生命中的有機(jī)分子
——第54屆國(guó)際化學(xué)奧林匹克試題第7題解析

何剛

南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院，天津 300071

蛋白質(zhì)是生命體內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的一類(lèi)生物大分子，在生命體的結(jié)構(gòu)和功能執(zhí)行方面有著至關(guān)重要的作用。氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元：氨基酸之間通過(guò)酰胺鍵連接生成多肽，一條或者多條多肽鏈以特定方式組合則成為蛋白質(zhì)。對(duì)蛋白質(zhì)的合成、修飾和結(jié)構(gòu)功能研究涉及合成化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)，是探索生命奧秘的重要研究方向。

1 出題依據(jù)

發(fā)展蛋白的合成與修飾方法是研究蛋白結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)，是合成化學(xué)的重要分支。我國(guó)化學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域做出了許多杰出的貢獻(xiàn)，包括發(fā)展了多種高效的酰胺縮合劑、完成了結(jié)晶牛胰島素的首次化學(xué)合成等。第54屆國(guó)際化學(xué)奧林匹克試題中第7題以蛋白質(zhì)的合成與修飾為主要內(nèi)容，考查了酰胺鍵的構(gòu)建方法、多肽鏈的連接策略和蛋白質(zhì)的修飾手段。

2 題目及解析

2.1 題目[1]

復(fù)雜多肽和蛋白質(zhì)的合成是極具挑戰(zhàn)性的研究工作。1965年9月17日，中國(guó)科學(xué)家首次完成了結(jié)晶牛胰島素的化學(xué)合成，邁出了探究生命奧秘旅程中關(guān)鍵的一步，開(kāi)啟了蛋白質(zhì)合成的新時(shí)代[2]。

2015年發(fā)行的紀(jì)念“人工全合成結(jié)晶牛胰島素五十周年(1965-2015)”的郵票

將羧基與氨基偶聯(lián)形成酰胺鍵是合成多肽和蛋白質(zhì)最基本的反應(yīng)。文獻(xiàn)中報(bào)道了聯(lián)烯酮2可以在溫和條件下活化羧酸1生成中間體3。然后中間體3與一分子胺4反應(yīng)以高收率生成酰胺化合物5和次要產(chǎn)物6[3]。

N-甲基-N-乙炔基-對(duì)甲苯磺酰胺(MYTsA)可以以它最主要的共振結(jié)構(gòu)7 (不考慮Ts基團(tuán)參與的共振)經(jīng)由相似的方式活化羧酸[4]。

7-1 (12分) 請(qǐng)畫(huà)出化合物7、中間體9和產(chǎn)物12的結(jié)構(gòu)式(須畫(huà)出這些結(jié)構(gòu)中手性中心的立體化學(xué))。

隨著肽鏈的增長(zhǎng)，酰胺鍵的構(gòu)建變得越來(lái)越困難，因此常規(guī)的縮合方法難以應(yīng)用于蛋白質(zhì)的合成。在首次人工合成結(jié)晶牛胰島素的工作中，中國(guó)科學(xué)家發(fā)展了一種基于酰肼13的偶聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)了兩條肽鏈之間的酰胺鍵連接[5]。如下所示，在三乙胺存在下，化合物15與16可順利反應(yīng)生成酰胺17。

7-2 (8分) 畫(huà)出化合物15和16的結(jié)構(gòu)式。

除了從頭合成以外，科學(xué)家們還可以對(duì)已知蛋白質(zhì)進(jìn)行后期修飾。盡管在蛋白質(zhì)表面存在諸多反應(yīng)位點(diǎn)，如氨基、巰基和羧基等，親核性最強(qiáng)的巰基是最容易與親電試劑反應(yīng)的位點(diǎn)。例如，當(dāng)用N-苯基馬來(lái)酰胺18與蛋白質(zhì)反應(yīng)時(shí)，可發(fā)生硫雜麥克爾加成反應(yīng)。

在弱堿性條件下(pH = 7.5)，試劑19可與蛋白20表面的巰基反應(yīng)生成中性中間體21[6]。該中間體可接受氫氧根負(fù)離子進(jìn)攻生成化合物22。在反應(yīng)條件下，環(huán)狀化合物22與其開(kāi)環(huán)形式23之間存在化學(xué)平衡。隨后，化合物23可進(jìn)一步與另一分子的蛋白20反應(yīng)，生成的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)24和環(huán)狀結(jié)構(gòu)25之間也存在著與化合物22和23之間一樣的環(huán)化/開(kāi)環(huán)平衡。

