【催化】Angew：亚胺还原酶催化α-酮酯不对称合成N-取代α-氨基酸酯

N-取代α-氨基酸及其衍生物作为许多生物活性分子的骨架结构，近年来在医药和精细化工行业引起了越来越多的关注（Figure 1）。例如，肽和拟肽的N-甲基化类似物可以改善分子的药代动力学特性，包括代谢稳定性、膜透性和口服生物利用度。尽管人们在N-烷基-α-氨基酸的制备上付出了巨大的努力，开发了生物诱导的不对称还原胺化等反应，但这些合成方法仍有局限性。N-烷基化过程通常需要使用具有遗传毒性的烷基化剂，例如卤代烷，并且由于难以去除特定的保护基团而不能大规模地合成。N-烷基-α-氨基酸的仿生路线也有限制，因为需要预制亚胺和使用过渡金属。

作为一种更可持续和替代的化学方法，生物催化已成为制备手性N-取代α-氨基酸及其衍生物的一种有吸引力的方法。然而，目前用于合成N-取代α-氨基酸的酶工具箱存在一些限制。许多酶家族的底物范围很窄，对于α-酮酸的胺底物，只有简单伯胺有高活性。因此，能够在广泛的底物范围内使用生物催化不对称合成N-取代的α-氨基酸或其衍生物仍然是一个重大的挑战。亚胺还原酶（IREDs）和还原性氨基酶（RedAms）属于NAD(P)H依赖性氧化还原酶家族，它们被用于还原氨基化和环亚胺还原反应中手性胺的合成。最近，一个大型的宏基因组（384种酶）亚胺还原酶被用于β-酮酯的还原偶联反应，制备了对映体互补的N-取代β-氨基酸酯。此外，最近使用工程化的亚胺还原酶组在千克规模上合成了赖氨酸特异性脱甲基酶-1（LSD1）抑制剂GSK2879552，进一步展示了该种酶类的合成效用。

近日，英国曼彻斯特大学Nicholas J. Turner和中科院天津工业生物技术研究所朱敦明课题组合作利用不同的宏基因组亚胺还原酶催化各种胺底物对脂肪族和芳香族α-酮酯进行还原胺化，反应制备的N-取代α-氨基酸酯产物具有高转化率和优异的对映选择性。其成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202016589）上。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

首先，作者用384个亚胺还原酶对模型底物2-氧代-4-苯基丁酸乙酯（1，25 mM）与炔丙胺（a，50 mM）在100 μL反应体积下进行了还原胺化筛选，发现有99个亚胺还原酶可以催化所需的转化。进一步分析表明，78个亚胺还原酶具有R-选择性，其中35个亚胺还原酶具有良好的立体选择性（ ee=99%）；20个亚胺还原酶具有S-选择性，但只有pIR-338同时具有优异的转化率和选择性；1个亚胺还原酶产生外消旋体1a。作者列出了相对活性在前5位的S-选择性酶和前7位的R-选择性酶（Table 1）。接着作者选择这12种酶与更广泛的α-酮酯底物进行了还原胺化反应。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

然后，作者以这12个亚胺还原酶对多种芳基以及烷基α-酮酯化合物（2-11）（[S]=50 mM）与丙炔胺（a）（[S]=100 mM）的反应进行了评估（Figure 2）。除10和11外，所有的酮酯底物都以高立体选择性和对映选择性转化为相应的N-炔丙基氨基酸酯，较大的取代基，如苄基和戊基，也在该反应中耐受性良好。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接下来，作者进一步探索了适用于该反应的各种胺的范围（Table 2）。使用1（50 mM）和胺a、d、e和g（100 mM）以及胺b、c、f（500 mM）进行反应，pIR-23、pIR-271、pIR-325和pIR-338对a-e表现出极好的立体选择性，而一些亚胺还原酶的对映选择性随着底物胺的不同而变化。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

为了展示这种生物催化剂的在合成中的实用性，作者在2.5 mmol规模上进行一系列手性胺的制备反应（Figure 3）。对于所有这些制备反应，均得到优良的转化率（53-99%），并且产物的盐酸盐的形式能以中等以上的产率（27-80%）被分离出来。R-选择性亚胺还原酶催化的反应具有极好的ee值（98-99%），而S-选择性亚胺还原酶催化的反应统一具有良好的ee值（26-99%）。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

总结：作者开发了一种高效的生物催化策略，以亚胺还原酶催化α-酮酯和胺合成N-取代氨基酸酯。该方法可由芳基和烷基取代的α-酮酯得到各种对映体纯的N-取代氨基酸酯，弥补了以往化学催化和生物催化中的不足。本研究也进一步证明了宏基因组亚胺还原酶在合成高价值手性胺方面的重要性。