第一作者：Pengfei Ji
通訊作者：John F. Hartwig
通訊作者單位：加州大學(xué)伯克利分校
圖1. 酶催化酮還原合成手性醇
雖然過渡金屬催化反應(yīng)中單核金屬氫化物中間體過程進(jìn)行的反應(yīng)極為常見，但是對于自然界中廣泛的酶催化反應(yīng)而言，目前并未有發(fā)現(xiàn)或者相關(guān)報(bào)道具有類似催化反應(yīng)過程。如果能夠在金屬酶中實(shí)現(xiàn)類似過渡金屬催化反應(yīng)過程，能夠擴(kuò)展酶催化反應(yīng)的種類。
有鑒于此，加州大學(xué)伯克利分校John F. Hartwig等報(bào)道了在含Zn的碳酸酐酶（carbonic anhydrase enzyme），通過催化硅烷和酮進(jìn)行負(fù)氫轉(zhuǎn)移還原，將酮還原為手性醇，實(shí)現(xiàn)了較高的對映選擇性。對該反應(yīng)進(jìn)行機(jī)理，驗(yàn)證了反應(yīng)通過單核Zn-H中間體，展示了生物不相關(guān)的硅烷能作為還原反應(yīng)物，用于酶催化反應(yīng)過程。該反應(yīng)過程中，單核結(jié)構(gòu)正電性金屬的氫化物（通常在酸性質(zhì)子環(huán)境中不穩(wěn)定），能夠兼容到酶催化反應(yīng)中作為中間體。總之，本文在分子催化和生物催化之間搭建了橋梁。
過渡金屬催化和酶催化
圖2. 目前的人工酶催化反應(yīng)方法學(xué)Artificial Metalloenzymes: Reaction Scope and Optimization Strategies, Chem. Rev. 2018, 118, 1, 142–231
過渡金屬催化反應(yīng)的機(jī)理和生物相關(guān)酶催化的機(jī)理是不同的，將非生物相關(guān)的中間體引入金屬酶催化過程，能夠很好的擴(kuò)展酶催化反應(yīng)的種類和范圍。雖然目前該基于該想法實(shí)現(xiàn)了一些進(jìn)展，但是相對于X型配體的相關(guān)例子，基于官能團(tuán)轉(zhuǎn)移的例子較少，尤其是對于單核結(jié)構(gòu)金屬-負(fù)氫結(jié)構(gòu)的過渡金屬催化反應(yīng)。
催化體系構(gòu)建
基于過渡金屬-負(fù)氫的酶催化體系基本上都是基于共軛修飾或者通過超分子相互作用修飾在蛋白中的人工金屬酶（Ir、Rh、Ru等配合物分子）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在天然酶催化反應(yīng)中，通過多核金屬-負(fù)氫中間體過程進(jìn)行反應(yīng)（比如氫化酶）通常在相關(guān)文獻(xiàn)中有報(bào)道，但是其中主要通過電子轉(zhuǎn)移，而不是負(fù)氫轉(zhuǎn)移過程。
Zn酶在生物系統(tǒng)中的各種金屬酶中極為重要，其中碳酸酐酶受到廣泛研究，其能夠?qū)O2轉(zhuǎn)化為碳酸。其中酶催化反應(yīng)中，通過Zn作為Lewis酸性位點(diǎn)、酶中的酰胺N-H鍵提供氫鍵作用，在親電試劑上進(jìn)行羥基親核試劑加成。
由此，作者嘗試將這種親核羥基變?yōu)橛H核性負(fù)氫過程，實(shí)現(xiàn)對不飽和底物的加成。該過程中使用的鋅酶能夠方便的進(jìn)行大量合成，而且避免使用貴金屬。同時(shí)，由于該催化劑無需將蛋白和輔酶結(jié)合，非生物相干的反應(yīng)能夠通過細(xì)胞直接進(jìn)行，避免了提純蛋白作為催化劑。
催化反應(yīng)
圖3. 反應(yīng)優(yōu)化
反應(yīng)實(shí)施。以吡啶乙酮作為底物，3倍量PhSiH3作為提供負(fù)氫的試劑，將人碳酸酐酶作為催化劑，在Tris緩沖液（pH 8）中和20 ℃中進(jìn)行催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了將吡啶乙酮對映選擇性轉(zhuǎn)化為吡啶羥基甲醇。通過氘代標(biāo)記芳基硅氫烷作為反應(yīng)物，驗(yàn)證了在產(chǎn)物中成功標(biāo)記氘代氫，產(chǎn)率達(dá)到＞99 %，對映選擇性達(dá)到98 % ee，氘代選擇性達(dá)到99 %。而且，在克級放大合成實(shí)驗(yàn)中，以93 %的分離收率進(jìn)行反應(yīng)收取1.2 g產(chǎn)物，反應(yīng)對映選擇性達(dá)到97 % ee。
底物拓展
圖4. 底物拓展（部分）
在優(yōu)化后的反應(yīng)條件中，作者進(jìn)行了底物的拓展測試，展示了對不同電子結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)、攜帶活性官能團(tuán)的底物有較好的兼容性。苯乙酮、4-氯苯乙酮、4-溴苯乙酮的反應(yīng)產(chǎn)率分別能達(dá)到89 %（94 % ee）、＞99 %（＞99 % ee）、81 %（＞99 % ee）。芳基對位含有給電子基團(tuán)（甲基、甲氧基、硫代甲氧基），反應(yīng)收率有所降低（51~81 %），但是對映選擇性得以保持99 % ee。芳基2-/3-位點(diǎn)上含有溴、甲氧基、氯取代基，具有高立體位阻作用（雙取代、三取代芳烴），同樣能夠同時(shí)得到高產(chǎn)率和高對映選擇性。該反應(yīng)方法學(xué)對芳基乙基酮、氟甲基酮、芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)、酮同樣有高反應(yīng)活性和對映選擇性。
反應(yīng)機(jī)理
圖5. 反應(yīng)機(jī)理
反應(yīng)催化中心。通過控制性實(shí)驗(yàn)，對人碳酸酐酶的變體進(jìn)行催化反應(yīng)效果測試，系統(tǒng)性的測試和調(diào)控酶的殘基極性、體積對反應(yīng)性能的影響。將非極性殘基調(diào)整為極性，催化反應(yīng)無法有效的進(jìn)行。此外，分別驗(yàn)證了反應(yīng)并不是被其他結(jié)構(gòu)（NAD(P)H、其他類型的Zn酶、細(xì)胞中的其他功能結(jié)構(gòu)等）催化，從反面驗(yàn)證了催化活性中心為人碳酸酐酶。
反應(yīng)機(jī)理。通常酮被芳基氫硅烷的還原反應(yīng)有兩種可能的反應(yīng)機(jī)理，Zn作為Lewis酸性位點(diǎn)活化羰基基團(tuán)、或者活化硅烷中的負(fù)氫。
作者通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該反應(yīng)中首先形成Zn-負(fù)氫物種，隨后負(fù)氫轉(zhuǎn)移到酮分子，整個(gè)催化反應(yīng)需要兩步。這種反應(yīng)過程和以往基于生物催化還原反應(yīng)機(jī)理不同。作者通過混合量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）DFT計(jì)算對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)：
Ji, P., Park, J., Gu, Y. et al. Abiotic reduction of ketones with silanes catalysed by carbonic anhydrase through an enzymatic zinc hydride. Nat. Chem. (2021).
DOI: 10.1038/s41557-020-00633-7
https://www.nature.com/articles/s41557-020-00633-7
