活化胺化反应高效制备苯并氮杂四元环产物的方法(Nat. Chem., 2016, 8, 1131–1136)。