卓宇晴, 崔寶東

(遵義醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院,貴州 遵義 563003)

酶作為一種具有吸引力的用于不對稱合成的催化劑,由于其專一性、高度選擇性和反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)[1],越來越多地被用于不對稱合成[2-4]。此外,由于酶活性口袋獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)可以降低反應(yīng)活化能并調(diào)控反應(yīng)過程,從而可以在溫和條件下催化高度化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性的反應(yīng),在有機(jī)合成中能得到相對高純度化學(xué)合成法無法得到的目標(biāo)產(chǎn)物而備受青睞。然而,與化學(xué)催化相比,酶催化的反應(yīng)類型仍相對較少。近十年來,光催化已發(fā)展成為廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成的方法,其中可見光催化法擁有綠色清潔且條件溫和的優(yōu)點(diǎn),并且可以用來構(gòu)建一些獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)。光酶催化不僅能夠利用光再生輔因子來發(fā)揮酶的天然活性,還能引發(fā)酶的非天然反應(yīng)活性,獲得新酶催化功能。另一方面,利用酶催化的高選擇性和可定向進(jìn)化的特性,使光酶催化能夠調(diào)控光引發(fā)的活潑反應(yīng)中間體,從而為光化學(xué)領(lǐng)域的立體化學(xué)控制難題提供新的解決方案。

氧化還原酶作為一類發(fā)展較早、研究較為成熟的生物酶,因在催化反應(yīng)過程中常表現(xiàn)出極高的化學(xué)選擇性、高催化效率和反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn),在手性藥物和功能性高分子聚合物的不對稱合成方面獲得了廣泛的應(yīng)用。例如,氧化還原酶在催化羰基的不對稱還原、碳?xì)滏I氧化、環(huán)氧化和拜耳維利格氧化等轉(zhuǎn)化研究方面已發(fā)揮了重要作用,其中羰基的不對稱還原是其應(yīng)用于生物催化中最活躍的研究之一[5]。近年來,人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)氧化還原酶可以被光激發(fā),從而誘導(dǎo)酶的混雜反應(yīng)性。含有黃素和煙酰胺的酶如酮還原酶、烯烴還原酶等可以參與生物體中非光驅(qū)動的雙電子氧化還原代謝過程,這些酶的輔因子可以通過與非天然底物形成電子供體-受體復(fù)合物(Electron donor-acceptor complex, EDA復(fù)合物),接著通過可見光激發(fā)誘發(fā)單電子轉(zhuǎn)移(Single electron transfer, SET)生成自由基物種,實(shí)現(xiàn)光誘導(dǎo)的酶的非天然反應(yīng)。EDA復(fù)合物產(chǎn)生于電子受體和供體之間的前線軌道的電子耦合,并可吸收可見光引發(fā)SET,隨后生成自由基離子對,通過在底物中添加離去基團(tuán)來促進(jìn)自由基反應(yīng)的進(jìn)行。氧化還原酶利用一系列氫鍵作用來增強(qiáng)底物的親電性,從而引發(fā)底物被各種輔因子還原,如果這種底物活化機(jī)制與單電子還原劑合并,就有可能使用離子機(jī)制的氧化還原酶通過自由基中間體進(jìn)行反應(yīng)[6-7]。通過光氧化還原催化實(shí)現(xiàn)酶促反應(yīng)所需輔因子的再生,是光酶結(jié)合最直觀的系統(tǒng),也是最容易實(shí)現(xiàn)且報道最多的系統(tǒng),其意義在于替代成本高昂的天然輔因子,或簡化電子傳遞鏈從而實(shí)現(xiàn)更高效的反應(yīng)。

