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  生物转化是利用生物催化体系(如各种细胞和酶等)实现的反应过程,它是迄今为止人类所知的最高效和最具有选择性的温和催化反应体系,也是一个产生污染物少、催化剂可降解的环境友好体系. 生物转化方法可以获得很多常规化学方法不能或难以合成的高纯度手性化合物. 近几十年来,生物转化获得了蓬勃的发展,现在人们能够利用生物催化剂催化几乎所有种类的有机化学反应,其中由于生物催化水解反应不需要敏感的辅酶且水解酶的底物范围较广,因而相关的研究最多^[1].

  目前对腈类化合物的对映选择性生物水解反应的研究主要采用动力学拆分的方法^[9],但其理论产率至高为50%,与之相比,去对称化反应可以得到100％理论产率的单一对映体产物,因而具有更高的应用潜力^[10]. 腈的去对称化生物转化反应中涉及到两个氰基,所以其反应途径比单腈的更复杂(Scheme 3).

  生物转化反应的效率和对映选择性通常与底物的结构有密切的联系,因此,本文从不同结构的底物出发,分为四部分介绍腈类化合物的去对称化生物转化反应并展示其在有机合成中的应用,最后对这一领域给出总结与展望.

  

  图图式 3 二腈生物水解的可能途径

  Figure 图式 3. Possible procedure of the hydrolysis of dinitriles

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  图图式 2 Rhodococcus erythropolis AJ270的腈水合酶的推测机理

  Figure 图式 2. Proposed mechanism of nitrile hydratase from Rhodococcus erythropolis AJ270

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  图图式 1 腈类化合物的生物水解途径

  Figure 图式 1. Two distinct pathways for nitrile biodegradation

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  腈类化合物是一类重要的有机合成中间体^[2],它们不仅可以通过多种途径容易地制备,还可以转化成含有不同官能团的化合物. 在实验室和工业界,将腈进行化学水合或化学水解可以实现酰胺和羧酸的合成,但是,因为这些反应通常需要较苛刻的条件(例如在强酸或强碱条件下加热回流),所以当目标产物分子中带有化学敏感基团时,往往需要进行额外的保护-去保护反应方能实现其合成,另外,这类反应的化学、区域和立体选择性也较差. 与之形成鲜明对比的是,通过生物转化反应,腈可以在非常温和的条件下转化成相应的酰胺和羧酸(例如在中性条件下30 ℃反应),而且在反应中还能体现优良的选择性^[3]. 自然界中,腈的生物水解反应包括两种途径: 一是在腈水解酶(nitrilase,E.C.3.5.5.1)的作用下,将腈直接水解成羧酸和氨气^[4],二是先经腈水合酶(nitrile hydratase,E.C.4.2.1.84)的催化水合得到酰胺,然后在酰胺水解酶(amidase,E.C.3.5.1.4)的催化下水解得到羧酸^[5](Scheme 1).

  对于含腈水解酶的催化体系,采用路径A模式,即底物a先在腈水解酶的作用下转化为单氰基羧酸c,如果酶的选择性足够好,则反应停留在此阶段生成普通化学水解方法难以得到的单氰基羧酸产物; 相反,如果酶的选择性不好,且活性足够高,则进一步转化为二羧酸f. 对于含腈水合酶/酰胺水解酶的催化体系,采用路径B模式,底物a先在腈水合酶的作用下转化为单氰基酰胺b,随后可能发生两种反应,一是单氰基酰胺在酰胺水解酶的作用下转化为单氰基羧酸c,随后可能在腈水合酶的作用下进一步转化为单酰胺羧酸e; 另一种是单氰基酰胺b在腈水合酶的作用下继续转化为二酰胺d,随后可能在酰胺水解酶的作用下进一步生成单酰胺羧酸e,如果酰胺水解酶的选择性不好,且活性足够高,单酰胺羧酸可以转化为二羧酸f. 因为路径B涉及两种酶的作用,其产物组成往往比较复杂,但是依靠控制反应条件和反应时间的方法往往能够使反应停留在中间某步,且依靠酶的高对映选择性往往能够得到高光学纯的单一产物. 此外人们常直接以二酰胺d为底物进行去对称化生物转化研究,此法只涉及酰胺水解酶的催化过程,更容易控制反应条件实现单一产物e的获得.

  人们根据酶的晶体结构推测相应的催化机制. Brenner^[6a]认为腈水解酶的Glu-Lys-Cys三个残基对催化反应起了至关重要的作用,其中半胱氨酸残基上的巯基亲核进攻底物上的碳原子,水分子参与反应并产生氨气. 郑裕国课题组^[6b]对菌株Alcaligenes faecalis ZJUTB10的腈水解酶进行了系统的研究,给出了酶与扁桃腈底物结合的中间体模型,并通过计算解释了酶对R-扁桃腈有更高的催化速率. 与腈水解酶不同,腈水合酶的催化活性部位一般含有一个非血红素铁(non-heme ion)或非类可啉钴(non-corrinoid colbalt)^[7a],钱世钧等^[7b]报道了Rhodococcus erythropolis AJ270的腈水合酶晶体结构,并推测其催化机理(Scheme 2),即氰基上的氮先与铁配位处的水分子形成氢键削弱碳氮三键,另一水分子被谷氨酰胺残基的酰胺基团活化,其氧原子对氰基亲核进攻,最终形成酰胺. 腈水合酶和酰胺水解酶的基因往往存在于同一操纵子上,因此它们往往是同时表达的^[8a],Ohtaki等^[8b]报道了Rhodococcus sp. N-771的酰胺水解酶晶体结构,发现Ser-cis Ser-Lys组成催化三联体,其中丝氨酸残基上的羟基亲核进攻底物上的碳原子.

