《ACS Omega》：5-Amino-5-deoxyshikimic Acid as a Versatile γ-Amino Acid for Peptidomimetic Synthesis
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本研究报道了一种高效、可规模化的四步合成路线，制备得到5-氨基-5-脱氧莽草酸衍生物。这种环状、不饱和的γ-氨基酸成功应用于液相和固相肽合成，能以高纯度、高收率获得目标产物。文章进一步展示了其仲羟基的可功能化特性，这为系统性的结构多样化和氨基碳环糖衍生物优化提供了可能，在折叠体设计、催化和药物发现领域具有应用潜力。
碳环糖是一类特殊的天然化合物类似物，其结构特点是将环内的氧原子替换为亚甲基，这一看似微小的修饰形成了高度氧化的环己烷或环戊烷骨架及其不饱和类似物，并增强了抵抗酶降解的能力。这类分子常作为结构单元存在于多种天然产物中，例如临床用于治疗非胰岛素依赖型II型糖尿病的α-淀粉酶抑制剂阿卡波糖和α-葡萄糖苷抑制剂伏格列波糖。碳环糖作为不可水解的碳水化合物类似物，主要被视为糖苷酶抑制剂，并在癌症、病毒感染、神经退行性疾病和自身免疫性疾病治疗中展现出潜力。然而，其应用远不止于此，例如在不对称催化中，碳环糖衍生的手性配体也表现出高效能。
将具有丰富立体化学、酶学稳定且易于功能化的碳环糖骨架转化为氨基酸结构单元，为药物化学和催化剂开发带来了新机遇。然而，针对多羟基化环戊烷和环己烷氨基酸的合成方法学研究仍不充分，相关报道有限。本研究聚焦于合成碳环糖衍生的氨基酸及多肽。碳环糖的结构多样性和立体化学复杂性，一旦整合进氨基酸框架，可促进丰富的非共价相互作用网络，这对于分子识别和结合至关重要。此外，多个羟基官能团的存在提供了多样化的衍生位点，从而增强了所得肽的三维结构多样性和功能可调性。
本研究描述了一种适用于肽合成的新型氨基莽草酸衍生物的合成。氨基莽草酸是莽草酸途径的中间体，该途径是微生物和植物生产芳香族氨基酸及多种其他生物活性代谢物的必需代谢路线。尽管其重要性显著，但该γ-氨基酸作为肽化学中有价值的构建单元一直被忽视。为了促进其更广泛的应用，本研究报道了一种简洁、高产率的四步合成法来制备氨基莽草酸衍生物，并利用液相和固相合成法成功将其整合到肽骨架中。
结果与讨论
碳环糖的合成策略大致可分为两类：以碳水化合物为前体，或以非碳水化合物起始物料进行合成。此外，多羟基化天然化合物也是合成碳环糖衍生物的合适前体。本研究使用市售的(-)-莽草酸作为起始原料。首先在酸性条件下与甲醇进行酯化，以89%的收率得到甲基酯。随后，在4-甲基苯磺酸一水合物存在下，使用环己酮对二醇官能团进行酮缩醛保护，以97%的收率得到被保护的中间体。该中间体先前已被用于合成天然产物(-)-Pericosine E。接着，使用Dess-Martin高碘烷氧化仲醇得到相应的酮，该酮在温和条件下被顺利转化为肟，收率为70%。最后，在MoO3存在下，用硼氢化钠还原肟，以优异的收率和非对映选择性引入了关键的C-5氨基，得到目标衍生物。这四步反应的总收率为55%，且该方案可放大至5毫摩尔规模而效率不减。随后，用氢氧化钠脱除酯保护基，再用Fmoc保护氨基，得到了适用于固相肽合成的衍生物。
为了评估氨基莽草酸作为γ-氨基酸骨架在肽合成中的潜力，将所得衍生物与Boc保护的苯丙氨酸在BOP/HOBt条件下偶联，以98%的优异收率得到二肽甲基酯。随后对酯进行皂化得到羧酸，再与甘氨酸乙酯延伸得到三肽，收率为77%。这两步反应证明了氨基莽草酸与标准肽偶联方案的完全兼容性。