研究者將這些生物系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與人工化學(xué)催化反應(yīng)相結(jié)合,設(shè)計出順序、并發(fā)和協(xié)同性的化學(xué)酶催化過程[8-15](圖1)。其中光與氧化還原酶協(xié)同催化是最常見的催化反應(yīng)的結(jié)合方式,該反應(yīng)過程通過光照的激發(fā)產(chǎn)生自由基,同時被酶的活性口袋所捕獲進(jìn)行后續(xù)一系列有趣的反應(yīng)。光與氧化還原酶協(xié)同催化開辟了新酶催化合成應(yīng)用研究的新領(lǐng)域,本文概述了近年來光與氧化還原酶協(xié)同催化在不對稱合成研究領(lǐng)域的進(jìn)展情況。

圖1 順序、并發(fā)和協(xié)同的化學(xué)酶催化過程

烯烴以熱力學(xué)穩(wěn)定的形式存在,通常反式的烯烴比順式的烯烴穩(wěn)定,因此烯烴往往是以反式結(jié)構(gòu)參與各種反應(yīng)過程。然而,在可見光催化下,反式烯烴能原位異構(gòu)化為順式烯烴,再由烯烴還原酶將順式烯烴進(jìn)行不對稱還原反應(yīng),最終得到與常規(guī)反式烯烴相反構(gòu)型的還原產(chǎn)物。該方法實(shí)現(xiàn)了烯烴異構(gòu)體混合物的立體會聚式還原。

2018年,美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的趙惠民教授和加州大學(xué)伯克利分校的HARTWIG教授等[16]合作報道了一種從貝氏耶爾森氏菌(Yersinia bercovieri)中分離得到的烯還原酶和可見光協(xié)同催化的烯烴異構(gòu)化/不對稱還原反應(yīng)。作者利用[Ir(dmppy)2(dtbbpy)]PF6或者黃素單核苷酸(FMN)作為光催化劑,將烯烴異構(gòu)化,使其由反應(yīng)活性較低的反式烯烴轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的反應(yīng)活性高的順式烯烴,烯還原酶在輔因子再生的葡萄糖脫氫酶的存在下,專一性地將順式異構(gòu)體進(jìn)行C=C的還原,由此可以高選擇性地得到單一構(gòu)型的對映異構(gòu)體產(chǎn)物。結(jié)果表明,光催化劑和酶之間的相容性使化學(xué)酶過程能夠超越輔因子再生(圖2)。

圖2 光酶協(xié)同催化的烯烴異構(gòu)化/不對稱還原反應(yīng)

2020年趙惠民團(tuán)隊(duì)[17]通過利用光氧化還原再生黃素輔酶(FMNH2)的系統(tǒng),在沒有使用煙酰胺輔酶(NADPH)再生系統(tǒng)的情況下,以乙二胺四乙酸(EDTA)或三乙醇胺(TEOA)為終端還原劑,也實(shí)現(xiàn)了活化烯烴的協(xié)同立體匯聚式還原(圖3)。

圖3 光酶協(xié)同催化的活化烯烴的協(xié)同立體匯聚式還原

2018年,HYSTER課題組[18]利用烯烴還原酶與光氧化還原催化劑協(xié)同催化實(shí)現(xiàn)了α-乙酰氧基苯并環(huán)己酮的脫乙酰氧基反應(yīng)(圖4)。在530 nm可見光照射下,利用光催化劑Rose Bengal誘導(dǎo)烯烴還原酶活性口袋中通過氫鍵與底物結(jié)合單電子還原,脫去乙酸根陰離子后生成α-羰基碳自由基中間體,接著與烯烴還原酶口袋中的NADPH發(fā)生氫自由基轉(zhuǎn)移(HAT),最終實(shí)現(xiàn)烯烴還原酶催化的對映選擇性脫乙酰氧基反應(yīng)。同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證明,煙酰胺為氫原子的來源。另外,利用曙紅Y為光催化劑,酮還原酶還可以催化α-溴酰胺的自由基脫鹵化反應(yīng),該策略展示了光催化氧化還原與生物酶催化結(jié)合用于拓展天然酶應(yīng)用的巨大潛力。

圖4 光酶協(xié)同催化的α-乙酰氧基苯并環(huán)己酮的脫乙酰氧基反應(yīng)

