《ChemComm》：When organolithiums meet imine reductases: a hybrid chemoenzymatic route towards chiral N-heterocyclesOpen Access
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本文报道了一种用于立体选择性制备手性2-取代氮杂环化合物的混合化学酶法方案。该研究方法依赖于由有机锂试剂与亚胺还原酶（imine reductase, IRED）酶所促进的环化/生物还原序列，该过程在空气氛围及室温条件下进行，并在一个一锅法、伸缩式（teles
本文报道了一种用于立体选择性制备手性2-取代氮杂环化合物的混合化学酶法方案。该研究方法依赖于由有机锂试剂与亚胺还原酶（imine reductase, IRED）酶所促进的环化/生物还原序列，该过程在空气氛围及室温条件下进行，并在一个一锅法、伸缩式（telescoped）合成操作中实现连续三次C–C/C–N/C–H键的构建事件。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
化学酶法（chemoenzymatic）合成策略，即将生物催化所具备的选择性与环境友好特性，与成熟化学转化所拥有的稳健性和通用性相结合，已被公认为有机合成领域的重要发展方向。近年来，多种酶类与合成策略已被整合进多步化学酶法序列中，用以开拓新颖且未被探索的化学空间。然而，碱金属介导的反应在化学酶法路径中的应用却鲜有研究。截至目前，仅有少数报道涉及有机锂试剂与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸依赖型亚胺还原酶（NADPH-dependent imine reductase, IRED）或酮还原酶（ketoreductase, KRED）的分步化学酶法转化。与此同时，将生物催化系统与化学反应融合于混合多步级联反应中，被视为一项前沿合成机遇，尤其适用于高活性瞬态物种的生成，可避免繁琐的中间体纯化步骤，从而降低废物、能源与时间成本。然而，在一锅法流程中整合化学催化与生物催化面临诸多挑战，其中最关键的是反应条件需同时兼容化学步骤与酶促步骤。近年来，极性有机金属试剂在需氧/质子性条件下的化学研究进展，为设计有机锂试剂反应活性与氧化还原酶选择性的混合方案提供了可能。尽管IRED酶已被用于制备对映体富集的手性胺，但其与碱金属介导转化相结合的一锅法混合方案此前尚属空白。基于上述背景，研究人员旨在开发一种前所未有的、一锅法混合化学酶法策略，以高立体控制水平合成具有重要药物相关性的手性2-取代饱和氮杂环化合物。
二、研究内容与核心发现
该研究提出了一种全新的合成方法论，其核心在于将有机锂试剂促进的环化反应与IRED酶催化的立体选择性生物还原反应进行一锅法串联。具体而言，该方法涉及卤代脂肪腈在空气及室温条件下，经有机锂试剂快速促进的环化反应生成环状亚胺中间体，随后在非传统异相条件下，利用IRED酶对该中间体进行一锅法立体选择性生物还原。该策略实现了连续三次区域选择性与立体选择性的C–C、C–N及C–H键构建事件，并最终以高对映选择性获得手性2-取代哌啶和吡咯烷衍生物。值得注意的是，研究人员发现使用高疏水性溶剂环戊基甲醚（cyclopentyl methyl ether, CPME）作为反应介质至关重要，其既能有效抑制水分诱导的质子解副反应，又能提升化学步骤与酶促步骤的整体效率与可持续性。此外，在酶促步骤中保留CPME对生物还原效率具有积极影响，显著提高了手性胺产物的产率。通过对多种IRED酶的筛选，研究人员确定了IRED-72与IRED-17等酶在催化六元及五元环状亚胺还原中的高效性与优异立体选择性。