  1    前手性戊二腈类底物的去对称化生物转化反应

  为了制备降胆固醇药物立普妥(Lipitor)的重要前体R-3-羟基-4-氰基丁酸(11),2002年,Diversa公司^[15]从其基因库中筛选出一种具有R选择性的腈水解酶,可以将3-羟基戊二腈10去对称化转化为R-3-羟基-4-氰基丁酸(11),其ee值可达95%,但是在放大实验时产物的ee值降为88%,为了获得更加高效和高选择性的突变酶,采用基因饱和突变的方法,通过大量筛选,最终获得了可以使产物ee值达98%的突变酶(Scheme 6). 同样为了合成R-3-羟基-4-氰基丁酸(11),2006年,Bergeron等^[16]报道了从Pseudomonas fluorescens 中提纯的腈水解酶Nitrilase BD9750催化3-羟基戊二腈(10)的水解反应,在pH 7.5的条件下反应16 h,几乎以定量的产率生成光学纯的单氰基羧酸11.

  

  图图式 8 化学-酰胺水解酶法合成Pregabalin (16a)和Baclofen (16b)

  Figure 图式 8. Chemoenzymatic approach to S-pregabalin (16a) and R-baclofen (16b)

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  图图式 4 Rhodococcus erythropolis AJ270催化戊二腈底物5的去对称化生物转化反应

  Figure 图式 4. Desymmetrization of prochiral glutaronitriles 5 by Rhodococcus erythropolis AJ270

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  随后Turner课题组^[12]使用固定化整细胞催化剂Rhodococcus SP 361,将一系列羟基被保护的3-羟基戊二腈3进行水解反应得到相应的单羧酸产物4 (Eq. 2),需要指出的是,对于不含有苯环结构的底物3c和3d生物转化后仍然可以得到手性产物,说明此类酶与底物的手性识别过程中底物上的苯环结构并不是必须存在的. 在反应过程中并没有观察到单氰基单酰胺产物的生成,所以作者认为在这样一个含有腈水合酶和酰胺水解酶的催化体系中,底物3先经过具有S选择性的腈水合酶催化的去对称化反应生成单酰胺产物,随后经不具有选择性的酰胺水解酶快速转化生成最终产物4,其中氰基水合过程是决速步.

  3-取代戊二腈被选作去对称化生物转化反应的底物,是因为底物合成简单且其可能的水解产物是合成一些手性药物的关键中间体,因此对这类底物的研究开展的最早,相关报道较多.

  

  图图式 5 化学-酶法合成手性4-羟基哌啶衍生物9

  Figure 图式 5. Chemoenzymatic approach to S-4-hydroxypiperi- dines 9

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  γ-氨基丁酸(简称GABA)是脊椎动物中枢神经系统中重要的抑制性神经递质,其结构类似物往往具有药理活性,例如药物普瑞巴林(Pregabalin)是一种亲脂性的λ-氨基丁酸类似物,可以用来治疗抑郁症、癫痫以及社交恐惧症等疾病; 药物巴氯芬(Baclofen,β-4-氯苯基-γ-氨基丁酸)是一种手性药物,曾作为肌松药用于临床,后续研究发现其具有抗癫痫、治疗三叉神经痛等临床作用,研究表明R-巴氯芬的活性远远高于S-巴氯芬,但由于光学纯巴氯芬成本较高,故市场上的药品是消旋体. 为了实现手性巴氯芬尤其是R-巴氯芬的合成,2000年前后,王梅祥课题组^[13]开展了相关研究,他们使用Rhodo- coccus erythropolis AJ270整细胞催化3-取代戊二腈的水解反应,以中等到较高的对映选择性,得到S-3-取代-4-氰基丁酸6 (Scheme 4),其中可以作为手性巴氯芬合成前体的6c其ee可达63%,加入丙酮作为添加剂可以大大提高产物的ee值,但是会导致反应效率的降低,同时当苯环上连有给电子基时,反应具有较高的对映选择性,以环己基作为取代基时,反应仍然具有很高的对映选择性,说明芳环对于酶和底物的手性识别并不起决定作用. Rhodococcus erythropolis AJ270含有腈水合酶和酰胺水解酶,且在反应过程中仍然没有观察到单氰基单酰胺的生成,所以该反应与之前所述Rhodococcus SP 361催化反应过程类似,是有一个由具有S选择性的腈水合酶以及不具有选择性的酰胺水解酶实现的.