可見光與烯烴還原酶協(xié)同催化可用于活化烯烴、酮和烯酰胺的不對稱還原反應(yīng)。該協(xié)同催化策略不僅擴(kuò)大了烯烴還原酶的底物應(yīng)用范圍,同時還揭示了一種區(qū)別于傳統(tǒng)羰基不對稱還原負(fù)氫轉(zhuǎn)移的路徑。

2019年,HYSTER課題組[19]證明了光與烯烴還原酶協(xié)同催化芳香酮類底物不對稱還原的自由基歷程(圖5)。在反應(yīng)過程中,烯烴還原酶首先與苯乙酮通過氫鍵作用降低其還原電位,使該氫鍵復(fù)合物在光催化的條件下通過選擇性單電子還原生成酮基自由基中間體,該中間體再通過與黃素對苯二酚(FMNhq)作用完成HAT,實(shí)現(xiàn)烯烴還原酶對非天然酮類底物的對映選擇性還原。實(shí)驗(yàn)機(jī)理表明,該反應(yīng)通過酮基自由基的形成而進(jìn)行,且不同于傳統(tǒng)的負(fù)氫轉(zhuǎn)移還原羰基的反應(yīng)路徑。此外,該反應(yīng)可以在未對酶或輔因子進(jìn)行任何修飾的情況下進(jìn)行,從而允許原生和非天然的機(jī)制同時發(fā)生。

圖5 光酶協(xié)同催化的芳香酮的不對稱還原反應(yīng)

2020年,HYSTER課題組[20]實(shí)現(xiàn)了烯烴還原酶與可見光協(xié)同催化的乙烯基吡啶類底物的不對稱還原反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)機(jī)理表明,該反應(yīng)通過自由基機(jī)制進(jìn)行,其中乙烯基吡啶在溶液中得到1個單電子被還原成相應(yīng)的芐基自由基負(fù)離子。通過離散傅里葉變換(DFT)計算顯示,自由基是“動態(tài)穩(wěn)定的”,表明自由基具有足夠長的壽命,可以與酶的活性位點(diǎn)相結(jié)合進(jìn)行立體選擇性氫原子轉(zhuǎn)移,該反應(yīng)也進(jìn)一步證明了光酶協(xié)同催化對于開發(fā)天然酶新功能的重要(圖6)。

圖6 光酶協(xié)同催化的乙烯基吡啶的不對稱還原反應(yīng)

2021年,HYSTER課題組[21]證明了通過可見光的激發(fā),烯烴還原酶可以由單電子轉(zhuǎn)移機(jī)制實(shí)現(xiàn)丙烯酰胺類底物的不對稱還原。研究機(jī)理表明,自由基的形成是通過FMNhq和蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)內(nèi)的缺電子底物之間形成的三元電荷轉(zhuǎn)移(CT)復(fù)合物的光激發(fā)而完成的,只有當(dāng)2種底物都存在于蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)時才會發(fā)生自由基的形成。因此,2個偶聯(lián)體的空間取向?qū)T復(fù)合物的形成至關(guān)重要(圖7)。

圖7 光酶協(xié)同催化的丙烯酰胺的不對稱還原反應(yīng)

2023年,黃小強(qiáng)課題組[22]報道了一種390～430 nm的可見光與烯烴還原酶ER1的協(xié)同催化策略。通過可見光的激發(fā),烯烴還原酶ER的反應(yīng)活性首次擴(kuò)展到烯酰胺的單電子還原,從而不對稱構(gòu)建了手性胺(對映體比例高達(dá)99 ∶1)。該方法是對傳統(tǒng)過渡金屬催化烯胺不對稱還原方法的重要補(bǔ)充。研究機(jī)理表明,對苯二酚態(tài)黃素輔因子的直接可見光激發(fā)可以有效增強(qiáng)烯烴還原酶的還原能力,從而觸發(fā)生物催化單電子的還原過程。溫和、綠色的反應(yīng)條件以及廣泛的官能團(tuán)耐受性使這種非自然的光酶催化策略成為傳統(tǒng)化學(xué)催化方法的重要補(bǔ)充(圖8)。

