摘要: 隨著多肽類(lèi)化合物在治療腫瘤疾病和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的重要性與日俱增，開(kāi)發(fā)和構(gòu)建多肽分子的新方法已成為有機(jī)合成化學(xué)家的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)有機(jī)電化學(xué)作為一種綠色高效的反應(yīng)工具被逐步運(yùn)用于有機(jī)小分子合成領(lǐng)域，其溫和可控的特征適合解決現(xiàn)有生物偶聯(lián)策略存在的化學(xué)和區(qū)域選擇性問(wèn)題，為多肽分子的選擇性修飾提供了一種重要合成手段。綜述了近五年利用電化學(xué)手段修飾氨基酸和多肽類(lèi)化合物的反應(yīng)，闡述了電化學(xué)合成技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其在開(kāi)發(fā)新型生物相容性方法中的適用性。
多肽類(lèi)化合物具有活性高、特異性強(qiáng)、毒副作用小、靶點(diǎn)選擇性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)癌癥、自身免疫性疾病、記憶力減退、精神失常、高血壓和某些心血管及代謝疾病[1]有顯著的療效和廣泛的應(yīng)用前景。隨著全球小分子藥物研發(fā)難度的增加，化學(xué)修飾肽因其卓越的生物活性和藥代動(dòng)力學(xué)特性受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注[2]。目前，全球市場(chǎng)上大約有 80 種多肽藥物，超過(guò) 150 種多肽處于臨床開(kāi)發(fā)階段，另有 400-600 種多肽正在進(jìn)行臨床前研究[3]，其中以抗腫瘤、抗生素與免疫調(diào)節(jié)劑居多，如抗腫瘤藥物亮丙瑞林 Leuprorelin、抗生素藥物萬(wàn)古霉素 Vancomycin 和激素類(lèi)藥物阿托西班 Atosiban（圖 1）。但氨基酸和多肽類(lèi)化合物的高選擇性合成仍存在許多困難，如氨基酸和多肽分子的穩(wěn)定性差、敏感側(cè)鏈（如巰基）的存在、保持手性中心的完整性，以及溶解性和純化等問(wèn)題。
隨著有機(jī)合成技術(shù)的不斷提升，近年來(lái)氨基酸和多肽的化學(xué)選擇性合成得到了一定的發(fā)展[4]。2018 年，Timothy課題組報(bào)道了光催化修飾氨基酸、多肽和蛋白質(zhì)的研究進(jìn)展[5]。在光氧化還原過(guò)程中，有機(jī)光催化劑在吸收能量后躍遷到激發(fā)態(tài)，在該狀態(tài)下，很容易與作為電子供體或受體的底物發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移（SET），形成自由基中間體。與其它方法相比，光催化可在溫和的條件下對(duì)氨基酸或多肽進(jìn)行化學(xué)修飾，同時(shí)利用可見(jiàn)光作為可持續(xù)能源。但光敏劑在水介質(zhì)中的溶解性差，此外，大多數(shù)已報(bào)道的用于氨基酸修飾的光氧化還原方法需要使用當(dāng)量的還原劑（如有機(jī)堿）或氧化劑（如高價(jià)金屬鹽）。這些試劑的使用與氨基酸和多肽的生物性質(zhì)不相容，從而阻礙了光催化方法的應(yīng)用。C−H 官能化作為一種強(qiáng)大的工具已被廣泛應(yīng)用于氨基酸和多肽的選擇性修飾，2014 年，Brimble 課題組對(duì)氨基酸和多肽合成中的 C−H 官能化方法進(jìn)行了綜述[6]。2018 年，Ackermann 課題組總結(jié)了通過(guò)位置選擇性 C−H 活化實(shí)現(xiàn)多肽后期多樣化的研究進(jìn)展[7]。2020 年，陳弓課題組綜述了金屬催化 C―H 官能化（CHF）對(duì)多肽進(jìn)行組裝后修飾方面的研究[8]。多肽的特異性合成從局限的極性親核殘基（如半胱氨酸和賴(lài)氨酸），拓展到疏水性脂肪族和芳香族殘基。金屬催化的 CHF 反應(yīng)通過(guò)改變反應(yīng)途徑、試劑和配體來(lái)控制反應(yīng)活性，從而實(shí)現(xiàn)更有鑒別性的多肽合成。然而 C−H 官能化方法通常需要對(duì)活性位點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)或借助導(dǎo)向基團(tuán)，以減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生；同時(shí)需要金屬催化劑以及化學(xué)計(jì)量的強(qiáng)氧化劑，無(wú)水無(wú)氧的氛圍，這些反應(yīng)條件相對(duì)苛刻，限制了該方法進(jìn)一步的拓展和應(yīng)用。
電化學(xué)合成技術(shù)作為一種溫和及環(huán)境友好的合成工具，近年來(lái)受到了有機(jī)合成化學(xué)家的青睞[9]。從 1848 年 Kolbe陽(yáng)極氧化反應(yīng)，電化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成一項(xiàng)重要的技術(shù)手段，為化學(xué)轉(zhuǎn)化提供綠色可持續(xù)的電子。如烯烴的雙官能化[10]、立體選擇性雜環(huán)合成[11]、與 CO2 進(jìn)行羧化反應(yīng)[12]，或應(yīng)用于合成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然產(chǎn)物[13]。電化學(xué)合成技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是利用電子替代氧化還原試劑，通過(guò)電極電位的精確控制來(lái)調(diào)控反應(yīng)的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)溫和條件下的化學(xué)轉(zhuǎn)化，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)[14]。但是，在電化學(xué)環(huán)境中修飾氨基酸和多肽依然存在一些挑戰(zhàn)。在 Brabec 和 Mornstein教授的早期研究中[15]，20 種常見(jiàn)的蛋白質(zhì)原性氨基酸只有半胱氨酸（-0.22 V）、酪氨酸（+0.93 V）、色氨酸（+1.02V）、組氨酸（+1.17 V）和蛋氨酸（+1.48 V）側(cè)鏈具有氧化還原活性[16]，可在電極表面被氧化，說(shuō)明多肽中存在多種活性官能團(tuán)可被電極氧化或還原。而且，這些氨基酸側(cè)鏈的氧化還原電勢(shì)會(huì)隨著不同的環(huán)境，包括 pH 值以及與之相連的肽鏈或蛋白質(zhì)的變化而發(fā)生改變。因此，對(duì)于氨基酸和多肽的電化學(xué)修飾需注意電位范圍，實(shí)現(xiàn)電位的精準(zhǔn)控制，防止側(cè)鏈副反應(yīng)的發(fā)生。