  

  图图式 7 化学-腈水解酶法合成Pregabalin (16a)和Baclofen (16b)

  Figure 图式 7. Chemoenzymatic approach to S-pregabalin (16a) and R-baclofen (16b)

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  图图式 6 化学-酶法合成R-3-羟基-4-氰基丁酸11

  Figure 图式 6. Chemoenzymatic approach to R-4-cyano-3-hydoxybutyric acid (11)

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  2013年,Nojiri课题组^[20]也报道了使用化学-酶法合成这两种手性药物(Scheme 8),与朱敦明等采取的途径不同,他们使用含有腈水合酶和酰胺水解酶的菌株Comamonas sp. KNK来实现3-取代戊二酰胺17的去对称化生物转化,并以较高的产率和对映选择性得到R构型的单酰胺单羧酸产物18,然后各自通过包括霍夫曼重排反应在内的简单化学转化生成S-Pregabalin和R-Baclofen.

  4-羟基哌啶是多种天然产物和药物分子的基本骨架,为了合成手性4-羟基哌啶,2002年,Rutjes课题组^[14]报道了相关研究工作(Scheme 5),他们使用Rhodococcus erythropolis NCIMB 11540整细胞催化3-苄氧基戊二腈(7),高效高产率地得到S-3-苄氧基-4-氰基丁酸. 为了便于分离和测量ee值,将其甲酯化得到相应产物8,然后通过简单化学转化获得S-4-羟基-2-羰基哌啶(9). 该菌株同时含有腈水解酶、腈水合酶和酰胺水解酶,作者并未指出此类底物的生物转化反应采取何种路径. 当使用3-羟基戊二腈作为底物时,反应的对映选择性大大降低,所得单氰基单羧酸酯ee值为13%,说明底物羟基上引入苄基后可以提高底物与酶的手性识别作用.

  2013年,许正宏课题组和朱敦明课题组^[18]共同报道了生物催化3-(4-氯苯基)-戊二腈去对称化生物转化合成光学纯巴氯芬前体的研究工作,他们从实验室保藏的含有腈水解酶的菌株中筛选出对这一底物具有较高对映选择性的菌株Gibberella intermedia WX12,优化反应条件后以90%的产率得到S-4-氰基-3-(4-氯苯基)-丁酸,其ee值大于99%. 随后,朱敦明等^[19]进一步报道了利用化学-酶法合成手性药物S-Pregabalin和R-Baclofen的研究工作(Scheme 7,所示产率为气相产率),他们筛选了一系列具有腈水解酶的菌株,并发现其中的BjNIT6402和HsNIT具有很高的S选择性,分别将底物14与该两种酶反应,都可以很高的转化率得到ee值非常高的羧酸产物15,将其进行包括柯提斯重排反应在内的简单化学转化即可得到手性药物S-Pregabalin和R-Baclofen.

  2009年,Brady课题组^[17]对 Rhodococcus rhodochrous ATCC BAA-870催化3-取代戊二腈12的去对称化生物转化反应进行了研究(Eq. 3),该反应需要加入甲醇作为添加剂,底物取代基为羟基时产物ee值很低,但是羟基被苄基或苯甲酰基保护时可以高选择性地得到单氰基羧酸产物13,此菌株含有腈水合酶和酰胺水解酶,作者认为13b～13c产率较低可能是由于腈水合酶不具有对映选择性,而酰胺水解酶具有较高的对映选择性,底物12经过腈水合酶完全转化为外消旋的单氰基单酰胺中间体,随后酰胺水解酶对其进行动力学拆分造成13产率低于50%.

  1991年,Ohta课题组^[11]首次报道了3-苄基、3-苄氧基和3-苯甲酰氧基戊二腈1在Rhodococcus butanica ATCC 21197(该菌株后来更名为Rhodococcus rhodochrous IFO 15564)整细胞催化下的去对称化生物转化反应(Eq. 1),反应可以在非常温和的条件下发生,生成S构型的单氰基单羧酸产物2,特别是可以以较高产率得到对映体纯的产物S-3-苯甲酰氧基-4-氰基丁酸(2c),作者认为底物上的苯环结构是获得手性产物的关键因素. 后续的研究表明,该菌株含有腈水合酶和酰胺水解酶,虽然在这篇报道中作者并没有对酶的效率和选择性进行讨论,但是从反应结果可以看出,酶催化这类底物具有较高的效率,而酶的选择性与底物上取代基的结构密切相关,当取代基为苯甲酰氧基时其对映选择性最好.

