【人物与科研】南开大学汪清民课题组：光促进的十聚钨酸盐催化的Giese反应合成非天然氨基酸
导语
非天然氨基酸在合成化学和医药领域有着广泛应用，所以发展高效温和的合成非天然氨基酸的方法是非常有意义的。近日，南开大学汪清民教授课题组报道了一例光促进的十聚钨酸盐催化的Giese反应来合成γ-羰基非天然氨基酸。该策略从廉价易得的醛和脱氢丙氨酸出发，在390 nm光照下反应24小时就能以较高的收率得到一系列γ羰基非天然氨基酸。该反应操作简单、条件温和，有着良好的官能团耐受性和底物适用性。相关研究成果发表于Organic Letters（DOI: 10.1021/acs.orglett.1c00345）。
汪清民课题组简介
南开大学汪清民课题组隶属于南开大学元素有机化学国家重点实验室和化学学院及天津化学化工协同创新中心。目前课题组拥有老师和研究生20多人。课题组目前开展生态农药和药物创制以及有机化学研究。先后在J. Agric. Food Chem.、Pest Manag. Sci.、Sci Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Green Chem.、Arthritis & Rheumatism、J. Med. Chem.、Org. Lett.、Chem. Commun.、Adv. Synth. Catal.、Chem. Eur. J.等杂志上发表论文200余篇。培养毕业了23名博士生和45名硕士生，毕业研究生获得了全国优秀博士学位论文提名奖、天津市优秀博士学位论文、南开大学优秀博士学位论文、南开大学优秀硕士学位论文和国家奖学金。
前沿科研成果
光促进的十聚钨酸盐催化的Giese反应合成非天然氨基酸
氨基酸作为生命体最小的基元，在合成化学、生物化学和医药等科学领域有着广泛应用。由于生物体内合成的氨基酸只有二十种，即天然氨基酸，在设计多肽药物时，天然氨基酸往往表现出较差的生物稳定性，使用非天然氨基酸来代替天然氨基酸是解决这一问题的策略。由于先前报道的合成非天然氨基酸的方法需要多步的合成步骤，所以发展高效的合成非天然氨基酸的方法一直是化学家们研究的热点。
近年来，自由基化学为合成化学提供了新的合成思路，并且由于自由基反应条件温和、反应效率高等特点，利用自由基化学的途径来合成非天然氨基酸将会是很好的解决方案。2016年，Davis和Park课题组分别报道了烷基卤代物参与的脱氢丙氨酸的后期修饰。他们开发的反应可以在生物相容的缓冲溶液中发生，不仅可以用来合成非天然氨基酸，而且还可以实现蛋白质的后修饰。
基与以上研究，Jui课题组以及Wang课题组发展了以溴代吡啶和羧酸作为自由基前体，脱氢丙氨酸作为自由基受体的策略来制备非天然氨基酸。Jui课题组以及Wang课题组的方法实现了氨基酸侧链的芳基化和烷基化，但是在氨基酸侧链引入羰基的方法却鲜有报道。由于侧链含有羰基的氨基酸例如Kynurenine和FCE 28833都是与色氨酸代谢相关的非天然氨基酸，对该类氨基酸的合成研究对于疾病治疗有很大意义。此外，γ-羰基氨基酸还可以经过选择性氢化制备药物，例如HPA-12和Nikkomycin B。所以发展高效温和的方法制备γ-羰基氨基酸的方法是非常有意义的。作者设想从廉价易得的醛出发，利用钨酸盐这一光催化剂在390 nm光照下攫取醛氢，生成酰基自由基。然后酰基自由基对保护的脱氢丙氨酸进行加成，从而制得γ-羰基非天然氨基酸。
图一. 代表性的γ-羰基氨基酸及其制备策略。
（来源：Organic Letters）
最初，作者探索了反应条件。当以2个当量的对苯基苯甲醛和1个当量的双Boc保护的脱氢丙氨酸甲酯2a作为反应物，4%的十聚钨酸盐作为催化剂，2 mL的乙腈作为溶剂，在390 nm的紫外灯照射下，室温下反应24小时，反应可以93%的核磁收率、89%的分离收率得到目标产物3a。随后，作者探索了不同溶剂对于反应收率的影响，以二氯甲烷、四氢呋喃、丙酮、甲醇以及水和乙腈的混合物为溶剂时，反应都可以得到目标产物，但是收率都会降低（76%-22%）。该反应在纯水中不能发生，可能是因为反应物在水中的溶解性较差。当加入2 个当量的醋酸后，该反应没有被淬灭掉，仍然以53%的核磁收率得到目标产物。当使用455 nm的蓝光灯替代390 nm照射反应时，只能以21%的核磁收率得到3a。控制实验表明，没有氩气氛围保护，该反应的核磁收率只有36%。没有光照和光催化剂，反应都不能得到目标产物3a。作者用邻苯二甲酰保护基替代双Boc保护基时，反应也能以83%的分离收率得到目标产物。
