Nature：新機理，光酶催化構(gòu)建C-N鍵

導(dǎo)讀

近日，美國普林斯頓大學（Princeton University）Todd K. Hyster課題組報道了一種光酶催化烯烴的氫-胺化反應(yīng)，其通過Baeyer-Villiger單氧酶實現(xiàn)了一系列2,2-二取代吡咯烷的合成。作者通過五輪蛋白工程得到一個突變體，使得產(chǎn)物的產(chǎn)率和立體選擇性都非常出色。與依賴胺基或烯烴氧化構(gòu)建C-N鍵的相關(guān)光化學氫-胺化反應(yīng)不同，此轉(zhuǎn)化利用了還原生成的芐基自由基與氮原子的孤對電子之間的空間相互作用來構(gòu)建C-N鍵。這種獨特的C-N鍵構(gòu)建機理在小分子催化中是難以實現(xiàn)的，為化學合成中未解決的挑戰(zhàn)提供了獨特的解決方案。

（圖片來源：Nature）

正文

由于氮原子普遍存在于小分子藥物和農(nóng)用化學品中，因此發(fā)展高效的碳氮鍵構(gòu)建方法在現(xiàn)代合成化學中至關(guān)重要。烯烴的氫-胺化是利用非活化烯烴構(gòu)建碳氮鍵的一種原子經(jīng)濟的合成策略。然而，在制備全取代的碳立體中心時，這些反應(yīng)很難實現(xiàn)不對稱反應(yīng)過程。最近，美國普林斯頓大學Todd K. Hyster課題組利用Baeyer-Villiger單氧酶實現(xiàn)了一種光酶催化烯烴的氫-胺化反應(yīng)，構(gòu)建了一系列2,2-二取代吡咯烷。通過五輪蛋白工程得到的蛋白突變體，可以以良好的產(chǎn)率和立體選擇性得到產(chǎn)物。機理方面，此轉(zhuǎn)化利用了還原生成的芐基自由基與氮原子的孤對電子之間的空間相互作用來構(gòu)建C-N鍵，這與傳統(tǒng)的利用胺基或烯烴氧化構(gòu)建C-N鍵有所不同（Figure 1）。

（圖片來源：Nature）

首先，作者以帶有端烯的苯胺1為模板底物，探索了利用其構(gòu)建2,2-雙官能團化吡咯烷的轉(zhuǎn)化（Figure 2）。通過對多種不同的黃素酶進行篩選，作者發(fā)現(xiàn)當使用AcCHMO（Acinetobacter calcoaceticus）時可以有效的實現(xiàn)5-exo-trig環(huán)化，以1%的產(chǎn)率，55:45 er得到吡咯烷產(chǎn)物2，且并沒有觀察到6-endo-trig產(chǎn)物3。而對于其它的酶，包括苯乙烯氧化酶、D-氨基酸氧化酶、單胺氧化酶、膽固醇氧化酶、氯氧化酶等均不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。由于利用蛋白質(zhì)工程可以有效改善反應(yīng)的產(chǎn)率和立體選擇性，因此作者利用軟件進行結(jié)構(gòu)預(yù)測，將酶通過五輪蛋白工程得到一個突變體，其可以以97%的產(chǎn)率，95:5 er，選擇性的得到吡咯烷產(chǎn)物2。分子動力學實驗表明R490E、I490T和A479H三個位點位于一個環(huán)狀區(qū)，是酶的活性位點。這種在遠端位點突變的設(shè)計在打開催化活性位點和實現(xiàn)位點與底物的接觸中起到至關(guān)重要的作用。隨后，作者測試了無細胞狀態(tài)下的酶催化活性。當將催化劑的載量降為0.04 mol %時，仍可以以17 %的產(chǎn)率得到產(chǎn)物4（TON = 436），且立體選擇性得到保持。此外，作者還發(fā)現(xiàn)當加入1.0 equiv NADP+可以抑制反應(yīng)，因此其可以作為有效的抑制劑。

