亚胺的不对称催化还原制备手性胺的研究进展

亚胺的不对称催化还原制备手性胺的研究进展

氨基通常存在于自然界的各种生物活性物质中，如碱性（吗啡、麻黄碱）、蛋白质、激素和抗生素。其中,手性胺作为一类极其重要的化合物,不仅可以作为一些药物合成的中间体和农用化学品的有效成份,也可以作为一些过渡金属的配体或者直接作为有机小分子催化剂用于催化手性化合物的合成,同时还可以用于香料香精产业然而,随着制药工业对环境以及行业规范要求的日益提高,传统化学合成的方法局限性日益凸显,生物催化的不对称合成因具有反应条件温和、选择性高、绿色无污染等优点,并且随着分子生物学技术的发展,对酶的修饰和改性变得更加容易,逐渐被广泛应用于手性胺的合成中。例如ChristopherKS.小组采用高活性的转氨酶突变体催化酮到手性胺的不对称转化,成功实现了西格列汀的合成在生物体中也存在亚胺还原的生化反应过程,例如:在生物体内存在一种“一碳单位”的接纳体和供体-叶酸是一种水溶性B族维生素,广泛存在于绿色植物、蘑菇、酵母、肝脏和肾脏中。以NADPH为辅酶,叶酸(1-a)能在二氢叶酸(DHF)还原酶作用下,经两次连续还原,先后生成7,8-二氢叶酸(1-b)和5,6,7,8-四氢叶酸(1-c),即辅酶F(见图1)。此外,在生物体内氨基酸代谢的过程中,由谷氨酸脱氢酶(GDH)介导的氨基酸的氮转移过程中可以产生亚胺中间体,然后经不对称还原得到手性α-氨基酸(见图2)尽管亚胺还原酶催化亚胺的不对称还原反应早有相关报道,但由于传统亚胺化合物在水相体系中差的稳定性,易分解生成相应的酮和胺,而水相往往又是生物酶催化反应的传统介质,这无疑限制了亚胺还原酶在催化亚胺不对称还原反应中的应用。大多数亚胺中间体为环状酮亚胺,并且与酮之间存在动态平衡,在酶催化作用下,平衡可以向生成新的手性氨的反应方向移动。因此,可以用醛或酮代替亚胺,在转氨酶催化作用下,实现手性胺的高对映选择性合成,从而克服以亚胺作底物在水溶液中不稳定的局限性。下面将重点对生物催化亚胺合成手性胺化合物的方法进行讨论。1放线菌属微生物的筛选2004年,StephensG.小组以正丁醛、苯甲醛、正丁胺和苯胺作为底物,采用动态组合筛选的方法,以水和正十四烷作为两相反应体系,成功筛选出亚胺还原酶产生菌株Acetobacteriumwoodii。在筛选过程中他们发现,用咖啡酸酯诱导后的菌株在催化N-亚苄基苯胺和N-亚丁基苯胺的还原反应中,能够显示出高的催化活性;而不经诱导的菌株只能用于N-亚丁基苯胺和苯甲醛的还原,对其他底物的还原没有催化活性(见图3)2008年,ChadhaA.小组以芳香亚胺为底物,采用CandidaparapsilosisATCC7330整细胞生物催化剂,实现了水相体系中亚胺的不对称还原反应,获得了R构型的芳香仲胺。研究过程中,他们发现苯环上连有吸电子基团或供电子基团对反应结果影响不大,对映选择性为95%~99%,产率为55%~80%(见图4)2010年,MitsukuraK.小组以2-甲基-1-二氢吡咯(2-MPN)为底物,从226株酵母菌、261株细菌、117株放线菌和84株真菌中筛选获得了五株具有亚胺还原活性的放线菌属微生物。用其中一株催化2-MPN的不对称还原,可以得到S构型的产物,而用另外四株催化该反应,则得到R构型的产物。值得注意的是,这些菌株具有较好的底物耐受性,即使在27.5~91mmol/L的底物浓度下,产物的收率和ee值也可分别达到92%和99.2%(见图5)随后,他们克隆表达了菌株中的亚胺还原酶基因,发现对R/S选择性的亚胺还原酶均依赖辅酶NADPH,且均为同源二聚体结构,亚基大小分别为32kDa、30.5kDa。