生命中的有機分子
——第54屆國際化學奧林匹克試題第7題解析

何剛

南開大學化學學院，天津 300071

蛋白質是生命體內(nèi)結構復雜多樣的一類生物大分子，在生命體的結構和功能執(zhí)行方面有著至關重要的作用。氨基酸是構成蛋白質的基本結構單元：氨基酸之間通過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。對蛋白質的合成、修飾和結構功能研究涉及合成化學和化學生物學，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構和功能的基礎，是合成化學的重要分支。我國化學家在相關領域做出了許多杰出的貢獻，包括發(fā)展了多種高效的酰胺縮合劑、完成了結晶牛胰島素的首次化學合成等。第54屆國際化學奧林匹克試題中第7題以蛋白質的合成與修飾為主要內(nèi)容，考查了酰胺鍵的構建方法、多肽鏈的連接策略和蛋白質的修飾手段。

2 題目及解析

2.1 題目[1]

復雜多肽和蛋白質的合成是極具挑戰(zhàn)性的研究工作。1965年9月17日，中國科學家首次完成了結晶牛胰島素的化學合成，邁出了探究生命奧秘旅程中關鍵的一步，開啟了蛋白質合成的新時代[2]。

2015年發(fā)行的紀念“人工全合成結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最基本的反應。文獻中報道了聯(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-對甲苯磺酰胺(MYTsA)可以以它最主要的共振結構7 (不考慮Ts基團參與的共振)經(jīng)由相似的方式活化羧酸[4]。

7-1 (12分) 請畫出化合物7、中間體9和產(chǎn)物12的結構式(須畫出這些結構中手性中心的立體化學)。

隨著肽鏈的增長，酰胺鍵的構建變得越來越困難，因此常規(guī)的縮合方法難以應用于蛋白質的合成。在首次人工合成結晶牛胰島素的工作中，中國科學家發(fā)展了一種基于酰肼13的偶聯(lián)方法，實現(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可順利反應生成酰胺17。

7-2 (8分) 畫出化合物15和16的結構式。

除了從頭合成以外，科學家們還可以對已知蛋白質進行后期修飾。盡管在蛋白質表面存在諸多反應位點，如氨基、巰基和羧基等，親核性最強的巰基是最容易與親電試劑反應的位點。例如，當用N-苯基馬來酰胺18與蛋白質反應時，可發(fā)生硫雜麥克爾加成反應。

在弱堿性條件下(pH = 7.5)，試劑19可與蛋白20表面的巰基反應生成中性中間體21[6]。該中間體可接受氫氧根負離子進攻生成化合物22。在反應條件下，環(huán)狀化合物22與其開環(huán)形式23之間存在化學平衡。隨后，化合物23可進一步與另一分子的蛋白20反應，生成的開環(huán)結構24和環(huán)狀結構25之間也存在著與化合物22和23之間一樣的環(huán)化/開環(huán)平衡。

7-3 (12分) 畫出中間體21和化合物24，25的結構式(不要求畫出立體化學)。

2.2 答案與解析

題目7-1主要涉及基本的酰胺縮合反應，其核心是發(fā)展高效的新型縮合劑。N-甲基-N-乙炔基-對甲苯磺酰胺是近期報道的新型縮合劑，具有較小的分子量，縮合反應的整體原子經(jīng)濟性較高。當不考慮Ts基團參與的共振時，N-甲基-N-乙炔基-對甲苯磺酰胺的主要共振主要發(fā)生在氮原子孤對電子與碳碳三鍵的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，可攫取羧基的質子，而中間碳原子具有較強的親電性，因此共振式7可與羧酸發(fā)生1,2加成同樣生成一個烯醇酯活性中間體9。

中間體9與一分子的胺反應生成二肽產(chǎn)物11的同時會伴隨著次要產(chǎn)物12的生成。簡單來看，從中間體9斷裂應當生成烯醇產(chǎn)物，但該烯醇會快速異構化為羰基結構，因此分離得到次要產(chǎn)物12的結構應當是N-甲基-N-乙酰基-對甲苯磺酰胺。

題目7-2涉及了首次結晶牛胰島素合成時采用的酰肼法肽鏈連接策略。在預備題17題中，涉及到胺類化合物在酸性條件下與亞硝酸鈉反應生成重氮化合物的反應。類似地，酰肼13的亞硝化反應則會生成酰基疊氮化合物15。酸性條件下脫除Cbz保護基也是該保護基的基本脫除策略。因此化合物15和16的結構為：

題目7-3涉及了蛋白的修飾策略。在預備題第18題也給出的相關內(nèi)容，巰基是蛋白表面最易與親電試劑反應的基團。試劑19是N-苯基馬來酰胺18的類似物，其與蛋白表面巰基發(fā)生加成時可能存在1,4加成和1,6加成兩種途徑。從化合物22和23的結構可反推出蛋白20與19反應時發(fā)生了1,6加成，之后中間體21與氫氧根負離子發(fā)生SN2’反應得到化合物22。

化合物22核心結構為環(huán)狀α,β不飽和酰胺，該類結構不易發(fā)生1,4加成反應。而當化合物22異構為開環(huán)形式23以后則具有一個更活潑的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加成反應得到化合物24，即巰基加在酮羰基的β位?；衔?4可經(jīng)歷23到22的環(huán)化得到化合物25。因此化合物24，25的結構式為：

3 結語

本題從酰胺鍵的構建、多肽鏈的連接和蛋白質的修飾多個尺度考查了蛋白合成與修飾中常見的有機合成反應。主要涉及的知識點包括1,2加成、1,4加成反應、1,6加成反應，以及氨基亞硝化和烯醇異構化等。該題所涉及到的大部分反應都是有機合成領域常見的化學轉化，在預備題部分也都有涉及，主要考查考生的學習理解和靈活運用能力。