立体发散性合成β-氟甲基酮的光生物催化平台

β-氟甲基（CH₂F、CHF₂和CF₃）酮是药物化学和农药化学的重要结构单元和合成砌块，手性是其生物活性开发的基础。因此，β-氟甲基酮的不对称合成方法受到了化学界的广泛关注。此类分子的常规不对称化学合成策略具有底物谱、选择性、副反应等挑战，而为数不多的生物合成个例则难以实现宽底物谱的立体发散性合成。最近，河南师范大学江智勇-郭远洋课题组利用酶的定向进化技术结合光促烯烃E/Z异构，构建了的一种高效、立体发散性地合成广谱β-氟甲基酮类手性化合物的光生物催化平台。相关工作近期发表于《美国化学会会刊》（J. Am. Chem. Soc.）。

图1. 高效立体发散合成β-氟甲基酮的光生物催化平台。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

在生产和储存过程中，多取代烯烃易于发生E/Z异构，对工业化过程造成影响。从催化的鲁棒性考虑，作者选择E/Z混合的烯烃1a为模型底物，初步的亲本酶筛选工作发现Glu-ER合成S-2a的效率更高、手性选择也更好。随后作者选择了Glu-ER的底物结合口袋中的W66、Y177、Q232、F269和Y343残基为目标进行了定向进化改造。经过一轮的突变筛选，作者获得了具有54%的产率与99%的ee值的突变体Glu-ER-Y177F。

然而，反应条件优化并不能进一步提高S-2a的产率。作者发现Glu-ER-Y177F对E构型底物具有偏好性，这是限制反应效率的关键。通过往模型反应体系中引入不同光敏剂，作者发现在青光照射下，4-NMPDPZ可以将模型产物S-2a的产率提升到93%，同时对酶促反应的ee没有负面影响。至此，作者初步构建了一锅法的光生物催化体系。

图2. 模型酶反应的开发和优化。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

随后，作者挑战了立体发散地合成手性反转产物R-2a。以Glu-ER-Y177F为亲本酶，作者突变了酶口袋中的其他氨基酸残基，最后成功获得了高效高选择性的突变体Glu-ER-Y177F-W66R。底物谱研究表明该立体发散合成体系具有极宽的底物范围耐受性。同时，作者还利用该平台实现了植物生长抑制剂S-TFIBA的百毫克级合成，证明了该光生物催化平台的合成应用价值。

图3. 光生物催化平台的底物谱。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

在反应机理研究中，作者首先证明了羰基是底物识别的关键基团。作者进一步推测Glu-ER-Y177F突变产生了三个有利于其手性选择的因素：（1）酪氨酸（Y）的羟基与底物羰基之间氢键的消除；（2）羟基消除产生了额外的底物旋转空间；（3）W66的色氨酸与底物苯环之间的π-π堆积作用。因素1、2使得底物在酶口袋中可以产生有利于手性选择的位置旋转，因素3进一步稳定了产生的复合体过渡态，最终导致产物ee的提高。而在Glu-ER-Y177F-W66R中，酪氨酸（W）与1a的CF₃一侧苯环之间的π-π堆积的消除使得底物在酶口袋中产生了重新定位以及构象改变，突变引入的精氨酸（R）与CF₃的氟原子之间产生了新的三根氢键，使得酶的手性选择发生了反转。此外，作者还证明了底物口袋中的Y343位点起到了质子传递的作用。

图4. 机理研究。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

小结

该研究利用定向进化获得了一对Glu-ER突变体，实现了多种底物类型的β-氟甲基酮的一锅法手性发散生物合成。具有烯烃的E/S立体收敛、底物类型宽、选择性优良等优点，为β-氟甲基酮的工业化手性合成提供了生物催化的新选择。该课题组已毕业研究生田泽华为本工作的主要完成人。

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Photobiocatalytic Platform for the Efficient Enantio-Divergent Synthesis of β-Fluoromethylated Ketones

Yuan-Yang Guo*, Ze-Hua Tian, Linghong Zhang, Yu-Chen Han, Bei-Bei Zhang, Qing Xing, Tianju Shao, Yang Liu, Zhiyong Jiang*

J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c10441

导师介绍

江智勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/43013 

郭远洋

https://www.x-mol.com/university/faculty/318076