可见光介导半胱氨酸的间歇和流动选择性芳基化反应外文翻译资料

 2022-08-08 09:08

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可见光介导半胱氨酸的间歇和流动选择性芳基化反应

Cecilia Bottecchia, Maarten Rubens, Smita B. Gunnoo, Volker Hessel, Annemieke Madder, and

Timothy Noel

摘要：提出了一种温和的可见光介导半胱氨酸芳基化的方法。该方法依赖于伊红Y作为无金属光催化剂和芳基二氮盐作为芳基化剂。在微流体反应器中可以显著加速反应，同时允许原位形成所需的重氮盐。本文描述的间歇和流动协议可用于获得大量的芳基化半胱氨酸衍生物和芳基化半胱氨酸二肽。此外，该方法还应用于模型肽在短反应时间内的生物相容性反应条件（室温、磷酸盐缓冲盐水（PBS）缓冲液）中化学选择性芳基化。

C-S键的组成在有机合成和药物发现领域具有很高的价值[1]。 但是，由于金属催化剂与硫原子之间不理想的配位作用，传统的交叉耦合方法往往是不足C-S键的形成[2]。 尽管存在不理想的配位作用，但已经报道了一些过渡金属催化交叉耦合方法使C-S键形成[3] 。然而，这些方法往往依赖于较高的反应温度和（或）需要强碱的化学计量量。 一个众所周知的方法主要应用于工业的C-S键的形成是所谓的Stadler-Ziegler反应，其中重氮盐与芳基硫酸盐反应，得到所需的硫醚衍生物[4] 。从Stadler和Ziegler报告的原始条件开始，出现了大量的方法，允许更温和的反应条件[5] 。其中，我们的小组报告了一个温和的一锅法，以合成芳基硫化物促进光氧化还原催化[6]。

为了化学生物学目的开发温和的方法[7]， 我们设想修改我们的程序，以实现可见光诱导的半胱氨酸芳基化协议。具体来说，我们的注意力集中在开发一种生物相容性的无金属策略，其中包括廉价的有机染料作为光氧化还原催化剂。 此外，由于紫外光与肽和蛋白质的不相容性，我们认为可见光氧化还原催化将完全适合于化学生物学的应用，因为反应条件较温和（例如，室温和可见光）。

肽和蛋白质的新的选择性化学修饰对于蛋白质-蛋白质相互作用的研究和新的生物结合物和药物候选物的开发具有关键意义[8]。 与其他通常针对翻译后修饰的氨基酸相比，半胱氨酸表现出较低的天然结合性和较高的亲核性[9]。 这些特性共同解释了通常较高的选择性和广泛的反应活性特征，典型的翻译后化学修饰涉及半胱氨酸残基。 半胱氨酸生物共轭的一些最广泛的策略包括二硫形成[10] ，硫醇-马来酰亚胺反应[11] ，用卤代烷试剂烷基化[12] 。其他策略使用半胱氨酸作为形成脱氢丙氨酸的前体[13]（Dha），或作为亲核芳香取代的处理，允许获得肽和蛋白质中的全氟化产物[14] 。此外，依靠硫醇-烯的几种方法[11] （或硫醇-炔[15]）已有报道，通常需要紫外线照射才能产生巯基自由基。 文献中较少的记录描述了过渡金属用于半胱氨酸修饰。 其中，最近的发展说明了半胱氨酸芳基化的方法[16]以及蛋白质中半胱氨酸芳基化的可行方案[17]。 在这些报道的启发下，我们设想光氧化还原催化可以达到我们的目的，以获得一种温和而简单的半胱氨酸芳基化方法。此外，我们认为高度亲电的苯二氮盐适合作为芳基化剂，能够很容易地产生芳基自由基Ered高达0.5V对比饱和甘汞电极，SCE）通过一个单一的电子转移（SET）途径[18]。 然后生成的芳基自由基可能被半胱氨酸的亲核硫醇部分所捕获。

