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（圖片來(lái)源：Nat. Chem.）

α-氨基酸是構(gòu)成生命體的基本化學(xué)物質(zhì)之一。同位素標(biāo)記的α-氨基酸及其衍生物廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、定量蛋白質(zhì)組學(xué)、吸收分布代謝和排泄（ADME）分析中。此外，其還可以作為正電子發(fā)射斷層掃描（PET）技術(shù)的顯像劑。因此，發(fā)展簡(jiǎn)潔高效的同位素標(biāo)記方法來(lái)快速實(shí)現(xiàn)α-氨基酸的標(biāo)記具有重要意義。而在同位素標(biāo)記中，通常會(huì)更傾向于使用碳同位素標(biāo)記而不是氫同位素（²H或³H），因?yàn)樘纪凰夭蝗菀?/span>消除，也不會(huì)引起代謝轉(zhuǎn)移。此外，碳同位素標(biāo)記分子的固有結(jié)構(gòu)也不會(huì)像¹⁸F標(biāo)記那樣發(fā)生改變。盡管經(jīng)過(guò)了70多年的研究，含有碳同位素α-氨基酸的合成仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。其通常涉及將*C引入到分子前體中，然后進(jìn)行多步合成來(lái)實(shí)現(xiàn)（Fig. 1a）。

二氧化碳是所有碳同位素標(biāo)記試劑的主要來(lái)源。目前由于缺乏有效的*CO₂捕獲方法，因此現(xiàn)階段很難在分子后期標(biāo)記應(yīng)用過(guò)程中使用*CO₂來(lái)進(jìn)行標(biāo)記。

自然界通常利用脫羧酶來(lái)促使α-氨基酸釋放CO₂，其通過(guò)與磷酸吡哆醛縮合可以將氨基酸轉(zhuǎn)化為希夫堿（亞胺）（Fig. 1b）。而利用小分子催化α-氨基酸的脫羧過(guò)程也是可以進(jìn)行的，但其通常僅在高溫（150 °C）下發(fā)生，因此制約了其與*CO₂的羧基交換反應(yīng)的發(fā)展。因此，發(fā)展在溫和條件下，利用*CO₂實(shí)現(xiàn)α-氨基酸的C1標(biāo)記具有重要意義。

基于由α-氨基酸衍生的亞氨基羧酸會(huì)在D₂O存在時(shí)傾向發(fā)生α-H/D交換過(guò)程，以及在多種情況下會(huì)發(fā)生可逆的脫羧過(guò)程。最近，加拿大渥太華大學(xué)（University of Ottawa）Benjamin H. Rotstein和阿爾伯塔大學(xué)（University of Alberta）Rylan J. Lundgren課題組發(fā)展了在簡(jiǎn)單的芳基醛催化下，利用*CO₂實(shí)現(xiàn)了α-氨基酸的C1標(biāo)記過(guò)程。反應(yīng)對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)氨基酸以及非天然氨基酸底物均可兼容。值得注意的是，利用此方法可以有效實(shí)現(xiàn)¹⁴C，¹³C或¹¹C的標(biāo)記（Fig. 1c）。

（圖片來(lái)源：Nat. Chem.）

作者首先利用(±)-苯丙氨酸1作為模板底物進(jìn)行反應(yīng)嘗試，通過(guò)對(duì)催化劑、溶劑、堿、溫度等一系列參數(shù)進(jìn)行篩選，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用4-甲氧基苯甲醛（20 mol%），Cs₂CO₃（40 mol%），¹³CO₂（1 atm，8 equiv），在DMSO中，70 ℃下反應(yīng)24 h可以以84 %的分離產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)¹³C標(biāo)記的(±)-苯丙氨酸產(chǎn)物[¹³C]1的合成，且¹³C的標(biāo)記比例可以達(dá)到75%（Fig. 2a）。此外，作者對(duì)不同醛催化劑實(shí)現(xiàn)氨基酸羧基交換過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明富電子或中性的芳基醛催化劑隨著時(shí)間的推移展現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，從而可以更好的實(shí)現(xiàn)羧基交換過(guò)程，而缺電子芳基醛催化劑雖然可以快速催化羧基交換過(guò)程，但其分解更快（Fig. 2b）。

值得注意的是，作者利用此方法還可以實(shí)現(xiàn)¹⁴C標(biāo)記過(guò)程，選用Ba[¹⁴C]CO₃在標(biāo)準(zhǔn)條件下原位生成[¹⁴C]CO₂，從而實(shí)現(xiàn)了¹⁴C標(biāo)記的(±)-苯丙氨酸產(chǎn)物[¹⁴C]1的合成（Fig. 2c）。

