铁催化剂可修氨基酸及肽，创建新候选药物

诸平

据伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）提供的信息，伊利诺伊大学罗杰·亚当斯实验室（Roger Adams Laboratory, University of Illinois） 和辉瑞全球研发（Pfizer Worldwide Researchand Development）的科研人员合作，采用铁催化剂可以修饰氨基酸和肽类化合物，创建新型候选药物。相关研究成果与2016年8月1日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Thomas J. Osberger, Donald C. Rogness, Jeffrey T. Kohrt, Antonia F. Stepan & M. Christina White. Oxidative diversification of amino acids and peptides by small-molecule iron catalysis. Nature，2016，DOI:10.1038/nature18941. Published online 01 August 2016.

以伊利诺斯大学（University of Illinois）的M. 克里斯蒂娜·怀特（M. Christina White）教授和研究生托马斯·奥斯伯格（Thomas Osberger）(Fig. 1)为首的化学家，他们发现两种小分子铁催化剂可以氧化手性氨基酸和肽类化合物，使其转化为一批非天然形式的手性化合物,为研究者提供了开发候选药物的更多选择。除了M. 克里斯蒂娜·怀特教授之外，还有来自伊利诺斯大学香槟分校（University of Illinois atUrbana-Champaign）与辉瑞全球研发合作实验室的研究人员。

在生命的产生和演变过程中，自然界往往对一直手性有所偏爱，自然界存在的糖类为D-构型、而氨基酸则为L-构型，但是蛋白质和DNA的螺旋构象却又都是右旋的。面对这种现象，可以说手性是一切生命的基础，生命现象依赖于手性的存在于手性的识别，因此一切动植物以及人体对药物等都具有精确的手性识别能力。手性药物的构型不同，它们的生理活性和毒性也不同，甚至表现出完全相反的性质(Fig. 2)。由于人们对于手性药物的不同对映异构体的不同药理和生理效能的逐渐认识，使得手性纯化学品的市场需求极大增加。因此，如何获得高对映纯化合物，已经成为当代化学家（特别是药物化学家）所面临的最具挑战性的任务之一。

长期以来，人们获得手性化合物的途径主要是通过从天然产物中提取或者用生物酶合成。如果采用一般的化学方法合成，得到的是外消旋体。外消旋体是由旋光方向相反、旋光能力相同的分子等量混合而成，其旋光性因这些分子间的作用而相互抵消，因而是不旋光的。如果要从外消旋体的一对对映体中分离出其中之一，得到手性纯化学品，必然需要对其进行拆分。虽然不对称化学合成开辟了从非手性物质人工合成手性化合物的新途径，但是，不对称化学合成需要使用化学计量的手性试机，而手性试机价格昂贵。因此，化学家进一步研究采用不对称催化方法合成手性化合物。不对称催化是一个手性增量过程，使用少量手性配体或者手性修饰剂即可获得大量手性化合物。不对称催化被认为是众多不对称合成中最有效、也最具有研究开发价值的手性化合物合成方法。但是，使用的催化剂需要贵金属，其中以钌（Ru）、铑(Rh)、钯(Pd)、铂（Pt）以及铱(Ir)为主。

对于化学家来说，如何利用廉价的金属元素作为催化剂来实现手性化合物的合成，自然是大家共同追求的目标。并对于药物化学家而言,使肽结构调整甚至是微调也是候选新药开发的关键。现在,伊利诺伊大学的研究人员已经证明了两种含铁小分子催化剂，可以使某些类型构成多肽和蛋白质基石的氨基酸转化成为一系列潜在的新形式,即使是肽的一部分发生转化,同时保留其化学上至关重要的手性（chirality）特征。

“这使我们能够得到一种氨基酸结构,并将其转换成许多具有不同功能的不同结构,这可能最终导致不同生物性质和物理性质的特定肽分子,”研究者怀特说：“它还扩展了非天然手性氨基酸 （unnatural chiral amino acids）的种类，而这些反常的手性氨基酸可供研究者用来制备新结构化合物。”

此催化剂的一个主要优势就是氧化C-H键,但是会使反应物的手性不受影响，即此类催化剂可以保护氨基酸的手性。构成手性分子的原子可以有多个空间排列，因此在立体化学（stereochemistry）中就有“右手”型化合物和“左手”型化合物之分。一种化合物的分子与其镜像不能互相叠合，则必然存在一种与镜像相应的化合物，这两种化合物之间的关系，相当于左手和右手的关系，即互相对映。这种互相对应的两种化合物被称为对映异构体(enantiomers)。

手性分子是化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子。碳原子在形成有机分子的时候，4个原子或基团可以通过4根共价键形成三维的空间结构。由于相连的原子或基团不同，它会形成两种分子结构。尽管对映异构体它们化学式是相同的,但是，由于组成分子的原子或者原子团（基团）不同，在空间的排布不同，所以它们在体内的行为不同，甚至是相反的（Fig. 2）。从分子的组成形状来看，它们依然是两种分子。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合，就像左手和右手那样，称这两种分子具有手性，又叫手性分子(chiral molecule)。因此这两种分子互为同分异构体，这种异构的形式称为手性异构，有R型和S型两类。不具有对称面和对称中心的分子有一个重要的特点，就是实体和镜象不能重叠，镜面不对称性是识别手性分子与非手性分子的基本标志。手性及手性物质只有两类:左手性和右手性。有时为了对比，另外加上一种无手性(也称"中性手性")。左手性用learus或者L表示，右手性用dexter或者D表示，中性手性用M表示。除了利用偏光照射所产生的角度偏差正负值相反外，对映异构体在化学特性、物理特性上大致相同。

