Nat. Synth.：Rh(III)人工金屬酶催化，實(shí)現(xiàn)異吲哚酮的對(duì)映發(fā)散合成

導(dǎo)讀

近日，印度理工學(xué)院孟買校區(qū)（Indian Institute of Technology Bombay）Prasenjit Bhaumik課題組和Debabrata Maiti課題組設(shè)計(jì)和發(fā)展了一個(gè)鏈霉親和素-生物素-銠(III)催化體系，使用N-(特戊酰氧基)苯甲酰胺和芳香重氮酯為起始原料，以高達(dá)95:5的對(duì)映體比例實(shí)現(xiàn)了手性異吲哚酮的合成。此混合催化體系可以兼容多種不同的重氮酯，實(shí)現(xiàn)了具有多種有用官能團(tuán)（聯(lián)苯、硫醚、硒醚、胺、烯烴和炔烴）的手性異吲哚酮的合成。機(jī)理研究表明該轉(zhuǎn)化涉及一個(gè)導(dǎo)向的內(nèi)球C-H活化過(guò)程以及隨后的重氮插入過(guò)程。此外，作者通過(guò)對(duì)鏈霉親和素與Rh(III)輔因子的高分辨晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)出了N49位點(diǎn)的突變體，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)映發(fā)散合成。相關(guān)成果發(fā)表在Nat. Synth.上，文章鏈接DOI：10.1038/s44160-024-00533-5。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

正文

將酶催化和過(guò)渡金屬催化結(jié)合在人工金屬酶內(nèi)可以有效拓展自然界中的未知化學(xué)轉(zhuǎn)化。其可以通過(guò)在蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)內(nèi)對(duì)反應(yīng)催化中心進(jìn)行識(shí)別，從而通過(guò)蛋白質(zhì)工程在實(shí)現(xiàn)協(xié)同催化的同時(shí)得到良好的選擇性，因此有效解決了不對(duì)稱有機(jī)金屬催化中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。鏈霉親和素是一種同源四聚體蛋白質(zhì)，其可以與生物素化的金屬絡(luò)合物結(jié)合在一起作為人工金屬酶應(yīng)用在多種非天然轉(zhuǎn)化中。然而到目前為止使用基于鏈霉親和素的人工金屬酶來(lái)對(duì)映選擇性的合成異吲哚酮仍未實(shí)現(xiàn)。最近，印度理工學(xué)院孟買校區(qū)Prasenjit Bhaumik課題組和Debabrata Maiti課題組發(fā)展了鏈霉親和素-生物素-銠(III)催化體系，使用N-(特戊酰氧基)苯甲酰胺和芳香重氮酯為起始原料，以高達(dá)95:5的對(duì)映體比例實(shí)現(xiàn)了手性異吲哚酮的合成（Fig. 1）?；瘜W(xué)加——科學(xué)家創(chuàng)業(yè)合伙人，歡迎下載化學(xué)加APP關(guān)注。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

首先，作者選擇N-(特戊酰氧基)苯甲酰胺1a和芳香重氮酯2a作為模板底物對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了探索（Table 1）。通過(guò)對(duì)一系列酶突變體進(jìn)行篩選，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用1a (0.01 mmol), 2a (0.015 mmol), Sav S112Y/K121E mutant (0.66 mol%, 4.3 mg), [RhCp*biotinCl2]2 (1 mol%), MOPS緩沖液(3-(N-morpholino)propanesulfonic acid) (1 M, pH 6.0) 162 μl, 丙酮 54 μl, 23 °C反應(yīng)72小時(shí)可以以22%的產(chǎn)率，81：19 e.r.得到手性異吲哚酮3a。突變體S112Y/K121E中酪氨酸和谷氨酸的協(xié)同作用對(duì)于反應(yīng)的對(duì)映選擇性至關(guān)重要。值得注意的是，單獨(dú)使用[RhCp*Cl2]2和[RhCp*biotinCl2]2在醋酸鹽緩沖溶液中催化是無(wú)法形成3a的。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

在得到了最優(yōu)反應(yīng)條件后，作者對(duì)此轉(zhuǎn)化的底物范圍進(jìn)行了考察（Fig. 2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同取代的N-(特戊酰氧基)苯甲酰胺和芳香重氮酯均具有良好的兼容性，以8-72%的產(chǎn)率，良好的對(duì)映選擇性得到相應(yīng)的手性異吲哚酮產(chǎn)物3a-3y。其中包括硝基、鹵素、烷氧基和烷基等不同基團(tuán)均可兼容。此外，作者通過(guò)X射線單晶衍射和HPLC分離證實(shí)了產(chǎn)物3e的絕對(duì)構(gòu)型為R構(gòu)型，這主要是由于S112Y/K121E的使用。通常來(lái)講，苯甲酰胺的對(duì)位連有給電子基團(tuán)（甲基，甲氧基等）時(shí)選擇性相對(duì)較低。此外，在芳基重氮酯的對(duì)位連有Cl和tBu時(shí)產(chǎn)率相對(duì)較高。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

