近日，藥學(xué)院教師尹志平聯(lián)合南丹麥大學(xué)吳昌柱課題組在國(guó)際化學(xué)頂級(jí)期刊Angew. Chem.上在線(xiàn)發(fā)表題為Photoenzymatic Aliphatic C-Br Activation for Enantioselective Synthesis ofγ-Stereogenic Nitriles from Alkenes 的最新研究成果，江蘇大學(xué)為論文的第一通訊單位。該研究得到江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目及丹麥嘉士伯基金會(huì)的資助。
酶促直接引入氰基的策略仍不成熟，限制了藥物和功能材料中手性腈衍生物的合成。該研究發(fā)展了一種光酶促γ-氫氰化策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一瓶頸的突破。通過(guò)工程化烯還原酶，在可見(jiàn)光激發(fā)下，還原型黃素輔因子可高效活化具有挑戰(zhàn)性的脂肪族C─Br鍵（如溴乙腈），生成的氰甲基自由基在酶活性位點(diǎn)內(nèi)被精確限制并定向，與α-甲基苯乙烯偶聯(lián)。該體系展現(xiàn)出顯著的立體控制能力，活性位點(diǎn)同時(shí)負(fù)責(zé)自由基生成與后續(xù)對(duì)映選擇性的氫原子轉(zhuǎn)移，可生成多種γ-立體中心手性腈，產(chǎn)率最高達(dá)93%，對(duì)映選擇性可達(dá)94% ee，而此類(lèi)反應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)過(guò)渡金屬催化具有相當(dāng)挑戰(zhàn)性。該研究不僅提供了一個(gè)穩(wěn)健的非對(duì)稱(chēng)氰烷基化平臺(tái)，也推動(dòng)了光酶促催化的發(fā)展，首次證明非活化烷基溴化物可作為可控成鍵的有效自由基前體。
方案1 光酶促催化及有機(jī)腈類(lèi)化合物的合成
光酶促催化通過(guò)結(jié)合光化學(xué)的多樣反應(yīng)性與生物催化的精確選擇性，已革新了非對(duì)稱(chēng)合成，并在黃素依賴(lài)型烯還原酶的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)自由基轉(zhuǎn)化的原子級(jí)控制。盡管該領(lǐng)域已在活化α-羰基鹵代物、實(shí)現(xiàn)分子間加成等方面取得進(jìn)展，并擴(kuò)展到ThDP、PLP依賴(lài)酶及人工光酶體系，但對(duì)無(wú)活化烷基C–Br鍵的直接活化仍未實(shí)現(xiàn)，而這類(lèi)底物比碘代物更易獲得且結(jié)構(gòu)更豐富。另一方面，氰基因其獨(dú)特的電子性質(zhì)和合成可轉(zhuǎn)化性，是70余種臨床小分子藥物中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)有方法難以在無(wú)活化烯烴上直接、對(duì)映選擇性地構(gòu)建帶γ-立體中心的烷基腈。基于上述挑戰(zhàn)，作者提出利用光酶促催化開(kāi)發(fā)可在可見(jiàn)光下活化惰性C–Br鍵的工程化烯還原酶，同時(shí)精確控制自由基的立體化學(xué)，實(shí)現(xiàn)以溴乙腈為氰化劑，將α-甲基苯乙烯轉(zhuǎn)化為γ-立體中心腈類(lèi)，從而拓展手性腈的合成工具箱并開(kāi)啟烷基自由基光酶促化學(xué)的新方向（方案1）。
表1 條件優(yōu)化
表2 光酶促合成有機(jī)腈類(lèi)化合物的底物適用性
研究對(duì)十二種烯還原酶的初篩顯示其活性與立體選擇性差異顯著；PETNR野生型因兼具較高轉(zhuǎn)化率與對(duì)映選擇性而被選為工程化基礎(chǔ)。通過(guò)分子對(duì)接與活性位點(diǎn)分析，研究鎖定H182、H185為調(diào)控關(guān)鍵，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)突變，其中H182M表現(xiàn)最佳，使產(chǎn)率升至93%、ee達(dá)94%。光照、酶環(huán)境與NADPH均被證明對(duì)反應(yīng)必不可少，蛋白支架對(duì)自由基過(guò)程尤為關(guān)鍵。在優(yōu)化條件下，工程化PETNR可高效催化α-甲基苯乙烯與溴乙腈的γ-氰基化。底物拓展表明該體系兼容多種取代烯烴，能耐受供/吸電子基團(tuán)、游離酚羥基及擴(kuò)展芳環(huán)，普遍獲得良好產(chǎn)率和高ee；但鄰位位阻、較大烷基取代或非芳香烯烴會(huì)顯著降低反應(yīng)效率，強(qiáng)調(diào)苯環(huán)在該自由基立體控制過(guò)程中的關(guān)鍵作用（表1-2）。
方案2 催化循環(huán)與電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物
該研究驗(yàn)證了反應(yīng)的可放大性，并證明得到的對(duì)映富集γ-氰基產(chǎn)物可通過(guò)酯化或酰胺化實(shí)現(xiàn)多樣化轉(zhuǎn)化且保持立體純度。通過(guò)光譜分析、自由基捕獲和對(duì)照實(shí)驗(yàn)，作者揭示了反應(yīng)機(jī)理：還原態(tài)FMN在光照下與底物形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，產(chǎn)生關(guān)鍵的氰甲基自由基，該自由基加成至烯烴后形成穩(wěn)定的芐基自由基中間體，隨后經(jīng)FMNsq的立體選擇性氫原子轉(zhuǎn)移構(gòu)建出γ-立體中心，并完成催化循環(huán)（方案2）。最終構(gòu)建的酶促光催化體系能夠有效實(shí)現(xiàn)惰性C–Br鍵活化，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率、高對(duì)映選擇性的γ-氰基化，為構(gòu)建手性腈類(lèi)化合物提供了實(shí)用且可拓展的策略，并為開(kāi)發(fā)新的C–Br光酶促活化方法奠定基礎(chǔ)。（藥學(xué)院）
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202519301