手性是生命过程的基本特征，构成生命体的有机分子绝大多数都是手性分子。人们使用的药物绝大多数具有手性，被称为手性药物。手性药物的"镜像"称为它的对映体，两者之间在药力、毒性等方面往往存在差别，有的甚至作用相反。20世纪60年代一种曾经作为抗妊娠反应药物——反应停或者莎利多按（Thalidomide，一种孕妇使用的镇定剂，已被禁用)，在欧洲和日本广泛使用，投入使用后不久，即出现了大量由沙利度胺造成的海豹肢症（Phocomelia）畸形胎儿，最终导致1.2万名婴儿的生理缺陷。因为反应停的对映体具有致畸性（Fig. 2）。再如左旋多巴（L-DOPA）是一种用于治疗帕金森病的药物,而其镜像版本右旋多巴（D-DOPA）是生物学上无活性的。因此，无论是反应停还是多巴都说明能够独立地获得手性分子的两种不同镜像形态极为重要。这是因为同样化学式的分子，由于存在对映异构体，两种异构体之间具有不同的生理属性。使用两种铁催化剂,研究人员能够使具有四个手性中心的氨基酸-脯氨酸（proline）、亮氨酸（leucine）、缬氨酸（valine）和戊氨酸（norvaline），转换成为21种不同的氨基酸结构,同时保留其手性中心不受影响。这些新结构氨基酸可用于创建现有肽（peptides）的修改版本或创建全新结构的化合物。

通常在自然界执行这种氨基酸氧化修饰是为了制备出具有不同性质的各种不同的多肽类化合物。自然界存在有20种常见氨基酸,而通过C-H氧化反应来改变其形状或者添加像醇或羧酸等官能团，这些反应通常是由含铁酶催化完成的。然而,在实验室环境中这些酶非常难以发挥催化作用。怀特说：“这些酶也非常具体。它们通常是根据一种氨基酸或肽结构来进行调整。我们已经开发的小分子催化剂有两大优势：它们的适用性很强，对于许多不同的氨基酸和肽结构均可以发挥催化作用；而且使用方便。它们可以通过一个简单的碳氢氧化反应创建出极好的多样性产物。”

催化剂具有的另一个主要优点，就是它们能够氧化一般底物,它们对于C-H键断裂非常具体，以至于其目标就是某些氨基酸，如脯氨酸（proline）、亮氨酸（leucine）或缬氨酸（valine），即使它们是一种更大肽链的一部分。例如,研究人员使用此催化剂将包含单个脯氨酸（proline）的肽链转换成含有非天然氨基酸的8种不同的肽。

怀特说：“这在目前是强大的,如果你想得到这些8种不同的肽,按照传统的方法你将不得不做8个不同的合成实验才能到达目的，在此之前你只能这样做,你必须合成单个非天然氨基酸成分。但是采用我们的新方法,您不必需要大宗的化学品即可构建一种肽，使用一种碳氢（C-H）氧化反应,再加上添加一个官能团反应,就可以产生8种保留手性的新肽化合物。”

Fe-PDP(iron PDP)是小分子铁催化剂之一,它可从Sigma-Aldrich化学试剂供应商或者Strem公司购买,当然，研究人员还在进行商谈,以商品形式提供另外一种催化剂。怀特研究小组也正致力于可以修改更广泛的氨基酸的催化剂研究,特别是适宜于那些具有富电子的芳香功能化合物修饰的催化剂研究,与目前使用的C-H键氧化催化剂展开竞争。

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Abstract: Secondary metabolites synthesized by non-ribosomal peptide synthetases display diverse and complex topologies and possess a range of biological activities^{1, 2}. Much of this diversity derives from a synthetic strategy that entails pre-³ and post-assembly² oxidation of both the chiral amino acid building blocks and the assembled peptide scaffolds. The vancomycin biosynthetic pathway is an excellent example of the range of oxidative transformations that can be performed by the iron-containing enzymes involved in its biosynthesis⁴. However, because of the challenges associated with using such oxidative enzymes to carry out chemical transformations in vitro, chemical syntheses guided by these principles have not been fully realized in the laboratory⁵. Here we report that two small-molecule iron catalysts are capable of facilitating the targeted C–H oxidative modification of amino acids and peptides with preservation of α-centre chirality. Oxidation of proline to 5-hydroxyproline furnishes a versatile intermediate that can be transformed to rigid arylated derivatives or flexible linear carboxylic acids, alcohols, olefins and amines in both monomer and peptide settings. The value of this C–H oxidation strategy is demonstrated in its capacity for generating diversity: four ‘chiral pool’ amino acids are transformed to twenty-one chiral unnatural amino acids representing seven distinct functional group arrays; late-stage C–H functionalizations of a single proline-containing tripeptide furnish eight tripeptides, each having different unnatural amino acids. Additionally, a macrocyclic peptide containing a proline turn element is transformed via late-stage C–H oxidation to one containing a linear unnatural amino acid.