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吉林大学：酶控双向对映选择性脱羧Mannich反应合成β-磺酰胺酮

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-17 08:01

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通过一种酶控双向对映选择性脱羧Mannich反应策略，以磺酰亚胺与β-酮酯为底物，合成了两种构型的β-磺酰胺基酮。该方法利用铜人工金属酶（Cu-ArM）和商用脂肪酶（Novozym 435）两种酶来控制脱羧Mannich反应中的双向对映体选择性。Cu-ArM是通过在野生型链霉亲和素（WT-Sav）中锚定生物素化的铜复合物而产生的。所得Cu-ArM催化不对称脱羧Mannich反应得到R构型β-磺酰胺基酮。而Novozym 435催化脱羧Mannich反应得到S构型β-磺酰胺基酮。两种酶的分子动力学（MD）模拟，以及立体化学模型分析，解释了两种酶的催化历程和关键反应位点接触。

研究背景

光学纯 β- 磺酰胺基酮及其衍生物在抗病毒、抗癌、抗菌和抗糖尿病等领域占有重要地位。不对称脱羧 Mannich 反应（ DMR ）为合成手性 β- 磺酰胺基酮提供了重要方法。文献所报道的合成手性 β- 磺酰胺酮的方法主要集中于有机小分子如手性氨基硫脲、四氨基双硫代手性大环催化剂或者金属复合物 Cu/PhBox 催化。虽然通过有机小分子或金属配合物催化可以获得良好产率和立体选择性的 β- 磺酰胺基酮，但这些方法仍然存在催化剂负载量高且需要在有机溶剂中进行的问题。另外，文献报道合成的 β- 磺酰胺基酮均为 R 构型， S 构型的 β- 磺酰胺基酮尚未被报道合成。鉴于生物催化剂在各个领域的应用越来越广泛，尤其是酶催化剂具有绿色、条件温和等优势，因此开发酶控制的不对称反应以合成手性化合物是极具研究价值的。脂肪酶作为最典型的非金属酶，具有来源丰富、良好的生物相容性和条件耐受性等优点。此外，脂肪酶的催化混杂性使其能在一锅多组分反应中构建 C-C 键和 C- N 键。脂肪酶催化的 Mannich 反应是其催化混杂性的一个典型体现。人工金属酶（ ArMs ）通过将有机金属催化剂与宿主蛋白结合，兼具了均相催化剂和酶催化剂的最佳特性，因此具有更广阔的调控和利用空间。基于生物素 - 链霉亲和素技术的人工金属酶是研究最多的一类人工金属酶。这类人工金属酶利用生物素和链霉亲和素蛋白之间的快速和稳定的结合亲和力将具有催化活性的生物素化金属辅因子掺入蛋白腔中，可有效用于催化有机反应。基于我们课题组前期在脂肪酶催化和金属酶催化领域做的研究工作，我们设计了利用 Cu-ArM 和 Novozym 435 来实现绿色酶控双向不对称脱羧 Mannich 反应策略，拓展了手性 β- 磺酰胺基酮的合成方法。

图文解析

首先，我们以磺酰亚胺 1a 与苯甲酰乙酸乙酯 2a 为标准底物对该反应进行考察。针对 Cu-ArM 催化合成 (R)-β- 磺酰胺基酮 , 在筛选一系列金属辅因子、溶剂、温度等反应条件，以及对链霉亲和素进行关键位点丙氨酸扫描后，发现将生物素化的 4-OHPIP-biotin*CuI 辅因子组装到野生型链霉亲和素（ WT-Sav ）中，于 5 ℃ 下在 NH ₃ •H ₂ O-NH ₄ Cl 缓冲溶液（ pH 10.0, 5% DMSO ）中进行酶促反应，可以获得最佳产率和对映选择性的 (R)-β- 磺酰胺基酮产物（ Table 1 ）。针对 Novozym 435 催化合成 (S)-β- 磺酰胺基酮 , 在考察一系列脂肪酶、溶剂、温度等反应条件后，确认以 Novozym 435 为催化剂，于 5 ℃ 下在 NH ₃ •H ₂ O-NH ₄ Cl 缓冲溶液（ pH 8.0, 5% DMSO ）中进行催化反应， (S)-β- 磺酰胺基酮产物的产率和对映选择性最高（ Table 2 ）。

在确定各自的最优条件后，分别探究了 Cu-ArM 和 Novozym 435 催化的脱羧 Mannich 反应的底物适用性。首先，我们评估了不同底物结构对 Cu-ArM 催化反应体系的适用性（ Table 3 ， path A ）。所有被测试的环磺酰亚胺 1 和 β- 酮酯 2 都转化为相应的产率高、对映选择性好的手性 (R)-β- 磺酰胺基酮。环磺酰亚胺苯环上不同位置的供电子 / 吸电子取代基的存在对反应没有明显影响（ 4a-4j ， 70-80% 产率， 90-99% ee ）。同样， β- 酮酯底物也能耐受具有不同电子效应和空间效应的取代基，以良好的产率（ 70-85% ）和优异的对映选择性（ 88-98% ee ）获得了所需的产物（ 4k-4u ）。呋喃取代、噻吩取代以及脂肪族取代的 β- 酮酯反应也很顺利，得到了结果优异的产物（ 4v-4z ）。随后，我们考察了不同底物对 Novozym 435 催化反应体系的适用性（ Table 3 ， path B ）。我们发现， Novozym 435 催化的脱羧 Mannich 反应能够顺利进行且获得良好产率、优异对映选择性的 (S)-β- 磺酰胺基酮（ 4a′-4z′ ）。在这一过程中，单取代、多取代以及邻位、间位和对位的不同电子效应的官能团耐受性良好。除了环磺酰亚胺底物外，我们还探究了非环亚胺的适用性。与环磺酰亚胺相比， Cu-ArM 催化非环亚胺和苯甲酰乙酸乙酯反应产生的最终产物（ IVa-IVb ）对映选择性降低（ Scheme 2a ）。当 Novozym 435 催化非环亚胺的脱羧 Mannich 反应时，相应的目标产物 IVa′ （ 80% ee ）和 IVb′ （ 30% ee ）的对映选择性中等（ Scheme 2b ）。

通过对该酶促方法进行放大反应，我们进一步发现这一酶控双向对映选择性脱羧 Mannich 反应具有克级合成的可实际应用性。为进一步考察该方法的应用价值，我们也对产物进行了衍生化。两种构型的产物在 Novozym 435 和过氧化脲的作用下，均能通过 Baeyer-Villiger 氧化反应得到良好产率和优异对映选择性的相应 β- 磺酰胺基酯。用 LiAlH ₄ 处理 β- 磺酰胺基酯，并经二碳酸二叔丁酯保护，可得到相应的手性 β- 氨基醇结构。在三苯基膦和偶氮二甲酸二乙酯的作用下，手性 β- 氨基醇可通过分子内环化形成手性胺衍生物。整个衍生化过程中可以在温和的条件下进行，且各个衍生物的产率和对映选择性均没有下降。

吉林大学：酶控双向对映选择性脱羧Mannich反应合成β-磺酰胺酮

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