酰胺鍵和酯鍵是自然界最基本和最重要的官能團(tuán)，它們還廣泛存在于藥物、功能材料、化妝品等精細(xì)化學(xué)品及其它合成中間體中，因此，酰胺鍵和酯鍵的構(gòu)建受到了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。特別是酰胺鍵，它的形成不但是藥物合成化學(xué)中應(yīng)用最廣泛的有機(jī)反應(yīng)，而且是多肽與蛋白質(zhì)合成過程中的根本化學(xué)反應(yīng)（酰胺鍵反復(fù)形成的過程）。雖然化學(xué)家發(fā)展了很多酰胺鍵形成方法，但應(yīng)用最廣泛的方法仍然是縮合劑介導(dǎo)的酸胺縮合反應(yīng)。然而，傳統(tǒng)縮合劑面臨著反應(yīng)條件苛刻、副產(chǎn)物難分離、會(huì)誘發(fā)過敏反應(yīng)等問題。特別是用于α-手性羧酸的縮合時(shí)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致α-手性中心的外消旋化。不但降低了目標(biāo)產(chǎn)物的收率，而且增加了產(chǎn)物純化的難度。為了抑制消旋的發(fā)生，還需要使用化學(xué)計(jì)量的消旋抑制劑，導(dǎo)致反應(yīng)體系更加復(fù)雜，提高了副反應(yīng)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生更多的化學(xué)廢物?；瘜W(xué)家嘗試把促進(jìn)縮合和抑制消旋兩種功能整合到一個(gè)分子中開發(fā)了一系列雙功能縮合劑。然而這些雙功能縮合劑的結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，分子量大，對空氣中的水氣敏感，副反應(yīng)多，副產(chǎn)物難分離。雖然已有上百種商業(yè)化的縮合試劑，但化學(xué)從業(yè)者經(jīng)常對一些看似簡單的酸胺（醇）縮合反應(yīng)依然束手無策。因此，發(fā)展高效、簡單的不消旋縮合劑仍然是化學(xué)家亟待解決的重要科學(xué)問題。
廣州醫(yī)科大學(xué)趙軍鋒教授團(tuán)隊(duì)致力于化學(xué)與生命科學(xué)前沿交叉領(lǐng)域的研究，擬通過發(fā)展有機(jī)化學(xué)新反應(yīng)和新試劑來解決多肽與蛋白質(zhì)化學(xué)合成與精準(zhǔn)修飾領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)問題。2016年，他們首次發(fā)現(xiàn)炔酰胺可用作不消旋的多肽縮合劑（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 13135）。該類縮合試劑結(jié)構(gòu)簡單、分子量小（最簡單的炔酰胺縮合劑分子量只有133）、穩(wěn)定性好；反應(yīng)可以在室溫、敞口容器中進(jìn)行，操作簡單、方便；無需任何添加劑和催化劑，極大地體現(xiàn)了其原子經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢。更重要的是含有α-手性中心的羧酸在縮合過程中不會(huì)發(fā)生消旋，從而提高了目標(biāo)產(chǎn)物的純度和收率，降低了產(chǎn)物純化的難度。因此，其不但可用于普通酰胺的合成，還可用于多肽合成和更容易發(fā)生消旋的多肽片段連接（圖1）。多肽合成經(jīng)過一百多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)很高的水平，且通過固相多肽合成儀已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。因此，多肽合成經(jīng)常被大家誤認(rèn)為是已經(jīng)發(fā)展的非常成熟的領(lǐng)域，但其實(shí)不然，多肽合成仍然還有很多棘手的問題，特別是肽鍵形成過程中的消旋副反應(yīng)一直困擾著該領(lǐng)域的從業(yè)者。多肽合成是通過縮合劑介導(dǎo)的若干α-手性氨基酸之間的反復(fù)酸胺縮合來實(shí)現(xiàn)的，肽鍵消旋造成的多肽差向異構(gòu)體與目標(biāo)多肽的理化性質(zhì)非常相近，純化極其困難，不但導(dǎo)致收率降低，同時(shí)還增加了生產(chǎn)成本。炔酰胺縮合劑能夠不消旋的構(gòu)建肽鍵，將有望解決傳統(tǒng)多肽縮合劑面臨的消旋問題，為多肽合成提供新的解決方案。下載化學(xué)加APP，閱讀更有效率。圖1. 炔酰胺介導(dǎo)的不消旋肽鍵形成反應(yīng)