圖8 光酶協(xié)同催化的烯酰胺的不對稱還原反應(yīng)

2020年,HYSTER課題組[23]報道了一種光酶協(xié)同催化氧化還原反應(yīng)的策略,通過手性β-取代酮原位消旋化和不對稱羰基還原協(xié)同兼容的反應(yīng)過程,實(shí)現(xiàn)了β-取代的手性醇的合成。在整個反應(yīng)過程中,首先β-取代酮底物與二級胺作用脫水生成烯胺,烯胺在以Ir(ppy)2(dtb-bpy)PF6為光敏劑和n-OctSH為還原劑的白光LED照射下,經(jīng)單電子轉(zhuǎn)移生成β-碳自由基烯胺中間體,該中間體進(jìn)一步在酶的催化下經(jīng)不對稱氫轉(zhuǎn)移和烯胺水解產(chǎn)生β-取代的羰基自由基,經(jīng)進(jìn)一步不對稱羰基還原生成最終的β-取代的手性醇。該機(jī)理表明,烯胺中間體是經(jīng)過光照激發(fā)下單電子氧化得到的,這使羰基β-位的C—H鍵酸性增強(qiáng),從而促進(jìn)去質(zhì)子化過程,有利于使羰基β-位靜態(tài)立體中心發(fā)生外消旋化(圖9)。

圖9 光酶協(xié)同催化的β-取代酮原位消旋化/不對稱還原反應(yīng)

分子內(nèi)的不對稱氧化還原偶聯(lián)反應(yīng)可以用于構(gòu)建不同環(huán)大小的化合物。通過可見光與烯烴還原酶協(xié)同催化分子內(nèi)的不對稱脫鹵或脫羧C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)可以高效構(gòu)建手性內(nèi)酰胺、環(huán)烷烴以及苯并含氧雜環(huán)等化合物,進(jìn)一步擴(kuò)展了光酶協(xié)同催化不對稱合成的反應(yīng)類型。

2019年,HYSTER課題組[24-25]報道了光和烯烴還原酶協(xié)同催化的分子內(nèi)自由基環(huán)化反應(yīng),構(gòu)建了幾類對映體富集的五元、六元、七元和八元內(nèi)酰胺類化合物(圖10)。研究結(jié)果表明,黃素依賴型“烯”還原酶(EREDs)通過單電子轉(zhuǎn)移機(jī)制催化具有高立體選擇性的自由基反應(yīng),該途徑不同于傳統(tǒng)的氫化物轉(zhuǎn)移的機(jī)理路徑,缺電子的α-氯代酰胺與ERED活性位點(diǎn)內(nèi)的FMNhq可以形成CT復(fù)合物。當(dāng)復(fù)合物被可見光照射時,α-氯代酰胺底物經(jīng)脫鹵并從黃素中得到1個電子,從而產(chǎn)生親電性的自由基。整個過程的立體化學(xué)控制是通過酶口袋對自由基加成方向以及后續(xù)的HAT步驟限制實(shí)現(xiàn)的。

圖10 光酶協(xié)同催化α-氯代酰胺的分子內(nèi)自由基環(huán)化反應(yīng)

2019年,HYSTER課題組[26]證明黃素依賴性“烯”還原酶(ERED)OPR1與可見光協(xié)同催化可以實(shí)現(xiàn)α-氯代酰胺的不對稱分子內(nèi)自由基環(huán)化反應(yīng)。該策略以α-氯代酰胺為起始底物,可以對映選擇性合成含3,3-二取代氧化吲哚骨架結(jié)構(gòu)的化合物。研究機(jī)理表明,該反應(yīng)在黃素半醌/醌氧化還原對存在的條件下進(jìn)行,其中電子從FMNhq轉(zhuǎn)移到基態(tài)黃素半醌,黃素半醌作為還原劑提供電子,黃素醌氧化環(huán)化后形成乙烯基α-酰胺自由基,最后黃素半醌(FMNsq)完成氫原子轉(zhuǎn)移。這種機(jī)理對于該酶家族以前是未報道的,突出了ERED在不對稱合成中的多功能性(圖11)。

