肽类分子作为一类重要的生物活性分子，在生命体中扮演着关键角色，同时其人工类似物（如大环肽、订书肽）也作为新型中分子药物形态备受关注。传统上，通过氨基酸单体逐一缩合来合成肽类似物虽简单可靠，但步骤繁琐耗时。另一种极具吸引力的策略是对现有肽进行直接的化学修饰，从而以更少的合成步骤快速获得衍生物。然而，常规的修饰方法通常靶向半胱氨酸（Cys）和赖氨酸（Lys）等残基的活性官能团，对于不含有这些活性基团的“化学惰性肽”的修饰则更为困难。近年来，随着C–H活化和氢原子转移（HAT）化学的进步，化学家们开始探索能够应用于这类惰性肽的修饰方法，旨在以时间和成本效益高的方式获得非经典的肽结构。本综述聚焦于近期为实现这一宏伟目标所进行的化学修饰尝试，尽管目前这些方法大多仍局限于相对较小的肽。
化学惰性肽侧链C(sp3)–H键的转化
肽侧链是增加肽结构多样性的最有效位点。对于侧链不含适合常规官能团转化（FGT）基团的肽，唯一的选项是转化普遍存在但通常难以反应的C(sp3)–H键。目前应用于肽的C–H键转化反应大致可分为三类：（1）由高亲电物种促进的远程C(sp3)–H键的非定向转化；（2）自由基介导的分子内氢原子转移（HAT）过程；（3）导向基团辅助的、过渡金属催化的C–H活化反应。
早期研究使用二甲基二环氧乙烷（DMDO）或甲基(三氟甲基)二环氧乙烷（TFDO）等高活性二环氧乙烷试剂，实现了亮氨酸（Leu）和缬氨酸（Val）残基γ位三级C–H键的羟基化，但反应转化率通常较低。随后，Chen和White课题组开发的Fe(PDP)和Fe(CF3-PDP)催化剂，能够预测性地实现脂肪族C–H键的选择性氧化，并成功应用于二肽中化学惰性脂肪族侧链的C(sp3)–H氧化，通过选择不同的铁催化剂，可以分别选择性氧化Val残基β位的三级C–H键和正缬氨酸（Nva）残基γ位的二级C–H键。Mn(CF3-PDP)催化剂则能选择性氧化含有苯甘氨酸衍生物的肽中的二级C–H键，而避免芳香环的氧化。
Groves课题组受细胞色素P450酶启发，对使用金属卟啉络合物进行C(sp3)–H官能化反应进行了深入研究。其锰卟啉体系除羟基化外，还可应用于卤化和叠氮化等反应，并于2018年成功实现了二肽中Leu残基的18F标记。
Combs-Walker和Hill报道的基于多金属氧酸盐的光催化反应也显示出对脂肪族C(sp3)–H键的高HAT活性。Britton课题组利用该策略，在十钨酸盐光催化下，实现了未保护N端的氨基酸及其肽中Leu残基γ位C(sp3)–H键的选择性氟化，该方法具有良好的官能团兼容性，并成功引入了用于正电子发射断层扫描（PET）成像的18F。
此外，还有研究利用静电相互作用促进Val残基β位C–H键与缺电子烯烃的加成反应，以及Wendlandt报道的Co/W共催化体系促进的肽侧链去饱和化反应，为肽侧链引入热力学不稳定的末端烯烃。
在非金属亲电试剂参与的HAT反应中，高价碘试剂尤为突出。Chen课题组使用Zhdankin试剂，在光催化条件下实现了Leu残基γ位C–H键的叠氮化和卤化。Liu和Chen则开发了使用全氟苯并碘唑的无叠氮C(sp3)–H氧化反应条件，并将其应用于二肽和三肽中Leu的γ-C–H羟基化。
Gao和Shi报道的过二硫酸钠（Na2S2O8）介导的氧化体系，可在水相和氧气氛围下加热，实现二肽中二级和三级C(sp3)–H键的氧化。随后，Li和Shi在相同反应体系中加入磺酰叠氮而非氧气，成功实现了二肽中Leu残基γ位的叠氮化。
Hartwig报道的基于烷氧自由基C–H攫取的C–H甲基化反应，通过Ir光催化和Ni催化协同作用，实现了三级C–H键的选择性甲基化，并应用于二肽中Leu残基γ位C–H的甲基化。
自由基介导的分子内氢原子转移过程
分子内HAT是有效在特定位点生成烷基自由基的有用策略。其中，经过六元环过渡态的1,5-HAT尤为有利。2018年，Leonori课题组首次报道了基于1,5-HAT的肽侧链修饰，通过在C末端引入特殊的羟肟酸衍生物，实现了二肽C末端Leu残基γ-C(sp3)–H键的氟化和炔基化。该反应中，羧基在光催化剂协助下发生单电子氧化，随后脱羧和β-断裂生成高反应活性的酰胺基自由基，进而发生1,5-HAT。
