化學與材料科學 - 新加坡國立大學李智教授團隊Angew: 酶催化實現高區域選擇性和立體特異性的1,2-甲基轉移的Meinwald重排－鑽石舞台

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Meinwald 重排是一種高價值的化學反應,可以將環氧化合物經酸催化發生化學基團遷移開環得到醛酮化合物的一類有機反應, 但是通常化學基團的遷移缺乏區域選擇性和立體選擇性。其中Meinwald 重排的一個重大挑戰是無法有選擇性地識別內部環氧化物的不同取代基（如氫或烷基）的遷移而產生不同產物的混合物。雖然在某些情況下可以實現氫而不是烷基的遷移, 選擇性地識別烷基基團而不是氫的遷移仍然是一個挑戰。到目前為止, 對於特定類型的內部環氧化物, 只有有限的例子更傾向於烷基基團的轉移而不是氫。

示意圖1: SOI 催化的內部環氧化物通過 1,2-甲基轉移的 Meinwald 重排。a) 內部環氧化物的化學 Meinwald 重排，通常產生兩種可能的異構體的混合物。b) SOI 催化的反式-1-苯基環氧丙烷異構化僅產生 1,2-甲基變換產物。c) 涉及 SOI 催化的環氧化物異構化的級聯反應，通過 1,2 甲基轉移將反式 β甲基烯烴分別轉化為 (R) 2 芳基丙醇、(R)-2-芳基丙酸和 (R) 2 芳基丙基胺。d) SOI 催化的 2-甲基茚氧化物異構化僅產生 1,2-甲基轉移產物

新加坡國立大學的李智教授團隊發現了一種新型苯乙烯異構酶(SOI)催化的 Meinwald 重排, 通過 1,2-甲基轉移催化內部環氧化物的獨特異構化, 而沒有 1,2-氫轉移, 得到相應的醛和環酮作為唯一產物。值得一提的是, 這是第一次發現由酶實現高區域選擇性和立體選擇性地催化1,2-甲基轉移的Meinwald 重排反應。

首先, SOI 催化的 Meinwald 重排具有區域選擇性,只能選擇順式-1-芳基環氧丙烷,而不選擇反式-1-芳基環氧丙烷, 以高收率提供相應的醛（2-芳基丙醛）作為唯一產物,並具有完全的對映體保留。然後, SOI還可以立體定向性地催化Meinwald 重排, 比如催化(1R, 2R)-1-芳基環氧丙烷為 (S)-2-芳基丙醛, (1S, 2S)-1-芳基環氧丙烷為 (R)-2-芳基丙醛, 並且催化環狀2-甲基茚氧化物為1-甲基-2-茚滿酮。SOI表現出的高區域選擇性和立體定向性是化學催化劑很難實現的。

圖 1. SOI 催化的 trans-4a 異構化通過立體定向 1,2 甲基轉移。a) 5 mM (1R, 2R)-4a 到 (S)-5a 的 SOI 催化生物轉化的反應。b) 5 mM (1S, 2S)-4a 到 (R) 5a 的 SOI 催化生物轉化的反應

這種新型 SOI 催化的 Meinwald 重排可以開發新型的一鍋級聯反應,以從易於獲得且廉價的起始材料生產具有高價值的對映體純化合物被應用於兩種新型的級聯反應合成高價值和高手型的酸,醇和氨。用大腸桿菌共表達苯乙烯單加氧酶（SMO）,SOI以及乙醛脫氫酶（EcAlDH）或苯乙醛脫氫酶（PAR）和轉氨酶（BmTA）,以順式-β-甲基苯乙烯進行一鍋級聯生物轉化,產生 12 種不同的 (R)-2-芳基丙醇, (R)-2-芳基丙酸和 (R)-2-芳基丙基胺分別具有高ee和高產率。

這種獨特的酶促 Meinwald 重排的發現實現了綠色,選擇性和清潔的轉化,為合成有價值的化學品提供了化學 Meinwald 重排的有用替代方案, 為進一步開發用於新型 Meinwald 重排的新酶提供了堅實的基礎。