  2    前手性丙二腈类底物的去对称化生物转化反应

  1993年,Ohta小组^[21]首次报道了丙二腈类底物的去对称化生物转化反应(Scheme 9),他们使用之前提到的Rhodococcus rhodochrous ATCC 21197(该菌株后来更名为Rhodococcus rhodochrous IFO 15564)整细胞在非常温和的条件下水解2-甲基-2-丁基丙二腈19a并以94%产率、96% ee值得到R构型的2-酰胺基-2-甲基己酸20a,经过霍夫曼重排和浓盐酸水解反应后以78%的产率生成S构型氨基酸21a. 作者对生物转化过程进行了研究,认为反应历程如Scheme 9所示,底物19首先经过腈水合酶的催化快速转化为二酰胺22,随后潜手性的二酰胺22在具有R选择性的酰胺水解酶作用下发生去对称化转化生成R构型的单酰胺单羧酸产物20. 2004年,该课题组^[22]报道了后续工作,他们扩大底物范围,研究了一系列2,2-二取代丙二腈的去对称化生物转化反应(Eq. 4),发现Rhodococcus rhodochrous IFO 15564在水解这类底物时,反应的速率和对映选择性明显受到取代基位阻及电性的影响. 其中,取代基位阻越小,反应速率越高; 取代基R为烯丙基、苯基或苄基时产物羧酸20具有很高ee值(＞95%). 当将丙二腈α位的甲基换为氟时,反应的对映选择性大大降低,且产物组成较为复杂,不再按照之前所述的催化途径进行转化. 甲基多巴(S-α-methyldopa)可以治疗高血压,并被用作孕妇高血压的首选药物,作者展示该催化方法在有机合成方面的应用(Eq. 5),将去对称化生物转化反应所得到的产物20h进行甲酯化和霍夫曼重排后,以73%的总产率得到ee值为98%的甲基多巴前体23.

  2006年,Rutjes小组^[24]对二取代丙二腈类底物30的去对称化生物转化反应进行了初步研究(Eq. 6),他们使用Rhodococcus erythropolis NCIMB 11540整细胞催化得到了一系列单氰基单酰胺产物31,其中取代基为正戊基时可以较高的产率得到ee值高达98%的产物31c(作者并未给出产物绝对构型),说明该菌株的腈水合酶对于特定的底物具有较高对映选择性.

  

  图图式 9 Rhodococcus butanica ATCC 21197催化丙二腈19的去对称化生物转化反应

  Figure 图式 9. Desymmetrization of prochiral malonitriles 19 by Rhodococcus butanica ATCC 21197

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  图图式 11 Rhodococcus sp. CGMCC 0497催化机制的探究

  Figure 图式 11. Research for mechanism of the desymmetrizations by Rhodococcus sp. CGMCC 0497

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  图图式 10 Rhodococcus sp. CGMCC 0497催化丙二腈25和丙二酰胺27的去对称化生物转化反应

  Figure 图式 10. Desymmetrization of prochiral malonitriles 25 and malonamides 27 by Rhodococcus sp. CGMCC 0497

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  2011年,王梅祥课题组使用含有腈水合酶和酰胺水解酶的菌株Rhodococcus erythropolis AJ270实现了二烷基取代丙二酰胺32的去对称化生物水解反应^[25],以较高产率得到高光学纯的单酰胺单羧酸产物,为了便于测定ee值,将其酯化为羧酸酯产物33(Eq. 7),降低生物转化反应的温度可以提高对映选择性,但是会降低反应速度和产率. 当底物上取代基含有双键或苯环时,产物ee值较高,当取代基为位阻较大的基团时,反应效率和对映选择性都较低. 随后,他们发现把取代基上的甲基换为氨基后可以大大提高反应的效率和对映选择性^[26] (Eq. 8),且不论取代基上是否含有双键或苯环, 都可以在1 h内完成反应得到ee值大于95%的产物(只有34g例外). 分析比较生物转化产物33和35的构型可以发现,虽然产物都是R构型,但是显然酰胺水解酶与这两种底物的作用机制不同,当底物不含有氨基时,底物取代基的立体效应和电子效应共同决定了酶与其手性识别作用; 当底物上含有氨基时,氨基与酶有更强的手性识别作用.

  2003年,李祖义课题组^[23]连续发表论文,他们使用含有腈水合酶和酰胺水解酶的菌株Rhodococcus sp. CGMCC 0497,分别催化2-甲基-2-苄基丙二腈(25)和2-甲基-2-苄基丙二酰胺(27)的水解反应,均以较高产率得到高光学纯的单酰胺单羧酸产物26 (Scheme 10),当反应在20 ℃进行时其效率和选择性都要优于30 ℃时. 当以丙二腈类化合物25作为底物时,反应速率较低,需要7 d才能完成反应,且当苯环上连有给电子取代基(25b～25c)或者苯环邻位含有取代基(25h)时,产率较低; 当以丙二酰胺类化合物27为底物时,反应速率大大提高,仅需要1 d就能以90%以上的产率得到相应产物26. 作者对反应机制也进行了考察(Scheme 11),以2-甲基-2-苄基丙二腈(25a)为底物在30 ℃下进行生物转化反应,反应66 h后,可以得到单氰基酰胺S-28a(产率56%,ee值93%)、单氰基羧酸R-29a(产率33%,ee值52%)和二酰胺27a(产率8%)的混合物; 反应112 h后,可以得到单氰基羧酸29a(产率44%,ee值1%)和单酰胺单羧酸26a(产率52%,ee值95%)的混合物,可见在30 ℃下进行反应其历程较为复杂且有大量接近于外消旋的单氰基羧酸29生成,降低温度可以大大抑制29的生成. 结合产物的绝对构型可推测Rhodococcus sp. CGMCC 0497中的腈水合酶具有较低的反应速率和较低的S-选择性,酰胺水解酶具有较高的反应速率和较高的R-选择性.

