原文標題：《Rethinking amide bondsynthesis》
原文出處：：Nature 480 (2011) 22–29
涉及醯胺鍵合成
有機化學中最重要的反應之一 -醯胺鍵形成-由於現代藥物和生物活性化合物中醯胺的廣泛存在而經常被忽視作為當代挑戰。但現有方法正在達到其固有的限制，對其浪費和費用的擔憂變得更加尖銳。因此正在開發新的醯胺形成的化學方法。在這裡，我們回顧和總結可能有助於解決這些問題的新一代醯胺形成反應。我們還考慮它們在當前合成挑戰中的潛在應用，包括催化醯胺形成的發展，治療肽的合成以及修飾的肽和蛋白質的製備。
醯胺鍵不僅是蛋白質的關鍵化學連接，而且它們也是一些最通用和廣泛使用的合成聚合物的基礎。它們形成的化學反應是有機化學中執行最多的轉化（圖1）。醯胺官能團的普遍存在，特別是在肽和蛋白質中，有時會給出錯誤的印象，即沒有剩餘的合成挑戰。這是令人驚訝的，因為通常情況是即使是簡單的醯胺也會抵抗形成，迫使從業者採用更奇特和昂貴的試劑進行合成。此外，醯胺的有利性質，如高極性，穩定性和構象多樣性，使其成為有機化學所有分支中最受歡迎和最可靠的官能團之一。用於合成醯胺官能團的改進方法，無論是催化的還是無廢物的或化學選擇性的並且適合於片段偶聯，都是非常需要的。
圖一.醯胺的化學結構和醯胺鍵合成的常規化學方法。a，醯胺基團的共振結構。 b，形成醯胺鍵的常規方法。 它涉及通過活化基團（A *）活化羧酸，然後通過游離胺親核置換以在偶聯劑，鹼和溶劑存在下產生新的醯胺鍵。 R1和R2，小分子，肽或蛋白質。
在生命系統中，大多數醯胺鍵由核糖體的複雜工廠形成。長而複雜的蛋白質通過胺基酸組裝胺基酸，使用胺的模板化醯胺化和胺基酸單體和RNA的活性酯（圖2a）。 相比之下，合成化學家不具備在這種單分子規模上工作的奢侈，而是處理數萬億分子，這些分子必須被哄騙到精確的反應軌跡中。該策略需要幾乎每個官能團都被龐大的疏水附屬物保護，導致可靠但相當浪費的肽合成方法，其中犧牲數十個分子以形成僅一個醯胺鍵。
目前用於醯胺形成的方法非常普遍，但同時被廣泛認為是昂貴且粗糙的。毫不奇怪，在2007年，美國化學學會綠色化學研究所（包括來自全球主要製藥行業的成員）投票選擇「避免使用不良原子經濟試劑的醯胺形成」作為有機化學的最大挑戰。此外，即使最好的化學計量試劑通常也不能合成空間位阻醯胺。當應用於肽合成時，與醯胺形成相關的浪費和費用問題複雜化，並且導致商業治療肽的巨大成本。蛋白質的化學合成在很大程度上受到傳統醯胺形成固有的限制所禁止，儘管未受保護的肽片段的化學選擇性連接方面的進展證明了醯胺形成方法的進步如何對科學學科產生深遠的影響。
圖二.通過生化和化學方法表示蛋白質和肽的合成。a，核糖體對蛋白質合成的簡化卡通描述。蛋白質通過模板醯胺化與未保護的胺基酸（藍色球體，AAx）組裝。 A位點（灰色，右側）用作氨醯基轉移RNA的入口點，並且通過形成新的醯胺鍵，沿P位點（灰色，左側）發生多肽的延伸。該方法高效且易於產生非常高分子量的蛋白質。 mRNA，信使RNA。 b，常規使用的固相肽合成的示意圖。將肽與固體支持物組裝在一起，所述活性酯由完全保護的胺基酸單體，偶聯試劑和鹼產生。通常用天然或非天然胺基酸產生30至50個殘基的肽。 c，描述化學選擇性醯胺形成連接的概念的方案，用於合成複合肽，蛋白質和糖肽。在未受保護的片段上的兩個獨特反應性官能團（由實心紅色圓圈和匹配的灰色形狀表示）在化學選擇性反應中容易產生多達200個胺基酸殘基的蛋白質，副產物和廢物較少。
