Nature重磅！光辅助酶催化不对称氢烷基化

微著

2020-06-12

第一作者：Xiaoqiang Huang，Binju Wang（共同第一作者）

通讯作者：Huimin Zhao

通讯单位：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校

研究要点：

1. 通过烯还原酶/光协同催化系统，合成了常规化学合成方法难以得到的γ-位点上对映中心的羰基（酮、酰胺、酯）分子。

2. 扩展了酶催化反应的种类，在酶合成过程中在光催化剂帮助条件中实现分子间烯烃氢烷基化反应。

3. 该反应中无需加入贵金属光催化剂，通过在酶和反应物之间形成具有可见光吸光能力的电子供体-受体加合物进行。

研究背景

酶催化在不对称有机合成中的应用正快速发展，酶催化的应用通常有局限性，只有天然存在的酶才能进行。最近光催化的发展显示使用现有的酶能体现出不同的反应活性，但是通过酶催化对两个分子之间的反应仍未见报道。

传统的烯还原酶（ene-reductase）的反应中不存在光的作用，通过双电子还原反应进行，对羰基取代烯烃分子进行反应，该酶催化剂中通过组氨酸和天冬酰胺（或者两个组氨酸）位点和分子中的羰基结合，酪氨酸（tyrosine）作为供氢分子，黄素单核苷酸氢醌FMN在和GDH/NADP⁺/葡萄糖反应过程中得以循环。

拟解决或者拟探索的关键问题

在酶催化剂反应中构建了光的催化作用。这个反应是通过化学催化方法难以实现的过程。反应机理研究结果显示，底物通过和烯还原酶配合，在酶催化活性位点上通过光催化进行对映选择性的自由基反应。本工作的意义在于扩展了光催化和生物酶催化配合进行手性催化反应。

核心内容

有鉴于此，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Huimin Zhao等作为通讯作者和厦门大学的研究者等报道了烯还原酶（ene-reductase）/光催化作用中的分子间自由基加氢烷基化（hydroalkylation）反应，该反应中通过端烯分子和α-卤化羰基分子之间的反应，这个反应中以达到99 %的产率和99 % ee值实现了γ-位点上对映中心结构的羰基产物分子。

图1. 反应设计scheme

要点1. 反应实施

反应构建。将烯还原酶简化为OYE1中间体。在该中间体中，黄素单核苷酸氢醌（flavin mononucleotide hydroquinone, FMN）作为光催化剂，通过His191和Asn194和反应物分子间形成氢键作用，Tyr196作为供氢分子。在蓝光LED光照和N₂保护中进行反应。

图2. 反应优化

要点2. 底物拓展

作者对α-溴代芳基酮的种类进行拓展，结果显示多种底物都有较好的反应性，并且反应对芳环上的电子效应兼容，对不同电子效应的芳环底物以74~99 %的产率和93~98 % ee值得到γ-手性碳的酮。反应对包括1,3-二酯、酯、酰胺类的羰基官能团有兼容性。OYE1在芳基酮的反应中是效果最好的酶，YersER在酰胺中效果较好，XenA在酯的反应中效果最好。α-氯苯乙酮和溴化物的反应结果类似，但是α-氯酯、α-氯酰胺的反应活性比对应的溴化物反应活性更低。

作者对烯烃的种类进行拓展，结果显示不同的α-甲基取代的芳基烯烃有较好的反应活性，能以58~83 %的产率和97~98 % ee值进行反应，同时反应物对炔、α-乙基芳基官能团有兼容性，但是对应的产率偏低，分别为72 % ee 47 %产率和77 % ee 62 %产率进行反应。

图3. 反应底物拓展

要点3. 反应机理

首先，GDH将NADP⁺还原为NADPH，同时将葡萄糖氧化为葡萄糖酸。随后，NADPH将氢递送给烯还原酶上的FMN，生成FMNH^-。α-卤代羰基化合物通过氢键作用结合在酶的位点上，并和FMNH^-发生作用生成电子供体-受体EDA复合物（electron donor-acceptor）。这种EDA复合物受光激发，通过单电子转移过程进行反应，同时脱除羰基α-碳上的卤原子，生成FMNH·和α-羰基自由基，随后α-羰基自由基和烯烃分子进行加成反应，并在烯还原酶的立体控制作用中对FMNH·进行抓氢反应，生成FMN和手性产物。

作者通过时间分辨DFT方法结合电荷密度差分对光催化反应过程进行研究，结果显示包括FMNH^-的π轨道向π*轨道间的电荷转移激发态能量变化处在可见光范围内，同时能够非常容易的进行碳-卤键切断生成苯甲酰基自由基。苯甲酰基自由基和烯烃之间的反应能垒仅仅为2.6 kcal/mol（与之相比，分子内的脱卤过程能垒更高，达到4.4 kcal/mol）。

图4. 可能的反应机理

要点4. 展望

本工作的意义在于展现了烯还原酶在光激发过程中进行手性催化，为烯的手性转化提供了经验和方法。通过生物质相关的醇出发转化为烯烃，并通过这种反应合成高附加值的化学品。除了烯还原酶，其他的含有黄素辅酶的酶（比如光脱羧酶）同样可能在可见光作用中进行类似的光催化/酶催化协同过程。

要点5. 前期工作

该工作是基于之前类似酶体系进行的反应，之前的反应中需要加入Ir光催化剂，并且该反应为单分子还原反应。

图5. 前期工作. Zachary C. Litman, Yajie Wang, Huimin Zhao* & John F. Hartwig*, Cooperative asymmetric reactions combining photocatalysis and enzymaticcatalysis Nature 2018, 560, 355. DOI：10.1038/s41586-018-0413-7

参考文献及原文链接

Xiaoqiang Huang, Binju Wang, Yajie Wang, GuangdeJiang, Jianqiang Feng & Huimin Zhao*. Photoenzymatic enantioselective intermolecularradical hydroalkylation, Nature 2020

DOI：10.1038/s41586-020-2406-6

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2406-6

作者简介

赵惠民博士是伊利诺伊大学香槟分校的化学工程、生物化学、生物物理学和生物工程学教授。1992年于中国科技大学获得学士学位，1998年于加州理工学院毕业并获得博士学位（导师：Frances Arnold教授）。2008年，获得全职教授。他的主要研究兴趣在于合成生物工具的开发和应用，以解决社会在健康、能源和可持续性方面最严峻的挑战，以及酶催化、细胞代谢、基因等基本方面的挑战。

个人主页：https://bioengineering.illinois.edu/directory/profile/zhao5