「Spotlight Research」吡哆醛催化的自由基过程构建C-C键

热点研究

「Spotlight Research」吡哆醛催化的自由基过程构建C-C键

作者：石油醚

本期热点研究，我们邀请到了本文共同第一作者，来自密歇根大学的王烨博士为我们分享。

2024年8月6日， J. Am. Chem. Soc在线发表了来自美国密歇根大学的Alison R. H. Narayan课题组题为「Nature-Inspired Radical Pyridoxal-Mediated C–C Bond Formation」的研究论文。受天然氨基酸氧化酶的启发，Alison R. H. Narayan教授利用游离的辅酶因子pyridoxal参与反应，成功以自由基的过程实现了天然无保护氨基酸及其衍生物的α-C–H官能团化反应。

“Nature-Inspired Radical Pyridoxal-Mediated C–C Bond Formation

Ye Wang, Soumik Das, Kareem Aboulhosn, Sarah E. Champagne, Philipp M. Gemmel, Kevin C. Skinner, Stephen W. Ragsdale, Paul M. Zimmerman and Alison R. H. Narayan*

J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 33, 23321–23329. Doi:10.1021/jacs.4c05997”

Q1. 请对“Nature-Inspired Radical Pyridoxal-Mediated C–C Bond Formation”作一个简单介绍。

受天然氨基酸氧化酶的启发，Alison R. H. Narayan利用游离的辅酶因子pyridoxal参与反应，成功以自由基的过程实现了天然无保护氨基酸及其衍生物的α-C–H官能团化反应。首先探索了氨基酸酯和pyridoxal辅因子在碱性条件形成的quinonoid中间体（酶催化反应关键中间体）的反应条件，通过筛选各种氧化剂和其他反应试剂，成功实现了Togni II试剂和苯乙烯体系与天然氨基酸甲酯的α-C–H官能团化。¹H NMR，UV-Vis，以及EPR实验研究证实关键quinonoid中间体的形成以及Togni II试剂加入发生单电子氧化反应过程。进一步通过副产物的分离表征以及DFT计算支持单电子氧化后反应经历自由基-自由基偶联形成产物，而非自由基加成机理。在额外的锌离子条件下进一步扩展了底物范围，实现了天然无保护氨基酸的直接α-C–H官能团化反应。其他烷基碳自由基前体，如氨基酸的NHPI衍生物，Katritzky试剂等也也可兼容，进一步拓宽此策略的潜在反应性。TBHP和Langlois试剂充分兼容Kpi buffer体系，可以检测到Togni II体系的相同产物，这也为下一步探索该类型反应的酶催化系统提供了可能。此外，一些苄胺类底物的测试发现，当芳基的吸电子性足够时（Hammett参数σ>0.2），可以发生目标反应。反应的Hammett方程支持该类底物的α位拔氢形成quinonoid中间体的是该反应的决速步。总的来说，该反应首次探索了pyridoxal参与的自由基路径用于C–C偶联的可能性，为氨基酸及一级胺化合物的直接修饰提供了新的路径和启发。

Q2.在研究的时候遇到过怎样的困难呢？又是怎样克服的呢？

产物氨基酸及其衍生物的水溶性，大极性，以及20种氨基酸残基的性质变化非常大导致很难预测产物极性，外加偶尔还发生一些意料之外的副反应和反应体系本身的产物多样化（目标化合物<50%），使得目标产物的分离纯化非常困难。我们通过酸碱洗涤和萃取手段，包括甲醇正己烷萃取去除苄基自偶联产物，获得初步纯化的反应产物混合物，进一步通过HPLC-MS分离纯化获得目标化合物。
也正是由于反应体系的复杂性，关键副产物19的分离表征也较为困难。我们首先通过溴代底物外加溴代底物特殊的同位素比例确定了副产物的来源，进一步通过质谱以及机理分析推测了副产物很可能来自于自由基中间体的共轭异构体，最终通过萃取和HPLC-MS分离纯化分离表征了副产物19。
机理研究，尤其是区分最近其他相关文献的自由基加成和我们设计的自由基-自由基偶联也比较烧脑。总的来说，我们通过核磁观察到了quinonoid中间体的形成，UV-Vis以及EPR支持单电子氧化过程的发生，并很可能形成了关键自由基中间体3。此外我们也尝试了各类自由基捕获实验，然而由于氨基酸α位的特殊性，TEMPO捕获产物不稳定，DMPO则和quinonoid中间体具有背景反应，难以区分是否经历自由基。最后我们通过副产物19和目标化合物16的比例加上计算分析，支持反应通过自由基-自由基偶联而非自由基加成。