硫雜環(huán)丙烷是一類重要的含硫雜環(huán)化合物，它們不僅展現(xiàn)出多種生物活性，而且在有機(jī)合成和多聚物合成方面也扮演重要的角色。手性硫雜環(huán)丙烷化合物在醫(yī)藥應(yīng)用方面已表現(xiàn)出引人注目的潛力，如抗癌試劑epitiostanol和MMP-9抑制劑(R)-ND-336。
然而，手性硫雜環(huán)丙烷的合成通常需要使用光學(xué)純的原料及手性試劑或輔助試劑，發(fā)展硫雜環(huán)丙烷立體選擇性合成策略仍存在許多挑戰(zhàn)。近期，馮小明院士團(tuán)隊(duì)和吳云東院士團(tuán)隊(duì)合作，利用自主開發(fā)的手性雙氮氧金屬配合物作為催化劑，實(shí)現(xiàn)了α-重氮吡唑酰胺與硫酮的催化不對(duì)稱(2+1)環(huán)加成反應(yīng)，構(gòu)建了一系列四取代的手性硫雜環(huán)丙烷類化合物，并對(duì)該反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了密度泛函理論計(jì)算（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202201151）。此外，2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Benjamin List教授以手性磷酸為催化劑，以硫內(nèi)酰胺為有機(jī)硫供體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)氧化物立體選擇性硫化反應(yīng)，通過動(dòng)力學(xué)拆分策略為手性硫雜環(huán)丙烷的合成提供了一種有效合成途徑（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5230-5233）。 遵義醫(yī)科大學(xué)陳永正教授、萬南微教授團(tuán)隊(duì)通過鹵醇脫鹵酶生物催化劑的挖掘篩選和定向進(jìn)化，建立了一種生物催化立體選擇性合成手性硫雜環(huán)丙烷的技術(shù)路線，獲得手性硫雜環(huán)丙烷產(chǎn)品的光學(xué)純度高達(dá)98% ee。該方法以廉價(jià)易得的硫氰酸鹽（NaSCN）為無機(jī)硫供體，在更加溫和的條件下實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧化物的立體選擇性硫化反應(yīng)，為手性硫雜環(huán)丙烷的合成提供了一種更加綠色、經(jīng)濟(jì)的生物合成技術(shù)路線。 首先，作者們以環(huán)氧苯乙烷（1a）為模板底物，NaSCN為硫供體（作為反應(yīng)的親核試劑），對(duì)近30種鹵醇脫鹵酶催化劑進(jìn)行篩選，成功獲得一種來源于Alphaproteobacteria bacterium 32-64-14微生物的鹵醇脫鹵酶HHDHapb，其催化模板底物獲得硫雜環(huán)丙烷2a的光學(xué)純度可達(dá)83% ee (R)。緊接著，作者們利用蛋白質(zhì)工程手段對(duì)鹵醇脫鹵酶HHDHapb的立體選擇性進(jìn)行分子改造，經(jīng)過兩輪輪迭代飽和突變，獲得一個(gè)優(yōu)良的雙突變體HHDHapb-M4 (I137C/Y181F)，其催化動(dòng)力學(xué)拆分立體選擇性大幅度提升（E=136）。反應(yīng)3小時(shí)，環(huán)氧底物(R)-1a和硫雜環(huán)丙烷產(chǎn)物(R)-2a的光學(xué)純度分別為97%和94% ee。動(dòng)力學(xué)拆分基本完成，但硫雜環(huán)丙烷的產(chǎn)率僅為16%，遠(yuǎn)小于動(dòng)力學(xué)拆分最大50%的理論產(chǎn)率。他們對(duì)反應(yīng)過程分析，推測(cè)可能有兩種原因?qū)е庐a(chǎn)率較低：（1）環(huán)氧開環(huán)中間體未完全異構(gòu)化為硫雜環(huán)丙烷（2）硫雜環(huán)丙烷在單一的水相反應(yīng)體系中不穩(wěn)定，易自發(fā)脫硫生成烯烴。 