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上海師范大學/上海交通大學的趙寶國教授和肖曉教授團隊Nat. Catal.:仿生催化新突破——甘氨酸酯不對稱Aldol反應

來源:化學加APP      2025-07-17
導讀:近日,上海師范大學/上海交通大學的趙寶國教授和肖曉教授團隊首次實現(xiàn)了蘇氨酸醛縮酶催化的甘氨酸aldol反應的仿生不對稱催化模擬,攻克了這一困擾領域四十年的催化難題。
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第一作者:Hanyu Liang(梁撼宇)

通信作者:Xiao Xiao(肖曉), Baoguo Zhao?(趙寶國)

通訊單位:上海師范大學,上海交通大學

導讀

酶促轉(zhuǎn)化產(chǎn)物常具高生物活性,如蘇氨酸醛縮酶催化甘氨酸與醛的aldol反應,生成的手性β-羥基-α-氨基酸是多種藥物關鍵結構單元。受限于酶底物特異性及化學合成瓶頸,手性β-羥基-α-氨基酸的高效構建長期是合成難題。酶促甘氨酸aldol反應的仿生催化研究,有望為手性β-羥基-α-氨基酸的高效合成帶來突破。然而,該研究歷經(jīng)四十余年仍停滯于計量模擬,不對稱催化模擬仍是一個亟待解決的科學難題。


近日,上海師范大學/上海交通大學的趙寶國教授和肖曉教授團隊首次實現(xiàn)了蘇氨酸醛縮酶催化的甘氨酸aldol反應的仿生不對稱催化模擬,攻克了這一困擾領域四十年的催化難題。開發(fā)的仿生aldol反應兼具高效性與普適性,為手性β-羥基-α-氨基酸的合成提供了迄今最簡潔、高效的通用策略?;谠摲磻母咄科叫泻铣?,可快速構建結構多樣的手性β-羥基-α-氨基酸酯活性分子庫,為藥物發(fā)現(xiàn)提供重要分子資源。該成果為生物活性分子的精準構筑和不對稱高通量合成樹立了新標桿,值得合成化學、藥物化學和合成生物學等領域的學者關注。相關成果于近期在線發(fā)表在Nat. Catal.上,文章鏈接DOI: 10.1038/s41929-025-01364-z。


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正文

蘇氨酸醛縮酶催化合成手性β-羥基-α-氨基酸面臨底物范圍受限和β-碳立體選擇性不足的雙重瓶頸(圖1b)。該生物過程的仿生模擬始終未能突破計量模擬的局限(圖1c)。仿生aldol反應為手性β-羥基-α-氨基酸的高效合成提供了新思路,但面臨多重挑戰(zhàn):反應的可逆性導致產(chǎn)物易發(fā)生分解;產(chǎn)物在吡哆醛催化條件下傾向于發(fā)生差向異構化;醛與甘氨酸形成的亞胺會顯著抑制aldol反應(圖1d)。作者發(fā)展了方酰胺側鏈修飾的手性吡哆醛催化劑,整合了多重活化、協(xié)同催化和底物識別等生物催化特征,它是實現(xiàn)甘氨酸酯仿生不對稱aldol反應的關鍵(圖1e)。

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圖1. 手性β-羥基-α-氨基酸及其合成方法

作者成功實現(xiàn)了甘氨酸酯仿生aldol反應。該轉(zhuǎn)化具有優(yōu)秀的底物適應性:取代芳基醛、雜芳醛和烷基醛均能順利反應,以高產(chǎn)率、優(yōu)秀立體選擇性(up to >20:1 dr和 >99% ee)生成一系列手性β-羥基-α-氨基酸酯。醛的電子性質(zhì)對反應影響較小,富電子與缺電子底物均具較高活性。該反應具有重要的應用價值:抗生素類藥物(甲砜霉素、氟苯尼考、氯霉素、萬古霉素)、代謝調(diào)節(jié)藥物(伊利格魯司)、天然產(chǎn)物(乳胞素、二氫鞘氨醇)以及多種生物活性分子(4h4af4at等)的關鍵結構均可通過該反應高效合成(圖2)。

