Synthèse de peptides sans additifs utilisant des esters de pentafluorophényle comme séquence ; synthèse d'oligopeptides par réaction en flux continu
Aujourd'hui, nous partageons un article de recherche important, publié dans Organic Process Research & Development, par l'équipe de Tomohiro Hattori et Hisashi Yamamoto du Centre de sciences peptidiques de l'Université de Chubu, au Japon. S'attaquant aux défis persistants de la synthèse peptidique traditionnelle, tels que l'utilisation excessive d'additifs, la génération de sous-produits et la complexité du procédé, cette étude a développé une nouvelle stratégie de synthèse en flux continu basée sur les esters de pentafluorophényle (Pfp). Le principe de cette méthode repose sur l'exploitation de la réactivité et de la stabilité élevées des esters de Pfp pour obtenir une condensation efficace et rapide avec des esters d'acides aminés stœchiométriques – y compris les esters d'acides aminés N-méthylés, particulièrement difficiles à synthétiser – sans aucun additif. Les travaux ont également permis de mettre au point un système à flux continu intégré à un polymère DBU pour la déprotection en ligne, réalisant avec succès l'assemblage séquentiel de dipeptides en pentapeptides (incluant des séquences bioactives comme la leu-enképhaline et la thymopentine). Les produits obtenus sont d'une grande pureté et le système permet une synthèse automatisée et de longue durée à l'échelle du gramme. Ce travail propose une solution inédite pour développer des procédés de fabrication écologiques, efficaces et évolutifs pour les produits pharmaceutiques peptidiques.
01 Contexte de la recherche
La chimie de la synthèse peptidique a évolué pendant plus d'un siècle, mais sa production industrielle reste confrontée à de nombreux défis : les méthodes traditionnelles (notamment la synthèse peptidique en phase solide, SPPS, et la synthèse peptidique en phase liquide, LPPS) nécessitent généralement un excès de réactifs de couplage et d'activateurs, ce qui alourdit les étapes de purification et génère des sous-produits (par exemple, des séquences de délétion). De plus, les étapes de déprotection en milieu acide/base fort sont souvent peu compatibles avec les réactions de condensation suivantes, ce qui rend difficile une synthèse continue monotope efficace. La technologie de la chimie en flux continu, reconnue pour son rendement élevé et ses procédés sûrs et contrôlables, présente un fort potentiel en synthèse peptidique. Cependant, les procédés en flux continu existants nécessitent encore l'utilisation d'additifs et la purification des intermédiaires. Les esters de pentafluorophényle (Pfp), une classe d'esters d'acides aminés activés très réactifs, sont utilisés en chimie peptidique depuis un certain temps, mais leurs caractéristiques de réaction précises en l'absence d'additifs et leur potentiel en assemblage en flux continu restent à explorer. Cette étude vise à évaluer systématiquement les avantages uniques des esters Pfp dans les réactions stœchiométriques et à concevoir un système à flux continu intégré à une fonctionnalité de déprotection en ligne pour parvenir à une synthèse d'oligopeptides véritablement sans additifs et continue.
02 Points forts innovants
Innovation chimique : révéler la réactivité élevée et la large applicabilité des esters Pfp dans des conditions sans additifs
L'étude a révélé que, comparativement à d'autres esters aryliques (par exemple, les esters de nitrophényle), les esters Fmoc-aminoacide-Pfp permettent de former quantitativement des dipeptides en seulement 5 minutes, en utilisant seulement 1,1 équivalent d'esters d'aminoacides nucléophiles en solution dans le THF et sans catalyseur. De manière cruciale, cette stratégie s'avère également efficace pour les esters d'aminoacides N-méthylés, stériquement encombrés et peu réactifs, résolvant ainsi le problème d'inefficacité persistant de la synthèse des N-méthylpeptides.
Innovation de procédé : Mise au point d'un cycle continu de déprotection-condensation en ligne basé sur le polymère DBU
L'équipe de recherche a conçu un réacteur à colonne garni de polymère DBU pour l'élimination efficace en ligne du groupe protecteur Fmoc. Cette conception a permis une intégration fluide de l'étape de déprotection avec les réactions de condensation suivantes au sein du système à flux continu, évitant ainsi toute interférence des additifs liquides sur les réactions en aval. Ce point était essentiel au bon fonctionnement de l'ensemble du procédé continu.
