在有机合成与生物医学领域，非天然氨基酸（UAAs）的构建及寡肽的修饰一直是研究的热点与关键方向。非天然氨基酸不仅是蛋白质工程的重要工具，能赋予蛋白质独特的功能和性质，也是药物分子设计与合成的关键构建单元，对创新药物研发意义重大。兰州大学许鹏飞教授团队在《Organic Letters》发表的研究成果，报道了一种铁 / 钴双催化策略，为烯基非天然氨基酸的合成及寡肽的选择性修饰提供了全新的方法，在相关领域引起了广泛关注。
一、研究背景
1. 非天然氨基酸的重要价值
非天然氨基酸在现代化学与生物学交叉领域发挥着不可或缺的作用。在蛋白质工程中，引入非天然氨基酸能够拓展蛋白质的功能，创造出具有特殊催化活性、稳定性或特异性结合能力的蛋白质变体。通过精准地将非天然氨基酸整合到蛋白质序列中，可以改变蛋白质的结构和动力学特性，从而实现对蛋白质功能的精确调控，这在酶的定向进化、生物传感器开发等方面具有巨大的应用潜力。在药物研发领域，非天然氨基酸作为关键的结构单元，能够显著影响药物分子的活性、选择性和药代动力学性质。许多药物分子的核心结构中包含非天然氨基酸，它们通过与生物靶点的特异性相互作用，提高药物的疗效并降低副作用，为攻克复杂疾病提供了新的可能。
2. 现有构建方法的局限
尽管非天然氨基酸具有如此重要的价值，但目前构建非天然氨基酸的方法仍存在诸多局限性。传统策略多数依赖底物的预活化处理，这一过程往往需要多步反应，增加了合成的复杂性和成本。近年来，利用天然氨基酸为自由基前体生成烷基自由基的策略，因其能够保留α位手性并兼容多种官能团反应，已成为构建UAAs的有效途径。例如，Mitchell教授、钮大文教授和孙占奎教授发展了可见光驱动的半胱氨酸脱硫策略，实现了C–S向C–C键的转化及多肽选择性修饰；Watson教授利用赖氨酸衍生的吡啶鎓盐与芳基溴化物进行还原偶联，构建芳基化UAAs；Malins教授开发了以亚磺酸盐为自由基前体的方法，而付华教授则通过预活化天冬氨酸和谷氨酸衍生物实现脱羧生成烷基自由基。尽管上述策略在构建UAAs方面取得重要进展，但多数仍依赖底物的预活化处理，增加了合成步骤并限制了底物的适用范围。因此，亟需发展无需预活化的自由基生成方法，以实现更高效、简洁且具有广泛适用性的UAAs合成策略。
研究背景（来源：Org. Lett.）
二、研究核心成果
许鹏飞教授团队创新性地开发了一种铁 / 钴双催化策略，成功实现了烯基非天然氨基酸的合成和寡肽的选择性修饰。该策略以天冬氨酸和谷氨酸衍生物作为烷基自由基前体，巧妙地利用铁 / 钴双催化剂，在温和的反应条件下实现了一系列重要的化学转化。
（一）铁 / 钴双催化策略的建立
在反应条件的优化过程中，团队以 Boc-D-Asp-OMe（1a）与 1,1 - 二苯基乙烯（2a）为模板底物，对反应中的多种因素进行了细致的筛选，包括催化剂的种类和用量、碱的种类、溶剂、反应温度、光照条件等。经过大量实验，确定了最佳反应条件：以 1a（0.1 mmol）、2a（2.0 eq）为底物，使用 Fe (NO₃)₃・9H₂O（30 mol%）作为铁催化剂、Co-4（8 mol%）作为钴催化剂、DABCO（1.0 eq）作为碱，在 1.0 mL DCE 溶剂中，于 50°C 下，在 390 nm 紫外灯照射条件下反应 24 h，此时目标化合物 3a 的收率可达 60%。控制实验明确表明，光照、铁催化剂和钴催化剂在该转化过程中均起着不可或缺的作用，缺少任何一个因素，反应都无法顺利进行。
反应条件优化（来源：Org. Lett.）
（二）底物适用性的广泛考察
在确定了最佳反应条件后，团队对底物的适用性进行了系统而广泛的考察。在烯烃底物方面，多种烯烃类化合物都能顺利参与反应，展现出良好的兼容性。含有卤素、三氟甲基、氰基和酯基等官能团的烯烃，在该催化体系下均能正常反应，这些官能团的存在并未对反应产生明显的干扰，这为后续在产物中引入多样化的官能团提供了可能。杂芳烯如 2 - 乙烯基吡啶和 2 - 乙烯基噻吩等也能成功反应，进一步拓展了烯烃底物的范围。团队还发现，多氟烷基、薄荷醇和香叶醇等具有药理活性的结构单元同样适用于该反应，这一发现凸显了该方法在生物活性分子合成中的巨大潜力。团队设计合成了一系列氨基酸衍生的含硼化合物，这些化合物为硼中子俘获治疗（BNCT）候选药物的开发奠定了重要基础，展现了该方法在药物研发领域的应用前景。