醯胺鍵形成的現有技術
在考慮新的醯胺鍵構建方法之前，我們應該評估現有醯胺形成反應的成功。根據最近分析的藥物化學活動數據集，胺與活化羧酸的醯化是現代藥物合成中最常見的反應，佔所有反應的16％。在肽領域，固相肽合成的發展以及隨後在偶聯試劑，保護基團，樹脂和色譜方法方面的改進已經合成了少量（5-1,000mg）中等大小（30-50個殘基）的肽常規和普通（圖2b）。疏水性肽序列和非經典胺基酸的挑戰仍然產生問題，但是這種大小的肽很少由技術人員在實驗室規模上產生。對於蛋白質的合成或半合成，天然化學連接（NCL）已經徹底改變了該領域，並且一旦認為不可能就可以獲得材料（圖2c）。實例包括製備對映體蛋白質，例如雪蚤抗凍蛋白，菌絲黴素和203胺基酸HIV-1蛋白酶共價二聚體。合成醯胺化學中經常被忽視的成就是獲得高分子量醯胺基聚合物，包括尼龍和芳族聚醯胺，這些聚合物通過聚合技術的進步等而成為可能。
形成醯胺鍵的新興化學方法
傳統的醯胺形成反應和NCL的限制將繼續推進和測試，但下一個突破可能來自新的，意想不到的和選擇性的醯胺鍵形成方法。 雖然下面描述的許多新興方法仍處於起步階段，但它們反映了合成有機化學家在解決日益被認為是未滿足的合成需求的過程中日益增長的創造力和緊迫性。這種新一代的新醯胺形成可以為重要的催化方法或新的片段偶聯策略提供基礎。
形成醯胺的常規方法是通過活性酯使胺與羧酸縮合。醯胺形成的新方法分為由其反應夥伴分類的兩大類。 首先，胺作為反應配偶體之一，並通過催化或氧化方式醯化。 在第二種情況下，反應配偶體的新型組合通過機械上獨特的途徑產生醯胺產物
胺的新醯化反應
通過胺與羧酸的催化醯化進行醯胺化
傳統的醯胺合成依賴於偶聯劑將非反應性羧酸轉化為活化的羧酸鹽以與胺反應生成醯胺。在不存在偶聯劑的情況下，由於醯胺形成反應的不利熱力學，羧酸和胺簡單地形成羧酸鹽 - 銨鹽而不是醯胺產物。儘管如此，已經開始出現幾種在沒有偶聯劑的情況下由羧酸和胺直接合成醯胺的有希望的催化劑。 最突出的是硼酸催化劑，首先在參考文獻15中報導， 以及最近的改進（圖3a）。在所有這些情況下，硼酸起到偶聯劑的作用，產生適合於以無廢催化方式醯胺化的活性酯。
通過催化生成活化的羧酸鹽進行醯胺化
有機化學中越來越重要的概念是氧化還原經濟的概念，其中反應物內或反應物之間的相鄰官能團之間的氧化態內部交換提供了進入反應性中間體的途徑，而不需要化學計量試劑。在形成醯胺鍵的情況下，這通過從官能化醛催化生成活化羧酸鹽來實現，例如甲醯基環丙烷，α，β-不飽和醛和它們更方便地製備的α-羥基酮替代物，α-滷代醛和環氧醛。這些方法特別適用於N-雜環卡賓（NHC）催化劑和助催化劑以產生活化的羧酸鹽，然後將其轉化為具有各種胺的醯胺（圖3b）。這種反應使得僅使用催化量的試劑可以形成醯胺，並且為傳統的醯胺形成中公認的副產物生成問題提供了有希望的解決方案。這些催化反應的機械基礎需要比由羧酸產生的經典醯化劑更複雜的起始原料。當用於獲得不容易獲得經典單體的目標時，例如b-胺基酸，製備這些官能化單體的初始合成負擔是可接受的，特別是如果隨後的醯胺形成不需要化學計量的偶聯試劑。用於與官能化醛單體醯胺化的新NHC催化反應的對映選擇性變體是一個引起強烈關注的領域，表明這些反應可能有一天導致催化的，對映選擇性肽合成。