圖11 光酶協(xié)同催化的α-氯代酰胺的分子內(nèi)自由基環(huán)化反應(yīng)

2020年,CLAYMAN課題組[27]報道了一種光與烯烴還原酶協(xié)同催化的以烷基碘化物作為不穩(wěn)定親電自由基前體參與的對映選擇性自由基環(huán)化反應(yīng)。研究機(jī)理表明,這種自由基反應(yīng)過程是通過光激發(fā)蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)內(nèi)黃素和底物之間形成的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物實(shí)現(xiàn)的。缺電子的α-氯代酰胺與ERED活性位點(diǎn)內(nèi)的FMNhq形成CT復(fù)合物,當(dāng)這種復(fù)合物被可見光照射時,底物脫鹵并從黃素得到1個電子,產(chǎn)生親電性的碳自由基。接著,該自由基對不飽和雙鍵進(jìn)行分子內(nèi)的立體選擇性加成反應(yīng),形成C—C鍵并產(chǎn)生新的碳自由基,該自由基最后從黃素半醌得到氫自由基,生成最終的手性環(huán)化產(chǎn)物(圖12)。

圖12 光酶協(xié)同催化的烷基碘化物的對映選擇性自由基環(huán)化反應(yīng)

2022年,HYSTER課題組[28]報道了利用黃素依賴性“烯”還原酶和外源性藍(lán)光催化劑協(xié)同催化的不對稱分子內(nèi)自由基反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了手性六元環(huán)內(nèi)酰胺類化合物的不對稱構(gòu)建。該方法以不飽和的酰基羥胺為底物,在烯還原酶YqjM和光催化劑Ru(bpy)3Cl2存在下,通過藍(lán)光激發(fā)和定向進(jìn)化技術(shù),找到了1個三突變體YqjM-R(M25L-C26S-I69T),可以91%的產(chǎn)率、97 ∶3的er(對映體比例)得到R構(gòu)型的目標(biāo)產(chǎn)物?；赮qjM的Y28位點(diǎn),經(jīng)過5輪的進(jìn)化,成功找到了1個五突變體YqjM-S(Y28A-I69N-Y169H-A252G-R336W),可以89%的產(chǎn)率、14 ∶86的er得到S構(gòu)型的目標(biāo)產(chǎn)物。這些酶通過定向進(jìn)化進(jìn)行工程設(shè)計,可以催化5-外、6-內(nèi)、7-內(nèi)、8-內(nèi)和分子間的對映選擇性氫胺化反應(yīng)。研究機(jī)理表明,自由基的引發(fā)是通過酶的門控調(diào)節(jié)機(jī)制發(fā)生的。其中,蛋白質(zhì)可以通過光催化劑熱力學(xué)激活底物的還原完成電子轉(zhuǎn)移。該方法證明了這些酶在控制高能自由基中間體反應(yīng)性方面的多功能性,通過光酶協(xié)同催化策略實(shí)現(xiàn)了之前酶催化無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的功能(圖13)。

圖13 光酶協(xié)同催化不對稱分子內(nèi)自由基反應(yīng)用于構(gòu)建酰胺化合物

圖14 光酶協(xié)同催化用于不對稱合成苯并氧雜環(huán)化合物

除光酶協(xié)同催化的分子內(nèi)自由基環(huán)化反應(yīng)用于不對稱構(gòu)建手性環(huán)狀化合物外,近年來,光酶協(xié)同催化逐步拓展到分子間的不對稱C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng),進(jìn)一步拓寬了其合成應(yīng)用范圍。通過光與烯烴還原酶協(xié)同催化α-鹵代烴、苯磺酰氯、亞磺酸鈉鹽與烯烴和硝基烷烴的不對稱氧化還原C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)以及N-芳基α-氨基酸與乙烯基吡啶的不對稱脫羧偶聯(lián)反應(yīng),不斷豐富和拓展了光酶協(xié)同催化在不對稱構(gòu)建C—C鍵的合成應(yīng)用。

