炔酰胺类缩合剂在多肽与蛋白质化学合成中的应用研究

Chemical synthesis of peptide and protein has been evolved into an indispensabe tool for chemical biology research such as precision medicine, drug discovery, diagnosis and life mechanisms. The fundamental chemistry of peptide and protein synthesis is the amide bond formation between amino acids, in which the coupling reagent plays a key role for activation of the carboxylic acid. We disclosed that ynamides could be used as novel coupling reagents for amide bond formation. They are not only effective for simple amide and dipeptide synthesis but also can be used for peptide fragment condensation. Considering the important application of peptide and proteins, the novel coupling reagents attractive much more attentions from industry as well as academy. However, much fundamental studies are required to make ynamides as practical coupling reagents. In this project, we will focus on several points: 1. Dissecting the mechanism of ynamide-mediated amide bond formation; 2. Design and synthesis of more efficient ynamide coupling reagents, including water soluble one and polymer supported one; 3. Expanding the application of ynamide-mediated amide bond formation to solide-phase peptide synthesis, peptide fragment condensation, cyclic peptide synthesis, protein synthesis and esterification. Our final goal is to make ynamides as practical coupling reagents in chemical industry as well as academy.

多肽与蛋白质的化学合成逐渐成为精准医疗、新药研发、疾病诊断等化学生物学相关研究领域的一个重要工具和手段。我们课题组最近发展了一种原创的新型炔酰胺类缩合剂，其可以高效地促进羧酸与胺之间的缩合反应，在酰胺和多肽合成上显示出了优异的性能。该类缩合剂不但具有重大的学术价值，而且具有广阔的工业应用前景。我们希望通过本课题对炔酰胺类缩合剂进行深入、系统地研究：1.从理论上研究炔酰胺在促成酰胺键形成时的反应机理，了解影响炔酰胺缩合效率的关键因素；2.通过炔酰胺库的高通量筛选与理论研究的结果设计合成更加高效的炔酰胺类缩合剂，包括设计开发水溶性和固载型炔酰胺缩合剂；3.拓展炔酰胺类缩合剂的应用范围，如其在多肽固相合成、多肽片段连接、环肽和蛋白质合成、酯化和大环内酯化中的应用，最大限度地开发其应用潜力。我们的最终目标是将炔酰胺类缩合剂发展成为真正具有工业应用价值的一类缩合剂并且实现其商品化。

我们课题组聚焦化学与生命科学前沿交叉领域，通过发展有机化学新反应和新试剂来解决多肽化学合成与精准修饰领域中的关键科学问题。过去四年在自然科学基金面上项目21778025的支持下，围绕我们原创的炔酰胺类缩合剂展开了深入、系统的研究，将炔酰胺类缩合剂发展成为了一种广谱、高效的不消旋缩合试剂。完成了申请书中所提到的各项研究目标，而且还有新的发现。1）对炔酰胺类缩合剂介导的酰胺键形成反应的机理进行了深入探索，明确了反应的决速步骤和影响反应速率的关键因素。2）在机理研究的指导下，开发出了更加高效的炔酰胺缩合剂和更加高效的反应体系，不但实现了炔酰胺介导的多肽片段连接与直链肽的首尾环化，而且还发展出了水溶性炔酰胺缩合试剂和固载型炔酰胺缩合试剂，大大简化了缩合产物的纯化。3）同时实现了碱、酸催化条件下炔酰胺介导的分子间酯化反应和大环内酯化反应。4）创造性地发展了炔酰胺缩合剂介导的硫代酰胺键形成方法并将其应用于多肽与蛋白质的精准硫肽键修饰。5）在探索更加高效的炔酰胺缩合剂过程中，提出了以烯基活化酯为稳定中间体的缩合剂设计概念，在该概念的指导下原创性地发现了更加高效的联烯酮类缩合试剂，实现了稳定烯基活化酯在固相多肽合成中的应用。6）为了早日将炔酰胺类缩合剂发展成为具有市场竞争力的工业用缩合试剂，我们发现了一种原创的从便宜易得的化工原料一步来合成炔酰胺缩合试剂。初步实现了其商品化，为炔酰胺缩合剂的规模化应用奠定了基础。7）在探索炔酰胺合成方法的同时，我们还发现了炔酰胺与巯基的“点击化学”反应，该方法已被用于多肽与蛋白质的半胱氨酸精准修饰。炔酰胺与联烯酮类缩合剂最大的优点是能够避免α-手性羧酸在活化与缩合过程中的外消旋化，解决了传统缩合试剂的瓶颈问题，有望为多肽合成带来变革性的技术方案。