发表在J. Am. Chem. Soc.上的“Highly sterically hindered peptide bond formation between α, α-disubstituted α‑amino acids and N‑alkyl cysteines using α, α-disubstituted α‑amidonitrile”。本文通讯作者是来自日本东北大学的Hayashi教授。

    多肽和蛋白质具有高生物兼容性、高可修饰性等特点，因此它们在生物医药、组织工程等领域引起人们广泛的关注。但是，它们容易被体内的蛋白酶、肽酶等物质降解，无法保留原有的多级结构以及功能，限制了其体内应用。为此，研究者们向蛋白质、多肽的骨架中引入非编码氨基酸，如具有大位阻的α, α-双取代氨基酸(如图1a所示)和N-取代氨基酸(如图1b所示)，同时提高了稳定性和跨膜能力，增加了它们在体内的应用潜力。

图1. (a) α, α-双取代氨基酸；(b) N-取代氨基酸；

(c) 四种不同类型肽键

    如图1c所示，天然氨基酸(此处特指脯氨酸、羟脯氨酸意外的N-无取代天然氨基酸)、α, α-双取代氨基酸和N-取代氨基酸共组成四类肽键，其中A型位阻最小，B、C型位阻较大，D型位阻最大。所以，常规方法难以构建D型肽键(产率过低)。如图2所示，已报道的D型肽键构建方法主要有两种，均经历酸酐中间体，然后发生分子内O, N-酰基转移。但是，以上方法能构建的D型肽键实例较少。另外，受限于分子内酰基转移机理，N-甲基取代反应物只能为氨基酸或二肽，否则难以生成环状中间体。因此，构建D型肽键的方法仍然存在挑战。

图2. 已经报道的D型肽键构建方法

    之前的工作中，作者利用半胱氨酸甲酯作为原料，期望完成如图3a所示的反应，但是他们发现半胱氨酸甲酯选择性地与一个氰基反应，以90%产率得到了噻唑烷衍生物。基于氰基和半胱氨酸之间的高反应性，作者认为利用N-甲基半胱氨酸衍生物和腈反应，能快速形成N-甲基噻唑鎓离子，再水解构建D型肽键(如图3c所示)。

图3. (a) 作者之前的工作；(b) 半胱氨酸甲酯参与的反应结果；

(c) 本工作

    如图4所示，作者将两种二肽作为原料在甲醇/缓冲溶液中优化反应条件。甲醇增加了反应物和产物的溶解度，甲醇和缓冲溶液体积比为2/1为最优条件。三丁基膦和抗坏血酸都是为了放置硫醇在碱性条件下被氧化，不起到任何催化作用。严格除氧的反应溶液中不加入三丁基膦也能得到类似的反应结果。抗坏血酸当量不宜过高，1.0-1.3当量为最佳条件。最佳反应温度为30 ^oC，过高反应温度将导致副产物4的生成。

图4. 反应条件的优化

    如图5所示，作者拓展了底物范围，完成了四肽至八肽的构建。当反应物的位阻进一步增加(如3i-3q)，反应温度提升至60 ^oC，也能完成反应。反应物中必须包含N-烷基取代半胱氨酸衍生物，将巯基更换为羟基或者取出N上的修饰，都无法完成该偶联反应。另外，该反应过程中不会发生消旋化。

图5. 底物拓展

    综上所述，作者开发了一种构建α, α-双取代氨基酸和N-取代半胱氨酸肽键的高效合成方法。该方法反应条件温和，无需使用任何缩合剂，底物适用范围广泛，能用于两条相对较长肽段之间的连接。

作者：LXY    审校：HYH

DOI: 10.1021/jacs.2c02993

Link: https://doi.org/10.1021/jacs.2c02993