  丙二腈类底物的去对称化生物水解反应引起大家的兴趣主要基于以下几点: 首先,丙二腈类底物易于合成,通常只需要丙二腈与卤代烷烃在碱的作用下反应即可生成; 其次,相比于戊二腈类底物,丙二腈类底物的氰基处于手性中心的α位,反应位点与手性中心距离较近更容易实现手性控制得到高光学纯产物; 最后,生物转化反应所生成的手性产物很容易通过简单化学反应转化为α-氨基酸,为各种天然和非天然氨基酸的合成提供了有效途径. 因为当丙二腈及其水解产物的α位上有氢原子时化合物容易发生消旋化,所以该类反应底物主要集中在2,2-二取代丙二腈上.

  3    内消旋环状二腈类底物的去对称化生物转化反应

  1998年,Sugai和Ohta等^[27]使用Rhodococcus rhodochrous IFO 15564整细胞催化内消旋的六元脂环二腈及二酰胺的生物转化反应,可以得到相应的水解产物,底物的骨架结构和是否含有双键对反应的速率和立体选择性有较大影响,当底物结构上含有桥环36时,可以76%产率和74% ee值得到单氰基羧酸产物37; 底物上不含有桥环时(底物38,42),可以生成高光学纯的单酰胺羧酸和二羧酸产物,直接以二酰胺41作为底物,可以提高产物39的ee值. 对反应的过程进行详细研究后作者给出了反应历程,他们认为二腈底物38在不具有对映选择性的腈水合酶作用下转化为二酰胺41,然后在酰胺水解酶的作用下先后生成单羧酸和二羧酸产物,反应的对映选择性主要来源于酰胺水解酶(Scheme 12).

  

  图图式 12 Rhodococcus rhodochrous IFO 15564催化内消旋的六元环状二腈的水解

  Figure 图式 12. Desymmetrization of meso cyclic dinitriles by Rhodococcus rhodochrous IFO 15564

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  相比于前手性二腈,关于内消旋环状二腈的去对称化生物转化反应的报道较少,这一方面是由于高效合成内消旋环状二腈底物的化学方法不多,特别是含有多官能团的底物其合成有时较为困难,另一方面是由于其手性产物在合成天然产物或药物上的应用有待开发.

  

  图图式 13 去对称化生物转化手性产物在有机合成中的应用

  Figure 图式 13. Synthetic applications of desymmetrization

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  同时王梅祥课题组还展示了生物转化方法在合成具有潜在药物活性化合物上的应用^{[28, 29]}(Scheme 13),他们以去对称化生物转化反应得到的手性产物43h为原料,通过几步简单的官能团转化反应,以较高的总产率合成了氮杂核苷类似物49以及苯并-1,4-二氮杂䓬酮化合物51; 还以具有多个手性中心的产物45a为原料,构筑含有多官能团的环戊烷并δ-内酰胺化合物52.

  2012年,王梅祥课题组^[28]报道了Rhodococcus ery- thropolis AJ270整细胞催化内消旋氮杂环二酰胺42的去对称化生物转化反应(Eq. 9),反应以非常高的对映选择性生成单羧酸产物43,随着氮上取代基位阻的增加,反应时间延长且产率降低. 当底物环上引入双键(42e)时,其效率和对映选择性仍然很高,但是酶催化七元环底物(42g)表现出了较低的对映选择性. 值得一提的是,酶催化2,5-二酰胺基四氢吡咯42a的去对称化反应效率非常高,可以94%的产率一锅得到19 g对映体纯产物2-羧基-5-酰胺基四氢吡咯(43h). 随后,该课题 组^[29]又以相似的方法研究内消旋1,3-环戊二腈和1,3-环戊二酰胺的去对称化生物转化反应,与之前所述内消旋氮杂环二酰胺底物42的生物转化反应相比,底物上两个取代基的位阻造成反应速率较低. 研究发现腈水合酶可以低的1R-对映选择性高效催化1,3-环戊二腈及衍生物的单氰基水和反应,而酰胺水解酶以高的1S-对映选择性催化1,3-环戊二酰胺44的单酰胺水解反应,并以最高可达94%的产率生成高光学纯度的单酰胺单羧酸产物45 (Eq. 10),反应速率受到底物上取代基位阻效应的较大影响,尤其当大位阻取代基与酰胺基处于顺式时反应速率很低,而底物上取代基类型和位置都不影响其非常高的对映选择性.