骨架扩展的氨基酸已被广泛用于折叠体中以获得多样的螺旋结构。与基于β-氨基酸的系统相比，γ-氨基酸的掺入研究较少，在FoldamerDB数据库中仅占约7%，这可能是由于获得立体化学纯的构建单元存在挑战。因此，立体化学明确且易得的氨基莽草酸衍生物为寡聚物合成提供了宝贵的潜力。为了评估其效用，本研究通过固相合成制备了两个模型七肽，其中一个在N末端掺入了氨基莽草酸，另一个在亮氨酸寡聚物的第四位掺入了氨基莽草酸。肽链在Wang-Leu-Fmoc树脂上使用标准Fmoc-SPPS方案组装。用三氟乙酸切割去除所有保护基，以高粗品收率和高纯度获得目标肽，表明其掺入效率高，副产物形成极少。粗肽通过从甲醇/二异丙醚中结晶进行纯化。
NMR分析证实了氨基莽草酸的有效掺入。在其中一个七肽中，骨架扩展导致相邻亮氨酸质子化学位移发生明显扰动，且酰胺NH信号分辨清晰，可实现完整的骨架归属。相比之下，N末端掺入氨基莽草酸导致的酰胺质子信号差异则小得多。两个肽的圆二色谱谱图在240纳米以下具有相似的线形，但强度不同，这与氨基莽草酸掺入引起的局部构象变化一致。
碳环糖和碳环糖衍生氨基酸的多羟基化骨架为额外的化学修饰提供了多个位点。用不同的取代基对这些羟基进行功能化，为生成结构多样的结合物提供了一个通用平台。为展示此潜力，首先在酸性条件下脱除了关键衍生物的环己基保护基，然后用Boc保护氨基，得到适合在仲羟基位点进一步衍生化的衍生物。随后，该衍生物在BOP/HOBt活化下，在室温二氯甲烷中与Cbz-Gly-COOH偶联，得到目标化合物。在类似条件下与8-羟基辛酸反应也得到了相应的酯化产物。
这些“侧链”修饰拓展了氨基碳环糖的化学空间，并能够为药物发现生成结构多样的分子库。此外，羟基取代基的变化允许对关键物理化学性质进行微调，包括溶解性、电荷分布和氢键结合能力，从而影响药代动力学和生物利用度特征。所得化合物的正交保护基模式也为后续多方向位点选择性功能化提供了广阔机会。
结论
总而言之，本研究建立了一种高效、可规模化的四步合成法来制备5-氨基-5-脱氧莽草酸衍生物。这种环状、不饱和的γ-氨基酸是一种通用且易于合成的构建单元，适用于液相和固相肽合成，能以高收率和高纯度获得产物。此外，其仲羟基为进一步的功能化提供了有价值的把手，能够实现结构多样化和氨基碳环糖性质的微调，应用于折叠体设计、催化和药物发现领域。
实验部分
除非另有说明，所有溶剂均按供应商提供（分析级或HPLC级）直接使用，未经进一步纯化。“石油醚”指沸程为40-60°C的石油醚馏分。如指明使用混合溶剂，所述比例为体积比。除非另有说明，所有使用的水溶液均为饱和溶液。试剂直接使用主要化学品供应商提供的产品。反应通过磁力搅拌进行，并通过在Merck Kieselgel 60 F2540.25毫米预涂铝板上进行分析薄层色谱来监测。展开后，在254纳米紫外光下观察紫外活性物质。进一步的显色通过用钼酸铈铵染色并在热板上炭化实现。含有游离氨基的化合物通过将其浸入茚三酮溶液中进行检测。快速柱色谱在硅胶上进行，采用标准技术，用所示溶剂洗脱。熔点测定使用Tottoli仪器，未经校正。旋光度在25°C下使用自动旋光仪测定。
核磁共振氢谱和碳谱在配备室温探头和z梯度附件的核磁共振波谱仪上记录。化学位移以ppm报告，并参考溶剂信号。耦合常数以赫兹给出。高效液相色谱-质谱分析在配备二极管阵列检测器和单四极杆质谱仪的HPLC系统上进行，采用正电喷雾电离模式。高分辨质谱使用飞行时间质谱仪完成，涉及直接样品进样。圆二色谱光谱在室温下使用石英比色池在190-300纳米波长范围内记录。系统化合物名称遵循IUPAC命名规则。
随后，文档详细列出了从起始原料(-)-莽草酸到最终一系列目标化合物（包括中间体、肽及功能化衍生物）的具体合成步骤、反应条件、产率、物理性质数据、核磁共振数据和高分辨质谱数据。所有实验步骤描述详尽，表征数据完整，为重复该合成路线和应用相关构建单元提供了充分的实验依据。