他們還將炔酰胺縮合劑用于更具挑戰(zhàn)性的硫代多肽的合成。將多肽主鏈骨架上普通酰胺鍵中的氧原子用硫原子替代而得到的硫代酰胺鍵（硫肽鍵）是一種重要的化學(xué)生物學(xué)工具，但硫肽鍵構(gòu)建時(shí)更容易發(fā)生外消旋化（差向異構(gòu)化）副反應(yīng)。目前僅有一種方法可實(shí)現(xiàn)硫代多肽的合成，且有很大的局限性，因此硫代多肽合成上的困難嚴(yán)重制約了硫肽鍵在蛋白質(zhì)化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。趙軍鋒課題組充分利用炔酰胺縮合劑不消旋的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)建了一種炔酰胺介導(dǎo)的以單硫代羧酸為原料的硫代酰胺鍵形成方法，并成功將其用于硫代多肽的合成（圖2）。該方法除了能在液相多肽合成中模塊化式的引入硫代酰胺，還可在固相多肽合成中精準(zhǔn)引入硫代酰胺，實(shí)現(xiàn)了多肽主鏈骨架的精準(zhǔn)硫代酰胺鍵修飾。由于該方法操作簡單、反應(yīng)條件溫和，解決了多肽與蛋白質(zhì)硫代酰胺鍵修飾在化學(xué)生物學(xué)研究應(yīng)用中的瓶頸問題，將極大地促進(jìn)硫代酰胺鍵在化學(xué)生物學(xué)中的廣泛應(yīng)用（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 1382，J. Org. Chem., 2020, 85, 1484.）。圖2. 炔酰胺介導(dǎo)的不消旋硫代多肽的合成為了拓展炔酰胺類縮合劑的應(yīng)用范圍，他們進(jìn)一步將炔酰胺縮合劑用于酯鍵的構(gòu)建。在堿催化劑的輔助下，炔酰胺縮合劑可以高效促成羧酸與醇或酚的分子間縮合反應(yīng)（J. Org. Chem. 2020, 85, 6188）。值得注意的是α-手性羧酸的分子間酯化也能夠高效地進(jìn)行，且其手性中心在反應(yīng)過程中不會(huì)發(fā)生外消旋化。眾說周知，大環(huán)內(nèi)酯化反應(yīng)一直是天然產(chǎn)物和藥物合成化學(xué)家所面臨的一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。雖然化學(xué)家發(fā)展了一些大環(huán)內(nèi)酯化方法，但是α-手性羥基羧酸的外消旋化以及α,β-不飽和羥基羧酸的碳碳雙鍵順/反異構(gòu)化問題一直是大環(huán)內(nèi)酯化反應(yīng)懸而未決的問題。在分子間酯化反應(yīng)的基礎(chǔ)上，他們經(jīng)過深入探索，成功實(shí)現(xiàn)了炔酰胺介導(dǎo)的大環(huán)內(nèi)酯化（分子內(nèi)酯化）反應(yīng)?；瘜W(xué)加，加你更精彩。雖然分子間酯化反應(yīng)的堿催化條件并不湊效，但是炔酰胺介導(dǎo)的分子內(nèi)酯化反應(yīng)可在酸催化劑的作用下順利進(jìn)行（ACS Catal. 2020, 10, 5230.）。他們發(fā)現(xiàn)炔酰胺介導(dǎo)的大環(huán)內(nèi)酯化反應(yīng)可以很好的避免α-手性羥基羧酸的消旋以及α,β-不飽和羥基羧酸碳碳雙鍵的順/反異構(gòu)化的發(fā)生。不像傳統(tǒng)的大環(huán)內(nèi)酯化方法需要在無水、高溫、強(qiáng)堿性和極低濃度（1 mM）的條件下進(jìn)行，炔酰胺縮合劑介導(dǎo)的大環(huán)內(nèi)酯化反應(yīng)不但可在室溫敞口容器中順利進(jìn)行，而且在5-10 mM反應(yīng)物濃度條件下即可有效避免分子間酯化競爭反應(yīng)的發(fā)生，這一特點(diǎn)使得在規(guī)?；苽浯蟓h(huán)內(nèi)酯時(shí)能夠節(jié)省大量溶劑（圖3）。
