单电子氧化引发的光酶催化实现对映选择性氢磺酰化反应

本文转自x-mol
对映选择性氢原子转移（HAT）反应在不对称催化领域是一个长期存在的挑战，这主要归因于自由基活性高、氢原子体积小且HAT过程涉及早期过渡态。虽然使用小分子催化剂已经实现了一些对映选择性HAT反应（图1a），但如何进一步扩大底物适用范围和扩充反应类型仍然是亟待解决的问题。近年来，Hyster、Huimin Zhao、吴起、徐鉴等课题组将光催化和酶催化结合，开发出了一些非天然的光酶，实现了一系列对映选择性HAT反应。在这些反应中，大多需要反应物首先与酶的辅因子（通常是还原型黄素FMNH-）形成电子供体-受体（EDA）络合物，然后在可见光的激发下通过单电子还原形成相应的自由基，进而与烯烃加成后发生对映选择性HAT（图1b）。这一策略展现出了非天然光酶在HAT反应中的巨大潜力，但由于反应底物需要与还原型辅因子形成EDA络合物才能进行反应，反应物的类型存在较大的局限性。同时，为了实现还原型辅因子的循环再生，反应体系中需要额外添加辅因子再生系统（通常包括NADP+/葡萄糖脱氢酶/葡萄糖），这使得反应体系较为复杂，不利于反应的大规模应用。如果能开发出单电子氧化启动的光酶催化体系，不仅可能突破上述反应底物上的局限，还无需添加辅因子再生系统，从而使得整个催化体系更加简单，这对推动光酶催化的进一步发展具有非常重要的意义。
上海交通大学化学化工学院叶俊涛课题组在过去几年一直致力于光促氢原子转移反应的研究（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 11251; Nat. Commun., 2022, 13, 4453; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202309897）。对于不对称HAT反应，课题组在前期研究中发现基于多肽或糖骨架的硫醇是一类很有潜力的手性催化剂，成功实现了环外烯烃的不对称氘硼化、氘硅化、氘磷化和氘二氟烷基化反应（Nat. Commun. 2022, 13, 4453，点击阅读详细, Org. Chem. Front. 2023, 10, 1182），但对于非环状烯烃的反应，这类小分子硫醇催化剂的对映选择性控制则较差。受到上述单电子还原启动的光酶催化以及自然界中黄素依赖的脂肪酸光脱羧酶的启发，上海交通大学化学化工学院叶俊涛课题组与丁蓓课题组以及生命科学技术学院戴少波课题组合作，发展了一例单电子氧化引发的光酶催化体系，利用廉价易得的芳基或烷基亚磺酸钠盐为自由基前体，成功实现了非环状烯烃的对映选择性氢磺酰化反应，高产率和高对映选择性地合成了一系列手性砜类化合物。这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，博士生史青龙为论文的第一作者。

图1. 对映选择性HAT反应策略。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
黄素依赖型的烯还原酶（ene-reductases, ER）在单电子还原引发的光酶催化体系中已被广泛使用。利用其发展单电子氧化启动的光酶催化反应的最大挑战在于如何避免蛋白中的一些易于氧化的氨基酸残基（比如含苯酚基团的酪氨酸以及含吲哚基团的色氨酸）被激发态的黄素蛋白氧化，从而对反应底物的氧化产生干扰。基于分子对接（图2b），作者对氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）烯还原酶（GluER）活性口袋中离底物较近的色氨酸和酪氨酸进行了定点突变，经过多轮筛选最终发现GluER-W100F-W342F为最优突变体（图2a）。在最优反应条件下，模型底物1a 和2a能够以74%的收率和96:4 er值得到目标产物，且该反应可以放大到1.0 mmol规模。控制实验表明，烯还原酶和蓝光对于反应性至关重要（图2c）。

图2. 对映选择性氢磺酰化反应的优化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
随后，作者对该光酶催化体系的底物范围进行了探索（图3）。首先，苯亚磺酸钠1a能够很好地和多种类型的α-甲基苯乙烯底物发生反应。如苯环的邻位、间位和对位可兼容带有不同电性的取代基，以良好的产率及对映选择性（92:8到98:2 er）得到氢磺酰化产物（4-13）。此外，该体系还可以兼容含有杂芳基的烯烃，包括2-噻吩基、2-苯并噻吩基和2-苯并呋喃基，能够以49-72%的产率和高对映选择性（最高99:1 er）得到相应的产物（22-24）。当使用α -乙基苯乙烯时，对映选择性有所降低（25，82:18 er）。另外，不同类型的芳基或烷基亚磺酸钠盐均可被该体系兼容，能以中等到优秀的产率和良好的对映选择性（90:10到97:3 er）获得氢磺酰化产物（26-45）。值得一提的是，使用酿酒酵母的老黄酶突变体（OYE1-Y196F）为催化剂，也能以对映选择性（95:5 er）得到R型产物3，尽管产率较低（32%）。手性砜化合物是有机合成的重要前体，也广泛存在于药物和生物活性分子中。因此，手性砜的制备成为合成化学家研究的热点。在本研究工作进行的过程中，浙江工业大学徐鉴课题组通过单电子还原引发的光酶催化策略实现了4-甲基苯磺酰氯和α-甲基苯乙烯的对映选择性氢磺酰化反应，并以优秀的产率和对映选择性得到R构型的砜类产物（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202218140）。与之相比，本研究中发展的氧化引发的体系更为简单，砜基自由基前体和烯烃的适用范围也更广。同时，使用烯还原酶GluER-W100F-W342F催化得到的是S构型产物，与徐鉴课题组的工作形成互补。

