「以靜制動」的動態動力學拆分

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眾所周知，立體化學在天然產物、生物化學、藥物化學、高分子化學中發揮著重要的作用，它主要分為靜態立體化學和動態立體化學。靜態立體化學研究分子中各原子或原子團在空間位置的相互關係；而動態立體化學則研究構型異構體的製備及其在化學反應中的行為等問題。如圖1A（左）所示，有機化學中的絕大多數立體中心都是靜態的。儘管如此，但一小部分結構基元在特定的反應條件下仍可進行立體化學互變，例如：（I）酸性C-H鍵（如α-羰基C-H鍵）在適當的鹼存在下可發生可逆去質子化；（II）易參與氫原子轉移（HAT）的α-雜原子C-H鍵（如α-OH或α-NH2，圖1A右）；（III）通過1,2-或1,4-加成可逆形成的C-雜原子鍵（如乙縮醛或β-氨基羰基）。在過去的二十年裡，uphill烯烴異構化、去外消旋化以及一系列動態動力學拆分（dynamic kinetic resolution, DKR）已成功地使用了動態立體控制。其中DKR通過底物對映異構體的快速相互轉化以及立體選擇性成鍵，將外消旋底物轉化為純對映體和非對映體（圖1A，右），大大地簡化了複雜分子合成所需的步驟。

圖1. 靜態立體中心與可誘導動態立體中心。圖片來源：Science

然而，動態動力學拆分目前僅限於含有傳統上可誘導的動態立體中心的底物，而有機化學中的大多數立體中心則是靜態的，因此存在一定的局限性。基於這一點，美國普林斯頓大學的光氧化還原催化大咖David W. C. MacMillan教授和致力於生物催化、動態動力學拆分的青年科學家Todd K. Hyster教授課題組強強聯手，希望開發出新的催化方法將傳統的靜態立體中心在溫和的條件下轉化為動態。近日，他們在Science 上報導了新近的成果。在光氧化還原催化的作用下，使傳統的靜態、非活性立體中心（β-取代酮）通過前手性自由基物種的介導實現了消旋化。將這種方案與生物催化劑（如酮還原酶和轉氨酶）結合，可以實現外消旋β-取代酮的動態動力學拆分，得到單一立體構型的γ-取代醇（胺）。

圖2. 誘導動態立體化學和不對稱合成。圖片來源：Science

作者設計該反應的出發點源於光氧化還原催化通過活化傳統的惰性、遠程C–H鍵，可以在β-羰基、β-氨基和其他未活化脂肪族C–H鍵上實現C–H鍵官能化（圖2B，左）。在此基礎上，作者設想能否利用光氧化還原催化生成的平面前手性自由基來誘導傳統的靜態立體中心？隨後，通過合適的HAT催化劑對這些碳中心自由基物種進行非立體特異性捕獲，然後通過C–H鍵的可逆裂解和形成使靜態立體中心消旋，從而可以實現遠程未活化的靜態C–H鍵立體中心的動態動力學拆分。具體而言，通過光氧化還原和有機催化的結合，飽和環狀酮的直接β-官能團化可以促進5 πe- β-烯胺自由基物種介導的β-酮立體中心的消旋化（圖2C）。

本文部分作者（由左至右）：Todd Hyster教授、研究生Jacob DeHovitz（一作）、David MacMillan教授。圖片來源：C. Todd Reichart / Princeton University

如圖3A所示，作者提出了可能的反應機理。為便於演示，作者將消旋過程描述為(S)-1向反應活性更高的對映體(R)-1的轉化。反應的開始源於(S)-1與胺催化劑2進行縮合反應，原位形成立體化學確定的烯胺(S)-3。與此同時，光催化劑[Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)](PF6)（4）在光激發下產生高氧化性激發態*Ir(III)（5），後者可以將烯胺(S)-3氧化為烯胺自由基陽離子7，同時得到還原性Ir(II)物種（6）。隨後，由於烯丙基C–H 鍵酸性增強，7發生烯丙基去質子化得到親核性的5 πe- β-烯胺自由基8。這種關鍵的前手性自由基中間體的形成削弱了β-碳的立體化學，隨後在8和親電性硫醇催化劑9之間發生極性匹配的HAT。該HAT過程是非立體選擇性的，導致立體中心逐漸消旋。然後，光氧化還原和HAT催化循環可以在6和硫基自由基10之間的單電子轉移（SET）過程中匯聚，再生基態光催化劑4並形成硫醇負離子11，後者經質子化再生硫醇催化劑9。最後，烯胺(R)-3經水解得到酮(R)-1的活性對映體。在該消旋化過程進行的同時，以輔因子NADPH為氫源，酮還原酶催化(R)-1的立體選擇性還原不斷地進行，最終得到單一的對映體產物——醇12。值得一提的是，該反應可以使用外源性末端還原劑（如葡萄糖脫氫酶（GDH）和葡萄糖的組合）來催化NADPH的循環。