2021 年，Malins 課題組依據(jù)電解方式對(duì)多肽和蛋白質(zhì)的電化學(xué)修飾方法進(jìn)行了歸納與總結(jié)[14]，但是近年來(lái)通過(guò)電化學(xué)技術(shù)對(duì)敏感氨基酸和多肽進(jìn)行選擇性修飾的策略得到了快速發(fā)展，許多新穎獨(dú)特的研究相繼而出。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外課題組近五年的報(bào)道，對(duì)這一領(lǐng)域的工作進(jìn)行補(bǔ)充與完善，依據(jù)氨基酸的種類(lèi)及相關(guān)化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型，分別從（1）氨基酸殘基與多肽側(cè)鏈的電化學(xué)修飾；（2）幾種常見(jiàn)反應(yīng)類(lèi)型的氨基酸和多肽電化學(xué)修飾；以及（3）電化學(xué)多肽合成三部分內(nèi)容進(jìn)行歸納與總結(jié)，期望為今后氨基酸和多肽類(lèi)化合物的電化學(xué)修飾提供一定的參考作用。
1 氨基酸殘基與多肽側(cè)鏈的電化學(xué)修飾
1.1 氨基酸殘基的電化學(xué)修飾
1.1.1 酪氨酸
Gouin 課題組在 2018 年首次報(bào)道了 e-Y-click 反應(yīng)[17]（圖 2A）。這種電化學(xué)方法建立在 Barbas 小組 2010 年發(fā)表的開(kāi)創(chuàng)性工作上，其描述了酪氨酸側(cè)鏈與化學(xué)氧化生成的取代苯基-3H-1,2,4-三唑-3,5(4H)-二酮（PTADs）之間的反應(yīng)[18]。這種“點(diǎn)擊式”方法被合成界廣泛采用，提供了多種酪氨酸功能化分子，包括抗體-藥物結(jié)合物[19]、放射性標(biāo)記肽[20]、糖結(jié)合物和糖結(jié)合疫苗[21]、DNA-蛋白質(zhì)結(jié)合物[22]、以及蛋白質(zhì)水凝膠[23]等。如上所述，該方法依賴(lài)于脲唑前體的大量化學(xué)氧化反應(yīng)以生成活性 PTADs，但這種預(yù)活化策略的缺點(diǎn)是在化學(xué)氧化劑存在的情況下，活化的PTADs 分解和硫醇氧化可能會(huì)對(duì)酪氨酸支鏈造成“過(guò)度修飾”。為了盡量減少這些副反應(yīng)，需額外使用助溶劑或清除劑（如 Tris）。與之相比，e-Y-click 反應(yīng)通過(guò)在純水緩沖液中進(jìn)行溫和的電化學(xué)氧化（0.36 V，恒壓電解）來(lái)取代“鈍化”化學(xué)氧化劑，從而避免了這些問(wèn)題。小分子脲唑在電極表面的連續(xù)原位電化學(xué)活化，使酪氨酸共軛反應(yīng)在反應(yīng)物生成后立即發(fā)生，抑制了不必要的副反應(yīng)，從而顯著提高了選擇性。此外，極低的應(yīng)用電位可最大限度地減少氧化損傷以及與大量蛋白質(zhì)氨基酸側(cè)鏈官能團(tuán)的交叉反應(yīng)。從小肽激素催產(chǎn)素到 152kDa 的單克隆抗體Epratuzumab，這種溫和的電化學(xué)方法通過(guò)對(duì)各種底物進(jìn)行功能化，體現(xiàn)了非常優(yōu)異的實(shí)用性。更重要的是，經(jīng)過(guò)e-Y-click 修飾后，目標(biāo)酶葡萄糖氧化酶的功能活性得以保留。
由于 e-Y-click 反應(yīng)操作簡(jiǎn)便，具有良好的生物相容性，該反應(yīng)后續(xù)被用于在酪氨酸殘基上交聯(lián)肽和蛋白質(zhì)底物，無(wú)需金屬催化劑或光照即可檢測(cè)其三維結(jié)構(gòu)[24]。這項(xiàng)研究包含了在 0.36 V 下進(jìn)行的 e-Y-click 反應(yīng)以及在-3.0 V 下對(duì)交聯(lián)試劑中存在的二硫鍵進(jìn)行的電化學(xué)還原。
Nakamura 課題組利用改進(jìn)的 e-Y-click 反應(yīng)，在表面暴露的酪氨酸殘基上進(jìn)行位點(diǎn)選擇性生物偶聯(lián)（圖 2B）[25]。他們使用 N-甲基魯米諾和 1-甲基-4-苯基脲唑衍生物作為電化學(xué)活性小分子修飾試劑，成功地在天然酪氨酸殘基上修飾了受保護(hù)的八肽血管緊張素 II。與最初的苯基脲唑相比，第二代試劑（N-甲基魯米諾和 1-甲基-4-苯基脲唑）的反應(yīng)效率都有所提高，Gouin 課題組在 2021 年的一項(xiàng)研究中也進(jìn)一步證實(shí)了這一現(xiàn)象[26]。但對(duì)更大的蛋白質(zhì)人表皮生長(zhǎng)因子受體-2（HER2）抗體曲妥珠單抗進(jìn)行修飾時(shí)，苯基脲唑和 N-甲基魯米諾均進(jìn)展順利，而 1-甲基-4-苯基脲唑的修飾效果卻很差，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因還需要進(jìn)一步探究。此外，該反應(yīng)采用全水性緩沖液（Tris，50 mM）、中性 pH 值（7.4）和溫和的電化學(xué)條件（4-7 V），通過(guò) 2 步官能化實(shí)現(xiàn)了位點(diǎn)選擇性。首先使用含疊氮化物的小分子對(duì)曲妥珠單抗進(jìn)行 e-Y-click 修飾，然后再用官能化二苯并環(huán)辛烯（DBCO）試劑進(jìn)行無(wú)銅點(diǎn)擊反應(yīng)（圖 2C）。這兩個(gè)步驟是成功標(biāo)記所必須的，并且對(duì)溶劑暴露位點(diǎn)都更有利，因此與單步方法相比，在非溶劑暴露殘基上標(biāo)記的可能性大大降低，這個(gè)例子凸顯了電化學(xué)功能化方法與現(xiàn)有正交生物偶聯(lián)技術(shù)的兼容性。
無(wú)獨(dú)有偶，雷愛(ài)文課題組在 2019 年報(bào)告了一種概念類(lèi)似的酪氨酸修飾方法[27]，即利用電化學(xué)方法活化吩噻嗪（PTZ）衍生物（圖 3）。這種方法可快速獲得一系列有價(jià)值的功能修飾肽和蛋白質(zhì)，包括引入含生物素和尿酸藥物丙磺舒的吩噻嗪。然而，該方法對(duì)含半胱氨酸的二肽不耐受，且轉(zhuǎn)化過(guò)程中使用了乙腈和水緩沖液（1:1）的混合物，可能會(huì)限制該方法的生物相容性以及在各種蛋白質(zhì)靶標(biāo)上的廣泛應(yīng)用。外，盡管化學(xué)選擇性很高，但最初的e-Y-click 和 PTZ 方法都缺乏區(qū)域選擇性，在含有一個(gè)以上酪氨酸殘基的底物中觀察到多種修飾。因此，這些方法無(wú)法克服困擾現(xiàn)有生物偶聯(lián)技術(shù)的特異性問(wèn)題，并凸顯了需要導(dǎo)向基來(lái)輔助位點(diǎn)選擇性功能化的缺點(diǎn)。
