【JACS】上海交大王平课题组：基于光催化 C–X 键断裂的多肽合成方法学革新-上海善施科技

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Photocatalytic C–X Bond Cleavage Facilitates Peptide Synthesis

Hanxi Bai, Farong Ye, Dalovai Purnachandar, Xinliang Liu, Ping Huang, and Ping Wang*

J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c11459

全球多肽药物市场已突破 1000 亿美元年规模，且保持快速增长，目前已获批上市的肽类药物超过 80 种。这一发展态势对多肽合成方法提出了更高要求。传统 Fmoc/tBu 固相合成（SPPS）体系在过去三十多年中，有力推动了多肽药物的发展；但其高度依赖三氟乙酸（TFA）进行侧链全局脱保护，带来了显著的环境与化学挑战。一方面，TFA作为典型的'永久化学品'(PFAS)之一，具有极强的环境持久性。TFA在全球水体、土壤及大气等环境介质中的浓度持续累积，这种全球性污染态势可能对生态环境和人类健康产生深远影响；同时，在强酸 TFA 脱保护条件下易生成强亲电中间体，限制了含敏感氨基酸残基或特殊修饰基团肽段的有效合成。此外，叔丁基（tBu）保护基本身的疏水性也加剧了肽链合成过程中的聚集与不溶性。因此，开发不依赖 TFA 的多肽合成新路线，是破解上述环境问题及 SPPS 固有技术瓶颈的关键。

针对这一挑战，上海交通大学王平课题组在最新发表于《美国化学会志》（JACS）的论文中，提出了创新的解决方案：一种基于 Fmoc/Pic 平台的固相肽合成策略（图 1）。该策略采用吡啶甲基（Pic）保护基替代传统的叔丁基（tBu），并利用光催化在中性温和条件下实现 C–X 键断裂，从而在完全不使用 TFA 的前提下完成了侧链全局脱保护。这一突破性思路不仅有效规避了 TFA 带来的环境风险与副反应问题，还展现出优异的自动化合成兼容性，为未来多肽药物的高效、绿色生产提供了新路径。

图1：Fmoc/Pic 固相肽合成策略示意图

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

Pic 基团的优势在于其独特的电子性质和溶解性。该基团在酸碱条件下均稳定，可避免在合成过程中过早断裂。同时，吡啶环在质子化后电化学还原电位显著提高，使其能够在光催化条件下高效发生单电子转移，从而触发 C–X 键的断裂。配合常用的光催化剂和温和的还原剂（如抗坏血酸），在可见光照射下即可实现快速而干净的脱保护反应。与传统 TFA 脱保护相比，Pic 的光解过程无需强酸环境，可在弱酸性水溶液中完成，避免了大量副反应。与此同时，Pic 相较于叔丁基更加亲水，可以有效降低合成过程中肽链的聚集问题。这种“光控保险丝”式的保护基设计，使得肽合成能够在温和、清洁和高效的条件下进行。

图2：Fmoc/Pic 修饰氨基酸砌块及光脱保护效果

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

在实验验证中，研究团队合成并测试了一系列 Fmoc/Pic 修饰的氨基酸砌块（图2）。在优化的光催化条件下，所有砌块均可在二三十分钟内完全脱保护。在传统方法中的难点上，该策略展现了显著优势。如，精氨酸常规使用 Pbf 保护，在 TFA 中脱除需要长时间处理且伴随较多副反应，而 Pic-Arg 在光催化条件下可以快速、干净地脱保护，不引发链断裂或副反应。磷酸化氨基酸在传统苄基保护下难去除，而在 Pic 策略下，磷酸基团仅需三十分钟光照即可完全释放。此外，对于半胱氨酸、色氨酸等易在 TFA 环境中发生副反应的残基，Pic 脱保护过程中完全避免了硫鎓离子生成、芳环不良修饰等问题。这些结果证明，Fmoc/Pic 策略不仅具有普适性，还在关键难点上展现出无可比拟的优势。

图3：Fmoc/Pic 策略在药物肽合成中的应用

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

研究团队进一步将该策略应用于多肽的实际合成（图3）。通过将前期合成并验证过的 Fmoc/Pic 保护氨基酸砌块直接引入固相合成流程，团队实现了从单体到复杂肽段的无缝衔接。在这一平台中，肽链延伸依旧遵循经典 Fmoc-SPPS 的逻辑，而侧链保护则统一采用 Pic 基团。随着合成的推进，侧链始终保持稳定，不会在碱性脱 Fmoc 条件或偶联过程中脱落，保证了序列拼装的高效与选择性。待合成完成后，通过可见光照射触发 Pic 脱保护，实现所有侧链的温和、快速释放，避免了传统 TFA 条件下常见的副反应。研究团队合成了一系列具有药物价值的分子，包括克级规模的 N-Acetyl Semax Amidate、经典激素肽催产素（Oxytocin）和特利加压素（Terlipressin）、抗骨质疏松药鲑鱼降钙素（Salmon Calcitonin）、以及抗糖尿病药 Pramlintide 等。这些多肽均在完全酸自由条件下顺利获得，且氧化敏感的甲硫氨酸等残基保持完好，充分展示了该方法在复杂肽合成中的优势。研究团队还合成了包含超过 40 个氨基酸残基的长肽，验证了该方法在大尺寸序列中的可行性。结果表明，即使在长肽组装过程中，Pic 基团的亲水性仍能显著缓解聚集与不溶性问题，从而保持高效拼装与后期顺利脱保护。这一成果不仅证明了 Fmoc/Pic 平台的规模化潜力，也为未来复杂功能化肽段的自动化制备提供了坚实基础。

图4：Fmoc/Pic 策略在药物肽与长肽合成中的应用

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

更进一步的突破在于该策略与自动化平台的兼容性（图4）。研究团队不仅将光催化脱保护过程整合进自动化肽合成仪，还结合了光敏连接臂的设计，使得肽链的组装与释放均可通过光触发完成。在这一体系中，合成仪中引入外部光源即可实现链延伸、侧链脱保护和肽段切割的“一体化”操作。整个流程完全不依赖 TFA，也无需人工干预，即可直接得到目标产物，显著提高了自动化水平与合成效率。这一创新首次真正意义上实现了 SPPS 的全自动化与绿色化。尤其在磷酸化和其他翻译后修饰肽段的合成中，该平台展现出独特优势。传统方法中，苄基保护基的去除需要长时间酸处理且收率偏低，而在 Fmoc/Pic 结合光连接臂的体系中，光照数小时即可获得高纯度目标产物，为复杂修饰肽段乃至功能化蛋白片段的自动化合成提供了高效而普适的解决方案。

Fmoc/tBu 策略曾在过去三十多年中推动了多肽药物的发展，但其固有缺陷已越来越突出。基于光催化的 Fmoc/Pic 策略不仅提供了 TFA 的替代，更可能成为下一代肽合成的重要工具，推动绿色化学与药物研发的进一步发展。

该工作由上海交通大学王平课题组完成，第一作者为白晗希、叶发荣，共同作者包括 Dalovai Purnachandar、刘新亮、黄平等。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科委和上海交通大学的支持。

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