生物催化轴手性化合物的氧化还原反应及机理研究

The production of axially chiral products has been a frontier research topic in recent years. It has been a challenge to prepare axially chiral compounds in high optical purity and conversions by biocatalytic methods. It is in urgent needs to develop the theoretical models for the interactions between the substrates and the enzymes, and solve the mechanisms involved in the biocatalytic reactions. This project plans to further study the suitable substrate structures based on the docking models for the axially chiral substrates in the active site of the enzyme Galactose Oxidase (GOase). Furthermore, mutants of GOase specifically works on axially chiral products are to be developed by semi-rational directed evolution methods. Finally, it is planned to enlarge the scale of the reactions, and expand the applications of the biocatalytic methods. The study of this project has high scientific values and considerable potentials for future applications in areas such as total synthesis of nature products, and chiral ligands preparation for transition metal catalysis.

轴手性化合物的催化制备方法是近年来科学界关注的热点课题和前沿领域。利用生物催化方法制备高光学纯度与转化率的轴手性化合物一直以来是研究难题。亟待解决生物催化法中涉及的酶与轴手性底物作用的理论模型及作用机制，以及酶促反应的机理等问题。本项目利用计算机模拟底物置入酶活性中心的理论模型，计划进一步研究适合生物催化方法的底物结构，并通过半理性定向进化制备更能够针对轴手性化合物的高活性半乳糖氧化酶（Galactose Oxidase，GOase）变体。进而扩大反应量级，拓展生物催化法制备高手性纯度的轴手性化合物的应用。此方法在药物合成以及过渡金属催化中手性配体的制备等领域具有重要的科学价值和广阔的应用前景。

近年来，轴手性化合物因在药物研究和不对称合成中具有重要意义而备受关注。其化学合成方法受到广泛研究，但生物催化法合成轴手性化合物则刚刚起步。而半乳糖氧化酶GOase的变体M3-5、来自茶树菇（Agrocybe aegerita）的新型过氧合酶rAaeUPO以及来自不等弯孢菌（Curvularia inaequalis）的钒依赖的氯过氧化物酶CiVCPO针对醇类底物的氧化以及卤化均展现出较优异的特性，其底物接受范围宽，并且反应速率高。将GOase的变体M3-5应用于去消旋化中可达到理论100%的转化率，破除传统动力学拆分方法转化率只有50%的壁垒。经过优化针对模型底物4-硝基苯乙酮其对映体过量值（ee）可达99%以上，转化率达98%以上。此体系被扩展用于8个不同的酮类底物，ee为89-99%，转化率为25-99%。而将rAaeUPO和CiVCPO催化的反应与光催化SAS级联可以克服其针对H2O2失活的问题，达到更高的反应活性，为其针对轴手性底物的催化奠定良好的基础。经优化利用两种过氧合酶（CiVCPO和rAaeUPO）的转换数（TON）分别达到318000和177000。本项目利用GOase、rAaeUPO以及CiVCPO等酶进行生物催化氧化或卤化醇类底物，结合过渡金属催化剂和酮还原酶等还原反应制备具有高产率、高手性纯度的产物。最后进一步利用GOase、酮还原酶等进行轴手性底物的去消旋化反应，获得较高的产物的手性纯度以及转化率。这些产物可作为药物中间体、手性砌块在手性配体、药物生产以及食品和材料等领域发挥重要的作用，具有重要的科学价值。