手性氨基醇是有机合成中可用作骨架的多功能分子。以L-赖氨酸为起始原料,我们通过酶级联反应合成氨基醇:该反应首先由双加氧酶催化实现非对映选择性的C-H氧化,随后由脱羧酶裂解相应羟基氨基酸的羧酸部分。
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手性氨基醇是有机合成中可用作骨架的多功能分子。以L-赖氨酸为起始原料,我们通过酶级联反应合成氨基醇:该反应首先由双加氧酶催化实现非对映选择性的C-H氧化,随后由脱羧酶裂解相应羟基氨基酸的羧酸部分。
氨基醇是一类用途广泛的化合物,具有多种应用。例如,它们已被用作有机合成中的手性骨架。通过传统有机化学方法合成氨基醇通常需要繁琐的多步反应过程,且难以控制其立体化学结果。本文介绍一种利用易得的L-赖氨酸为起始原料,通过酶促方法在48小时内合成氨基醇的实验方案。该方案结合了两个传统有机合成中极难实现的化学反应。第一步由双加氧酶催化赖氨酸侧链上未活化C-H键的区域和非对映选择性氧化;第二步由具有区域选择性差异的双加氧酶进一步催化,生成1,2-二醇。最后一步通过磷酸吡哆醛(PLP)依赖的脱羧酶(DC)切除α-氨基酸的羧基。该脱羧反应仅作用于氨基酸的α-碳,从而保留了位于β/γ位的羟基取代手性中心,因此所得氨基醇具有较高的光学纯度。该方法已成功应用于四种氨基醇的半制备规模合成。反应进程通过高效液相色谱法(HPLC)进行监测,样品经1-氟-2,4-二硝基苯衍生产生信号。通过固相萃取(SPE)进行简单纯化后,氨基醇的收率优异(93%至>95%)。
尽管生物催化具有诸多优势,但将生物催化步骤整合到合成路线或完全生物催化路线中,目前仍主要局限于酶促动力学拆分。这类方法在不对称化学-酶法合成中常被用作初始步骤,但生物催化在官能团转化方面还具有更多潜力,可实现高立体选择性的转化1,2,3。此外,由于生物催化反应通常在相似条件下进行,因此有可能在同一个反应容器中实现级联反应4,5。
手性氨基醇是有机合成中常用的助剂或骨架分子6。氨基醇结构单元常见于次级代谢产物和活性药物成分(API)中。通过传统的化学合成方法,可由相应的α-氨基酸 readily 获得伯β-氨基醇,但获取手性γ-氨基醇或仲氨基醇通常需要繁琐的合成路线,并且对立体化学的控制要求较高7,8,9,10。由于生物催化具有高度的立体选择性,因此可能为这些手性构建单元的合成提供更优的途径11,12,13,14。
我们此前报道了通过亚铁/α-酮酸依赖性加氧酶家族(αKAO)的双加氧酶催化的非对映选择性酶促羟基化反应,合成单羟基和二羟基-L-赖氨酸的方法(图1)15。具体而言,以L-赖氨酸为起始底物时,KDO1双加氧酶催化生成(3S)-羟基衍生物(1),而(4R)-羟基衍生物(2)则由KDO2双加氧酶催化生成。KDO1与KDO2依次进行区域选择性不同的羟基化反应,可生成光学纯的(3R,4R)-二羟基-L-赖氨酸(3)。然而,这些酶的底物范围有限,限制了其在化学合成中的广泛应用,尤其是在简单胺类化合物的羟基化反应中,由于酶活性依赖于氨基α位必须含有羧酸基团16。

图1:L-赖氨酸的生物催化转化。 在KDO1双加氧酶催化下转化为(3S)-羟基-L-赖氨酸(1);在KDO2双加氧酶催化下转化为(4R)-羟基-L-赖氨酸(2);以及通过KDO1和KDO2双加氧酶依次催化的级联反应生成(3R,4R)-二羟基-L-赖氨酸(3)。请点击此处查看此图的放大版本。