圖三.新興的有機催化和金屬催化的醯胺合成方法。a，在許多有希望的硼酸催化劑（底部）存在下，催化直接縮合（頂部）羧酸（紅色）和胺（藍色），用於合成脂族和芳族醯胺。 b，通過胺（藍色，中間）與醛，甲醯基環丙烷，α-羥基烯酮和α-滷代醛（紅色）反應形成化學選擇性醯胺的有機催化氧化還原和氧化醯胺化策略。 c，在釕催化劑（底部）存在下通過氫擠出將醇（紅色）與胺（藍色）直接偶聯（頂部）以獲得醯胺。氬，芳香; iPr，異丙基; 我，甲基; HFIP，六氟異丙醇; Mes，2,4,6-三甲基苯; HOAt，3H-1,2,3-三唑並[4,5-b]吡啶-3-醇; Ph，苯基。
胺的催化，氧化醯胺化
醯胺形成的另一種氧化還原方法是從醇或醛中醯胺化醯胺以及化學計量的氧化劑。 NHC催化劑已用於由簡單的醛，化學計量的氧化劑和合適的助催化劑形成醯胺（圖3b）22。已經鑑定了幾種金屬催化劑和氧化劑23,24用於該方法，最有希望的是鈀25和銅/銀26（圖4a）。
從醇氧化態氧化醯胺化的一個有趣例子是催化釕促進胺和醇的偶聯27。通常，該反應以清潔的原子經濟方式進行，沒有任何酸，鹼或添加劑，並產生分子氫作為唯一的副產物（圖3c）。因此，儘管它是形式上的氧化醯胺化，但不需要化學計量的氧化劑。機械地，釕鉗型催化劑促進醇脫氫成醛，然後醛與催化劑引導的胺一起參與醯胺化。已經確定了幾種替代的釕催化劑用於該轉化，與原始的釕鉗催化劑相比有限的改進。
除了羧酸，醛和醇之外，炔還用作與胺反應得到醯胺的醯基替代物。已顯示芳族和脂族炔烴在錳 - 卟啉催化劑的控制下在鹼性 - 氧化水性條件下反應，產生假定的乙烯酮中間體，其選擇性反應得到醯胺（圖4a）。在未保護的肽中，在側鏈胺，羥基和醯胺基團存在下，醯胺化僅在氨基（N） - 末端α-氨基上發生化學選擇性反應。
α-溴代硝基烷烴與胺的氧化偶聯
一種完全不同的醯胺形成方法是在2010年報導的N-碘代琥珀醯亞胺和碳酸鉀存在下α-溴代硝基烷烴與胺的氧化偶聯（圖4b）31。提出α-溴代硝基烷烴具有親核試劑的作用，並且N-碘代胺組分充當親電子試劑，基本上導致醯基供體和胺的傳統作用的逆轉。該方法對於製備含有芳基甘氨酸的肽特別有吸引力，其中難以獲得必需的胺基酸單體並且肽偶聯易於差向異構化。
圖四.用於醯胺合成的金屬催化和氧化方法.a，左：銅催化由胺（藍色）和醛（紅色）直接形成醯胺。 對，錳 - 卟啉催化的炔烴（紅色）和胺（藍色）之間的醯胺化反應，涉及化學計量的氧化劑.b，α-溴 - 硝基化合物（左上）與N-碘胺的氧化偶聯（中間體，未顯示）用於合成肽（右下）。 Boc，N-叔丁氧基羰基; Bn，苄基; T-HYDRO，叔丁基過氧化氫; TPP，內消旋 - 四苯基卟啉。
通過用胺替代物醯化來醯胺化
正如化學家已經開發出來自羧酸原料替代品的混合物，近年來已經加強了對傳統胺反應配偶體使用替代物的努力。為此，已顯示異腈與羧酸32反應生成甲醯亞胺酸羧酸鹽混合酸酐。該中間體在高溫微波條件下重排成N-甲醯基醯胺，然後通過用鹼除去N-甲醯基，將其轉化為伯醯胺。苛刻的反應條件和受限的官能團耐受性在一定程度上限制了該反應在敏感肽或生物分子中的應用。然而，最近，環孢菌素A（一種高度N-甲基化的環肽）通過異腈介導的與肽羧酸或硫代酸的偶聯以良好的產率合成（圖5a）33。通常，對於難以處理的N-甲基化肽的合成，基於鏻的偶聯劑和雙（三氯甲基）碳酸酯已經是選擇的方法，並且現在異腈化學提供了有趣的可能性34。
