天然产物是小分子药物和先导化合物的重要源泉，1,3-二取代四氢异喹啉（THIQs）作为生物碱类天然产物中广泛存在的结构骨架，具有多样的生物活性，在药物研发和有机化学发展中占有不可或缺的地位，其立体选择性合成策略一直是研究热点。尽管传统的化学合成方法取得了一定成效，但这些方法通常依赖于预先构建手性中心的复杂底物、重金属催化剂、易燃易爆的氢气，以及高温高压等苛刻条件，存在一定的局限性。因此，开发绿色、高效的1,3-二取代THIQs合成方法具有重要意义。然而，由于该类化合物在THIQ的1,3-位含有特殊的二取代结构，其生物合成途径不明确，关键酶未知，无法通过传统的生物合成方法实现高效生产。
近日，江南大学
饶义剑
教授团队基于人工合成途径简化设计，创建了一种模块化化学酶级联反应体系，实现了一系列不同手性1,3-二取代四氢异喹啉（THIQs）的高效合成。
该研究通过巧妙的途径设计，基于转氨（TA）、化学和亚胺还原（IRED）三个模块，构建了从简单易得的非手性底物合成不同手性1,3-二取代THIQs的化学酶合成路径，并通过半理性设计，改造了亚胺还原酶SnIR的活性位点，提高了其催化效率和立体选择性；此外，基于“即插即用”策略，实现了顺式和反式1,3-二取代THIQs的制备规模发散全合成。以上研究不仅突破了天然产物生物合成对其合成途径解析的依赖，也展示了人工合成途径设计在构筑不同手性物质的优势。相关研究成果发表于
ACS Catalysis
上，江南大学2022级硕士生
张洪辉
和
张艳
副教授为共同第一作者，江南大学
饶义剑
教授和
袁振波
副研究员为通讯作者。
三、研究内容：
1,3-二取代四氢异喹啉（THIQs）广泛存在于天然生物碱中，具有多种生物活性，如β-肾上腺素受体拮抗、抗疟疾和抗HIV活性等（
图1a
）。然而，由于该类化合物在THIQ的1,3-位含有特殊的二取代结构，其生物合成途径不明确，关键酶未知，无法通过传统的生物合成方法实现高效生产（
图1b
）。为解决上述挑战（
图1c
），本研究设计了一条新的模块化化学酶级联反应途径，简化1,3-二取代THIQs的合成步骤，以实现一系列1,3-二取代THIQs的高效立体选择性合成（
图1d
）。该化学酶级联方法为其他生物合成途径不明确、含有多立体中心的复杂天然产物骨架的合成提供范例，体现了模块化化学酶级联反应在合成生物学领域的广阔前景。
图1. 立体选择性合成1,3-二取代THIQs的模块化化学酶级联反应设计。
首先，作者对1,3-二取代THIQs的合成路径进行了逆合成分析，设计了一种合成1,3-二取代THIQs的模块化化学酶级联反应新途径，该合成途径如
图1d
所示，简单底物酮类化合物在转氨酶（Transaminase，TA）作用下合成手性胺类化合物，随后通过酰化和Bischler-Napieralski（B-N）反应构建异喹啉结构骨架，最后，在亚胺还原酶（Imine reductase，IRED）作用下合成终产物1,3-二取代THIQs。因此，该途径通过三个模块，即TA模块、化学模块和IRED模块，实现从简单易得的非手性底物高效立体选择性合成1,3-二取代THIQs。通过巧妙的底物设计以及B-N反应的引入，该级联反应体系避免了1,3-二取代THIQs中3-甲基基团所需的氨基酸生物催化C-甲基化过程这一技术难题，绕过了生物催化中去甲乌药碱合酶（Norcocalurine synthase，NCS）对乙醛的底物限制（
图1c
），从而高效且高立体选择性地生成目标THIQs。
随后，作者以1-（3,5-二甲氧基苯基）-2-丙酮（
1a
）作为模式底物，筛选了13种转氨酶，实现R和S两种构型1-（3,5-二甲氧基苯基）-2-丙胺（
2a
）的高效合成，接着，通过酰化和B-N反应成功转化为6,8-二甲氧基-1,3-二甲基-3,4-二氢异喹啉（
3a
），最后，筛选了3种能够接受类似于异喹啉骨架底物的亚胺还原酶，成功实现了终产物6,8-二甲氧基-1,3-二甲基-1,2,3,4-THIQ（
4a
）的合成。
然而，亚胺还原酶的催化效率和立体选择性表现欠佳（
图2
）。
为此，作者对SnIR进行了半理性改造，旨在显著提升其催化效率和立体选择性，从而优化整体反应性能。
