The Innovation Life | 高选择性酶促不对称合成开创了氟化物应用新机遇

图1 氟化合物的酶促合成 (A) FDAS酶催化无机F-和SAM (S-adenosylmethionine)转化为5ʹ-FDA。(B) 利用5'-ClDA生产5ʹ-FDA。(C) 由5ʹ-FDA生成天然含氟产物。(D) 通过氟乙酰辅酶A将氟引入天然产物。(E) 通过甲基转移酶级联反应将有机氟化物的氟化基团引入受体底物的C、N和O亲核位点。(F) 采用光酶策略将氟化基团不对称地引入烯烃中。(G) 对映选择性的反应机制含亲核攻击步骤和氢原子转移（HAT）过程。晶体结构来源于PDB 3tx9

氟化物因其独特的化学性质，在医药、农用化学品和材料等领域应用广泛，尤其在医药领域，氟原子的引入可以显著改善药物分子的化学物理性质，如提高稳定性、增强亲脂性以及改善药物与靶点的相互作用。目前，约20%的药物市场产品包含氟化化合物。然而，自然界中能够将氟引入有机体的天然酶很少，仅发现了5'-氟-5'-脱氧腺苷合成酶（FDAS），而且已发现的六种FDAS高度相似。酶促氟化物合成工具的稀缺性极大限制了含氟生物活性分子的开发和应用，进而限制了生物合成氟化物在医药、农用化学品和材料等领域的应用。最近在Science上发表的研究介绍了一种将氟化基序整合到烯烃中的光酶促氟烷基化，实现了氟化基团的立体诱导，填补了酶促氟掺杂合成的空白[1]。该研究筛选得到一系列新型黄素单核苷酸（FMN）依赖型还原酶，可通过光诱导电子转移将具有合适离去基团（LG）的氟试剂提升到高能和不稳定状态。随后，LG解离，形成含氟的碳自由基，然后被烯烃捕获形成氟化物。这一合成过程中，这些酶通过对映选择性氢原子转移控制单个氟化单元的远程立体中心。利用来源于Saccharomyces pastorianus 的老黄酶1（OYE1）筛选发现三氟碘乙烷（TFIE）是一种有效的氟源，可高效产生能被α-甲基苯乙烯捕获的含氟自由基。再以TFIE作为氟源优化反应条件，显著提高了OYE1的产率和对映选择性并探究了不对称光酶法在不同底物上的广泛适用性。

该研究利用依赖FMN的还原酶进行氟化的方法扩大了酶促氟化反应的范围，可以精确控制远程β、γ和δ-立体中心的构建，从而生产出多样化的氟化物。具体讲，在蓝光照射下，OYE1催化TFIE与烯烃生成具有高对映选择性的产物。通过优化反应条件，OYE1酶的产率和对映选择性（ee），分别达到65%和92%，而S. cerevisiae 来源的OYE3酶在相同条件下显示出更高的效率，产率为80%且对映选择性为93%。OYE3能够将TFIE引入各种α-甲基烯基芳烃中，产品产率达到37%-99%，ee值达到69%-99%。使用全氟碘烷构建β-立体中心，产物的产率为31%-84%，ee值为90%-98%。采用多氟甲烷碘化物进行γ-立体中心的构建，产率为42%-80%，ee为92%-99%。通过在氟化部分和碘之间增加两个亚甲基间隔，还可以合成具有δ-立体中心的氟化化合物。

进一步解释了氟化基团在乙烯芳烃中的不对称引入的分子机理，利用分子对接和量子化学簇模型的计算化学方法研究酶与氟化底物之间的相互作用，阐明了立体选择性的来源。在反应过程中，OYE1的酪氨酸残基（Y196和Y375）通过氢键介导底物与酶的相互作用。TFIE随后发生去碘反应，形成双自由基中间体IntA，该中间体与α-甲基苯乙烯相互作用生成IntB，并通过自由基攻击转换为IntC。最终，黄素亚醌为IntC的立体中心提供氢原子，生成最终产物。产物的S构型主要受OYE1的T37和W116残基的影响。这两个残基通过显著的空间位阻指引立体排列，迫使α-甲基苯乙烯的苯基朝向一个位阻干扰最小的区域，而甲基则被引导进入一个更拥挤的区域，从而导致最终产物的S构型。

本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Life 第3卷第1期发表的Commentary文章“Precise and selective asymmetric synthesis of fluorinated compounds via enzymatic approach” (投稿: 2024-08-15；接收: 2024-11-13；在线刊出: 2024-12-12)。

DOI：10.59717/j.xinn-life.2024.100109

引用格式：Mu J., Li J., Jiang X., et al. (2025). Precise and selective asymmetric synthesis of fluorinated compounds via enzymatic approach. The Innovation Life 3:100109.