Innovation système : Construction d'une plateforme d'assemblage de flux multi-étapes flexible et évolutive
La conception d'un système à flux continu avec alimentation multicanaux et volumes de lignes de réaction adaptés a permis la synthèse continue et séquentielle réussie de di-, tétra- et pentapeptides. Le système garantit une réaction complète à chaque étape grâce à l'ajustement des longueurs de lignes et des combinaisons de réacteurs (par exemple, le raccordement en série de deux colonnes de polymère DBU pour la synthèse de tétrapeptides), permettant ainsi d'obtenir les oligopeptides cibles avec des rendements élevés (généralement > 80 %) et une diastéréosélectivité élevée (dr > 20:1).
Innovation applicative : démonstration de la faisabilité d'une exploitation à long terme à l'échelle du gramme
Prenant pour exemple la synthèse du tripeptide Fmoc-L-Ala-L-Ala-L-Ala-Ot-Bu, le système a pu fonctionner de manière stable et continue pendant 150 heures. De plus, la synthèse de la thymopentine a permis d'atteindre un rendement de 159 grammes en 72 heures, démontrant ainsi le potentiel important de ce procédé en flux continu pour un passage de l'échelle du laboratoire à la production industrielle.
03 Résultats et discussion
3.1 Évaluation systématique et optimisation de la réactivité de l'ester Pfp
L'équipe a d'abord comparé l'activité de différents esters d'aryle (ester de phényle, ester de p-nitrophényle, ester de pentafluorophényle, etc.) dans une réaction modèle avec l'alanine. Les résultats ont montré que le Fmoc-L-Ala-OPfp était nettement plus performant que les autres esters, la réaction étant quasi quantitative en seulement 5 minutes et sans additif. Cette supériorité s'explique par le fort effet électro-attracteur du groupe Pfp, qui augmente significativement l'électrophilie du carbonyle et accélère ainsi l'attaque nucléophile par l'amine.
Tableau 1. Effets des esters aryliques d'acides sur la formation de liaisons peptidiques
3.2 Percée réussie dans la synthèse des peptides N-méthylés
Cette stratégie a été appliquée avec succès à la condensation de divers esters d'acides aminés N-méthylés. D'excellents rendements d'isolement et une stéréosélectivité élevée ont été obtenus pour les dipeptides N-méthylés correspondants, qu'ils contiennent de l'alanine et de la phénylalanine, acides aminés très réactifs, ou des acides aminés à chaînes latérales volumineuses comme la valine, la leucine et l'isoleucine. Ceci démontre la généralité de la stratégie des esters Pfp pour des substrats complexes, ouvrant une nouvelle voie de synthèse de peptides bioactifs N-méthylés complexes.
Schéma 1. Formation de liaisons peptidiques à l'aide d'esters Pfp d'acides aminés Fmoc et d'esters d'acides aminés N-méthylés
3.3 Construction du système à flux continu et synthèse des dipeptides
L'équipe a mis au point un système de synthèse en flux continu préliminaire. Deux flux de solutions de THF contenant respectivement l'ester Fmoc-acide aminé-Pfp (1) et l'ester tert-butylique d'acide aminé (2) ont été pompés par des pompes à seringue à un débit de 1,0 mL/min dans un mélangeur vide, puis à travers une colonne de polymère DBU chauffée à 50 °C pour la déprotection. L'ester dipeptidique N-déprotégé (4a-4g) a été obtenu directement à la sortie. L'ensemble du procédé n'a duré que quelques minutes, permettant ainsi une véritable synthèse en flux continu intégrée « réaction-déprotection ».