最近出現了幾種新的硫代醯胺醯胺化學選擇性方法（圖5b），基於開創性，但長期觀察化學35-38。這些包括硫代酸與疊氮化物39的偶合，得到醯胺而不使用活化劑或偶聯劑。機械地，認為硫代酸和疊氮化物之間的反應產生硫代三唑啉中間體，其分解成醯胺，釋放出氮和元素硫。與羧酸相反，已顯示硫代酸40,41在室溫下與異腈反應生成硫代甲醯亞胺酸鹽羧酸鹽混合酸酐中間體，然後可與肽胺反應得到醯胺42。在相關反應中，硫代酸已與電子缺乏的磺醯胺43,44，異氰酸酯和異硫氰酸酯反應生成醯胺鍵45。這些反應甚至可以在未保護的醇，部分保護的肽和高度受阻的胺基酸存在下進行，並且可以為糖肽合成的挑戰性領域帶來希望。
圖五.與羧酸，硫代酸和胺替代物形成化學選擇性醯胺鍵的新興反應。a，在微波條件下羧酸（紅色，中間）與異腈直接縮合，用於合成胺基酸，N-甲基化肽和糖肽。 b，硫代酸（紅色，中間）與各種胺替代物如疊氮化物，缺電子磺醯胺，異氰酸酯和異腈的反應，在許多情況下，得到含有胺基酸，肽，糖類的天然醯胺鍵，芳香和脂肪族化合物。 t-叔胺。
轉醯胺反應
在醯胺化學的背景下的一個有趣的反應是醯胺複合或轉醯胺化過程，其將交換兩種不同醯胺基團的成分。據報導，已為此目標作出努力46。儘管仲胺和叔醯胺在正常條件下極其惰性，但它們可在鋁，鋯或鉿 - 氨基催化劑存在下活化以進行轉醯胺化和醯胺複分解反應。這些反應可以使二級和三級醯胺用作動態共價化學和低聚醯胺合成中的底物。儘管所報導的條件還不適合於對蛋白質或未保護的肽的反應，但是可以想像諸如化學選擇性化學蛋白質剪接的應用從全長蛋白質中切除感興趣的蛋白質區段用於進一步的研究和操作。隨著更溫和的化學選擇性金屬催化或酶促轉醯胺反應變得可用，該方法可以成為蛋白質工程或生物材料製備中的有價值的工具。
化學選擇性連接的新方法
新型醯胺形成方法的最大需求之一是發現化學選擇性醯胺形成連接，理想情況是那些在未受保護的胺，羧酸和醇存在下可導致醯胺產物的連接。其中羧基（C）-末端肽或蛋白質硫酯與N-末端半胱氨酸肽或蛋白質反應產生醯胺鍵，代表幾乎理想的化學選擇性醯胺形成，因為它在溫和的水性條件下操作而沒有併發症來自未受保護的側鏈（圖6a）。其限制是需要N-末端半胱氨酸殘基並且偶爾難以製備C-末端硫酯，特別是通過Fmoc固相肽合成。為了避免這些問題，已經開發了具有半胱氨酸樣胺基酸殘基的NCL和用於接近C-末端硫酯的方法。 NCL的廣泛實用性和可靠性使其成為肽，蛋白質和糖肽合成的化學方法中的特權地位。受這些進步的啟發，化學家們一直致力於尋找新的醯胺結合策略，這些策略反映了NCL的官能團耐受性和快速反應速率。鑑於許多蛋白質中罕見的半胱氨酸，絲氨酸或蘇氨酸殘基的連接也引起了人們的關注。在最近的實施例中，發現C-末端O-水楊醛酯經歷連接，得到具有N-末端絲氨酸或蘇氨酸肽的醯胺，具有優異的反應速率和選擇性。
從識別新的化學選擇性連接的努力中產生的兩個最有希望的反應是Staudinger51連接（圖6b）和α-酮酸 - 羥胺脫羧連接（圖6c）52。在參考文獻53和54中首次報導的無痕Staudinger醯胺形成連接涉及肽基C-末端膦基硫代酯與N-末端肽疊氮化物的反應。這釋放出一個氮分子並導致亞氨基正膦中間體，其分解產生新的醯胺鍵。已經出現了該反應的幾種應用，包括與NCL一起合成RNase A55,56和肽大環化合物的化學選擇性形成57。施陶丁格連接的限制包括其有限的官能團耐受性，這需要部分或完全保護肽側鏈。
