Literaturaustausch: Schneller Aufbau einer Tyr C6–Trp C′-Verknüpfung: Anwendung in der Totalsynthese von Micitid 982, einem nichtkanonischen cyclischen Peptid

Heute stellen wir einen Forschungsartikel von Professor Hugh Nakamura von der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) vor, der in der Angewandten Chemie International Edition erschienen ist. In dieser Studie wurde eine effiziente Synthesestrategie entwickelt, die elektrochemisch unterstützte, nickelkatalysierte Kreuzkupplung von Elektrophilen mit regioselektiver Larock-Makrocyclisierung kombiniert. Dadurch konnte die hochgespannte Tyrosin-C6-Tryptophan-C5′-Biarylbindung (Tyr C6–Trp C5′) erfolgreich aufgebaut und die Totalsynthese von Micitid 982, einem ribosomal synthetisierten und posttranslational modifizierten Peptid (RiPP), realisiert werden. Diese Arbeit bietet einen modularen und generalisierbaren Ansatz zur Synthese analoger komplexer cyclischer Peptide.

01 Forschungshintergrund

Ribosomal synthetisierte und posttranslational modifizierte Peptide (RiPPs) haben aufgrund ihrer strukturellen Vielfalt und bemerkenswerten biologischen Aktivitäten großes Interesse in der Naturstoffforschung geweckt. Viele RiPPs enthalten nichtkanonische Biaryl-Verknüpfungen, die häufig Atropisomerie aufweisen und erhebliche synthetische Herausforderungen darstellen. Micitid 982, ein 2023 entdecktes RiPP, besitzt eine Kernstruktur aus einem hochgespannten 13-gliedrigen Ring, der aus drei Aminosäuren (L-Tyrosin, L-Prolin und L-Tryptophan) besteht und über eine seltene Tyr-C6–Trp-C5′-Biaryl-Bindung vernetzt ist (Abbildung 1a). Aufgrund seiner extremen Seltenheit (nur 5 mg wurden aus 10 l Fermentationsbrühe isoliert) und der unbekannten Bioaktivität war die chemische Synthese für die Funktionsforschung unerlässlich. Konventionelle Makrozyklisierungsstrategien über Amidbindungsknüpfung erwiesen sich jedoch als ineffektiv – die Ausbeuten lagen unter 5 % –, da die Rigidität und Linearität der Biaryl-Brücke zu einer übermäßigen Ringspannung führten. Daher war dringend eine neue Synthesestrategie erforderlich.

02 Innovative Highlights

• Entwicklung einer Tandem-Elektrochemie-Kupplungs-Makrozyklisierungsstrategie: Diese Arbeit überwindet die Einschränkungen der traditionellen amidbasierten Makrozyklisierung für hochgespannte Peptide und leistet Pionierarbeit bei der Integration der Ni-elektrokatalytischen Kreuzkupplung und der Pd-katalysierten Larock-Indol-Annulierung, wodurch ein effizienter und schonender Einbau von Biarylmotiven in komplexe Peptidgerüste ermöglicht wird.
• Erstmals gelang die Totalsynthese von Micitid 982: Mit dieser Strategie konnte die Herausforderung der Konstruktion der eingeschränkten Tyr C6–Trp C5′-Bindung erfolgreich bewältigt und die vorgeschlagene Struktur des Naturstoffs bestätigt werden.
• Demonstration der hohen Modularität und breiten Anwendbarkeit: Die Verwendung eines Peptidvorläufers mit terminalen Halogen- und Alkingruppen ermöglicht die modulare Einbindung verschiedener Biaryleinheiten im späten Stadium und erleichtert so den Aufbau von Strukturanaloga erheblich (Abbildung 1d, Abbildung 3).

Abbildung 1. a) Repräsentative nichtkanonische cyclische Peptide. b) Vorgeschlagener Biosyntheseweg. c) Biosynthese. d) Diese Arbeit.

03 Ergebnisse und Diskussion

• Scheitern der konventionellen Makrozyklisierung und strategische Einsicht

Die Autoren versuchten zunächst, klassische Amidbindungs-Makrocyclisierungswege zu finden. Die Vorstufen 2 und 3 wurden synthetisiert und verschiedenen Kupplungsreagenzien (EDCI, DCC, HATU usw.) unterzogen, jedoch schlugen alle Versuche fehl und lieferten das gewünschte cyclische Produkt 4 in einer Ausbeute von unter 5 % (Abbildung 2a). Diese Ergebnisse unterstreichen die Unvereinbarkeit traditioneller Methoden mit der hohen Ringspannung, die durch die starre Biaryleinheit hervorgerufen wird, und verdeutlichen die Notwendigkeit einer alternativen Cyclisierungslogik.

• Entwurf einer neuen konvergenten Strategie und Retrosynthese

Es wurde ein neuer konvergenter Syntheseweg entwickelt (Abbildung 2b). Der entscheidende Ansatz bestand darin, zunächst das Biarylmotiv mittels Ni-katalysierter Kreuzkupplung an einen Tripeptid-Linker mit Bromid- und Alkin-Endgruppen zu binden. Anschließend erfolgte eine Larock-Cyclisierung, um gleichzeitig die Biarylbindung und den Makrocyclus zu bilden. Retrosynthetisch wurde das Zielmolekül in Biaryliodid 22 und den Peptid-Linker 19 zerlegt, die in zwei Schritten gekoppelt werden sollten.