  4    其它类型前手性底物的去对称化生物转化反应

  

  图图式 14 以杂原子为手性中心底物的去对称化生物转化反应

  Figure 图式 14. Desymmetrization of prochiral dinitriles by nitrilase

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  除了碳原子可以作为手性中心外,磷原子和硫原子也可以作为手性中心,而基于磷或硫手性中心的去对称化生物转化反应也有人报道. 2007年,Rutjes课题组^[30]报道了使用几种商品化的腈水解酶,进行两类底物二乙腈基苯基氧膦(53)和二乙腈基亚砜(56)的去对称化生物转化反应(Scheme 14),反应产物以单氰基酰胺和单氰基羧酸为主,其中对于底物53,腈水解酶Nitrilase 106表现出最好的对映选择性,生成对映体纯的单氰基酰胺产物54; 而对于底物56,腈水解酶Nitrilase 104表现出最好的对映选择性,生成对映体纯的单氰基酰胺产物57. 作者认为所生成的羧酸产物并不是由酰胺产物进一步转化生成的,而是同时由氰基转化而来. 值得一提的是,腈水解酶纯酶催化腈类底物反应后生成酰胺这一反常现象并非个例,Sheldon课题组^[31]在2006年就报道了重组腈水解酶具有腈水合酶活性并针对这一现象给出了机理上的解释.

  5    结论与展望

  经过二十几年的发展,前手性或内消旋腈类化合物的去对称化生物转化反应已经成为合成手性酰胺和羧酸的重要方法,和其它方法相比具有明显优势,比如相比于动力学拆分的方法去对称化反应理论产率可达100%; 底物腈化物可以通过多种成熟而又简单的方法制备; 反应条件温和且选择性高不会破坏底物上的敏感官能团,而这些优势使得去对称化生物转化方法越来越成为制备其它化学方法不易制得的多官能化手性酰胺和羧酸的优选方法. 可以预见: 随着新型含有高效高对映选择性腈的转化酶的菌株的不断发现,随着生物技术尤其是基因突变和重组技术的不断发展,将为腈的去对称化生物转化领域的蓬勃发展注入新的活力; 而对新型前手性或内消旋二腈底物尤其是内消旋环状二腈底物去对称化生物转化反应的不断探索将进一步拓宽这一领域; 在化学生物学家的共同努力下,酶催化这类反应的作用机制尤其是催化过程中分子层面上的手性识别机制将不断被探索认识,并将进一步指导底物分子理性设计; 而以去对称化生物转化方法得到的多官能化手性酰胺羧酸将被更多地用来合成天然产物和具有生物活性的化合物.

• 1. [1]

     Faber, K. Biotransformations in Organic Chemistry, 6th ed., Springer, Berlin, 2011.

  2. [2]

     Rappoport, Z.; Patai, S. The Chemistry of Functional Groups, The Chemistry of the Cyano Group, Wiley, London, 1970.

  3. [3]

     Evgred, D.; Harnett, S. Cyanide Compounds in Biology (Ciba Foundation Symposium 140), Wiley, Chichester, 1998. (b) Jallageas, J.-C.; Arnaud, A.; Galzy, P. Adv. Biochem. Eng. 1980, 12, 1. (c) Legras, J.-L.; Chuzel, G.; Arnaud, A.; Galzy, P. World J. Microbiol. Biotechnol. 1990, 6, 83.

  4. [4]

     Harper, D. B. Biochem. Soc. Trans. 1976, 4, 502. (b) Harper, D. B. Biochem. J. 1977, 165, 309. (c) Kobayashi, M.; Shimizu, S. FEBS Microbiol Lett. 1994, 120, 217. doi: 10.1042/bst0040502

  5. [5]

     Asano, Y.; Tani, Y.; Yamada, H. Agric. Biol. Chem. 1980, 44, 2251. (b) Asano, Y.; Tachibana, Y.; Tani, Y.; Yamada, H. Agric. Biol. Chem. 1982, 46, 1175.

  6. [6]

     Brenner, C. Curr. Opin. Struct. Biol. 2002, 12, 775. (b) Liu, Z. -Q.; Dong, L. -Z.; Cheng, F.; Xue, Y. -P.; Wang, Y. -S.; Ding, J. -N.; Zheng, Y. -G.; Shen, Y. -C. J. Agric. Food Chem. 2011, 59, 11560. doi: 10.1016/S0959-440X(02)00387-1

  7. [7]

     Mascharak, P. K. Coord. Chem. Rev. 2002, 225, 201. (b) Song, L. Y.; Wang, M. Z.; Shi, J. J.; Xue, Z. Q.; Wang, M. -X.; Qian, S. J. Biochem. Biophy. Res. Commun. 2007, 362, 319. doi: 10.1016/S0010-8545(01)00413-1

  8. [8]

     Fournand, D.; Arnaud, A. J. Appl. Microbiol. 2001, 91, 381. (b) Ohtaki, A.; Murata, K.; Sato, Y.; Noguchi, K.; Miyatake, H.; Dohmae, N.; Yamada, K.; Yohda, M.; Odaka, M. Biochim. Biophys. Acta 2010, 1804, 184. doi: 10.1046/j.1365-2672.2001.01378.x

  9. [9]

