大家好，今天分享一篇發(fā)表在NC上的文章：Bringing biocatalytic deuteration into the toolbox of asymmetric isotopic labelling techniques，通訊作者分別是牛津大學(xué)的Kylie Vincent教授以及同一課題組的博士后Holly Reeve，他們課題組的主要研究方向是生物催化過程的機(jī)理及應(yīng)用。這篇文章中他們通過使用D2O來生成[4-2H]-NADH從而完成了多種分子的高選擇性氘代反應(yīng)。
氘代的有機(jī)分子在多種學(xué)科領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如用氘代的分子來研究有機(jī)反應(yīng)機(jī)理或是改善藥物分子的藥代動力學(xué)等，但目前在合成后期高對映選擇性引入氘代的反應(yīng)還比較少，生物催化雖然很大程度上提高了適用的底物范圍，但由于大多需要使用依賴NADH的酶，因此需要在反應(yīng)中大量提供氘代的還原劑如氘代乙醇，氘代甲酸等，經(jīng)濟(jì)成本十分昂貴，因此作者希望能開發(fā)出使用D2O作為唯一氘源的生物催化反應(yīng)。
要想解決氘源的問題，關(guān)鍵在于如何在體系內(nèi)生成[4-2H]-NADH。作者在2015年的一篇文章中曾報(bào)道過將酶固定于碳黑上通過異相催化實(shí)現(xiàn)利用氫氣生成NADH，由于此時(shí)質(zhì)子的來源是體系中的水，因此如果將水替換為重水理論上就可以得到[4-2H]-NADH，經(jīng)過嘗試和1HNMR的表征作者證實(shí)了在這種條件下能以97%的轉(zhuǎn)化率得到[4-2H]-NADH。
成功生成[4-2H]-NADH后，作者將這一體系在多種依賴NADH的還原酶上進(jìn)行了嘗試，包括羰基還原，羰基還原胺化，烯烴還原這三大類的酶，在溫和的反應(yīng)條件下均可保留酶本身的高選擇性并得到對應(yīng)的氘代產(chǎn)物。對于羰基的還原，同樣對于苯乙酮的結(jié)構(gòu)，通過分別使用(R)或(S)選擇性的羰基還原酶可以在>93%的同位素選擇性和>99%的對映選擇性下得到對應(yīng)的產(chǎn)物，且不影響分子中的鹵素。
對于還原胺化反應(yīng)，使用苯丙酮酸為原料，在L-苯丙氨酸脫氫酶的催化下可以>95的同位素選擇性和>99%的對映選擇性得到L-苯丙氨酸，說明這一反應(yīng)有望應(yīng)用于氘代氨基酸的合成。對于烯烴的還原，通過使用烯烴還原酶還原香芹酮同樣以高選擇性得到了還原產(chǎn)物，產(chǎn)物的立體結(jié)構(gòu)也符合這一還原酶的催化機(jī)制。對于同時(shí)含有烯烴和羰基的分子，如果使用傳統(tǒng)的催化劑方法很可能會得到混合物或是過度還原的產(chǎn)物，但使用文中報(bào)道的酶催化方法，通過控制酶的使用可以分別得到兩種單還原以及多還原產(chǎn)物，它們有著不同的氘代數(shù)目。
最后，作者以solifenacin fumarate的氘代為例展示了這一方法在復(fù)雜藥物分子上進(jìn)行氘代的潛力，通過使用AtQR酶還原3-quinuclidinone即可得到關(guān)鍵中間體(R)-[2,2,3-2H3]-3-quinuclidinol。這一藥物的傳統(tǒng)合成方法中包括最后對外消旋混合物的結(jié)晶分離，但這里通過提前引入手性碳避免了這一復(fù)雜的分離過程，這也體現(xiàn)了通過酶催化同時(shí)引入氘代和手性碳的優(yōu)勢。
總之，這篇文章通過使用相對價(jià)廉的D2O作為氘源實(shí)現(xiàn)了體系內(nèi)[4-2H]-NADH的生成，從而可以利用多種依賴NADH的還原酶實(shí)現(xiàn)高選擇性的氘代。
文章作者：LDY
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15310-z
文章引用：10.1038/s41467-020-15310-z