2021 年，Ackermann 課題組報(bào)道了電化學(xué)與過(guò)渡金屬銠催化劑相結(jié)合，對(duì) 2-羥基苯甲醛酪氨酸類(lèi)似物和炔烴進(jìn)行環(huán)化反應(yīng)[28]，光電化學(xué)氧化介導(dǎo)的進(jìn)一步氨基酸修飾可以獲得 π-擴(kuò)展肽（具有強(qiáng)烈的熒光），從而構(gòu)建擬肽和熒光肽。除了制備各種修飾的二肽外，還用二苯基乙炔在羥基苯甲醛酪氨酸類(lèi)似物上對(duì)五肽底物進(jìn)行了官能化，以 80%的分離產(chǎn)率得到了相應(yīng)的色酮（圖 4）。該反應(yīng)雖然由醛上的甲�；�-C―H 活化引發(fā)，但反應(yīng)機(jī)理中的關(guān)鍵電化學(xué)步驟包括 Rh(III/IV/II)氧化誘導(dǎo)的還原過(guò)程。重要的是，與化學(xué)氧化劑相比，這種“銠-電催化”技術(shù)能更有效地獲得取代色酮，展現(xiàn)出優(yōu)異的區(qū)域選擇性和較廣的氨基酸底物容忍性。
隨后，Ackermann 團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)了釕-電催化 C―H 酰氧基化用于酪氨酸肽的后期修飾[29]，酚羥基保護(hù)基后續(xù)可脫除（圖 5）。當(dāng)以化學(xué)氧化劑取代電子進(jìn)行反應(yīng)時(shí)并未獲得目標(biāo)產(chǎn)物，說(shuō)明電化學(xué)環(huán)境保證了后期功能化的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。重要的是在含有脯氨酸的二肽或四肽底物中，脯氨酸的 α 位并未發(fā)生 Shono 氧化生成二次修飾的產(chǎn)物，體現(xiàn)出良好的位點(diǎn)選擇性。機(jī)理研究中通過(guò)詳細(xì)的 CV 研究和 DFT 計(jì)算為雙環(huán)金屬化絡(luò)合物的形成以及 Ru(II/IV/II)氧化誘導(dǎo)的還原過(guò)程提供了強(qiáng)有力的支撐。該策略通過(guò)對(duì)酪氨酸衍生肽進(jìn)行模塊化后期酰氧基化，提供了獲取大量修飾肽的便捷途徑，突出了電化學(xué)和過(guò)渡金屬催化之間的協(xié)同催化作用。
然而在高溫（100 °C）下進(jìn)行電解可能會(huì)限制這類(lèi)方法用于具有易變性的二級(jí)或三級(jí)結(jié)構(gòu)的大型蛋白質(zhì)底物；與大多數(shù)金屬催化修飾策略一樣，銠或釕的使用也可能使后續(xù)純化復(fù)雜化，或由于非特異性結(jié)合相互作用而導(dǎo)致肽失活。
最近，高夢(mèng)課題組在前人工作的基礎(chǔ)上報(bào)道了一種通過(guò)直接電化學(xué)活化酚羥基來(lái)促進(jìn)含酪氨酸生物大分子與鄰氨基苯甲酸衍生物轉(zhuǎn)化的方法[30]（圖 6A）。該方法利用氟陰離子作為電解質(zhì)和氫鍵添加劑，與酪氨酸酚羥基之間形成氫鍵，能夠很好地標(biāo)記酪氨酸殘基，具有很高的化學(xué)和位點(diǎn)選擇性以及出色的轉(zhuǎn)化率。在溫和的緩沖條件下，各種肽、藥物和天然產(chǎn)物都具有很好的兼容性。此外，肌紅蛋白也能被生物染色劑靛紅順利標(biāo)記且不會(huì)發(fā)生分解。通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)、HR-MS、1H NMR 和循環(huán)伏安法（CV）在內(nèi)的機(jī)理研究合理地解釋了酪氨酸殘基直接選擇性電化學(xué)活化的機(jī)制（圖 6B）。首先，在氟陰離子的絡(luò)合作用下，酪氨酸在陰極被還原釋放 H2，生成苯酚負(fù)離子中間體。隨后靛紅與苯酚負(fù)離子中間體發(fā)生親核加成反應(yīng)，生成氧負(fù)離子中間體。在 H2O 的親核作用下發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)生成帶有羧基的中間體，隨后在陽(yáng)極氧化脫羧生成最終產(chǎn)物。
1.1.2 色氨酸
在前人的基礎(chǔ)上，2019 年 Kanai 課題組提出了一種用于多肽和蛋白質(zhì)的間接修飾方法[31]，描述了利用原位生成的氧氨試劑對(duì)色氨酸的電化學(xué)修飾。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵區(qū)別在于小分子試劑的電化學(xué)活化被認(rèn)為是在試劑與蛋白質(zhì)結(jié)合后發(fā)生的，這與上述酪氨酸的修飾方法不同（圖 7）。該方法利用現(xiàn)有的生物偶聯(lián)策略[32]，無(wú)需化學(xué)氧化劑和添加劑，條件溫和，避免了外部氧化劑參與的副反應(yīng)�？赡艿臋C(jī)理揭示出色氨酸側(cè)鏈在生物偶聯(lián)反應(yīng)的電化學(xué)步驟中起到了關(guān)鍵作用，其調(diào)節(jié)了具有電活性的氮氧化物自由基（酮-ABNO）的氧化電位，使酮-ABNO 和色氨酸側(cè)鏈之間形成一種“預(yù)共軛復(fù)合物”，最終這種復(fù)合物的氧化電位明顯低于酮-ABNO 或色氨酸本身。因此，該復(fù)合物可直接在陽(yáng)極氧化或在電化學(xué)介質(zhì)（如 4-O-TEMPO）之后被氧化。不僅如此，活化的復(fù)合物可以繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，形成酮ABNO 官能化生物偶聯(lián)物。值得注意的是，該反應(yīng)能夠在水溶液中進(jìn)行，可以與具有氧化還原活性的氨基酸殘基（游離半胱氨酸除外）兼容，并應(yīng)用于溶菌酶和牛血清白蛋白體系。
此外，這種方法還展示了如何利用電化學(xué)原理，通過(guò)調(diào)整外加電壓和反應(yīng)條件，輕松完成連續(xù)的正交生物偶反應(yīng)。如圖 7 所示，被 Fmoc 保護(hù)的五肽通過(guò) e-Y-click 反應(yīng)（見(jiàn)圖 2）在酪氨酸（在 1.2 V 下使用電化學(xué)活化的 N-甲基魯米諾）和色氨酸（在 1.0 V 下使用酮-ABNO/4-O-TEMPO 方法）上逐步進(jìn)行功能化。這些例子凸顯了電化學(xué)技術(shù)在獲取具有多重修飾的肽和蛋白質(zhì)方面的潛力。
另外，Vincent 小組在 2020 年報(bào)道了一種高效環(huán)保的電化學(xué)方法用于色氨酸衍生物的脫芳基鹵代環(huán)化[33]，所獲得的 3a-溴吡咯吲哚啉對(duì)天然產(chǎn)物全合成具有重要意義。這種去芳構(gòu)化過(guò)程依賴(lài)于通過(guò) MgBr2 的電化學(xué)氧化產(chǎn)生親電鹵素中間體，同時(shí) MgBr2 在該反應(yīng)中作為電解質(zhì)避免了其他電解質(zhì)的使用。以不同保護(hù)的 L 和 D-色氨酸衍生物進(jìn)行溴環(huán)化反應(yīng)，分別得到了相應(yīng)的產(chǎn)物。通過(guò) X 射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)證明了環(huán)化過(guò)程具有外顯選擇性。從 D-色氨酸獲得的外-3a-溴吡咯吲哚啉可以通過(guò)在 t-BuOK 和三乙基硼烷的存在下引入吲哚將其轉(zhuǎn)化為內(nèi)-3a-吲哚-吡咯吲哚啉，這是神經(jīng)膠質(zhì)克隆蛋白 B 和 C 合成的重要中間體（圖 8）。
