研究论文介绍

Angew:光酶协同催化法实现苯并含氧杂环化合物的不对称合成

作者:石油醚

导读:

近日,江南大学饶义剑教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.中发表论文,设计开发了一种新颖的对映选择性光酶催化反应,实现了一系列手性苯并含氧杂环化合物的不对称合成。

“Photoenzymatic Enantioselective Synthesis of Oxygen-Containing Benzo-Fused Heterocycles

Changtong Zhu, Zhenbo Yuan, Zhiwei Deng, Dejing Yin, Yan Zhang, Jingwen Zhou*, Yijian Rao*

Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311762. DOI: 10.1002/anie.202311762”.

正文:

苯并含氧杂环骨架广泛存在于天然产物和药物分子中,如血管扩张剂维司那定和抗凝血剂华法林,且该骨架的不对称催化合成充满挑战[1]。生物催化因其高效、可持续、条件温和、具有良好的化学选择性、区域选择性和立体选择性等优点被认为是不对称合成的理想策略[2]。然而,由于天然酶具有严格的反应和底物特异性,通过生物催化法制备手性苯并含氧杂环化合物仅局限于个别孤例,该领域尚未得到充分研究 (Figure 1)[3-6]

Figure 1. Biologically active oxygen-containing benzo-fused heterocycles and their biocatalytic construction methods.

近年来,光酶协同催化法在挖掘现有酶的催化新活性方面取得了巨大的进展,开辟了新酶反应开发的新方向。江南大学饶义剑教授团队设计开发了一种新颖的对映选择性光酶催化反应实现了一系列手性苯并含氧杂环化合物的不对称合成(Figure 1d)。

作者首先在建立黄素依赖型烯烃还原酶(‘ene’-reductases)催化合成苯并含氧杂环反应体系的基础上,通过对烯烃还原酶GluER进行半理性的定点突变(Figure 2),显著抑制副反应的同时,以优异的产率和对映选择性获得多种手性苯并氧杂䓬酮、色满酮和茚酮类化合物,显示了良好的官能团耐受性 (Figure 3)。

Figure 2. Directed evolution of GluER for enantioselective synthesis of benzoxepinone.

Figure 3. Substrate scope investigation.

为了研究该光酶协同催化反应的应用价值,作者进行了克级实验,从3.03 mmol 的1a中分离得到产物2a (658 mg),分离产率为86%,ee高达>99% (Figure 4)。

Figure 4. Further investigation of product 2a.

作者最后根据控制实验和分子对接的结果,提出了该反应的反应机理并解释了反应立体选择性的来源。通过分子对接,可以直观地看出(R)-2a与GluER-W100H具有较小的空间位阻,而(S)-2a与GluER-W100H存在较大的位阻,因此反应更倾向于通过能量较低的过渡态生成(R)-2a,与产物晶体结构的手性相符,很好地解释了该反应立体选择性的来源。

Figure 5. Mechanism investigation.

总结:

江南大学的饶义剑教授团队通过对烯烃还原酶GluER的定向进化,实现了苯并含氧杂环化合物的不对称合成反应,构建了一系列手性苯并氧杂䓬酮、色满酮和茚酮类化合物。本研究进一步扩展了光酶协同催化的反应类型,为构建复杂多环结构骨架提供绿色合成途径,为开发新的生物催化反应提供新的思路。

参考文献:

  • [1] R. Sharma, R. Yadav, R. Sharma, N. Sahu, M. Jain, S. Chaudhary, Curr. Top. Med. Chem. 2021, 21, 1538-1571.
  • [2] K. Chen, F. H. Arnold, Nat. Catal. 2020, 3, 203-213.
  • [3] B.-B. He, T. Zhou, X.-L. Bu, J.-Y. Weng, J. Xu, S. Lin, J.-T. Zheng, Y.-L. Zhao, M.-J. Xu, ACS Catal. 2019, 9, 5391-5399.
  • [4] C.-H. Wang, Z. Guan, Y.-H. He, Green Chem. 2011, 13, 2048-2054.
  • [5] L.-H. Zhou, N. Wang, W. Zhang, Z.-B. Xie, X.-Q. Yu, J. Mol. Catal. B: Enzym. 2013, 91, 37-43.
  • [6] L.-Y. Li, Q.-Q. Zeng, Y.-X. Yang, H.-F. Hu, M. Xu, Z. Guan, Y.-H. He, J. Mol. Catal. B: Enzym. 2015, 122, 1-7.

(饶义剑教授供稿)

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