图2. 模块化化学酶级联合成1,3-二取代THIQs的建立和验证
。
接着，作者选取底物(R)-3a周围4 Å以内氨基酸残基通过丙氨酸扫描、饱和突变和组合突变等突变策略获得最优突变体SnIR-L175A/M245A（SnIR-MT；50%转化率，99%
de
，98%
ee
）（
图3
），相较于野生型（11%转化率，44%
de
，59%
ee
）转化率、
de
和
ee
达到或接近理论最大值，表明SnIR半理性改造成功。此外，作者通过分子动力学模拟和活性位点体积计算，解释了突变体SnIR-MT催化性能提升的机制（
图3d-f
）。
为了评估上述模块化化学酶级联反应体系合成其他1,3-二取代THIQs的能力，作者研究了亚胺还原酶催化从TA和化学模块中获得的一系列手性亚胺(R)-3合成手性1,3-二取代THIQs的反应（
图4
）。结果表明，半理性改造后的亚胺还原酶能够以优异的产率、非对映和对映选择性获得一系列(1S, 3R)构型的1,3-二取代THIQs，产率在83%至>99%之间，
de
值≥99%，
ee
值在97%至>99%之间，证明该模块化化学酶级联策略具有广泛的底物适用性。
图4. IRED模块的底物适用性研究。
最后，为了证明该模块化化学酶级联策略具有潜在应用价值。作者进行了制备规模的合成反应，从相应的酮
1a
可以以81%的分离产率，>99%
de
，>99%
ee
获得顺式构型的模式产物(1S, 3R)-
4a
（179.8 mg）（
图5a
）。采用“即插即用”策略根据需要替换相应的TA和IRED模块的酶，相应的酮
1d
可以以76%产率，97%
de
，>99%
ee
得到反式构型产物(1S, 3S)-
4d
（
图5b
）。该研究同时实现了顺式和反式1,3-二取代THIQs制备规模的发散性合成，证明了模块化化学酶级联策略的通用性。
图5. 1,3-二取代THIQs的制备规模发散性合成。
本研究开发了一种模块化化学酶级联反应，实现了以易得原料高非对映及对映选择性合成1,3-二取代THIQs。通过对亚胺还原酶SnIR进行半理性突变改造，该酶能以优异收率和立体选择性获得一系列目标产物（最高至>99%产率、>99%
de
以及>99%
ee
值）。此外，"即插即用"策略可灵活构建顺式与反式1,3-二取代THIQs，充分展现了模块化化学酶级联反应在天然产物多样性合成中的强大潜力。这一策略不仅为复杂天然产物的合成提供了范例，更为无需解析生物合成途径或关键酶的新型天然产物合成开辟了道路。
感谢国家自然科学基金(32270082, 22207044和22477047)、中央高校基本科研业务费（JUSRP124020）、江苏省自然科学基金(BK20202002)的资助。
Authors:
Honghui Zhang†, Yan Zhang†, Changtong Zhu, Zhiwei Deng, Luyun Ji, Dejing Yin, Changmei Liu, Zhengshan Luo, Zhenbo Yuan*, and Yijian Rao*
Title:
Modular Chemoenzymatic Cascade for Highly Diastereo- and Enantioselective Synthesis of 1,3-Disubstituted Tetrahydroisoquinolines
Published in:
ACS Catalysis
,
doi:
10.1021/acscatal.5c01322
【作者简介】
近年来饶义剑教授团队围绕“天然产物的途径解析和仿生定向合成与应用拓展”开展了系统性的研究，并取得了一系列原创性研究成果，部分成果已发表在
Nature Comm
(2023，2024，2025)
，JACS
（2024）
，Angew
(2022，2023，2024)
， ACS Catal
(2020，2021，2022，2024，2025)
，Water Res
(2022)
、J Hazard Mater
(2021, 2023)
、Chem Eng J
(2021)等本领域权威期刊。
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