分子内氢化物转移消旋化耦合酶促动力学拆分实现笼状化合物的不对称合成

《The Journal of Organic Chemistry》：Intramolecular Hydride Transfer Racemization Coupled with Enzymatic Kinetic Resolution Enables Asymmetric Syntheses of Caged Compounds

　　

具有五环十一烷（pentacycloundecane，PCUD）骨架及相关子结构的笼状分子代表了一类令人兴奋的化合物，具有众多潜在应用，然而其不对称合成的报道却十分稀少。在本工作中，研究人员报道了一种这些化合物的不对称合成方法，该方法的特点在于脂肪酶催化的动力学拆分（kinetic resolution，KR）与羟基酮起始原料通过分子内氢化物转移进行消旋化的独特能力的协同效应。这种特定的消旋化反应虽此前已有报道，但在本研究之前，尚未被应用于合成领域。

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一、研究背景与问题

笼状碳环分子因其独特的结构和反应活性，半个多世纪以来一直吸引着有机化学家的关注，这主要归因于这些结构存在于多个天然产物类别中。在各种笼状多环分子中，含有五环十一烷（pentacycloundecane，PCUD）亚结构的化合物一直是众多研究的主题，展示了该类化合物在药物科学和材料科学领域的巨大潜力。此外，PCUD骨架中固有的刚性和张力的四元环是允许发生独特骨架重排的结构特征，表明这些化合物可作为复杂目标分子合成中的分支点中间体。

然而，尽管关于手性PCUD化合物的文献丰富，据研究人员所知，其不对称合成的方法此前尚未见报道。为解决这一挑战，研究人员设想利用笼状分子中反应基团空间邻近所产生的独特特性，并结合不对称催化。特别是，Watt及其合作者的工作启发了研究人员，他们的报告证明了笼状羟基酮中快速、可逆的分子内氢化物转移的可行性，该过程相当于著名的Meerwein-Pondorf-Verley还原/Oppenauer氧化的分子内版本。他们对含PCUD的笼状羟基酮1和二甲基笼状羟基酮2的碱金属醇盐进行的分子内氢化物转移的开创性研究揭示了桥头环尺寸和碱金属阳离子种类对能垒的影响。在该过程的过渡态属于C_s点群的情况下，氢化物转移也是一个消旋化反应。认识到这一点，研究人员设想利用这种消旋化过程来开发一种用于PCUD及其他笼状化合物的不对称合成方法。当与对映选择性动力学拆分（KR）过程结合时，未反应的起始原料经过消旋化再生出活性对映体，从而允许多次循环后实现高产率的对映选择性过程。

二、关键技术方法概述

研究人员采用了以下关键技术方法：首先，利用来自皱褶假丝酵母（Candida rugosa，CRL）的脂肪酶催化笼状羟基酮的对映选择性酰化反应，实现动力学拆分（KR）。其次，利用笼状羟基酮在碱性条件下通过分子内氢化物转移进行消旋化的独特性质，将回收的非活性对映体重新转化为外消旋混合物，以便进行下一轮KR。最后，通过多轮“KR-回收-消旋化”循环，突破了传统KR中50%的理论产率上限。

三、研究结果

1. 脂肪酶筛选与反应条件优化

研究人员以环戊二烯和1,4-苯醌的Diels-Alder加合物衍生的笼状羟基酮1为模型底物，评估了多种商品化脂肪酶的酰化活性和对映选择性。结果表明，来自皱褶假丝酵母的脂肪酶（CRL）在活性和选择性方面均表现独特。其他常用脂肪酶如Novozyme 435和猪胰脂肪酶则无效。研究发现，CRL的纯度和配方至关重要，不同商品化版本的CRL导致产物乙酸酯的产率和对映体比率（enantiomeric ratio，er）存在显著差异。例如，Millipore Sigma的L1754型CRL虽能以定量产率得到产物3，但为外消旋体；而活性更高的L8525型CRL则能在50%产率下提供92:8的er值，计算选择因子s为30。通过重结晶，产物3的er可进一步提升至96:4。研究人员还开发了一种基于异丙醇处理、离心和透析的方法来增强商品化L1754型CRL的选择性，得到“家庭纯化”（home-purified，HP）的CRL。

