有机膦诱导生物正交反应的机理及结构-活性关系

Modification of biomolecules using bioorthogonal reactions is an important technical method to chemical biology. Organophosphonates undergo many chemoselective reactions with good biocompatibility, and thus are wildly used in bioorthogonal reactions to develop many important chemical biology methods such as Staudinger ligation. However, the organophosphonate-induced bioorthogonal reactions still suffer from some problems, such as relatively low reaction rate, limited substrate scope, which limit their application. A detailed mechanistic understanding and structure-activity relationship analysis may help to design methods to improve a reaction. Therefore, in this subject, we plan to theoretically study the mechanism of several organophosphonate-induced bioorthogonal reactions and reveal their structure-activity relationship. We will study the detailed mechanism of Staudinger-phosphite reaction and the reactions between triarylphosphines and S-nitrosothiols, aiming to: 1) get the imformations about the mechanism (rate-limiting steps and conformations of the transition states et al.); 2) explain the experimental observations such as selectivity; 3) analyze the structure-activity relationship. On the basis of the mechanistic studies, we will design some substrates with potentially high activity and theoretically predict their reaction efficiency. Experiments will be carried out to verify the theoretical predictions.

运用生物正交反应修饰生物大分子是化学生物学研究的重要技术方法。有机膦具有较好的生物相容性，又能诱发许多高度化学选择性反应，因而在生物正交反应中被广泛应用，发展出施陶丁格连接等重要化学生物学方法。然而这些膦参与的生物正交反应也存在一些问题限制其应用，如反应速率还不够高、反应底物范围有限等。在深入理解反应机理及结构-活性关系基础上，对反应进行系统优化是行之有效的手段。因此，本项目计划使用量子计算化学方法对有机膦诱导的多类生物正交反应进行机理研究，揭示其结构-活性关系。具体内容为研究施陶丁格-亚磷酸酯反应和三芳基膦-亚硝基硫醇反应的详细机理，获得与机理相关的各种信息（决速步、过渡态构象等），解释实验中观测到的选择性。系统考察反应底物变化对反应速率和选择性的影响，总结出底物的结构-活性规律，在此基础上设计一些新的可能具有较高反应活的反应物，并通过理论进行预测，对理论预测效率高的反应用实验进行验证。

生物正交反应是基于生命科学体系的特点发展起来的有机反应方法。通过运用生物正交反应修饰生物大分子（如蛋白质等）从而获得它们的结构和功能方面的信息，当前已经得到了广泛的应用并获得了巨大的成功。近年来，一些新的生物正交反应不断地被发展出来。本项目的主要研究内容是运用量子化学方法对几类生物正交反应的机理进行系统研究，获得与机理相关的各种信息，揭示结构-活性关系，并在此基础上设计可能具有较高反应活性的反应物，通过实验验证，发展出更高效的生物正交反应。本项目获得了以下重要成果：（1）阐明了三芳基膦与S-亚硝基硫醇的反应机理。研究发现三苯基膦首先进攻S-亚硝基硫醇的N原子的路径是最有利的。在这种机理中，三芳基膦首先进攻S-亚硝基硫醇的N原子生成一个三元环中间体。随后这个三元环中间体转化成一个氧化膦和一个中间体MeSN。中间体MeSN与另一分子的三苯基膦反应生成S-甲基氮叶立德中间体。最后，质子化的S-甲基氮叶立德与第三分子的三苯基膦反应，生成S-甲基膦阳离子和氮叶立德。反应的决速步是三苯基膦对MeSNO的N原子进攻的一步。（2）阐明了芳基硼酸催化的羧酸和胺反应生成酰胺的反应的机理。研究发现羧酸和芳基硼酸生成酰氧硼酸中间体的过程动力学上比较容易发生，但是在热力学上是不利的。除去这一步反应中生成的水对整个反应的进行非常重要。随后，胺和酰氧硼酸中间体反应，经历C-N键生成和C-O键断裂两步最终得到酰胺产物。C-O键的断裂是反应的决速步。计算结果揭示出邻碘苯硼酸的高催化活性来源于空间位阻和碘原子与硼原子的轨道相互作用。（3）受到邻卤素取代的苯硼酸对羧酸和胺反应生成酰胺的反应有很高的催化活性的启发，使用邻卤素苯甲醛衍生物和多肽/蛋白酰肼反应，发展出了一种在中性pH和室温条件下快速且不需要催化剂的腙连接方法。在一系列邻卤素苯甲醛中，2-氯苯甲醛中显示出了最快的反应速率和最高的转化率，并且反应得到的连接产物在实验条件下非常稳定。用这种方法成功的进行了蛋白质C-端标记，从而提供了一种修饰蛋白质实用的方法。