Angew.Chem.Int.Ed|光酶选择性合成苯并氧杂环化合物

今天推送的文章是来自江南大学生物工程学院的饶义剑教授团队近期发表在Angewandte Chemie International Edition上的“Photoenzymatic Enantioselective Synthesis of Oxygen-Containing Benzo-Fused Heterocycles”。

苯并含氧杂环骨架广泛存在于天然产物和许多生物活性化合物中（图1a），如血管扩张剂药物维司那定，具有抗炎活性的阿米拉林，抗凝血剂华法林等。由于其优异的生物活性，已经开发了许多有效的化学策略来构建苯并含氧杂环。然而，这些方法中的大多数取决于过渡金属络合物或苛刻的反应条件。此外，由于小分子催化剂难以控制对映选择性，且自由基中间体寿命短，因此难以通过一般催化自由基介导的策略获得手性苯并含氧杂环。为了规避这些问题，生物催化是获得苯并含氧杂环化合物的另一种高效和绿色方法，特别是手性杂环化合物，因为生物催化剂具有优异的化学、区域和立体选择性。到目前为止，已经发现了几种具有催化活性的酶用于合成苯并含氧杂环。例如，黄素依赖性单加氧酶XimD催化苯并呋喃骨架的形成（图1b）。XimD还可以以不同的反应模式传递苯并吡喃环（图1c）。然而，这些方法侧重于苯并呋喃和苯并吡喃衍生物的合成，而很少关注它们的立体结果。由于阐明的天然酶的严格反应和底物特异性，尚未开发通过生物催化合成其他复杂的手性苯并含氧杂环。

近年来，许多方法被用于探索新的酶活性，以扩展现有酶在化学合成中的应用。其中，光催化与酶催化相结合的光酶反应在驱动生物催化反应方面备受关注。因此，作者设想了这种光酶反应用于实现具有挑战性的多种苯并含氧杂环的不对称合成。在这项工作中，作者开发了一种在可见光照射下由来自氧化葡萄糖酸杆菌的黄素依赖的烯烃还原酶(ERED) GluER催化的对映选择性反应。结果表明，GluER能将模型底物1a转化为目标产物2a，产率适中，对映选择性好。为了提高GluER的催化活性，扩大其杂化性，对GluER进行了结构导向工程。通过变体GluER-W100H成功地获得了具有多种官能团和不同环尺寸的多功能苯并融合产物，其产率高，对映选择性强(图1d)。与其他已报道的光酶分子内烯烃对单环的氢化烷基化反应不同，本工作展示了一个用于通过氢化烷基化反应对映选择性合成一系列刚性双环化合物罕见的平台。

为了消除不需要的脱卤侧产物3a，从而提高2a的产量，将1a对接到GluER（PDB：6o08）的晶体结构中（图2a），研究了它们的相互作用网络，以获得半理性工程GluER的可能残基。结果表明，T25、A56、W66、W100、H172、N175、Y177、T231、Q232、F269和Y343与模型基板很接近。N175和Q232与底物的羰基形成氢键，距离分别为2.8Å 和3.3Å（图2a、b）。W66 和 F269 分别通过π-π堆积相互作用与底物上的两个苯环相互作用。在1a 和 A56 的苯环之间发现了烷基-π键相互作用。烷基-π相互作用使底物与FMN之间具有相对紧密的距离，有利于启动反应的脱卤过程。此外，T25、W100、H172、Y177、T231和Y343与1a形成范德华相互作用。其次，为了验证对接结果的可靠性，进一步提高2a的收率，对上述氨基酸进行丙氨酸扫描。结果表明，只有变体GluER-W1A00 在保持高对映选择性（99%ee）的情况下将产率显着提高到95%。这些结果表明，大多数靠近模型底物的残基对底物结合很重要。然后，进一步进行合理的定点诱变，提高a1 的产量。结果表明，由于对副产物3a的抑制，大多数突变体表现出比WT更好的催化活性，而对映选择性没有明显降低（图3d）。当W100突变为精氨酸、疏水性脯氨酸、甘氨酸和亮氨酸时，产率显著下降至33 - 58%，这意味着适当的亲水性和空间位阻对于高效合成2a至关重要。在这些突变体中，变异GluER-W100H在不改变对映体选择性的情况下产量最高(99%)。因此选择变异GluER-W100H进行进一步研究。

为了扩大变异GluER-W100H的混杂性，研究了上述生物催化环化反应的底物范围。首先研究肉桂基苯环上一系列不同取代基对底物的耐受性(图3)。证明了变体GluER-W100H可以将各种底物转化为所需的苯并含氧杂环产物，产率高，对映选择性强。

为了研究该光酶反应的合成效用，进行了克级实验，其中1a (3.03 mmol, 7.6 mM)的产物2a (658 mg)仍然可以以86%的分离率和＞99% ee获得(图4)。由于以亲核亚胺键和酸性氢质子为特征的腙广泛应用于分子开关、金属组件和传感器等领域，特别是那些以苯并环基团为染料和关键中间体的腙，作者试图将2a转化为4a。苯肼4a与2,4-二硝基苯肼可以很容易地以95%的产率从2a中得到，并且其结构也通过x射线晶体学得到明确的证实(图4)。根据4a的结晶数据，产物2a的构象也被表征为(R)-构象。这些结果表明该光酶反应具有很高的实际应用价值，且活性和对映体选择性没有明显损失。

最后，通过对接模型进一步解释GluER-W100H催化合成的对映选择性(5d)。根据野生型GluER (PDB: 6008)的晶体结构，将不同对映选择性的产物(R)-2a和(S)-2a分别与GluER- W100H进行对接，计算对接能。(S)-2a与GluER-W100H之间存在明显的位阻效应。因此，该反应有利于(R)- 2a，其位阻较小，这与从4a晶体结构中观察到的立体结果一致。

在本研究中，为了解决不对称合成不同手性含氧苯并杂环的挑战，通过结构引导的GluER工程，开发了一种新型的光酶反应。这种以GluER-W100H为生物催化剂的光酶反应具有广泛的底物范围，可耐受多种官能团和环的大小，进而提供多种所需的手性含氧苯并杂环，并具有较高的产率和对映体选择性。此外，这些结果得到了机制研究和分子对接的充分支持。本文为制备多功能手性含氧苯并杂环基序提供了一种绿色的替代方法，可用于化学酶催化合成有机化学中重要的复合生物活性药物。