2020年,趙惠民課題組[30]報道了可見光誘導(dǎo)的烯還原酶催化的非天然兩分子交叉偶聯(lián)反應(yīng)。通過烯還原酶/光協(xié)同催化策略,實(shí)現(xiàn)了化學(xué)合成方法難以得到的含γ-手性碳中心的手性酮類化合物。從烯烴和α-鹵代羰基化合物出發(fā),通過可見光誘導(dǎo)烯烴還原酶催化的自由基氫烷基化途徑的分子間偶聯(lián)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)γ-手性羰基化合物的高效構(gòu)建,反應(yīng)過程具有優(yōu)異的轉(zhuǎn)化率和對映選擇性。機(jī)理研究表明,α-鹵代羰基化合物通過氫鍵作用結(jié)合在酶的位點(diǎn)上,并和半醌型黃素單核苷酸(FMNH)作用生成電子供體-受體EDA復(fù)合物。這種EDA復(fù)合物受光激發(fā)完成單電子轉(zhuǎn)移過程,同時脫除羰基α-碳上的鹵原子,生成FMNH和α-羰基自由基。隨后,α-羰基自由基對烯烴分子進(jìn)行加成反應(yīng),并在烯還原酶的立體控制作用下從FMNH獲取氫自由基完成反應(yīng),最終生成黃素單核苷酸(FMN)和手性產(chǎn)物(圖15)。

圖15 光酶協(xié)同催化α-鹵代羰基化合物與烯烴的交叉偶聯(lián)反應(yīng)

2022年,HYSTER課題組[31]還實(shí)現(xiàn)了光酶協(xié)同催化的α-鹵代酮和硝基烷烴的不對稱Csp3—Csp3親電交叉偶聯(lián)反應(yīng)(圖16)。在酶輔因子作用下,α-鹵代酮能夠與酶作用形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物,α-鹵代酮通過光照激發(fā)能夠被化學(xué)選擇性還原產(chǎn)生烷基自由基。在C—C鍵形成的過程中,烷基自由基與原位產(chǎn)生的硝酸鹽反應(yīng)形成硝基自由基陰離子,然后該陰離子分解形成亞硝酸鹽和烷基自由基,最后經(jīng)酶控制的氫轉(zhuǎn)移完成整個自由基反應(yīng)過程,同時實(shí)現(xiàn)高水平的對映選擇性控制。HYSTER課題組篩選出2種烯烴還原酶CsER和GluER-T36A,可分別催化獲得S-對映體和R-對映體富集產(chǎn)物的生成。值得注意地是,與之前常用的偏中性的緩沖體系不同,pH=9.0的反應(yīng)緩沖液有利于硝基烷烴的去質(zhì)子化。這種親電性反應(yīng)在小分子催化中是難以實(shí)現(xiàn)的,突出了酶催化新機(jī)制用于解決長期存在的合成挑戰(zhàn)的潛力。

圖16 光酶協(xié)同催化的不對稱Csp3-Csp3親電交叉偶聯(lián)反應(yīng)

2022年,HYSTER課題組[32]首次報道了由黃素依賴性“烯”還原酶催化的α-氯代酰胺與烯烴分子間的不對稱C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)。在反應(yīng)過程中,有機(jī)鹵化物通過與FMNhq在“烯”-還原酶(EREDs)的活性位點(diǎn)內(nèi)形成CT復(fù)合物,參與各種分子間的C—C鍵形成反應(yīng),通常具有較高ee值。研究機(jī)理表明,自由基是通過烯烴、α-氯代酰胺和黃素對苯二酚之間形成的罕見的高階酶模板電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的光照激發(fā)而產(chǎn)生。這種獨(dú)特的機(jī)制說明只有當(dāng)2種底物都存在于蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)內(nèi)時,才會形成自由基。同時該活性位點(diǎn)可以有效控制碳自由基與氫自由基的立體轉(zhuǎn)移結(jié)合過程,從而確保得到高選擇性的γ-手性酰胺類產(chǎn)物。這項(xiàng)工作進(jìn)一步激發(fā)了光酶協(xié)同催化的應(yīng)用潛力,可以通過以前未知的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制實(shí)現(xiàn)新的生物催化轉(zhuǎn)化(圖17)。

