光酶催化不對稱C-烷基化合成三級硝基化合物

正文手性α-三級胺是許多藥物和天然產(chǎn)物分子的重要結(jié)構(gòu)片段，現(xiàn)已發(fā)展了諸多構(gòu)建手性α-三級胺的催化方法。此外，手性α-三級胺也可由相應(yīng)三級硝基化合物直接還原得到，但三級硝基化合物的催化不對稱合成方法尚且有限，通常由過渡金屬催化的烯丙基化或有機(jī)小分子催化的加成反應(yīng)得到，亟待發(fā)展更多的催化方法。對二級硝基化合物進(jìn)行C-烷基化反應(yīng)是一類潛在的直接構(gòu)建三級硝基化合物的方法，但是這類反應(yīng)通常伴隨著較多的硝基O-烷基化反應(yīng)副反應(yīng)。為解決這個難題，前人采用單電子轉(zhuǎn)移機(jī)理以及特殊的親電試劑來提高C-烷基化的化學(xué)選擇性。例如，課題組以烷基鹵代物為親電試劑，發(fā)展了一系列過渡金屬催化的硝基化合物C-烷基化反應(yīng)，隨后實(shí)現(xiàn)了該類反應(yīng)的不對稱催化。然而，通過對硝基化合物不對稱C-烷基化來得到手性三級硝基化合物的催化方法還未見報道。生物催化以高效、高選擇性、易進(jìn)化著稱，美國康奈爾大學(xué)課題組的研究者嘗試采用生物催化的方法來實(shí)現(xiàn)對硝基化合物的不對稱C-烷基化反應(yīng)。盡管已有許多酶催化的共軛加成或亨利反應(yīng)可以利用nitronate（去質(zhì)子化的硝基烷烴）作為親核試劑，但沒有一例可以制備手性三級硝基化合物。由于天然酶并不能催化硝基化合物C-烷基化反應(yīng)，他們發(fā)展了一種全新的非天然光酶催化策略，以α-鹵代羰基化合物1作為烷基化試劑，在可見光激發(fā)的烯酮還原酶（‘ene’-reductases,EREDs）催化下，高化學(xué)選擇性和對映選擇性地實(shí)現(xiàn)了對硝基烷烴的C–烷基化反應(yīng)，得到了高價值的手性三級硝基化合物3（圖1B）。值得注意的是，該團(tuán)隊(duì)近期采用類似的非天然光酶催化策略，以α-鹵代羰基化合物和α-芳香取代硝基烷烴為親電試劑，實(shí)現(xiàn)了高交叉和對映選擇性的Csp3–Csp3親電偶聯(lián)反應(yīng)（XEC）,見x-mol報道《Nature：光酶催化不對稱親電偶聯(lián)》（Nature

2022,610,302–307）。該光酶催化XEC的關(guān)鍵步驟包括光誘導(dǎo)的選擇性自由基引發(fā)、自由基加成、硝基自由基中間體發(fā)生C–N鍵均裂（硝基離去）、選擇性氫原子轉(zhuǎn)移淬滅。作者設(shè)想，如果可以通過酶來控制自由基加成的立體選擇性，同時減慢硝基自由基6的C–N鍵均裂，加速該自由基中間體的氧化，便可得到手性三級硝基化合物3（圖1B）。首先，作者以α-氯代酰胺1a和α-芐基硝基乙烷2a為模板底物，在青藍(lán)光（Cyan

light,λmax

=497nm）激發(fā)下，篩選了一系列烯酮還原酶，發(fā)現(xiàn)大多酶都可以催化反應(yīng)得到消旋的三級硝基化合物3a。其中，只有來自Geobacilluskaustophilus菌株的烯酮還原酶（GkOYE）能夠以56%的產(chǎn)率和78:22的er值得到(R)-型目標(biāo)產(chǎn)物3a。有意思的是，當(dāng)使用先前可高效催化1a和α-苯基硝基乙烷進(jìn)行XEC的烯酮還原酶CsER時，也可以得到目標(biāo)產(chǎn)物3a（85%,50:50er）。作者認(rèn)為該化學(xué)選擇性（C-烷基化vs

XEC）來源于烷基取代的硝基自由基6的C–N鍵均裂速度較慢，從而傾向于發(fā)生單電子氧化，凈反應(yīng)為氧化還原中性。對照實(shí)驗(yàn)證實(shí)，烯酮還原酶和Cyan光對于反應(yīng)性至關(guān)重要（圖1C）。隨后，作者基于GkOYE蛋白結(jié)構(gòu)，采用迭代飽和突變策略對GkOYE進(jìn)行了三輪定向進(jìn)化，最終找到一個三突變體D73C/A104H/Y264W（GkOYE-G7，0.5mol%）可高效、高立體選擇性地催化反應(yīng)得到3a（96%,96:4er,