     Sugai, T.; Yamazaki, T.; Yokoyama, M.; Ohta, H. Biosci. Biotechnol. Biochem. 1997, 61, 1419. (b) Martínková, L.; Křen, V. Biocatal. Biotrans. 2002, 20, 73. (c) Banerjee, A.; Sharma, R. Banerjee, U. C. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2002, 60, 33. (d) Wang, M.-X. Top. Catal. 2005, 35, 117. (e) Martínková, L.; Uhnáková, B.; Pátek, M.; Nešvera, J.; Křen, V. Rhodococcus. Environ. Int. 2009, 35, 162. (f) Wang, M.-X. Chimia 2009, 63, 331. (g) Prasad, S.; Bhalla, T. C. Biotechnol. Adv. 2010, 28, 725; (h) Velankar, H.; Clarke, K. G.; du Preez, R.; Cowan, D. A.; Burton, S. G. Trends Biotechnol. 2010, 28, 561. (i) Wang, M.-X. Top. Organomet. Chem. 2011, 36, 105. (j) Ramteke, P. W.; Maurice, N. G.; Joseph, B.; Wadher, B. J. Biotechnol. Appl. Biochem. 2013, 60, 459. (k) Wang, M.-X. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 602. doi: 10.1271/bbb.61.1419

  10. [10]

      Garcia-Urdiales, E.; Alfonso, I.; Gotor, V. Chem. Rev. 2005, 105, 313. (b) Palomo, J. M.; Cabrera, Z. Curr. Org. Synth. 2012, 9, 791.

  11. [11]

      Kakya, H.; Sakai, N.; Yokoyama, M.; Sugai, T.; Ohta, H. Chem. Lett. 1991, 1823.

  12. [12]

      Crosby, J. A.; Parratt, J. S.; Turner, N. J. Tetrahedron:Asymmetry 1992, 3, 1547. (b) Beard, T.; Cohen, M. A.; Parratt, J. S.; Turner, N. J.; Crosby, J.; Moilliet, N. J. Tetrahedron:Asymmetry 1993, 4, 1085. doi: 10.1016/S0957-4166(00)86057-7

  13. [13]

      Wang, M.-X.; Liu, C.-S.; Li, J.-S. Meth-Cohn, O. Tetrahedron Lett. 2000, 41, 8549. (b) Wang, M.-X.; Liu, C.-S.; Li, J.-S. Tetrahedron:Asymmetry 2002, 12, 3367.

  14. [14]

      Vink, M. K. S.; Schortinghuis, C. A.; Luten, J.; van Maarseveen, J. H.; Schoemaker, H. E.; Hiemstra, H.; Rutjes, F. P. J. T. J. Org. Chem. 2002, 67, 7869. doi: 10.1021/jo025943o

  15. [15]

      Santis, D. G.; Zhu, Z. L.; Greenberg, W. A.; Wong, K.; Chaplin, J.; Hanson, S. R.; Farwell, B.; Nicholson, L. W.; Rand, C. L.; Weiner, D. P.; Robertson, D. E.; Burk, M. J. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 9024. (b) Santis, D. G.; Wong, K.; Farwell, B.; Chatman, K.; Zhu, Z. L.; Tomlinson, G.; Huang, H.; Tan, X.; Bibbs, L.; Chen, P.; Kretz, K.; Burk, M. J. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 11476. doi: 10.1021/ja0259842

  16. [16]

      Bergeron, S.; Chaplin, D. A.; Edwards, J. H.; Ellis, B. S. W.; Hill, C. L.; Karen, H.-T.; Knight, J. R.; Mahoney, T.; Osborne, A. P.; Ruecroft, G. Org. Process Res. Dev. 2006, 10, 661. doi: 10.1021/op050257n

  17. [17]

      Kinfe, H. H.; Chhiba, V.; Frederick, J.; Bode, M. L.; Mathiba, K.; Steenkamp, P. A.; Brady, D. J. Mol. Catal. B:Enzym. 2009, 59. 231.

  18. [18]

      Xu, M. Z.; Ren, J.; Gong, J. S.; Dong, W. Y.; Wu, Q. Q.; Xu, Z. H.; Zhu, D. M. Chin. J. Biotechnol. 2013, 29, 31(in Chinese). (许美珍, 任杰, 龚劲松, 董文玥, 吴洽庆, 许正宏, 朱敦明, 生物工程学报, 2013, 29, 31.)

  19. [19]

      Duan, Y. T.; Yao, P. Y.; Ren, J.; Han, C.; Li, Q.; Yuan, J.; Feng, J. H.; Wu, Q. Q.; Zhu, D. M. Sci. Chin. Chem. 2014, 57, 1164. doi: 10.1007/s11426-014-5139-2

  20. [20]

      Nojiri, M.; Uekita, K.; Ohnuki, M.; Taoka, N.; Yasohara, Y. J. Appl. Microbiol. 2013, 115, 1127. doi: 10.1111/jam.2013.115.issue-5

  21. [21]

      Yokoyama, M.; Sugai, T.; Ohta, H. Tetrahedron:Asymmetry 1993, 4, 1081. doi: 10.1016/S0957-4166(00)80214-1

  22. [22]

      Yokoyama, M.; Kashiwagi, M.; Iwasaki, M.; Fuhshuku, K.; Ohta, H.; Sugai, T. Tetrahedron:Asymmetry 2004, 15, 2817.

  23. [23]

      Wu, Z. -L.; Li, Z. -Y. Chem. Commun. 2003, 386. (b) Wu, Z. -L.; Li, Z. -Y. J. Org. Chem. 2003, 68, 2479. (c) Wu, Z. -L.; Li, Z. -Y. Tetrahedron:Asymmetry 2003, 14, 2133.