Jin和Yu实现了在C末端含有O-酰基羟肟酸的二肽中Leu残基的Pd催化去饱和化。光激发的零价Pd诱导O-酰基羟肟酸单电子还原，形成酰胺基自由基，经1,5-HAT、Pd催化的烷基自由基重组和β-氢消除，生成末端烯烃。
Li报道了肽链中正亮氨酸（Nle）残基δ位C(sp3)–H键的二氟化反应。通过在N末端引入对甲氧基苯磺酰胺基团，其产生的磺酰胺基自由基负责分子内氢攫取。这是除N-氯肽策略外，已知少有的对肽中非活化二级C(sp3)–H键进行分子内HAT转化的例子。
Baran课题组报道了通过在N末端引入含三氮烯的甲苯磺酰基（Tzo）基团，通过1,7-HAT反应实现了Leu残基的去饱和，这是首个通过分子内HAT转化肽侧链的报道。RajanBabu和Nagib课题组则通过Co-salen催化剂促进的金属氢原子转移（MHAT）和随后的1,6-HAT过程，实现了N末端Leu残基的去饱和。
定向、金属催化的C(sp3)–H活化
过渡金属催化的C–H活化是合成有机化学中的热点。其中，Pd基催化剂应用最广，可通过协同金属化-去质子化（CMD）机制活化C(sp3)–H键。该方法通常需要导向基团辅助以实现高效和位点选择性。
Yu课题组报道了利用天然羧基和主链酰胺的双齿配位，促进未保护C末端羧基的二肽N末端残基脂肪族侧链β位C–H键的芳基化。即使C末端羧基被保护，寡肽中的多个主链酰胺也能实现双齿配位，从而在三肽和四肽中实现类似的C(sp3)–H芳基化和乙酰氧基化。
Noisier、Albericio和Wang课题组分别独立报道了通过分子内C(sp3)–H芳基化合成肽大环的方法。通过在距离反应性N末端残基三个或四个残基的位置引入碘苯基，利用主链中多个酰胺的导向作用，成功实现了肽的环化。
对于C末端残基侧链的C(sp3)–H活化，Kazmaier引入了AQ酰胺作为C末端的导向基，实现了C末端脯氨酸（Pro）残基的β-C(sp3)–H芳基化。后续研究发现了使用硫醚作为导向基的策略，并避免了N末端必须为叔酰胺的限制。
Ackermann、Dong等课题组利用天冬酰胺（Asn）残基侧链的伯酰胺、天冬氨酸（Asp）的羧基、甲硫氨酸（Met）的硫醚、S-甲基化Cys的硫醚以及组氨酸（His）的咪唑等侧链官能团，与主链酰胺协同作为双齿导向基，实现了与其相邻N端侧Ala残基β位C–H键的选择性官能化（芳基化、炔基化），该策略甚至可应用于环肽和长链寡肽。
肽主链中酰胺的修饰
肽主链酰胺的结构修饰对其三维结构和性质功能有显著影响。将主链酰胺替换为其他结构是改善肽功能的常用手段。对肽主链酰胺氮原子进行碳取代，如N-烷基化，可显著改变肽的构象，并常用于提高肽的脂溶性和代谢稳定性。
早期的肽N-甲基化使用氧化银和碘甲烷，但需要大量试剂且产率不高。后来采用氢化钠和碘甲烷在高温下反应，可实现肽的N-甲基化，并应用于固相合成。Houghten课题组开发了采用叔丁醇锂作为碱的序列N-烷基化方法，可用于构建多样性肽库。Jacobsen和Lokey将该条件应用于树脂上的环肽，观察到由分子内氢键导致的位点选择性N-甲基化。
Novartis的过程化学家开发了使用硫酸二甲酯和氢化钠，并在少量水存在下的高效N-甲基化方案，并成功应用于NK1受体拮抗剂TKA731的大规模合成。
Ball课题组报道了Cu催化的、组氨酸（His）残基导向的肽N末端邻近残基主链酰胺氮的位点选择性N-芳基化和烯基化。该Chan-Lam型偶联反应条件温和，并且引入的N-烯基可通过光照移除，实现可逆修饰。
Maruoka报道了基于烷氧自由基的Cu催化N-甲氧基苄基化反应，是迄今唯一通过自由基机制实现肽N-烷基化的例子。
Fang和Li报道了使用银盐和Ruppert试剂（TMSCF3）促进的酰胺N-三氟甲基化反应，为在肽主链酰胺引入三氟甲基提供了首例方法。
N-烷基化肽的转化（脯氨酸修饰）