（圖片來源：Nature）

在最優(yōu)反應(yīng)條件下，作者對此轉(zhuǎn)化的底物范圍進行了考察（Figure 3）。實驗結(jié)果表明，一系列不同取代的苯胺和苯乙烯均可良好兼容，以14-99%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物2-26。其中，富電子芳烴通常提供更高的產(chǎn)率和選擇性(2、4-10、13-20)。苯胺一側(cè)（10）和苯乙烯部分（19）上的大取代基，如萘，可以在沒有降低產(chǎn)率和對映選擇性的情況下進行轉(zhuǎn)化。此外，缺電子的氮雜環(huán)同樣是耐受的（11-12, 21），其克服了Br?nsted酸催化環(huán)化的局限性。遺憾的是，環(huán)化反應(yīng)對雜環(huán)取代較敏感，反應(yīng)會受到影響。而利用蛋白質(zhì)工程可以克服這些限制。相應(yīng)的同系化底物可以實現(xiàn)6-exo-trig環(huán)化，以13%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物22，并具有良好的對映選擇性（78:22 er）。這是一個有趣的例子，因為當使用光氧化還原催化劑時，這種類型的底物通常會經(jīng)歷1,5-HAT而非環(huán)化。

此外，利用此策略還可以以中等產(chǎn)率（42%）和對映體比（27:73）得到修飾的吡咯烷骨架23。接下來，作者利用此方法制備了三種芳基吡咯烷原料藥的α-甲基化類似物。包括TRK抑制劑GNF-862541的甲基化吡咯烷片段24（85%, 94:6 er）；改良的原肌球蛋白抑制劑片段α-甲基larorectinib 26（77%, 75:25）和其相關(guān)結(jié)構(gòu)25（25%, 73:27）。這些合成過程表明，利用此方法可以很容易的制備通常需要多步合成的取代類似物。

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接下來，作者對反應(yīng)機理進行了探索（Figure 4）。作者發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)具有一定的誘導(dǎo)期，且不是由反應(yīng)物的氧化來啟動反應(yīng)，誘導(dǎo)期的觀察表明氧化黃素不是自由基引發(fā)的原因，而是需要光還原才能發(fā)生反應(yīng)。而當使用連二亞硫酸鈉還原酶進行催化反應(yīng)時，在沒有誘導(dǎo)期的情況下以74 %的產(chǎn)率，95:5 er得到產(chǎn)物。UV-Vis光譜表明，連二亞硫酸鈉還原酶與光照還原酶是等效的。因此，此反應(yīng)的誘導(dǎo)期是經(jīng)歷了光化學還原FAD為FADhq。此外，作者利用控制實驗排除了能量轉(zhuǎn)移機理的可能?；谏鲜鰧嶒灲Y(jié)果，作者得出反應(yīng)首先經(jīng)歷了烯烴被FADhq*還原。由于FADhq*的E0為-2.26 V vs. SCE，因此其無法還原α-甲基苯乙烯（Ered = -2.6 V vs. SCE）。但是正電性的活性位點可以減小反應(yīng)物的還原電勢，而且可以穩(wěn)定FADsq-。這種陰離子具有很強的堿性，能夠快速且不可逆的脫質(zhì)子，從而形成芐基自由基。

（圖片來源：Nature）

作者通過研究發(fā)現(xiàn)，芐基自由基和苯胺之間的相互作用會影響氧化還原過程，且這種作用關(guān)系在以往的報道中還未出現(xiàn)。由于氮原子的孤對電子和自由基之間的超共軛作用，可以有效增加SOMO軌道的能量，使自由基更容易被氧化。因此此轉(zhuǎn)化經(jīng)歷了一種與小分子催化完全不同的氫-胺基化機理。其利用芐基自由基與氮原子的孤對電子之間的空間相互作用來降低酶催化位點的自由基氧化還原電勢從而構(gòu)建C-N鍵。

總結(jié)

Todd K. Hyster課題組報道了一種高度選擇性的光酶催化反應(yīng)過程，立體選擇性的實現(xiàn)了烯烴的氫-胺化反應(yīng)?；趯嶒灪陀嬎憬Y(jié)果，作者得出該反應(yīng)經(jīng)歷了一種全新的C-N鍵形成機理，利用還原生成的芐基自由基與氮原子的孤對電子之間的空間相互作用實現(xiàn)了C-N鍵的構(gòu)建。這種C-N鍵形成的新機理突出了利用酶實現(xiàn)新轉(zhuǎn)化的潛力，其可有效解決化學合成中的挑戰(zhàn)。

文獻詳情：

Emergence of a distinct mechanism of C–N bond formation in photoenzymes.

Felix C. Raps, Ariadna Rivas-Souchet, Chey M. Jones, Todd K. Hyster*.

Nature, 2024

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08138-w.