α-酮酸-羥胺連接利用C-末端肽酮酸和N-末端肽羥胺之間的選擇性反應58。認為這兩種獨特反應性官能團之間的初始反應產生亞穩的半縮醛胺中間體，其經歷隨後的反應以釋放二氧化碳和水中的每一種分子以產生新的醯胺鍵。在該連接方法的最近利用中，以完全未保護的肽側鏈以良好的產率和純度合成人胰高血糖素樣肽1（GLP1;也稱為GCG），一種30個胺基酸的治療肽。 α-酮酸 - 羥胺連接的高度化學選擇性表明了非常規的反應機制，當完全鑑定時，可以幫助微調反應性功能，以開發這種不尋常的結紮的新變體。α-酮酸 - 羥胺連接的有趣的脫落是α-酮膦酸和N-（苯甲醯氧基）胺之間的選擇性反應，以在沒有偶聯試劑的水性條件下產生醯胺基團。已經開始應用α-酮酸 - 羥胺連接及其變體用於合成α-肽，β-肽61和糖肽。
圖六.用於肽，蛋白質和糖肽的化學選擇性醯胺形成連接的方法。a，通過C-末端肽硫酯的天然化學連接（NCL）和N-末端半胱氨酸殘基合成人白細胞介素8，得到天然醯胺鍵。 b，無末端Staudinger連接C末端膦基硫代酯和疊氮化物，用於合成RNase A片段.c，C-末端肽α-酮酸與N-末端羥胺之間的脫羧醯胺連接形成天然醯胺鍵。在a-c中，括號中的數字代表N至C方向上的胺基酸殘基。 d，化學選擇性銀促進的'硫酯連接'部分保護的C-末端肽硫酯和N-末端胺，以獲得完全合成的23kDa MUC2重複糖蛋白。 PG，保護組; DMF，N，N-二甲基甲醯胺; Fmoc，9-芴基甲氧基羰基;囊，單糖; HOOBt，3,4-二氫-3-羥基-4-氧代-1,2,3-苯並三嗪; DIEA，N，N-二異丙基乙胺; DMSO，二甲基亞碸; MUC2，粘蛋白2蛋白。
部分保護的結紮策略
具有部分保護的片段的化學選擇性醯胺形成對於複雜的同質糖蛋白的組裝特別有用。通常，與相似長度的肽相比，通過常規固相化學難以製備具有高度糖基化側鏈的長糖肽的合成。為了避免這個問題，使用相對較小且易於獲得的糖肽片段的化學選擇性糖蛋白連接已成為優選策略。除了許多已建立和正在出現的方法63之外，銀離子介導的部分保護肽胺與肽硫代酸或硫酯的縮合，通常稱為「硫酯連接」，已被證明是最可靠的合成方法之一。非常大的糖蛋白。關於反應中硫代酸反應的初步報告。如圖35所示，顯示硫酯也可以在活化劑如3,4-二氫-3-羥基-4-氧代-1,2,3-苯並三嗪（HOOBt）存在下用於連接。在這些方法中，銀（I）與肽硫代酸或硫代酯的硫原子反應生成反應性中間體，然後被親核胺取代，形成新的醯胺鍵。作為硫酯結紮能力的證明，合成了含有141個胺基酸和42個N-乙醯半乳糖胺單元的23kDa基礎MUC2（粘蛋白2）串聯重複糖蛋白65。這代表通過化學合成獲得的最大糖蛋白之一（圖6d）。儘管對於獲得大的和複雜的糖蛋白是有效的，但硫酯結紮的缺點之一是需要部分或完全保護肽或糖肽中的反應性官能團。
基於醯胺的生物聚合物的新反應