接下來(lái)，作者對(duì)一系列結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳基重氮酯的兼容性進(jìn)行了考察（Fig. 3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，包括3號(hào)位含有芳基硫、芳基胺、芳基硒和芳基乙炔以及4號(hào)位含有甲基、甲氧基、苯基、乙烯基以及硝基等取代的芳基重氮酯均可順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，以合成有用的產(chǎn)率（8-67%）和中等的對(duì)映選擇性得到相應(yīng)的產(chǎn)物3aa-3bd。此外，將催化劑的量提升至3 mol%時(shí)，產(chǎn)物的產(chǎn)率可以增加兩倍以上，而對(duì)映選擇性幾乎保持不變。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

由于作者從[RhCp*biotinCl2]2:Sav S112Y/K121E絡(luò)合物的高分辨晶體結(jié)構(gòu)中觀察到殘基45-52非常接近反應(yīng)中心，并在反應(yīng)過(guò)程中大概率可以影響底物的靠進(jìn)，從而影響反應(yīng)的對(duì)映選擇性結(jié)果。特別是距離輔因子5 ?（NCB到Cp*）的N49殘基。因此作者對(duì)WT和S112Y/K121E骨架的N49殘基進(jìn)行突變得到了六個(gè)單突變體、五個(gè)三突變體和一個(gè)雙突變體。其中，單突變體 N49V、N49I和N49Y和雙突變體N49F/K121E與S112Y/K121E相比逆轉(zhuǎn)了對(duì)映選擇性，得到(S)-3aa為主要的立體異構(gòu)體。此外，對(duì)于3s和3as來(lái)講，N49Y比N49F/K121E更有效。而在所有其它情況下，突變體N49F/K121E傾向于相反的立體選擇性（3a、3aa-3aq和3au）。上述結(jié)果均表明N49殘基可以決定與重氮酯反應(yīng)的面選擇性（Fig. 4）。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

為了探索反應(yīng)中的C-H活化過(guò)程的可逆性，作者以芳環(huán)被氘代的N-(特戊酰氧基)苯甲酰胺底物，在不存在重氮突變體的條件下，使用S112Y/K121E和N49Y在最優(yōu)反應(yīng)條件下反應(yīng)48小時(shí)后并未在鄰位觀察到氫原子的引入。由此表明C-H活化步驟是不可逆的，這與之前的有機(jī)金屬催化過(guò)程相一致（Fig. 5a）。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者提出了此轉(zhuǎn)化可能的反應(yīng)機(jī)理（Fig. 5b）：首先，輔因子（中間體I）中的Rh(III)與酰胺的氮原子相互作用得到中間體II；隨后通過(guò)協(xié)同金屬化-去質(zhì)子化進(jìn)行C-H活化得到五元環(huán)銠中間體III并與重氮酯反應(yīng)形成中間體IV；接下來(lái)，通過(guò)決定對(duì)映選擇性的遷移插入得到六元環(huán)銠中間體V，并經(jīng)歷還原消除得到產(chǎn)物3a和Rh(I)。而Rh(I)可以被N-O鍵氧化為Rh(III)，并通過(guò)質(zhì)子去金屬化過(guò)程促進(jìn)活性催化中間體I的再生來(lái)完成催化循環(huán)。

（圖片來(lái)源：Nat. Synth.）

總結(jié)

Prasenjit Bhaumik課題組和Debabrata Maiti課題組發(fā)展了鏈霉親和素-生物素-銠(III)催化體系，以良好的對(duì)映選擇性實(shí)現(xiàn)了手性異吲哚酮的合成。不同取代的N-(特戊酰氧基)苯甲酰胺和芳香重氮酯均具有良好的兼容性，實(shí)現(xiàn)了具有多種有用官能團(tuán)（聯(lián)苯、硫醚、硒醚、胺、烯烴和炔烴）的手性異吲哚酮的合成。機(jī)理研究表明該轉(zhuǎn)化涉及一個(gè)導(dǎo)向的內(nèi)球C-H活化過(guò)程以及隨后的重氮插入過(guò)程。值得注意的是，作者通過(guò)設(shè)計(jì)得出的N49位點(diǎn)突變體可以有效實(shí)現(xiàn)相反的立體選擇性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)映發(fā)散合成。
文獻(xiàn)詳情：

Enantiodivergent synthesis of isoindolones catalysed by a Rh(III)-based artificial metalloenzyme
Prasun Mukherjee, Anjali Sairaman, Hirak Jyoti Deka, Shubhanshu Jain, Sandip Kumar Mishra, Sayan Roy, Prasenjit Bhaumik*,Debabrata Maiti*.
Nat. Synth., 2024
https://doi.org/10.1038/s44160-024-00533-5.