HFIP再显神通,一级脂肪胺一步实现选择性单甲基化

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可见光引发的C(sp3)-H键选择性甲基化(图片来源:参考资料[1])

今天要聊的内容与脂肪胺的N-甲基化有关。迄今为止,人们已开发了多种方法来实现这种转化,甲基化来源从MeI、MeOTf等(拟)卤代烃到各种C1合成子(如MeOH、CO2、DMSO)。该领域研究的难点在于如何选择性地实现一级脂肪胺的N-单甲基化。理论上讲,此类化合物与甲基化试剂反应会产生二级脂肪胺,后者的亲核活性更强,假使甲基化试剂过量,很容易进一步参与N-甲基化得到双甲基化产物。有人会选择以甲基化来源作为限制试剂(limiting reagent),加入大过量的胺来规避这种副反应途径;也有人首先将底物的氨基(NH2)进行特定的单保护基修饰(如NHBoc、NHTs),与亲电甲基化试剂反应后再消除保护基来达到目的。前者转化效率低,后者至少需要三步转化才能获取目标产物,操作较为繁琐。

最近,南开大学的陈弓教授与中科院上海有机化学研究所的薛小松教授合作,报道了一种能一步将一级脂肪胺选择性N-单甲基化的方法。该反应以HCHO作为甲基化试剂,吡咯烷作为负氢来源,不仅适用于简单的分子,还能完成复杂结构多肽及药物分子的后期修饰。相关工作发表在化学期刊J. Am. Chem. Soc.上。

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图片来源:参考资料[3]

为了获取α-氨基酸N-甲基化的产物,除了上文提到的直接以甲基化试剂对NH2进行修饰,不少人还借助其他迂回的策略来构建此类结构。日本九州大学(Kyushu University)的Nobuo Izumiya教授曾以L构型的O-甲基酪氨酸(5)作为原料,将其转化为相应的重氮盐后再进行溴化形成α-溴代羧酸4,最终MeNH2用作亲核试剂与之发生SN2亲核取代、消除O-甲基保护基,得到D构型的N-甲基酪氨酸(3)。他还利用这种方法完成了蛋氨酸、精氨酸、鸟氨酸等其他结构的N-甲基化,但整个反应过程的转化效率低,有时反应中间体还会外消旋化,导致其并未得到切实的推广应用。

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Nobuo Izumiya教授发展的α-氨基酸N-甲基化的方法(图片来源:参考资料[4])

还有人利用还原胺化的策略将α-氨基酸转化为给定的亚胺中间体,再加入甲基化试剂及氢化还原试剂获取目标产物。例如,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的Albert Eschenmoser教授从色氨酸甲酯盐酸盐出发,与4-氯丁酰氯(45)缩合形成相应的酰胺中间体43。后者在AgBF4的作用下脱卤环化产生亚氨环内酯4444发生N-甲基化后再水解便得到N-甲基色氨酸42。这种方法不会影响底物的立体化学,能以良好的收率完成NH2的选择性单甲基化,并且可实现克量级规模的合成。

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Albert Eschenmoser教授发展的α-氨基酸N-甲基化的方法(图片来源:参考资料[4])

赖氨酸(Lys)是人体必需的α-氨基酸,广泛应用于构建各种多肽乃至蛋白质分子,除了COOH 的α位,侧链还包含另一个NH2。这种氨基酸参与脱水缩合后侧链ε位的NH2可在特定酶的作用下进行转译后修饰(PTM),其中N-单甲基化是十分常见的转化。早年人们通过化学手段对相应位点进行甲基化修饰时同样会得到一定量过度甲基化的副产物,后续分离提纯十分困难。

2021年,陈弓教授发现HCHO可作为亚甲基连接体将多肽中邻近Lys与酪氨酸(Tyr)的侧链高效交联,其间Lys ε位的NH2、HCHO、Tyr中的苯酚片段会发生Mannich型的缩合反应。精氨酸(Arg)侧链的胍基也能在HCHO存在的条件下通过形成四氢三嗪连接体与Lys交联,两类转化中溶剂六氟异丙醇(HFIP)都起到了十分重要的促进作用。