因此，我们开始了我们的研究，N-Ac-L-cysteine-OMe 1a使用4-氟苯二氮四氟硼酸盐在乙腈（MeCN）批量条件下的芳基化反应。 在没有光和光催化剂的情况下，在2小时的反应时间内获得了所需芳基化产物3g的26%（表1，条目1）。

表1.半胱氨酸芳基化反应批处理条件的优化。（a）

记录

光源

催化剂

优化条件下的变化

孤立产量[%]

1

无光

无

预制重盐

26

2

CFL

无

预制重盐

25

3

CFL

Ru(bpy)3Cl2

预制重盐

40

4

CFL

Ru(bpy)3Cl2

原位构成，HBF4

56

5

CFL

Ru(bpy)3Cl2

原位构成，PTSA

59

6

CFL

伊红Y

无

59

7

CFL

伊红Y

原位构成，3 equiv. tBuONO

52(b)

8

CFL

伊红Y

DMSO

15

9

CFL

伊红Y

PBS

46

10

白LED

伊红Y

连续流（c）

79(92(b))
  1. 标准反应条件：0.5mmol N-Ac-l-cysteine-OMe（1a），4-fluoroaniline（1.3等量）、t-BuONO（2.0等量）、1.5mol%TsOH·H2O和1mol%伊红Y在5mLMeC N（0.1m）、白色CFL、2小时反应时间中。 对于预先制备的重氮盐：在没有t-BuONO和TsOH·H2O的情况下使用4-fluorobenzenediazonium tetra- fluoroborate
  2. 以正癸烷为内标的GC-MS测定收率。

[c]有关详细流量条件，请参阅方案1和支持信息。

当接触到采用24W紧凑型荧光光源（CFL），产率为25%，表明单凭可见光不能显著增加芳基自由基的形成（表1，条目2）。 但是，在Ru（bpy）3Cl2·6H2O（1mol%）为基准光氧化还原催化剂，得到较高的收率为40%（表1，条目3）。为了尽量减少与处理潜在的爆炸性重氮中间体有关的风险，并希望将我们的程序简化为一锅法，我们研究了重氮盐的原位形成，从容易获得的4-氟苯胺、亚硝酸叔丁酯（t-BuONO，2.0等量）和四氟硼酸（HBF4 ，1.5mol%）。 在2小时内，产品3g可以提高56%的收率（表1，条目4）。与含有其它反离子的重氮盐相比，四氟硼酸盐的苯二氮盐易于分离，具有更高的稳定性。 然而，通过实施重氮盐的原位形成，反离子选择似乎减少了限制（即，不需要使用BF4 反离子，以提供框架稳定的重氮盐）。 相反，我们选择使用易于处理的对甲苯磺酸（Ts OH·H2O），给出了类似的结果（59%，表1条目5）。 为了制定一种生物相容性策略，我们进一步测试了使用有机染料伊红Y作为我们转化的光催化剂的可能性。 令人欣慰的是，在1mol%的伊红Y存在下，所需的产物在59%中获得（表1，第6条）。 这与最近关于伊红Y被重氮盐氧化猝灭的能力的报道是一致的，从而产生芳基自由基[19] 。进一步将tBuONO的量增加到3当量，并没有导致产量的任何改善（表1，条目7）。溶剂筛选表明，该反应在DMSO中产率较低（15%，表1，条目8），但在PBS缓冲液（pH8，46% 表1，条目9）中进行得很好，这是一种常用的肽和蛋白质修饰溶剂。

