【JACS】南京中医药大学胡立宏/颜建明:光诱导烷氧羰基氧自由基的氢原子转移介导脂肪C−H胺化反应

α-胺基胺衍生物广泛存在于生物活性分子中（图1），开发以脂肪胺作为限制性底物的α-C(sp³)−H胺化策略在复杂且昂贵的胺类衍生物的后期胺化修饰中具有重要意义。

图1：生物活性α-胺基胺化合物（来源：J. Am. Chem. Soc.）

传统过渡金属催化的C(sp³)−N键构建策略主要选择性地胺化苄位、烯丙位、叔或仲碳的C(sp³)−H，不适用于复杂且昂贵的高附加值胺类化合物。得益于光/电化学的发展，以脂肪胺作为限制性底物构建α-C(sp³)−N键成为可能。这些策略大部分是基于单电子转移过程，对于活泼官能团的兼容性较差。利用氢原子转移策略（HAT）可以避免电子转移从而理论上可以提高官能团兼容性。Chang和Lin团队利用该策略成功实现了脂肪胺α-C(sp³)−N键的构建（图2A），但底物适用范围仍然有限，不适用于含脯氨酸残基的肽段等生物活性物质的胺化修饰。开发一种能有效修饰生物活性胺的新型胺化试剂仍然是一个重要科学问题。

烷氧羰基氧自由基可以通过光促进的X−O（X = N，O）键的均裂产生（J. Am. Chem. Soc.1988, 110, 6727），是一种可被检测到的自由基物种（图2B）。Frank Glorius教授（Nat. Catal.2021, 4, 54）和韩丙教授（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21997）利用烷氧羰基氧自由基能与富电子烯烃快速加成的性质（k ~2 × 10⁹ M^-1 s^-1），实现了烯烃双官能团化；烷氧羰基氧自由基能以较慢的速率发生脱羧裂解（k ~10⁵ s^-1），贵州大学池永贵教授和任世超教授团队（Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202407293）利用该性质实现了苄醇对位选择性C(sp²)–H亚胺化修饰；烷氧羰基氧自由基还对C(sp³)–H键有显著的HAT反应活性（k ~10⁷ M^-1 s^-1），值得深入发掘其在合成领域的应用。

南京中医药大学胡立宏教授在天然产物药物化学研究有开创性的工作。为实现重要天然活性分子的直接C(sp³)−H胺化反应，胡立宏/颜建明团队开发了一种新型羟肟碳酸脂试剂实现普适性C(sp³)−H胺化反应（图2C）。该试剂通过能量转移N−O键均裂成烷氧羰基氧自由基和亚胺自由基，烷氧羰基氧自由基与C(sp³)−H发生HAT反应，产生C自由基，随后与亚胺自由基交叉偶联构建C(sp³)−N键。该体系不仅能实现各种限制性脂肪胺底物选择性α-C(sp³)−H胺化，还能胺化非官能团化烷烃的惰性C(sp³)−H，甚至可以兼容含脯氨酸残基的肽段且具有良好的非对映选择性。

图2：研究背景及策略设计（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者首先对反应条件进行了系统优化（表1）。研究表明，以PC-1作为光催化剂，2a作为胺化试剂（2 equiv.），EtOAc作为溶剂，在390 nm LED照射下，室温反应24小时后，N-Boc 哌啶（1a） 被高效胺化，并以86%的分离收率获得目标α-胺基胺产物3a。

表1：反应条件优化

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者进一步考察了脂肪胺以及胺化试剂中亚胺片段的底物适用范围（图3）。以羟肟碳酸脂 2a 为胺化试剂，系统评估了多种脂肪胺底物，结果表明该反应对环状或链状脂肪胺，各种N上的保护基以及敏感官能团（羟基和羧基）都有很好地兼容性；对L-脯氨酸衍生物（3k-3m）有良好的非对映选择性。随后，作者以 N-Boc哌啶（1a） 为模板，继续考察了胺化试剂中芳基上取代基的电性和位阻效应，结果表明该反应能兼容不同电性和位阻的取代基。

图3：脂肪胺和胺化试剂中亚胺片段的底物适用范围考察（来源：J. Am. Chem. Soc.）

受到对L-脯氨酸衍生物有良好的非对映选择性的激励，作者对含L-脯氨酸残基的肽段进行了胺化修饰（图4）。反应兼容多种天然或非天然氨基酸残基和脯氨酸残基组成的二肽、三肽和四肽，且都有很好的非对映选择性。反应还能精确地修饰生物活性肽（卡托普利、noopept、trofinetide）。

