NHC催化实现α-氨基酸的立体选择性多样化：手性调控与肽合成新突破

本研究针对非天然氨基酸（UAAs）和立体化学精确肽的合成难题，开发了一种N-杂环卡宾（NHC）催化策略，实现了外消旋或手性α-(U)AAs的动态动力学拆分（DKR）和立体发散性合成。该方法底物适用范围广，可兼容空间位阻和不饱和衍生物，立体选择性高（>90% ee/de），并成功应用于固相肽合成（SPPS），为化学生物学和肽疗法开发提供了新平台。

　　

手性α-氨基酸是生命系统和药物设计的基础构建单元，对非天然氨基酸（UAAs）和立体化学精确肽的需求推动了对其精确合成方法的研究。目前，获取手性α-氨基酸的方法包括从蛋白质水解物中分离、生物催化和化学合成。虽然酶法（如氨基酸消旋酶介导的L-和D-氨基酸互变）具有步骤效率高的优点，但其在α-UAAs中的应用受酶稳定性、催化活性和底物范围的限制。相比之下，化学合成方法如不对称氢化、C–H插入反应等虽取得了显著进展，但大多数现有催化系统需要底物具有特定结构特征或进行战略性预修饰以适应其活化模式。因此，开发创新方法以获得结构多样的α-UAAs仍然是一个关键挑战。

在此背景下，香港科技大学与深圳湾实验室的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项研究，提出了一种N-杂环卡宾（NHC）催化的策略，能够实现对α-氨基酸的立体控制合成，直接获得天然和非天然变体，并具有精确的立体化学保真度。该方法将手性α-(U)AA构建和肽合成统一到一个催化框架中，解决了传统方法中存在的消旋化和构型不稳定性等长期挑战。

研究人员通过利用NHC催化剂，该平台实现了S和R构型α-(U)AA之间的动态立体化学互变，同时在肽链延伸过程中保持手性——这一双重能力对于设计生物活性分子至关重要。操作简单、无碱条件和广泛的官能团耐受性可适应多种底物，从空间位阻的α-芳基基团到不饱和侧链，而不会影响立体选择性。

研究采用的主要技术方法包括：NHC催化酯化反应实现氨基酸和肽的立体选择性转化；动态动力学分辨率（DKR）技术处理外消旋底物；固相肽合成（SPPS）验证方法实用性；密度泛函理论（DFT）计算阐明反应机理；X射线晶体学分析确定产物绝对构型。

NHC催化的α-氨基酸酯的立体选择性形成

通过系统研究α-氨基酸（1）与二苯甲醇（2a）的立体选择性质子化，团队确定了N,N'-二异丙基碳二亚胺（DIC）为最佳活化剂。优化条件显示，使用20 mol% NHC预催化剂3a和1当量Cs₂CO₃在二氯甲烷中能高效促进目标α-氨基酸酯4的形成，获得优异的产率和对映选择性。

底物范围研究

该方法展示了广泛的底物适用性，兼容天然和非天然氨基酸。外消旋N端保护氨基酸能够收敛性立体选择性转化为(S)-构型衍生物（Phe、Trp、Ala、Met；4a-4d，平均>90% ee）。α-苄基取代底物，包括富电子和缺电子芳基基团，都能顺利进行反应，获得高对映选择性（产物4e-4j，90-97% ee）。噻吩-containing的苯丙氨酸类似物也能高效合成（4k，87%产率，94% ee）。值得注意的是，α-芳基取代基的空间位阻并不阻碍反应，使得手性α-芳基类似物4l的合成成为可能（65%产率，91% ee）。α-烷基取代底物通过DKR高效转化为目标手性UAAs（4m-4p，92-97% ee）。重要的是，与传统过渡金属或酶催化方法相比，该策略显示出更优异的官能团耐受性，保留不饱和侧链（4q-4r）而不发生双键/三键降解——这对合成后修饰至关重要。该方法还能兼容仲α-环己基取代基（4s，82%产率，90% ee），但叔α-取代基完全抑制反应活性。

N保护基和肽底物的范围

以苯丙氨酸（Phe）为模型底物，团队系统研究了N保护基（PGs）对反应的影响。取代苯甲酰衍生物证明非常有效，而其他酰基PGs——包括乙酰基、杂环、肉桂基、烷基和酰胺基团——也都表现良好（4ab-4af）。这种N端PGs的多样性扩展了后续肽修饰的可行去保护策略范围，增强了不同应用场景的适应性。

团队接下来研究了催化剂周转的亲核试剂，这是酰基唑鎓催化循环的关键组成部分。伯醇和仲醇，包括功能化变体（如羟脯氨酸衍生物），都表现优异（4ag-4ak）。团队将研究扩展到肽底物，证明了这种官能团耐受性。在标准条件下，外消旋N端肽连接的氨基酸通过DKR进行不对称质子穿梭，获得手性肽产物，具有优异的立体控制（6a-6g）。该方案即使在肽骨架中嵌入UAA部分时仍保持效率，产生具有多样侧链的手性肽（6h-6j）。肽成功DKR转化为其手性酯衍生物突出了该方法在肽化学和相关应用中的潜力。

