用来自葡糖毕赤酵母的苯甲酰还原酶（KRED1-Pglu）还原苯乙酮衍生物：电子和空间效应对活性和对映选择性的影响外文翻译资料

 2022-12-30 11:25:49

用来自葡糖毕赤酵母的苯甲酰还原酶（KRED1-Pglu）还原苯乙酮衍生物：电子和空间效应对活性和对映选择性的影响

Martina L. Contente, Immacolata Serra, Luca Palazzolo, Chiara Parravicini, Elisabetta Gianazza, Ivano Eberini, Andrea Pinto, Benedetta Guidi,Francesco Molinaria and Diego Romano

摘 要:葡糖毕赤酵母的重组酮还原酶（KRED1-Pglu）被用于对映选择性还原各种单取代的苯乙酮。间位和对位衍生物的反应速率与sigma;-Hammett系数所描述的电子效应相一致。另一方面，对映选择性由结合袋中底物的相反方向决定。仅当具有低空间冲击取代基的底物（即F和CN）发生邻位衍生物时，才发生还原。而反应性受立体电子特征（C=O长度和电荷，LUMO前沿分子轨道的形状）控制，可以从理论上计算得出。

关键词：重组酮还原酶（KRED1-Pglu），对映选择性，反应性

一、引言

取代的1-苯基乙醇包含用于合成目的的重要结构类化合物，可以通过对映体选择性还原相应的苯乙酮而获得，获得方法我们将从化学催化1和生物催化2两方面进行深入研究。3各种微生物如醇脱氢酶（ADHs），羰基还原酶（CRs）和酮还原酶（KRs）都能够还原苯乙酮衍生物，从而获得相应的1-苯基乙醇4的两种对映异构体。酶促还原苯乙酮反应的反应性和立体选择性取决于芳香环上取代基的空间和电子性质，这将极大地影响反应速率；取代基和酶之间的其它特定相互作用（例如氢键，静电相互作用）可能确实有助于整体反应性。其它酶促反应，例如脂肪酶催化的2-芳基1,3-丙二胺的酰化反应，已经证实有后者的作用。其中分子动力学模拟表明，邻位衍生物的低反应性主要是由于芳香族化合物的邻位碳和亲核氮原子以及立构中心与酶促氧阴离子之间不利的分子内相互作用所致。此外，对苯环上的氢的溶剂可及表面的分析，解释了为什么对位和间位取代基是好的底物，而邻位取代的底物却不被接受。5

根据所使用的酶，通常以相反的对映选择性还原苯乙酮衍生物。事实证明，来自红球菌的ADH可以有效地还原大量的单、二和三取代的苯乙酮，从而始终提供相应的（S）-1-苯基乙醇（Prelog规则）6。在其它ADH中也观察到了相同的立体偏好，即来自罗氏菌（Ralstonia sp.）7和嗜热厌氧菌（Thermoanaerobacter sp.）8。在对13个单取代的苯乙酮进行测试的24个重组KR的筛选中，也发现了对Prelog规则的普遍偏爱。9 相反，可以通过使用特定的酶还原未取代的苯乙酮来制备光学纯的（R）-1-苯基乙醇，例如开菲尔乳杆菌的LK-ADH10，荧光假单胞菌的PF-ADH11和木兰念珠菌（CMCR）12的羰基还原酶。

关于环取代基对酶催化效率影响的系统研究很少。实际上，苯乙酮衍生物的空间位阻和电子性质在很大程度上取决于取代基的类型和位置，从而影响其总体反应性，无论是否涉及化学催化剂或生物催化剂。使用念珠菌木糖还原酶（CtXR）研究了许多单取代的苯乙酮衍生物，结果表明，该化合物在所有情况下均优先形成（S）-1-苯基乙醇。13对于这种酶，对位和间位取代基的sigma;-Hammett系数与反应速度具有良好的相关性，再次表明酶与底物的结合对CtXR在这些底物上的催化效率具有从属影响。有趣的是，邻位衍生物有时以较高的速率被还原，这表明在底物与酶之间存在有利的电子相互作用，形成了有利的结合方式。利用开菲尔乳杆菌和嗜热厌氧菌的ADH，我们观察到一个与对位取代基相关的有趣的性质:具有中性对位取代基的苯乙酮被高效选择性地还原，而带有可电离对位取代基的苯乙酮则不能被还原。14来自酿酒酵母的重组短链脱氢酶对一系列单取代的苯乙酮具有优异的（S）-对映选择性，而这与取代基的性质无关。值得注意的是，在2-氧-2-苯基乙酸乙酯的还原中，该酶的对映选择性受到芳香环上取代基的强烈影响：在苯环上生成（R）-醇，而未取代的2-氧-2-苯基乙酸乙酯得到（S）-醇。15这些结果表明，芳环上取代基的存在不仅会影响反应性，而且还会影响对映选择性。

