卤醇脱卤酶不对称环化反应机制的研究

Halohydrin dehalogenase(HHDH) could catalyze the dehalogenation of vicinal haloalcohols, generating halide ions and corresponding epoxides. On the other hand, HHDH could catalyze the ring-opening reactions of epoxides in the presence of nucleophiles, affording β-substituted alcohols. In the preliminary experiment, it was found that HheC did not show stereoselectivity in the dehalogenation of prochiral compound 1,3-dichlorine-2-propanol, while the S-enantioselectivity and R- enantioselectivity were found for its variant HheC-W139R and HheC-W139H respectively. These results indicated a potential asmmyetric cyclization mechanism existed in the HHDH-catalyzed dehalogenation of prochiral halohydrins and the variation of enzyme structure could change the stereoselectivity. Hence, this project intends to obtain highly stereoselective HHDH mutants in the asmmyetric cyclization reactions by molecular modification, and explore the asymmetric cyclization mechanism via substrate spectrum assay and molecular simulation. The development of this project not only conducive to the further analysis of the relationship between structure and function of the HHDH, but also enrich the synthesis methodology of chiral epoxides.

卤醇脱卤酶可以催化邻卤代醇脱卤环化，产生一分子卤素离子和对应的环氧化物；同时又可催化环氧化物在亲核离子存在时开环形成β-取代醇。实验前期研究发现，卤醇脱卤酶HheC在催化前手性1,3-二氯-2-丙醇合成环氧氯丙烷的反应中未表现出选择性，而其突变体W139R和W139H在催化该反应时分别表现出S和R选择性。这些结果表明卤醇脱卤酶在催化前手性卤代醇脱卤反应中存在一种不对称环化反应机制，而且卤醇脱卤酶的结构变化可以改变这种不对称环化反应的选择性。因此，本项目拟通过分子改造的方法获得可以催化不对称脱卤反应的高立体选择性卤醇脱卤酶，并通过不同类型的底物谱分析和分子模拟，探究卤醇脱卤酶的这种不对称环化反应机制。本项目的开展不仅有利于进一步解析卤醇脱卤酶的结构和功能之间的关系，而且可以丰富手性环氧化物不对称合成的方法学。

手性环氧化物是一类非常重要的手性砌块，广泛用于医药等精细化学品的合成。本项目通过卤醇脱卤酶的筛选与分子改造，实现了酶催化2-取代-1,3-二氯-2-丙醇不对称脱卤立体选择性互补合成手性环氧化物：获得手性(R)-环氧化物的产率和光学纯度高达93%和99% ee，获得手性(S)-环氧化物的产率和光学纯度高达92%和98% ee。进一步，利用同源建模和分子对接方法分析了卤醇脱卤酶催化2-取代-1,3-二氯-2-丙醇不对称脱卤的反应机制。此外，通过构建卤醇脱卤酶催化的不对称脱卤和氰酸钠介导的环加成两步生物级联反应，实现了酶催化2-取代-1,3-二氯-2-丙醇“一锅法”立体选择性互补合成手性噁唑烷酮：获得手性(R)-噁唑烷酮的产率和光学纯度高达88%和>99% ee, 获得手性(S)-噁唑烷酮的产率和光学纯度高达79%和>99% ee。本项目的研究结果不仅为手性环氧化物和手性噁唑烷酮的绿色合成提供一种补充策略，还为后期卤醇脱卤酶的理性设计与定向改造奠定了一定的理论基础。