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化学者のつぶやき

光触媒-ニッケル協働系によるシステイン含有ペプチドのS-アリール化

2018年、ペンシルバニア大学・Gary A. Molanderらは、無保護ペプチドに対し可視光レドックス―ニッケル協働触媒系を用いて、ハロゲン化アリールによるシステイン側鎖修飾反応を達成した。

“Scalable thioarylation of unprotected peptides and biomolecules under Ni/photoredox catalysis”
Vara, B. A.; Li, X.; Berritt, S.; Walters, C. R.; Petersson, E. J.;  Molander, G. A. Chem. Sci. 2018, 9, 336. DOI: 10.1039/c7sc04292b

問題設定

システインはチオールの求核性の高さ、天然タンパク質内の低存在比から生体共役反応やペプチド化学における重要な修飾標的である。ペプチドのシステインS-アリール化は、金属試薬を用いたものがいくつか報告されている[1-3]。しかしパラジウムやアリールハライドが過剰量必要になるなどの問題がある。ウルマン型カップリングでは、加えて高温条件および適切な保護基を必要としてしまう。

金属を使わない修飾法としてはマレイミドへのマイケル付加が代表例だが、逆反応が起こりうることがしばしば応用上の問題となる。Barbas[4]やPentelute[5]らよる報告が改善事例としてあげられる。Noelらはバッチ・フロー両方で使えるシステインS-アリール化を2018年に報告している[6]が、カップリングパートナーとしてジアゾニウム塩を用いるため、側鎖保護の必要がある。

技術や手法のキモ

可視光レドックス触媒によって生じるチイルラジカルとニッケル触媒を協働させたカップリング反応は、高い化学選択性や広い官能基許容性を有する。

Molanderらはビス(カテコラト)アルキルシリケートがチイルラジカルを発生させる優秀な水素移動試薬であることを見出し、photoredox型クロスカップリングへの応用を報告した[7]。この系を用いれば、システインの修飾反応に応用できると考えた。

主張の有効性検証

①条件の最適化

ペプチド基質に含まれるアミン・塩・配位子類似構造は、試薬や触媒を破壊したりHAT触媒の電位を変えてしまうなどの形で、触媒系への悪影響を及ぼす可能性がある。 そのためまず簡単な構造であるグルタチオン(Glu-Cys-Glyトリペプチド)を用いて適用可能性の確認と、条件検討を行った。

最終的に下記スキームが最適条件として同定され、望むシステインS-アリール化が良好な収率で進行した。少量ならば水も許容される。また使用する試薬はすべて安定な固体であり、活性触媒の事前調整などを必要としない簡便な反応である。

② 基質一般性

1級チオールを有するグルタチオンを用いてパートナーの検討を行なった。無保護のカルボン酸、ボロン酸、アルコール、ケトンの存在下でも反応は進行した。アジドはこの条件には適合せず、混合物を与えた。また、クマリンやビオチン、糖といった化合物が含まれていても反応は円滑に進行し、薬物様構造も結合させることができた。ジスルフィド含有基質においては、S-S切断が起きたものにアリール化が進行した生成物が観測される。

2級チオールを有するチオプロニン、3級チオールを有するD-ペニシラミンについても反応は進行するが、立体障害が増すため反応の進行は遅くなる。後者は競合するジスルフィド形成が明確に観察される。

③アミノ酸許容性の確認

グルタチオン反応系に様々なアミノ酸を1当量加えて、許容性を評価している。ほとんどの場合、反応は70%以上の収率で良好に進行するが、プロトン化アミノ酸(Lys, Arg)もしくはチロシンを加えた場合は収率が大きく下がる。

④希釈条件・グラムスケール反応

グルタチオンをモデル基質としてさらに薄い濃度での反応検討を行ったところ、臭化アリールを20当量加えることで目的のアリールスルフィドを81%収率で得た。またこの条件下でより多くの官能基を持つ無保護のペプチド(H2N-Trp-His-Glu-Tyr-Ala-Cys-Ala-Mcm-Ala-CONH2)に対し反応を行ったところ、時間で原料が消失し、システイン修飾体が得られた。生成物をMALDI-MS/MSで調べたところ、他の残基には反応が進行していないことが確かめられた。

また、約1 gのグルタチオン原料で反応を行ったところ、72%収率(1.02 g)で修飾体を得た。安価なNi触媒は、特に大スケールにおいて有用性があると考えられる。

議論すべき点

  • タンパク質へと展開しようとすると有機溶媒が好まれないので、水中反応の可能性がどこまであるかは知りたいところ。また、タンパク質の構造維持に必要なジスルフィド結合も切断されうるので、大物基質への適用を狙うには引き続き改善が必要そうである。

次に読むべき論文は?

参考文献

  1. Vinogradova, E. V.; Spokoyny, A. M.; Pentelut, B. L.; Buchwald, S. L. Nature 2015, 526, 687. doi:10.1038/nature15739
  2. Willwacher, J.; Raj, R.; Mohammed, S.; Davis, B. G. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8678. DOI: 10.1021/jacs.6b04043
  3. Zong, C.; Liu, J.; Chen, S.; Zeng, R. Chin. J. Chem. 2014, 32, 212. doi:10.1002/cjoc.201300830
  4. Toda, N.; Asano. S.;  Barbas, C. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 12592. doi:10.1002/anie.201306241
  5. Spokoyny, A. M.; Zou, Y.; Ling, J. J.; Yu, H.; Lin, Y.-S.; Pentelute, B. L. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5946. DOI: 10.1021/ja400119t
  6. Bottecchia, C.; Rubens, M.; Gunnoo, S. B.; Hessel, V.; Madden, A.; Noël, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 12702. doi:10.1002/anie.201706700
  7. Jouffroy, M.; Kelly, C. B.; Molander, G. A. Org. Lett. 2016, 18, 876. DOI: 10.1021/acs.orglett.6b00208
  8. Bloom, S.; Liu, C.; Kölmel, D. K.; Qiao, J. X.; Zhang, Y.; Poss, M. A.; Ewing, W. R.; MacMillan, D. W. C. Nat. Chem. 2018, 10, 205. doi:10.1038/nchem.2888
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博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。 関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。 素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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