南京肽业YM说多肽|环肽合成专题：头尾环化、侧链环化及正交保护实现多位点环化

南京肽业YM说多肽

环肽合成专题：

头尾环化、侧链环化及正交保护实现多位点环化

摘要

环肽，作为一类通过酰胺键或其它共价键连接形成环状结构的多肽，因其构象受限、代谢稳定性高、细胞膜通透性增强等特性，在药物发现与化学生物学中备受瞩目。然而，将线性前体转化为结构精确的环状产物，是对合成化学家设计能力的集中考验。本文将系统解析环肽合成的三大策略——头尾环化、侧链环化、正交保护介导的多位点环化，深入探讨其化学基础、环化方法、构象控制及特有的副反应挑战，为设计与合成这一重要多肽门类提供完整的方法论。

一、环肽的价值与合成核心挑战

环状结构通过限制构象自由度，使多肽能够预组织成与靶标结合所需的活性构象，从而大大提高结合亲和力与特异性。同时，其缺乏游离的N端和C端，能有效抵抗外肽酶的降解。

环化合成的核心挑战在于：

1. 环化vs.寡聚的竞争：分子内环化与分子间聚合是必然的竞争反应。

2. 构象偏好性：线性前体的构象必须允许反应末端彼此接近。

3. 活化与消旋：在活化羧基进行环化时，消旋风险依然存在。

4. 环大小的控制：形成不同大小环（如7元、10元、14元环）的难易度不同，受 Baldwin 环化规则影响。

二、头尾环化：线性前体的直接闭合

这是最常见的环化方式，将线性肽的N端氨基与C端羧基连接。

1. 在树脂上环化

• 原理：使用对酸极其敏感的树脂（如2-氯三苯甲基氯树脂）。合成线性序列后，用非常温和的酸（如1% TFA/DCM， 甚至稀乙酸）处理，选择性地将肽链从树脂上切割下来，但保留所有侧链保护基，暴露出C端羧酸。此时，肽链一端连接在树脂上（通过脱保护时新生成的键或其它策略），另一端游离，处于假稀释状态，极大有利于分子内环化而非分子间聚合。

• 优势：“假稀释”效应高效抑制寡聚；产物可通过过滤与树脂分离。

• 关键：树脂的选择和切割条件必须足够温和，以保持侧链保护基完整。

2. 在溶液中环化（均相环化）

• 原理：将完全脱保护或部分保护的线性肽溶解于极稀的溶液中（通常浓度为10^-3 至 10^-5 M），使用高效偶联试剂（如HATU, PyBOP）进行环化。

• 经典活化策略：

  • 活性酯法：将C端转化为五氟苯酯、3,4-二氢-3-羟基-4-氧代-1,2,3-苯并三嗪酯等，这些活性酯在稀释溶液中与N端氨基缓慢反应，利于环化。

  • DPPA法：使用二苯基磷酰叠氮，通过 Curtius 重排形成异氰酸酯中间体，再与水反应生成氨基甲酸酯，进而环化，此法消旋率低。

• 挑战：需要大量溶剂；对前体的溶解性要求高；必须仔细优化浓度以防止寡聚。

三、侧链环化：通过侧链官能团交联

通过连接两个侧链官能团（如氨基与羧基、硫醇与硫醇等）形成环状结构。

1. 酰胺键介导的侧链环化

• 应用：合成由天冬氨酸/谷氨酸与赖氨酸侧链形成酰胺键的环肽。

• 正交保护需求：必须在线性主链合成时，为参与环化的侧链设计正交保护基。例如，让Asp侧链用OAllyl保护，Lys侧链用Dde保护。主链合成后，选择性脱除这两个保护基，暴露出羧基和氨基，再进行分子内缩合。

• 优势：可以形成头尾环化无法实现的大环或特定拓扑结构。

2. 二硫键介导的环化

• 应用：是形成胱氨酸环肽（如许多天然毒素）的主要方式。

• 策略：

  • 空气氧化：将含有两个游离半胱氨酸的线性肽在稀溶液中暴露于空气，自发氧化形成二硫键。简单但可能产生错配。

  • 碘氧化：更可控，常用于氧化Acm保护的半胱氨酸。

  • 二甲基亚砜氧化：温和的氧化方法。

  • 正交二硫键配对：对于含多个半胱氨酸的肽，需使用不同的正交保护基（如Trt, Acm, Mmt），通过分步、选择性脱保护与氧化来引导正确的二硫键配对。

3. 烯烃复分解反应介导的环化

• 应用：在侧链引入烯烃（如烯丙基甘氨酸），使用Grubbs催化剂进行关环复分解，形成碳-碳双键连接的环肽。

• 优势：形成在生物体内非常稳定的非天然连接键；适用于构建大环。

四、正交保护实现多位点环化：复杂环体系的构建

对于含有多个环（如双环、三环）或套索肽等拓扑复杂的环肽，必须依靠精妙的多层正交保护策略，以控制环化的顺序、位置和化学选择性。

设计逻辑：首先需要为每一个待环化的位点配对（如N端-C端， 或侧链A-侧链B）分配一组互为正交且与全局保护基正交的保护基。然后，通过顺序施加不同的脱除条件，逐步暴露特定的反应对，进行分步环化。

下图展示了为一个假设的双环肽设计正交环化策略的逻辑流程：

• 目标：合成一个含有Lys-Asp侧链酰胺环和头尾环的双环肽。

• 设计：

  1. 线性链合成时，参与侧链环化的Lys用Dde保护，Asp用OAllyl保护。

  2. 主链N端用Boc保护，C端连接在2-氯三苯甲基氯树脂上。

  3. 合成后，顺序进行：a) 钯催化脱OAllyl； b) 肼解脱Dde； c) 在树脂上进行侧链环化。

  4. 用超稀TFA切割树脂并脱Boc，在溶液中高度稀释下进行头尾环化。

  5. 最后用标准TFA脱除所有侧链保护基。

五、副反应与构象控制

• 差向异构化：环化活化时，C端氨基酸易消旋。使用HOAt、活性酯或DPPA法可缓解。

• 低聚：严格控制浓度和利用“假稀释”效应是关键。

• 环大小与构象：对于特定环大小（如7元、10元环），线性前体可能需引入转角诱导氨基酸（如D-Pro-L-Pro）或伪脯氨酸，使反应末端在空间上预靠近，极大提高环化效率。

六、未来方向

• 无痕连接化学：如酰胺化反应，提供更高效、无消旋的环化方法。

• 光催化环化：提供时空控制的新维度。

• 生物酶催化环化：利用连接酶或环化酶实现高选择性环化。

结论

环肽合成是一门融合了保护基化学、反应动力学、构象分析与分离科学的精密艺术。从简单的头尾环化到依赖多层正交保护的复杂多环体系构建，其演进路径清晰地指向更高的结构复杂度、拓扑多样性与合成可控性。掌握这些策略，意味着合成化学家能够主动“编程”多肽的二维与三维结构，从而创造出具有定制化稳定性、活性与选择性的分子工具与候选药物，真正将多肽化学从“序列书写”推向“结构塑造”的新境界。

南京肽业YM说多肽|环肽合成专题：头尾环化、侧链环化及正交保护实现多位点环化