药物合成 苏氨酸的N烷基化.doc

苏氨酸的N烷基化摘要：N烷基化后的氨基酸具有抗菌性和抑制肿瘤等生物效应，在生物医药方面有一定的应用前景。另外，一些N烷基化后的氨基酸（如苏氨酸）不仅具有很好的生物相容性和降解性，还可作为pH敏感聚合物的单体。本文简要叙述了氨基酸的N-甲基化（烷基化）的方法。关键词： 氨基酸, 苏氨酸, N烷基化, 甲基化 abstract: N alkylation of amino acids which have biological effects, such as antimicrobial properties and inhibiting tumor has certain application prospect in biological medicine. In addition, some N alkylation of amino acid (e.g., threonine) not only has good biocompatibility and degradability, also can be used as a pH sensitive polymer monomer. This paper briefly describes the amino acid N - methylation of (alkyl) method. key words: amino acid, threonine, N alkylation and methylation-氨基酸是多肽、蛋白质合成的基础，除了天然的20种氨基酸为人体所必需外,自然界已发现了非天然氨基酸1000 多种1。这些氨基酸在生物体内的氧化、还原、水解以及 C-C 键形成的反应过程中起重要作用,并决定了多肽、蛋白质的性质,特别是光学纯 -氨基酸及其衍生物在生理、药理方面有着广泛的用途。随着科学的进步和实验手段的提高,许多多肽及蛋白质的结构不断地为人们所认识和了解。通过合成不对称的 -氨基酸来模拟多肽、蛋白质的合成，探索遗传基因工程新的尖端领域,是近年来化学领域研究的焦点之一。人类不仅发现氨基酸，还发现无论从分离的海洋生物还是微生物中，N 烷基化的氨基酸是构成各种天然肽和缩酚酸肽（depsipeptides）如环孢素，海兔毒素（dolastatins）和膜海鞘素（didemnins）的结构单元2。这类由 N 烷基化氨基酸构成的生物分子共同特点是具有增强的水解稳定性，独特的构象性质，更高的亲油性能如增加细胞膜通透性，并改变构象特征或氨基酸的一些属性。这些性质将导致明显而又广泛的生物效应，包括抗生素，抗癌，抗病毒和免疫抑制活性等。N-甲基氨基酸也是非常有用的工具。由氨基酸 N-甲基化修饰的单个或多个肽构成的化合物，如蛋白质，在药物化学中有广泛应用 3。这类化合物常用于氨基酸及多肽衍生物构象研究。由于 N 的甲基化限制了多肽骨架的灵活性，从而减少形成异构体的数目。故这类化合物对于获得多肽的骨架结构形式和结构活性信息都有重要作用，可以稳定各种肽的基本构象（如 螺旋和 折叠）。这种 N-烷基化修饰还影响了多肽与受体的相互作用，与无甲基化的前体相比也明显地增强了其生物活性。如 N-烷基化的氨基酸（包括单烷基化和双烷基化）与金属离子形成配合物时会影响配合物的空间结构，进而影响其生物功能4。同时，包含 N-甲基氨基酸的多肽物对于蛋白酶具有更强的抗降解性。鉴于以上原因，此类氨基酸的烷基化衍生物的合成显得尤为重要。MrMsson5等人用壳聚糖和壳寡糖聚合物作原料，与碘甲烷经甲基化反应，发现在酸性条件下质子化的 N-单甲基化和 N，N-二甲基化的氨基酸基团对抗菌活性显得很重要，而且 N-季铵化后其抗菌活性也增加。从氨基酸的N-甲基化角度出发，氨基酸的N-甲基化（烷基化）方法是伴随着多肽类天然药物的发展而发展的，同时又对多肽类天然化合物的合成起到巨大的推动作用。其用于氨基酸的N-甲基化（烷基化）的方法6主要有五种：1.直接甲基化方法，即采用CH3I、硫酸二甲酯等甲基化试剂进行甲基化的方法，是目前使用最广泛的方法之一，但存在消旋化、产品不易分离及底物氨基酸分子种类存在局限等问题；2.还原胺化法，即氨基与醛或酮反应后再还原的方法，也是一种常用的方法，但由于还原剂成本较高、产品及废液中含有毒物质，限制了此方法的使用；3.通过生成噁唑烷酮中间体再开环得到甲基化产品的方法，是一种可广泛应用于大多数天然氨基酸N-甲基化的方法；4.