基於醯胺的聚合物具有深遠的應用，不僅作為日常生活中遇到的材料，而且作為藥物輸送，傷口癒合，生物礦化和粘合劑的複雜工具。商業生產的聚醯胺通常缺乏無保護的功能或複雜的立體化學產生新興聚醯胺類的獨特和強大的性質。將這些元素結合起來，特別是以受控方式，仍然是一個相當大的綜合挑戰。迄今為止最令人印象深刻的進展可能是開發用於合成多肽的受控/活性聚合方法68。通常，可以從α-胺基酸-N-羧酸酐獲得簡單多肽，但是有時它們遭受複雜和不可控制的副反應，導致具有低分子量和高多分散指數的多肽。這些不良特性排除了生物分子中常見的高級組織，例如蛋白質的四級結構。一篇開創性的報告揭示了第一種高效的有機鎳引發劑，用於合成來自胺基酸衍生的α-胺基酸-N-羧酸酐的共多肽，其遞送低多分散性的高分子量聚合物（圖7a）。用於受控/活性聚合的幾種其他有機金屬引發劑正在出現，並且該策略已被證明對於高分子量多肽和聚糖肽70的合成非常可靠。最近，報導了從非胺基酸單體合成多肽的完全不同的方法71。在這種原子經濟的方法中，亞胺和一氧化碳在鈷催化劑存在下進行交替共聚反應，以容易地產生高分子量多肽（圖7b）。該方法的優點是原料的易得性和低成本，使其適用於大規模生產多肽。
圖七.已建立和新興的過渡金屬催化聚醯胺合成方法。a，α-胺基酸衍生的N-羧酸酐（NCA）與有機金屬引發劑的受控/活性聚合。 通過NCA單體（來自左側的第二結構）和有機金屬引發劑（最左側結構）之間的反應引發聚合，以產生經歷質子轉移和脫羧的中間體，導致鏈延長和有機金屬引發劑的再生.b ，使用簡單的鈷催化劑，由取代的亞胺和一氧化碳合成多肽。 亞胺和鈷 - 催化劑之間的反應產生醯胺中間體，其經歷羰基化，然後羰基插入以產生反應性末端用於隨後的聚合反應。 M，金屬; L，配體。
新醯胺形成反應的應用
這些新出現的醯胺形成方法會帶來什麼進展？鑑於醯胺在天然和非天然材料中無處不在，我們無法解決所有潛在的應用問題，而是關注當這些技術成熟時可能解決的當代挑戰或需求。
催化醯胺形成
也許醯胺形成反應中最大的需求之一是簡單的催化方法，其減少或消除對化學計量試劑的需要。除了向工藝中添加費用和化學廢物之外，與這些試劑相關的毒性和副產物增加了藥物和農用化學品合成中常用的常規轉化的複雜性。 硼酸和相關催化劑可能在特殊情況下使用，但高溫和不利的熱力學可能會限制它們的適用性。使用N-雜環卡賓或金屬催化劑的基於氧化還原的方法在較低溫度下進行，一些不需要任何添加的試劑。 這些方法中的一些可能適用於合成非肽的含醯胺化合物。
生產治療性肽
作為抗HIV藥物的恩夫韋肽（恩夫韋）的非凡故事，包含了現代多肽合成的成功和固有局限性72。羅氏化學家使用Fmoc固相肽合成進行的恩夫韋雄心勃勃的化學生產是合成化學領域的一項裡程碑式的成就。但恩夫韋是一個特殊情況，因為側鏈保護肽的兩個可能有問題的片段偶聯順利發生，並且在全局脫保護後最終肽的純化相對簡單。
在實踐中，大規模的肽製造提出了一些傳統的固相肽合成無法提供的挑戰73。首先也許最重要的是難以製備高純度的材料，其缺乏由傳統肽偶聯期間發生的添加，缺失或差向異構化引起的雜質。晚期片段偶聯需要使用側鏈保護的片段，這有時會導致產率低，並且仍然需要全局去保護步驟。由於這些原因，片段偶聯策略並不總是適用於治療性肽合成。第二個挑戰涉及迭代肽偶聯產生的費用和化學廢物，其通常需要大量過量的受保護的胺基酸單體，偶聯劑和添加劑。例如，1,000千克恩夫韋（含有36個胺基酸）的合成需要約45,000千克原料，不包括合成或純化中使用的溶劑74。
