含有手性 3-羟基恶噁啉酮结构的化合物在天然产物和生物活性分子中广泛存在，因其重要的生物活性引起了广泛关注。尽管已有多种方法合成这些化合物，但针对具有复杂立体中心的手性 3-羟基-3-羟甲基恶噁啉酮 (3HHMO) 的高选择性合成仍面临挑战。在本研究中，研究者筛选并工程化了卤代醇脱卤酶 (HHDH) 和环氧化物水解酶 (EH)，实现了两种酶促反应的互补组合：利用 HHDH 催化硝酸根对螺环环氧恶噁啉酮的氧位环开，获得 (R)-3HHMO；同时，通过 EH 高选择性水解未反应的对映异构体制备 (S)-3HHMO。此方法实现了高产率和高光学纯度的手性 3HHMO 对映体全合成，为合成复杂手性分子提供了一种绿色高效的新策略（图1）。
首先以Agrobacterium radiobacter AD1来源的HheC卤代醇脱卤酶为基础，通过蛋白质工程和突变筛选，开发了高O-选择性和R-对映选择性的酶HheC-SM8 (T134S)，实现了手性3-羟基-3-羟甲基恶噁啉酮 (3HHMO) 的高效合成。优化实验表明，在pH 6.5条件下，该酶催化硝酸根与螺环环氧恶噁啉酮的开环反应生成(R)-3HHMO，具有优异的化学选择性和对映体纯度（96% ee）。反应中释放的硝酸根可再生，从而实现连续反应循环。采用补料策略，酶对底物浓度高达250 mM的反应表现出优良的稳定性和转化率，表明该方法具有良好的工业化应用前景（图2-3）。
随后开发了一种生物催化方法，通过HHDH催化和EH催化的联用实现了手性（R）-和（S）-3HHMOs的对映互补合成。首先，利用突变的HheC-SM8酶，成功地完成了环氧化物的对映选择性开环反应，合成了手性（R）-1b，具有高的对映体纯度。随后，通过酶催化的水解反应，将(S)-1a转化为手性（S）-1b，达到高的光学纯度和转化率（>99% ee）。通过扩展该方法，实现了从多种螺环环氧恶噁啉酮（2−18a）合成手性（R）-和（S）-3HHMOs，获得了较高的收率和优异的对映选择性。此外，该方法也展示了对底物结构的良好耐受性，能够有效处理不同取代基的螺环环氧化物（表1，方案1）。
最后通过X射线衍射分析确定了手性产品的绝对立体化学，并推测其他手性产物的立体化学。接着，探讨了手性3-HHMOs的几种典型转化反应。研究的重点是合成具有生物活性的螺环碳酸酯，这些化合物在神经系统中的潜力较大。通过使用二氯三氯甲基碳酸酯，成功地从手性（R）-1b合成了螺环碳酸酯（R）-1d。此外，通过使用匹伐酰氯对（R）-1b末端羟基的区域选择性酯化，合成了新型手性3-羟基恶唑烷酮衍生物（R）-1e。同样的方法也成功地将（S）-1b转化为相应的（S）-1d和（S）-1e。所有反应都高效进行，并且始终保持了起始材料的卓越光学纯度，进一步证明了该生物催化平台在合成应用中的可扩展性（图4）。
综上，本研究成功开发了一种新型的双酶生物催化平台，用于手性3HHMOs的对映互补合成和制备合成。这种方法整合了HHDH催化的R-对映选择性开环反应，以及EH催化的手性（S）-螺环-环氧恶唑烷酮的对映专一水解。采用逐步加入底物的策略，酶能够转化最多250 mM的螺环-环氧恶唑烷酮。作为手性β-硝基醇合成的补充，这些结果表明氮酸盐也可以被HHDH利用，进行高效的手性邻二醇合成。另一方面，还鉴定了新型的PlEH2酶，用于手性（S）-3HHMOs的对映专一合成，该酶催化了剩余的手性螺环-环氧恶唑烷酮的水解。该酶过程展示了高催化效率和区域选择性，进一步突出了EH在合成立体障碍二醇中的重要作用。总的来说，这种双酶生物催化方法利用易得的螺环-环氧恶唑烷酮作为起始化合物，提供了一种可扩展且高效的方法，用于手性3-羟基恶唑烷酮相关的光学纯二醇的对映互补合成。
文章信息：Biocatalytic Efficient and Enantiocomplementary Synthesis of 3-Hydroxy-3-hydroxymethyloxindoles by Combining Halohydrin Dehalogenase and Epoxide Hydrolase
文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c07482
