偕雙硅取代的手性α-氨基酸和β-氨基醇的不對稱合成

王潤平, 曹艷軍, 高 璐, 宋振雷

(四川大學 華西藥學院，四川 成都 610041)

非天然氨基酸是指非現有64種遺傳密碼子編碼的氨基酸[1]，在基礎研究[2]、藥物研發[3]和生物工程[4]等領域應用廣泛。例如，由于非天然氨基酸具有位點特異性強、對蛋白結構擾動小和靈敏度高等特點，被普遍用于檢測蛋白質結構變化[5]、環境監測[6]和蛋白質設計[7]。目前，隨著藥物研發中硅替代碳策略的發展[8]，含硅非天然氨基酸的合成和應用研究受到了越來越多的關注[9]。氨基酸結構中引入硅取代基后，不僅有利于增強相應的多肽藥物分子的親脂性和組織滲透性，而且可以帶來構象新變化，從而有助于發現新的生物活性。非天然氨基酸在結構上主要包括α-硅取代氨基酸(1)、β-硅取代氨基酸(2)、γ-硅取代氨基酸(3)、δ-硅取代氨基酸(4)、硅取代環狀氨基酸(5)及其衍生物(Chart 1)。

Chart 1

Scheme 1

Scheme 2

Scheme 3

本課題組長期致力于結構獨特的偕雙硅化合物的合成及應用研究，并挖掘了立體效應[10]、電子效應[11-12]等一系列特殊性質。在上述工作的基礎上，猜想是否可以合成與天然L-亮氨酸結構類似的偕雙硅非天然氨基酸(Chart 1)。具體思路為：其結構中的氨基與羧基屬于極性基團，與親脂性的偕雙硅配合也許可在保持或增強生物活性的同時，增強對酶降解的抵抗力，從而應用于多肽藥物的研發。另外，還可以通過相應的偕雙硅氨基醇為原料，合成一系列手性配體，并利用偕雙硅強的空間立體效應，實現一些具有挑戰性的對映選擇性轉化。

以3,3-偕雙硅醛(6)和(S)-叔丁基亞磺酰胺為起始原料，二者縮合后得到相應的亞胺(7, Scheme 1)。隨后乙烯基格氏試劑對亞胺7進行加成，在叔丁基亞磺酰胺的手性誘導下，高非對映選擇性地生成烯丙基亞磺酰胺(8);8再通過更換保護基和臭氧化切斷雙鍵，得到Cbz保護的α-氨基醛(10);10經過Pinnick氧化和氫化脫除Cbz保護基后，得到偕雙硅α-氨基酸(12);10也可以經過還原和脫保護基轉化為偕雙硅β-氨基醇(14, Scheme 2)。中間體11和13的ee值通過HPLC手性OD柱測定分別為99.3%和97.1%。14可以進一步以50%的收率轉化為手性單噁唑啉配體(15, Scheme 3)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AC-E400 MHz型核磁共振儀(CDCl3或CD3OD為溶劑，TMS為內標)；Finnigan LCQDECA型質譜儀。

參考文獻[10]方法合成6；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)7的合成

(2)8的合成

(3)9的合成

(4)10的合成

(5)11的合成

(6)12的合成

(7)13的合成

(8)14的合成

將131.05 g(2.25 mmol)溶解于30 mL甲醇中，加入Pd/C 105 mg，插上氫氣球，抽換氣5次，攪拌下反應36 h(TLC監測)。移除氫氣球，用硅藻土過濾，濾餅用甲醇洗滌3次，合并洗液，減壓濃縮，殘余物經硅膠柱層析(洗脫劑B：二氯甲烷/甲醇=50/1,V/V)純化得白色粉末狀固體14676 mg，收率88%, m.p.240.1～241.1 ℃； [α]D20=+16.3°(c=1.0 in CHCl3)；1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 3.90(d,J=11.6 Hz, 1H), 3.58(t,J=10.4 Hz, 1H), 3.42～3.23(m, 1H), 1.87～1.75(m, 2H), 0.96(q,J=8.0 Hz, 18H), 0.72～0.47(m, 13H)；13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 61.76, 55.15, 26.85, 7.96, 7.87, 4.35, 4.22, 2.38； HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C16H39NOSi2Na{[M+Na]+}340.2462, found 340.2518。

Scheme 4

(9)15的合成

2 結果與討論

2.1 化合物8的構型

由X-射線衍射圖可知，所得手性碳為S構型。手性中心由底物7中S構型手性亞磺酰基控制，并以大于95/5的非對映選擇性經過乙烯基加成生成烯丙基胺8(Chart 2)。

Chart 2

2.2 反應機理

乙烯基格氏試劑與7的加成反應，可能經歷了六元環椅式過渡態(16, Scheme 4)。在過渡態16中，格氏試劑中具有路易斯酸性的鎂金屬中心與亞磺酰基中具有路易斯堿性的氧螯合，亞胺中體積龐大的偕雙硅基團和與亞磺酰基中的叔丁基均處在平伏鍵，使16的能量最低，并最終高非對映選擇性地生成S，S構型的8。

報道了偕雙硅手性α-氨基酸和β-氨基醇不對成合成方法。該方法具有原料易得、操作簡便和可規模化合成等特點。利用所合成的偕雙硅β-氨基醇，還合成了偕雙硅取代的手性單噁唑啉配體。下一步，將在此基礎上進一步開展含硅多肽藥物、含硅手性配體以及相關的不對稱催化反應中的應用研究。