脱羧是代谢中常见的反应17特别是,氨基酸脱羧酶(EC 4.1.1)是一类无辅因子(丙酮酰依赖性)或依赖磷酸吡哆醛(PLP)的酶,可在细菌和高等生物中催化氨基酸脱羧生成相应的多胺18,19,20,21,22单羟基和二羟基化合物(图3) 4-7, 10-11 对应于腐胺的羟基化产物,腐胺是由L-赖氨酸脱羧生成的二胺。腐胺是化学工业中的重要构建单元,特别是聚酰胺和聚氨酯聚合物的组分。因此,利用可再生资源通过生物法生产该二胺,作为石油基路线的替代方案已受到广泛关注,多种微生物已被用于该目的的改造。在这些代谢途径中,赖氨酸脱羧酶(LDC)是关键酶。LDC是一种依赖磷酸吡哆醛(PLP)的酶,属于丙氨酸消旋酶(AR)结构家族。23已知依赖磷酸吡哆醛(PLP)的脱羧酶(PLP-DCs)具有高度底物特异性。然而,少数酶具备一定程度的底物宽泛性,可同时对L-鸟氨酸和L-赖氨酸两种氨基酸表现出活性,例如来自 Selenomonas rumirantium (LDCSrum),对赖氨酸和鸟氨酸脱羧具有相似的动力学常数24,25这种扩展的底物特异性使该酶成为单羟基和二羟基-L-赖氨酸脱羧反应的良好候选酶。此外,为了寻找对赖氨酸羟基衍生物具有活性的脱羧酶(DCs),我们分析了编码αKAO酶基因的基因组上下文。事实上,在原核生物基因组中,参与同一生物合成途径的酶编码基因通常共定位于基因簇中。KDO2(来自 Chitinophaga pinensis) 基因被发现与编码假定的PLP-DC的基因共定位图2)。相比之下,在分析KDO1双加氧酶的基因组背景时,未发现编码DC的基因。来自PLP-DC蛋白的 C. pinensis (直流Cpin因此被选为催化级联反应脱羧步骤的有前景候选物。

图 2:C. pinensis 中 KDO2 基因的基因组上下文。 请点击此处查看该图的放大版本。
因此,我们设计了涉及双加氧酶和脱羧酶(DCs)的酶级联反应,以实现从氨基酸合成脂肪族手性β-和γ-氨基醇(图3)。如先前报道,αKAO催化的C-H氧化反应以完全非对映选择性引入羟基取代的手性中心;而Cβ/γ手性将在脱羧步骤中得以保留,该步骤仅影响氨基酸部分的Cα碳16。

图3:逆合成分析。(A)由(5R)-羟基-L-赖氨酸逆合成(β-和γ-氨基醇类化合物:(R)-1,5-二氨基戊-2-醇(4);以及由L-赖氨酸逆合成(S)-1,5-二氨基戊-2-醇(5)和1,5-二氨基戊-3-醇(6)。(B)从(5R)-羟基-L-赖氨酸出发逆合成β,γ-和β,δ-氨基二醇类化合物:(2S,3S)-1,5-二氨基戊烷-2,3-二醇(10)和(2R,4S)-1,5-二氨基戊烷-2,4-二醇(11);以及从L-赖氨酸出发逆合成(2R,3R)-1,5-二氨基戊烷-2,3-二醇(7)。请点击此处查看该图的放大版本。
从L-赖氨酸及其(5R)-羟基衍生物,本文报道了一种两步/三步一锅法的酶促反应流程,结合双加氧酶和PLP依赖型脱羧酶,以获得目标氨基醇。在进行实验室规模的目标分子合成之前,该方法首先在分析级规模上进行开发,以优化反应条件。 例如,酶的浓度需足以实现起始原料的完全转化;我们也展示了该操作步骤。
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1. 酶的制备
2. 溶液的配制
注意:以下所有溶液均使用去离子水配制。
3. 分析规模反应
4. 半制备型一锅法生物催化反应
注意:酶促反应在250 mL敞口玻璃锥形瓶中进行,反应体系总体积为10 mL,底物为0.1 mmol的L-赖氨酸。
5. 从粗酶反应混合物中纯化氨基醇
6. 反应监测与产物分析
7. 纯化氨基醇的核磁共振分析
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我们此前已报道过通过铁(II)/αKAO家族双加氧酶催化的非对映选择性酶促羟基化反应合成单羟基-L-赖氨酸和二羟基-L-赖氨酸的方法(图1)16。为了优化本文所展示的整个级联反应方案(该方案包含由αKAO催化的一步或两步羟基化反应,随后是由PLP-DC催化的脱羧反应),我们调整了反应条件,以同时满足两种酶促反应的需求。我们首先研究了两种脱羧酶LDCSrum和DCCpin对市售的(5R)-羟基-L-赖氨酸的催化活性。随后,我们将这两种脱羧酶与相应的αKAO催化的氧化步骤组成级联反应,检测其对单羟基衍生物3-羟基-L-赖氨酸(1)和4-羟基-L-赖氨酸(2)的脱羧活性。表1列出了单羟基-L-赖氨酸生物催化脱羧反应的结果。通过DNFB对反应混合物进行衍生化,生成相应的DNB标记底物和产物,再经HPLC测定转化率...
