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【JACS】诺奖得主Frances Arnold:通过酶促卡宾插入实现碳-磷键的对映发散性构建

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磷是生命的六大元素之一,但自然界中酶促碳-磷(C−P)键的形成极为罕见。这一生物合成工具包的缺失影响尤为重大,因为立体构型位于磷原子上的P(V)骨架在药物和农用化学品中十分常见,而磷原子的绝对构型往往直接决定其生物活性。尽管P-手性化合物的不对称合成已取得显著进展,但基于直接C−P键形成的一般性酶促平台尚未实现。在此,加州理工学院(California Institute of Technology)Frances Arnold教授团队报道了嗜热古菌(Aeropyrum pernix) 原球蛋白(ApePgb)变体的发现与定向进化,这些变体能够催化卡宾插入到二级氧化膦和H-次膦酸酯的P−H键中。本文研究亮点:

1.首次实现酶促卡宾对P–H键的不对称插入:本研究首次实现血红素蛋白催化卡宾插入P−H键,直接构建P-手性C−P键。作者从约300个变体库中筛选出初始变体G0,经多轮定向进化获得高效催化剂,突破了此前酶法仅能通过P−O键裂解间接处理P-手性中心的局限。

2.对映发散性合成平台:从单一ApePgb骨架出发,定向进化获得两支对映互补的变体系列,可按需获取任意P-构型产物。G4/G5OEt主要生成R-构型产物(催化2a与EDA达52%产率、94% ee),G6.1/G11.1则高效生成S-构型产物(P₈-1b产率52%、94% ee;P₅-5b产率45%、99% ee)。

3.广泛的底物范围:该平台适用于多种二级氧化膦(苯基-烷基、苯基-芳基)和H-次膦酸酯(芳基及脂肪族)。例如PhBnP(O)H(3a)经G6.1催化以52%产率和99% ee生成R-产物,同时回收的原料S-3a也具有99% ee,单一反应同时获得两种高光学纯度P-手性化合物。除EDA外,DAN和LAD也可作为卡宾前体,后者以98% ee构建C−P键。

4.发现氮烯P–H插入的潜在活性:在卡宾进化过程中获得的G4变体对氮烯P–H插入表现出20倍的活性提升(产率38%,26% ee),经短期进化后获得对映体选择性有所改善的变体(G6N:35%产率,49% ee;G6N.1:16%产率,31% ee),首次实现了酶促不对称P–N键形成的雏形。

本研究通过定向进化将古老的protoglobin蛋白改造为高效、对映发散性的P–H键卡宾/氮烯插入催化剂,为P-手性化合物的不对称合成提供了一种前所未有的生物催化平台。


图1. 研究背景和本文工作(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)


图2. 模型反应、G0的定向进化及其对应的产率与对映选择性、结构模型、碳宾转移反应和酶平台建立(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)


图3. 底物范围(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)


图4. 潜在活性和分裂演进(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

论文信息

Hayden M. Carder, Ethan N. Lin, Daniel Roth, Frances H. Arnold*. Enantiodivergent Carbon−Phosphorus Bond Formation via Enzymatic Carbene Insertion. J. Am. Chem. Soc.,2026, https://doi.org/10.1021/jacs.6c10375.

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