Angew：1,2-氨基醇的生物催化级联合成

导读

生物催化级联反应在高效、不对称合成生物活性化合物方面具有独特的优势。然而，高底物特异性可能限制生物催化级联反应的范围，因为组成酶可能具有非互补性活性。近日，威斯康辛大学麦迪逊分校Andrew R. Buller课题组利用了底物多重筛选(SUMS)的方法，改善了转醛酶(ObiH)和脱羧酶之间的底物范围重叠，并用于手性1,2-氨基醇的生产。为了产生混杂级联，作者设计了一种色氨酸脱羧酶，使其在有效作用于β-OH氨基酸的同时，避免作用于ObiH活性所需的L-苏氨酸。最终，作者以一锅法从醛或苯乙烯氧化物得到各种对映纯1,2-氨基醇。

正文

生物催化级联的一锅法在实际合成中很受欢迎，因为它们免去了产物分离，减少了浪费。这种多催化剂体系还可以通过将热力学上不利的反应与有利的反应耦合起来，限制不利反应路径的动力学竞争，从而提高收率。由于酶的高化学选择性，酶级联往往高效且高产。基于这些原因，利用脂肪酶、脱氢酶或转氨酶等酶的生物催化级联已经广泛应用于多种合成。C-C键生成反应对生物催化级联反应有重要意义，但形成C-C键的酶级联反应往往受底物范围差的影响导致效果不好。这类限制阻碍了酶在有机合成中的广泛应用。识别在新底物上作用的酶需要时间和大量资源，每个级联也对应着各自的定制酶。因此，开发更好地控制生物催化剂范围的方法，特别是那些构建碳骨架的方法，将有助于生物催化的长远发展。

图1. 研究背景（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者发展了一种蛋白质工程筛选方法——底物多重筛选(SUMS)，以监测蛋白质工程中底物范围的变化。该方法可筛选多种底物活性，并确认所形成的每个产物，从而测试生物催化剂的混交性。SUMS通过底物产生的m/z比，利用质谱实现同步定量。因此，关于单个底物的活性和特异性的信息都可以从单个试验中得到，大大简化了工作量。鉴于使用SUMS的例子很少，还不清楚在多步进化运动中底物范围混杂如何改变，以及是否可以使用这种方法真正定制底物范围。

由于临床使用的1,2-氨基醇具有广泛的化学多样性，最显著的是β-受体阻滞剂。此外，它们相对简单，为混杂的生物催化合成提供了机会。然而，级联的效用受到脱羧酶活性的限制，仅能以制备规模获得少量芳基1,2-氨基醇。

作者利用L-苏氨酸转醛酶(LTTA)和氨基酸脱羧酶，开发了一种高效的生物催化级联体系，成功地将非手性醛转化为1,2-氨基醇。根据之前的经验，ObiH可催化不同芳基、α-芳基和脂肪醛形成β-OH氨基酸。然而，没有氨基酸脱羧酶被证明具有包含通过ObiH产生的各种氨基酸的范围。酪氨酸脱羧酶对芳香β-OH氨基酸具有有限的活性，但对其它类脱羧酶的β-OH氨基酸脱羧活性还没有被发现。因此，作者设计了一种氨基酸脱羧酶用于与ObiH的级联范围互补，并利用SUMS监测优化过程中底物范围的变化。该工作展示了生物催化级联在多种1,2-氨基醇合成中的应用，该反应具有良好的收率和高的e.r.，并可用于β-受体阻滞剂的高效全合成。

为了研究脱羧酶在级联合成1,2-氨基醇方面的潜力，作者讲这些酶与ObiH一起加入苯甲醛(2a)和苏氨酸的反应。OBiH-VlmD级联只产生了微量的2c。相反，苏氨酸(1c)的脱羧产物是主要产物。ObiH-RgnTDC级联产生2c，苏氨酸脱羧作用微不足道。因此作者选择RgnTDC作为级联的脱羧酶。这种酶对ObiH可以合成的脂肪族或苄基β-OH氨基酸底物不具有任何活性。因此，作者开始扩大RgnTDC的范围，以便它可以补充级联合成ObiH的范围，最终确定最适用的酶为RgnTDCN MY 。

图2. 酶的设计与筛选（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

随后作者对反应适用范围进行研究，并发现该级联反应产生了多种芳香的1,2-氨基醇。作者最初不确定RgnTDC NMY 在这些反应所使用的负载(0.1-0.5 mol%)下是否具有足够的活性并保持较高的收率。然而，大多数芳香族产物具有> 90:10的高e.r.（2c，6c-10c），表明很少重新进入ObiH活性位点。相对难溶的底物在级联反应中反应效率不高，e.r.也会显著较低。RgnTDC NMY 对多种具有不同官能团的脂肪族β-OH氨基酸同样具有活性。虽然这些反应的总转化率较低，但通过延长反应时间和充分搅拌可以提高收率。

芳醛是酶级联反应最活跃的底物，且会生成一系列肾上腺素类似物。可以看出，该反应对芳环上不同种类取代基的耐受性较好。令人惊喜的是，ObiH在合成脂肪族β-OH氨基酸方面具有极高的选择性。己醛的级联反应进展顺利，收率高、立体化学纯度高地合成了5c。此外，作者还探索了N-Boc氨基乙醛的反应，尽管产率较低，但值得强调的是，脂肪族1,2-氨基醇以前无法通过天然脱羧酶的级联反应获得。

图3. 适用范围（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

酶通常可以实现传统合成方法中没有的转化，使复杂分子的简洁合成成为可能。1,2-氨基醇通常是通过环氧化合物与异丙基胺亲核试剂的开环作用，依靠重新组装的碳骨架形成的。为了展示无保护基生物催化如何实现新的断开与连接，作者完成了一系列β-受体阻滞剂的合成。作者按照Tajbakhsh的方法，将分离出来的1,2-氨基醇和丙酮在还原胺化条件进行烷基化反应，最终以高收率、对映体纯地得到7d、8d、11d。

图4. 反应应用（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

总结

生物催化级联是化学合成的有力手段，可以将传统合成的不可能变为可能。虽然许多级联是可行的，但它们可能会因为组成酶的底物范围不匹配受到阻碍。Andrew R. Buller课题组利用SUMS改善了转醛酶(ObiH)和脱羧酶之间的底物范围重叠，实现了1,2-氨基醇的合成。它的成功可能会促进生物催化级联反应在合成复杂分子骨架方面创造新的可能。

文献详情：

Allwin D. McDonald, Samantha K. Bruffy, Aadhishre T. Kasat, Andrew Richard Buller*. Engineering Enzyme Substrate Scope Complementarity for Promiscuous Cascade Synthesis of 1,2-Amino Alcohols. Angew. Chem. Int. Ed. 2022 . https://doi.org/10.1002/anie.202212637