更有趣的是,在中性pH条件下,具有R选择性的还原酶对2-MPN表现出还原活性,在碱性条件下,则对(R)-2-MP表现出氧化活性。此外,通过对两种不同选择性的亚胺还原酶进行氨基酸序列分析,发现S选择性的亚胺还原酶与6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶具有60%的相似度,而R选择性的亚胺还原酶与6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的相似度只有37%同年,SantosLS.小组采用Saccharomycesbayanus整细胞催化的方法,实现了β-咔啉亚胺类化合物的不对称还原,实验结果表明,R取代基对反应的选择性有着很大的影响。当R为C2012年,LambA.L.小组从Yersiniaenterocolitica中分离得到依赖NADPH的亚胺还原酶,在噬铁耶尔森杆菌素形成过程中用于介导二氢噻唑的还原。通过将分离获得的亚胺还原酶与载脂蛋白及NADP2013年,GrogenG.小组用从Streptomyceskanamyceticus中获得的氧化还原酶(Q1EQE0),实现了单环亚胺2-甲基-1-二氢吡咯啉的不对称还原反应。Q1EQE0的分子量大小为32kDa,在以NADPH作为辅酶的情况下,K2014年,Hue56ehneM.小组分别从类芽孢杆菌PaenibacilluselgiiB69、链霉菌Streptomycesipomoeae91-03、假单胞菌PseudomonasputidaKT2440中克隆表达出三种亚胺还原酶,其中从假单胞菌中克隆获得的亚胺还原酶显示出最好的催化活性。进一步的基因突变证明该酶起催化作用的残基为组氨酸残基,有别于已报道的克隆于Streptomyceskanamyceticus的还原酶,后者起催化作用的是天冬氨酸残基(见图7)同年,HauerB.小组通过将已报道的亚胺还原酶基因的序列于已获得的亚胺还原酶序列进行比对分析,分别筛选出了具有R选择性和S选择性的亚胺还原酶的基因序列。通过进一步克隆表达、蛋白纯化获得了纯酶催化剂,并以此催化2-甲基-二氢吡咯的不对称还原反应。研究表明,与之前报道的亚胺还原酶相比,这些酶可以表现出更好的催化活性,而且活性中心的氨基酸残基对还原活性的维持起着至关重要的作用2亲和素蛋白的协同催化除了上述的亚胺还原酶外,人工金属酶也被广泛应用于亚胺的不对称还原反应,这类催化剂主要是利用肽支架与化学催化剂的中心结合,以达到改变反应的微环境的目的,实现对反应选择性的控制。2011年,WardT.R.小组利用生物素衍生的双胺配体/金属配合物与野生型链霉亲和素蛋白协同催化6,7-二甲氧基-1-甲基-3,4-二氢异喹啉的不对称还原反应,得到了R构型的猪毛菜定在前期的工作基础上,他们通过基因工程技术对宿主蛋白周围的基因进一步修饰,筛选获得的氢化酶(ATHase),能够高效催化6,7-二甲氧基-1-甲基-3,4-二氢异喹啉的不对称转移氢化反应,得到不同构型的还原产物。进一步研究证明,金属铱和链霉亲和素蛋白的结合比例可以在很大程度上影响亚胺还原酶的动力学参数及其催化反应的对映选择性。通过计算机辅助计算和X射线衍射技术分析有机金属与生物支架的对接情况,并结合饱和动力学研究,他们提出了高对映选择性“诱导锁钥”假说,即宿主蛋白的结构决定了金属铱辅因子的组态,该组态又在很大程度上决定了亚胺还原酶的选择性。更值得一提的是,人工金属酶被证明具有野生酶的原始活性,其不仅可以弥补野生酶的不足,还可用于催化串联反应(见图8)3不对称还原制备的光学纯仲胺本文对亚胺还原酶制备手性胺的应用研究进行了简要的概述,重点探讨