摘要：通常情况下，分子结构多样化借助官能团转化来实现，目前化学家已经开发了大量化学反应以将有机小分子的官能团选择性地转化为另一基团，但是这一策略主要局限于小分子，对于多肽等生物大分子的适用性相对有限。这主要有以下两方面原因：1）天然氨基酸的化学反应性侧链通常是亲核性

通常情况下，分子结构多样化借助官能团转化来实现，目前化学家已经开发了大量化学反应以将有机小分子的官能团选择性地转化为另一基团，但是这一策略主要局限于小分子，对于多肽等生物大分子的适用性相对有限。这主要有以下两方面原因：1）天然氨基酸的化学反应性侧链通常是亲核性的，因此其优先与亲电试剂发生反应，进而限制了反应类型；2）通过引入亲电侧链来扩大反应空间时会存在潜在的竞争性分子内反应。事实上，现有的方法仅限于以下几种转化，例如：半胱氨酸衍生为脱氢丙氨酸（Dha）、紫外/光催化生成丙氨酸Cβ-自由基、硒代半胱氨酸的电化学转化、C-末端甘氨酸的脱羧烷基化、脂肪族氨基酸脱氢，但是这些反应都尚未在复杂多肽中普遍适用，从而严重限制了多肽化学空间的拓展。另一方面，Csp3-I键是生物大分子领域挑战性最大的官能团之一（图1B），而且在23种报道的含有3-碘丙氨酸亚基的肽中，19种具有受保护的末端和相对惰性的侧链，其余4种环肽具有非反应性侧链（图1C）。迄今为止，仅能通过脱氢丙氨酸间接引入Csp3-I键且报道极少，若能稳定地在半胱氨酸上生成Csp3-I键，则可极大拓展多肽反应空间。

为了突破这一瓶颈，美国罗得岛大学Fang Wang、科尔盖特大学Jacob M. Goldberg等研究者合作，在温和条件下直接将半胱氨酸的亲核性碳-硫醇侧链转化为亲电性的烷基卤化物（即Csp3-I键，图1D），产物可进行一系列衍生化，如亲核取代、交叉偶联，从而拓展多肽反应空间。相关成果于近日发表在J. Am. Chem. Soc. 上。

图1. 背景介绍及本文工作概览。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

为了规避肽中氧或氮亲核试剂的潜在竞争反应，作者尝试利用硫醇特异性反应来活化半胱氨酸Csp3-S键，可在碘阴离子的存在下进行脱硫碘代。如图2A所示，通过类Appel反应活化半胱氨酸时只能以低化学选择性实现脱硫碘代，为此作者设计了“脱硫碘代”策略：即2,2’-二硫代双(1-甲基吡啶鎓)双(四氟硼酸盐)（DTMP）与半胱氨酸在温和条件下先形成二硫化物，再与多种膦反应生成膦鎓硫化物中间体，最后由碘离子进攻便可得到 3-碘丙氨酸衍生物（4a）。随后，作者选择N-Fmoc-L-半胱氨酸甲酯（1a）为模板底物对一系列膦试剂进行筛选（图2B），结果显示富电子膦化合物（P1-P3、P5）活性不足，产率低；而缺电子膦化合物（P4、P8）虽能促进碘化，但易被水进攻裂解P-S键。为此，作者向缺电子三芳基膦的邻位引入合适取代基（如：P9）以通过空间位阻屏蔽水分子，同时提升碘化效率，进一步研究发现三(3-甲基噻吩-2-基)膦（P13）在温和条件下几乎完全实现了1a的脱硫碘代（产率：98%）。相比之下，直接模仿 Appel 反应条件则完全无效。

图2. 反应设计及条件优化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

在最优条件下，作者探索了该反应的底物适用性，即通过“一锅法”三步操作便可直接得到脱硫碘代产物4，无需分离中间体（2和3），进而显著提升了效率并避免了繁琐的肽纯化过程。如图3所示，带有赖氨酸、精氨酸、天冬氨酸、酪氨酸等亲核性残基的肽（4b-4l）均能兼容该反应，以中等至良好的产率获得相应的脱硫碘代产物，并且即使反应位点邻近这些侧链也不影响产率（如：4c、4l）。此外，C-末端酰胺/羧酸同样能耐受该反应，而且Csp3-I键的引入不会导致 Cα-外消旋化（如：4f、4g），这明显优于其它广泛使用的脱氢丙氨酸方法。值得一提的是，该策略也适用于引入Br 或Cl（如：4b′-4d′、4d″），进一步拓展了肽的亲电性反应空间。其次，模型底物4e和4j的稳定性研究表明碘代多肽在 pH=7.4的磷酸缓冲液下半衰期约为20 h，其主要通过 β-消除降解为脱氢丙氨酸；即便在 pH=8.1的tris缓冲液中该分解仍较缓慢。然而，该方法的局限性在于部分底物的 Csp3-I键易水解，特别是含有组氨酸的底物更显著（如：4m、4n），导致 3-碘丙氨酸部分转化为丝氨酸，从而降低产率。

图3. 底物拓展。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

为了验证碘代多肽的应用潜力，作者进行了一系列衍生化，具体而言：1）含半胱氨酸的多肽1c经脱硫碘化得到4c，后者与半胱氨酸甲酯在 pH=8.1的Tris 缓冲液中反应 3 h便可形成lanthipeptide 5c（图4A）；2）碘代肽4e还可以与乙酸盐进行反应并转化为丝氨酸（图4B），同时邻近的赖氨酸侧链发生乙酰化；3）尽管分子中存在多种未保护侧链，碘代底物（如：4e和4i）能够在一锅法条件下顺利实现镍催化的C-C键交叉偶联反应（图4C）。

图4. 合成应用。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

总结

本文研究团队发展了一种温和且具有高度化学选择性的半胱氨酸侧链编辑方法，即通过 DTMP 活化生成二硫化物中间体、缺电子三芳基膦介导的膦–硫转化以及碘离子进攻，实现了“一锅法”三步的脱硫卤代反应。在保持 α-碳手性构型的同时，该方法对赖氨酸、精氨酸、酪氨酸等多种未保护侧链均表现出良好的兼容性，并成功拓展至溴代和氯代体系。此外，稳定性研究表明生成的 3-碘丙氨酸残基在生理缓冲条件下可维持数小时至二十小时的半衰期。进一步的功能化实验展示了其在lanthionine多肽构建、半胱氨酸向丝氨酸的定点化学突变及翻译后修饰模拟以及镍催化交叉偶联反应中的应用潜力。总体而言，该策略在多肽体系中首次实现了亲核性侧链到亲电性手柄的直接转化，为拓展多肽化学空间及开发新型生物大分子提供了新的合成途径。

Direct Editing of Cysteine to Electrophilic Alkyl Halides in Peptides

Daniel S. Honeycutt, Waldo Salgado-Bello, Harlan S. Greenberg, William K. McCarthy, Jason M. Mrosla, Brian Pallares, Jacob M. Goldberg, Fang Wang

J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 28546–28551, DOI: 10.1021/jacs.5c06200

来源：X一MOL资讯