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Angew：1,2-氨基醇的生物催化級聯合成
來源：化學加原創 2022-10-04
導讀：生物催化級聯反應在高效、不對稱合成生物活性化合物方面具有獨特的優勢。然而，高底物特異性可能限制生物催化級聯反應的范圍，因為組成酶可能具有非互補性活性。近日，威斯康辛大學麥迪遜分校Andrew R. Buller課題組利用了底物多重篩選(SUMS)的方法，改善了轉醛酶(ObiH)和脫羧酶之間的底物范圍重疊，并用于手性1,2-氨基醇的生產。為了產生混雜級聯，作者設計了一種色氨酸脫羧酶，使其在有效作用于β-OH氨基酸的同時，避免作用于ObiH活性所需的L-蘇氨酸。最終，作者以一鍋法從醛或苯乙烯氧化物得到各種對映純1,2-氨基醇。
生物催化級聯的一鍋法在實際合成中很受歡迎，因為它們免去了產物分離，減少了浪費。這種多催化劑體系還可以通過將熱力學上不利的反應與有利的反應耦合起來，限制不利反應路徑的動力學競爭，從而提高收率。由于酶的高化學選擇性，酶級聯往往高效且高產。基于這些原因，利用脂肪酶、脫氫酶或轉氨酶等酶的生物催化級聯已經廣泛應用于多種合成。C-C鍵生成反應對生物催化級聯反應有重要意義，但形成C-C鍵的酶級聯反應往往受底物范圍差的影響導致效果不好。這類限制阻礙了酶在有機合成中的廣泛應用。識別在新底物上作用的酶需要時間和大量資源，每個級聯也對應著各自的定制酶。因此，開發更好地控制生物催化劑范圍的方法，特別是那些構建碳骨架的方法，將有助于生物催化的長遠發展。
圖1. 研究背景（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）作者發展了一種蛋白質工程篩選方法——底物多重篩選(SUMS)，以監測蛋白質工程中底物范圍的變化。該方法可篩選多種底物活性，并確認所形成的每個產物，從而測試生物催化劑的混交性。SUMS通過底物產生的m/z比，利用質譜實現同步定量。因此，關于單個底物的活性和特異性的信息都可以從單個試驗中得到，大大簡化了工作量。鑒于使用SUMS的例子很少，還不清楚在多步進化運動中底物范圍混雜如何改變，以及是否可以使用這種方法真正定制底物范圍。由于臨床使用的1,2-氨基醇具有廣泛的化學多樣性，最顯著的是β-受體阻滯劑。此外，它們相對簡單，為混雜的生物催化合成提供了機會。然而，級聯的效用受到脫羧酶活性的限制，僅能以制備規模獲得少量芳基1,2-氨基醇。作者利用L-蘇氨酸轉醛酶(LTTA)和氨基酸脫羧酶，開發了一種高效的生物催化級聯體系，成功地將非手性醛轉化為1,2-氨基醇。根據之前的經驗，ObiH可催化不同芳基、α-芳基和脂肪醛形成β-OH氨基酸。然而，沒有氨基酸脫羧酶被證明具有包含通過ObiH產生的各種氨基酸的范圍。酪氨酸脫羧酶對芳香β-OH氨基酸具有有限的活性，但對其它類脫羧酶的β-OH氨基酸脫羧活性還沒有被發現。因此，作者設計了一種氨基酸脫羧酶用于與ObiH的級聯范圍互補，并利用SUMS監測優化過程中底物范圍的變化。該工作展示了生物催化級聯在多種1,2-氨基醇合成中的應用，該反應具有良好的收率和高的e.r.，并可用于β-受體阻滯劑的高效全合成。為了研究脫羧酶在級聯合成1,2-氨基醇方面的潛力，作者講這些酶與ObiH一起加入苯甲醛(2a)和蘇氨酸的反應。OBiH-VlmD級聯只產生了微量的2c。相反，蘇氨酸(1c)的脫羧產物是主要產物。ObiH-RgnTDC級聯產生2c，蘇氨酸脫羧作用微不足道。因此作者選擇RgnTDC作為級聯的脫羧酶。這種酶對ObiH可以合成的脂肪族或芐基β-OH氨基酸底物不具有任何活性。因此，作者開始擴大RgnTDC的范圍，以便它可以補充級聯合成ObiH的范圍，最終確定最適用的酶為RgnTDCNMY。圖2. 酶的設計與篩選（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）隨后作者對反應適用范圍進行研究，并發現該級聯反應產生了多種芳香的1,2-氨基醇。作者最初不確定RgnTDCNMY在這些反應所使用的負載(0.1-0.5 mol%)下是否具有足夠的活性并保持較高的收率。然而，大多數芳香族產物具有> 90:10的高e.r.（2c，6c-10c），表明很少重新進入ObiH活性位點。相對難溶的底物在級聯反應中反應效率不高，e.r.也會顯著較低。RgnTDCNMY對多種具有不同官能團的脂肪族β-OH氨基酸同樣具有活性。雖然這些反應的總轉化率較低，但通過延長反應時間和充分攪拌可以提高收率。芳醛是酶級聯反應最活躍的底物，且會生成一系列腎上腺素類似物。可以看出，該反應對芳環上不同種類取代基的耐受性較好。令人驚喜的是，ObiH在合成脂肪族β-OH氨基酸方面具有極高的選擇性。己醛的級聯反應進展順利，收率高、立體化學純度高地合成了5c。此外，作者還探索了N-Boc氨基乙醛的反應，盡管產率較低，但值得強調的是，脂肪族1,2-氨基醇以前無法通過天然脫羧酶的級聯反應獲得。圖3. 適用范圍（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）酶通常可以實現傳統合成方法中沒有的轉化，使復雜分子的簡潔合成成為可能。1,2-氨基醇通常是通過環氧化合物與異丙基胺親核試劑的開環作用，依靠重新組裝的碳骨架形成的。為了展示無保護基生物催化如何實現新的斷開與連接，作者完成了一系列β-受體阻滯劑的合成。作者按照Tajbakhsh的方法，將分離出來的1,2-氨基醇和丙酮在還原胺化條件進行烷基化反應，最終以高收率、對映體純地得到7d、8d、11d。圖4. 反應應用（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）生物催化級聯是化學合成的有力手段，可以將傳統合成的不可能變為可能。雖然許多級聯是可行的，但它們可能會因為組成酶的底物范圍不匹配受到阻礙。Andrew R. Buller課題組利用SUMS改善了轉醛酶(ObiH)和脫羧酶之間的底物范圍重疊，實現了1,2-氨基醇的合成。它的成功可能會促進生物催化級聯反應在合成復雜分子骨架方面創造新的可能。
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