2022 年，翁意意課題組報(bào)道了一種通過(guò)錳催化串聯(lián)自由基疊氮化/雜環(huán)化對(duì)含有色氨酸側(cè)鏈的肽進(jìn)行后期功能化的電化學(xué)方法[34]（圖 9A）。這種電化學(xué)氧化策略提供了疊氮基取代的四唑并[1,5-a]吲哚的多肽衍生物，具有廣泛的官能團(tuán)耐受性和高位點(diǎn)選擇性，在溫和的緩沖條件下依然能得到良好的收率（高達(dá) 87%）。不僅如此，對(duì)含有多種敏感氨基酸的多肽底物，如絲氨酸、賴(lài)氨酸、蘇氨酸以及天冬氨酸等，該電化學(xué)條件下仍然是相容的。通過(guò)該方法阿片類(lèi)肽內(nèi)啡肽-1、藥物奧曲肽也能成功地進(jìn)行后期結(jié)構(gòu)修飾。更重要的是，在 C3 位被疊氮基團(tuán)修飾的色氨酸肽可以通過(guò)“點(diǎn)擊”反應(yīng)進(jìn)一步衍生出一系列三唑產(chǎn)物，為構(gòu)建各種衍生肽鋪平了道路。通過(guò) X 射線(xiàn)晶體學(xué)分析證明了電化學(xué)產(chǎn)物與二次“點(diǎn)擊”反應(yīng)最終產(chǎn)物的非對(duì)映異構(gòu)體構(gòu)型（圖 9B）。機(jī)理研究表明色氨酸肽的重氮化是通過(guò)自由基加成途徑而不是自由基陽(yáng)離子途徑進(jìn)行的，通過(guò)循環(huán)伏安法（CV）和自由基抑制實(shí)驗(yàn)，合理地解釋了疊氮自由基的電化學(xué)生成、自由基加成以及隨后的脫氫和雜環(huán)化途徑（圖 9C）。
在此之前，2020 年，Ackermann 課題組就通過(guò)電光協(xié)同催化以 64%的產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)了色氨酸吲哚環(huán)上 C2 位的三氟甲基化（圖 10A）[35]，電合成與光氧化還原催化的結(jié)合為三氟甲基自由基的生成提供了一種無(wú)需化學(xué)氧化劑的途徑。近期，江建緯小組在該方法的基礎(chǔ)上報(bào)道了一種間接電化學(xué)策略[36]（圖 10B），該反應(yīng)以二茂鐵作為介質(zhì)，通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移（SET）途徑氧化 CF3SO2Na 產(chǎn)生三氟甲基自由基，隨后三氟甲基自由基加成到色氨酸殘基上經(jīng)脫質(zhì)子化釋放出相應(yīng)產(chǎn)物。該方法僅需電化學(xué)催化，底物范圍由單一的色氨酸拓展到了二肽底物，并且色氨酸的吲哚環(huán)無(wú)需被保護(hù)從而提高了步驟經(jīng)濟(jì)性。但一些含有敏感基團(tuán)的二肽易分解或失活，僅有少量二肽底物可以順利轉(zhuǎn)化，生物兼容性差，限制了此方法的應(yīng)用。
1.1.3 苯丙氨酸
2019 年，Baran 課題組將鎳催化與電化學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溴苯丙氨酸及三肽、四肽和五肽等與胺的 C―N 交叉偶聯(lián)反應(yīng)[37]。此外，還對(duì)一種未受保護(hù)的壬肽進(jìn)行了鎳催化的芳基鹵胺化，為具有氧化還原活性的酪氨酸和色氨酸殘基提供了所需的胺化產(chǎn)物（圖 11A）。值得一提的是，這是第一個(gè)通過(guò)鎳催化在寡肽上形成 C―N 鍵的實(shí)例，盡管它的產(chǎn)率較低且需要鎳催化劑和化學(xué)計(jì)量的胺偶聯(lián)劑。機(jī)理研究證明催化循環(huán)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行了陰極還原和陽(yáng)極氧化。由 Ni(II)-預(yù)催化劑的陰極還原引發(fā)，形成 Ni(I)活性催化劑。然后芳基溴對(duì) Ni(I)氧化加成形成 Ni(III)，之后Ni(III)被 Ni(I)陰極還原生成 Ni(II)中間體。在堿的作用下，Ni(II)中間體與胺發(fā)生配體交換并再次被陽(yáng)極氧化、還原消除生成所需的胺化產(chǎn)物（圖 11B）。對(duì)生物應(yīng)用而言，反應(yīng)中使用的二甲基乙酰胺（DMA）和 LiBr 可能需要額外的純化步驟，可能對(duì)該技術(shù)的工業(yè)化有一定影響。盡管如此，該方法作為一種組裝高價(jià)值多肽 PTMs（尤其是與大環(huán) RiPP 相關(guān)的獨(dú)特交聯(lián)）的方法，為生物大分子的特異性修飾提供了可能。2021 年葉金星課題組在上述方法的基礎(chǔ)上以 73%的產(chǎn)率補(bǔ)充了對(duì)溴苯丙氨酸的氨甲基化實(shí)例[38]，進(jìn)一步探究了該反應(yīng)的潛在應(yīng)用價(jià)值。
1.1.4 脯氨酸
2022 年，林松課題組基于經(jīng)典的 Shono 氧化報(bào)道了一種脯氨酸的位點(diǎn)選擇性 α-甲基化方法[39]（圖 12）。在這項(xiàng)工作中，首先通過(guò)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的 C-H 活化生成 N,O-縮醛化合物，隨后在有機(jī)鋅試劑的介導(dǎo)下進(jìn)一步生成 α-甲基化產(chǎn)物。用三氟乙醇（TFE）替代常用的乙醇溶劑或親核試劑，可以使惰性底物更容易被激活。此外，該策略還實(shí)現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜胺衍生物的后期功能化（LSF），如氨基甲酸酯類(lèi)、磺胺類(lèi)和酰胺類(lèi)，具有反應(yīng)范圍廣、官能團(tuán)兼容性高和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
1.1.5 半胱氨酸
2022 年，Macmillan 小組通過(guò)電化學(xué)氧化實(shí)現(xiàn)了半胱氨酸的脫硫反應(yīng)[40]。半胱氨酸殘基經(jīng)陽(yáng)極氧化后生成自由基陽(yáng)離子，去質(zhì)子化形成烷基硫自由基。該硫自由基在三羧乙基膦（TCEP）的作用下形成膦自由基中間體然后發(fā)生 β 裂解，從而產(chǎn)生新的碳自由基，碳自由基可從起始原料或陰極產(chǎn)生的分子氫中攫取氫實(shí)現(xiàn)脫硫，同時(shí)釋放硫自由基回到催化循環(huán)系統(tǒng)中。適用的底物除半胱氨酸外，還實(shí)現(xiàn)了多種短環(huán)肽的脫硫反應(yīng)（圖 13）。