三、关键技术与方法
研究人员主要采用了以下关键技术方法：其一，利用有机锂试剂在空气及室温条件下促进卤代脂肪腈的环化反应，该步骤在CPME溶剂中进行，反应时间极短；其二，采用IRED酶（包括IRED-72与IRED-17）对环状亚胺中间体进行不对称生物还原，并利用NADP?为辅因子、D-葡萄糖/葡萄糖脱氢酶（glucose dehydrogenase, GDH-101）体系实现辅因子再生；其三，构建了一锅法、伸缩式（telescoped）的化学酶法串联反应体系，即在化学环化步骤完成后直接向反应体系中加入含IRED酶、辅因子及底物再生系统的缓冲液/甘油混合溶剂，实现原位生物还原；其四，利用手性高效液相色谱（chiral HPLC）测定产物的对映体过量值（ee），并通过旋光度比对确定产物的绝对构型。
四、研究结果
有机锂促进的环化反应条件优化。 研究人员以5-溴戊腈为模型底物，系统考察了不同溶剂体系对有机锂促进环化反应的影响。结果表明，在水、甘油、磷酸盐缓冲液及低共熔溶剂等质子性或亲水性介质中，反应转化率较低，主要归因于有机锂物种的内部质子解及亲电溴位点的竞争性亲核事件。当采用高疏水性CPME作为溶剂时，在空气及室温条件下，环状亚胺2a的产率可达81%，且反应时间仅需1分钟。相比之下，使用吸湿性较强的2-MeTHF或4-MeTHP溶剂时产率显著下降。此外，增加有机锂试剂的用量对产率有不利影响，而反应活性较低的格氏试剂（PhMgBr）则无法有效促进该转化。
一锅法伸缩式化学酶法合成。 研究人员将优化的化学环化条件与IRED酶促生物还原相结合，构建了伸缩式一锅法流程。在最优条件下，以CPME为溶剂完成PhLi促进的环化反应后，直接向体系中加入磷酸盐缓冲液/甘油混合溶剂、IRED-72酶、NADP?辅因子及D-葡萄糖/GDH-101辅因子再生系统。反应4小时后，手性2-苯基哌啶3a以63%产率及96%对映体过量（S构型）获得；延长反应时间至更久，产率提升至73%，对映体选择性提高至98%。对照实验表明，若在酶促步骤前移除CPME或仅使用磷酸盐缓冲液，产率均显著下降，证实了CPME及甘油在维持酶活性与反应效率中的关键作用。
IRED酶筛选与底物适用范围拓展。 研究人员对一系列商业IRED酶进行了筛选，考察其在不同环尺寸环状亚胺还原中的催化性能。对于六元环状亚胺（源自腈1），IRED-17与IRED-72均能以73%产率获得目标产物，其中IRED-72展现出更优的立体选择性（98% ee vs. 90% ee，均为S构型）。对于五元环状亚胺（源自腈4），IRED-17、IRED-44与IRED-69均能有效催化还原，产率在55%–69%之间，对映体选择性为96%–97%（S构型），而IRED-72对五元环状亚胺无效。在底物拓展研究中，多种芳基锂试剂与溴代腈底物的组合均能顺利实现环化/生物还原串联，获得一系列2-芳基哌啶（产率25%–65%，对映体过量最高达98%）及2-芳基吡咯烷（产率32%–64%，对映体过量96%–99%）。然而，使用烷基锂试剂或更长链的溴代己腈时，因环化步骤中消除或未知副产物的形成，导致反应混合物复杂化。
五、总结与讨论
本研究成功开发了一种温和高效的一锅法混合化学酶法方案，用于获取对映体富集的手性哌啶和吡咯烷衍生物。该方法的创新之处在于首次将有机锂试剂介导的环化反应与IRED酶催化的不对称还原反应整合于同一反应体系，实现了连续三次区域选择性和立体选择性的C–C、C–N及C–H键构建。研究人员特别强调了CPME作为反应介质的关键作用，其不仅提升了化学步骤的产率与效率，还改善了酶促步骤的催化性能，从而增强了整体转化的可持续性。研究结论表明，该策略为手性氮杂环化合物的合成提供了一条兼具效率、选择性与环境友好特性的新途径，并为进一步探索涉及极性有机金属试剂的其他混合化学酶法策略奠定了基础。