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圖2. 甘氨酸酯與醛的不對稱aldol反應的底物拓展情況

該反應可用于多種藥物的快速構建:在0.01 mol%的催化劑用量下,一步立體選擇性構建氟苯尼考關鍵中間體L-蘇-對甲磺酰苯丙氨酸酯(82% yield、15:1 dr和98% ee)(圖3a);藥物分子屈昔多巴也可以通過仿生aldol反應兩步快速合成(圖3b)。同傳統(tǒng)合成方法相比,仿生合成路線無需手性拆分,避免了復雜的保護基操作,顯著縮短了合成步驟,具備明顯的成本和環(huán)境優(yōu)勢。手性β-羥基-α-氨基酸酯產(chǎn)物具有重要的合成價值,可作為多功能合成子靈活轉(zhuǎn)化為各類關鍵手性化合物(圖3c)。此外,以手性醛2bl為起始原料,該反應還能實現(xiàn)立體發(fā)散性合成,高效制備四種非對映異構體(圖3d)。

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圖3.合成應用及產(chǎn)物衍生化

反應遵循與酶促aldol反應類似的機理:吡哆醛1a通過與甘氨酸酯形成亞胺10,活化其α-C–H鍵,去質(zhì)子化形成離域碳負離子11,對醛3進行不對稱加成并水解,釋放出產(chǎn)物β-羥基-α-氨基酸酯4,并再生催化劑1a。該反應展現(xiàn)出的高活性和優(yōu)異選擇性源于催化劑獨特的結構:吡哆醛片段通過共價作用高效活化甘氨酸酯;方酰胺側鏈借助雙重氫鍵網(wǎng)絡精確活化醛基底物;聯(lián)芳基骨架與側鏈協(xié)同構建的手性空腔實現(xiàn)了對醛類底物的立體專一性識別。這種多機制協(xié)同的催化作用,包括共價活化、氫鍵協(xié)同作用以及立體選擇性識別,共同構成了其卓越催化性能的結構基礎(圖4)。

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圖4. 機理研究

該反應具有罕見的高效性和廣譜性,運用高通量合成策略,可以快速構建數(shù)以萬計的手性β-羥基-α-氨基酸酯。為了展示該反應在構建分子結構多樣性方面的強大能力,作者通過高通量手性合成技術,成功構建了一個包含1700多種手性β-羥基-α-氨基酸酯的高活性化合物庫,為后續(xù)的藥物篩選提供了物質(zhì)基礎。盡管底物結構高度多樣,大多數(shù)反應仍具有優(yōu)秀的轉(zhuǎn)化率和立體選擇性。反應無需分離純化,經(jīng)簡單后處理即可得到較高純度的目標產(chǎn)物,特別適用于以快速篩選為目的生物活性研究(圖5)。

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圖5. 高多樣性平行不對稱合成

總結

綜上所述,趙寶國教授和肖曉教授團隊以0.01-1 mol%手性吡哆醛為催化劑,實現(xiàn)了甘氨酸酯的仿生aldol反應,為手性β-羥基-α-氨基酸提供了高效的通用合成方法,并能快速構建結構多樣的高活性分子庫,對新藥研發(fā)和藥物高效合成都有重要意義。該仿生反應通過簡單分子的一鍵鏈接實現(xiàn)了重要功能分子的高效構建,具有極高的效率、極廣的底物適應性和多維選擇性的精準控制,是一個適應藥物化學、AI與高通量合成等新發(fā)展要求的理想反應新范例。

文獻詳情:

Asymmetric biomimetic aldol reaction of glycinate enables highly efficient synthesis of chiral β-hydroxy-α-amino acid derivatives.

Hanyu Liang, Peng Ren, Lei Wang, Dongchen Cai, Sheng Gong, Siqi Liu, Xiao Xiao?*, Kuiling Ding2& Baoguo Zhao?* 

Nat. Catal2025

https://doi.org/10.1038/s41929-025-01364-z

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