表一. 反应条件的筛选
（来源：Organic Letters）
筛选出了反应的最优条件以后，作者继续对该反应的底物适用性进行探索。首先作者对取代的苯甲醛类底物进行了拓展：邻位和对位含有烷基取代基的苯甲醛都能反应，但是邻位苯甲醛反应得到的产物3b远远小于3c可能是因为位阻效应。无论是间位卤素取代还是对位卤素取代的苯甲醛都有中等到优秀的收率（3d-3h，56%-90%）。间位和对位含有给电子基例如：乙酰氧基（1i）、甲氧基（1j，1l）、MOMO基（1k）、苯氧基（1m）都能以优秀的收率得到目标产物（77%-90%）。
图二. 底物的拓展
（来源：Organic Letters）
不仅含给电子基的苯甲醛可以兼容该反应，含有吸电子基（例如乙酰基、三氟甲基、氰基、酯基等）的苯甲醛也可以兼容该反应（3n-3r）。由于烯基和炔基往往作为自由基的受体，从而不能兼容自由基反应。该方法对于间位和对位烯丙氧基取代的苯甲醛也有很好的收率（81%-89%）。炔基对于该反应也是可以耐受的，可以55%的收率得到3u。2-萘甲醛也可以通过该转化以76%的收率得到目标氨基酸3v。作者也对双取代的苯甲醛进行了考察，例如双氯取代或者双烷氧基取代的苯甲醛都可以中等偏上的收率得到非天然氨基酸。芳杂环甲醛也是可以兼容的：苯并呋喃和噻吩环都可以中等的收率引入到氨基酸侧链中。然后作者对烷基醛的适用性进行了探索，为了易于分离，作者使用邻苯二甲酰保护的脱氢丙氨酸甲酯作为反应物。普通的丁醛、苯基丙醛、环丙烷甲醛、桃金娘烯醛、2-烯基壬醛、草兔醛都可以实现该转化。更加有趣的是，含有较低BDE碳氢键的底物也可以被钨酸盐攫氢产生自由基，从而实现对应非天然氨基酸的合成。一个二肽的底物也可以通过该方法进行后修饰，得到3kk和脱除一个Boc的产物。该方法还可以将农药分子麦草畏、医药分子布洛芬、天然产物分子豆腐果苷和薄荷醇引入到氨基酸的侧链，这证明该方法的适用范围广，是一个合成γ-碳基非天然氨基酸的强有力工具。当脱氢丙氨酸的β位被甲基取代时，该反应也可以发生，以中等收率得到目标产物3pp。氮端使用乙酰基和苄氧羰基保护的脱氢丙氨酸甲酯是不反应的。
为了证明该反应的实用性，作者将3w即保护的FCE 28833进行了克级制备，当该反应以3 mmol的量进行反应时，可以62%的收率得到3w。当向模板反应体系中加入60个当量的氘代水时，可以73%的收率97%的α位氘代率得到3a，为α氘代氨基酸的合成提供了新的思路。作者用Karady–Beckwith手性脱氢丙氨酸作为反应物时，可以83%的收率，大于20:1的非对映选择性的到产物5，说明方法也可以用来合成光学纯的氨基酸。羰基的存在为分子的后期官能团化提供了活性位点，可以对羰基进行进一步转化改进分子的性能。例如，可以用硼氢化钠还原羰基并且经历一步分子内的亲核取代得到产物6，还可以将3a与羟胺反应将羰基转化为肟。当使用盐酸肼与3w反应时，羰基可以与肼缩合后再亲核取代过程制备哒嗪酮类杂环化合物。以上例子都证明该反应有很好的实用性。
图三. 反应的应用
（来源：Organic Letters）
随后，作者对该反应的机理进行了探索，当向模板反应体系加入2.5个当量的自由基捕获剂TEMPO时，该反应被完全抑制，通过高分辨质谱可以捕捉到酰基自由基与TEMPO偶联的产物。使用邻位带有烯丙基的苯甲醛作为底物，反应可以37%的收率得到化合物9，说明该反应经历酰基自由基的过程。
图四. 机理实验研究
（来源：Organic Letters）
根据实验结果和以前的文献报道，作者提出了该反应的机理：首先，十聚钨酸盐在390 nm的光照下跃迁到激发态，激发态的十聚钨酸盐可以攫取醛氢生成醛基自由基，醛基自由基对脱氢丙氨酸自由基加成，得到中间体I，I再从攫氢后的钨酸盐中得到一个氢原子，生成γ羰基氨基酸。
图五. 可能的反应机理
（来源：Organic Letters）
总结：作者发展了一例光促进的十聚钨酸盐催化的以醛为起始原料合成γ羰基氨基酸的方法，该方法操作简单、条件温和、底物范围广、许多官能团都可以兼容。作者还证明了通过该方法可以将农药分子、天然产物和药物分子直接引入到氨基酸的侧链中。光学纯的γ-羰基氨基酸和α位氘代的氨基酸也可以通过该方法高效的合成。该方法有潜力应用于多肽和蛋白质修饰的后修饰中。
本篇工作通讯作者为南开大学的汪清民教授。南开大学博士研究生王欣谋为该论文的第一作者，南开大学副教授刘玉秀博士和副研究员宋红健博士、硕士研究生陈育明对该工作的顺利进行也做出了重要贡献。上述研究工作得到了国家自然科学基金（21732002, 22077071）的资助。