01
研究背景
腈类化合物，特别是手性丙二腈化合物作为一种通用的化学模块，广泛分布于许多高分子材料、药物和生物活性分子。多种化学法（如使用强碱+钯碳/氢气、纳米材料、过渡金属催化剂）已被用于手性丙二腈化合物的合成，但这些方法通常反应条件严苛、产物立体选择性差、催化剂昂贵以及环境污染严重。在温和的条件下开发高效和高对映选择性的 β-手性丙二腈衍生物的合成方法仍是一个挑战。
02
研究内容
近日，四川大学王娜副教授团队以简单易得的取代苯甲醛和丙二腈为原料，串联光催化 Knoevenagel 反应和烯还原酶催化的不对称氢化，实现了 β-手性丙二腈衍生物的绿色、高产率、高对映选择性合成。该光-酶反应在常温、常压、空气氛围的温和条件下即可实现，并且酶催化步骤仅需要 50min 就能以出色的产率（up to 94%）和对映选择性（up to ＞99%）制备手性产物。
图1 一锅法光-酶合成 β-手性丙二腈衍生物
作者以苯乙酮 (1a) 和丙二腈 (2) 为模板底物，对光-酶级联反应的条件进行了一系列优化。其中，烯还原酶的种类对手性产物的产率和立体选择性起重要作用 (表1)。
表1 烯还原酶种类筛选
在最佳反应条件下 (0.2 mmol 1，0.4 mmol 2，8 mol% MO，40% v/v EtOH/H2O，白光照射下反应 36 h。反应结束后稀释体系，加入终浓度为 0.4 mg/mL NCR or GluER，0.5 mg/mL GDH，20 mM glucose，0.1 mM NADP+，10% v/v DMSO，10 mM pH 7.2-7.4 TEOA buffer，32℃ 反应 50 min)，作者探究了该光-酶串联反应的底物普适性范围。测试了含有不同供电基和吸电基的苯乙酮 (4a-4m)，其中大部分表现出中等至良好的产率 (25-99%) 和良好的对映选择性 (54-99% ee)。此外，该策略也可用于制备五元杂环丙二腈衍生物 (4n) 和其他亚甲基活性化合物的手性衍生物 (4o) (图2)。
图2 光-酶级联反应的底物普适性范围
进一步地，作者引入了酶动力学测试、分子对接和分子动力学模拟来探究不同酶表现出的催化产率及对映选择性差异。酶动力学测试结果显示，NCR 对底物的 kcat/Km 约为 OYE1 的 2.5 倍。分子对接结果显示，NCR 与底物 3a 的结合能 (-5.49 kcal/mol) 显著低于 OYE1 与 3a 的结合能 (-5.02 kcal/mol) (表2)。此外，分子动力学模拟结果表明得到了 NCR 的 FMN-N5 的 H 到底物 C=C 的 β-C 的距离(即氢负离子转移的距离)略低于 OYE1 的氢负离子转移距离(图3)。上述结果均表明 NCR 比 OYE1 具有更好的底物亲和力，导致产率更高。
表2 OYE1 和 NCR 的酶动力学测定参数及结合能
图3 FMN-N5 的 H 到 C=C 的 β-C 的距离。(a) NCR-3a；(b) OYE1-3a；(b) OYE3-3a
同时，分子对接结果表明，NCR 和 OYE1 (二者均为＞90% ee) 在活性位点类似的部位均存在一个大体积的苯丙氨酸。而 OYE3 (3.5％ ee) 在类似位置存在一个小体积的丝氨酸。苯丙氨酸显著缩小了活性空腔的体积，使底物的结合更加精确，降低了底物的灵活性，从而获得了单一的手性产物。因此，NCR 和 OYE1 均表现出良好的对映选择性，而 OYE3 则相反 (图4)。
图4 ERs 与 3a 的分子对接结果。(a) NCR-3a；(b) OYE1-3a；(c) OYE3-3a；(d) NCR 的 FMN-N5 的 H 到 C=C 的 β-C 的最近距离；(e) OYE1 的 FMN-N5 的 H 到 C=C 的 β-C 的最近距离；(f) OYE3 的 FMN-N5 的 H 到 C=C 的 β-C 的最近距离
03
总结展望
作者建立了在白光照射下 MO 催化 Knoevenagel 缩合串联 ERs 催化不对称氢化的一锅光酶催化体系合成 β-手性丙二腈衍生物。该方法反应条件温和、操作简单、具有较好的普适性和出色的立体选择性，为手性腈类化合物的合成提供了一条无金属、可持续的合成路线。并且，该方法的产物可用于进一步合成手性酸和酰胺等有用分子。
04
论文信息
One-pot photoenzymatic synthesis of β-chiral malononitrile derivatives
Xin-Yue Fan, Yuan Yu, Ru-De Lin, Yao Yao, Ming-Liang Shi, Kun Li, Xiao-Qi Yu, Yan-Hong Liu and Na Wang
Org. Chem. Front., 2024,11, 5179-5187
https://doi.org/10.1039/D4QO00859F
*文中图片皆来源上述文章
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05
通讯作者简介
王娜，四川大学化学学院副教授，硕士生导师，主要从事生物催化与生物转化、酶工程与蛋白质工程、功能化高分子材料等方面的研究。以第一作者或通讯作者发表SCI论文70余篇，他引次数达350余次。
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