圖3. 炔酰胺介導(dǎo)的大環(huán)內(nèi)酯化反應(yīng)最近，趙軍鋒教授團(tuán)隊(duì)在不消旋縮合劑開發(fā)領(lǐng)域又取得了新的進(jìn)展?；谌蝉０房s合劑的成功基礎(chǔ)之上，他們提出了從同樣含有sp雜化碳原子的聯(lián)烯衍生物中開發(fā)縮合劑的想法并最終發(fā)現(xiàn)了聯(lián)烯酮縮合試劑（圖4，J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 10374-10381）。聯(lián)烯酮與炔酰胺的作用機(jī)制類似，都是通過與羧酸的加成反應(yīng)生成烯基活化酯，然后再與胺發(fā)生氨解反應(yīng)。與炔酰胺縮合劑相比，聯(lián)烯酮縮合劑生成活化酯的速度較慢，但其烯基活化酯的氨解活性很高，反應(yīng)在幾分鐘內(nèi)即可完畢。那些位阻大的酰胺以及用炔酰胺縮合劑不能制備的低親核性芳胺的酰胺也都能順利獲得。對于困難底物，10%的HOBt催化劑能夠顯著提升反應(yīng)速度。同時(shí)，聯(lián)烯酮在活化α-手性羧酸時(shí)也能夠很好的避免消旋，因此也可用于肽鍵的形成。20種天然氨基酸均可作為氨基組分和羧基組分來構(gòu)建肽鍵，大位阻非天然氨基酸也可兼容，顯示了該方法的廣譜性。除了簡單的二肽之外，更加容易消旋的多肽片段連接也可不消旋的高效進(jìn)行，為長鏈多肽的液相合成提供了極佳的解決方案。圖4. 聯(lián)烯酮介導(dǎo)的不消旋酰胺鍵形成在多肽合成中的應(yīng)用值得注意的是聯(lián)烯酮縮合劑與氨基酸形成的烯基活化酯大多都是穩(wěn)定的固體，且其氨解反應(yīng)非常迅速，大部分都可在1個(gè)小時(shí)內(nèi)反應(yīng)完畢。由于聯(lián)烯酮與氨基酸形成的烯基活化酯的活性高，因此其可用于固相多肽合成。與傳統(tǒng)固相多肽合成每步縮合需要氨基酸、縮合劑、消旋抑制劑和堿性添加劑等四種試劑相比，該方法只需要活化酯這一種試劑即可（10%的HOBt可顯著縮短反應(yīng)時(shí)間），極大地簡化了固相多肽合成的試劑配方，展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性。利用聯(lián)烯酮與氨基酸制備出的活化酯為合成砌塊，他們以98%的粗產(chǎn)物純度實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典困難十肽ACP(65-74)的固相合成（圖5），效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)縮合方法。此外，氨基酸烯基活化酯在DMF溶劑中在室溫下可保存十天而不變質(zhì)，因此該方法還可用于多肽的自動(dòng)合成。圖5. 烯基酯在困難多肽ACP(65-74)的固相合成中的應(yīng)用
總結(jié)：廣州醫(yī)科大學(xué)趙軍鋒教授團(tuán)隊(duì)聚焦化學(xué)與生命科學(xué)前沿交叉研究領(lǐng)域，在多肽化學(xué)合成與精準(zhǔn)修飾上取得了原創(chuàng)性、系統(tǒng)性的研究成果。提出了以烯基活化酯為穩(wěn)定中間體的縮合試劑設(shè)計(jì)概念，發(fā)現(xiàn)了炔酰胺與聯(lián)烯酮兩款原創(chuàng)型多肽縮合試劑，解決了多肽合成過程中α-氨基酸手性中心消旋的問題，創(chuàng)建了多肽主鏈骨架上精準(zhǔn)硫代酰胺鍵修飾方法。炔酰胺和聯(lián)烯酮兩類縮合試劑是當(dāng)前結(jié)構(gòu)最簡單的不消旋縮合試劑，它們分子量?。ㄗ钚〉娜蝉０泛吐?lián)烯酮縮合劑分子量分別為133和144），單獨(dú)使用即可避免α-手性羧酸的消旋。它們的反應(yīng)條件溫和，都可在室溫、敞口容器中高效進(jìn)行，操作簡單、方便，副反應(yīng)少。這兩類新型縮合劑都是以穩(wěn)定的烯基活化酯為關(guān)鍵中間體，即可通過“兩步一鍋法”進(jìn)行，也可分開兩步進(jìn)行，具有高度的靈活性。由于烯基活化酯的制備無需外加羥基親核試劑和消旋抑制劑，且其活性比傳統(tǒng)活化酯活性高、氨解速度快，克服了傳統(tǒng)活化酯難合成與活性低的不足。