图4：肽的底物适用范围考察（来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者进一步扩大了该胺化试剂的底物适用范围，将光敏剂（PC-1）替换成硫杂蒽酮（PC-2）后，可以实现对烷烃和醚类惰性C(sp³)−H胺化，虽然碳氢底物过量，但仍然能以中等偏好的收率得到胺化产物（图5）。对醚类的氧α-C(sp³)−H具有很好的区域选择性。将胺化试剂亚胺片段中的氰基替换成其他缺电子的芳烃都能得到相应的亚胺中间体，为了避免异构和拿到稳定的产物，作者用氰基硼氰化钠将亚胺还原得到了相应的胺化产物。

图5：烷烃和醚类底物适用范围考察（来源：J. Am. Chem. Soc.）

该体系可以克级制备N-Boc 哌啶和环辛烷的胺化产物（图6A）。为了证明该方法可以运用于合成，作者进行了氰基亚胺官能团的转化应用研究（图6B）。环辛烷胺化产物4a在氯化氢水溶液或1,4-二氧六环溶液中可以分别转化为铵盐（5a）和酰胺（5b）；亚胺部分的氰基可以在碱性条件下被盐酸羟胺取代得到化合物5c；醋酸作溶剂，氰基硼氰化钠可以将氰基亚胺还原成苄胺（5d）。N-Boc 哌啶的胺化产物（3a）可以在氢气钯/碳的条件下被还原成5e；该氰基也可以被盐酸羟胺取代得到化合物5f。4-氧代-N-Boc哌啶的胺化产物3au在用硅胶柱色谱分离提纯时自发转化成了一种新型的并环化合物5g。作者进一步发现环状脂肪胺的α胺化产物（3i）的氰基亚胺片段在TsOH存在的酸性条件下可以转化为游离的胺基（5h），进而发生酰化反应得到化合物5i和5j。

图6：克级制备和转化应用（来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，作者进行了一系列的机理实验。通过自由基捕获实验证明了烷氧羰基氧自由基和亚胺自由基的产生（图7A）；通过自由基钟实验证明了N-α位碳中心自由基的产生（图7B）；通过Stern-Volmer荧光淬灭实验证明了光催化剂和胺化试剂之间存在相互作用（图7C）；开/关灯实验证明了持续光照是反应必须的，但光量子产率测量实验（φ=2.1）说明有自由基链的存在；三线态淬灭剂（氧气或2,5-二甲基-2,4-己二烯）存在下产率大幅度降低，说明光敏剂介导的三线态能量转移是必须的；循环伏安法排除了单电子转移的可能。

图7：机理验证实验（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最终作者结合计算提出了如下机理（图8）：胺化试剂2a（E_T = 54.3 kal/mol） 通过直接光激发或与PC-1（E_T = 69.9 kcal/mol）发生光诱导三线态能量转移，克服8.9 kcal/mol的能垒（TS1）N−O键均裂产生亚胺自由基I和乙氧羰基氧自由基II。接下来，乙氧羰基氧自由基II克服12.5 kcal/mol的能垒（TS2）与α-C(sp³)−H发生HAT反应得到N-α位碳中心自由基III。亚胺自由基I和碳自由基III发生自由基交叉偶联反应得到目标产物3a（路径A）；同时也可以通过另一条自由基加成-消除的链式路径（路径B），该路径需要克服16.1 kcal/mol的能垒（TS3）得到目标产物3a。

图8：通过计算得到可能的机理（来源：J. Am. Chem. Soc.）

综上，作者及其团队利用烷氧羰基氧自由基的HAT反应活性，开发了一种带氰基的新型羟肟碳酸脂作为双功能胺化试剂。该试剂能高效地、区域选择性地将作为限制性底物的脂肪胺进行α-C(sp³)–H 胺化，不仅能够耐受多种官能团，还为含脯氨酸残基的肽的非对映选择性修饰提供了一条可靠的途径。此外，利用这种试剂可以实现一般的脂肪族 C–H 胺化。值得注意的是，氰基亚胺基团可以容易地转移到诸如酰胺、苄胺、游离胺等官能团。总的来说，烷氧羰基氧自由基在光催化下的独特HAT反应活性和选择性是一个无需单电子转移的平台，这将为生物相关复杂分子的后期胺化提供途径，并值得深入研究。

该成果以“Photo-Induced Aliphatic C–H Amination Mediated by Hydrogen Atom Transfer of Alkoxycarbonyloxyl Radical and Its Utilization for Diastereoselective Modification of Proline Residues in Peptide”为题，发表于Journal of the American Chemical Society，南京中医药大学颜建明教授、胡立宏教授为本文共同通讯作者，南京中医药大学博士研究生沈扬鹏为第一作者。该研究由江苏省自然科学基金、江苏省“特聘教授”计划和南京中医药大学的经费支持。