Angew. Chem. Int. Ed. | 化学-酶法合成有机手性氟化物

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近日, Angew. Chem. Int. Ed.刊登了加州大学伯克利分校Michelle C. Y. Chang团队利用II型醛缩酶合成手性有机氟的研究报道,Michelle C. Y. Chang团队发现IIHpcH醛缩合酶能够有效地催化氟丙酮酸与不同醛的加成,且具有高度的立体选择性。

Michelle C. Y. Chang教授目前任教于加州大学,致力于利用机械生物化学、分子和细胞生物学、代谢工程及合成生物学解决能源和人类健康问题。目前研究主要集中于从植物生物质体内生产生物燃料、开发在温和条件下选择性催化C-F键形成的生物合成新方法。


具有独特的元素特性,可增强代谢稳定性、改变药代动力学特征而不显著增加药物分子体积,目前超过20%的药物都含有氟。因此,扩大有机氟化合物结构范围可大幅提高发现新功能化合物的效率。氟生物催化可选择性地将氟引入各种骨架,虽然该方法尚未完全成熟,但在化学、区域和立体选择性方面具有得天独厚的优势。

 

羟醛反应是指具有α氢原子的在碱性或酸性条件下形成烯醇负离子,再与另一分子羰基化合物发生加成反应,并形成β-羟基醛或β-羟基酮(羟醛)的一类有机化学反应。在生物体内,此类反应可由羟醛缩合酶催化。丙酮酸醛缩酶包括四个结构家族,I型醛缩酶(主要包括KDPG [PF01801]DHDPS [PF00701])可催化赖氨酸残基与供体底物形成席夫碱,其功能已被很好地表征。然而,对II型羟醛缩合酶(主要包括HpcH [PF03328]DmpG [PF07836 / 00782])的研究还比较少。

 

本文研究了来自大肠杆菌的三个HpcH醛缩酶,EcGarLEcRhmAEcHpcH,以及来自鞘氨醇单胞菌的HpcH醛缩酶SwHpcH1SwHpcH2。将氟丙酮酸与不同的醛在HpcH醛缩酶、缓冲液、MgCl2存在的情况下反应,加入H2O2猝灭反应并通过19FNMR光谱分析反应产物。选取十二种醛(1a–1l)进行反应,包含手性极性、非手性极性和非极性群体。结果表明:几乎所有醛缩酶与极性醛的组合都实现了高效且定向转化(80-100%),而非极性醛转化率较低(10-70%)。

-1.十二种醛与氟丙酮酸发生加成反应的测定结果(50 mM底物,0.5 mM酶,1mM MgCl216h,从左到右各组:EcGarLEcHpcHSwHpcH1


接下来作者鉴定了反应产物的构型。首先根据化学位移和耦合常数初步确定加合物中氟和羟基的相对构型,此外,作者合成了anti-4g作为标品,利用HNO34e-4g氧化后与anti-4g比对,进一步确定了其相对构型。通过19F NMRDFT计算确定了加合物的立体氟中心绝对构型为3S。此外,作者还对HpcH进行了点突变,获得了大量非天然酶,并进行了体外酶反应,以获得更多的含氟化合物。

-2.醛与氟丙酮酸发生加成反应的机理

总之,文章阐述了II型醛缩酶HpcH家族,该家族成员能够高效催化醛与氟丙酮酸的加成反应,并具有高度的立体选择性。这项工作为一系列有机氟化合物的产生提供了新方法。


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