圖17 光酶協(xié)同催化α-氯代酰胺與烯烴的不對稱分子間C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)

2023年,HYSTER課題組[33]將傳統(tǒng)的烯烴類化合物拓展到了吲哚雜環(huán)化合物,實(shí)現(xiàn)了烯烴還原酶(ERED)(GluER-T36A)與390 nm可見光協(xié)同催化的雜芳烴的區(qū)域選擇性烷基化反應(yīng)。通過酶的定向進(jìn)化改造,可催化選擇性獲得吲哚C4-位烷基化的產(chǎn)物。機(jī)理研究表明,蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)的變化會改變負(fù)責(zé)自由基形成的CT復(fù)合物的電子特性,導(dǎo)致在CT復(fù)合體中產(chǎn)生基態(tài)CT的變體。這項(xiàng)研究突出了酶可以高區(qū)域選擇性調(diào)控自由基反應(yīng),而傳統(tǒng)的小分子催化劑很難實(shí)現(xiàn)這種反應(yīng)的區(qū)域選擇性調(diào)控(圖18)。

圖18 光酶協(xié)同催化雜芳烴的區(qū)域選擇性烷基化反應(yīng)

2023年,HYSTER課題組[34]提出了一種利用黃素依賴性“烯”還原酶與390 nm的紫光進(jìn)行協(xié)同催化的策略,突破性實(shí)現(xiàn)了非活潑氯甲基吡啶雜環(huán)作為烷基自由基前體與烯烴的不對稱C—C鍵交叉偶聯(lián)反應(yīng),構(gòu)建了一類含γ-手性碳中心的吡啶類化合物。反應(yīng)從簡單易得的氯甲基吡啶與缺電子的雜環(huán)化合物出發(fā),通過與端位烯烴的C—C鍵偶聯(lián)反應(yīng)有效增加簡單雜環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。研究機(jī)理表明,這種光驅(qū)動的轉(zhuǎn)化是通過瞬時酶-底物復(fù)合物的激發(fā)啟動,使酶能夠在底物結(jié)合活性位點(diǎn)時產(chǎn)生自由基,從而引發(fā)所需的還原電位。這項(xiàng)工作是一種立體選擇性合成吡啶和類似雜環(huán)衍生物的代表性方法,擴(kuò)展了化學(xué)合成中“烯”還原酶的底物適用范圍(圖19)。

圖19 光酶協(xié)同催化用于構(gòu)建含γ-手性中心的吡啶類化合物

2023年,HYSTER課題組[35]進(jìn)一步拓展了光酶協(xié)同催化的合成應(yīng)用范圍,發(fā)展了一種黃素依賴性的烯還原酶老黃酶與藍(lán)光協(xié)同催化N-芳基甘氨酸與乙烯基吡啶的氧化還原中性脫羧偶聯(lián)反應(yīng),以高達(dá)92%的產(chǎn)率和99 ∶1的er獲得脫羧偶聯(lián)產(chǎn)物。此外,該課題組運(yùn)用立體互補(bǔ)的酶作為生物催化劑,可以催化獲得R和S2種不同構(gòu)型的對映體產(chǎn)物。機(jī)理研究表明,外源釕光催化劑Ru(bpy)32+輔因子與蛋白質(zhì)結(jié)合,有助于在酶的活性位點(diǎn)定點(diǎn)形成自由基(圖20)。

圖20 光酶協(xié)同催化乙烯基吡啶的氧化還原中性脫羧偶聯(lián)反應(yīng)

