氮杂环卡宾催化的多肽片段连接法及其在多肽蛋白质合成与修饰中的应用

The objective of this project is to develop efficient chemical ligation methods for peptide segments condensation.A significant recent advance in chemical biology has been the development of chemoselective peptide ligation methods for protein synthesis. These methods provide a powerful technology for protein structure-function studies. However, current available peptide ligation methods have their own limitations and more efficient strategies are highly demanded. Our proposal is based on N-heterocyclic carbene (NHC) catalyzed indirect amidation between ester and β-amino alcohol which involving ester exchange and intramolecular O→N acyl transfer. Firstly, we will develop an NHC catalyzed thioester exchange reaction between ester and thiol for the synthesis of thioester and C-terminal thioester peptide, which is one necessary partner for native chemical ligation, the most popular peptide segments condensation method for protein synthesis. Later, the one pot NHC catalyzed peptide ligation between C-terminal ester peptide and N-terminal Cys peptide will be investigated. We will extend the NHC catalyzed peptide ligation of C-terminal ester peptide to N-terminal Ser and Thr peptide, respectively. Finally, the new peptide ligation methodology will be used for the synthesis and modification of proteins.

21世纪是多肽与蛋白质的世纪，需要合成大量的多肽和蛋白质，但是目前合成长链多肽和蛋白质的方法却非常有限。本课题组将致力于开发新颖的多肽片段天然连接法，并将其用于长链多肽及蛋白质的合成与修饰。本课题是基于氮杂环卡宾（NHC）催化的酯与β-氨基醇（或硫醇）经酯交换和分子内酰基迁移间接形成酰胺的反应，开发氮杂环卡宾催化的C端酯多肽与N端丝氨酸Ser、苏氨酸Thr和半胱氨酸Cys多肽之间的天然连接法。课题研究将涉及到NHC催化剂的设计与合成；NHC催化的酯与硫醇发生的硫酯交换反应；NHC催化的C端硫酯多肽的合成方法；NHC催化的一锅法C端酯多肽与N端半胱氨酸Cys多肽的天然连接；并将NHC催化的间接酰胺化反应的多肽片段连接法拓展至N端含β-氨基醇官能团的丝氨酸Ser和苏氨酸Thr多肽片段上去。在条件成熟的情况下，我们会用该方法来合成一些天然的和表达后修饰过的蛋白质并对生物功能及活性进行研究。

酰胺键是自然界中最重要的化学键之一，也是多肽与蛋白质的基本单元。虽然目前已经有不少方法来合成酰胺，然而其合成过程中却存在着很多问题，“原子经济性的合成酰胺键”被认定为合成化学领域的最大挑战。为了从根源上解决多肽与蛋白质化学合成的根本化学问题，我们在该项目的支持下，开发了四种新型酰胺键形成方法学。1.芳甲基与简单伯胺、仲胺的分子间氧化酰胺化反应。我们实现了将碳氢键活化反应概念应用于酰胺键的形成中去，通过芳甲基sp3 C-H 键与普通氨基的N-H 键直接氧化偶联来构建酰胺键，避免了对底物的预官能化，提高了原子经济性和步骤经济性，最大限度地减少了对环境的污染，开发环境友好的酰胺键形成反应。2. 芳基肼衍生物通过氧化切断惰性C-N键插羰基酰胺化反应，通过使用钯催化的偶联反应，以便宜易得的芳基肼、一氧化碳和胺，成功实现了酰胺的高效合成，其副产物是水和氮气，绿色环保，符合当前化学合成酰胺的可持续发展需求。3. 实现了高价碘介导的极反转法构建酰胺键的新型重排反应。4. 炔酰胺介导的新型酰胺键及肽键形成反应，开发了新型的酰胺与多肽合成的缩合剂，该缩合剂在多肽合成中显示出了非凡的优势，分子量小，可以单独使用，而且不会诱发消旋，展示出了极大的工业应用价值。