2023 年，Richard 課題組描述了一種電化學(xué)硒醚化（e-SE）策略，用于多肽的位點(diǎn)選擇性功能化[41]。該方法受光催化二硒化物收縮（PDC）轉(zhuǎn)化（使用銥光催化劑和膦在 45 nm 處輻照，將不對(duì)稱(chēng)或?qū)ΨQ(chēng)的二硒化物起始材料轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硒醚連接產(chǎn)物）的啟發(fā)，利用硒代半胱氨酸的獨(dú)特反應(yīng)性，在溫和的電化學(xué)條件下通過(guò)穩(wěn)定的硒醚鍵形成有價(jià)值的生物綴合物。電化學(xué)可以精準(zhǔn)的控制氧化還原電位，克服了 PDC 的局限性，包括與熒光底物不相容以及使用昂貴和水溶性差的光催化劑，實(shí)現(xiàn)了低成本、原子經(jīng)濟(jì)和生物相容的方法對(duì)硒代半胱氨酸殘基進(jìn)行位點(diǎn)選擇性功能化。E-SE 的能力通過(guò) FDA 批準(zhǔn)的抗癌藥物亮丙瑞林的晚期 C 末端修飾而突出顯示。機(jī)理研究中，膦陽(yáng)極氧化產(chǎn)生的自由基陽(yáng)離子會(huì)誘導(dǎo)二硒化物均裂，由此產(chǎn)生的硒自由基經(jīng)陰極還原會(huì)生成一當(dāng)量的高親核性硒酸鹽。然后，這種活性物質(zhì)可以攻擊二硒化物裂解過(guò)程中產(chǎn)生的親電硒基膦，從而得到所需的硒醚連接產(chǎn)物和硒化磷副產(chǎn)物（圖 14）。
1.1.6 絲氨酸
2022 年，高夢(mèng)和雷愛(ài)文課題組共同報(bào)道了一種配對(duì)電解支持的級(jí)聯(lián)環(huán)化方法，以靛紅、炔烴和絲氨酸分子作為起始材料高效的合成了一系列高功能化的喹啉取代的生物活性分子[42]（圖 15A）。在溫和的 pH 中性條件下，這種轉(zhuǎn)化可以耐受廣泛的官能團(tuán)，包括絲氨酸殘基、多肽、糖類(lèi)、藥物和天然產(chǎn)物，也可以作為藥物研究和其他領(lǐng)域的功能化策略。通過(guò)循環(huán)伏安法（CV）和控制實(shí)驗(yàn)提出了可能的反應(yīng)機(jī)理（圖 15B）。首先，靛紅在陰極被還原生成自由基陰離子，同時(shí)，KI 經(jīng)陽(yáng)極氧化生成碘自由基，靛紅自由基陰離子與碘自由基交叉偶聯(lián)生成氧負(fù)離子中間體。該中間體經(jīng)過(guò)開(kāi)環(huán)反應(yīng)后，與絲氨酸殘基和炔烴分別發(fā)生親核取代和加成反應(yīng)生成碳負(fù)離子中間體，碘陰離子再生完成催化循環(huán)（路徑 A）。此外，絲氨酸殘基可能在陰極被還原產(chǎn)生烷氧離子，然后與靛紅反應(yīng)生成開(kāi)環(huán)氮負(fù)離子中間體，這一過(guò)程中 KI 作為陽(yáng)極犧牲劑（路徑 B）。最后經(jīng)分子內(nèi)環(huán)化脫水生成相應(yīng)的喹啉產(chǎn)物。
1.1.7 甘氨酸
2022 年，鐘為慧課題組開(kāi)發(fā)了一種實(shí)用且原子經(jīng)濟(jì)的電催化策略[43]，通過(guò) Shono-型氧化偶聯(lián)對(duì)甘氨酸衍生物進(jìn)行分子內(nèi)氧化環(huán)化（圖 16A）。與之前的研究相比，該方法無(wú)需添加氧化劑和金屬催化劑，原子經(jīng)濟(jì)性好，以中等至良好的產(chǎn)率合成多種 2-取代苯并惡唑，僅產(chǎn)生 H2 作為副產(chǎn)物。近期，劉晨江課題組通過(guò) C(sp3)―H 官能化實(shí)現(xiàn)了甘氨酸衍生物與含 P(O)―H/P―H 的化合物的電化學(xué)氧化磷酸化反應(yīng)[44]（圖 16B）。該方法具有廣泛的底物范圍和較高的官能團(tuán)耐受性，將反應(yīng)條件稍作改變后可進(jìn)行克級(jí)規(guī)模反應(yīng)。機(jī)理研究中以(E)-N,N-二甲基-2-（苯基亞氨基）乙酰胺代替模板底物在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行反應(yīng)，可以以 56%的產(chǎn)率得到目標(biāo)產(chǎn)物。在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng) 1h 后的反應(yīng)液中也通過(guò) HRMS 檢測(cè)到了目標(biāo)產(chǎn)物，這些結(jié)果表明(E)-N,N-二甲基-2-（苯基亞氨基）乙酰胺是這一轉(zhuǎn)化過(guò)程中形成的重要中間體.
1.2 其他氨基酸與多肽側(cè)鏈的電化學(xué)修飾
2021 年，Baran 課題組揭示了一種交流電解形式的實(shí)際應(yīng)用[45]，即使用快速交流電而非直流電�？焖俳惶骐姌O（rAP）可以區(qū)分在相同氧化還原電位下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)速率，從而促進(jìn)化學(xué)選擇性電合成，而不僅僅依靠電化學(xué)電勢(shì)來(lái)引導(dǎo)氧化還原化學(xué)反應(yīng)。該方法通過(guò)選擇性還原 N 末端鄰苯二甲酰亞胺保護(hù)基團(tuán)，得到相應(yīng)的內(nèi)酰胺，成功的實(shí)現(xiàn)了四肽模型（含有八個(gè)氧化還原不穩(wěn)定位點(diǎn)）的選擇性修飾（圖 17），體現(xiàn)出電化學(xué)反應(yīng)的高位點(diǎn)選擇性。值得注意的是，多肽中存在大量的氧化還原活性官能團(tuán)，能夠在相同或相似電勢(shì)下選擇特定的氧化還原反應(yīng)而不發(fā)生其他副反應(yīng)。但是，由于使用 MeOH 作為溶劑，并且產(chǎn)率不高，因此需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，才能將這種轉(zhuǎn)化方法推廣到更有實(shí)際意義的多肽或蛋白質(zhì)系統(tǒng)中。盡管如此，這項(xiàng)研究也初步體現(xiàn)出電化學(xué)在真正選擇性修飾肽和蛋白質(zhì)方面的潛力。
此外，阮志雄課題組報(bào)道了一種新型硒電催化 2-乙烯基苯胺的脫氫環(huán)化反應(yīng)[46]，通過(guò) C―H/N―H 活化合成官能化吲哚多肽衍生物。以含有各種氨基酸的 2-乙烯基苯胺為底物，在二硒化物催化下進(jìn)行溫和的電氧化環(huán)化反應(yīng)，成功地獲得了一系列吲哚衍生物，且無(wú)外消旋化現(xiàn)象（圖 18）。重要的是，絲氨酸和酪氨酸的游離羥基以及組氨酸的游離氨基在該電化學(xué)轉(zhuǎn)化中被順利保留，二肽、三肽和四肽底物也能很好的被兼容。該方法強(qiáng)大的脫氫環(huán)化能力，可對(duì)復(fù)雜的生物活性分子體系進(jìn)行后期修飾，從而為多肽標(biāo)記修飾吲哚的多功能合成奠定了基礎(chǔ)。