苯基烷基化法；5.其他特殊方法，如-叠氮酸类化合物的还原烷基化，应用Mitsunobu 反应，应用亚胺氮正离子的逆Diels-Alder 反应等方法。1.直接甲基化方法，直接甲基化的方法很早就得到了应用，主要的方法有Olsen 和Benoiton 等采用的CH3I 法 、Hlavacek 等采用的硫酸二甲酯法。1.1 CH3I 法在碱的作用下用碘甲烷做甲基化试剂来完成 N-甲基化反应，简称为 CH3I 法。根据所采用碱的不同，此方法又分为 Ag2O/CH3I 法、NaH/CH3I 法及 K2CO3/CH3I 法。1.1.1 Ag2O/CH3I 法Olsen 等选择了几种Cbz（苄氧羰基）保护或Boc（叔丁氧羰基）保护的氨基酸，用 CH3I 和 Ag2O 在 DMF (N,N- 二甲基甲酰胺)中反应，以较高收率得到相应的 N-甲基化氨基酸系列化合物。实验结果表明，甲基化反应并没有造成氨基酸的消旋，得到的甲酯通过温和皂化反应得到相应氨基保护的 N-甲基化氨基酸。此方法反应条件比较温和，且反应过程中没有发生外消旋。但得到的产品是相应的甲酯，下一步进行多肽偶合时需要皂化脱甲酯。且由于氧化银不稳定，反应需要在无水及避光条件下完成，因此该方法只适用于实验室小规模使用。1.1.2 NaH/CH3I 法Benoiton 等采用NaH 做碱夺去 N 上 H 质子后，用 CH3I 进行甲基化反应，得到较高收率的相应的 N-甲基化氨基酸衍生物。Cbz 和 Boc 保护的氨基酸用NaH（3eq )和CH3I ( 8eq )于THF 中在室温下反应，可以选择性地发生甲基化而不发生酯化。此方法是目前广泛应用于氨基酸或多肽N- 甲基化的方法11-12，在很多天然多肽全合成中被采用。1.1.3 K2CO3/CH3I 法随着氨基酸保护试剂的发展，CH3I 法也得到了进一步的发展。鉴于 Bts 保护氨基酸具有较好稳定性，此类氨基酸的N-甲基化可以用 K2CO3 做碱于 DMF 中用 CH3I 以较高收率完成。1.2 硫酸二甲酯法Hlavacek 等用硫酸二甲酯对丙氨酸和缬氨酸进行了直接甲基化法，采用的方法分别是：将对甲苯磺酰基保护的 L-丙氨酸采用 Brenner 法将其制成相应的异丙酯，然后在 NaOH 水溶液的作用下用硫酸二甲酯进行 N-甲基化，脱氨基保护后得到 N-甲基-L-丙氨酸，收率为67%；N-甲基-L-缬氨酸是制成叔丁酯后采用相同的方法得到的，收率为65%。文献采用相同方法得到纯度较高的 N-甲基化氨基酸系列化合物，并直接用于下一步多肽的合成。但此方法没有应用于含有其他官能团氨基酸的甲基化。Mahavir Prashad等对此方法进行了改进，将 Boc 保护的氨基酸或二肽于THF 中在NaH 作用下用硫酸二甲酯进行甲基化，反应中加入少量水进行催化，成功地以高收率得到了一系列 Boc 保护 (L)-N-甲基化的氨基酸或二肽。如当氢化钠与水和硫酸二甲酯物质量之比为46：2：31的时候，N-甲基化的Boc- L -缬氨酸，Boc -L -苯丙氨酸，Boc -L - 3 -（2 -萘基）丙氨酸， Boc -L -亮氨酸，1-（Boc-氨基）环戊酸的收率分别为91%，90%，80%，92%和85%（Scheme 1）。Scheme 11.3溴代酸的亲核取代法 -溴代酸与甲胺反应生成N-甲基氨基酸，反应后产物发生瓦尔登构型转化（Scheme 2）。Scheme 22.还原胺化法氨类的 N-烷基化通过与醛或酮反应再进行还原胺化来完成，也是一种常用的方法。将氨基保护的氨基酸与甲醛反应后用甲酸还原，直接得到 N-甲基化产品，脱氨基保护后得到相应的 N-甲基氨基酸。如 Fmoc 保护烷基化法，目前，这种方法仅对 -氨基酸有报道。用芴甲氧羰基(Fmoc)对氨基酸的氨基进行保护，再在酸性条件下与醛反应环化，然后用三乙基硅烷(TES)还原开环。反应结束后脱去 Fmoc，就可以得到高产率的单烷基化产物。该法广泛用于 -氨基酸的氨基单烷基化反应。 如果是非 -氨基酸，可以采用下面改进的方法。同样，首先需要用 Fmoc 将氨基保护起来，在三氟乙酸(TFA)和三氯甲烷体系中, 滴加甲醛溶液，半小时之后加入稍过量的 TES 进行还原，反应在几分钟内便可完成。这种方法十分方便,整个反应和纯化在当天内就可完成。氰基硼氢化钠(NaBH3CN)也是一种比较常用的还原试剂，氨基酸无需保护与醛或酮在 NaBH3CN 的作用下得到N-单一烷基化的氨基酸无机盐。