烯烃底物的适用范围（来源：Org. Lett.）
对于天冬氨酸和谷氨酸衍生物底物，无论是 D - 型还是 L - 型天冬氨酸，都能顺利转化为目标产物，说明该反应对氨基酸的构型具有良好的兼容性。常见的氨基保护基如 Boc、Fmoc 和 Cbz 等在该反应体系中都能稳定存在，适应该反应条件，这为后续在复杂肽段修饰中的应用提供了便利。令人惊喜的是，该方法在寡肽修饰方面表现出色，具有脂肪族和芳香族侧链的二肽均能有效转化为目标产物，多个三肽底物也成功实现转化，这进一步验证了该体系对复杂肽段的良好适用性。该方法还兼容杂环及芳香族氨基酸，为实现多样性结构的修饰提供了可能，极大地丰富了寡肽修饰的手段和产物的多样性。
天冬氨酸和谷氨酸衍生物的化学修饰（来源：Org. Lett.）
（三）反应机理的深入探究
为了深入理解该铁 / 钴双催化反应的本质，团队对反应机理进行了系统的研究。通过自由基捕获实验，成功验证了烷基自由基及其加成到烯烃后形成的苄基自由基中间体的存在。在实验中，加入自由基捕获剂后，能够检测到相应的捕获产物，这为反应过程中存在自由基中间体提供了直接证据。紫外 - 可见吸收光谱研究表明，原位生成的铁 / 羧酸盐络合物在 390 nm 光照下具有明显的光响应性，这表明该络合物是光活性物种，在反应的起始阶段起着关键作用。通过稳态光解实验，进一步验证了 Fe (III) 络合物的 LMCT（配体到金属电荷转移）均裂行为，明确了铁催化剂在反应中的作用机制。量子产率实验结果排除了链式反应机制的可能性，为构建合理的反应机理提供了重要依据。
机理探究（来源：Org. Lett.）
根据上述实验结果和文献报道，作者提出了一个合理的反应机理（Scheme 5）。首先，铁盐在碱性条件下与天冬氨酸配位，形成羧酸盐-铁复合物（5）。在390 nm光照射下，羧酸盐-铁复合物通过LMCT过程生成羧基自由基和Fe(II)物种。羧基自由基迅速脱羧生成烷基自由基（6），该自由基加成到烯烃上，形成稳定的苄基自由基中间体（7）。与此同时，Fe(II)物种可被Co(III)催化剂氧化，从而完成铁催化循环。在钴催化循环中，Co(II)物种捕获苄基自由基中间体（7），生成Co(III)中间体（8）。在光照下，C–Co键发生均裂反应并通过β-氢消除反应，生成烯烃产物（9）以及Co(III)–H物种。最后，Co(III)–H物种与另一个质子反应释放H₂，从而完成钴催化循环。
提出的可能机理（来源：Org. Lett.）
三、结语
在这项研究中，许鹏飞教授团队开发了一种Fe/Co双催化策略，用于合成烯基非天然氨基酸并修饰寡肽。机理研究表明，反应起始步骤为铁催化的LMCT过程生成烷基自由基，而钴催化剂则作为质子还原催化剂发挥作用。该策略不依赖昂贵的光催化剂或底物预活化，同时能够保持修饰氨基酸的手性。值得注意的是，该策略不仅促进了天然产物的修饰，还能够生成为BNCT候选药物。这一研究为合成含烯烃的非天然氨基酸开辟了新的方法。
该篇工作通讯作者为兰州大学许鹏飞教授，罗永春教授；博士生赵欢欢为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金（NSFC U22A20390 和 22071085）、新疆维吾尔自治区科技厅 [Xincaihang (2023-211)]、甘肃省重大研究项目（22ZD6FA006, 23ZDFA015, 23JRRA1512）以及中华人民共和国教育部“111”计划的支持。
四、文献信息
文献标题：Iron–Cobalt Dual Catalysis for the Synthesis of Alkenyl Amino Acids and Modification of Peptides
作者：Huan-Huan Zhao, Xu-Gang Zhang, Hao-Wen Jiang, Yong-Chun Luo, Peng-Fei Xu
发表期刊：Organic Letters
DOI：10.1021/acs.orglett.5c00888
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.5c00888
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