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手性氨基醇及其衍生物具有广泛的应用,从有机合成中的手性助剂到药物治疗均有涉及。传统有机合成中制备氨基醇的多步合成方法众多,但由于繁琐的保护/脱保护步骤以及对立体化学控制的敏感性,这些方法并不总是高效16。而生物催化方法无需保护/脱保护步骤,且通常具有高度的立体选择性,因此是一种理想的替代途径。
先前的研究报道了通过动态动力学不对称转化(DYKAT)方法合成多种具有2-苯乙胺骨架的β-氨基醇。在此路线中,由苏氨酸醛缩酶催化苯甲醛及其衍生物的羟醛缩合反应,引入羟基取代的手性中心。该第一步反应的非对映选择性较低且收率中等,但随后通过L-酪氨酸脱羧酶(L-tyrosine DC)催化的立体专一性脱羧反应得以克服,从而得到对映体富集的芳香族β-氨基醇11,12。
本文报道了一种以易得的L-赖氨酸为起始原料,直接合成多种氨基醇的简便方法。尽管该方法效率较高,但由于αKAO和P...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Véronique de Berardinis 的有益讨论,以及 Alain Perret、Christine Pellé 和 Peggy Sirvain 提供的技术支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| HEPES | Sigma Aldrich | H3375 | |
| L-赖氨酸盐酸盐 | Sigma Aldrich | L5626 | |
| (5S)-羟基-L-赖氨酸 | Sigma Aldrich | GPS NONH | 外包 |
| α-酮戊二酸 | Sigma Aldrich | 75892 | |
| 抗坏血酸钠 | Sigma Aldrich | A7631 | |
| 硫酸亚铁铵六水合物 | Acros | 201370250 | |
| 磷酸吡哆醛(PLP) | Sigma Aldrich | 82870 | |
| 3,4-二巯基丁烷-1,2-二醇(DTT) | Sigma Aldrich | D0632 | |
| 1-氟-2,4-二硝基苯(DNFB) | Sigma Aldrich | D1529 | |
| 乙醇 | VWR | 20825.290 | |
| 碳酸氢钠 | Sigma Aldrich | 71631 | |
| HCl 37% | Sigma Aldrich | 435570 | |
| HCl 0.1M | Fluka | 35335 | |
| 乙腈 HiPerSolv CHROMANORM 用于 LC-MS | VWR | 83640.320 | |
| 2,2,2-三氟乙酸 | VWR | 153112E | |
| 氨水 28% | VWR | 21182.294 | |
| 甲醇 HiPerSolv CHROMANORM 用于 LC-MS | VWR | 83638.32 | |
| 甲酸 | Acros | 270480010 | |
| 磷酸 85% | Acros | 201145000 | |
| 重水 | Acros | 320,710,075 | |
| NaOH | Sigma Aldrich | S5881 | |
| C18 HPLC 色谱柱 | Phenomenex | 00F-4601-Y0 | |
| Accela UHPLC 系统 | ThermoFisher Scientific | ||
| Accela PDA 检测器 | ThermoFisher Scientific | ||
| 一次性 4 mm 注射器滤器 - 0.22µm - PVDF | Merck | SLGVR04NL | |
| 带毫升刻度、鲁尔接头的一次性结核菌素注射器 | VWR | HSWA5010.200V0 | |
| 阳离子交换树脂 100-200 目 | Sigma Aldrich | 217506 | |
| 混合模式阳离子交换固相萃取小柱 6 mL | Waters | 186000776 | |
| 固相萃取装置 | Waters | WAT200609 | |
| 旋转蒸发仪 | Büchi | 531-0103 | |
| 冷冻干燥机 alpha 1-2 LDplus | Christ | L083302 | |
| 微量移液器 20 µL | Eppendorf | 3121000031 | |
| 微量移液器 100 µL | Eppendorf | 3121000074 | |
| 微量移液器 500 µL | Eppendorf | 3121000112 | |
| 微量移液器 1000 µL | Eppendorf | 3121000120 | |
| 300 MHz 核磁共振波谱仪 | Bruker | ||
| 2 mL 微量离心管 | CLEARLine | CL20.002.0500 | |
| 50 mL 圆锥底离心管 | Fischer Scientific | 05-539-8 | |
| 25 mL 圆底烧瓶 14/23 | Fischer Scientific | 10353331 | |
| 100 mL 圆底烧瓶 29/32 | Fischer Scientific | 11786183 | |
| 250 mL 圆底烧瓶 29/32 | Fischer Scientific | 11786183 | |
| 250 mL 锥形瓶 | Fischerbrand | 15496143 |
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