【有机】Nature： 烯还原酶实现不对称亲电交叉偶联

导读：

手性C(sp³)-C(sp³)键的构建是有机合成中最重要的挑战之一，而过渡金属催化的亲电交叉偶联（XEC）是有机合成中构建C-C键的有力工具。虽然XEC已经取得一定的进展，但C(sp³)-亲电试剂间发生交叉选择性和立体选择性的XEC同样也是一个尚未解决的挑战。近日，美国康奈尔大学的Todd Hyster教授课题组以非天然光酶催化策略，在可见光激发的烯还原酶（‘ene’-reductases, EREDs）催化下，成功实现了α-卤代羰基化合物和硝基烷烃的高交叉选择性和对映选择性C(sp³)-C(sp³)亲电交叉偶联。相关成果发表在Nature 上（DOI: 10.1038/s41586-022-05167-1）。

正文：

众所周知，通过交叉偶联构建C(sp²)-C(sp²)键已经彻底改变了有机合成领域，使药物分子和农药化学品的快速构建成为可能。随着目标化合物变得更加复杂，立体选择性构建C(sp³)-C(sp³)键成为有机合成中最重要的挑战之一。因预先制备碳亲核试剂自身的限制和官能团耐受性等方面的问题，两种不同C(sp³)-亲电试剂的交叉偶联（XEC）是传统交叉偶联的一个极具吸引力的替代方法。此外，金属催化剂很难区分C(sp³)-亲电试剂，XEC反应常常会有自偶联、原位卤化和消除等副反应发生。目前，虽然不对称C(sp²)-C(sp³) XEC取得了重大进展，但不对称C(sp³)-C(sp³)XEC的尚待发展（图1a）。

生物酶催化以高效和高立体选择性著称，美国康奈尔大学的Todd Hyster教授希望利用酶催化不对称的C(sp³)-C(sp³) XEC，并开发一种新的XEC机制。其具体反应机制如下（图1b）：光照下，α-卤代羰基化合物与还原态的黄素辅酶（FMN_hq）发生单电子还原产生自由基（4）；（4）与nitronate（5）快速加成形成新的C-C键和硝基自由基阴离子（6）；酶介导（6）发生C-N裂解脱除硝基并生成新的烷基自由基（7）；最后EREDs可以精确控制HAT过程获得高立体选择性的产物（3）。受黄素依赖的烯还原酶（EREDs）利用蛋白质模板电荷转移复合物（CT 复合物）还原卤代烃工作的启发，美国康奈尔大学的Todd Hyster教授课题组以非天然光酶催化策略，在可见光激发的烯还原酶催化下，成功实现了α-卤代羰基化合物和硝基烷烃的高交叉选择性和对映选择性C(sp³)-C(sp³)的亲电交叉偶联。第一作者是付海根博士，相关成果发表于Nature上。

图1 光酶催化不对称亲电交叉偶联反应。（图片来源：Nature）

在青色光（Cyan light, λ_max = 497 nm）激发下，作者以α-氯代酰胺（1a，E_p/2 = –1.65 V vs. SCE）和α-硝基苯乙烷（2a，E_p/2= –0.89 V vs. SCE）作为模型底物， 进行相关反应条件的优化筛选（见SI）。研究结果表明：1）pH= 9.0 时，来自Caulobacter segnis菌株的烯酮还原酶（CsER）可以优秀的产率（92%）和优异对映选择性（95:5 er）获得 (S)-3a （图 1C）；2）Gluconobacter oxydans菌株的烯还原酶（GluER-T36A）可以以中等收率（51%）和中等的对映选择性（10:90）获得(R)-3a（图 1C）。进一步研究发现，烯还原酶、青色光和NADPH重生系统（GDH/NADP⁺/葡萄糖）对于所需的反应至关重要。此外，该反应规模可以扩大至0.1 mmol（72%），并且3a和CsER的对接模型表明CsER酶有获得(S)构型产物的偏好。值得注意的是，该体系所表现出的反应性是生物酶催化的特有的性质。

