缓冲介质介导的无催化剂Strecker反应及其酶促实现：绿色合成α-氨基腈的新策略

本文系统研究了在水性缓冲介质中进行的无催化剂Strecker反应，发现低pH和高浓度柠檬酸盐缓冲液可显著促进α-氨基腈的高效合成（产率高达97%），无需色谱纯化即可分离产物。研究证实羟腈裂解酶（HNLs）可催化亚胺的氰化反应，首次揭示了该酶家族在Strecker反应中的新功能，为多组分生物催化提供了创新范例。

　　

引言

Strecker反应作为发现已有175年的经典反应，最初由醛类、氯化铵和KCN反应生成α-氨基腈。该反应已成为合成天然与非天然α-氨基酸前体、生物碱（如saframycin A、girgensohnine）和药物分子（如万古霉素、氯吡格雷）的关键方法。传统反应多需Lewis酸或Br?nsted酸催化，且在有机溶剂中进行。近年来，以水为溶剂的绿色合成方法备受关注，但多数仍需色谱纯化步骤。羟腈裂解酶（HNLs）因其在氰醇形成中的高效性和立体选择性而被广泛研究，但其在亚胺氰化反应中的潜力尚未探索。

结果与讨论

研究团队首先以苯甲醛（1a）、苄胺（2a）和KCN为模型体系，在柠檬酸盐缓冲液中系统优化反应条件。研究发现中性水中仅生成亚胺中间体（3aa），而无氨基腈产物。在pH 5.4的50 mM缓冲液中，1小时转化率仅为28%，24小时后升至39%。降低pH可提高产率（最高64%），而增加缓冲液浓度（500 mM）可显著提升转化率（1小时达87%，24小时达94%）。在pH 5.0或3.3条件下，转化率可达97%。

底物拓展实验表明，该方法适用于多种醛酮（甲醛1b、乙醛1c、丙酮1d、二苯甲酮1g等）和胺类（苯胺、烷基胺等），成功合成了甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和蛋氨酸的前体化合物。使用丙酮氰醇作为氰源可进一步提高产率且安全性更佳。

在缓冲液-甲基叔丁基醚（MTBE）混合溶剂体系中，研究发现高缓冲浓度（500 mM）可大幅缩短反应时间（45分钟即可完全转化）。降低底物浓度会导致转化率下降，表明反应速率与界面面积密切相关。

酶促实验发现，添加AtHNL和HbHNL可显著加速反应，在2 μM酶浓度和缓冲液:MTBE（1:4）条件下，1小时产率可达88%，4小时后超过92%。对照实验表明，牛血清蛋白（BSA）和肌红蛋白（Myo）无催化活性，证实HNLs的特异性。值得注意的是，尽管酶促反应提高了产率，但产物仍为外消旋体。

分子对接模拟显示，S-构型产物与HbHNL活性位点（Ser80、Thr11、Lys236）的结合更优，但亚胺底物在结合时缺乏空间阻碍，导致氰化物可从两侧进攻，这解释了为何未能实现立体选择性。

实验方法

所有反应均在室温下进行，通过核磁共振（NMR）和高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）监测反应进程。产物通过乙酸乙酯萃取分离，无需色谱纯化。酶表达采用E. coli BL21(DE3)系统，通过镍柱纯化和脱盐处理获得高纯度HNLs。计算模拟采用Schr?dinger软件的Induced Fit Docking模块完成。

结论

本研究开发了一种在水性缓冲介质中进行的无催化剂Strecker反应新方法，具有操作简便、产率高、无需色谱纯化等优势。首次证实HNLs可催化亚胺的氰化反应，拓展了该酶家族的催化功能。虽然目前产物为外消旋体，但为未来开发立体选择性酶促Strecker反应奠定了重要基础。

致谢

感谢匈牙利科学院János Bolyai研究奖学金、Gedeon Richter优秀学术奖学金和国家研究发展创新办公室（PharmaLab项目RRF-2.3.1-21-2022-00015和SNN-146370）的资助。