2023年,徐鑒課題組[36]運(yùn)用光酶協(xié)同的催化策略,首次將傳統(tǒng)的烷基自由基拓展到磺?；杂苫?實(shí)現(xiàn)了自由基介導(dǎo)的烯烴的立體選擇性氫磺?；磻?yīng)。通過對烯烴還原酶進(jìn)行定向進(jìn)化,構(gòu)建了老黃酶OYE1的變體Y82F,實(shí)現(xiàn)了4-甲基苯磺酰氯和α-甲基苯乙烯的立體選擇性氫磺酰化反應(yīng)(對映體比例高達(dá)99 ∶1)。并考察了該反應(yīng)的底物應(yīng)用范圍。最后通過紫外可見光譜、氘代實(shí)驗(yàn)和分子動力學(xué)模擬對反應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行了解析。該研究為手性砜類化合物的合成提供了一類新方法,并進(jìn)一步擴(kuò)展了黃素依賴酶的催化合成應(yīng)用范圍(圖21)。

圖21 光酶協(xié)同催化的烯烴的立體選擇性氫磺?；磻?yīng)

2024年,葉俊濤課題組[37]報道了一例全新的光酶協(xié)同催化的單電子氧化引發(fā)的烯烴的對映選擇性氫磺酰化反應(yīng)。該課題組利用廉價易得的芳基或烷基亞磺酸鈉鹽為自由基前體,在不依賴底物和輔因子的條件下,通過與酶形成電子供體-受體復(fù)合物,成功實(shí)現(xiàn)了非環(huán)狀烯烴的對映選擇性氫磺?；磻?yīng),高產(chǎn)率和高對映選擇性合成了一系列手性砜類化合物。更重要地是,GluER變體具有高催化活性和對映選擇性以及廣泛的底物適用。機(jī)理研究表明,實(shí)驗(yàn)支持提出的單電子氧化引發(fā)的機(jī)理,并揭示了酪氨酸殘基Y343可能是不對稱HAT步驟的最終氫原子給體?？紤]到易氧化的自由基前體種類繁多且酶工程技術(shù)的日趨成熟,單電子氧化引發(fā)的光酶催化體系有望在未來實(shí)現(xiàn)更多類型和更具挑戰(zhàn)性的合成轉(zhuǎn)化(圖22)。

圖22 光酶協(xié)同催化烯烴的對映選擇性氫磺酰化反應(yīng)

光酶催化反應(yīng)盡管才剛剛興起,但是該策略已經(jīng)在合成科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景?？傮w來說,光酶協(xié)同催化是把酶催化的生物優(yōu)勢和光催化的化學(xué)優(yōu)勢結(jié)合到一起,填補(bǔ)了目前現(xiàn)有生物催化和化學(xué)催化領(lǐng)域的一些空白。將生物催化與光催化相結(jié)合,光催化能產(chǎn)生高活性的反應(yīng)中間體,并結(jié)合生物催化在控制立體選擇性方面的獨(dú)特優(yōu)勢,通過利用光子吸收的能量驅(qū)動化學(xué)轉(zhuǎn)化,是實(shí)現(xiàn)更加綠色化學(xué)的有力策略,同時也能很好地利用催化中輔因子的循環(huán),達(dá)到節(jié)約成本或者更高效電子傳遞等目的。但是,光酶協(xié)同催化反應(yīng)所用的酶主要集中于烯烴還原酶、酮還原酶等氧化還原酶類,協(xié)同催化的酶類比較單一,并且協(xié)同催化的反應(yīng)類型還比較有限,主要集中于光/氧化還原酶協(xié)同催化的不對稱還原反應(yīng)以及分子內(nèi)/分子間的不對稱氧化還原偶聯(lián)反應(yīng)等。隨著新酶、酶新催化功能和光酶協(xié)同催化機(jī)制的不斷發(fā)現(xiàn),未來將進(jìn)一步挖掘光酶協(xié)同催化在有機(jī)合成中的應(yīng)用潛力,并不斷開發(fā)出更多的可見光與其他酶類協(xié)同催化的有趣的反應(yīng)類型。