早在 2018 年，仇友愛(ài)課題組就將銥催化與電氧化相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了含苯丙氨酸骨架的烯烴與苯甲酸的環(huán)化[47]（圖19A）。2022 年，他們又再次報(bào)道了 N-芳基環(huán)胺（含苯丙氨酸骨架）的電化學(xué)去飽和 β �；磻�(yīng)[48]（圖 19B）。隨后又以簡(jiǎn)單的 D2O 作為氘源，實(shí)現(xiàn)了烷基鹵化物（含苯丙氨酸和纈氨酸骨架）的電還原氘化反應(yīng)[49]，氘滲入率高達(dá)99%（圖 19C）。同年，該課題組還報(bào)道了一種簡(jiǎn)便高效的方法制備具有重要合成價(jià)值的 β-羥基酸衍生物[50]（圖 19D）。該反應(yīng)利用芳基環(huán)氧化物和二氧化碳為底物，在溫和、可持續(xù)的電化學(xué)條件下實(shí)現(xiàn)了 β-羥基酸的選擇性合成。該方法底物范圍廣，官能團(tuán)兼容性好，一系列含有氨基酸骨架的芳基環(huán)氧化物均能轉(zhuǎn)化為有用的羥基酸。此外，對(duì)復(fù)雜分子和藥物衍生物的進(jìn)一步后期修飾證實(shí)了該方法的潛在應(yīng)用。機(jī)理研究根據(jù)芳基環(huán)氧化物的還原能力提出了兩種可行途徑。途徑 A 芳基環(huán)氧化物直接發(fā)生電化學(xué)還原提供自由基負(fù)離子中間體。途徑 B 則是通過(guò) CO2 的單電子還原過(guò)程得到一個(gè)電子后再生成自由基負(fù)離子中間體。該中間體進(jìn)行 C―O 鍵裂解，得到 C-中心自由基。隨后經(jīng)過(guò)另一次單電子還原和 CO2 的 C-親核進(jìn)攻，最后在鹽酸水溶液的作用下生成 β-羥基酸。
2023 年，謝勁課題組報(bào)道了在電化學(xué)條件下，由雙核金催化結(jié)構(gòu)多樣的炔烴與芳基肼之間的 C(sp)-C(sp2)偶聯(lián)反應(yīng)[51]，提供了一種實(shí)用的 C-C 氧化偶聯(lián)方法（圖 20A）。該方法對(duì)含有敏感官能團(tuán)的醇類(lèi)、胺類(lèi)、硫化物和富電子烯類(lèi)等具有極佳的兼容性，并且與氨基酸、多肽、核苷酸和糖等生物大分子相連的炔烴也能成功被修飾，突出了該方法的合成穩(wěn)定性。機(jī)理研究表明，芳基肼首先在陽(yáng)極被氧化形成高親電性芳基自由基，該自由基可以跟 Au(I)催化劑生成 Au(II)物種，然后經(jīng)陽(yáng)極氧化產(chǎn)生高親電性的 Ar-Au(III)中間體，然后與末端炔烴形成炔基 Au(III)，最后經(jīng)還原消除釋放出偶聯(lián)產(chǎn)物（圖 20B）。
2021 年，Lambert 課題組使用 2,3-二氯-5,6-二氰基醌（DDQ）作為電光催化劑，開(kāi)發(fā)了一種具有高化學(xué)選擇性的芳烴羥基化方法[52]，可以將水、醇、酸、酰胺或氨基甲酸酯添加到芳烴類(lèi)化合物中，無(wú)需使用外部氧化劑，與多肽相連的芳烴也能順利轉(zhuǎn)化（圖 21A）。機(jī)理研究表明，該過(guò)程通過(guò) DDQ 的再循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中光激發(fā)的 DDQ 經(jīng)單電子轉(zhuǎn)移（SET）氧化芳烴，從而提供一個(gè)可被親核試劑捕獲的自由基陽(yáng)離子。同年，他們還報(bào)道了一種電光催化策略，采用三氨基環(huán)丙烯（TAC）離子催化劑，在可控的電化學(xué)電位下，實(shí)現(xiàn)了烯烴的乙酰氧基羥化反應(yīng)[53]，具有很高的化學(xué)和非對(duì)映選擇性（圖 21B）。機(jī)理研究表明強(qiáng)氧化中間體 TAC·2+*可觸發(fā)烯烴底物的單電子轉(zhuǎn)移生成烯烴自由基陽(yáng)離子，然后被乙酸捕獲，進(jìn)一步氧化為氧碳中間體，最后水解釋放出乙酰氧基羥化產(chǎn)物。
2 幾種常見(jiàn)反應(yīng)類(lèi)型的氨基酸和多肽電化學(xué)修飾
2.1 脫羧反應(yīng)
羧酸可通過(guò)陽(yáng)極氧化作用脫羧形成烷基自由基，容易與雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，或在 Kolbe 電解法中結(jié)合成對(duì)稱(chēng)的二聚體。另一方面，在 Kolbe 條件下形成的自由基中間體可進(jìn)一步氧化生成相應(yīng)的碳正離子，這一過(guò)程被稱(chēng)為非Kolbe 電解或 Hofer-Moest 反應(yīng)[54]。2019 年，王亞輝課題組以簡(jiǎn)單的 α-氨基酸為底物，多種唑類(lèi)和酰胺類(lèi)為 N-親核底物，通過(guò)電化學(xué)氧化在非 Kolbe 條件下實(shí)現(xiàn)了 Csp3-N 脫羧偶聯(lián)反應(yīng)[55]（圖 22）。該方法避免了羧酸的預(yù)活化，也無(wú)需使用過(guò)渡金屬和化學(xué)氧化劑，是光氧化催化 α-氨基酸脫羧 C-N 偶聯(lián)的一種良好補(bǔ)充。
2020 年，王平課題組通過(guò)電化學(xué)誘導(dǎo)的 Giese 反應(yīng)[56]實(shí)現(xiàn)了七肽的脫羧環(huán)化（圖 23）。帶有 C 端 N-羥基鄰苯二甲酰亞胺氧化還原活性酯（RAE）的多肽在陰極還原脫羧后產(chǎn)生一個(gè)親核碳中心自由基，該自由基會(huì)與位于 N 端的丙烯酰胺分子發(fā)生分子內(nèi)反應(yīng)。另外，烷基 RAE 的電化學(xué)脫羧反應(yīng)也被用來(lái)實(shí)現(xiàn)烷基羧酸的簡(jiǎn)單硼酸化[57]。總之，這項(xiàng)工作補(bǔ)充了現(xiàn)有的鎳催化[58]和光化學(xué)[59]多肽環(huán)化方法，并為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)電化學(xué)脫羧多肽修飾方法奠定了基礎(chǔ)。但由于需要經(jīng)歷脫羧環(huán)化，原子經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低，而且相對(duì)較高的應(yīng)用電位（2.5 V）可能與具有氧化還原活性的氨基酸側(cè)鏈官能團(tuán)（如酪氨酸、色氨酸）不兼容，可能會(huì)限制該方法在多肽和蛋白質(zhì)環(huán)化中的廣泛應(yīng)用。
2021 年，David 課題組報(bào)道了一種利用間歇和連續(xù)流策略進(jìn)行氨基酸陽(yáng)極脫羧乙酰氧基化[60]的反應(yīng)（圖 24）。該方法已應(yīng)用于多種天然和合成氨基酸的衍生化，包括合成活性藥物成分的關(guān)鍵中間體。無(wú)論是單次反應(yīng)還是電解液再循環(huán)，都實(shí)現(xiàn)了出色的轉(zhuǎn)化率和選擇性。但是這種電解方法并不適用于含有氧化不穩(wěn)定官能團(tuán)的天然氨基酸，如半胱氨酸等，底物方面存在一定的局限性。
