生命中的有机分子——第54届国际化学奥林匹克试题第7题解析

何刚

南开大学化学学院，天津 300071

蛋白质是生命体内结构复杂多样的一类生物大分子，在生命体的结构和功能执行方面有着至关重要的作用。氨基酸是构成蛋白质的基本结构单元：氨基酸之间通过酰胺键连接生成多肽，一条或者多条多肽链以特定方式组合则成为蛋白质。对蛋白质的合成、修饰和结构功能研究涉及合成化学和化学生物学，是探索生命奥秘的重要研究方向。

1 出题依据

发展蛋白的合成与修饰方法是研究蛋白结构和功能的基础，是合成化学的重要分支。我国化学家在相关领域做出了许多杰出的贡献，包括发展了多种高效的酰胺缩合剂、完成了结晶牛胰岛素的首次化学合成等。第54届国际化学奥林匹克试题中第7题以蛋白质的合成与修饰为主要内容，考查了酰胺键的构建方法、多肽链的连接策略和蛋白质的修饰手段。

2 题目及解析

2.1 题目[1]

复杂多肽和蛋白质的合成是极具挑战性的研究工作。1965年9月17日，中国科学家首次完成了结晶牛胰岛素的化学合成，迈出了探究生命奥秘旅程中关键的一步，开启了蛋白质合成的新时代[2]。

2015年发行的纪念“人工全合成结晶牛胰岛素五十周年(1965-2015)”的邮票

将羧基与氨基偶联形成酰胺键是合成多肽和蛋白质最基本的反应。文献中报道了联烯酮2可以在温和条件下活化羧酸1生成中间体3。然后中间体3与一分子胺4反应以高收率生成酰胺化合物5和次要产物6[3]。

N-甲基-N-乙炔基-对甲苯磺酰胺(MYTsA)可以以它最主要的共振结构7 (不考虑Ts基团参与的共振)经由相似的方式活化羧酸[4]。

7-1 (12分) 请画出化合物7、中间体9和产物12的结构式(须画出这些结构中手性中心的立体化学)。

随着肽链的增长，酰胺键的构建变得越来越困难，因此常规的缩合方法难以应用于蛋白质的合成。在首次人工合成结晶牛胰岛素的工作中，中国科学家发展了一种基于酰肼13的偶联方法，实现了两条肽链之间的酰胺键连接[5]。如下所示，在三乙胺存在下，化合物15与16可顺利反应生成酰胺17。

7-2 (8分) 画出化合物15和16的结构式。

除了从头合成以外，科学家们还可以对已知蛋白质进行后期修饰。尽管在蛋白质表面存在诸多反应位点，如氨基、巯基和羧基等，亲核性最强的巯基是最容易与亲电试剂反应的位点。例如，当用N-苯基马来酰胺18与蛋白质反应时，可发生硫杂麦克尔加成反应。

在弱碱性条件下(pH = 7.5)，试剂19可与蛋白20表面的巯基反应生成中性中间体21[6]。该中间体可接受氢氧根负离子进攻生成化合物22。在反应条件下，环状化合物22与其开环形式23之间存在化学平衡。随后，化合物23可进一步与另一分子的蛋白20反应，生成的开环结构24和环状结构25之间也存在着与化合物22和23之间一样的环化/开环平衡。

7-3 (12分) 画出中间体21和化合物24，25的结构式(不要求画出立体化学)。

2.2 答案与解析

题目7-1主要涉及基本的酰胺缩合反应，其核心是发展高效的新型缩合剂。N-甲基-N-乙炔基-对甲苯磺酰胺是近期报道的新型缩合剂，具有较小的分子量，缩合反应的整体原子经济性较高。当不考虑Ts基团参与的共振时，N-甲基-N-乙炔基-对甲苯磺酰胺的主要共振主要发生在氮原子孤对电子与碳碳三键的π体系之间：

共振式7的末端碳原子具有一定的亲核性和碱性，可攫取羧基的质子，而中间碳原子具有较强的亲电性，因此共振式7可与羧酸发生1,2加成同样生成一个烯醇酯活性中间体9。

中间体9与一分子的胺反应生成二肽产物11的同时会伴随着次要产物12的生成。简单来看，从中间体9断裂应当生成烯醇产物，但该烯醇会快速异构化为羰基结构，因此分离得到次要产物12的结构应当是N-甲基-N-乙酰基-对甲苯磺酰胺。

题目7-2涉及了首次结晶牛胰岛素合成时采用的酰肼法肽链连接策略。在预备题17题中，涉及到胺类化合物在酸性条件下与亚硝酸钠反应生成重氮化合物的反应。类似地，酰肼13的亚硝化反应则会生成酰基叠氮化合物15。酸性条件下脱除Cbz保护基也是该保护基的基本脱除策略。因此化合物15和16的结构为：

题目7-3涉及了蛋白的修饰策略。在预备题第18题也给出的相关内容，巯基是蛋白表面最易与亲电试剂反应的基团。试剂19是N-苯基马来酰胺18的类似物，其与蛋白表面巯基发生加成时可能存在1,4加成和1,6加成两种途径。从化合物22和23的结构可反推出蛋白20与19反应时发生了1,6加成，之后中间体21与氢氧根负离子发生SN2’反应得到化合物22。

化合物22核心结构为环状α,β不饱和酰胺，该类结构不易发生1,4加成反应。而当化合物22异构为开环形式23以后则具有一个更活泼的α,β不饱和酮片段，该片段可与另一分子的蛋白20发生1,4加成反应得到化合物24，即巯基加在酮羰基的β位。化合物24可经历23到22的环化得到化合物25。因此化合物24，25的结构式为：

3 结语

本题从酰胺键的构建、多肽链的连接和蛋白质的修饰多个尺度考查了蛋白合成与修饰中常见的有机合成反应。主要涉及的知识点包括1,2加成、1,4加成反应、1,6加成反应，以及氨基亚硝化和烯醇异构化等。该题所涉及到的大部分反应都是有机合成领域常见的化学转化，在预备题部分也都有涉及，主要考查考生的学习理解和灵活运用能力。