7-3 (12分) 畫(huà)出中間體21和化合物24，25的結(jié)構(gòu)式(不要求畫(huà)出立體化學(xué))。

2.2 答案與解析

題目7-1主要涉及基本的酰胺縮合反應(yīng)，其核心是發(fā)展高效的新型縮合劑。N-甲基-N-乙炔基-對(duì)甲苯磺酰胺是近期報(bào)道的新型縮合劑，具有較小的分子量，縮合反應(yīng)的整體原子經(jīng)濟(jì)性較高。當(dāng)不考慮Ts基團(tuán)參與的共振時(shí)，N-甲基-N-乙炔基-對(duì)甲苯磺酰胺的主要共振主要發(fā)生在氮原子孤對(duì)電子與碳碳三鍵的π體系之間：

共振式7的末端碳原子具有一定的親核性和堿性，可攫取羧基的質(zhì)子，而中間碳原子具有較強(qiáng)的親電性，因此共振式7可與羧酸發(fā)生1,2加成同樣生成一個(gè)烯醇酯活性中間體9。

中間體9與一分子的胺反應(yīng)生成二肽產(chǎn)物11的同時(shí)會(huì)伴隨著次要產(chǎn)物12的生成。簡(jiǎn)單來(lái)看，從中間體9斷裂應(yīng)當(dāng)生成烯醇產(chǎn)物，但該烯醇會(huì)快速異構(gòu)化為羰基結(jié)構(gòu)，因此分離得到次要產(chǎn)物12的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是N-甲基-N-乙酰基-對(duì)甲苯磺酰胺。

題目7-2涉及了首次結(jié)晶牛胰島素合成時(shí)采用的酰肼法肽鏈連接策略。在預(yù)備題17題中，涉及到胺類(lèi)化合物在酸性條件下與亞硝酸鈉反應(yīng)生成重氮化合物的反應(yīng)。類(lèi)似地，酰肼13的亞硝化反應(yīng)則會(huì)生成酰基疊氮化合物15。酸性條件下脫除Cbz保護(hù)基也是該保護(hù)基的基本脫除策略。因此化合物15和16的結(jié)構(gòu)為：

題目7-3涉及了蛋白的修飾策略。在預(yù)備題第18題也給出的相關(guān)內(nèi)容，巰基是蛋白表面最易與親電試劑反應(yīng)的基團(tuán)。試劑19是N-苯基馬來(lái)酰胺18的類(lèi)似物，其與蛋白表面巰基發(fā)生加成時(shí)可能存在1,4加成和1,6加成兩種途徑。從化合物22和23的結(jié)構(gòu)可反推出蛋白20與19反應(yīng)時(shí)發(fā)生了1,6加成，之后中間體21與氫氧根負(fù)離子發(fā)生SN2’反應(yīng)得到化合物22。

化合物22核心結(jié)構(gòu)為環(huán)狀α,β不飽和酰胺，該類(lèi)結(jié)構(gòu)不易發(fā)生1,4加成反應(yīng)。而當(dāng)化合物22異構(gòu)為開(kāi)環(huán)形式23以后則具有一個(gè)更活潑的α,β不飽和酮片段，該片段可與另一分子的蛋白20發(fā)生1,4加成反應(yīng)得到化合物24，即巰基加在酮羰基的β位。化合物24可經(jīng)歷23到22的環(huán)化得到化合物25。因此化合物24，25的結(jié)構(gòu)式為：

3 結(jié)語(yǔ)

本題從酰胺鍵的構(gòu)建、多肽鏈的連接和蛋白質(zhì)的修飾多個(gè)尺度考查了蛋白合成與修飾中常見(jiàn)的有機(jī)合成反應(yīng)。主要涉及的知識(shí)點(diǎn)包括1,2加成、1,4加成反應(yīng)、1,6加成反應(yīng)，以及氨基亞硝化和烯醇異構(gòu)化等。該題所涉及到的大部分反應(yīng)都是有機(jī)合成領(lǐng)域常見(jiàn)的化學(xué)轉(zhuǎn)化，在預(yù)備題部分也都有涉及，主要考查考生的學(xué)習(xí)理解和靈活運(yùn)用能力。