【JACS】Motomu Kanai组：光催化自由基Arbuzov反应实现酪氨酸膦酸化促进肽/蛋白质选择性修饰-上海善施科技

最近，日本东京大学Motomu Kanai课题组，报道了一种光催化自由基Arbuzov反应，可以实现酪氨酸的温和膦酸化。该反应条件温和，具有优秀化学选择性，可以在双肽、三肽和寡肽中选择性实现酪氨酸膦酸化。相关研究成果发表在近期的《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc.）。

合成蛋白修饰（SPM），在化学生物学和药物化学中应用广泛。通过模拟自然界精巧的翻译后机制，获得新治疗方法和蛋白质功能精度探测能力（Scheme 1A）。这一方法促进了抗体-药物偶联物的发展，使自我表面识别元件的重塑成为可能，并能调节蛋白质疗法的药效学性质，有助于组蛋白修饰和蛋白质衍生生物传感器的发展。

已报道SPM方法，局限于赖氨酸和半胱氨酸这些具有独特反应性氨基酸的官能团化。最近，其它传统上较低活性氨基酸（组氨酸、色氨酸等）的官能团化，吸引了更多注意力。酪氨酸（Tyrosine）官能团化是其中一个研究领域，已报道大量相关方法，包括Barbas烯化和利用酪氨酸相对低氧化电势（E_ox =0.93 V vs NHE (pH7)）而发展出的自由基偶联化学。这些方法可以引入非天然基团，也能通过引入合适手柄实现化学选择性弹头和荧光标记物的构建，但却不能实现膦酸化、磺酸化和糖苷化这些蛋白质翻译后修饰（PTMs）（Scheme 1B）。酪氨酸的膦酸化修饰，在基础细胞信号传导和控制机制中普遍存在，这导致异常酪氨酸膦酸化与癌症、神经退行性疾病和感染相关。因此，酪氨酸的膦酸化具有重要研究价值。

（Scheme 1，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

Motomu Kanai课题组近期报道过一种极性反转策略，可以实现酪氨酸的选择性膦酸化，但此方法局限于存在C-末端酪氨酸残基的肽（图1, Org. Lett. 2024, 26, 8827−8831）。为了解决这一不足，该课题组进一步开发出一种光催化自由基Arbuzov反应，可以实现酪氨酸的选择性膦酸化（Scheme 1C）。其可行性反应机理如Scheme 2所示：光催化剂PC在光激发下生成激发态光催化剂PC*，PC*可以和酪氨酸发生单电子氧化生成酚氧自由基4和PC^·-；4和亚膦酸酯2发生加成反应得到膦自由基5，5发生β-裂解即可生成膦酸酯产物3和碳自由基6；6和PC^·-发生单电子还原，生成碳负离子7并再生PC，完成整个循环。此反应极具挑战性，机理中所得碳自由基6易于和亚膦酸酯2发生副反应，生成C-膦酸酯化副产物8。作者认为可以通过调整亚膦酸酯2上基团，使所生成碳自由基6具有大位阻取代基，并加快6至7的单电子还原，从而降低竞争反应。

（图 1，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Scheme 2，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于Scheme 2反应设计，作者选用4-CzIPN作为有机光催化剂，酪氨酸乙酯1a为模板底物，开展反应条件筛选研究。如Table 1所示，通过对光催化剂、亚膦酸酯、碱添加剂、溶剂等进行细致优化，得出如entry 10所示最优反应条件：2.5 mol% 4-CzIPN作光催化剂、5当量亚膦酸酯P6、咪唑作碱，叔丁基甲基醚（TBME）作溶剂，蓝色LED照射，反应能以90%产率得到产物3a。其中：1）亚膦酸酯苯环上基团对反应影响较大，供电子基团会降低反应性（P2、P5），吸电子基团因能降低自由基6还原电势而提高反应性（P3、P4、P6、P7）；2）咪唑添加剂能通过质子耦合电子转移（PCET）加快酪氨酸氧化，从而提高反应性；3）在咪唑存在下，除TBME外，其它大极性溶剂例如乙醇、DMF、DMSO、DMF-水作溶剂，反应也能高效发生，这对大极性肽底物很适用；4）缺乏光照，反应不发生。

（Table 1，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者开展底物拓展研究。如Scheme 3所示，1）含脂肪链二肽（3b-3d）、含易氧化氨基酸链（组氨酸、蛋氨酸、色氨酸）二肽（3e-3g）、含易发生膦酸化氨基酸链（丝氨酸、苏氨酸、赖氨酸）二肽（3h-3j），都能在最优反应条件下以可观产率和高选择性得到对应产物；2）含更大极性氨基酸链（天冬酰胺、谷氨酸）二肽（3k、3l），由于在TBME中溶解性差，需使用DMF作溶剂才能以中等产率得到对应产物；3）三肽（3m、3n）、四肽（3o、3p）、五肽（3q）、六肽（3r）、八肽（3s）也能在微调后的反应条件下发生反应，以中等产率得到对应产物。产物中的膦酸乙酯片段可以在过量TMSBr作用下水解成膦酸（SI中Scheme S1），膦酸二苄酯则可以通过钯碳氢气还原转化成膦酸（SI中Scheme S2）。

（Scheme 3，图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于发展出的光催化自由基Arbuzov反应，Motomu Kanai课题组成功实现酪氨酸的选择性膦酸化。该方法为多肽中酪氨酸残基的膦酸化提供了一种新方法。

论文信息

Catalytic Phosphorylation of Tyrosine via a Radical Arbuzov Reaction

Benjamin D. A. Shennan, Tomoyuki Fukuta, Mina Yamane, Takashi Koyama, Harunobu Mitsunuma, and Motomu Kanai*

J. Am. Chem. Soc.

声明：本文仅用于学术文章转载分享，不做盈利使用，如有侵权，请及时联系小编删除。