该研究发现了自然界中第一个外选择性分子间Diels

来源：北京大学2021-12-23 12:44

医药中间体、农药和精细化学品在国计民生中发挥着重要作用。传统的化学合成工艺存在效率低、污染严重等瓶颈。基于酶催化的生物合成工艺具有绿色工艺、选择性好等优点，尤其在创新药物的工业化生产中得到广泛应用。但目前酶催化反应的工具箱还很有限，迫切需要发现能够催化新型化学转化的酶，以促进酶催化在工业上的更广泛应用，帮助实现“化学化”

药品、农药和精细化学品在国计民生中发挥着重要作用。传统的化学合成工艺存在效率低、污染严重等瓶颈。基于酶催化的生物合成工艺具有绿色工艺、选择性好等优点，尤其在创新药物的工业化生产中得到广泛应用。但目前酶催化反应的工具箱还很有限，迫切需要发现能够催化新型化学转化的酶，以促进酶催化在工业上的更广泛应用，帮助实现化学品的“碳中和”生物绿色制造。

第尔斯-阿尔德反应(简称D-A反应)是共轭二烯(二烯)和取代烯烃(亲二烯体)之间的[4 ^ 2]环加成反应。它是合成化学中最常用的构建C-C键的方法之一，已广泛应用于天然产物的全合成、药物分子的工业化生产和材料化学等领域。不对称D-A反应是2021年诺贝尔化学奖授予的第一个有机小分子催化的例子。为了实现某种非对映体的高效合成，必须精确控制D-A反应过程中的区域、内/外和对映体的立体选择性(图1a)。传统的化学催化D-A反应存在立体选择性差、合成效率低等问题。因此，来自自然界的立体专一性D-A反应酶的发现和利用引起了化学家们的广泛关注和研究(Jeon，B.S .Wang，s-A，Ruszczycky，M.W，Liu，h . w . Natural[42]目前已有一些报道D-A反动分子具有很高的立体选择性，但它们通常催化分子内的D-A反应，往往只产生单一的内构型产物。然而，具有较高的合成外选择性和应用价值的分子间D-A反动分子并不多见，这极大地限制了D-A反动分子在化学合成中的应用。

北京大学化学与分子工程学院、北大清华生命科学联合中心雷教授课题组与加州大学洛杉矶分校K. N. Houk教授实验室合作。一篇题为“具有宽底物范围的内外立体选择性die-alder反应的有机控制”的研究论文在《自然催化》在线上发表。本文报道了自然界中催化不同内/外选择性狄尔斯-阿尔德反应的酶。利用这两种酶高效、准确地合成了一系列D-A产物，并分析了这两种不同的内/外选择性D-A反应酶的催化机理，为后续D-A反应酶的开发及其在药物合成中的工业应用奠定了基础。

受桑科植物D-A天然产物生物合成的启发，作者从桑树中发掘并鉴定了两种FAD依赖蛋白。其中，一类FAD依赖蛋白(马达-1)具有与已知的内选择性D-A反应酶马达相同的功能，而另一类FAD依赖蛋白(马达-2和马达-3)催化罕见的外选择性分子间D-A反应。作者系统地探索了这两种选择性分子间D-A反应酶底物的应用范围，并利用它们实现了一系列天然和非天然D-A产物的高效精确合成，如图1所示。

作者还分析了外选择性D-A反动分子马达-3的晶体结构，并结合计算模拟和突变实验分析了这两种D-A反动分子不同内/外选择性的机理。作者发现内选择性D-A反应酶马达可以稳定结合内过渡态，但不能稳定结合外过渡态(图2c)。外选择性D-A反应酶能稳定结合外过渡态，但不能结合内过渡态(图2f)。当endo的过渡态与马达结合时，R443可以与亲二烯体形成强氢键相互作用，从而促进反应(图2a)；然而，在马达-3中，R294可以与亲二烯体形成强阳离子-p相互作用，从而促进反应(图2d)。

综上所述，雷课题组与K. N. Houk课题组合作报道了两种不同功能的FAD依赖蛋白，催化了不同的内/外选择性D-A反应的发生，证明了这些D-A反动分子具有良好的底物适用性和立体选择性，对准确高效地合成D-A产物具有重要价值。此外，基于结构生物学、计算化学和突变实验，他们还分析了不同选择性D-A反动分子的催化机制，证明了内型D-A反动分子主要通过在R443和亲二烯体之间形成氢键促进D-A反应的发生。外型D-A反动派主要通过R294与亲二烯体的相互作用促进反应，形成阳离子p(100yiyao.com)

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