Schéma 2. Formation séquentielle de liaisons peptidiques et déprotection Fmoc par un procédé en flux continu
3.4 Assemblage en flux continu de tripeptides et de séquences plus longues et étude du champ d'application des substrats
En s'appuyant sur le protocole de synthèse des dipeptides (voie A), une troisième voie de synthèse d'acides aminés (voie B) a été introduite, permettant l'assemblage réussi de tripeptides. Ce système a démontré une très large gamme de substrats : les acides aminés à chaînes latérales soufrées (cystéine), éthers (sérine), esters (dérivés d'acide aspartique/glutamique), groupements amino (lysine) et chaînes latérales alkyles volumineuses (valine, leucine, isoleucine) ont tous réagi efficacement (6h-6y). Notamment, la phénylglycine, sujette à la racémisation, a également conservé une excellente intégrité stéréochimique dans ces conditions douces et rapides (6f, 6g). De plus, le tripeptide synthétisé à partir de N-méthylvaline (6z) a été obtenu avec un rendement de 79 %, confirmant l'intérêt de cette méthode pour la synthèse de séquences complexes.
Schéma 3. Étendue du substrat pour la synthèse de tripeptides
3.5 Synthèse de tétrapeptides, de pentapeptides et préparation de peptides bioactifs
Pour pallier le risque de déprotection incomplète dû à l'augmentation des débits lors de la synthèse de chaînes peptidiques plus longues, l'équipe a introduit un troisième flux de solution d'acides aminés (voie C) après les voies A et B et a connecté deux colonnes de polymère DBU en série, synthétisant ainsi avec succès divers tétrapeptides (8a-8g). Plus impressionnant encore, en utilisant des esters de dipeptides comme matières premières, des séquences pentapeptidiques ont été synthétisées avec succès, notamment des peptides bioactifs importants : la leu-enképhaline (H-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-OH) et la thymopentine (Arg-Lys-Asp-Val-Tyr) (8h, 8i). Ces peptides protégés ont pu être convertis quantitativement en produits cibles dans des conditions de déprotection finale simples (par exemple, traitement au TFA). De plus, la thymopentine a été préparée en continu à l'échelle de 159 grammes, démontrant ainsi pleinement le vaste potentiel d'application de ce système à flux continu pour la préparation de médicaments peptidiques.
Schéma 4. Étendue du substrat de la synthèse des tétrapeptides
04 Conclusion et perspectives d'avenir
Cette étude a permis de développer avec succès une nouvelle stratégie de synthèse peptidique sans additifs, basée sur les esters de Pfp, et de construire une plateforme de synthèse en flux continu efficace et adaptable à grande échelle. L'intérêt principal de ce travail réside dans : ① Sur le plan chimique, l'exploration et la validation complètes de la réactivité unique et de la tolérance aux groupes fonctionnels des esters de Pfp dans des conditions de réaction stœchiométriques et sans additifs, résolvant notamment le défi de la synthèse des N-méthylpeptides ; ② Sur le plan du procédé, l'intégration en ligne des étapes de déprotection et de condensation grâce à une conception ingénieuse du réacteur (colonne polymère DBU), évitant la purification des intermédiaires et les interférences des additifs ; ③ Sur le plan pratique, la réalisation réussie d'un assemblage en flux continu de di- à pentapeptides et un fonctionnement à long terme à l'échelle du gramme, offrant une voie technologique pratique et réalisable pour la production écologique, économique et à grande échelle de médicaments peptidiques. À l'avenir, cette plateforme pourrait être intégrée à des systèmes de contrôle automatisés pour permettre la construction rapide et entièrement automatisée de séquences d'oligopeptides. Parallèlement, l'étude de l'application de cette stratégie à la synthèse de peptides modifiés plus complexes (par exemple, des peptides cycliques, des glycopeptides) élargirait considérablement son champ d'application. En résumé, cette recherche constitue non seulement une avancée majeure pour la chimie en flux continu dans la synthèse peptidique, mais offre également un exemple inspirant pour résoudre des problèmes de longue date en synthèse organique, tels que la génération de sous-produits et les opérations multi-étapes.
Article original :
Hattori T, Matsunaga Y, Yamamoto H. Synthèse de peptides sans additifs utilisant des esters de pentafluorophényle comme séquence Synthèse d'oligopeptides via une réaction en flux continu[J]. Organic Process Research & Development, 2025, 29(11): 2815-2822.