图2 光酶催化亲电交叉偶联的底物范围。（图片来源：Nature）

在最优条件下，作者对各种不同的底物进行了探索（图 2），研究发现各种不同取代α-芳基硝基烷烃均可与α-氯酰胺（1a）反应，不同位置的给电子或吸电子取代基均以优秀的收率（80~98%）和优异的对映选择性（>97:3 er）获得β-甲基酰胺产物（9-16），而邻位取代的α-芳基硝基烷烃中仅有氟取代的底物可以兼容（8），并且较大的底物α-萘基硝基烷烃也可兼容（17, 58%, 99:1 er）。此外，α-位置上相对较小的烷基取代基底物具有较好的反应性，如甲基 （3a）、乙基（19, 64%, 98:2 er），而较大的取代基的反应性较差，如正丙基（20）、三氟甲基（21）。值得注意的是，含有各种不同杂环的底物也具有良好的反应性，如富电子的α-噻吩和缺电子的α-吡啶硝基苯（22-24, 40-95%, >99:1 er）。除此之外， α-硝基酯同样也可耐受，并以优异的收率（96%）和一般的对映选择性（82:18 er）获得产物（25）。另外一方面，多种不同类型的α-卤代羰基化合物均可兼容，如α-氯代酰胺（二级、三级、直链、吡咯烷、哌啶、吗啉和Weinreb酰胺）（26-33）、α-卤代酯（34-35）和α-卤代酮（36-37）。最后，作者通过如下的一系列研究进一步表明，这一全新的光酶催化不对称亲电偶联的方法学具有潜在的合成应用价值（图3），如1）β-手性酰胺3a发生还原获得γ-手性胺41, （70%产率, 95:5 er）；2）产物16可以水解获得β-手性酸42，进而水解获得γ-手性醇43（75%, 99:1 er）。

图3 酶产物的衍生化。（图片来源：Nature）

图 4 反应机理研究。（图片来源：Nature）

之后，作者进行了相关的实验和DFT计算来对反应过程进行深入的研究（图4），其研究结果表明：1）UV-Vis光谱实验表明α-氯代酰胺（1a）与FMN_hq之间形成CT复合物，而在可见光照射下硝基烷烃（2a）与CsER和辅助因子的实验结果表明初始阶段硝基烷基还原是可以发生；2）UV-Vis光谱研究表明将nitronate（5）类似物硝酮（38）加入1a和还原的CsER体系时，CT复合物的光谱性质进一步加强（图4a），表明形成了四元CT复合物，进而促进了自由基的有效形成和自由基间的加成；3）标准条件下，以α-硝基甲苯（2l）与（1a）反应生成交叉偶联的产物（18, 28%）和硝基保留的产物（40, 29%），随后将（40）置于标准条件下，并无（18）生成，从而可得化合物（40）不是偶联产物（18）的前体（图4b），进一步研究发现该反应条件下脱硝过程和电子转移到FMN_sq之间存在竞争；4）标准反应的DFT计算研究表明α-酰胺自由基（int-1）与nitronate（5）快速加成形成自由基负离子（int-2）（ 反应的自由能垒为9.9 kcal mol^-1），（int-2）经历一个不可逆的脱硝基过程生成（Int-3）（ 自由能垒为9.7 kcal mol^-1），最后（Int-3）被FMN_sq通过HAT淬灭得到产物（3a）（图4c），并通过氘代实验证明HAT的氢原子来自于FMN_sq；5）硝基甲苯2l的DFT计算研究表明，与模型反应相比，初始加成和脱硝基过程的能垒均高于模型反应，此结果也说明脱硝基反应阶段较慢，并且自由基负离子（Int-2 '）可以被FMN_sq氧化终止，以提供产物（40））。

总结：美国康奈尔大学的Todd Hyster教授课题组以非天然光酶催化策略，在可见光激发的烯还原酶催化下，成功实现首例光酶催化下α-卤代羰基化合物和硝基烷烃的不对称C(sp³)-C(sp³)的亲电交叉偶联。该策略不仅拓展了酶催化反应类型的边界，还对现有的化学方法进行了很好的补充。

论文信息：

Haigen Fu, Jingzhe Cao, Tianzhang Qiao, Yuyin Qi, Simon J. Charnock, Samuel Garfinkle & Todd K. Hyster*. An Asymmetric sp³–sp³ Cross-Electrophile Coupling Using ‘Ene’-Reductases. Nature, 2022, DOI: 10.1038/articles/s41586-022-05167-1.

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