脯氨酸（Pro）残基是20种蛋白源性氨基酸中唯一的仲胺，其N-烷基的α位氧化转化是另一类重要的修饰。White课题组报道了Fe(PDP)催化的肽中Pro残基α-C–H氧化，生成的半缩醛胺中间体可进一步转化为多种α-芳基化Pro衍生物，或通过Wittig反应、还原胺化引入非天然侧链。Mn(CF3-PDP)催化剂体系则适用于含有苯环侧链的肽的Pro α-C–H氧化。该策略还可应用于Pro残基的α-甲基化。
Zhao报道的Cu催化体系，使用N-氟代双苯磺酰亚胺（NFSI）或Selectfluor II促进氧化，生成的活性中间体可与亲核试剂（如烯烃）加成，实现Pro残基的α位烯丙基化，或与分子内远端羟基发生环化，构建大环结构。
Sarpong课题组报道了使用银盐和氧化卤化剂，实现Pro和哌可酸（Pip）残基的氧化开环及后续的脱羧卤化反应，在肽链中引入卤代侧链。
其他有趣的反应还包括Waser使用高价碘试剂实现的叠氮化，Lin采用电极氧化或氧铵盐催化实现的α-烷氧基化和甲基化，以及Yamaguchi报道的通过路易斯酸促进苯甲酰胺单电子还原触发的Pro残基开环转化。
甘氨酸残基主链α位的修饰
甘氨酸（Gly）残基是唯一在α位无取代基的氨基酸，其α位C–H键具有较好的空间可及性，适合进行化学修饰。Elad和Sperling早期报道了紫外光照射下丙酮激发的HAT反应，实现了肽中Gly残基α位的烷基化。Easton和Hay报道了使用N-溴代琥珀酰亚胺（NBS）在加热和紫外照射下实现二肽中Gly残基α位的溴化，生成的α-溴代肽可进一步转化为多种衍生物。
Murahashi报道了Ru催化的Gly选择性α-氧化，是少数成功实现寡肽内部Gly残基α位修饰的例子。Zhao和Li报道了使用Cu催化剂/过氧化叔丁醇（TBHP）体系实现的Gly残基α-炔基化，以及后续报道的与硼酸的烷基化反应。
此后，对N端为N-芳基取代的Gly残基的α位修饰得到了广泛研究，超过50篇相关论文发表。这些反应可根据α位成键步骤的反应途径大致分为两类：通过亚胺中间体的反应和通过α-自由基中间体的反应。
Yang报道了使用手性双恶唑啉配体的Pd催化不对称芳基化，实现了Gly-Gly二肽的不对称α-芳基化，但立体选择性较低。Zhang报道了通过Cu/手性胺共光催化实现的高度立体选择性不对称Gly-Gly烷基化。Chen将Gly残基的α位修饰应用于大环肽的合成，Young和Proulx报道了在树脂上使用烷基硼酸进行α-烷基化。
Otaka报道了手性磷酸催化的、吲哚对N-2-硝基苯硫基（Nps）保护的Gly衍生亚胺的立体选择性加成反应，实现了Gly残基的α位吲哚化。
Kazmaier报道了一种基于α位去质子化的完全不同的方法，使用二异丙基氨基锂（LDA）选择性地去质子化肽中Gly残基，随后进行非对映选择性的Pd催化烯丙基取代反应，实现了寡肽内部Gly残基的α位烯丙基化。
用于转化惰性脂肪族肽的N-氯肽策略
我们课题组发展了“N-氯肽策略”，通过对肽主链酰胺进行N-氯化，生成的N-氯化肽可作为活性中间体，用于后续对邻近残基的化学修饰。在催化量奎宁环（ABCO）存在下，使用叔丁基次氯酸盐（tBuOCl）可顺利实现肽主链酰胺的N-氯化，所得N-氯肽稳定性好，易于分离。
研究发现，使用ABCO等双环叔胺处理N-氯肽，可促进β-消除及后续双键异构化，生成脱氢氨基酸（ΔAA）结构。该一锅法反应条件可成功将多种氨基酸侧链转化为相应的ΔAA结构，并成功应用于大环肽（如环孢菌素A类似物）的后期脱氢化，首次实现了ΔAA motif在大环肽中的后期引入。
N-氯肽还可用于自由基介导的肽侧链C–H官能化。在Cu(I)/1,10-菲啰啉催化下，从N-氯酰胺产生的分子内酰胺基自由基能够实现多种γ和δ位C–H键（包括通常对自由基反应不活泼的伯C–H键）的氯化。该方法成功合成了天然产物aquimarin A的侧链氯化肽片段，并可通过后续转化在侧链引入多种取代基。
N-氯肽策略已被证明在肽主链酰胺修饰等方面具有广泛应用前景，相关细节将在不久的将来另行发表。
总结与展望
本综述讨论了基于合成有机化学最新进展的肽化学修饰的开创性方法。尽管这些方法目前主要集中于短寡肽，但我们相信，通过这些努力的进一步推进和扩展，即将取得激动人心的突破，最终使目前“不可能”的修饰成为可能，为新型肽类药物的发现和化学生物学研究开辟新的途径。
