西湖大学叶宇轩组 Nat Chem 揭示烯还原酶在不对称羰基去饱和化的逆催化活性

文摘   2024-11-28 08:49   辽宁  

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摘要

羰基去饱和是一种在有机合成中广泛应用的基础反应。尽管已有多种方法被开发以扩展这一重要转化的范围,但多数方法需要多步操作,或依赖高负载的金属催化剂或强氧化条件。此外,能够精确控制去饱和过程立体化学的策略极为稀少。

本研究报道了一种生物催化平台,通过重新设计“烯”还原酶来高效介导脱氢(其本征活性的逆过程),实现环己酮的非对称化脱氢,生成具有远隔季碳立体中心的多样化环己烯酮。该基于“烯”还原酶的脱氢系统在温和条件下运行,以空气为最终氧化剂,能够耐受氧化敏感或不兼容金属的官能团,更重要的是,其立体选择性远超小分子催化剂的表现。机制研究表明,该反应通过 α-脱质子化启动,随后经历速率决定步的 β-氢化物转移。

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研究内容
α,β-不饱和羰基化合物在有机合成中具有重要作用,然而现有羰基去饱和方法通常需要高负载金属、强氧化剂或多步反应,且缺乏立体化学控制。本文提出了一种基于“烯”还原酶(EREDs)的生物催化平台,通过定向进化改造“烯”还原酶以实现羰基化合物的高效脱氢反应,生成含远隔季碳立体中心的环己烯酮。这种方法不仅具备广泛的底物兼容性,还能在温和条件下以高立体选择性一步合成高价值的手性构建块,为羰基去饱和反应提供了可持续的替代方案(图1)。


图1. 羰基去饱和化反应

作者通过结构多样的“烯”还原酶(EREDs)库,评估其在有氧条件下催化 4-甲基-4-苯基环己酮的不对称脱氢反应。大多数酶活性较低,但部分酶显示较高的对映选择性。通过提高温度,TOYE 在 50 °C 下的产物收率提高了八倍。进一步测试热稳定 EREDs,发现 CrS 和 GkOYE 在 50 °C 下分别获得 30% 和 49% 收率,且均具有 98:2 的对映比。以 CrS 和 GkOYE 为起点,通过定向进化优化其脱氢性能。对 CrS 的 Y27 突变显著提高了活性,单突变体 CrS1、CrS2 和 CrS3 分别获得 79%、88% 和 81% 的收率。通过三轮突变,GkOYE3 变体催化效率提高,达到 96% 收率,且对映选择性优于 99:1 e.r.(图2)。

图2. CrS和GkOYE酶的去对称脱氢反应发现和定向进化

作者通过含有优良突变体的酶库,评估了不同底物的耐受性。多种 4-烷基-4-芳基环己酮的脱氢反应表现出高产率和优异的立体选择性,能够耐受氧化敏感官能团及各种烷基和杂环取代基。对于 2-氨基苯基环己酮等特殊底物,反应中发生了自发环化生成目标产物。该生物催化脱氢反应无需额外酶工程即可扩展至多种底物,并在克级规模上实现良好的产率和对映选择性。通过该平台制备的环己烯酮产物能进一步转化为具有高立体特异性的多取代化合物,展示了其在合成复杂手性分子中的广泛应用潜力(图3-5)。

图3. 4-烷基-4-芳基环己酮去对称化脱氢的底物范围

图4. 其他类别环己酮的去对称脱氢

图5. 制备规模合成以及产品衍生化

最后通过实验验证了生物催化脱氢反应的机制,发现 Y169 在 α-脱质子化过程中起关键作用,突变为 Ala 显著降低了酶活性。通过 GC-QToF-HRMS 分析进一步确认了 Y169 对质子交换的促进作用。自由基时钟实验显示 β-C–H 裂解符合 β-氢转移机制。动力学研究计算得出 α-和 β-位置的动力学同位素效应为 2.0 和 10,支持了提出的反应路径。最后,GkOYE3 突变体在脱氢反应中比野生型酶快约 57 倍,显示出定向进化带来的显著提高(图6)。

图6. 机制研究

综上,作者利用该酶类的遗传多样性和定向进化的力量,成功地将“烯”还原酶(EREDs)重新用于高效且不对称的脱氢反应。具有广泛的合成应用,能够在温和条件下、以空气作为氧化剂,获得多种具有远隔季碳手性中心的环己烯酮。这种脱对称脱氢反应为未来开发具有小分子催化剂无法比拟的反应性和选择性的生物催化脱氢系统奠定了基础。
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论文相关信息

文章信息:Unmasking the reverse catalytic activity of ‘ene’-reductases for asymmetric carbonyl desaturation

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41557-024-01671-1

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