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Angew：1,2-氨基醇的生物催化級聯(lián)合成

來源：化學(xué)加原創(chuàng)      2022-10-04
導(dǎo)讀：生物催化級聯(lián)反應(yīng)在高效、不對稱合成生物活性化合物方面具有獨特的優(yōu)勢。然而，高底物特異性可能限制生物催化級聯(lián)反應(yīng)的范圍，因為組成酶可能具有非互補性活性。近日，威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校Andrew R. Buller課題組利用了底物多重篩選(SUMS)的方法，改善了轉(zhuǎn)醛酶(ObiH)和脫羧酶之間的底物范圍重疊，并用于手性1,2-氨基醇的生產(chǎn)。為了產(chǎn)生混雜級聯(lián)，作者設(shè)計了一種色氨酸脫羧酶，使其在有效作用于β-OH氨基酸的同時，避免作用于ObiH活性所需的L-蘇氨酸。最終，作者以一鍋法從醛或苯乙烯氧化物得到各種對映純1,2-氨基醇。
生物催化級聯(lián)的一鍋法在實際合成中很受歡迎，因為它們免去了產(chǎn)物分離，減少了浪費。這種多催化劑體系還可以通過將熱力學(xué)上不利的反應(yīng)與有利的反應(yīng)耦合起來，限制不利反應(yīng)路徑的動力學(xué)競爭，從而提高收率。由于酶的高化學(xué)選擇性，酶級聯(lián)往往高效且高產(chǎn)?；谶@些原因，利用脂肪酶、脫氫酶或轉(zhuǎn)氨酶等酶的生物催化級聯(lián)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種合成。C-C鍵生成反應(yīng)對生物催化級聯(lián)反應(yīng)有重要意義，但形成C-C鍵的酶級聯(lián)反應(yīng)往往受底物范圍差的影響導(dǎo)致效果不好。這類限制阻礙了酶在有機合成中的廣泛應(yīng)用。識別在新底物上作用的酶需要時間和大量資源，每個級聯(lián)也對應(yīng)著各自的定制酶。因此，開發(fā)更好地控制生物催化劑范圍的方法，特別是那些構(gòu)建碳骨架的方法，將有助于生物催化的長遠發(fā)展。