接下來，為了提高手性硫雜環(huán)丙烷產(chǎn)物的產(chǎn)率，作者們對(duì)鹵醇脫鹵酶催化的反應(yīng)過程進(jìn)行了系統(tǒng)考察，作者們發(fā)現(xiàn)通過水-正己烷（5:1）兩相反應(yīng)體系可以有效抑制硫雜環(huán)丙烷產(chǎn)物的自發(fā)脫硫過程，顯著提高硫雜環(huán)丙烷的產(chǎn)率。在此基礎(chǔ)之上，作者們進(jìn)一步對(duì)兩相反應(yīng)體系中的緩沖液及pH、親核試劑NaSCN的當(dāng)量及反應(yīng)溫度進(jìn)行優(yōu)化，最終發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)在偏堿性的緩沖液Gly-NaOH (pH 9.0)，0.7當(dāng)量NaSCN，25℃反應(yīng)8小時(shí)可以獲得手性硫雜環(huán)丙烷(R)-2a的產(chǎn)率為42%，光學(xué)純度為96% ee。 在此基礎(chǔ)之上，作者們對(duì)反應(yīng)的底物普適性進(jìn)行考察。對(duì)12種芳基取代環(huán)氧底物進(jìn)行立體選擇性生物硫化反應(yīng)，獲得對(duì)應(yīng)的手性硫雜環(huán)丙烷的分離產(chǎn)率為20-39%（部分產(chǎn)物易揮發(fā)，導(dǎo)致低的分離產(chǎn)率），光學(xué)純度為86-98% ee，動(dòng)力學(xué)拆分選擇性E值高達(dá)>200。其中，該反應(yīng)對(duì)苯環(huán)間位取代的底物展現(xiàn)出更好的立體選擇性。 與此同時(shí)，作者們以苯基縮水甘油醚（1m）作為烷基取代的環(huán)氧底物，對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)所有的突變體表現(xiàn)出較低至中等的立體選擇性。作者們進(jìn)一步以立體選擇性最佳的突變體HHDHapb-M2 (I137Q)作為親本酶，經(jīng)過幾輪迭代飽和突變成功獲得了一個(gè)四突變體HHDHapb-M7 (A82T/I137Q/F140H/A173P)，其可催化1m立體選擇性硫化，獲得手性硫雜環(huán)丙烷(R)-2m的分析產(chǎn)率和光學(xué)純度分別為43%和90% ee。進(jìn)一步，作者對(duì)14種烷基取代的環(huán)氧化合物進(jìn)行考察，獲得對(duì)應(yīng)的手性硫雜環(huán)丙烷的分離產(chǎn)率為31-43%，光學(xué)純度為82-92% ee。 此外，作者們也通過克級(jí)反應(yīng)和衍生化反應(yīng)證實(shí)了該反應(yīng)的高效性和可拓展性。最后，作者們通過對(duì)反應(yīng)中間物的分離和鑒定，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)鹵醇脫鹵酶催化立體選擇性合成手性硫雜環(huán)丙烷的反應(yīng)過程進(jìn)行了研究，給出了一種可能的反應(yīng)過程。 綜上所述，作者們發(fā)展了一種鹵醇脫鹵酶催化環(huán)氧化物立體選擇性硫化合成手性硫雜環(huán)丙烷的生物催化技術(shù)路線，不僅為手性硫雜環(huán)丙烷的制備提供了一種綠色合成策略，同時(shí)也拓展了生物催化的反應(yīng)類型和應(yīng)用范圍。 論文信息 Biocatalytic Thionation of Epoxides for Enantioselective Synthesis of Thiiranes Ran Ma,+ Xia Hua,+ Cheng-Li He, Hui-Hui Wang, Zhu-Xiang Wang, Bao-Dong Cui, Wen-Yong Han, Yong-Zheng Chen,* and Nan-Wei Wan* 遵義醫(yī)科大學(xué)2019級(jí)碩士研究生馬冉和2021級(jí)碩士研究生華夏為該論文共同第一作者，王慧慧、崔寶東和韓文勇老師，以及研究生何承利和王翥翔也為該工作出了一定的貢獻(xiàn)，陳永正教授、萬南微教授為該論文共同通訊作者，該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力支持。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202212589
