D-缬氨醇的生物催化合成

介绍

D-缬氨醇是一种重要的手性β-氨基醇，是合成多种药物的关键中间体。例如，它是合成第二代口服CDK抑制剂(R)-Roscovitine的关键手性中间体。

图一 D-缬氨醇

研究背景

由于D-缬氨醇在药物合成中的重要性，开发高效合成方法具有重要的实际意义。β-氨基醇的生物催化氧化脱氨基在动力学拆分和/或去酰化过程中具有巨大的实用潜力，可以获得（R）-β-氨基醇类化合物，例如D-缬氨醇。这项研究是获得和利用这种有价值的氧化脱氨基活性的一个显著例子。最初，突变N261M（M0）被鉴定为赋予天然缬氨酸脱氢酶对几种（S）-β-氨基醇的氧化脱氨基活性。随后，提出了一种基于系统发育分析的双编码饱和诱变策略来改造M0的侧链结合位点。这一策略促进了M0的底物特异性进化，导致产生了一组突变体（M1-M4），这些突变体对结构多样的（S）-β-氨基醇具有显著的氧化脱氨基活性。使用这些工程化的胺脱氢酶，称为β-氨基醇脱氢酶（β-ADHs），实现了一系列β-氨基醇类的完全动力学拆分甚至脱羧。“Substrate-Specific Evolution of Amine Dehydrogenases forAccessing Structurally Diverse Enantiopure (R)‑β-Amino Alcohols”这项工作报告了不同的生物催化剂和合成对映体纯（R）-β-氨基醇的合成策略，并为酶的底物特异性工程提供了一种创新方法[1]。

合成方法

酰脱氢酶催化氧化脱氨基

研究中，作者利用一种天然的缬氨酸脱氢酶（HsValDH3），通过突变N261M，使其获得了对(S)-β-氨基醇的氧化脱氨基活性。这种突变体被称为第一代β-氨基醇脱氢酶（M0）。进一步地，通过系统发育分析指导的双密码子饱和突变策略，对M0的侧链结合位点进行工程化，开发了第二代β-氨基醇脱氢酶（M1-M4）。这些突变体在对结构多样的D-缬氨醇的氧化脱氨基反应中表现出显著的活性。

动力学分辨率和非对映体化

利用这些工程化的β-氨基醇脱氢酶，可以对一系列β-氨基醇进行完全的动力学分辨率和非对映体化反应，从而得到高光学纯度的(R)-β-氨基醇。研究中，作者对六种具有代表性的消旋β-氨基醇底物进行了动力学分辨率反应，其中大部分底物能够顺利地被氧化，得到理论上的50%转化率和几乎光学纯的D-缬氨醇。

三酶级联反应

为了进一步提高反应效率和产物的光学纯度，研究中还探索了三酶级联反应。通过在反应体系中加入(R)-选择性的ω-转氨酶，可以实现对消旋β-氨基醇的非对映体化。这种三酶级联反应体系能够有效地将消旋β-氨基醇转化为D-缬氨醇，光学纯度超过99%，转化率在90%到99%之间。

图二 获得β-AADH 的氧化脱氨活性示意图

参考文献

[1]Yin, Xinjian; Gong, Wenzhong; Zeng, Yujing; Qiu, Hulin; Liu, Lan; Hollmann, Frank; Chen, Bishuang [ACS Catalysis, 2024, vol. 14, # 2, p. 837 - 845]