Abbildung 2. a) Kurzzusammenfassung der dokumentierten Fehlschläge. b) Ein synthetischer Ansatz für Micitid 982 (1).

• Entscheidende Optimierung der elektrochemischen Ni-katalysierten Kupplung

Die Verknüpfung des Peptidlinkers 19 mit der Biaryleinheit 22 war ein entscheidender erster Schritt. Anfängliche Versuche mit stöchiometrischen Mengen Zn/Mn als Reduktionsmittel in Ni-katalysierten Systemen verliefen unbefriedigend (ca. 11 % Ausbeute). Das Team führte daher die elektrochemische Synthese ein, bei der elektrischer Strom anstelle von Metallreduktionsmitteln verwendet wird. Unter Bedingungen mit NiBr₂/dtbbpy (L12) als Katalysatorsystem und einem konstanten Strom von 4 mA bei Raumtemperatur wurde schließlich das gewünschte Verknüpfungsprodukt 23 in 47 % Ausbeute erhalten (Schema 1). Dieser Schritt verlief unter milden Bedingungen und demonstrierte somit eine ausgezeichnete Kompatibilität mit dem komplexen Peptidsubstrat.

• Die Larock-Makrozyklisierung bildet das Kerngerüst

Ausgehend vom linearen Vorläufer 23 wurde mittels intramolekularer Larock-Reaktion, katalysiert durch Pd(OAc)₂/tBu₃P, erfolgreich der hochgespannte 13-gliedrige Ring über eine Tyr-C6–Trp-C5′-Bindungsbildung synthetisiert, wodurch das cyclische Kernpeptid 24 in 45% Ausbeute erhalten wurde (Schema 1). NMR-Spektroskopie bestätigte die Übereinstimmung der Struktur mit der des Naturstoffs.

Schema 1. Kurze Konstruktion der Tyr C6-zu-Trp C5-Verknüpfung und die Totalsynthese von Micitid 982

• Theoretische Studie zur Konformationsstabilität

Warum war die Larock-Cyclisierung erfolgreich, wo die Amid-Cyclisierung scheiterte? DFT-Berechnungen zeigten, dass das cyclisierte Produkt als zwei Atropisomere, 26 und 27, vorliegt. Die Rotationsenergiebarriere zwischen ihnen war hoch (32,6 kJ/mol), und Isomer 26 war thermodynamisch um 11,4 kJ/mol stabiler. Es existierte als einziges, isolierbares Konformer in einem Verhältnis von >99:1 bei Raumtemperatur (Schema 2). Berechnungen ergaben zudem, dass die Cyclisierung über einen stabileren Übergangszustand zu 26 verläuft, was dieses als kinetisch bevorzugtes Produkt bestätigt.

 Schema 2. Thermodynamische Stabilität der Konformere 26 und 27.

• Demonstration der modularen Anwendbarkeit

Um die allgemeine Anwendbarkeit dieser Plattform zu demonstrieren, wurden vier verschiedene Biaryl-Bausteine ​​(28–31) synthetisiert. Alle wurden erfolgreich über die zweistufige Sequenz „elektrochemische Kupplung – Larock-Cyclisierung“ in den Peptidlinker 19 eingebaut, wodurch strukturell diverse cyclische Peptidanaloga 32–35 in guten Gesamtausbeuten erhalten wurden (Abbildung 3). Dies beweist eindrucksvoll das Potenzial der Strategie für den Aufbau von Bibliotheken biarylverknüpfter cyclischer Peptide.

Abbildung 3. Substratspektrum für die modulare Biarylierung

04 Schlussfolgerung

Diese Studie entwickelte eine konvergente Synthesestrategie, die die Ni-elektrokatalytische Kreuzkupplung von Elektrophilen mit der Pd-katalysierten Larock-Makrozyklisierung kombiniert. Dadurch wurde die Herausforderung der Konstruktion der hochgespannten Tyr-C6–Trp-C5′-Biarylbindung gemeistert und die erste Totalsynthese von Micitid 982 im Grammmaßstab erreicht. Der entscheidende Vorteil dieses Ansatzes liegt in seiner hohen Modularität und Konvergenz: Durch die Entwicklung eines universellen Peptidvorläufers mit Halogen- und Alkin-Endgruppen lassen sich diverse Biaryl-Einheiten flexibel in einem späten Stadium einführen. Wie gezeigt wurde, ist diese Methode nicht nur für die Synthese komplexer Naturstoffe anwendbar, sondern ermöglicht auch den schnellen Aufbau von Analoga-Bibliotheken und stellt somit ein leistungsstarkes Werkzeug für die Wirkstoffforschung auf Basis cyclischer Peptide dar. Diese Arbeit überwindet die Grenzen traditioneller enzymatischer Ansätze, demonstriert das Potenzial der synthetischen Chemie zur Erzeugung komplexer Biomoleküle und eröffnet neue Wege für die Synthese und Untersuchung von RiPPs und anderen bioaktiven Molekülen auf Biarylbasis.

Originalartikel:

Ogawa H, Nagata Y, Chan TK, et al. Schneller Aufbau einer Tyr C6–Trp C5′-Verknüpfung: Anwendung in der Totalsynthese von Micitid 982, einem nichtkanonischen cyclischen Peptid[J]. Angewandte Chemie, 2025: e202516053.

 https://doi.org/10.1002/anie.202516053