在这项研究中，我们系统地研究了取代基的空间和电子性质对新型重组酮还原酶（KRED1-Pglu）16催化还原不同单取代苯乙酮的影响。17

二、结果与讨论

重组苯甲酮还原酶KRED1-Pglu分离自非常规酵母葡糖毕赤酵母；16葡糖毕赤酵母全细胞对映选择性还原不同的芳香酮，18-20包括苯乙酮，特别倾向于形成（S）-1-苯基乙醇；21，22有趣的是，可从具有相反对映选择性的重组蛋白的同一酵母还原的苯乙酮中分离出KRED1-Pglu。最初使用不同的对位取代的苯乙酮衍生物（1a-1c和1e-1h）研究了KRED1-Pglu，并将苯乙酮（1d）视为参考（如表1）。从表1可见，除了4-氨基苯乙酮1a（表1，条目1），这是唯一一个未经处理的底物，其余底物均以不同的速率转化。对所有取代的苯乙酮进行还原，均遵循Prelog规则，从而得到相应的（S）-1-苯基乙醇；大多数生物转化都会发生高对映选择性，除了4-甲氧基苯乙酮1b（表1，条目2），只有60％的底物被还原。

表1 用KRED1-Pglu还原对位取代的苯乙酮

观察（S）-1-苯基乙醇的立体偏好，发现与还原苯乙酮1d获得的立体偏好相反，后者还原得到的是（R）-1-苯基乙醇2d且转化率为95%。KRED1-Pglu还用于还原一组间位取代的苯乙酮（表2），该取代基与先前测试的对苯乙酮具有相同的取代基（1i-1o）。从表2可见，在这种情况下，所有底物都反应了，包括氨基衍生物1i。所有的间位衍生物都被还原为相应的（S）-1-苯基乙醇并且具备高至优异的对映选择性。值得注意的是，3-甲氧基苯乙酮1j还原为对映异构体（S）-2j，而相应的对位衍生物1b显示出中度对映选择性。

表2 用KRED1-Pglu还原间位取代的苯乙酮

sigma;-Hammett系数用于评估对位和间位取代基的性质对氢化物向苯乙酮转移的动力学的影响。如图1，相对于取代基的sigma;值绘制初始速率，其中对位取代基的sigma;值（sigma;para）和间位取代基的sigma;值（sigma;meta）独立相关。sigma;para-Hammett系数与反应速率密切相关，表明KRED1-Pglu的活性主要取决于电子性质，而底物的尺寸还是其疏水性带来的影响可忽略不计。吸电子基团（rho;gt; 0）加快了反应速率，这是由于氢化物对羰基的攻击导致产生了过渡态的负电荷。

图1 KRED1-Pglu的活性与sigma;para-、sigma;meta-Hammett值之间的相关性

为了评估被测底物的电子特性，执行了基于密度泛函理论（DFT/B3LYP/6-31G *）的气相几何优化方法，从而可以预测C=O长度和Mulliken派生出C原子参与氢化物攻击底物的电荷。通过分析所研究底物的最低空分子轨道（LUMO），进行进一步表征。对位和间位衍生物的活性也与C=O键的电荷密度分布（如图2）和C=O长度（如图3）相关。这些因素先前已用作关联ADHs对不同单取代苯乙酮活性的参数。12，13对位衍生物的活性和取代基的电子特征之间具有高度相关性，而间位衍生物则检测到较低的相关性，换作其它酶亦是如此。这种表现不同于用短乳杆菌和嗜热厌氧菌的ADH所观察到的现象，在这些表现中，取代基的吸电子或供电特性没有发挥明显的作用。

图2 KRED1-Pglu的活性与C=O键上碳原子的电荷之间的相关性

图3 KRED1-Pglu的活性与C=O长度之间的相关性

所有这些收集到的数据表明，对位衍生物被还原的反应速率显然不取决于底物和酶的空间相互作用，而底物和酶的空间效应只对间位衍生物的反应性有轻微的影响。通过观察到优选的底物是3-氟苯乙酮1l（带有较少空间受阻的取代基仍然是吸电子基团），证实了间位衍生物同时存在空间和电子效应。