图3. 氢磺酰化反应的底物范围。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
基于一系列机理研究实验，作者提出了可能的反应机理：烯还原酶结合的辅因子FMN在蓝光灯照射条件下达到激发态，激发态FMN*单电子氧化亚磺酸钠产生砜基自由基以及半醌状态黄素辅因子FMNsq（图4d）。随后，砜基自由基与烯烃加成生成前手性碳自由基中间体（Int2），该物种可能会与FMNH•发生对映选择性HAT生成最终产物（path a）或者与近端酪氨酸残基发生HAT生成最终产物（path b），同时生成的基于酪氨酸的氧自由基可以与FMNH•反应再生FMN。为了更深入地了解HAT的终止步骤，作者对反应位点附近的酪氨酸残基Y177和Y343进行了突变。当使用突变体GluER-Y177F作为催化剂时，产率和对映选择性都有所降低，但产物仍然是S构型为主（79:21 er）（图4e）。令人意外的是，当使用突变体GluER-Y343F为催化剂时，产物的对映选择性发生了翻转（43:57 er），更有利于R构型产物的生成，且反应产率降至8%。这些结果表明，酪氨酸残基Y343对反应最后一步HAT至关重要，且该步骤很有可能是由Y343的活性羟基介导的（path b）。值得一提的是，Huimin Zhao等人在前期工作中基于计算结果也曾提出过类似的酪氨酸介导的HAT过程（Nature 2020, 584, 69，点击阅读详细）。

图4. 机理研究及可能的反应机理。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
作者使用分子动力学（MD）模拟对反应的对映选择性来源进行了研究（图5）。相比于GluER-WT，在突变体GluER-W100F-W342F的活性位点中，由于侧链尺寸变小，空间排斥力也随之越小，这导致自由基中间体Int2和Y343的活泼氢的距离（3.0 Å）更短，并且发生后续HAT步骤时的二面角（105º）也更合适。此外，自由基中间体Int2与突变体GluER-W100F-W342F的结合能（-34.41 kcal/mol）低于GluER-WT（-32.48 kcal/mol），说明Int2和突变体的结合更加紧密。总的来说，这些数据与所观察到的实验结果是一致的，能够解释产物对映选择性的来源以及突变体GluER-W100F-W342F为什么具有更好的反应性和对映选择性。

图5. 分子动力学模拟。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
特别值得一提的是，单电子氧化引发的光酶催化近年来备受关注。在本工作进行过程中，南京大学黄小强课题组报道了第一例单电子氧化引发的光酶催化反应，实现了烯烃的不对称氢芳基化反应（Nat. Catal. 2023, 6, 996，点击阅读详细）。除此之外，在外加光敏剂的条件下，黄小强课题组和Hyster课题组最近发展了酶和光催化协同的双催化体系，利用单电子氧化策略分别实现了高对映选择性的自由基-自由基偶联反应（Nature 2024, 625, 74，点击阅读详细）和氨基酸与乙烯基吡啶的脱羧偶联（Nat. Catal. 2023, DOI: 10.1038/s41929-023-01065-5，点击阅读详细），这些工作给单电子氧化启动的光酶催化带来了更多的发展机遇。
结语
叶俊涛课题组及其合作者发展了一例单电子氧化引发的光酶催化体系，利用廉价易得的芳基或烷基亚磺酸钠盐为自由基前体，以高产率和高对映选择性合成一系列手性砜类化合物。机理研究实验支持提出的单电子氧化引发的机理并揭示了酪氨酸残基Y343可能是不对称HAT反应的最终氢原子给体。考虑到易氧化的自由基前体种类繁多且酶工程技术已发展成熟，单电子氧化引发的光酶催化体系有望在未来实现更多类型和更具挑战性的转化。
本研究工作得到了国家高层次人才计划、国家自然科学基金（22371180, 22001163, 31971233, 32271305）以及上海交通大学启动经费的支持。