20 世紀(jì) 80 年代末，Seebach 課題組發(fā)表了開(kāi)創(chuàng)性文章[61]，概述了如何利用電化學(xué)方法在甲醇溶液中直接陽(yáng)極脫羧合成 N 末端保護(hù)的多肽。通過(guò)電化學(xué)生成相應(yīng)的 N,O-縮醛，然后在酸性條件下水解得到多官能團(tuán)化的多肽產(chǎn)物，或是被格氏試劑、亞磷酸鹽親核進(jìn)攻，分別生成 C 端烷基/烯丙基或磷酸二酯官能化肽。這種后期修飾方法在恒定電流條件下的未分割池中進(jìn)行，可以比較容易地獲得各種 C 端官能化的多肽衍生物。近期，Malins 課題組將這種電化學(xué)氧化脫羧法應(yīng)用到了雙喹酰胺肽天然產(chǎn)物類(lèi)似物的全合成中[62]。該策略利用關(guān)鍵的電化學(xué)氧化脫羧步驟生成活性 N,O-縮醛，能夠與各種親核物結(jié)合，通過(guò) Friede-Crafts 反應(yīng)、直接有機(jī)金屬加成和磺酰化化學(xué)，完成了多種肌氨酸衍生物的發(fā)散合成（圖 25）。這種方法提供了之前無(wú)法獲得的 C 端功能多肽，避免了直接活化多肽末端的缺陷（如異構(gòu)化），從而突出了電化學(xué)技術(shù)構(gòu)筑功能化多肽方面的優(yōu)勢(shì)。
在這項(xiàng)研究中，作者注意到 N,O-縮醛中間體的水解是一個(gè)重要的競(jìng)爭(zhēng)途徑，特別是對(duì)于活性更強(qiáng)的 N,O-縮醛。所以后續(xù)的研究中通過(guò)最初的水解途徑和更靈活的還原途徑設(shè)計(jì)出了 α-酰胺多肽[63]。該方法可提供具有高價(jià)值功能基團(tuán)的二級(jí)和三級(jí)酰胺，用于同位素標(biāo)記和生物偶聯(lián)反應(yīng)。通過(guò)關(guān)鍵的非對(duì)映選擇性還原，合成了天然產(chǎn)物嗜酸性酰胺 A 以及具有生物活性肽的相關(guān)類(lèi)似物，包括抗艾滋病毒的先導(dǎo)肽和治療癌癥的亮丙瑞林。
2022 年，程斌課題組實(shí)現(xiàn)了咪唑雜環(huán)與 N-取代甘氨酸的電化學(xué)脫羧交叉偶聯(lián)反應(yīng)[64]（圖 26A）。多種 N-取代甘氨酸在該溫和條件下具有良好的耐受性，得到了一系列 C3 氨甲基化咪唑并[1,2-a]吡啶衍生物，并釋放出 H2 和 CO2。機(jī)理研究表明直接與 N 相連的羧基亞甲基部分是形成臨界自由基中間體的關(guān)鍵，并且脫羧對(duì)氨基亞甲基自由基的形成也十分重要。此外，黃精美課題組對(duì)這一脫羧反應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展，以二茂鐵作為氧化還原催化劑，通過(guò)喹喔啉-2(1H)-酮與 N-芳基甘氨酸的電化學(xué)環(huán)化合成四氫咪唑并[1,5-a]喹喔啉-4(5H)-酮[65]。其中，N-芳基甘氨酸通過(guò)二茂鐵陽(yáng)離子的單電子轉(zhuǎn)移脫羧后生成氨基亞甲基自由基，隨后該自由基加成到喹喔啉-2(1H)-酮上，經(jīng)二茂鐵還原后生成 C3 氨甲基中間體。與上述不同的是，N-芳基甘氨酸產(chǎn)生的氨基亞甲基自由基會(huì)在二茂鐵陽(yáng)離子的作用下經(jīng)另一途徑氧化為亞胺離子，在水的存在下生成芳基胺和甲醛，甲醛會(huì)進(jìn)一步與 C3 氨基甲基化中間體反應(yīng)生成環(huán)化產(chǎn)物（圖 26B）。在此反應(yīng)中，二茂鐵除了在陽(yáng)極氧化，也作為中間產(chǎn)物的氧化劑，因此降低了該反應(yīng)的耗電量。同年，何衛(wèi)民課題組報(bào)道了電化學(xué) EtOH 催化的 N-磺�；獊啺贰-芳基甘氨酸和甲醛的三組分反應(yīng)[66]（圖 26C）。其中，EtOH 兼具催化劑和反應(yīng)溶劑的雙重作用，簡(jiǎn)化了反應(yīng)體系。
2.2 α-甲氧基化反應(yīng)
2023 年，Christmann 小組以 NaCl 為介質(zhì)通過(guò)電化學(xué)氧化實(shí)現(xiàn)了氨基酸的 α-甲氧基化反應(yīng)[67]，隨后通過(guò)酸催化脫氫可生成具有潛在生物活性的脫氫氨基酸衍生物（圖 27）。當(dāng)氨基被 Fmoc 保護(hù)時(shí)底物分解導(dǎo)致反應(yīng)不兼容，可能是原位形成的甲氧基離子影響了堿誘導(dǎo)的脫保護(hù)作用。但利用堿誘導(dǎo)的甲醇消除作用可以實(shí)現(xiàn)脫氫賴(lài)氨酸和鳥(niǎo)氨酸的立體選擇性獲取。
2.3 C 末端羧基的修飾
2021 年，雷愛(ài)文課題組首先報(bào)道了一種二甲基硫醚（DMS）介導(dǎo)的活化氨基酸的電化學(xué)氧化策略[68]。一系列氨基酸可以與醇反應(yīng)，得到良好的酯化產(chǎn)物（圖 28）。其中，納格列奈作為治療糖尿病的有效藥物，也能在該反應(yīng)中順利得到修飾。機(jī)理研究表明，DMS 作為一種媒介在氨基酸的轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，能促進(jìn)氨基酸的酯化，最后以 DMSO 的形式離去。
綜合以上反應(yīng)，從合成化學(xué)的角度發(fā)現(xiàn)，C―O 鍵的構(gòu)建是 α-酰氧基硫化物合成的關(guān)鍵。與鄰近 O/N 原子的 C-H 鍵活化相比，α-硫 C―H 鍵官能化具有較大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)榱蛟拥膬r(jià)態(tài)更為復(fù)雜。在氧化劑的作用下，硫化物總是很容易被氧化成硫醚或砜[69]。例如，雷愛(ài)文課題組通過(guò)陽(yáng)極氧化誘導(dǎo) α 硫 C―H 鍵活化，實(shí)現(xiàn)了氨基酸與硫化物的交叉偶聯(lián)反應(yīng)[70]，合成出一系列 α-乙酰氧基硫化物（圖 29A）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多種 α-氨基酸衍生物均可在室溫下進(jìn)行這種 C-H 鍵酰氧基化反應(yīng)。此外，β-和 γ-氨基酸也能以良好的收率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。將含甲基硫化物與氨基酸片段結(jié)合后可以與含羧酸的藥物分子連接，羧酸基團(tuán)和甲基硫醚成功地作為目標(biāo)基團(tuán)準(zhǔn)確地對(duì)多肽和藥物分子進(jìn)行位點(diǎn)選擇性合成，如布洛芬和丙磺舒。更重要的是，該反應(yīng)適用多種不同的親核底物，如苯并三唑衍生物（氮雜化）、醇（醚化）和乙酸銨（酰氧基化）。值得一提的是，一種受保護(hù)的蛋氨酸衍生物也能與苯并三唑衍生物順利進(jìn)行 α-硫氮雜化生成相應(yīng)產(chǎn)物。其中，增大電流（從 11 mA 到 25 mA）促進(jìn)了含蛋氨酸二肽的酰氧基化。這種轉(zhuǎn)化雖然只是單個(gè)氨基酸和二肽，但卻存在著特殊意義，因?yàn)槠淅昧嗽鞍踪|(zhì)的功能，突出了蛋氨酸硫醚側(cè)鏈進(jìn)行生物共軛的電化學(xué)潛力。機(jī)理研究表明自組裝誘導(dǎo)的 C(sp3)-H/O-H 耦合途徑具有協(xié)同效應(yīng)，MeOH 的加入是該方案具有區(qū)域選擇性和廣泛適用性的關(guān)鍵所在。硫化物、羧酸和 MeOH 組裝成加合物，羧酸和硫原子之間的氫鍵可促進(jìn)硫化物的 SET 氧化。不僅如此，MeOH 可選擇性地捕獲質(zhì)子，形成具有高區(qū)域選擇性的自由基中間體，接著，被陽(yáng)極氧化失去一個(gè)電子生成硫正離子中間體，最后被羧酸親核攻擊得到所需的產(chǎn)物（圖 29B）。