  24. [24]

      Vink, M. K. S.; Wijtmans, R.; Reisinger, C.; Berg, R. J. F.; Schortinghuis, C. A.; Schwab, H.; Schoemaker, H. E.; Rutjes, F. P. J. T. Biotechnol. J. 2006, 1, 569. doi: 10.1002/(ISSN)1860-7314

  25. [25]

      Zhang, L.-B.; Wang, D.-X.; Wang, M.-X. Tetrahedron 2011, 67, 5604.

  26. [26]

      Zhang, L.-B.; Wang, D.-X.; Zhao, L.; Wang, M.-X. J. Org. Chem. 2012, 77, 5584.

  27. [27]

      Matoishi, K.; Sano, A.; Imai, N.; Yamazaki, T.; Yokoyama, M.; Sugai, T.; Ohta, H. Tetrahedron:Asymmetry 1998, 9, 1097.

  28. [28]

      Chen, P.; Gao, M.; Wang, D.-X.; Zhao, L.; Wang, M.-X. Chem. Common. 2012, 48, 3482. (b) Chen, P.; Gao, M.; Wang, D.-X.; Zhao, L.; Wang, M.-X. J. Org. Chem. 2012, 77, 4063.

  29. [29]

      Ao, Y.-F.; Wang, D.-X.; Zhao, L.; Wang, M.-X. Chem. Asian J. 2015, 10, 938.

  30. [30]

      Kielbasinski, P.; Rachwalski, M.; Mikolajczyk, M.; Szyrej, M.; Wieczorek, M. W.; Wijtmans, R.; Rutjes, F. P. J. T. Adv. Synth. Catal. 2007, 349,1387. (b) Kielbasinski, P.; Rachwalski, M.; Kwiatkowska, M.; Mikolajczyk, M.; Wieczorek, M. W.; Szyrej, M.; Sieron, L.; Rutjes, F. P. J. T. Tetrahedron:Asymmetry 2007, 18, 2108. doi: 10.1002/(ISSN)1615-4169

  31. [31]

      Fernandes, B. C. M.; Mateo, C.; Kiziak, C.; Chmura, A.; Wacker, J.; Rantwijk, F. V.; Stolz, A.; Sheldon, R. A. Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 2597. doi: 10.1002/(ISSN)1615-4169

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  图式 1  腈类化合物的生物水解途径

  Scheme 1  Two distinct pathways for nitrile biodegradation

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  图式 2  Rhodococcus erythropolis AJ270的腈水合酶的推测机理

  Scheme 2  Proposed mechanism of nitrile hydratase from Rhodococcus erythropolis AJ270

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  图式 3  二腈生物水解的可能途径

  Scheme 3  Possible procedure of the hydrolysis of dinitriles

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  图式 4  Rhodococcus erythropolis AJ270催化戊二腈底物5的去对称化生物转化反应

  Scheme 4  Desymmetrization of prochiral glutaronitriles 5 by Rhodococcus erythropolis AJ270

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  图式 5  化学-酶法合成手性4-羟基哌啶衍生物9

  Scheme 5  Chemoenzymatic approach to S-4-hydroxypiperi- dines 9

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  图式 6  化学-酶法合成R-3-羟基-4-氰基丁酸11

  Scheme 6  Chemoenzymatic approach to R-4-cyano-3-hydoxybutyric acid (11)

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  图式 7  化学-腈水解酶法合成Pregabalin (16a)和Baclofen (16b)

  Scheme 7  Chemoenzymatic approach to S-pregabalin (16a) and R-baclofen (16b)

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  图式 8  化学-酰胺水解酶法合成Pregabalin (16a)和Baclofen (16b)

  Scheme 8  Chemoenzymatic approach to S-pregabalin (16a) and R-baclofen (16b)

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  图式 9  Rhodococcus butanica ATCC 21197催化丙二腈19的去对称化生物转化反应

  Scheme 9  Desymmetrization of prochiral malonitriles 19 by Rhodococcus butanica ATCC 21197

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  图式 10  Rhodococcus sp. CGMCC 0497催化丙二腈25和丙二酰胺27的去对称化生物转化反应

  Scheme 10  Desymmetrization of prochiral malonitriles 25 and malonamides 27 by Rhodococcus sp. CGMCC 0497

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  图式 11  Rhodococcus sp. CGMCC 0497催化机制的探究

  Scheme 11  Research for mechanism of the desymmetrizations by Rhodococcus sp. CGMCC 0497

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  图式 12  Rhodococcus rhodochrous IFO 15564催化内消旋的六元环状二腈的水解

  Scheme 12  Desymmetrization of meso cyclic dinitriles by Rhodococcus rhodochrous IFO 15564

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  图式 13  去对称化生物转化手性产物在有机合成中的应用

  Scheme 13  Synthetic applications of desymmetrization

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  图式 14  以杂原子为手性中心底物的去对称化生物转化反应

  Scheme 14  Desymmetrization of prochiral dinitriles by nitrilase

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