铁催化2-乙酰氨基丙烯酸酯的立体选择性C–H酰化反应：构建(Z)-构型γ-羰基非天然氨基酸衍生物的新策略

本文报道了一种铁催化氧化酰化新方法，利用廉价醛类实现酰氨基丙烯酸酯的(Z)-立体选择性C–H官能化，为合成具有生物活性的非天然γ-羰基α-氨基酸衍生物（Unnatural Amino Acids）提供了创新工具，DFT计算揭示了自由基反应路径的立体控制机制。

　　

引言

过去十年间，治疗性肽在药物发现领域迅速崛起，FDA每年批准的药物中肽类化合物占比显著增加。然而，完全由天然氨基酸构成的肽类药物存在膜通透性差和体内稳定性低两大缺陷。通过引入非天然氨基酸（Unnatural Amino Acids）能够有效克服这些局限性，不仅可增强蛋白酶稳定性，还能提高靶标结合亲和力。因此，开发创新且实用的非天然氨基酸合成方法成为合成化学领域的重要挑战。

在氨基酸的化学修饰策略中，脱氢丙氨酸（Dehydroalanine, Dha）残基的修饰研究相对较少。Dha独特的共轭双键结构（电子富集的酰胺基团与电子匮乏的羰基 motif 协同作用）赋予其卓越的化学反应多样性，可参与自由基加成、共轭加成、交叉偶联和环加成等多种反应。虽然钯催化芳基化反应可保留Dha的烯烃单元，但多数自由基加成反应会导致起始烯烃的丢失，而烯烃结构恰是后续功能化的重要位点。特别是在Dha单元引入羰基，能够直接获取具有生物活性的γ-羰基α-氨基酸衍生物。

结果与讨论

本研究开发了一种铁催化氧化酰化反应体系，以单N保护的酰氨基丙烯酸酯和廉价醛为底物，实现了前所未有的(Z)-立体选择性酰化反应。以Ac-Dha-OMe（1a）和对甲基苯甲醛（2a）为模型体系，经过系统条件优化，确定最优条件为：20 mol%无水FeCl₂为催化剂，二叔丁基过氧化物（DTBP）为氧化剂，氯苯为溶剂，70°C氩气氛下反应16小时。该反应意外地发生了脱氢偶联而非共轭加成，以81:19的选择性得到单酰化产物3a和双酰化副产物，其中3a经NOESY和X射线晶体学证实为单一Z-构型，其稳定性源于乙酰氨基NH与新增羰基之间的分子内氢键。

控制实验证实FeCl₂和DTBP缺一不可，其他金属源（如Fe(OTf)₂、Fe(OAc)₂、CuCl₂或CoCl₂）均无活性。溶剂筛选显示PhCl效果最优，PhCF₃和DCE收率显著降低。氧化剂比较中DTBP优于过氧化二异丙苯（28%）和叔丁基过氧化氢（32%）。克级规模实验证实了方法的实用性：以1.0 g 1a为底物可获得48%收率的3a和10%双酰化产物，且二者可通过柱色谱分离。

底物拓展研究表明，多种苯甲醛（无论给电子或吸电子基团）均可顺利参与反应（3a–i），其中邻位取代的底物（如2-甲氧基苯甲醛）因位阻效应收率较低。该反应兼容萘环（3l）及呋喃（3j）、吡咯（3k）、噻吩（3m）等杂环醛，最高收率达68%。值得注意的是，尽管使用化学计量的DTBP，反应对酰基自由基表现出优异选择性，而未发生醚类、烷基腈、甲基芳烃或二氧戊环的α-C(sp³)–H键活化，这体现了卓越的化学选择性。

N-保护基类型对反应成败至关重要：除N-乙酰基外，Boc保护的Dha衍生物（1k）也能顺利反应（3ka, 3km, 3kn），但Ts或Cbz保护基因溶解性问题无法反应。与已报道的共轭加成反应（需N,N-双保护底物）不同，本反应专一适用于单保护底物，这一特性与Nayani课题组在Dha磷酸化反应中的观察一致。该方法还可应用于二肽Boc-Phe-Dha-OMe的后期修饰（3lm），但N端为Dha的二肽（如Boc-Dha-Phe-OMe）无反应活性，表明酯基邻位是维持双键反应性的关键因素。

机理研究通过自由基捕获实验（BHT和TEMPO完全抑制反应）证实自由基物种参与反应。基于前人研究，提出可能的反应路径：DTBP在加热和Fe(II)作用下均裂产生叔丁氧自由基，后者通过氢原子提取（HAT）从醛生成亲核性酰基自由基，进而对Dha双键进行自由基加成产生碳中心自由基中间体（Int-A）。该中间体可能经历直接HAT生成产物3，或经Fe(III)催化氧化生成离子型中间体（Int-B），最终选择性形成Z-烯烃。

DFT理论计算揭示了立体选择性的本质：分子内氢键强度（Int-B中1.7 ? vs. Int-A中2.1 ?）和空间效应共同主导立体化学结局。对阳离子路径（Int-B途径）的过渡态计算显示，Z-构型过渡态（TSZ-cat）因强氢键（1.8 ?）和平面构型带来的空间应变（TSE-cat中ΔΔG^? = 3.3 kcal mol^?1）而更优势，选择性超过10²；而自由基路径（Int-A途径）则倾向于生成E-构型产物。这些计算为反应经由Int-B中间体提供了有力证据。

结论

本研究开发了一种Dha残基酰化新策略，在保留双键结构的同时实现了γ-酮基-α,β-脱氢氨基酸衍生物的高效合成。该氧化平台以廉价醛为酰基源，通过铁催化交叉脱氢偶联反应，以预测性的(Z)-立体选择性构建结构新颖的非天然氨基酸。鉴于Dha在天然产物中的广泛存在，该技术在药物发现和肽化学领域具有重要应用前景。