因此，炔酰胺與聯(lián)烯酮類縮合劑兼具了傳統(tǒng)縮合劑和活化酯的優(yōu)點(diǎn)，而又避免了二者的缺點(diǎn)，是迄今為止結(jié)構(gòu)最簡單的不消旋縮合劑。炔酰胺和聯(lián)烯酮兩類原創(chuàng)型縮合劑的開發(fā)為酰胺、酯、大環(huán)內(nèi)酯、環(huán)內(nèi)酰胺、多肽、環(huán)肽、硫代多肽等重要物質(zhì)的合成提供了新的方法，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。同時(shí)，以烯基活化酯為穩(wěn)定中間體的縮合劑設(shè)計(jì)理念為縮合試劑的設(shè)計(jì)開辟了新的方向，具有重要的科學(xué)意義。我們相信，隨著將來更深入和系統(tǒng)的研究，這兩類新型縮合試劑有望為多肽的規(guī)?；G色合成帶來變革性解決方案。趙軍鋒教授團(tuán)隊(duì)網(wǎng)頁鏈接：https://www.x-mol.com/groups/Zhao_Junfeng
參考文獻(xiàn)：
1.Hu, L.; Xu, S.; Zhao, Z.; Yang, Y.; Peng, Z.; Yang, M.; Wang, C.; Zhao, J. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13135-13138.( https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6b07230)
2.Yang, J.; Wang, C.; Xu, S.; Zhao, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1382-1386.( https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201811586)
3.Yang, J.; Wang, C.; Yao, C.; Chen, C.; Hu, Y.; He, G.; Zhao, J. J. Org. Chem. 2020, 85, 1484-1494.( https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.joc.9b02486)
4.Yang, M.; Wang, X.; Zhao, J. ACS Catal. 2020, 10, 5230-5235.( https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00523)
5.Wang, X.; Yang, Y.; Zhao, Y.; Wang, S.; Hu, W.; Li, J.; Wang, Z.; Yang, F.; Zhao, J. J. Org. Chem. 2020, 85, 6188-6194.( https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.joc.0c00485)
6.Yao, C.; Yang, J.; Lu, X.; Zhang, S.; Zhao, J. Org. Lett. 2020, 22, 6628-6631.( https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.orglett.0c02402)
7.Liu, T.; Xu, S.; Zhao, J. Chin. J. Org. Chem. 2021, 41, 873-887.（研究專題：炔酰胺縮合劑研究進(jìn)展）(http://sioc-journal.cn/Jwk_yjhx/EN/abstract/abstract348237.shtml)
8.Wang, Z.; Wang, X.; Wang, P.; Zhao, J. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 10374-10381.( https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04614)
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