3 電化學(xué)多肽合成
除了氨基酸殘基與多肽側(cè)鏈的修飾外，小分子試劑的間接電化學(xué)活化開(kāi)發(fā)出了一種肽偶聯(lián)方案，與傳統(tǒng)方法相比，該方案提高了原子經(jīng)濟(jì)性，減少了浪費(fèi)。在先前報(bào)道的電化學(xué)酰胺鍵構(gòu)建[71]的基礎(chǔ)上，Chiba 教授將電化學(xué)與新型的可溶性支持物輔助策略結(jié)合起來(lái)，促進(jìn)了酰胺骨架的高選擇性合成[72]，并且不會(huì)發(fā)生顯著的差向異構(gòu)化。該方法利用三苯基膦的陽(yáng)極氧化作用生成膦自由基陽(yáng)離子，該陽(yáng)離子被羧酸偶聯(lián)劑捕獲，形成活化的酰氧基三苯基膦離子。胺偶聯(lián)物隨后進(jìn)行親核進(jìn)攻完成縮合反應(yīng)，并釋放出三苯基氧膦（TPPO）作為化學(xué)計(jì)量副產(chǎn)物（圖 30C）。重要的是，所有常見(jiàn)的蛋白氨基酸，無(wú)論是作為 Fmoc 保護(hù)的羧酸偶聯(lián)物，還是作為 C 端標(biāo)記的胺偶聯(lián)物都與該方案兼容。值得注意的是，當(dāng) Fmoc-His(Trt)-OH 偶聯(lián)時(shí)觀察到了部分異構(gòu)化現(xiàn)象，以 Boc 替代 Fmoc 作為組氨酸側(cè)鏈的保護(hù)基團(tuán)后可以解決這一問(wèn)題（圖 30A）。除了二肽模塊外，Chiba 還合成了亮丙瑞林（Leuprorelin），它是一種含8 個(gè)殘基的多肽，作為活性藥物成分具有重要的商業(yè)價(jià)值（圖 30B）。最后，每一步 Fmoc 的脫保護(hù)和電化學(xué)肽偶聯(lián)的平均收率都大于 95%，滿(mǎn)足了固相肽合成（SPPS）化學(xué)所要求的迭代脫保護(hù)和偶聯(lián)循環(huán)的效率標(biāo)準(zhǔn)。
上述方法之所以能夠取得成功，是因?yàn)槭褂昧艘环N獨(dú)特的雙相系統(tǒng)，該系統(tǒng)由乙腈和環(huán)己烷[73]以及極疏水的 C端標(biāo)簽組成。這種設(shè)計(jì)可以使三苯基膦和羧酸（在乙腈中）與胺偶聯(lián)物和延長(zhǎng)的肽鏈（在環(huán)己烷中）分離，從而推動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)的完成，并防止胺起始物和偶聯(lián)產(chǎn)物發(fā)生副反應(yīng)。此外，該方法還能方便地從 TPPO 副產(chǎn)物中分離和回收所需的肽。因此，這項(xiàng)技術(shù)凸顯了電化學(xué)方法的可持續(xù)性和多功能性，為如何利用電化學(xué)來(lái)重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的反應(yīng)（如羧酸的活化）提供了一個(gè)很好的例子，并解決了多肽合成中長(zhǎng)期存在的難題�？紤]利用電化學(xué)技術(shù)在純水介質(zhì)中高效合成多肽也很有意義，盡管最近取得了一些進(jìn)展[74]，但這仍然是該領(lǐng)域的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò) 10 個(gè)氨基酸殘基的多肽而言。
4 總結(jié)與展望
本文總結(jié)了近五年來(lái)電化學(xué)修飾氨基酸和多肽類(lèi)化合物的方法，根據(jù)氨基酸種類(lèi)及相關(guān)反應(yīng)類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)。這些方法反應(yīng)條件溫和，具有固有的可調(diào)性，可以選擇原生功能來(lái)修飾氨基酸和多肽底物，最大限度的保留了氨基酸側(cè)鏈的兼容性。但是目前氨基酸的電化學(xué)修飾主要集中在酪氨酸和色氨酸殘基上，其他氨基酸殘基的修飾僅有少量報(bào)道。一方面，反應(yīng)類(lèi)型主要集中于脫羧反應(yīng)，通過(guò)電化學(xué)實(shí)現(xiàn)多肽合成的研究?jī)H有一例，后續(xù)可通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，設(shè)計(jì)多肽中給定殘基周?chē)奈h(huán)境，調(diào)整其氧化還原電位以實(shí)現(xiàn)其他氨基酸的電化學(xué)修飾，豐富反應(yīng)類(lèi)型。另一方面，目前對(duì)于氨基酸和多肽的立體選擇性（不對(duì)稱(chēng)）修飾也鮮有報(bào)道，未來(lái)可考慮在反應(yīng)中加入手性配體或設(shè)計(jì)含有手性中心的底物以誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)合成，由此作為多肽修飾的一個(gè)發(fā)展方向。值得注意的是，迄今為止的大多數(shù)研究工作都是在有機(jī)溶劑和未分割的電解池中使用恒流電解法進(jìn)行的。因此，后續(xù)需要探索水性溶劑與氨基酸側(cè)鏈兼容的新型修飾技術(shù)，以確保最大限度地適用于各種底物。此外，也應(yīng)探索分割電解池與恒壓電解的應(yīng)用，雖然在操作上會(huì)更為復(fù)雜，但這些反應(yīng)設(shè)置可以提供更好的控制和可調(diào)性，從而提高化學(xué)選擇性。另外，現(xiàn)有方法中使用的電極配置范圍很廣，這凸顯了篩選各種電極材料對(duì)于探究反應(yīng)選擇性和最大化產(chǎn)率的重要性。一般地，碳電極和鉑電極由于其穩(wěn)定性和惰性，以及（碳電極）相對(duì)較低的成本，可能會(huì)繼續(xù)作為最佳電極選擇。最后，希望利用電化學(xué)策略的溫和性、“無(wú)殘留”性和界面性能為選擇性修飾氨基酸和多肽提供獨(dú)特的方法和光明的前景。
免責(zé)聲明：本文為行業(yè)交流學(xué)習(xí)，版權(quán)歸原作者及原雜志所有，如有侵權(quán)，可聯(lián)系刪除。文章標(biāo)注有作者及文章出處，如需閱讀原文及參考文獻(xiàn)，可閱讀原雜志。