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圖1. 研究背景（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）
作者發(fā)展了一種蛋白質(zhì)工程篩選方法——底物多重篩選(SUMS)，以監(jiān)測蛋白質(zhì)工程中底物范圍的變化。該方法可篩選多種底物活性，并確認所形成的每個產(chǎn)物，從而測試生物催化劑的混交性。SUMS通過底物產(chǎn)生的m/z比，利用質(zhì)譜實現(xiàn)同步定量。因此，關(guān)于單個底物的活性和特異性的信息都可以從單個試驗中得到，大大簡化了工作量。鑒于使用SUMS的例子很少，還不清楚在多步進化運動中底物范圍混雜如何改變，以及是否可以使用這種方法真正定制底物范圍。
由于臨床使用的1,2-氨基醇具有廣泛的化學(xué)多樣性，最顯著的是β-受體阻滯劑。此外，它們相對簡單，為混雜的生物催化合成提供了機會。然而，級聯(lián)的效用受到脫羧酶活性的限制，僅能以制備規(guī)模獲得少量芳基1,2-氨基醇。
作者利用L-蘇氨酸轉(zhuǎn)醛酶(LTTA)和氨基酸脫羧酶，開發(fā)了一種高效的生物催化級聯(lián)體系，成功地將非手性醛轉(zhuǎn)化為1,2-氨基醇。根據(jù)之前的經(jīng)驗，ObiH可催化不同芳基、α-芳基和脂肪醛形成β-OH氨基酸。然而，沒有氨基酸脫羧酶被證明具有包含通過ObiH產(chǎn)生的各種氨基酸的范圍。酪氨酸脫羧酶對芳香β-OH氨基酸具有有限的活性，但對其它類脫羧酶的β-OH氨基酸脫羧活性還沒有被發(fā)現(xiàn)。因此，作者設(shè)計了一種氨基酸脫羧酶用于與ObiH的級聯(lián)范圍互補，并利用SUMS監(jiān)測優(yōu)化過程中底物范圍的變化。該工作展示了生物催化級聯(lián)在多種1,2-氨基醇合成中的應(yīng)用，該反應(yīng)具有良好的收率和高的e.r.，并可用于β-受體阻滯劑的高效全合成。
為了研究脫羧酶在級聯(lián)合成1,2-氨基醇方面的潛力，作者講這些酶與ObiH一起加入苯甲醛(2a)和蘇氨酸的反應(yīng)。OBiH-VlmD級聯(lián)只產(chǎn)生了微量的2c。相反，蘇氨酸(1c)的脫羧產(chǎn)物是主要產(chǎn)物。ObiH-RgnTDC級聯(lián)產(chǎn)生2c，蘇氨酸脫羧作用微不足道。因此作者選擇RgnTDC作為級聯(lián)的脫羧酶。這種酶對ObiH可以合成的脂肪族或芐基β-OH氨基酸底物不具有任何活性。因此，作者開始擴大RgnTDC的范圍，以便它可以補充級聯(lián)合成ObiH的范圍，最終確定最適用的酶為RgnTDCNMY。
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圖2. 酶的設(shè)計與篩選（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）
隨后作者對反應(yīng)適用范圍進行研究，并發(fā)現(xiàn)該級聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生了多種芳香的1,2-氨基醇。作者最初不確定RgnTDCNMY在這些反應(yīng)所使用的負載(0.1-0.5 mol%)下是否具有足夠的活性并保持較高的收率。然而，大多數(shù)芳香族產(chǎn)物具有> 90:10的高e.r.（2c，6c-10c），表明很少重新進入ObiH活性位點。相對難溶的底物在級聯(lián)反應(yīng)中反應(yīng)效率不高，e.r.也會顯著較低。RgnTDCNMY對多種具有不同官能團的脂肪族β-OH氨基酸同樣具有活性。雖然這些反應(yīng)的總轉(zhuǎn)化率較低，但通過延長反應(yīng)時間和充分攪拌可以提高收率。
芳醛是酶級聯(lián)反應(yīng)最活躍的底物，且會生成一系列腎上腺素類似物。可以看出，該反應(yīng)對芳環(huán)上不同種類取代基的耐受性較好。令人驚喜的是，ObiH在合成脂肪族β-OH氨基酸方面具有極高的選擇性。己醛的級聯(lián)反應(yīng)進展順利，收率高、立體化學(xué)純度高地合成了5c。此外，作者還探索了N-Boc氨基乙醛的反應(yīng)，盡管產(chǎn)率較低，但值得強調(diào)的是，脂肪族1,2-氨基醇以前無法通過天然脫羧酶的級聯(lián)反應(yīng)獲得。
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圖3. 適用范圍（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）
酶通?？梢詫崿F(xiàn)傳統(tǒng)合成方法中沒有的轉(zhuǎn)化，使復(fù)雜分子的簡潔合成成為可能。1,2-氨基醇通常是通過環(huán)氧化合物與異丙基胺親核試劑的開環(huán)作用，依靠重新組裝的碳骨架形成的。為了展示無保護基生物催化如何實現(xiàn)新的斷開與連接，作者完成了一系列β-受體阻滯劑的合成。作者按照Tajbakhsh的方法，將分離出來的1,2-氨基醇和丙酮在還原胺化條件進行烷基化反應(yīng)，最終以高收率、對映體純地得到7d、8d、11d。
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圖4. 反應(yīng)應(yīng)用（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

總結(jié)

生物催化級聯(lián)是化學(xué)合成的有力手段，可以將傳統(tǒng)合成的不可能變?yōu)榭赡?。雖然許多級聯(lián)是可行的，但它們可能會因為組成酶的底物范圍不匹配受到阻礙。Andrew R. Buller課題組利用SUMS改善了轉(zhuǎn)醛酶(ObiH)和脫羧酶之間的底物范圍重疊，實現(xiàn)了1,2-氨基醇的合成。它的成功可能會促進生物催化級聯(lián)反應(yīng)在合成復(fù)雜分子骨架方面創(chuàng)造新的可能。



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