P450酶催化卡宾对N-H/O-H键的插入串联反应的设计、催化机制与合成应用

Cytochrome P450 enzymes are a kind of biologically widespread enzyme with a variety of catalytic functions and have demonstrated a special catalytic efficiency in the asymmetric construction of C-N, C-O, C-Si bonds etc. To expand the new catalytic function of P450 enzymes via the establishment of a biocatalytic reaction system driven by chemical principles and realize the asymmetric synthesis of structurally characteristic molecules is still a challenging topic. In this project, we combine the similarities between the chemical-catalyzed insertion of carbens to the functional bonds and the reaction process mediated by P450 enzymes, and intend to apply the reaction mechanism of transition metal-catalyzed asymmetric insertion of carbens to N-H/O-H bonds into the P450 enzymes-catalyzed similar reactions with a paticipation of heterocyclic diazo substrates. The research design aim to construct the chiral spirocyclic 2,3-dihydrobenzpyrrole/furan-oxindole/pyrazolone derivatives through the synthesis of conjugated ketenes with both nucleophilic and electrophilic reactivities and the rational design of P450 enzymes. Furthermore, the reaction mechanism exploration, particularly, the correlation law study of amino acid residues, substrate structure and the reaction activity and stereoselectivity regulation will provide a consult for the design of P450 enzymes-catalyzed new cascade reactions and the strategy for biocatalytic synthesis driven by chemical principles.

P450酶是一种存在广泛、催化功能多样的生物酶，在不对称构建C-N、C-O、C-Si键等的反应中显示了特殊的催化效能。通过设计化学原理驱动的生物催化反应体系，拓展P450酶的新催化功能，实现特征性结构分子的手性合成仍是一项挑战性的工作。本项目结合化学催化的卡宾对功能性化学键的不对称插入反应过程与P450酶催化反应的相似之处，拟将过渡金属催化的卡宾对N-H/O-H键的不对称插入反应的机制应用于P450酶催化的杂环重氮底物参与的卡宾对N-H/O-H键的不对称插入串联反应，通过合成兼具亲核与亲电双反应位点的共轭烯酮底物以及理性设计P450酶结构，实现含手性螺环氧化吲哚/吡唑啉酮砌块的2,3-二氢苯并吡咯/呋喃衍生物的绿色合成。通过进一步对其反应机制的研究，尤其是探究氨基酸残基、底物结构调控反应活性和立体选择性的相关规律，为设计P450酶催化的新串联反应与化学原理驱动的生物催化合成新策略提供思路。

目前P450酶催化主要集中于不对称氧化和一些特殊性化学键的插入反应研究，反应类型的应用范围依然具有局限性。本项目研究以合成结构多样新颖的手性2,3-二氢苯并吡咯/呋喃类化合物为导向，拟通过设计P450酶催化的重氮化合物参与的活泼N-H/O-H键的不对称卡宾插入/Michael加成环化串联反应，实现含手性螺环氧化吲哚/吡咯啉酮砌块的2,3-二氢苯并吡咯/呋喃类化合物的高立体选择性合成。主要开展了以下几个方面的研究工作：（1）首先设计合成了结构多样的3-重氮氧化吲哚、4-重氮氧化异喹啉、源于靛红/苯并呋喃-2,3-二酮的N-Ts-腙、2-吡咯芳香胺与4-(2-羟基苯亚甲基)-2,5-二烯环己酮等底物，系统考察了有机催化的3-重氮氧化吲哚/4-重氮氧化异喹啉与4-(2-羟基苯亚甲基)-2,5-二烯环己酮的不对称[4 + 1]环化反应，高立体选择性合成得到了两类具有抗肿瘤活性的手性螺环2,3-二氢苯并呋喃类化合物(29 examples, up to 95% ee, > 20:1 dr)；（2）通过廉价金属铜催化原位生成的3-重氮氧化吲哚/3-重氮苯并呋喃酮与2-吡咯芳香胺的[5 + 1]环化反应，分别获得了螺环吡咯并二氢喹喔啉-氧化吲哚/苯并呋喃酮类化合物(34 examples, 36-83% yields)；（3）初步完成了P450酶催化苯酚对位氧化生成1,4-对苯二酚的研究，通过进一步构建P450酶与可见光组合催化反应体系，初步实现了苯酚到2,5-二羟基苯并呋喃-3-酮(15% yield)与联苯酚类化合物(52% yield)的“一锅”两步合成；（4）拓展研究了金属钯催化3-氨基氧化吲哚与羧酸烯丙酯的不对称烯丙基化反应用于合成手性高烯丙基胺-氧化吲哚类化合物的研究，立体选择性构筑了一类手性高烯丙基胺-氧化吲哚类化合物(24 examples, up to >99% ee, 6:1 dr)，合成得到的手性分子可进一步转化为手性的药物活性分子螺[3,2'-四氢吡咯]-氧化吲哚类结构。本项目研究对于丰富螺环苯并二氢呋喃类化合物结构，尤其对于探索光酶组合催化的新反应类型与拓展其合成应用具有重要意义。