Robin Polt等使用氨基酸/酯对的 ODonnells Schiff 碱和甲醛水溶液及 NaBH3CN 还原胺，其次催化加氢（Scheme 3），合成N单甲基化氨基酸和氨基酸酯类，且获得较好的产率。在大多数情况下，使用非质子溶剂乙腈，但由于溶解度的问题，部分反应用四氢呋喃进行。他们这种方法可用于合成天然产品 L 型阿卟啉的 N-甲基-L-色氨酸，（四维），不用与皮克泰-斯宾格勒环化反应竞争。文献还报道了一种温和且有选择性的还原剂三乙酰氧基硼氢化钠来替代氰基硼氢化钠，不会产生有毒的副产物。i. NaBH3CN, or THF, AcOH; ii. HCHO,NaBH3CN, pH5-7; iii. H2, Pd/C, MeOH or EtOH; iv. HCOR, NaBH3CN, pH5-7; v. H2, Pd/C, AcCl, MeOH or EtOH. Scheme 33.噁唑烷酮中间体法Luke等将化合物的氨基先与甲醛反应，然后直接用三乙基硅烷还原，烷基化与还原步骤同时进行。此方法并不局限于-氨基酸的反应。此方法可以广泛应用于大多数氨基酸的N-烷基化，且不需要对侧链进行保护。只有那些带有碱性侧链的氨基酸不能完成噁唑烷酮的形成，如赖氨酸（Lysine）、组氨酸（Histidine）和色氨酸（Tryptophan）。（Scheme 4）4.苯基烷基化法芳卤可以对氨基酸或氨基酸酯进行直接单芳基衍生化反应。Rttger等以溴苯为原料，采用碘化亚铜催化，在水体系中发生反应，产率可达78%。还有一种直接在氮原子上引入一个苯基的方法，可以采用苯胺和二苯基碘盐进行反应,在苯胺上引入一个苯基。Scheme 45.其他方法除了以上几种方法，还有许多其他的特殊方法用于氨基酸或多肽的N- 甲基化（烷基化）反应。-叠氮酸类化合物用二烷基溴化硼进行还原烷基化，可以得到相应的N-烷基化产品，且构型保持不变。N-Pmc（五甲基苯并二氢吡喃-6- 磺酰基）保护的氨基酸酯可以与不同的醇发生Mitsunobu 反应后再脱保护得到N-烷基化的氨基酸。还有一种特殊的方法是基于亚胺氮正离子的合成方法，即通过逆Diels-Alder 反应对二肽或氨基酸类化合物进行N-甲基化。（Scheme 5， Scheme 6， Scheme 7）Scheme 5Scheme 6Scheme 7上述方法中，Ag2O/CH3I法只适用于一个氨基和一个羧基的氨基酸，对于含有其他官能团的氨基酸不能得到目标产物，如Arg （精氨酸）、Asp （天冬氨酸）、Glu （谷氨酸）、Met （蛋氨酸）、Ser （丝氨酸）或Thr （苏氨酸）等。对于NaH/CH3I法，大多数此类反应都不能使N-甲基化进行完全，产品中混有原料，因此必须用柱色谱进一步分离纯化才能得到N-甲基化产品，限制了其大规模的应用。有些反应还存在外消旋现象（12%），此方法的反应条件还有待进一步完善。还原胺化法是一种较好的方法，但用NaBH3CN做还原剂时，多数反应要控制pH 值在68，先生成亚胺离子,且产品及后处理的废液中总是含有少量的有毒物质氰化物存在。而且NaH、CH3I和Ag2O 价格较昂贵，硫酸二甲酯具有很强的毒性，有些反应需要形成噁唑烷酮中间体，有些反应只能引进芳基。结论不同结构的氨基酸具有不同的生物效应，而不同的N烷基化的氨基酸不仅具有各异的生物效应，由其构成的多肽和蛋白质也显出不同的生物效应，如抗菌，抗病毒，抗癌等。这样合成不同烷基化的氨基酸的方法也会多种多样。烷基化氨基酸的合成将是一个热点，它们将在医学上显示出重大的医用前景，发挥出重要功效。但是寻求催化范围更广和具有更高的催化效率的催化剂，寻求更好的催化体系，寻求温和的反应条件、低毒性环境和广泛适用于某一类反应的方法是我们需要考虑的。我们也有必要考虑简化实验操作，缩短反应时间，降低实验成本这些问题。同时我们仍要考虑回收问题，环境污染问题以及产物的降解问题以实现绿色化学。参考文献1 Chaire, M. M.; Douglas, W. Y. J . Chem. Soc. Perkin. Trans, 1997, 23, 3519-3521.2 Thomas, R.; Benoit, D.; Francis, H.; et al. J. Peptide Sci, 1999, 5, 56-58.3 Alessandro, M