目前，约有一半的FDA批准药物含有饱和N-杂环，然而合成这些分子的现有方法存在立体化学控制和sp3 C-H官能化等局限性，尤其是在N-烷基化方面常导致过度烷基化和原子经济性差。虽然借氢催化在此领域有进展，但其底物范围有限。与传统的化学方法相比，生物催化因其温和的反应条件、良好的立体选择性等优势，逐渐被应用于药物合成。本文展示了IREDs酶的多功能性，首次通过顺序还原胺化环闭合的方法实现了N-杂环的合成（图1）。
在之前关于AcCO6工程的研究中，作者发现该酶对末端二醇底物表现出较高的特异性活性。受到化学领域借氢反应的启发，尝试开发一种生物催化等效方法用于二醇环化反应。尽管醇氧化酶已用于二醇的氧化，但由于过氧化或中间半缩醛转化为内酯，二醛的生成通常受到限制。初步分析显示，当1,5-戊二醇被AcCO6氧化时，未观察到羧酸或δ-戊内酯的生成，也未观察到戊二醛。随后通过修改酶的使用条件，成功生成了目标产物1-烯丙基哌啶，揭示了该酶在两步不同还原胺化反应中的双功能性。这一发现为进一步探讨反应机理和扩展该级联反应的产物范围奠定了基础（方案1）。
最初，一组二醇底物被用于活性筛选。除了之前测试的脂肪族二醇，还筛选了二甘醇和N-甲基二乙醇胺，以探讨该方法是否适用于形成吗啉和哌嗪。尽管二甘醇和N-甲基二乙醇胺在胆碱氧化酶条件下表现出中等活性，但GC-MS分析显示没有生成相应产物。然而，在脂肪族二醇底物中成功检测到了杂环产物的产生。对于6至8元环的饱和杂环生成较为明显，但1,4-丁二醇主要生成与吡咯相关的产物。进一步研究发现，α-取代的N-杂环可在类似条件下合成，尽管一些产物的拆分和立体化学分析受到技术限制（表1）。
在确定了产物范围后，作者将重点转向制备规模的合成。制备规模反应在1 mmol的量级上进行，N-杂环产物通过蒸馏分离。随后也对酮醇前体13进行了1 mmol的制备规模合成，蒸馏后分离得到(S)-N-环丙基-2-甲基哌啶13i，具有良好的产率和对映选择性（方案2）。
然后将该方法扩展至二取代N-杂环，专注于通过IRED催化的一锅三步级联反应合成N-烷基化2,5-二取代吡咯烷。起初，AdRedAm从2,5-癸二酮和甲胺生成N-甲基吡咯烷，转化率高达80%以上，未观察到吡咯生成。然而，所有条件下都显示较低的非对映体比例，且放大反应时持续出现副产物。为改善立体化学结果，筛选了30种IRED，并成功获得了8种N-烷基化2,5-二取代吡咯烷，反应展示了优良的非对映和对映选择性。分析表明，反应主要通过A路径进行，并成功在制备规模上合成了一系列吡咯烷（表2，方案3-4）。
作者信息及链接：
Nicholas J. Turner：https://www.turner-biocatalysis.com
文章信息：Bifunctional Imine Reductase Cascades for the Synthesis of Saturated N-Heterocycles
文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c03832