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Lys在HCHO的作用下分别与Tyr、Arg交联(图片来源:参考资料[5])

研究过程中他还观察到,如果多肽中不存在Tyr、Arg残基(如五肽1),Lys侧链的NH2与HCHO反应会直接得到一定量的N-甲基化产物1a,与此同时还会生成丙烯醛1b、亚甲基亚胺1c等其他复杂的结构。陈弓教授认为,1a可能来源于11c间的负氢转移,前者为负氢供体,后者为受体。如此看来,假使在体系中引入其他合适的胺作为负氢供体,便有可能实现多肽中Lys侧链NH2的选择性N-单甲基化。

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Lys侧链NH2选择性N-单甲基化反应条件的优化(图片来源:参考资料[3])

经过筛选,他发现吡咯烷参与反应具有出色的表现,1在这种环状二级脂肪胺的作用下能以优异的收率得到目标产物。HFIP对N-甲基化同样具有关键的影响,换为其他溶剂产物收率会明显下降。

早年开发的方法大多只适合预先制备N-甲基化的α-氨基酸,很难用于复杂多肽的后期修饰。该反应打破了这一壁垒,对不同结构多肽中Lys侧链NH2的后期N-甲基化均适用。甲基化过程在室温下便可顺利进行,对其他氨基酸残基的多数官能团具有良好的兼容性。

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不同结构多肽中Lys侧链NH2的后期N-甲基化修饰(图片来源:参考资料[3])

陈弓教授还使用D2-氘代甲醛(DCOD)和D4-氘代吡咯烷设计了相应的同位素标记实验,证实了吡咯烷为负氢供体。该反应具有明显的一级动力学同位素效应(KIE = 3.1),吡咯烷的C-H键断裂为决速步骤。除了Lys,这种方法同样可实现其他氨基酸乃至复杂药物分子中NH2的选择性N-单甲基化。

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同位素标记实验及其他氨基酸乃至复杂药物分子中NH2的选择性N-单甲基化(图片来源:参考资料[3])

假使将吡咯烷换为N,N-二异丙基乙胺,并以HFIP和H2O作为混合溶剂(19:1),体系加热至100 ℃,一级脂肪胺还可转化为对应的脱氢Aldol缩合产物。

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一级脂肪胺发生脱氢Aldol缩合(图片来源:参考资料[3])

他还通过密度泛函理论(DFT)计算证实了N-甲基化与脱氢Aldol缩合过程均是通过大环过渡态进行的,聚合态的HFIP作为质子羧参与其中,相比常规的六元环过渡态能量明显降低。前者的反应构象有利于底物、吡咯烷中N的孤对电子与α位C-H键的σ*键轨道形成更好的负超共轭效应(NHC),由此活化α位C-H键,推动负氢转移进行。HFIP作为近年来的一种热门溶剂在诸多反应中都起到了不容小觑的作用,相信未来还会给人们带来更多的惊喜。

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N-甲基化与脱氢Aldol缩合反应的DFT计算(图片来源:参考资料[3])

参考资料
[1] Aristidis Vasilopoulos et al., C(sp3)–H methylation enabled by peroxide photosensitization and Ni-mediated radical coupling. Science 2021, 372, 398.
[2] Yantao Chen et al., Recent Advances in Methylation: A Guide for Selecting Methylation Reagents. Chem. Eur. J. 2019, 25, 3405.
[3] Shaokun Cai et al., Formaldehyde-Mediated Hydride Liberation of Alkylamines for Intermolecular Reactions in Hexafluoroisopropanol. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 5952.
[4] Luigi Aurelio et al., Synthetic Preparation of N-Methyl-α-amino Acids. Chem. Rev. 2004, 104, 5823.
[5] Bo Li et al., Cooperative Stapling of Native Peptides at Lysine and Tyrosine or Arginine with Formaldehyde. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 6646.

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