在這方面，用於化學選擇性氨基轉移的發展反應提供了以高純度和商業規模改進治療性肽的合成的巨大潛力。完全未保護的肽片段的連接提供了超過完全或部分保護的片段偶聯的顯著優勢，包括不需要偶聯後脫保護，在水性條件下工作的能力，以及從任何未反應的片段容易地純化連接產物。連接反應通常適用於接近等摩爾比的反應物的偶聯，而傳統的基於偶聯劑的方法通常需要過量的羧酸片段。 NCL最接近這些理想，但是對N-末端半胱氨酸或半胱氨酸替代物的需求引起了對該反應的新變體的鑑定以及上述新型連接化學的持續發展。
修飾肽的合成
一個重要且具有合成挑戰性的領域是鑑定和摻入基於α-肽的結構的修飾，其增加代謝穩定性，效力，生物利用度和滲透性。儘管大多數完全由天然胺基酸組成的小型或中型肽具有有限的穩定性，但相對適度的修飾（包括環化或骨架甲基的摻入）可以顯著改善其治療指數。例如，目前圍繞環肽的興奮很大，這些短肽是通過醯胺鍵從頭到尾環化並通過二硫化物進一步交聯的（圖8a）75,76。通過傳統方法合成這種結構和一般的環肽是非常具有挑戰性的，因為它通常涉及完全保護的肽。這可以防止其天然構象的形成，從而實現正確的頭尾環化或二硫化物形成.NCL的進展提供了合成多種環肽和環化酶的方法。相反，與NCL不同的新的化學選擇性連接方法可以提供不具有二硫化物或半胱氨酸的環狀肽和環核苷酸肽結構。
目前用作治療劑的最成熟的一類修飾肽是天然和非天然的N-甲基化肽，
例如，環孢菌素A.N-甲基化的單個或多個主鏈醯胺已經發展成為增強效力，穩定性和結構剛性的最喜歡的策略之一。綜合而言，N-烷基胺基酸的空間需求增加常常導致醯胺鍵形成的很大困難（圖8d）77。它們通常需要昂貴的偶聯劑和更長的反應時間，存在差向異構化以及通過二酮哌嗪形成肽從樹脂中過早裂解的風險。在這方面，提供N-甲基肽的新化學方法，例如硫代酸與異腈的反應隨後還原，有望改善合成獲得這類化合物的途徑。
通過對具有非常不尋常的修飾的更複雜的天然肽的分離和結構鑑定，增強了設計用於醯胺形成的新合成反應的緊迫性。儘管它們具有獨特的生物活性，令人印象深刻的化學和代謝穩定性以及複雜的結構，但目前這些結構中沒有一種可以化學合成，這限制了探索結構 - 活性關係或開發具有這些令人羨慕的特性的設計醯胺結構的機會。特別感興趣的是小菌素J25，其中部分肽穿過由側鏈和N末端之間的醯胺鍵形成的小大環（圖8b）78。這些形成緊湊的球狀結構，非常適合模仿蛋白質 - 蛋白質相互作用79,80。枯草蛋白A81和蘇雲金菌素 CD82形成另一類獨特的天然產生的環肽，其中多個環通過季胺基酸縫合在一起，其中半胱氨酸硫直接連接到肽骨架的α-碳上（圖8c）。由於傳統的醯胺形成反應在很大程度上不能合成這種結構83，新的醯胺形成反應現在必須在這些合成努力中轉移到前線。
圖八.環狀，打結和N-甲基化肽的代表性實例的三維結構。 a，Kalata B1是cyclotide家族的環肽，具有由三個二硫鍵和頭對尾醯胺環化形成的六個不同的環。 b，Microcin J25是一種打結的肽，具有異常高的穩定性，通過將C末端穿過由N末端和側鏈羧酸鹽形成的小大環而賦予。 c，枯草溶菌素A代表一類獨特的細菌衍生的環肽，其具有三個不尋常的側鏈硫至骨架α-碳鍵和頭尾環化。 d，環孢菌素A，一種具有非常高比例的N-甲基化醯胺的臨床上重要的環肽。
共價修飾的合成蛋白質
