非特异性过加氧酶催化硫手性中心化合物的不对称合成新策略

《Nature Communications》：Asymmetric synthesis of stereogenic-at-sulfur compounds via biocatalytic oxidation with Unspecific Peroxygenases

本研究针对手性硫(IV)化合物合成方法匮乏的难题，开发了非特异性过加氧酶(UPO)催化硫亚胺和硫烯胺氧化的生物催化新方法。通过动力学拆分策略实现了磺酰亚胺的高对映选择性合成(最高98% ee)，并利用不同类别UPO的互补选择性实现了磺酰亚胺两种对映体的可控合成(最高99% ee)。该工作填补了生物催化硫手性中心构建的技术空白，为药物研发提供了绿色合成路径。

　　

在药物化学和不对称合成领域，具有手性硫中心的化合物犹如一颗颗璀璨的明星，扮演着不可或替代的角色。从年销售额数十亿美元的胃药埃索美拉唑（Esomeprazole），到不对称合成中不可或缺的埃勒曼（Ellman）磺酰胺辅助剂，再到高效杀虫剂磺胺氟（Sulfoxaflor），这些分子都因其硫原子上独特的立体构型而展现出卓越的生物活性和选择性。然而，尽管手性硫(IV)化合物的重要性日益凸显，其合成方法却面临巨大挑战——特别是对于磺酰亚胺（sulfoximines）和磺酰亚胺（sulfinimines）这两类重要化合物，现有的不对称合成方法仍然有限，且缺乏绿色高效的生物催化途径。

传统化学合成方法往往需要贵金属催化剂、复杂的手性配体或苛刻的反应条件，而已知的生物催化方法又仅限于将硫醚转化为亚砜这一简单转化。这种局面严重限制了手性硫化合物在药物研发和精细化工中的广泛应用。正是在这样的背景下，研究人员开始将目光投向一类新兴的生物催化剂——非特异性过加氧酶（Unspecific Peroxygenases, UPOs）。这类酶具有独特的优势：它们不依赖昂贵的辅因子，只需添加过氧化氢即可驱动反应，且已证明能够催化多种选择性氧化反应。但一个重要问题悬而未决：UPOs能否突破现有局限，实现更复杂硫手性中心的不对称构建？

为了回答这一科学问题，来自约克大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新成果。他们系统探索了UPOs在硫手性化合物合成中的潜力，成功开发出两种新颖的生物催化策略：一是通过动力学拆分实现磺酰亚胺的高效合成，二是利用不同类别UPOs的互补选择性实现磺酰亚胺对映体的可控合成。

研究人员主要运用了酶催化氧化、动力学拆分、对映选择性分析和分子对接等关键技术方法。他们从真菌中提取了不同类型的UPOs（包括Class I类的artUPO和Class II类的rAaeUPO-PaDa-I-H），系统评估了这些酶在硫化合物氧化反应中的活性和选择性。通过精密控制过氧化氢的添加速率和反应条件，实现了对转化率的精确调控。产物的对映体过量值（ee值）通过手性HPLC进行分析，而酶的立体选择性机制则通过Autodock VINA分子对接模拟进行阐释。

磺酰亚胺的动力学拆分合成

研究团队首先将目光投向磺酰亚胺的合成。他们设计了一种巧妙的动力学拆分策略：以外消旋的N-氰基硫亚胺（sulfilimines）为底物，利用artUPO的选择性氧化能力，将其中一种对映体转化为磺酰亚胺，而另一种对映体则保持未反应状态，从而实现两者的分离和富集。在最优条件下，该策略成功应用于20多种不同取代模式的硫亚胺底物。特别是对位三氟甲基取代的底物表现尤为出色，磺酰亚胺产物(S)-5e和(S)-5j的对映体过量值分别达到95%和98%，分离因子s>200，展现了卓越的立体选择性。值得注意的是，该方法不仅适用于芳香族底物，对脂肪族底物同样有效，如底物rac-4s的转化成功证明了反应对芳香取代基的非依赖性。

磺酰亚胺的对映选择性合成

在磺酰亚胺合成方面，研究发现了更为有趣的现象：不同类别的UPOs展现出互补的立体选择性。Class II酶rAaeUPO-PaDa-I-H倾向于生成(R)-构型产物，而异丙基取代的底物转化率高达89%，对应产物(R)-12a的ee值达到98%。而Class I酶artUPO则表现出相反的立体偏好，对叔丁基取代的底物实现完全转化，生成(S)-构型产物(S)-13a的ee值高达92%。这种对立选择性为同时获取两种对映体提供了极大便利。底物适用范围研究显示，该方法可成功应用于多种芳香族、萘基、酮亚胺以及杂环体系，展现了广泛的底物适应性。

合成应用验证

为了展示该方法在药物合成中的实用价值，研究人员选择了两个典型实例进行验证。使用rAaeUPO制备的磺酰亚胺(R)-12j（99% ee）为起点，通过DIBAL还原和水解反应，成功合成了治疗甲状旁腺功能亢进药物西那卡塞（Cinacalcet）的关键中间体。同样，利用artUPO在3 mmol规模上制备的磺酰亚胺(S)-13i（98% ee），经过高非对映选择性还原和水解，得到了治疗梗阻性肥厚型心肌病药物Mavacamten的前体胺18（99% ee）。这两个实例有力证明了该生物催化方法在药物合成中的实际应用潜力。

立体选择性机制探讨

通过分子对接模拟，研究人员对UPOs的立体选择性机制进行了深入探讨。发现artUPO的活性口袋由L65、V69、I91、I160和I235等疏水残基构成，能够很好地容纳(R)-构型底物的芳香环，使其pro-(S)面的硫孤对电子理想地指向催化中心Compound I（Cpdl）。而对于不利对映体，其氰基会与I160、L163和E164等残基发生空间冲突，这合理解释了实验观察到的立体选择性。相比之下，rAaeUPO的活性口袋由于F188等苯丙氨酸残基的限制，迫使底物通过更可及的隧道接近Cpdl，从而导致相反的立体偏好。

该研究成功开发了两种基于UPOs的生物催化新方法，实现了硫手性中心化合物的高效、高选择性合成。不仅填补了生物催化在硫手性化合物合成领域的技术空白，更展示了生物催化在复杂手性分子合成中的巨大潜力。特别值得一提的是，该方法操作简便、条件温和、无需昂贵辅因子，且可进行克级规模制备，为工业化应用奠定了坚实基础。不同类别UPOs展现的互补选择性更为手性分子的可控合成提供了新思路。随着合成生物学和酶工程技术的不断发展，这类绿色、高效的生物催化方法有望在药物研发和精细化工领域发挥越来越重要的作用，为可持续化学合成开辟新的道路。