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刚性环状多肽的合成法-「恶唑嫁接法」

多伦多大学・Andrei Yudin等人、通过1,3,4-恶二唑(odz)实现对链状多肽的两端的环化连接,单步合成了大环多肽分子。引入的oda平面性结构可以稳定环状多肽的分子内氢键,这样有利于促成刚性的转角结构,从而利于合成高膜渗透性的多肽化合物。

“Oxazole grafts in peptide macrocycles”
Frost, J. R.; Scully, C. C. G.; Yudin, A. K.* Nat. Chem. 20168, 1105. doi:10.1038/nchem.2636

问题点与工作意义

大环状的多肽由于其size比较大,结构也很复杂,合成困难,但是其还有抗蛋白酶的特性,能作为蛋白质 – 蛋白质相互作用的抑制作用的前药,因此在医药界广受关注 [1]。另外多肽具有分子间的氢键作用存在,所以其可以减少本身的极性表面积,具有更好的膜透过性,在医药方向是一个非常值得期待的研究领域[2]。

本论文的作者利用Pinc试剂,(Ph3P=N−N+≡C)[3]与醛为反应试剂,再加上多肽发生类似于Ugi反应, 在温和条件下把odz基团嫁接到多肽中,并且使得多肽进行环化得到环状多肽。odz基团具有平面刚性・耐水解性等特性,是酰胺的生物学等价体[4],因此引入该基团得到的多肽是具有高膜透性的拟肽,是十分有应用前景的一个方法学研究。

具体实施手法

Pinc试剂,bench-stable、在同一分子内同时具有亲核的胺基与异氰基。同时Ph3P基团在这里具有正离子性,因此可以与羧酸负离子相互吸引接近,从而促进大环的环化。醛的取代基R1可以tuning,这样就增加了产物的多样性。

该构象据说是作者的”amphoteric molecule”(单一分子结构内同时具有亲电与亲核部位的分子)概念的活用衍生的实例[5]。

主张的有效性验证

①最佳反应条件的筛选・产物的结构鉴定

作者首先以Pro-Gly-Leu-Gly-Phe(PGLGF)为底物,进行环化反应的筛选。因为溶解性的原因,最终使用混合溶剂CH2Cl2/CH3CN=1/1进行反应,只是室温搅拌即获得了68%产率的环化产物。

该反应几乎不产生二聚体,低聚物以及其他的副产物(通过LC-MS・1H NMR验证确认)。环状多肽结构通过X射线单晶衍射进行确认。同时在高浓度0.1 M下环化也能优先进行,作者认为这是由于反应试剂之间的twitterionic相互作用。

②底物拓展研究

4~7残基的链状多肽的讨论。底物浓度超过0.1M的话,溶解性不好,所以基本都是在25 mM・50℃的条件下进行反应。在底物拓展中作者发现,即使没有proline残基(可以促进环化进行),环化也能有效进行。同时该方法对含有N-Me-glycine的多肽也同样适用。反映试剂中的醛上的取代基也可以进行tuning。

③分子内氢键的特性评价

利用温度可变的NMR追踪酰胺质子的温度-化学位移系数(Tcoeff)、从而可以观察分子内氢键的存在与否[6]。

odz环化的[PGLGF]产物中,Gly2-NH与Phe5-NH之间形成了氢键,并且作者认为形成氢键后的产物拥有单一配位构象。反应试剂醛的碳在生成产物中是一个手性点,因此可以形成非对映异构产物,而作者发现非对映异构体之间具有同样的氢键结合构型。另一方面,用于比较合成的,不使用odz,单纯的酰胺环化体cyclo[PGLGFA],只有在Leu3-NH上观测到了氢键的存在,并且伴有多个配位现象的产生。即使改变多肽的氨基酸排列顺序,也能得到相似的结论,因此作者认为这是由于引入odz而得到的特异性结果。

在对含有proline氨基酸的odz环化体来说,也观测到了多个不同构象的混合物。在经过NBO解析后发现,proline的N原子与Gly2-NH、odz的氧原子之间存在氢键结合。

④膜透性评价

利用PAMPA法(parallel artificial membrane permeability assay)进行膜透性评价、大部分的odz环化物显示出了较高的膜透性。而相比之下,普通的不含有odz的多肽环化体,5个中4个不具有膜透性。从X射线单晶衍射中,作者推测是醛由来的侧链作为亲水基起作用,因此在对醛的侧链进行讨论后发现,Et基改成Bn基,或者iBu基后,膜透过性提高了。也就是说,在那个位点进行tuning的话,是可以改善药物的物理性质的。

最后通过比较极性表面积值(%PSA),发现odz环化体与普通酰胺环化体没有大的差异,也就是说,膜透性的提高与极性变化无关,而是因为与odz部位形成的特殊的氢键结合特性导致的。

 

小编个人看法

  • 一般来说醛作为反应试剂的情况,其产物的非对映异构选择性都是比较难控制的,而在该反应中确是能得到单一的费对映异构产物。然而理由不明。
  • 含有亲水基的多肽侧链需要保护后才能进行反应。
  • 使用Pinc试剂进行的环化反应的机理,希望读者能够自己去翻阅学习一下。

相关研究的阅读?

  • 大环(多肽)药物的综述[1,2]
  • 利用Twitter ionic特性的催化剂,反应的开发
  • Yudin基于amphoteric molecules”概念的反应开发[5]

参考文献

  1. Driggers, E. M.; Hale, S. P.; Lee, J.; Terrett, N. K. Nat. Rev. Drug Discov.2008, 7, 608. doi:10.1038/nrd2590
  2. Bhat, A.; Roberts, L. R.: Dwyer, J. J. Eur. J. Med. Chem. 201594, 471. doi:10.1016/j.ejmech.2014.07.083
  3. [3] (a) Weinberger, B.; Fehlhammer, W. P. Angew. Chem. Int. Ed. 198019, 480. DOI: 10.1002/anie.198004801 (b) Stolzenberg, H.; Weinberger, B.; Fehlhammer,W. P.; Pühlhofer, F. G.; Weiss, R. Eur. J. Inorg. Chem. 2005, 4263. DOI: 10.1002/ejic.200500196 オキサジアゾール合成への適用:(c) Souldozi, A. ; Ramazani, A. Tetrahedron Lett. 200748, 1549. doi:10.1002/ejic.200500196 (d) Ramazani, A.; Rezaei, A. Org. Lett. 201012, 2852. DOI: 10.1021/ol100931q
  4. [4] Borg, S.; Estenne-Bouhtou, G.; Luthman, K.; Gsoeregh, I.; Hesselink, W.; Hacksell, U. J. Org. Chem. 199560, 3112. DOI: 10.1021/jo00115a029
  5. (a) He, Z.; Zajdlik, A.; Yudin, A. K. Acc. Chem. Res. 201447, 1029. doi:10.1021/ar400210c (b) Yudin, A. K. Chem. Heterocycl. Compd. 201248, 191. doi:10.1007/s10593-012-0982-6 (C) Hili, R.; Yudin, A. K. Chem. Eur. J.200713, 6538. doi:10.1002/chem.20070071

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京都大学药学博士,现某化学企业小职员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。
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