圖3. 可能的機理及初步研究。圖片來源：Science

首先，作者選擇(R)-3-苯基環己酮[(R)-13]的外消旋化來進行β-取代酮底物的化學酶DKR研究。對各種光催化劑、胺催化劑、硫醇催化劑和溶劑進行篩選後，他們發現在異丙醇和磷酸鹽緩衝液（1：8）的酶-相容溶劑體系中，使用[Ir(dF(CF3)py)2(dtbbpy)](PF6)作為光催化劑、消旋的2-（（（叔丁基二苯基矽基）-氧基）甲基）吡咯烷作為胺催化劑以及4-甲氧基苯硫酚作為HAT催化劑於可見光下照射4h後，有效地促進了外消旋化（98：2 er →60：40 er）。其中胺催化劑的疏水性對外消旋化至關重要，這是因為生成的烯胺類物種在水溶性溶劑中易於水解。另一方面，還能減少酶失活。此外，作者還研究了酮還原酶催化的外消旋3-苯基環己酮（(±)-13）的動力學拆分，發現野生型開菲爾乳桿菌醇脫氫酶（LK-ADH）能夠成功地實現動力學拆分，以中等的收率（51%）、優異的對映選擇性（99：1 er）和非對映選擇性（10：1 dr）得到醇14。於是，作者將外消旋化和動力學拆分結合起來，以實現β-取代酮(±)-13的DKR（圖2B）。最終，以92％的收率、> 99：1 er和> 20：1 dr得到醇14。

圖4. β-取代酮動態動力學拆分底物範圍。圖片來源：Science

接下來，作者探究了DKR方案的底物適用範圍（圖4）。一系列帶有不同取代基的β-苯基環己酮都能以較好的收率和優異的選擇性轉化為相應的γ-取代醇，例如鄰位氟取代（15）以及間位（16-18）和對位不同基團（如OMe、Cl、F、CN）取代的底物（19-21）。雜環酮（如哌啶酮）、β-雜芳基（如吡啶、苯並噻唑、吲哚）取代的酮也能兼容該反應得到目標產物（22-25）。此外，β-烷基（如苄基、苯乙基）取代的酮在DKR過程中也有很好的效果。值得一提的是，環戊酮是該方案中的優良底物（24、25、28）。

為了證明本文的DKR在藥物研發中的實用性，作者將其應用於藥物分子LNP023（一種高選擇性的factor B抑制劑）的合成（圖5A）。外消旋的哌啶酮29僅需一步就能以85％的收率、> 99：1 er和> 20：1 dr獲得醇30，這不僅避免了兩次手性拆分，還縮短了LNP023的合成步驟，從而大大簡化了合成序列。此外，該DKR使得立體發散性合成成為可能。只需改變手性催化劑的選擇性即可獲得所需的產物，無需獨立的合成方法。為了展示這種方法的可行性，作者從32個酶庫中鑑定出三種酶，這些酶能夠以較好的收率（82-88%）、良好的對映選擇性（92：8-98：2 er）和中等的非對映選擇性（3.4：1-13：1 dr）合成14的其餘三種立體異構體（31-33，圖5B）。

圖5. 消旋化方案的應用。圖片來源：Science

最後，作者還探索了其他類型酶和其他產物的可行性。原則上，任何可改變羰基官能團以防止烯胺形成的酶類都可與本文的外消旋策略兼容。為此，作者確定了氨基轉移酶ATA-256和ATA-013，它們能分別動力學拆分3-苯基環己酮和3-苯乙基環己酮。將其與本文的外消旋方案相結合，成功地得到單一立體構型的胺34和35。

總結

本文使用光氧化還原催化使傳統的靜態、非活性立體中心通過前手性自由基物種的介導而消旋化，將其與生物催化劑（如酮還原酶和轉氨酶）一起應用，實現了從β-取代酮立體匯聚式合成立體化學確定的γ-取代醇（胺）。作者預計，這種強大的消旋化平臺將繼續挑戰靜態和動態立體中心的傳統定義，為開發其他立體匯聚過程奠定了基礎。

Static to inducibly dynamic stereocontrol: The convergent use of racemic β-substituted ketones

Jacob S. DeHovitz, Yong Yao Loh, Jacob A. Kautzky, Kazunori Nagao, Andrew J. Meichan, Motoshi Yamauchi, David W. C. MacMillan, Todd K. Hyster

Science, 2020, 369, 1113-1118, DOI: 10.1126/science.abc9909