（圖片來(lái)源：Nat. Chem.）

接下來(lái)，作者對(duì)此轉(zhuǎn)化的底物范圍進(jìn)行了考察（Table 1）。整體來(lái)講，利用此方法可以有效實(shí)現(xiàn)一系列蛋白質(zhì)氨基酸以及非天然氨基酸的¹³C標(biāo)記（1-37）。例如，烷基或芳基取代的α-氨基酸（苯丙氨酸，丙氨酸，亮氨酸，甘氨酸，酪氨酸，色氨酸，蛋氨酸）均可以以>50%的產(chǎn)率，31-75% ¹³C-標(biāo)記率實(shí)現(xiàn)¹³C標(biāo)記產(chǎn)物的合成（1-3, 6-9）。具有酸性或堿性側(cè)鏈取代的底物同樣可以順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，以23-68%的¹³C-標(biāo)記率實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物（12-14, 16-17）的合成。值得注意的是，利用此方法可以方便的實(shí)現(xiàn)藥物ADME研究過(guò)程中同位素分子的合成。此外，該反應(yīng)具有良好的官能團(tuán)兼容性，包括鹵素（21-23），疊氮基（24），硝基（25），硼酸（26）等官能團(tuán)均可兼容，且芳基鹵化物的兼容性為后續(xù)的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化提供了多種可能性。

（圖片來(lái)源：Nat. Chem.）

接下來(lái)，作者通過(guò)稍微改變反應(yīng)條件，可以利用此策略，通過(guò)使用[¹¹C]CO₂直接實(shí)現(xiàn)α-氨基酸的¹¹C標(biāo)記（Fig. 3）。由于¹¹C原子的半衰期僅為20分鐘，因此需要在合成過(guò)程中事先生成亞胺羧酸鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)¹¹C的同位素標(biāo)記過(guò)程。利用此方法可以有效實(shí)現(xiàn)烷基、芳基以及含有極性側(cè)鏈取代的α-氨基酸（(±)酪氨酸,

色氨酸，亮氨酸，蛋氨酸，賴氨酸和谷氨酰胺，以及(±)-甲狀腺素和谷胱甘肽）的¹¹C標(biāo)記過(guò)程。

（圖片來(lái)源：Nat. Chem.）

為了深入理解反應(yīng)機(jī)理，作者進(jìn)行了一系列控制實(shí)驗(yàn)（Fig. 4）。首先，作者在H/D交換與羧基交換共存的條件下發(fā)現(xiàn)兩個(gè)過(guò)程均可發(fā)生。由此表明中間體i-1通過(guò)羧基化形成i-2的亞胺結(jié)構(gòu)，而i-2則會(huì)形成標(biāo)記產(chǎn)物（Fig. 4a）。隨后，作者發(fā)現(xiàn)烷基胺的亞胺底物在標(biāo)準(zhǔn)條件下是不能發(fā)生羧酸化過(guò)程的（Fig. 4b）。接下來(lái)，作者證實(shí)了羧酸的交換只能在可烯醇化的α-羧酸上發(fā)生（Fig. 4c）。最后，作者在4-溴苯丙氨酸22與苯乙醛縮合后的羧基交換過(guò)程中觀察到了[¹³C]22而未觀察到1。由此表明反應(yīng)中形成了丙二酸鹽中間體i-6而非氮雜烯丙基中間體i-7（Fig. 4d）。

（圖片來(lái)源：Nat. Chem.）

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者提出了此轉(zhuǎn)化可能的反應(yīng)機(jī)理（Fig. 5）。首先，氨基酸可與醛催化劑縮合形成亞胺中間體。隨后通過(guò)堿促進(jìn)或互變異構(gòu)形成烯醇從而形成活性親核試劑，其可捕獲*CO₂形成亞氨基戊酸酯中間體。此中間體可以通過(guò)脫羧重新形成烯醇中間體，其可以通過(guò)互變異構(gòu)或質(zhì)子化形成同位素標(biāo)記的亞胺。最后，亞胺可以被水解從而得到標(biāo)記的氨基酸產(chǎn)物。此外，作者認(rèn)為在整個(gè)催化循環(huán)中每個(gè)步驟均具有可逆性，因此與*CO₂的交換效率應(yīng)該是熱力學(xué)控制的。而如果催化劑分解的速率比羧基交換的速率低的時(shí)候則會(huì)發(fā)生同位素標(biāo)記率低的現(xiàn)象。

（圖片來(lái)源：Nat. Chem.）