约翰霍普金斯大学 黄雄怡 Nat Catal 光还原催化与金属酶催化相结合实现对映选择性脱羧化C(sp3)‒N3和‒SCN键形成

文摘   2024-12-25 11:11   辽宁  

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摘要
近年来,生物催化领域的进展扩大了自然界催化能力的范围,包括没有生物等效物的合成转化。然而,这些新引入的催化功能仅占合成催化所用反应的一小部分。本研究提出了一个生物催化平台,该平台结合了光氧化还原和金属酶催化,用于对映选择性自由基转化。在绿光照射下,曙红Y光催化剂使 4-羟基苯基丙酮酸双加氧酶能够催化 N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯的对映选择性脱羧叠氮化和硫氰化。通过定向进化获得的最终优化突变体可以提供多种手性有机叠氮化物和硫氰酸酯化合物,产率高达 77%,总周转率为 385,对映体过量率为 94%。机理研究表明,曙红 Y 催化剂可介导 C(sp3)自由基和 Fe(III)-N3/Fe(III)-NCS 中间体的生成,从而导致酶活性位点中高效形成对映选择性 C-N3 和 C-SCN 键。这些发现建立了一个适应性强的生物催化平台,可将非生物金属光氧化还原催化引入生物学。

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研究内容

金属酶在生物中广泛存在,具有催化复杂化学反应的能力,近年来其在非生物反应中的应用不断拓展。然而,金属光氧化还原催化在生物催化领域尚属初步探索。通过将光氧化还原催化产生的自由基与金属酶的手性选择性捕获相结合,有望开发出新型的自由基生物催化反应。本研究尝试通过光氧化还原脱羧与非血红素铁酶催化的手性C–N3键形成相结合,实现脱羧叠氮化反应,首次开发基于酶的此类转化方法,同时为自由基生物催化扩展了反应范围并提出了两种可能的催化机制(图1)。


图1. 用于脱羧功能化的光生物催化平台的设计


首先通过分子对接研究筛选20种非血红素铁酶,发现4-羟基苯丙酮酸双加氧酶(SavHPPD)与光催化剂曙红 Y在绿光照射下能催化脱羧叠氮化反应,生成产物总催化周转数(TTN)为140,手性比(e.r.)为70:30。定向进化通过饱和突变优化酶活性位点,最终获得四突变体SavHPPD-PC,其TTN提高至200,e.r.达到94:6。该优化主要改善了酶的叠氮化能力,并有效减少副产物异氰酸酯的生成(图2)。


图2. 初始活性的发现以及定向进化


通过进一步优化反应条件,使用SavHPPD-PC酶,氮化产物的收率提高到77%,N3/NCO比率为8.4,保持94:6的对映选择性。该反应在不同底物(如氯、甲基、甲氧基取代的苯基)上表现良好,获得高达385 TTN和97:3 e.r.的产物。然而,某些带有异丙基和三氟甲基取代基的底物由于空间位阻未能反应。该反应成功放大至0.1 mmol规模,且未损失对映选择性。对于不同的脂肪酸衍生的NHPI酯,反应也顺利进行,产率为27–124 TTN。用硫氰酸盐替代叠氮化物时,成功得到硫氰化产物,表明该生物催化光还原策略可开发新型金属酶催化的自由基反应(图3)。


图3. 光生物催化脱羧叠氮化和硫氰化反应的底物范围


最后作者通过一系列实验深入探讨了该反应的机制。首先,通过监测反应进程中1-NHPI的对映体比率变化,发现反应过程中产物的生成逐渐增多,且对映体比率维持在94:6,这表明酶能够有效结合(R)-和(S)-1-NHPI底物,并将它们转化为表观反转的底物自由基。进一步的电子自旋共振实验(EPR)显示,在1-NHPI存在的情况下,Fe(III)中间体积累明显,表明1-NHPI与激发态的eosin Y发生单电子转移(SET),促进了Fe(III)的形成。通过分子动力学(MD)模拟和对接分析,作者确认了酶活性位点中eosin Y与铁中心之间的直接电子转移可能性。通过定向进化,通过突变改进了酶的对映选择性,并且MD模拟进一步解释了突变如何影响底物和产物的结合和转化。最终的机制支持了一个以eosin Y激活Fe(II),进而通过第二次SET激活NHPI酯的反应路径,成功实现了对映选择性地生成氮化产物(图4)。


图4. 反应机制研究

综上,本研究提出了一种自适应策略,通过将光氧化还原驱动的自由基生成与非血红素铁酶介导的对映选择性自由基捕获相结合,开发对映选择性酶促转化。使用这种方法,非血红素铁酶 SavHPPD 被重新用于催化脱羧叠氮化,通过 NHPI 酯的光脱羧,由曙红Y光催化剂促进。该平台的多功能性通过将其应用于脱羧硫氰化得到进一步证明,这是通过用硫氰酸盐代替叠氮化物作为转移配体实现的机理研究表明,反应通过光激发的曙红Y将 Fe(II) 中心初始氧化为 Fe(III),然后由还原的曙红Y进行第二次 SET 到 NHPI 酯,产生 C(sp³) 自由基。光催化剂与蛋白质表面结合,将其定位在距离铁中心 20 Å 以内,以实现长距离电子转移,从而促进这一过程。预计这种光酶方法将在生物催化领域得到广泛应用,它将合成光氧化还原催化中的各种自由基生成方法与金属酶的多功能性和适应性结合起来。

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论文相关信息

文章信息:Merging photoredox with metalloenzymatic catalysis for enantioselective decarboxylative C(sp3)‒N3 and C(sp3)‒SCN bond formation

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41929-024-01257-7

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