在间歇进行的光催化反应的主要限制之一是反应混合物的低效辐照，往往导致次优产率和规模扩大的困难[20] 。为了规避这些问题，我们将我们的芳基化协议转化为一个微流程序。我们开发了一个光微反应器组件，由一个3D打印支架组成，该支架配备0.45米PFA微毛细管（500微米ID）和3.12W白色发光二极管（LED；见微支持信息反应堆细节）[21] 。值得注意的是，在仅30秒的停留时间内，获得了79%的化合物3g（表1，条目10）。 由于氮气的演化（与重氮盐的还原一致），观察到段塞流的形成，从而保证了最佳的混合效率[22] 。反应动力学显著加速产品产率的增加可归因于反应混合物的最佳辐照 [20a]。

在手头的优化条件下，我们评估了我们的协议在批量和连续流（方案1）中的范围。 芳基化反应在苯胺偶联伙伴上容忍了多种取代基。含烷基取代基的苯胺摩尔-胚珠在间歇反应中以较小的产率反应，得到相应的芳基化半胱氨酸衍生物（3a至3c），并在化合物3a和3b的流动中获得了较好的产率。 值得注意的是，化合物3D（49%批量对比61%流动）可用于通过铜催化的炔叠氮环加成法（CuAA C）进一步功能化生物分子[23] 。含有邻位和对位取代基的苯胺也以较好的产率反应，得到所需的芳基化衍生物3e和3f（28%和66%的批里量对比流量为3f的73%）。 总的来说，我们观察到缺电子苯胺的产率高于富电子苯胺。 这可以归因于它们相应的重氮盐的反应性的差异。 事实上，缺乏电子的芳基二氮盐不太稳定，因此更容易通过SET还原 [18b] 。此外，还获得了一系列含氟衍生物，收率良好（3g至3m）。 具体来说，对氟和邻氟（3g 59%批量，82%流量，3h 70%批量），对氟甲基（3k60%批量，89%流量和3l 81%流量）和三氟甲氧基（3m 62%流量）芳基化半胱氨酸衍生物的产率均较好。 此外，全氟芳基化衍生物3I（流量40%）和3J（批量42%，流量45%）的合成收率令人满意。 类似的全氟芳基化半胱氨酸衍生物已被报道的五聚体和同事作为方便的多肽树苗的相互中介 [14a，b]。

方案1. 半胱氨酸芳基化反应的批量和流动范围。（a）反应条件批次：1.0mmolN-Ac Cys-OME（1a）、苯胺（1.3等量）、t- BuONO（2m mol）、1.5mol%Ts OH·H2O 和1mol%伊红Y在10mLAC N（0.1m），白色CFL，2h反应时间。

（b）反应条件流程：2.0m molN-AcCys-Ome（1a），苯胺（1.3等量），t-BuONO（2等量），4mol%TsOH·H2O和1mol%伊红Y 在40mLAC N（0.05m），白光LED灯，30秒停留时间；报告的产率是孤立产率[两次运行的平均值]。

（c）停留时间60秒。

（d）停留时间150秒。

（e）连续流动中的革兰氏标度实验（5m mol标度）。

接下来，我们探讨了我们的方法的潜力，把Cl，Br和含I的苯胺，作为所有卤化衍生物。可以代表有用的合成处理进一步肽功能化。 获得了令人满意的产率（3o 78%，3p 62%）和邻B r衍生物3n（79%）。 此外，合成了Para-和Meta-I衍生物（3q 35%，3r 41%），尽管产量略有下降。 在碘原子存在下观察到的较低产率可以通过考虑碘芳烃基将碘转移到芳基自由基来解释，从而提供了1，4-二碘苯，我们确实观察到这是我们反应中的一个重要副产物（在GC-MS中检测到） [19e] 。此外，我们还探讨了使用含酮和酯的苯胺的可能性，从而获得了良好的产率的对甲基酮和邻甲氧基酯衍生物3s（78%）和3t（75%）。 最后，我们探讨了杂环3-氨基-5-Cl吡啶对我们转变的反应活性。令人欣慰的是，含有吡啶的半胱氨酸衍生物3u以69%的收率在流动中获得。

由于易于扩展，我们的流动协议可以很容易地在克尺度上获得芳基化

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