在对位或间位的任何取代基的出现都有利于将氢化物传递至酮的Si面，而苯乙酮1d主要是通过攻击相对的prostereogenic面而产生（R）-1-苯乙醇。这些结果与用酿酒酵母中的重组醇脱氢酶YMR226c还原2-氧-2苯基乙酸乙酯衍生物时所观察到的结果相似：在这种情况下，与未取代的底物相比，苯环上任何类型的取代基都能颠倒酶活性位点中底物的立体识别。14

最后，通过我们的测试，我们分析了邻苯衍生物（表3）。邻位取代基在苯乙酮衍生物的反应性中具有明显的空间效应，因此无法采用简单的Hammettrsquo;s方法量化反应中心上的取代基效应。KRED1-Pglu仅对2-氟苯乙酮 1s和2-氰基苯乙酮 1u显示活性，因为这些底物带有吸电子取代基，其空间影响最小。同时，我们在许多重组酮还原酶中观察到空间需求高的邻位取代的苯乙酮的反应性低。9，12一个显目的例外是念珠菌木糖还原酶（CtXR），比起还原相应的对位和间位苯乙酮衍生物，它能更好地还原邻位取代的苯乙酮，但前提是该取代基同时具有较低的空间影响和吸电子效应（如F，Cl，Br ）；13CtXR具有宽的结合袋，能够容纳多种底物，包括邻位取代的苯乙酮。25

表3 用KRED1-Pglu还原邻位取代的苯乙酮

为了解释2-氰基苯乙酮 1u和2-硝基苯乙酮 1v中的C=O基团的不同反应性，我们计算并绘制了LUMO前沿分子轨道的形状，如图4所示，其中图b（1u）和图c（1v）。2-氰基苯乙酮 1u（图4，图b）的LUMO态密度位于反应性C = O上，而在2-硝基苯乙酮 1v（图4，图c）的同一区域中，没有观察到与LUMO相关的电子密度。

图4 LUMO密度（图a，b，c）和基于DFT的几何优化对1d，1u和1v分子进行研究（图d，e，f）

如图4中的图e和图f，还显示了基于DFT的2-氰基苯乙酮 1u和2-硝基苯乙酮 1v几何优化的结果。2-氰基苯乙酮 1u（图4，图e）的共轭体系几乎呈现完美的共面性，但在2-硝基苯乙酮 1v（图4，图f）中不守恒，这是由于NO2和C=O基团之间存在位阻，进一步解释了这两种底物的不同反应性。将苯乙酮 1d的数据作为参考，如图4中的图a和图d所示。所有被研究底物的LUMO前沿分子轨道如图S1dagger;所示。应当指出的是，即使使用“邻位专用”酮还原酶CtXR，由于电子特征而具有固有低反应性的底物（如2-甲氧基苯乙酮 1q或2-硝基苯乙酮 1v）也很难被还原。13

三、结论

总而言之，通过这一系列的对比测试，我们证实了来自葡糖毕赤酵母的苯甲酮还原酶（KRED1-Pglu）是对映选择性还原各种单取代苯乙酮的有效生物催化剂。间位和对位衍生物的反应速率与sigma;-Hammett系数所描述的电子效应，DFT-Mulliken局部电荷以及DFT-几何优化后在底物上测得的C=O长度一致。因此，间位和对位取代基的电子性质影响反应速率，这表明可以通过任何其它类似的化学反应，预测和分析反应的结果。邻位衍生物的还原，仅发生在带有低空间效应的取代基（即CN与NO2）的底物上。基于DFT的几何优化和LUMO前沿轨道的计算说明了邻位取代的苯乙酮系列中C =O基团的不同反应性。观察到在芳香环上带有取代基的任何底物都具有（S）-对映选择性；值得注意的是，只有苯乙酮才能得到高对映选择性的（R）-1-苯乙醇。

四、参考文献

[1] R. Noyori, Angew. Chem., Int. Ed., 2002, 41, 2008.

[2] J. C. Moore, D. J. Pollard, B. Kosjek and P. N. Devine, Acc.Chem. Res., 2007, 40, 1412.

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[4] M. J. Sorgedrager, F. van Rantwijk, G. W. Huisman and R. A. Sheldon, Adv. Synth. Catal., 2008,

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[5] E. Garcia-Urdiales, E. Busto, N. Rios-Lombardia, V. Gotor-Fernandez and V. Gotor, ChemCatChem, 2009, 10, 2875.

[6] H. Groger, W. Hummel, C. Rollmann, F. Chamouleau, H. Husken, H. Werner, C. Wunderlich, K. Abokitse, K. Drauz and S. Buchh

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