雷晓光课题组开发出含氮杂环噻唑啉的首例化学酶法合成策略- 大数跨境

X-MOL资讯

2024-05-20

导读：雷晓光团队近日在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上报道了首例噻唑啉的化学酶法合成方法。

含氮杂环不仅在天然产物中随处可见，同时也是药物分子最为常见的结构之一。其中，噻唑啉结构被发现是一类天然铁载体的核心骨架，某些病原菌可以通过分泌这类铁载体从宿主细胞中摄取铁元素从而产生毒力。受此启发，噻唑啉化合物被广泛应用于输血性铁过载疾病的药物研发，同时该类化合物还被发现具有抗肿瘤、抑制脂肪酸酰胺水解酶等生物活性。此外，噻唑啉化合物在食品工业、农药和材料化学等领域也有广泛的应用。

在噻唑啉的传统合成方法中，腈类化合物与2-氨基硫醇的缩合反应是应用最为广泛的合成策略。然而，该方法通常需要高温回流的剧烈反应条件和酸、碱等的催化，同时，腈本身的合成也通常需要剧烈的反应条件。2000年，Duñach等人通过合成并分离噻唑烷中间体，并利用钌催化剂和过氧化叔丁醇的氧化来合成噻唑啉。该方法虽然能在温和条件下进行，但是需要昂贵的Ru催化剂，同时底物也受到很大的限制。

图1. 含有噻唑啉结构的药物分子与天然产物

酶催化由于其催化效率高、反应选择性好、条件温和、环境友好等优势，在有机合成的研究领域越来越受到重视。北京大学化学与分子工程学院雷晓光课题组长期开展生物催化与化学酶法合成研究，前期发现了多个自然界中催化机制新颖的酶（Science 2024, 383, 622-629, 点击阅读详细; Nat. Commun., 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-46845-0, 点击阅读详细; Nat. Catal., 2021, 4, 1059-1069, 点击阅读详细; Nat. Chem., 2020, 12, 620-628, 点击阅读详细），并且通过酶工程改造开发出高效的生物催化体系用于天然产物和药物分子的高效、精准合成（Chem Catal. 2023, 3, 100451, 点击阅读详细; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202201908; Biotechnol. J., 2020, 15, 2000119）。微生物来源的香草醇氧化酶（Vanillyl Alcohol Oxidases, VAOs）具有化学特异性的苄位氧化能力，在自然界中能够将香草醇氧化为香草醛。基于VAOs的催化特性，雷晓光团队近日在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上报道了首例噻唑啉的化学酶法合成方法。在该方法中，4-羟基苯甲醛和2-氨基硫醇在水溶液首先中通过缩合反应产生微量的噻唑烷中间体，随后VAOs选择性地氧化该中间体从而生成最终的噻唑啉产物。该方法不仅首次实现了直接从醛出发的噻唑啉一锅法合成，同时拓展了VAOs“新于自然（new to nature）”的催化活性。该化学酶法合成策略具有条件温和，环境友好等优势，可以被应用于含氮杂环药物分子的工业化合成。

图2. 噻唑啉的化学酶法合成策略

通过前期的酶活筛选和条件优化，作者发现，在来源于产黑色素短梗霉（Aureobasidium melanogenum）的香草醇氧化酶（AmVAO）的催化下，4-羟基苯甲醛和2-氨基乙硫醇能够以99%的产率反应生成2-芳基噻唑啉。考察底物的适用范围，作者发现AmVAO可以很好地识别各种不同的4-羟基苯甲醛底物。然而，野生型AmVAO对于2-氨基硫醇底物则有较大的限制，半胱氨酸及其衍生物均不能有效地参与反应。

图3. 野生型AmVAO的底物谱

为了突破VAOs对于半胱氨酸类底物的限制，作者利用半理性设计的策略开展了对于AmVAO的蛋白质工程改造。首先通过丙氨酸筛选，对AmVAO活性口袋中的12个位点分别进行突变，确定了三个突变热点。通过对选定热点开展进一步的迭代半饱和突变，作者发现AmVAO-Y213G-T481G具有最好的催化活性。结合后续的表面活性剂和有机共溶剂筛选，作者最终以60%的分离产率合成出了化合物9s，成功突破了半胱氨酸类底物的限制，相比之下，野生型的AmVAO对于9s的合成则完全没有催化活性。

图4. AmVAO的蛋白质工程改造及进一步条件优化

在后续的产物衍生化研究中，对酶反应产物中苯环的酚羟基进行三氟甲磺酰化，随后在过渡金属的催化下，该酚羟基可以转变为芳基、烯基、卤素、氨基等其他基团。类似的，对噻唑啉环上的羧酸甲酯基团进行还原、三氟甲磺酰化和亲核取代，可以引入胺类、醚类、硫醚类等结构，从而实现结构多样的2-芳基噻唑啉的高效合成。此外，噻唑啉环还可以通过氧化芳构化转变为噻唑环，后者在药物分子中也非常常见。

图5. 产物的多样化衍生

小结

综上所述，雷晓光课题组基于香草醇氧化酶，首次提出了噻唑啉的化学酶法合成策略，并首次实现了直接从醛出发的噻唑啉一锅法合成。在蛋白质工程改造的基础上，VAOs展现出很好的底物兼容性。结合对酶反应产物的进一步化学修饰，作者成功实现了结构多样的2-芳基噻唑啉的高效合成。该工作不仅能够促进噻唑啉化合物在药物开发等领域的研究，同时也进一步拓展了化学酶法合成含氮杂环的研究工作。

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晓光教授和团队中高磊特聘副研究员为论文的共同通讯作者。雷晓光课题组的博士研究生张浩文为第一作者。西交利物浦大学的本科生谢舒涵，雷晓光课题组的博士研究生杨军，瑞士诺华制药公司的叶宁博士、高峰博士和Fabrice Gallou博士也对该工作做出了重要贡献。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、北京分子科学国家研究中心、北大-清华生命科学联合中心、新基石基金会等项目和单位的资助。雷晓光团队所开展的生物催化与化学酶法合成研究工作得到了瑞士诺华制药公司的长期资助，并且在药物分子的工业化绿色合成中得到了广泛应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Chemoenzymatic Synthesis of 2-Aryl Thiazolines from 4-Hydroxybenzaldehydes Using Vanillyl Alcohol Oxidases

Haowen Zhang, Shuhan Xie, Jun Yang, Ning Ye, Feng Gao, Fabrice Gallou, Lei Gao, Xiaoguang Lei

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202405833

雷晓光课题组长期招聘对功能导向合成与生物催化研究方向感兴趣的博士后，有意申请者请直接和雷老师联系 (xglei@pku.edu.cn)。

导师介绍

雷晓光

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