「低聚蛋白」的化學合成的最新進展 - 由幾個具有生物學相關性的共價連接的蛋白質亞基組成 - 說明了新的醯胺形成反應的能力，以提供通過合成或生物技術手段不易獲得的材料。特別感興趣的是遍在蛋白化，其中通過多個遍在蛋白的連接通過賴氨酸側鏈的共價翻譯後修飾來標記蛋白質被破壞。 NCL變體的應用使得泛素化蛋白的合成途徑可用於研究基礎生物學問題84-86。該領域的一個重要需求是允許化學合成更大肽結構的一系列方法，因為目前的工作是限制在最多200個殘基。這個大小範圍的蛋白質可以通過NCL獲得具有正交保護基團或動力學控制的連接的兩個大片段或序列87,88。進一步推動這種邊界的一種方法是鑑定兩種不同的化學正交連接方法，這兩種方法可以在同一個燒瓶中一起操作，從而允許兩個以上的片段以受控方式連接在一起。這種策略將減少組裝較大結構所需的純化，去保護或操作步驟的數量。
功能化的醯胺基聚合物
簡單的聚醯胺，如尼龍和相關結構，通過為廣泛的應用提供堅韌，耐用和廉價的材料改變了現代世界。儘管取得了這些成功，化學家還遠遠不能匹配具有結構和功能特性的天然高度通用的聚醯胺。例如，目前沒有用於以有意義的規模生產具有絲或膠原的強度和性質的材料的化學方法。化學方法用於從簡單起始材料中控制合成富含功能化的嵌段聚醯胺的潛在應用是巨大的。已經出現了將新的醯胺鍵形成反應應用於聚醯胺合成的實例。 Milstein的釕催化劑已被用於從簡單的二醇和二胺開始直接合成高達30kDa的聚醯胺，該方法有望用於生物材料應用的低成本生產官能化聚醯胺。在另一個令人印象深刻的例子中，肽自組裝已經與化學連接組合以形成90多肽原纖維和分子量為3,000kDa的其他結構。這是特別有用的，因為它提供了合成多肽的獲取，其具有比任何天然蛋白更大的確定的肽序列，用於生物物理學，基礎蛋白科學和細胞生物學中的應用。
展望
在過去的100年中，合成化學家已經從二肽的製備發展到幾乎常規製備50-100或更多胺基酸的合成肽。可以以千克規模製備20至40個胺基酸殘基的結構。隨著新一代試劑和反應，合成化學家將進一步推向曾經難以想像的合成。採用催化劑形成醯胺將對當代製備含醯胺化合物產生最直接的影響。這些反應既環境可持續又具有成本效益。這些新反應的首次應用將是小分子的合成，但原理和潛在機制可以擴展到肽結構。對於含有非天然胺基酸殘基的肽尤其如此，其中催化反應的對映選擇性變體不僅可以直接獲得手性起始材料，而且可以直接獲得關鍵的醯胺鍵。用於醯胺形成的催化方法固有的效率和選擇性的優點將為對映選擇性和化學選擇性反應提供新的機會，包括在反應性官能團存在下的醯胺化。
改進的耐受無保護官能團的醯胺形成反應將繼續從NCL開始的合成蛋白質製備的革命。需要這樣的反應來改善目前正在開發的快速擴展的一類肽治療劑的生產和發現。這些技術還有助於容易地製備糖蛋白和其他翻譯後修飾的結構。長期目標包括天然表達蛋白質的合成，解構和重組。這將允許一部分目的蛋白質被含有同位素標記的殘基的合成序列替換，用於結構分析，摻入非天然胺基酸以穩定或增強活性，或用於詢問結合和生物學功能的特異性探針。
隨著我們學習更好的方法來合成複雜，高度官能化的醯胺基結構而不需要侵蝕性反應物和繁瑣的保護基團，合成醯胺將提供具有可控高階性質的新一代功能材料，例如粘附，細胞生長調節和生物礦化。到目前為止，合成方法還沒有跟上這種材料的前景。化學家應注意醯胺形成中存在的挑戰和機遇，並設計化學選擇性，催化性和可持續性的合成方法。
參考文獻（略）
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