圖1D），且該反應(yīng)可以放大到1.0mmol規(guī)模（78%,96:4er,196mg）。圖1.光酶催化的硝基化合物不對稱C-烷基化反應(yīng)。圖片來源：JACS隨后，作者對該光酶催化體系的底物范圍進(jìn)行了探索（圖

2）。多種類型的α-芐基取代硝基烷烴2a-z都可以很好地與α-氯代酰胺1a發(fā)生C-烷基化反應(yīng)。如苯環(huán)的鄰、間、對位可兼容帶有不同電性的取代基，以56–98%的產(chǎn)率以及優(yōu)異的對映選擇性（>93:7er）得到β-手性四取代硝基酰胺產(chǎn)物（7-16）。但該體系對硝基烷烴α-位取代基的體積比較敏感。此外，該體系還可以兼容不同雜環(huán)，包括富電子的噻吩和缺電子的吡啶、吡嗪取代的硝基烷烴，以91–98%的產(chǎn)率和高對映選擇性（最高95:5er）得到相應(yīng)的雜環(huán)取代手性三級硝基化合物（20-26）。同時，直鏈或環(huán)狀脂肪硝基烷烴也可以被該體系接受，得到相應(yīng)四取代硝基產(chǎn)物（27-37,22–96%），突顯出該光酶催化體系廣泛的底物譜。另外，多種不同類型的α-鹵代羰基化合物均可被該體系兼容，包括α-氯代酰胺（如Weinreb酰胺、環(huán)狀酰胺），α-鹵代酮和α-鹵代酯/砜（需使用CsER）均可與硝基烷烴反應(yīng)得到相應(yīng)三級硝基產(chǎn)物（32-37，圖

2）。圖2.底物范圍。圖片來源：JACS對于高度進(jìn)化的酶，它們通常具有很高的反應(yīng)專一性。作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用CsER來催化1a與α-芳香取代硝基烷烴38的反應(yīng)時，主要得到XEC產(chǎn)物39b-43b（82–93%,

最高99:1er），以及僅微量的C-烷基化產(chǎn)物39a-43a（b/a

>27:1，圖3）。引人注目的是，當(dāng)采用進(jìn)化的GkOYE-G7在完全一致的條件下來催化該反應(yīng)時，卻得到了相反化學(xué)選擇性的產(chǎn)物，即主要得到C-烷基化產(chǎn)物39a-43a（65–92%,

最高99:1er），而幾乎觀察不到XEC產(chǎn)物39b-43b（a/b

>25:1,

圖3）。到此，作者發(fā)展了兩個高度專一的酶催化劑，GkOYE-G7可高效催化硝基化合物的C-烷基化，而CsER則可更好的催化XEC反應(yīng)，即硝基的“留”或“去”取決于酶，充分體現(xiàn)了生物催化優(yōu)越的化學(xué)選擇性。圖3.酶控制反應(yīng)性。圖片來源：JACS隨后，作者設(shè)計了一條巧妙“單酶雙機(jī)理”的串聯(lián)反應(yīng)，即原料硝基烯烴44先經(jīng)由烯酮還原酶的天然氫負(fù)轉(zhuǎn)移機(jī)理被還原成硝基烷烴，隨后硝基烷烴再通過非天然自由基機(jī)理發(fā)生C-烷基化反應(yīng)，“一酶兩步”生成三級硝基化合物。以GkOYE-G7為催化劑，該串聯(lián)反應(yīng)具有很廣的底物譜，原料硝基烯烴44全部轉(zhuǎn)化為相應(yīng)硝基烷烴，且以較高的產(chǎn)率和立體選擇性得到三級硝基終產(chǎn)物（86–96%,

最高96:4er,

圖4A）。最后，作者對三級硝基酶產(chǎn)物3a進(jìn)行還原，得到相應(yīng)手性α-三級胺45（65%，96:4

er,

圖4B）。機(jī)理方面，作者通過UV-Vis光譜實(shí)驗(yàn)證實(shí)FMNhq、α-氯代酰胺1a、硝酮（nitronate模擬物）在酶的活性口袋內(nèi)形成了四元電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物（CT

complex）。激發(fā)該四元復(fù)合物可實(shí)現(xiàn)FMNhq對1a選擇性的單電子還原，得到α-酰胺自由基4，該自由基隨后對nitronate

5進(jìn)行立體選擇性加成得到硝基陰離子自由基6，最后被FMNsq單電子氧化得到產(chǎn)物3（圖1B）。圖4.串聯(lián)反應(yīng)及產(chǎn)物衍生化。圖片來源：JACS總之，本文