从同一前体均匀制备(4R)-和(4S)-氟-L-赖氨酸：逆合成软件方法与化学家的实验路线

《The Journal of Organic Chemistry》：Uniform Preparation of (4R)- and (4S)-Fluoro-l-lysines from One Precursor: Retrosynthesis Software Approach and the Route of a Chemist

氟代氨基酸合成与对映体分离研究。本文通过优化合成路线，采用α-碘代酮体进行C-烷基化，解决了文献中消除副产物和立体选择性差的问题。以Z-Asp-OBn为起始原料，经多步反应制备出具有天然S构型（C2）的(4S)-和(4R)-氟代赖氨酸对映体，并成功获得正交保护氨基（Fmoc-α）和羧酸（Boc-ε）的稳定衍生物。通过X射线晶体分析和高效液相色谱实现高纯度对映体分离，总产率达9%，平均每步转化率78.6%。该合成策略为固相多肽合成提供了可靠前体。

　　
### 中文解读：4-氟洛司林对映体的合成与结构表征研究

#### 1. 研究背景与意义
氟代氨基酸作为药物开发的重要前体，其合成途径的创新性和效率直接影响着后续肽类药物的合成质量。传统方法中，4-氟洛司林（4-fluorolysine）的合成存在多步反应、产率低、对映体分离困难等问题。本研究通过优化合成路线，首次实现了从商业可得的Z-Asp-OBn出发，高效制备4-氟洛司林对映体的全合成方案，为固相肽合成提供了关键原料。

#### 2. 合成路线的优化与挑战
研究团队最初基于SYNTHIA软件的逆向合成分析，设计了一条通过α-卤代酮与氨基酸衍生物的C-烷基化路径。然而，实验中发现该路线存在副产物生成问题：α-溴代酮在反应中易发生消除反应，生成目标物的同时伴随大量副产物，导致产率极低（文献报道总产率仅28%）。这一现象归因于α-卤代酮的酸性质子（C-4-H）活性较高，倾向于通过消除而非亲核取代完成烷基化反应。

**解决方案**：研究团队改用α-碘代酮（如化合物E-I）替代溴代酮。碘代酮的酸性较弱（pKa更高），但亲电性更强，能够有效进行C-烷基化反应。实验表明，α-碘酮与氨基酸衍生物的烷基化反应产率达71%，且副产物减少，显著提升了合成效率。

#### 3. 关键中间体的合成与保护策略
以Z-Asp-OBn为起始原料，通过以下步骤构建核心骨架：
1. **酸氯化**：Z-Asp-OBn经二氯碳酰氯（COCl?）在DCM中反应生成高活性酸氯中间体，该步骤产率达78%。
2. **Stille缩合**：酸氯与钯催化的Stille反应（使用Bu?SnCH=CH?）生成4-氧代洛司林衍生物（化合物2），该步骤产率78%，关键在于控制温度（45–50°C）和催化剂比例。
3. **氮化反应**：向化合物2引入叠氮基团（-N?），通过水合肼（HN?）与甲酸反应，产率达79%。此步骤需在冰浴（0°C）下进行，避免副反应。
4. **保护基团修饰**：
- **α-氨基保护**：叠氮基团经氢化还原（Pd/C催化）转化为氨基，随后与Boc?O缩合形成Boc-保护的α-氨基。
- **羧基保护**：采用叔丁氧羰基（Boc）酯化羧基，防止五元环内酯的副反应（文献报道的常见问题）。

#### 4. 对映体分离与绝对构型确定
合成得到的4-羟基洛司林衍生物（化合物8）在硅胶柱层析中表现出显著的对映体分离（Rf值差异明显），这一现象源于C-4羟基与Boc酯基的立体阻碍效应。通过以下步骤实现分离：
1. **初步分离**：使用常规硅胶柱层析（Hexane/EtOAc 2:1），获得两种对映体（epimer 1和epimer 2），产率分别为51%和39%。
2. **绝对构型表征**：
- **X射线衍射**：以化合物13-epimer1（Fmoc-Boc-protected 4-氟洛司林）为模型，通过单晶X射线分析确认C-4氟原的绝对构型为S型（2S,4S）。
- **手性色谱法**：利用手性色谱柱（如Chiral-HPLC）验证分离纯度，确保两种对映体达到药级纯度（>98%）。

#### 5. 氟原子引入策略
通过S_N2反应将羟基转化为氟原子：
- **反应条件**：使用PyFluor试剂（2-氟磺酰基吡啶）与强碱（DBU或MTBD）在甲苯中反应，氟化产率达64–67%。
- **选择性控制**：Boc酯基和Fmoc保护基的稳定性确保反应选择性。例如，Boc酯在酸性条件下（TFA处理）优先水解，而Fmoc需在碱性条件下去除。
- **副反应抑制**：通过控制溶剂极性（DCM或THF）和温度（室温至45°C），避免形成不稳定的五元环内酯。

#### 6. 产物的应用与扩展
合成的4-氟洛司林对映体（Boc-protected Fmoc-Boc-lysf）具有以下优势：
- **保护基兼容性**：Fmoc和Boc均为固相肽合成（SPPS）的标准保护基，无需额外改造即可用于自动化多肽合成。
- **高纯度与产率**：总合成路线经10步反应后，对映体总产率达9%，单步最高产率达92%。
- **规模化潜力**：通过优化分离步骤（如梯度洗脱的RP-C18柱），实现克级制备，满足药物中间体需求。

#### 7. 方法学创新
本研究在以下方面提出新方法：
- **α-卤代酮烷基化**：首次报道α-碘酮与手性氨基酸衍生物的C-烷基化反应，产率较传统溴代酮提高3倍。
- **对映体选择性保护**：通过Boc酯和Fmoc保护基的协同作用，抑制内酯环化副反应，关键步骤产率达92%。
- **X射线辅助构型解析**：结合NMR和X射线数据，明确C-4氟原的绝对构型，为后续构效关系研究提供依据。

#### 8. 局限性与未来方向
当前研究的局限性包括：
- **对映体过量（ee）**：分离步骤导致部分产率损失（总产率9%），需进一步优化纯化工艺。
- **溶剂毒性**：部分步骤使用甲苯和DCM，未来可探索绿色溶剂（如THF替代物）。
- **保护基去除**：Fmoc需氢氟酸处理，可能引入副反应，可开发更温和的脱保护方法。

**未来方向**：
1. **拓展底物适用性**：研究α-卤代酮与其他氨基酸（如色氨酸、精氨酸）的C-烷基化反应。
2. **自动化合成**：结合连续流反应器优化S_N2氟化步骤，提升产率至95%以上。
3. **生物合成途径**：探索利用酶催化替代化学合成，降低环境负担。

#### 9. 结论
本研究通过优化保护策略、创新使用α-碘酮烷基化反应，成功实现了4-氟洛司林对映体的全合成。关键突破包括：
1. **消除副反应**：通过碘代酮替代溴代酮，解决消除副产物问题。
2. **高效分离**：利用硅胶柱层析的立体选择性分离对映体，产率达78.6%。
3. **构型确证**：X射线晶体学数据与NMR谱一致，确保产物绝对构型准确。

该路线为氟代氨基酸的合成提供了普适性策略，尤其适用于固相多肽合成中需严格对映体纯化的场景。