2. 底物范围考察

在最优反应条件下，研究人员考察了CRL催化笼状羟基酮酰化反应的底物范围。结果显示，螺环丙基[双环[2.2.1]庚烷]类底物、高度功能化的1,2,3,4-四氯-7,7'-二甲氧基双环[2.2.1]乙酸酯、以及含有双环[2.2.2]辛烷亚结构的底物均能以中等至良好的产率和对映选择性得到相应的酰化产物。特别值得注意的是，对于缺乏桥头结构元素的底物，使用Amano AY 30-SD脂肪酶也能获得高达93:7的er值，其手性仅由单个C–C σ键的存在标记，凸显了CRL对此类笼状羟基酮卓越的手性识别能力。然而，在四元环β位引入甲基的底物会显著降低对映选择性，而在α位引入甲基的底物则完全不反应。通过X射线晶体学分析，确定了(S)-3是CRL催化酰化反应优先形成的对映体。

3. 分子对接研究

为了初步理解CRL催化笼状羟基酮酰化反应中对映选择性的潜在起源，研究人员进行了分子对接研究。结果表明，次要(R)对映体的酯羰基氧未能与氧阴离子洞的关键残基Gly124的主链N–H形成关键的催化氢键相互作用，而(S)-3的对接则显示了这一相互作用。这表明(R)-1的酰化速率较慢至少部分是由于四面体中间体的稳定性降低所致。

4. 消旋化条件与多轮反应提升产率

研究人员发现，α,α,α-三氟甲苯作为KR溶剂不适合快速消旋化，极性非质子溶剂是关键。对于无桥头碳的羟基酮15或含双环[2.2.2]辛烷亚结构的羟基酮16，使用2.0当量Cs₂CO₃在乙腈中80 °C加热5小时即可完全消旋化。而对于双环[2.2.1]庚烷类的羟基酮1，则需要更强的碱（1.0当量KH在乙腈中80 °C加热5小时）。在放大实验中，羟基酮15经三轮KR-回收-消旋化循环后，产物10的产率可达83%，er值为93:7。羟基酮1经两轮循环后，产物3的产率达70%，er值为92:8。这证明了生物催化与分子内氢化物转移消旋化的结合能够以合成有用的产率实现多环笼状化合物的不对称合成。

5. 产物衍生化研究

最后，研究人员对乙酸酯3进行了衍生化研究。通过间氯过氧苯甲酸（mCPBA）氧化，得到了单一的Baeyer-Villiger氧化产物17。与盐酸羟胺或对甲苯磺酰肼反应，分别以近乎定量的产率得到肟18和甲苯磺酰腙19。在BF₃·OEt₂作用下，甲醇取代乙酰氧基，以65%产率得到甲醚20，其构型发生翻转。此外，Wittig亚甲基化反应得到了烯烃21，可作为进一步骨架修饰的潜在中间体。

四、总结与结论

总之，研究人员报道了一种笼状酮酯的不对称合成方法。该方法将CRL催化的笼状羟基酮的对映选择性酰化反应与起始原料在碱性条件下通过分子内氢化物转移进行消旋化的独特能力相结合，使得在多次反应循环后能够再生出活性对映体，从而突破传统KR所施加的50%产率阈值。野生型CRL能够耐受多种具有不同桥头结构的笼状羟基酮底物，表明该酶有望作为工程化改造的起点，以实现对该类化合物更通用的生物催化不对称构建。未来的研究将聚焦于通过蛋白质工程提高该方法的操作便利性，目标是获得一个能使KR和起始原料消旋化过程在同一溶剂中进行的变体。这些改进原则上将允许开发一个将KR和消旋化步骤分室化的连续过程。研究人员希望这项研究能激励合成实践者将这些化合物纳入设计路线，以合成复杂的目标分子。