机理研究

控制实验为了阐明反应机理。转化需要所有关键组分（NHC催化剂、碱和DIC）才能获得最佳性能。值得注意的是，噁唑酮中间体Int-1a被确定为在没有NHC催化剂情况下形成的关键物种。耦合试剂的筛选显示EDCI提供高产量（97%），但对映选择性降低（86% ee），而HATU和CDI被证明无效，只产生痕量产物。分离并在优化条件下（无DIC）处理Int-1a得到产物4a，高产率且具有优异对映选择性，证实了噁唑酮在对映选择性转化中的关键中间体作用，活化对硝基苯酯也具有类似反应性。

N-PGs的进一步评估表明，虽然Cbz、Fmoc和Boc基团提供高氨基酸酯产率，但它们表现出较差的立体控制。这种区别源于DIC能够促进具有Bz和Ac基团的噁唑酮形成，但不能与Cbz、Fmoc或Boc作为PGs形成噁唑酮。

该方法对于α-手性在(S)-和(R)-构型之间的互变证明有效。从(S)-、(R)-或外消旋1ab开始，获得单一立体异构体(R)-4ab。使用ent-NHC 3a作为催化剂反转选择性，得到(S)-4ab。这种立体化学控制进一步验证使用(rac)-1aa作为底物和N-Fmoc-trans-4-羟基-L-脯氨酸甲酯作为亲核试剂，能够合成单一立体异构体(S)或(R)-4aj。这些结果共同支持了涉及初始底物外消旋化随后NHC介导的α-手性重建的机制。

NHC催化的无消旋化肽合成

基于这些见解，团队系统评估了该方法在肽合成过程中稳定α-立体中心和抑制差向异构化的能力。使用氨基酸盐酸盐2b作为亲核试剂，团队发现NHC 7a能够有效最小化消旋化。反应在无碱条件下高效进行，优于直接耦合方法，后者显示中等产率和优异立体选择性（73%产率，99% es）。引入外源碱显著加剧消旋化，强调了无碱环境的重要性（条目4，34%产率，29% es）。N-PGs的热图分析显示在7a存在下产率和非对映体过量增强，证实了其在消旋化抑制中的作用（产物8b-8f）。

团队进一步设计了一个串联序列，整合手性(U)AA合成和肽链延伸，能够直接从外消旋N保护氨基酸获得对映纯肽（产物8a，62%产率，94% de）。扩展这一概念，团队开发了一个基于Wang树脂的固相肽合成（SPPS）方案，同时建立α-手性和肽键，以高立体保真度递送目标肽（产物8c，20%产率，97% de）。进一步的放大反应和代表性例子证明非常有效。

DFT计算

密度泛函理论（DFT）计算为了阐明控制手性重建的立体化学控制。计算研究描绘了立体选择性转化路径，从NHC催化的噁唑酮开环开始。过渡态分析揭示了(S)-TS比(R)-TS1有1.2 kcal/mol的能量偏好，由底物和NHC催化剂之间的稳定苯基π-π相互作用驱动。随后的CsHCO₃介导质子化产生酰基唑鎓中间体Int2，其中空间约束使得R构型物种比S对应物能量高2.9 kcal/mol。从Int2出现两条不同路径：（1）直接CsHCO₃辅助醇加成通过TS3，或（2）烯醇化物形成（Int-Z/Int-E）随后通过TS5醇加成。前者路径占主导地位，(S)-TS3表现出比(R)-TS3有2.5 kcal/mol能量优势，由于有利的底物-醇π-π相互作用。这一步，特征为17.5 kcal/mol的活化能垒，构成了决速步。相比之下，烯醇化物路径在动力学上不利，需要显著更高的活化能（(S)-TS5=32.7 kcal/mol）。这些发现共同确立了立体选择性源于NHC介导的动力学（过渡态稳定化）和热力学（中间体稳定化）因素的调控，催化剂决定了能量景观和立体化学轨迹。

本研究提出的NHC催化策略为手性α-氨基酸的立体控制合成提供了新平台，能够直接获得天然和非天然变体，并具有精确的立体化学保真度。该方法将手性α-(U)AA构建和肽合成统一到一个催化框架中，解决了传统方法中存在的消旋化和构型不稳定性等长期挑战。通过利用NHC催化剂，该平台实现了S和R构型α-(U)AA之间的动态立体化学互变，同时在肽链延伸过程中保持手性——这一双重能力对于设计生物活性分子至关重要。操作简单、无碱条件和广泛的官能团耐受性可适应多种底物，从空间位阻的α-芳基基团到不饱和侧链，而不会影响立体选择性。机理研究表明，立体化学结果受NHC介导的反应能量景观调控，其中π-π相互作用和空间效应共同决定过渡态偏好。这项工作桥接了合成精度和生物分子工程，为生物分子设计和肽疗法开发提供了一个多功能平台。